Клеточное дыхание у людей

Цель клеточного дыхания - преобразовать глюкозу из пищи в энергию.

Клетки расщепляют глюкозу в серии сложных химических реакций и объединяют продукты реакции с кислородом для хранения энергии в ней. аденозинтрифосфат (АТФ) молекулы. Молекулы АТФ используются для питания клеточной активности и действуют как универсальный источник энергии для живых организмов.

Клеточное дыхание у человека начинается в пищеварительной и дыхательной системах. Пища переваривается в кишечнике и превращается в глюкозу. Кислород всасывается в легких и хранится в красных кровяных тельцах. Глюкоза и кислород попадают в организм через систему кровообращения, чтобы достичь клеток, которым нужна энергия.

Клетки используют глюкозу и кислород из системы кровообращения для производства энергии. Они доставляют отходы, углекислый газ, обратно к эритроцитам, а углекислый газ выбрасывается в атмосферу через легкие.

В то время как пищеварительная, дыхательная и кровеносная системы играют важную роль в дыхании человека, дыхание на клеточном уровне происходит внутри клеток и в тканях.

• Гликолиз: Клетка расщепляет молекулу глюкозы в цитозоле клетки.
  
• Цикл Кребса (или цикл лимонной кислоты): Серия циклических реакций производит доноров электронов, используемых на следующем этапе, и происходит в митохондриях.
• Цепь переноса электронов: Последняя серия реакций, в которых кислород используется для производства молекул АТФ, происходит на внутренней мембране митохондрий.

В общей реакции клеточного дыхания каждая молекула глюкозы производит 36 или 38 молекул АТФ, в зависимости от типа ячейки. Клеточное дыхание у человека - это непрерывный процесс, требующий непрерывного поступления кислорода. В отсутствие кислорода процесс клеточного дыхания останавливается на гликолизе.

Целью клеточного дыхания является производство молекул АТФ через окисление глюкозы.

Например, формула клеточного дыхания для производства 36 молекул АТФ из молекулы глюкозы: C₆ЧАС₁₂O₆ + 6O₂ = 6CO₂ + 6H₂O + энергия (36 молекул АТФ). Молекулы АТФ хранят энергию в своих трех связи фосфатной группы.

Энергия, производимая клеткой, хранится в связи третьей фосфатной группы, которая добавляется к молекулам АТФ в процессе клеточного дыхания. Когда требуется энергия, третья фосфатная связь разрывается и используется для химических реакций клетки. An аденозиндифосфат (АДФ) молекула с двумя фосфатными группами не осталось.

Во время клеточного дыхания энергия процесса окисления используется для преобразования молекулы АДФ обратно в АТФ путем добавления третьей фосфатной группы. Затем молекула АТФ снова готова разорвать эту третью связь, чтобы высвободить энергию для использования клеткой.

При гликолизе молекула глюкозы с шестью атомами углерода разделяется на две части, образуя две пируват молекулы в серии реакций. После того, как молекула глюкозы попадает в клетку, две ее трехуглеродные половины получают две фосфатные группы в два отдельных этапа.

Во-первых, две молекулы АТФ фосфорилировать две половинки молекулы глюкозы путем добавления к каждой из них фосфатной группы. Затем ферменты добавляют еще одну фосфатную группу к каждой из половин молекулы глюкозы, в результате чего получаются две трехуглеродные половины молекулы, каждая с двумя фосфатными группами.

В двух заключительных и параллельных сериях реакций две фосфорилированные трехуглеродные половины исходной молекулы глюкозы теряют свои фосфатные группы с образованием двух молекул пирувата. Окончательное расщепление молекулы глюкозы высвобождает энергию, которая используется для присоединения фосфатных групп к молекулам АДФ и образования АТФ.

Каждая половина молекулы глюкозы теряет свои две фосфатные группы и производит молекулу пирувата и две молекулы АТФ.

Гликолиз происходит в цитозоле клетки, но остальная часть процесса клеточного дыхания перемещается в цитозоль клетки. митохондрии. Гликолиз не требует кислорода, но как только пируват переместился в митохондрии, кислород необходим для всех дальнейших этапов.

