Cellular Respiration hos människor

Syftet med cellulär andning är att omvandla glukos från mat till energi.

Celler bryter ner glukos i en serie komplexa kemiska reaktioner och kombinerar reaktionsprodukterna med syre för att lagra energi i adenosintrifosfat (ATP) -molekyler. ATP-molekylerna används för att driva cellaktiviteter och fungera som den universella energikällan för levande organismer.

Cellandningen hos människor börjar i matsmältningssystemet och andningsorganen. Mat smälts i tarmarna och omvandlas till glukos. Syre absorberas i lungorna och lagras i röda blodkroppar. Glukos och syre reser ut i kroppen genom cirkulationssystemet för att nå celler som behöver energi.

Cellerna använder glukos och syre från cirkulationssystemet för energiproduktion. De levererar avfallsprodukten, koldioxid, tillbaka till de röda blodkropparna och koldioxiden släpps ut till atmosfären genom lungorna.

Medan matsmältnings-, andnings- och cirkulationssystemet spelar en viktig roll i andningen hos människor, sker andning på cellulär nivå inuti cellerna och i

• Glykolys: Cellen delar upp glukosmolekylen i cellens cytosol.
  
• Krebs-cykel (eller citronsyracykel): En serie cykliska reaktioner producerar elektrondonatorerna som används i nästa steg och äger rum i mitokondrier.
• Elektrontransportkedjan: Den slutliga serien av reaktioner som använder syre för att producera ATP-molekyler äger rum på mitokondriernas inre membran.

I den övergripande cellulära andningsreaktionen producerar varje glukosmolekyl 36 eller 38 molekyler av ATP, beroende på celltyp. Cellandning hos människor är en kontinuerlig process och kräver en kontinuerlig tillförsel av syre. I avsaknad av syre stannar den cellulära andningsprocessen vid glykolys.

Syftet med cellandning är att producera ATP-molekyler genom oxidation av glukos.

Till exempel är den cellulära andningsformeln för produktion av 36 ATP-molekyler från en glukemolekyl C₆H₁₂O₆ + 6O₂ = 6CO₂ + 6H₂O + energi (36ATP-molekyler). ATP-molekylerna lagrar energi i sina tre fosfatgruppbindningar.

Den energi som produceras av cellen lagras i bindningen till den tredje fosfatgruppen, som tillsätts till ATP-molekylerna under den cellulära andningsprocessen. När energin behövs bryts den tredje fosfatbindningen och används för cellkemiska reaktioner. Ett adenosindifosfat (ADP) -molekyl med två fosfatgrupper kvar.

Under cellulär andning används energin från oxidationsprocessen för att ändra ADP-molekylen tillbaka till ATP genom att tillsätta en tredje fosfatgrupp. ATP-molekylen är sedan åter redo att bryta denna tredje bindning för att frigöra energi för cellen att använda.

I glykolys delas en sexkolglukosmolekyl i två delar för att bilda två pyruvat molekyler i en serie reaktioner. Efter att glukosmolekylen har kommit in i cellen får de två halterna av tre kol två fosfatgrupper i två separata steg.

Först två ATP-molekyler fosforylat de två halvorna av glukosmolekylen genom att lägga till en fosfatgrupp till var och en. Sedan tillsätter enzymer ytterligare en fosfatgrupp till var och en av halvorna av glukosmolekylen, vilket resulterar i två halter av tre kolmolekyler, vardera med två fosfatgrupper.

I två slutliga och parallella reaktionsserier förlorar de två fosforylerade trekolhalvorna av den ursprungliga glukosmolekylen sina fosfatgrupper för att bilda de två pyruvatmolekylerna. Den slutliga uppdelningen av glukosmolekylen frigör energi som används för att lägga till fosfatgrupperna till ADP-molekyler och bilda ATP.

Varje hälft av glukosmolekylen förlorar sina två fosfatgrupper och producerar pyruvatmolekylen och två ATP-molekyler.

