Cellular Respiration hos mennesker

Hensikten med cellulær respirasjon er å konvertere glukose fra mat til energi.

Celler bryter ned glukose i en rekke komplekse kjemiske reaksjoner og kombinerer reaksjonsproduktene med oksygen for å lagre energi i adenosintrifosfat (ATP) molekyler. ATP-molekylene brukes til å drive celleaktiviteter og fungere som den universelle energikilden for levende organismer.

Cellular respirasjon hos mennesker starter i fordøyelsessystemet og luftveiene. Mat fordøyes i tarmene og omdannes til glukose. Oksygen absorberes i lungene og lagres i røde blodlegemer. Glukosen og oksygenet går ut i kroppen gjennom sirkulasjonssystemet for å nå celler som trenger energi.

Cellene bruker glukose og oksygen fra sirkulasjonssystemet for energiproduksjon. De leverer avfallsproduktet, karbondioksid, tilbake til de røde blodcellene, og karbondioksidet frigjøres til atmosfæren gjennom lungene.

Mens fordøyelsessystemet, luftveiene og sirkulasjonssystemene spiller en viktig rolle i menneskelig respirasjon, finner respirasjon på mobilnivå sted inne i cellene og i

• Glykolyse: Cellen deler glukosemolekylet i cellen cytosol.
  
• Krebs-syklus (eller sitronsyresyklus): En rekke sykliske reaksjoner produserer elektrondonorene som brukes i neste trinn og finner sted i mitokondriene.
• Elektrontransportkjeden: Den siste reaksjonsserien som bruker oksygen til å produsere ATP-molekyler, finner sted på den indre membranen i mitokondriene.

I den generelle cellulære respirasjonsreaksjonen produserer hvert glukosemolekyl 36 eller 38 molekyler av ATP, avhengig av celletype. Mobil respirasjon hos mennesker er en kontinuerlig prosess og krever kontinuerlig tilførsel av oksygen. I mangel av oksygen stopper den cellulære respirasjonsprosessen ved glykolyse.

Hensikten med celleånding er å produsere ATP-molekyler gjennom oksidasjon av glukose.

For eksempel er den cellulære respirasjonsformelen for produksjon av 36 ATP-molekyler fra et molekyl glukose C₆H₁₂O₆ + 6O₂ = 6CO₂ + 6H₂O + energi (36ATP molekyler). ATP-molekylene lagrer energi i sine tre fosfatgruppebindinger.

Energien som produseres av cellen lagres i bindingen til den tredje fosfatgruppen, som tilsettes ATP-molekylene under den cellulære respirasjonsprosessen. Når energien er nødvendig, brytes den tredje fosfatbindingen og brukes til cellegemiske reaksjoner. An adenosindifosfat (ADP) molekyl med to fosfatgrupper er igjen.

Under cellulær respirasjon brukes energien fra oksidasjonsprosessen til å endre ADP-molekylet tilbake til ATP ved å legge til en tredje fosfatgruppe. ATP-molekylet er da igjen klart til å bryte denne tredje bindingen for å frigjøre energi for cellen å bruke.

I glykolyse er et seks-karbon glukosemolekyl delt i to deler for å danne to pyruvat molekyler i en serie reaksjoner. Etter at glukosemolekylet kommer inn i cellen, mottar de to tre-karbonhalvdelene hver to fosfatgrupper i to separate trinn.

Først to ATP-molekyler fosforylat de to halvdelene av glukosemolekylet ved å tilsette en fosfatgruppe til hver enkelt. Deretter tilfører enzymer en fosfatgruppe til hver av halvdelene av glukosemolekylet, noe som resulterer i to tre-karbonmolekylhalvdeler, hver med to fosfatgrupper.

I to siste og parallelle reaksjonsserier mister de to fosforylerte tre-karbonhalvdelene av det originale glukosemolekylet sine fosfatgrupper for å danne de to pyruvatmolekylene. Den endelige splittelsen av glukosemolekylet frigjør energi som brukes til å tilsette fosfatgruppene til ADP-molekylene og danne ATP.

Hver halvdel av glukosemolekylet mister sine to fosfatgrupper og produserer pyruvatmolekylet og to ATP-molekyler.

