Celično dihanje pri ljudeh

Namen celičnega dihanja je pretvarjanje glukoze iz hrane v energijo.

Celice razgradijo glukozo v vrsti zapletenih kemičnih reakcij in združijo reakcijske produkte s kisikom, da shranijo energijo adenozin trifosfat (ATP) molekule. Molekule ATP se uporabljajo za delovanje celic in delujejo kot univerzalni vir energije za žive organizme.

Celično dihanje pri ljudeh se začne v prebavnem in dihalnem sistemu. Hrana se prebavi v črevesju in pretvori v glukozo. Kisik se absorbira v pljučih in shrani v rdečih krvnih celicah. Glukoza in kisik potujeta v telo skozi krvni obtok, da dosežeta celice, ki potrebujejo energijo.

Celice za proizvodnjo energije uporabljajo glukozo in kisik iz krvnega obtoka. Odpadni produkt, ogljikov dioksid, vrnejo nazaj v rdeče krvne celice, ogljikov dioksid pa se skozi pljuča sprosti v ozračje.

Medtem ko prebavni, dihalni in obtočilni sistemi igrajo glavno vlogo pri človeškem dihanju, dihanje na celični ravni poteka znotraj celic in v mitohondrije celic. Postopek lahko razdelimo na tri različne korake:

• Glikoliza: Celica razcepi molekulo glukoze v celičnem citozolu.
  
• Krebsov cikel (ali cikel citronske kisline): Niz cikličnih reakcij povzroči darovalce elektronov, uporabljene v naslednjem koraku, in poteka v mitohondrijih.
• Veriga prenosa elektronov: Zadnja serija reakcij, ki s kisikom proizvaja molekule ATP, poteka na notranji membrani mitohondrijev.

V celotni reakciji celičnega dihanja proizvede vsaka molekula glukoze 36 ali 38 molekul ATP, odvisno od vrste celice. Celično dihanje pri ljudeh je stalen proces in zahteva stalno oskrbo s kisikom. V odsotnosti kisika se proces celičnega dihanja ustavi pri glikolizi.

Namen celičnega dihanja je proizvajati molekule ATP skozi oksidacija glukoze.

Na primer, formula celičnega dihanja za proizvodnjo 36 molekul ATP iz molekule glukoze je C₆H₁₂O₆ + 6O₂ = 6CO₂ + 6H₂O + energija (36ATP molekule). Molekule ATP shranjujejo energijo v svojih treh vezi fosfatne skupine.

Energija, ki jo proizvede celica, je shranjena v vezi tretje fosfatne skupine, ki se molekulam ATP doda med procesom celičnega dihanja. Ko je potrebna energija, se tretja fosfatna vez pretrga in se uporablja za celične kemijske reakcije. An adenozin difosfat (ADP) molekula z dvema fosfatnima skupinama.

Med celičnim dihanjem se energija iz procesa oksidacije uporabi za spremembo molekule ADP nazaj v ATP z dodajanjem tretje fosfatne skupine. Nato je molekula ATP spet pripravljena prekiniti to tretjo vez, da sprosti energijo za uporabo celice.

Pri glikolizi se molekula glukoze s šestimi ogljiki razdeli na dva dela in tvori dva piruvat molekule v nizu reakcij. Potem ko molekula glukoze vstopi v celico, njeni dve polovici s tremi ogljiki v dveh ločenih korakih prejmeta dve fosfatni skupini.

Najprej dve molekuli ATP fosforilata dve polovici molekule glukoze z dodajanjem fosfatne skupine v vsako. Nato encimi dodajo še eno fosfatno skupino na vsako polovico molekule glukoze, tako da dobimo dve polovici molekul s tremi ogljiki, vsaka z dvema fosfatnima skupinama.

V dveh končnih in vzporednih nizih reakcij dve fosforilirani polovici ogljika prvotne molekule glukoze izgubita fosfatni skupini, da tvorita dve molekuli piruvata. Končno cepitev molekule glukoze sprošča energijo, ki se uporablja za dodajanje fosfatnih skupin molekulam ADP in tvori ATP.

Vsaka polovica molekule glukoze izgubi dve fosfatni skupini in tvori molekulo piruvata in dve molekuli ATP.