Glykolys äger rum i cellcytosolen, men resten av cellandningsprocessen rör sig in i mitokondrier. Glykolys kräver inte syre, men när pyruvat har flyttat in i mitokondrierna krävs syre för alla ytterligare steg.

Mitokondrierna är energifabrikerna som låter syre och pyruvat komma in genom deras yttre membran och låt sedan reaktionsprodukterna koldioxid och ATP komma ut i cellen och vidare till cirkulationssystemet systemet.

De citronsyracykel är en serie cirkulära kemiska reaktioner som genererar NADH och FADH₂ molekyler. Dessa två föreningar går in i det efterföljande steget av cellulär andning elektron transport kedjaoch donera de initiala elektronerna som används i kedjan. Den resulterande NAD⁺ och FAD-föreningar återförs till citronsyracykeln för att bytas tillbaka till deras ursprungliga NADH och FADH₂ former och återvinns.

När pyruvatmolekylerna med tre kolhalter kommer in i mitokondrierna förlorar de en av sina kolmolekyler för att bilda koldioxid och en tvåkolförening. Denna reaktionsprodukt oxideras därefter och förenas med koenzym A för att bilda två acetyl CoA molekyler. Under loppet av citronsyracykeln är kolföreningarna kopplade till en fyrkolförening för att producera ett sexkolcitrat.

I en serie reaktioner frigör citratet två kolatomer som koldioxid och producerar 3 NADH, 1 ATP och 1 FADH₂ molekyler. I slutet av processen utgör cykeln den ursprungliga fyrkolföreningen och börjar igen. Reaktionerna äger rum i mitokondriernas inre och NADH och FADH₂ molekyler deltar sedan i elektrontransportkedjan på mitokondriernas inre membran.

Elektrontransportkedjan består av fyra proteinkomplex beläget på mitokondriernas inre membran. NADH donerar elektroner till det första proteinkomplexet medan FADH₂ ger sina elektroner till det andra proteinkomplexet. Proteinkomplexen passerar elektronerna genom transportkedjan i en serie av reduktionsoxidation eller redox reaktioner.

Energi frigörs under varje redoxstadium, och varje proteinkomplex använder den för att pumpa protoner över mitokondriellt membran in i det inter-membranutrymmet mellan det inre och det yttre membranet. Elektronerna passerar till det fjärde och sista proteinkomplexet där syremolekyler fungerar som de slutliga elektronacceptorerna. Två väteatomer kombineras med en syreatom för att bilda vattenmolekyler.

När koncentrationen av protoner utanför det inre membranet ökar, an energi gradient är etablerad och tenderar att locka tillbaka protonerna över membranet till den sida som har lägre protonkoncentration. Ett inre membranenzym kallas ATP-syntas erbjuder protonerna en passage tillbaka genom det inre membranet.

När protonerna passerar genom ATP-syntas använder enzymet protonenergin för att ändra ADP till ATP och lagra protonenergin från elektrontransportkedjan i ATP-molekylerna.

De komplexa biologiska och kemiska processerna som utgör andningen på cellulär nivå involverar enzymer, protonpumpar och proteiner som interagerar på molekylär nivå på mycket komplicerade sätt. Även om insatserna av glukos och syre är enkla ämnen, är det inte enzymerna och proteinerna.

En översikt över glykolys, Krebs- eller citronsyracykeln och elektronöverföringskedjan hjälper till att visa hur cellulär andning fungerar på en grundnivå, men den faktiska driften av dessa steg är mycket mer komplex.

Att beskriva processen med cellulär andning är enklare på begreppsnivå. Kroppen tar in näringsämnen och syre och distribuerar glukosen i maten och syret till enskilda celler efter behov. Cellerna oxiderar glukosmolekylerna för att producera kemisk energi, koldioxid och vatten.

Energin används för att lägga till en tredje fosfatgrupp till en ADP-molekyl för att bilda ATP, och koldioxiden elimineras genom lungorna. ATP-energi från den tredje fosfatbindningen används för att driva andra cellfunktioner. Det är så cellulär andning utgör grunden för alla andra mänskliga aktiviteter.