Митохондрии - это энергетические фабрики, которые пропускают кислород и пируват через их внешнюю мембрану и затем позвольте продуктам реакции углекислому газу и АТФ выйти обратно в клетку и далее в кровеносную систему. система.

В цикл лимонной кислоты представляет собой серию кольцевых химических реакций, в результате которых образуются НАДН и ФАДН.₂ молекулы. Эти два соединения входят в следующую стадию клеточного дыхания - электронная транспортная цепь, и отдать начальные электроны, используемые в цепочке. Полученный НАД⁺ и соединения FAD возвращаются в цикл лимонной кислоты, чтобы вернуться к их исходным NADH и FADH.₂ формы и переработанные.

Когда молекулы трехуглеродного пирувата попадают в митохондрии, они теряют одну из своих углеродных молекул, образуя двуокись углерода и двухуглеродное соединение. Этот продукт реакции впоследствии окисляется и присоединяется к кофермент А сформировать два ацетил-КоА молекулы. В течение цикла лимонной кислоты углеродные соединения связываются с четырехуглеродным соединением с образованием шестиуглеродного цитрата.

В серии реакций цитрат высвобождает два атома углерода в виде диоксида углерода и производит 3 НАДН, 1 АТФ и 1 ФАДН.₂ молекулы. В конце процесса цикл восстанавливает исходное четырехуглеродное соединение и начинается снова. Реакции происходят внутри митохондрий, и НАДН и ФАДН₂ Затем молекулы принимают участие в цепи переноса электронов на внутренней мембране митохондрий.

Цепь переноса электронов состоит из четырех белковые комплексы расположен на внутренней мембране митохондрий. НАДН отдает электроны первому белковому комплексу, в то время как ФАДН₂ отдает свои электроны второму белковому комплексу. Белковые комплексы передают электроны вниз по транспортной цепи в процессе восстановления-окисления или окислительно-восстановительный потенциал реакции.

Энергия высвобождается на каждой окислительно-восстановительной стадии, и каждый белковый комплекс использует ее для перекачивания протоны через митохондриальную мембрану в межмембранное пространство между внутренней и внешней мембранами. Электроны проходят через четвертый и последний белковый комплекс, где молекулы кислорода действуют как конечные акцепторы электронов. Два атома водорода соединяются с атомом кислорода, образуя молекулы воды.

По мере увеличения концентрации протонов вне внутренней мембраны градиент энергии устанавливается, стремясь привлечь протоны обратно через мембрану к стороне, которая имеет более низкую концентрацию протонов. Фермент внутренней мембраны, называемый АТФ-синтаза предлагает протонам проход обратно через внутреннюю мембрану.

Когда протоны проходят через АТФ-синтазу, фермент использует энергию протонов для преобразования АДФ в АТФ, сохраняя энергию протонов из цепи переноса электронов в молекулах АТФ.

Сложные биологические и химические процессы, из которых состоит дыхание на клеточном уровне, включают ферменты, протонные насосы и белки, взаимодействующие на молекулярном уровне очень сложным образом. В то время как глюкоза и кислород представляют собой простые вещества, ферменты и белки - нет.

Обзор гликолиз, цикл Кребса или лимонной кислоты и цепь переноса электронов помогают продемонстрировать, как клеточное дыхание работает на базовом уровне, но реальная работа этих стадий намного сложнее.

На концептуальном уровне описать процесс клеточного дыхания проще. Организм принимает питательные вещества и кислород и распределяет глюкозу из пищи и кислород по отдельным клеткам по мере необходимости. Клетки окисляют молекулы глюкозы с образованием химической энергии, углекислого газа и воды.

Энергия используется для добавления третьей фосфатной группы к молекуле АДФ с образованием АТФ, а углекислый газ удаляется через легкие. Энергия АТФ от третьей фосфатной связи используется для питания других функций клетки. Вот так клеточное дыхание лежит в основе всей другой деятельности человека.