Oddychanie komórkowe u ludzi

Celem oddychania komórkowego jest przekształcenie glukozy z pożywienia w energię.

Komórki rozkładają glukozę w szeregu złożonych reakcji chemicznych i łączą produkty reakcji z tlenem w celu magazynowania energii w adenozynotrifosforan (ATP) cząsteczki. Cząsteczki ATP są wykorzystywane do zasilania aktywności komórek i działają jako uniwersalne źródło energii dla żywych organizmów.

Oddychania komórkowego u ludzi zaczyna się w układzie pokarmowym i oddechowym. Pokarm jest trawiony w jelitach i przekształcany w glukozę. Tlen jest wchłaniany w płucach i magazynowany w czerwonych krwinkach. Glukoza i tlen wędrują do organizmu przez układ krążenia, aby dotrzeć do komórek potrzebujących energii.

Komórki wykorzystują glukozę i tlen z układu krążenia do produkcji energii. Odprowadzają produkt odpadowy, dwutlenek węgla, z powrotem do czerwonych krwinek, a dwutlenek węgla jest uwalniany do atmosfery przez płuca.

Podczas gdy układ trawienny, oddechowy i krwionośny odgrywają główną rolę w oddychaniu człowieka, oddychanie na poziomie komórkowym odbywa się wewnątrz komórek i w

• Glikoliza: Komórka dzieli cząsteczkę glukozy w cytozolu komórki.
  
• Cykl Krebsa (lub cykl kwasu cytrynowego): Seria cyklicznych reakcji wytwarza donory elektronów, które są wykorzystywane w następnym etapie i zachodzi w mitochondriach.
• Łańcuch transportu elektronów: Ostatnia seria reakcji wykorzystujących tlen do produkcji cząsteczek ATP zachodzi na wewnętrznej błonie mitochondriów.

W ogólnej reakcji oddychania komórkowego każda cząsteczka glukozy wytwarza 36 lub 38 cząsteczek ATP, w zależności od typu komórki. Oddychanie komórkowe u ludzi jest procesem ciągłym i wymaga ciągłego dostarczania tlenu. W przypadku braku tlenu proces oddychania komórkowego zatrzymuje się na glikolizie.

Celem oddychania komórkowego jest wytwarzanie cząsteczek ATP poprzez utlenianie glukozy.

Na przykład wzór oddychania komórkowego do produkcji 36 cząsteczek ATP z cząsteczki glukozy to C₆H₁₂O₆ + 60₂ = 6 CO₂ + 6H₂Energia O + (36 cząsteczek ATP). Cząsteczki ATP magazynują energię w swoich trzech wiązania grup fosforanowych.

Energia wytwarzana przez komórkę jest magazynowana w wiązaniu trzeciej grupy fosforanowej, która jest dodawana do cząsteczek ATP podczas procesu oddychania komórkowego. Kiedy potrzebna jest energia, trzecie wiązanie fosforanowe zostaje zerwane i wykorzystywane do reakcji chemicznych w komórce. Na difosforan adenozyny (ADP) cząsteczka z dwiema grupami fosforanowymi.

Podczas oddychania komórkowego energia z procesu utleniania jest wykorzystywana do zmiany cząsteczki ADP z powrotem na ATP poprzez dodanie trzeciej grupy fosforanowej. Cząsteczka ATP jest wtedy ponownie gotowa do zerwania tego trzeciego wiązania, aby uwolnić energię do wykorzystania przez komórkę.

W glikolizie sześciowęglowa cząsteczka glukozy jest podzielona na dwie części, tworząc dwie pirogronian cząsteczki w serii reakcji. Gdy cząsteczka glukozy wejdzie do komórki, jej dwie trójwęglowe połówki otrzymują dwie grupy fosforanowe w dwóch oddzielnych etapach.

Najpierw dwie cząsteczki ATP fosforylować dwie połówki cząsteczki glukozy przez dodanie do każdej grupy fosforanowej. Następnie enzymy dodają jeszcze jedną grupę fosforanową do każdej z połówek cząsteczki glukozy, w wyniku czego powstają dwie trójwęglowe połówki cząsteczki, każda z dwiema grupami fosforanowymi.

W dwóch końcowych i równoległych seriach reakcji dwie fosforylowane trójwęglowe połówki oryginalnej cząsteczki glukozy tracą swoje grupy fosforanowe, tworząc dwie cząsteczki pirogronianu. Ostateczne rozszczepienie cząsteczki glukozy uwalnia energię, która jest wykorzystywana do przyłączania grup fosforanowych do cząsteczek ADP i tworzenia ATP.

Każda połowa cząsteczki glukozy traci dwie grupy fosforanowe i wytwarza cząsteczkę pirogronianu i dwie cząsteczki ATP.