Glykolyse finner sted i cellecytosolen, men resten av cellulær respirasjonsprosess beveger seg inn i mitokondrier. Glykolyse krever ikke oksygen, men når pyruvat har beveget seg inn i mitokondriene, kreves oksygen for alle ytterligere trinn.

Mitokondriene er energifabrikkene som lar oksygen og pyruvat komme inn gjennom deres ytre membran og La deretter reaksjonsproduktene karbondioksid og ATP komme ut i cellen og videre til sirkulasjon system.

De sitronsyresyklus er en serie sirkulære kjemiske reaksjoner som genererer NADH og FADH₂ molekyler. Disse to forbindelsene går inn i det påfølgende trinnet med cellulær respirasjon, elektrontransportkjede, og doner de første elektronene som brukes i kjeden. Den resulterende NAD⁺ og FAD-forbindelser returneres til sitronsyresyklusen for å bli byttet tilbake til deres opprinnelige NADH og FADH₂ skjemaer og resirkulert.

Når tre-karbon pyruvatmolekylene kommer inn i mitokondriene, mister de ett av karbonmolekylene for å danne karbondioksid og en to-karbonforbindelse. Dette reaksjonsproduktet blir deretter oksidert og bundet til koenzym A å danne to acetyl CoA molekyler. I løpet av sitronsyresyklusen er karbonforbindelsene koblet til en firkarbonforbindelse for å produsere et seks-karbon citrat.

I en serie reaksjoner frigjør citratet to karbonatomer som karbondioksid og produserer 3 NADH, 1 ATP og 1 FADH₂ molekyler. På slutten av prosessen utgjør syklusen den opprinnelige firekarbonforbindelsen og starter på nytt. Reaksjonene finner sted i mitokondriene, og i NADH og FADH₂ molekyler deltar deretter i elektrontransportkjeden på mitokondriens indre membran.

Elektrontransportkjeden består av fire proteinkomplekser ligger på den indre membranen av mitokondriene. NADH donerer elektroner til det første proteinkomplekset mens FADH₂ gir elektronene til det andre proteinkomplekset. Proteinkompleksene passerer elektronene nedover transportkjeden i en serie reduksjons-oksidasjon eller redoks reaksjoner.

Energi frigjøres i løpet av hvert redoks-trinn, og hvert proteinkompleks bruker det til å pumpe protoner over mitokondriell membran inn i mellommembranrommet mellom indre og ytre membran. Elektronene passerer gjennom til det fjerde og siste proteinkomplekset der oksygenmolekyler fungerer som de siste elektronakseptorene. To hydrogenatomer kombineres med et oksygenatom for å danne vannmolekyler.

Når konsentrasjonen av protoner utenfor den indre membranen øker, an energi gradient er etablert og har en tendens til å tiltrekke protonene tilbake over membranen til den siden som har lavere protonkonsentrasjon. Et indre membranenzym kalt ATP-syntase gir protonene en passasje tilbake gjennom den indre membranen.

Når protonene passerer gjennom ATP-syntase, bruker enzymet protonenergien til å endre ADP til ATP, og lagrer protonenergien fra elektrontransportkjeden i ATP-molekylene.

De komplekse biologiske og kjemiske prosessene som utgjør respirasjon på mobilnivå involverer enzymer, protonpumper og proteiner som interagerer på molekylært nivå på svært kompliserte måter. Mens tilførselen av glukose og oksygen er enkle stoffer, er ikke enzymer og proteiner det.

En oversikt over glykolyse, hjelper Krebs- eller sitronsyresyklusen og elektronoverføringskjeden til å demonstrere hvordan cellulær respirasjon fungerer på et grunnleggende nivå, men den faktiske driften av disse trinnene er mye mer kompleks.

Å beskrive prosessen med cellulær respirasjon er enklere på et konseptuelt nivå. Kroppen tar i seg næringsstoffer og oksygen og fordeler glukosen i maten og oksygenet til individuelle celler etter behov. Cellene oksyderer glukosemolekylene for å produsere kjemisk energi, karbondioksid og vann.

Energien brukes til å tilsette en tredje fosfatgruppe til et ADP-molekyl for å danne ATP, og karbondioksidet elimineres gjennom lungene. ATP-energi fra den tredje fosfatbindingen brukes til å drive andre cellefunksjoner. Slik danner cellulær respirasjon grunnlaget for alle andre menneskelige aktiviteter.