Bunkové dýchanie u ľudí

Účelom bunkového dýchania je premena glukózy z potravy na energiu.

Bunky štiepia glukózu v rade zložitých chemických reakcií a kombinujú reakčné produkty s kyslíkom, aby v nich akumulovali energiu adenosintrifosfátu (ATP) molekúl. Molekuly ATP sa používajú na napájanie bunkových aktivít a pôsobia ako univerzálny zdroj energie pre živé organizmy.

Bunkové dýchanie u ľudí začína v zažívacom a dýchacom systéme. Jedlo sa trávi v črevách a premieňa sa na glukózu. Kyslík sa absorbuje v pľúcach a ukladá sa v červených krvinkách. Glukóza a kyslík putujú do tela cez obehový systém a dostávajú sa do buniek, ktoré potrebujú energiu.

Bunky využívajú na výrobu energie glukózu a kyslík z obehového systému. Dodávajú odpadový produkt, oxid uhličitý, späť do červených krviniek a oxid uhličitý sa uvoľňuje do atmosféry pľúcami.

Zatiaľ čo tráviaci, dýchací a obehový systém hrá hlavnú úlohu v dýchaní človeka, dýchanie na bunkovej úrovni prebieha vo vnútri buniek a v bunkách. mitochondrie buniek. Proces je možné rozdeliť do troch samostatných krokov:

• Glykolýza: Bunka štiepi molekulu glukózy v bunkovom cytosole.
  
• Krebsov cyklus (alebo cyklus kyseliny citrónovej): Séria cyklických reakcií produkuje donory elektrónov použité v ďalšom kroku a prebieha v mitochondriách.
• Reťazec transportu elektrónov: Konečná séria reakcií, pri ktorých sa pomocou kyslíka vytvárajú molekuly ATP, prebieha na vnútornej membráne mitochondrií.

Pri celkovej reakcii bunkového dýchania produkuje každá molekula glukózy 36 alebo 38 molekúl ATP, v závislosti od typu bunky. Bunkové dýchanie u ľudí je nepretržitý proces a vyžaduje nepretržitý prísun kyslíka. Pri nedostatku kyslíka sa proces bunkového dýchania zastaví na glykolýze.

Účelom bunkového dýchania je produkcia molekúl ATP prostredníctvom oxidácia glukózy.

Napríklad bunkový respiračný vzorec na produkciu 36 molekúl ATP z molekuly glukózy je C₆H₁₂O₆ + 6O₂ = 6CO₂ + 6 H₂Energia O + (36 molekúl ATP). Molekuly ATP ukladajú energiu do svojich troch väzby fosfátových skupín.

Energia produkovaná bunkou sa ukladá vo väzbe tretej fosfátovej skupiny, ktorá sa pridáva k molekulám ATP počas procesu bunkového dýchania. Keď je energia potrebná, tretia fosfátová väzba sa rozbije a použije sa na chemické reakcie buniek. An adenozíndifosfát (ADP) molekula s dvoma fosfátovými skupinami.

Počas bunkového dýchania sa energia z oxidačného procesu používa na zmenu molekuly ADP späť na ATP pridaním tretej fosfátovej skupiny. Molekula ATP je potom opäť pripravená na prerušenie tejto tretej väzby, aby uvoľnila energiu pre bunku na použitie.

Pri glykolýze je molekula glukózy so šiestimi uhlíkmi rozdelená na dve časti, aby vytvorili dve pyruvát molekúl v sérii reakcií. Potom, čo molekula glukózy vstúpi do bunky, dostane každá z jej dvoch trojuhlíkových polovíc dve fosfátové skupiny v dvoch samostatných krokoch.

Najskôr dve molekuly ATP fosforylát dvoma polovicami molekuly glukózy pridaním fosfátovej skupiny ku každej z nich. Potom enzýmy pridajú do každej z polovíc molekuly glukózy ešte jednu fosfátovú skupinu, čo má za následok dve polovice molekuly s tromi uhlíkmi, každá s dvoma fosfátovými skupinami.

V dvoch konečných a paralelných sériách reakcií strácajú dve fosforylované tri uhlíkové polovice pôvodnej molekuly glukózy svoje fosfátové skupiny, aby vytvorili dve molekuly pyruvátu. Konečné štiepenie molekuly glukózy uvoľňuje energiu, ktorá sa používa na pridanie fosfátových skupín k molekulám ADP a na vytvorenie ATP.

Každá polovica molekuly glukózy stráca svoje dve fosfátové skupiny a produkuje molekulu pyruvátu a dve molekuly ATP.

Glykolýza prebieha v bunkovom cytosole, ale zvyšok procesu bunkového dýchania sa presúva do mitochondrie. Glykolýza nevyžaduje kyslík, ale akonáhle sa pyruvát presunie do mitochondrií, je potrebný kyslík pre všetky ďalšie kroky.