Glikoliza zachodzi w cytozolu komórki, ale reszta procesu oddychania komórkowego przenosi się do mitochondria. Glikoliza nie wymaga tlenu, ale gdy pirogronian przemieści się do mitochondriów, tlen jest potrzebny na wszystkich dalszych etapach.

Mitochondria to fabryki energii, które przepuszczają tlen i pirogronian przez ich zewnętrzną błonę i następnie pozwól produktom reakcji, dwutlenku węgla i ATP, wyjść z powrotem do komórki i dalej do układu krążenia system.

cykl kwasu cytrynowego to seria okrągłych reakcji chemicznych, które generują NADH i FADH₂ molekuły. Te dwa związki wchodzą w kolejny etap oddychania komórkowego, łańcuch transportu elektronów, i oddaj początkowe elektrony używane w łańcuchu. Powstały NAD⁺ a związki FAD wracają do cyklu kwasu cytrynowego, aby powrócić do ich oryginalnego NADH i FADH₂ formy i recykling.

Kiedy cząsteczki pirogronianu trójwęglowego dostają się do mitochondriów, tracą jedną ze swoich cząsteczek węgla, tworząc dwutlenek węgla i związek dwuwęglowy. Ten produkt reakcji jest następnie utleniany i łączony z koenzym A uformować dwoje acetylo-CoA molekuły. W trakcie cyklu kwasu cytrynowego związki węgla łączą się ze związkiem czterowęglowym, tworząc cytrynian sześciowęglowy.

W serii reakcji cytrynian uwalnia dwa atomy węgla jako dwutlenek węgla i wytwarza 3 NADH, 1 ATP i 1 FADH₂ molekuły. Pod koniec procesu cykl odtwarza pierwotny czterowęglowy związek i rozpoczyna się od nowa. Reakcje zachodzą we wnętrzu mitochondriów, a NADH i FADH₂ cząsteczki biorą następnie udział w łańcuchu transportu elektronów na wewnętrznej błonie mitochondriów.

Łańcuch transportu elektronów składa się z czterech kompleksy białkowe znajduje się na wewnętrznej błonie mitochondriów. NADH przekazuje elektrony do pierwszego kompleksu białkowego, podczas gdy FADH₂ przekazuje swoje elektrony drugiemu kompleksowi białkowemu. Kompleksy białkowe przekazują elektrony w dół łańcucha transportowego w serii redukcji-utleniania lub redoks reakcje.

Energia uwalniana jest na każdym etapie redoks, a każdy kompleks białkowy wykorzystuje ją do pompowania protony przez błonę mitochondrialną do przestrzeni międzybłonowej między błoną wewnętrzną i zewnętrzną. Elektrony przechodzą do czwartego i ostatniego kompleksu białkowego, gdzie cząsteczki tlenu działają jako końcowe akceptory elektronów. Dwa atomy wodoru łączą się z atomem tlenu, tworząc cząsteczki wody.

Wraz ze wzrostem stężenia protonów na zewnątrz błony wewnętrznej, an gradient energii ma tendencję do przyciągania protonów z powrotem przez błonę na stronę, która ma niższe stężenie protonów. Enzym błony wewnętrznej zwany Syntaza ATP oferuje protonom przejście z powrotem przez błonę wewnętrzną.

Gdy protony przechodzą przez syntazę ATP, enzym wykorzystuje energię protonów do zmiany ADP na ATP, przechowując energię protonów z łańcucha transportu elektronów w cząsteczkach ATP.

Złożone procesy biologiczne i chemiczne, które składają się na oddychanie na poziomie komórkowym, obejmują enzymy, pompy protonowe i białka oddziałujące na poziomie molekularnym w bardzo skomplikowany sposób. Podczas gdy wejścia glukozy i tlenu są prostymi substancjami, enzymy i białka nie są.

Przegląd glikoliza, cykl Krebsa lub kwas cytrynowy i łańcuch przenoszenia elektronów pomagają zademonstrować, jak działa oddychanie komórkowe na podstawowym poziomie, ale faktyczne działanie tych etapów jest znacznie bardziej złożone.

Opisanie procesu oddychania komórkowego jest prostsze na poziomie pojęciowym. Organizm pobiera składniki odżywcze i tlen oraz w razie potrzeby rozprowadza glukozę z pożywienia oraz tlen do poszczególnych komórek. Komórki utleniają cząsteczki glukozy, aby wytworzyć energię chemiczną, dwutlenek węgla i wodę.

Energia jest wykorzystywana do dodania trzeciej grupy fosforanowej do cząsteczki ADP w celu wytworzenia ATP, a dwutlenek węgla jest eliminowany przez płuca. Energia ATP z trzeciego wiązania fosforanowego jest wykorzystywana do zasilania innych funkcji komórki. W ten sposób oddychanie komórkowe stanowi podstawę wszystkich innych ludzkich działań.