Glikoliza poteka v celičnem citozolu celice, preostali proces celičnega dihanja pa se premakne v mitohondrije. Za glikolizo ni potreben kisik, ko pa se piruvat preseli v mitohondrije, je za vse nadaljnje korake potreben kisik.

Mitohondriji so tovarne energije, ki skozi zunanjo membrano prepuščajo kisik in piruvat nato pustite, da reakcijski produkti ogljikov dioksid in ATP izstopijo nazaj v celico in naprej v obtok sistem.

The cikel citronske kisline je vrsta krožnih kemičnih reakcij, ki ustvarjajo NADH in FADH₂ molekul. Ti dve spojini vstopita v naslednji korak celičnega dihanja, elektronska transportna verigain darovati začetne elektrone, uporabljene v verigi. Nastali NAD⁺ in spojine FAD se vrnejo v cikel citronske kisline, da se spremenijo v prvotni NADH in FADH₂ oblike in reciklirane.

Ko molekule tri ogljikovega piruvata vstopijo v mitohondrije, izgubijo eno od svojih molekul ogljika, da tvorijo ogljikov dioksid in dvoogljično spojino. Ta reakcijski produkt se nato oksidira in spoji koencim A da tvorijo dve acetil CoA molekul. V ciklusu citronske kisline se ogljikove spojine povežejo s štiriogljikovo spojino, da nastane šest-ogljikov citrat.

V seriji reakcij citrat sprosti dva ogljikova atoma kot ogljikov dioksid in tvori 3 NADH, 1 ATP in 1 FADH₂ molekul. Na koncu postopka cikel ponovno sestavi prvotno spojino s štirimi ogljiki in se začne znova. Reakcije potekajo v notranjosti mitohondrijev ter NADH in FADH₂ molekule nato sodelujejo v verigi prenosa elektronov na notranji membrani mitohondrijev.

Verigo prenosa elektronov sestavljajo štirje beljakovinski kompleksi ki se nahaja na notranji membrani mitohondrijev. NADH donira elektrone prvemu proteinskemu kompleksu, medtem ko FADH₂ daje svoje elektrone drugemu beljakovinskemu kompleksu. Beljakovinski kompleksi prenašajo elektrone po transportni verigi v nizu redukcijsko-oksidacijskih oz redoks reakcije.

V vsaki redoks fazi se energija sprosti in vsak beljakovinski kompleks jo uporablja za črpanje protoni čez mitohondrijsko membrano v medmembranski prostor med notranjo in zunanjo membrano. Elektroni prehajajo v četrti in zadnji proteinski kompleks, kjer molekule kisika delujejo kot končni sprejemniki elektronov. Dva atoma vodika se združita z atomom kisika in tvorita molekule vode.

Ko se koncentracija protonov zunaj notranje membrane poveča, an gradient energije se vzpostavi, ki nagiba k privabljanju protonov nazaj skozi membrano na stran, ki ima nižjo koncentracijo protona. Encim notranje membrane, imenovan ATP sintaza protonom ponuja prehod nazaj skozi notranjo membrano.

Ko protoni prehajajo skozi ATP sintazo, encim s pomočjo protonske energije spremeni ADP v ATP, pri čemer shrani protonsko energijo iz transportne verige elektronov v molekulah ATP.

Zapleteni biološki in kemijski procesi, ki tvorijo dihanje na celični ravni, vključujejo encime, protonske črpalke in beljakovine, ki na molekularni ravni delujejo na zelo zapletene načine. Čeprav so vnosi glukoze in kisika preproste snovi, encimi in beljakovine niso.

Pregled glikoliza, cikel Krebs ali citronske kisline in veriga za prenos elektronov pomagajo pokazati, kako celično dihanje deluje na osnovni ravni, vendar je dejansko delovanje teh faz veliko bolj zapleteno.

Opis koncepta celičnega dihanja je na konceptualni ravni preprostejši. Telo vnese hranila in kisik ter po potrebi razdeli glukozo v hrani in kisik v posamezne celice. Celice oksidirajo molekule glukoze, da proizvedejo kemično energijo, ogljikov dioksid in vodo.

Energija se uporablja za dodajanje tretje fosfatne skupine molekuli ADP, da tvori ATP, ogljikov dioksid pa se izloča skozi pljuča. Energija ATP iz tretje fosfatne vezi se uporablja za napajanje drugih celičnih funkcij. Tako celično dihanje predstavlja osnovo za vse druge človekove dejavnosti.