Mitochondrie sú energetické továrne, ktoré prepúšťajú kyslík a pyruvát cez svoju vonkajšiu membránu a potom nechajte reakčné produkty oxid uhličitý a ATP výstup späť do bunky a ďalej do obehu systém.

The cyklus kyseliny citrónovej je séria kruhových chemických reakcií, ktoré generujú NADH a FADH₂ molekuly. Tieto dve zlúčeniny vstupujú do nasledujúceho kroku bunkového dýchania, do reťazec transportu elektrónova darujte počiatočné elektróny použité v reťazci. Výsledný NAD⁺ a FAD zlúčeniny sa vracajú do cyklu kyseliny citrónovej, aby sa zmenili späť na pôvodné NADH a FADH₂ formy a recyklované.

Keď molekuly pyruvátu s tromi uhlíkmi vstúpia do mitochondrií, stratia jednu zo svojich molekúl uhlíka a vytvoria oxid uhličitý a dvojuhlíkovú zlúčeninu. Tento reakčný produkt sa následne oxiduje a spojí sa s koenzým A tvoriť dva acetyl CoA molekuly. V priebehu cyklu kyseliny citrónovej sú uhlíkové zlúčeniny spojené so štvoruhlíkovou zlúčeninou za vzniku šesťuhlíkového citrátu.

V sérii reakcií citrát uvoľňuje dva atómy uhlíka ako oxid uhličitý a produkuje 3 NADH, 1 ATP a 1 FADH₂ molekuly. Na konci procesu cyklus znovu vytvorí pôvodnú štvoruhlíkovú zlúčeninu a začne znova. Reakcie prebiehajú vo vnútri mitochondrií a v NADH a FADH₂ molekuly sa potom zúčastňujú reťazca transportu elektrónov na vnútornej membráne mitochondrií.

Reťazec transportu elektrónov je tvorený štyrmi proteínové komplexy nachádza sa na vnútornej membráne mitochondrií. NADH daruje elektróny do prvého proteínového komplexu, zatiaľ čo FADH₂ dáva svoje elektróny druhému proteínovému komplexu. Komplexy bielkovín prechádzajú elektrónmi nadol v transportnom reťazci v sérii redukčno-oxidačnej alebo redox reakcie.

Energia sa uvoľňuje počas každého redoxného štádia a každý proteínový komplex ju využíva na pumpovanie protóny cez mitochondriálnu membránu do medzimembránového priestoru medzi vnútornou a vonkajšou membránou. Elektróny prechádzajú do štvrtého a posledného proteínového komplexu, kde molekuly kyslíka pôsobia ako konečné akceptory elektrónov. Dva atómy vodíka sa spoja s atómom kyslíka a vytvárajú molekuly vody.

Keď sa zvyšuje koncentrácia protónov mimo vnútornú membránu, an energetický gradient je založená, má tendenciu priťahovať protóny späť cez membránu na stranu, ktorá má nižšiu koncentráciu protónov. Enzým z vnútornej membrány tzv ATP syntáza ponúka protónom prechod späť cez vnútornú membránu.

Keď protóny prechádzajú cez ATP syntázu, enzým využíva protónovú energiu na zmenu ADP na ATP, pričom ukladá protónovú energiu z reťazca transportu elektrónov v molekulách ATP.

Komplexné biologické a chemické procesy, ktoré tvoria dýchanie na bunkovej úrovni, zahŕňajú enzýmy, protónové pumpy a proteíny interagujúce na molekulárnej úrovni veľmi komplikovanými spôsobmi. Zatiaľ čo vstupy glukózy a kyslíka sú jednoduché látky, enzýmy a bielkoviny nie.

Prehľad glykolýza, Krebsov cyklus alebo cyklus kyseliny citrónovej a reťazec prenosu elektrónov pomáha demonštrovať, ako funguje bunkové dýchanie na základnej úrovni, ale skutočná prevádzka týchto stupňov je oveľa zložitejšia.

Popísať proces bunkového dýchania je na koncepčnej úrovni jednoduchšie. Telo prijíma živiny a kyslík a podľa potreby distribuuje glukózu z potravy a kyslík do jednotlivých buniek. Bunky oxidujú molekuly glukózy na produkciu chemickej energie, oxidu uhličitého a vody.

Energia sa používa na pridanie tretej fosfátovej skupiny k molekule ADP za vzniku ATP a oxid uhličitý sa vylučuje pľúcami. Energia ATP z tretej fosfátovej väzby sa používa na napájanie ďalších funkcií buniek. Takto tvorí bunkové dýchanie základ pre všetky ostatné ľudské činnosti.