Ћелијско дисање код људи

Сврха ћелијског дисања је претварање глукозе из хране у енергију.

Ћелије разграђују глукозу у низу сложених хемијских реакција и комбинују реакционе продукте са кисеоником ради складиштења енергије аденозин трифосфат (АТП) молекули. Молекули АТП користе се за покретање ћелијских активности и делују као универзални извор енергије за живе организме.

Ћелијско дисање код људи започиње у дигестивном и респираторном систему. Храна се пробавља у цревима и претвара у глукозу. Кисеоник се апсорбује у плућима и складишти у црвеним крвним зрнцима. Глукоза и кисеоник путују у тело кроз циркулаторни систем да би дошли до ћелија којима је потребна енергија.

Ћелије користе глукозу и кисеоник из циркулаторног система за производњу енергије. Они отпадни производ, угљен-диоксид, враћају у црвене крвне ћелије, а угљен-диоксид се у плућа ослобађа у атмосферу.

Док дигестивни, респираторни и циркулаторни систем играју главну улогу у људском дисању, дисање на ћелијском нивоу одвија се унутар ћелија и у митохондрије ћелија. Процес се може поделити у три различита корака:

• Гликолиза: Ћелија дели молекул глукозе у ћелијском цитозолу.
  
• Кребсов циклус (или циклус лимунске киселине): Низ цикличних реакција производи доноре електрона који се користе у следећем кораку и одвијају се у митохондријима.
• Ланац преноса електрона: Коначна серија реакција која користи кисеоник за производњу молекула АТП одвија се на унутрашњој мембрани митохондрија.

У целокупној реакцији ћелијског дисања, сваки молекул глукозе производи 36 или 38 молекула АТПу зависности од типа ћелије. Ћелијско дисање код људи је континуирани процес и захтева непрекидно снабдевање кисеоником. У одсуству кисеоника, процес ћелијског дисања се зауставља на гликолизи.

Сврха ћелијског дисања је стварање молекула АТП кроз оксидација глукозе.

На пример, формула ћелијског дисања за производњу 36 молекула АТП из молекула глукозе је Ц.₆Х.₁₂О.₆ + 6О₂ = 6ЦО₂ + 6Х₂О + енергија (36АТП молекула). Молекули АТП складиште енергију у своја три везе фосфатне групе.

Енергија коју ћелија производи складишти се у вези треће фосфатне групе, која се додаје молекулима АТП током процеса ћелијског дисања. Када је потребна енергија, трећа фосфатна веза се прекида и користи за хемијске реакције ћелија. Ан аденозин дифосфат (АДП) молекул са две фосфатне групе је остало.

Током ћелијског дисања, енергија из процеса оксидације користи се за враћање молекула АДП у АТП додавањем треће фосфатне групе. Тада је молекул АТП поново спреман да прекине ову трећу везу како би ослободио енергију коју ћелија користи.

У гликолизи, молекул глукозе са шест угљеника подељен је на два дела да би формирао два пируват молекули у низу реакција. Након што молекул глукозе уђе у ћелију, његове две половине од три угљеника добијају две фосфатне групе у два одвојена корака.

Прво, два АТП молекула фосфорилата две половине молекула глукозе додавањем фосфатне групе у сваку. Тада ензими додају још једну фосфатну групу у сваку половину молекула глукозе, што резултира двема половинама молекула са три угљеника, свака са две фосфатне групе.

У две завршне и паралелне серије реакција, две фосфорилисане половине од три угљеника оригиналног молекула глукозе губе своје фосфатне групе да би формирале два молекула пирувата. Коначно раздвајање молекула глукозе ослобађа енергију која се користи за додавање фосфатних група у молекуле АДП и формирање АТП.

Свака половина молекула глукозе губи две фосфатне групе и ствара молекул пирувата и два молекула АТП.

Гликолиза се одвија у ћелијском цитозолу, али остатак процеса ћелијског дисања прелази у митохондрије. Гликолиза не захтева кисеоник, али када се пируват пресели у митохондрије, кисеоник је потребан за све даље кораке.

