Šūnu elpošana cilvēkiem

Šūnu elpošanas mērķis ir pārvērst glikozi no pārtikas enerģijā.

Šūnas sarežģītās ķīmiskās reakcijās noārda glikozi un apvieno reakcijas produktus ar skābekli enerģijas uzkrāšanai adenozīna trifosfāts (ATP) molekulas. ATP molekulas tiek izmantotas, lai darbinātu šūnu aktivitātes un darbotos kā universāls enerģijas avots dzīviem organismiem.

Šūnu elpošana cilvēkiem sākas gremošanas un elpošanas sistēmā. Pārtika tiek sagremota zarnās un pārveidota par glikozi. Skābeklis tiek absorbēts plaušās un uzkrāts sarkanajās asins šūnās. Glikoze un skābeklis caur asinsrites sistēmu nonāk organismā, lai sasniegtu šūnas, kurām nepieciešama enerģija.

Šūnas enerģijas ražošanai izmanto asinsrites sistēmas glikozi un skābekli. Viņi nogādā atkritumu produktu, oglekļa dioksīdu, atpakaļ sarkanajās asins šūnās, un oglekļa dioksīds tiek izvadīts atmosfērā caur plaušām.

Kamēr gremošanas, elpošanas un asinsrites sistēmām ir galvenā loma cilvēka elpošanā, elpošana šūnu līmenī notiek šūnu iekšienē un mitohondrijos no šūnām. Procesu var sadalīt trīs atšķirīgos posmos:

• Glikolīze: Šūna sašķeļ glikozes molekulu šūnas citozolā.
  
• Krebsa cikls (vai citronskābes cikls): Ciklisko reakciju sērija rada elektronu donorus, kurus izmanto nākamajā solī, un tie notiek mitohondrijos.
• Elektronu transporta ķēde: Pēdējā reakciju sērija, kas izmanto skābekli ATP molekulu ražošanai, notiek uz mitohondriju iekšējās membrānas.

Visā šūnu elpošanas reakcijā katra glikozes molekula ražo 36 vai 38 ATP molekulas, atkarībā no šūnas veida. Šūnu elpošana cilvēkiem ir nepārtraukts process un prasa nepārtrauktu skābekļa piegādi. Ja nav skābekļa, šūnu elpošanas process apstājas pie glikolīzes.

Šūnu elpošanas mērķis ir ATP molekulu ražošana caur oksidēšanās glikozes.

Piemēram, šūnu elpošanas formula 36 ATP molekulu ražošanai no glikozes molekulas ir C₆H₁₂O₆ + 6O₂ = 6CO₂ + 6H₂O + enerģija (36ATP molekulas). ATP molekulas enerģiju uzkrāj savās trijās fosfātu grupas saites.

Šūnas saražotā enerģija tiek uzkrāta trešās fosfātu grupas saitē, kas tiek pievienota ATP molekulām šūnu elpošanas procesā. Kad enerģija ir nepieciešama, trešā fosfāta saite tiek pārtraukta un izmantota šūnu ķīmiskajām reakcijām. An adenozīna difosfāts (ADP) molekula ar divām fosfātu grupām.

Šūnu elpošanas laikā oksidācijas procesa enerģija tiek izmantota, lai ADP molekulu mainītu atpakaļ uz ATP, pievienojot trešo fosfātu grupu. Pēc tam ATP molekula atkal ir gatava pārtraukt šo trešo saiti, lai atbrīvotu enerģiju šūnas lietošanai.

Glikolīzē sešu oglekļa glikozes molekula tiek sadalīta divās daļās, veidojot divas piruvāts molekulas reakciju virknē. Pēc tam, kad glikozes molekula nonāk šūnā, tās abas trīs oglekļa grupas saņem divas fosfāta grupas divos atsevišķos posmos.

Pirmkārt, divas ATP molekulas fosforilāts abas glikozes molekulas puses, katrai pievienojot fosfātu grupu. Tad fermenti pievieno vēl vienu fosfāta grupu katrai glikozes molekulas pusei, kā rezultātā rodas divas trīs oglekļa molekulas pusītes, katrā no tām ir divas fosfātu grupas.

Divās galīgajās un paralēlajās reakciju sērijās sākotnējās glikozes molekulas divas fosforilētās trīs oglekļa puses zaudē fosfāta grupas, veidojot abas piruvāta molekulas. Glikozes molekulas galīgā sadalīšana atbrīvo enerģiju, kas tiek izmantota fosfātu grupu pievienošanai ADP molekulām un ATP veidošanai.

Katra glikozes molekulas puse zaudē divas fosfātu grupas un rada piruvāta molekulu un divas ATP molekulas.

Glikolīze notiek šūnu citozolā, bet pārējais šūnu elpošanas process virzās uz mitohondrijos. Glikolīzei nav nepieciešams skābeklis, bet, tiklīdz piruvāts ir pārvietojies mitohondrijos, skābeklis ir nepieciešams visiem turpmākajiem posmiem.