Митохондрији су фабрике енергије које пропуштају кисеоник и пируват кроз спољну мембрану и затим пустите да производи реакције угљен-диоксид и АТП излазе назад у ћелију и даље у циркулацију систем.

Тхе циклус лимунске киселине је серија кружних хемијских реакција која генерише НАДХ и ФАДХ₂ молекула. Ова два једињења улазе у следећи корак ћелијског дисања, ланац за транспорт електрона, и донирају почетне електроне који се користе у ланцу. Добијени НАД⁺ и ФАД једињења се враћају у циклус лимунске киселине да би се вратила у првобитне НАДХ и ФАДХ₂ облици и рециклирани.

Када молекули три угљеника пирувата уђу у митохондрије, они губе један од својих молекула угљеника стварајући угљен-диоксид и једињење од два угљеника. Овај реакциони производ се накнадно оксидује и споји коензим А. да се формирају две ацетил ЦоА молекула. Током циклуса лимунске киселине, једињења угљеника су повезана са једињењем од четири угљеника да би се добио шестокарбонски цитрат.

У низу реакција, цитрат ослобађа два атома угљеника као угљен-диоксид и производи 3 НАДХ, 1 АТП и 1 ФАДХ₂ молекула. На крају процеса, циклус поново сачињава првобитно једињење од четири угљеника и започиње поново. Реакције се одвијају у унутрашњости митохондрија и НАДХ и ФАДХ₂ молекули затим учествују у ланцу транспорта електрона на унутрашњој мембрани митохондрија.

Ланац за транспорт електрона чине четири протеински комплекси смештене на унутрашњој мембрани митохондрија. НАДХ донира електроне првом протеинском комплексу док ФАДХ₂ даје своје електроне другом протеинском комплексу. Протеински комплекси пропуштају електроне низ транспортни ланац у низу редукционо-оксидационих или редокс реакције.

Енергија се ослобађа током сваке редокс фазе и сваки протеински комплекс користи је за пумпање протони преко митохондријске мембране у међу-мембрански простор између унутрашње и спољашње мембране. Електрони пролазе до четвртог и последњег протеинског комплекса где молекули кисеоника делују као коначни акцепти електрона. Два атома водоника комбинују се са атомом кисеоника да би створили молекуле воде.

Како се концентрација протона изван унутрашње мембране повећава, ан градијент енергије успоставља се, тежећи да привуче протоне преко мембране на ону страну која има нижу концентрацију протона. Ензим унутрашње мембране тзв АТП синтаза нуди протонима пролаз назад кроз унутрашњу мембрану.

Како протони пролазе кроз АТП синтазу, ензим користи протонску енергију за промену АДП у АТП, складиштећи протонску енергију из транспортног ланца електрона у АТП молекулима.

Сложени биолошки и хемијски процеси који чине дисање на ћелијском нивоу укључују ензиме, протонске пумпе и протеине који на молекуларном нивоу комуницирају на врло сложени начин. Иако су уноси глукозе и кисеоника једноставне супстанце, ензими и протеини нису.

Преглед гликолиза, Кребсов или циклус лимунске киселине и ланац преноса електрона помажу да се покаже како ћелијско дисање делује на основном нивоу, али стварни рад ових стадија је много сложенији.

Описати процес ћелијског дисања једноставније је на концептуалном нивоу. Тело уноси хранљиве материје и кисеоник и по потреби дистрибуира глукозу у храни и кисеоник у појединачне ћелије. Ћелије оксидирају молекуле глукозе да би произвеле хемијску енергију, угљен-диоксид и воду.

Енергија се користи за додавање треће фосфатне групе молекулу АДП да би се формирао АТП, а угљен-диоксид се елиминише кроз плућа. АТП енергија из треће фосфатне везе користи се за напајање осталих ћелијских функција. Тако ћелијско дисање чини основу за све остале људске активности.