Mitohondriji ir enerģijas rūpnīcas, kas ļauj skābeklim un piruvātam iekļūt caur ārējo membrānu un tad ļaujiet reakcijas produktiem oglekļa dioksīdam un ATP atgriezties šūnā un tālāk asinsritē sistēmā.

The citronskābes cikls ir virkne apļveida ķīmisko reakciju, kas rada NADH un FADH₂ molekulas. Šie divi savienojumi nonāk nākamajā šūnu elpošanas posmā elektronu transporta ķēdeun ziedojiet ķēdē izmantotos sākotnējos elektronus. Rezultātā iegūtais NAD⁺ un FAD savienojumi tiek atgriezti citronskābes ciklā, lai tos atkal nomainītu uz sākotnējiem NADH un FADH₂ veidlapas un pārstrādātas.

Kad trīs oglekļa piruvāta molekulas nonāk mitohondrijos, tās zaudē vienu no oglekļa molekulām, veidojot oglekļa dioksīdu un divu oglekļa savienojumu. Šis reakcijas produkts pēc tam tiek oksidēts un pievienots koenzīms A veidot divus acetil CoA molekulas. Citronskābes cikla laikā oglekļa savienojumi ir saistīti ar četru oglekļa savienojumu, lai iegūtu sešu oglekļa citrātu.

Reakciju virknē citrāts kā oglekļa dioksīds atbrīvo divus oglekļa atomus un rada 3 NADH, 1 ATP un 1 FADH₂ molekulas. Procesa beigās cikls no jauna veido sākotnējo četru oglekļa savienojumu un sākas no jauna. Reakcijas notiek mitohondriju iekšienē, kā arī NADH un FADH₂ molekulas pēc tam piedalās elektronu transporta ķēdē uz mitohondriju iekšējās membrānas.

Elektronu transporta ķēde sastāv no četriem olbaltumvielu kompleksi kas atrodas uz mitohondriju iekšējās membrānas. NADH ziedo elektronus pirmajam olbaltumvielu kompleksam, kamēr FADH₂ dod savus elektronus otrajam olbaltumvielu kompleksam. Olbaltumvielu kompleksi elektronus iziet cauri transporta ķēdei reducēšanās-oksidēšanas vai redokss reakcijas.

Katrā redoksa posmā enerģija tiek atbrīvota, un katrs olbaltumvielu komplekss to izmanto sūknēšanai protoni pāri mitohondriju membrānai starpmembrānu telpā starp iekšējo un ārējo membrānu. Elektroni pāriet uz ceturto un pēdējo olbaltumvielu kompleksu, kur skābekļa molekulas darbojas kā galīgie elektronu akceptori. Divi ūdeņraža atomi apvienojas ar skābekļa atomu, veidojot ūdens molekulas.

Palielinoties protonu koncentrācijai ārpus iekšējās membrānas, an enerģijas gradients ir izveidota, tiecoties piesaistīt protonus atpakaļ caur membrānu uz pusi, kurā ir mazāka protonu koncentrācija. Iekšējās membrānas fermentu sauc ATP sintāze piedāvā protoniem atgriezties caur iekšējo membrānu.

Kad protoni iziet cauri ATP sintāzei, ferments izmanto protonu enerģiju, lai ADP mainītu par ATP, ATP molekulās saglabājot protonu enerģiju no elektronu transporta ķēdes.

Kompleksie bioloģiskie un ķīmiskie procesi, kas veido elpošanu šūnu līmenī, ietver fermentus, protonu sūkņus un olbaltumvielas, kas molekulārā līmenī mijiedarbojas ļoti sarežģīti. Lai gan glikozes un skābekļa ievadīšana ir vienkārša viela, fermenti un olbaltumvielas nav.

Pārskats par glikolīze, Krebsa jeb citronskābes cikls un elektronu pārneses ķēde palīdz parādīt, kā šūnu elpošana darbojas pamata līmenī, taču šo posmu faktiskā darbība ir daudz sarežģītāka.

Šūnu elpošanas procesu aprakstīt konceptuālā līmenī ir vienkāršāk. Ķermenis uzņem barības vielas un skābekli un pēc vajadzības sadala glikozi pārtikā un skābekli atsevišķām šūnām. Šūnas oksidē glikozes molekulas, lai iegūtu ķīmisko enerģiju, oglekļa dioksīdu un ūdeni.

Enerģiju izmanto, lai ADP molekulai pievienotu trešo fosfātu grupu, veidojot ATP, un oglekļa dioksīds tiek izvadīts caur plaušām. Trešās fosfāta saites ATP enerģija tiek izmantota citu šūnu funkciju darbināšanai. Tā šūnu elpošana veido pamatu visām pārējām cilvēku darbībām.