Клітинне дихання у людей

Метою клітинного дихання є перетворення глюкози з їжі в енергію.

Клітини розщеплюють глюкозу в серії складних хімічних реакцій і поєднують продукти реакції з киснем для накопичення енергії аденозинтрифосфат (АТФ) молекули. Молекули АТФ використовуються для живлення клітинної діяльності та виступають універсальним джерелом енергії для живих організмів.

Клітинне дихання у людини починається з травної та дихальної систем. Їжа перетравлюється в кишечнику і перетворюється на глюкозу. Кисень всмоктується в легенях і зберігається в еритроцитах. Глюкоза та кисень надходять в організм через систему кровообігу, щоб дістатися до клітин, які потребують енергії.

Клітини використовують глюкозу та кисень із системи кровообігу для виробництва енергії. Вони доставляють відходи, вуглекислий газ, назад до еритроцитів, а вуглекислий газ викидається в атмосферу через легені.

Хоча травна, дихальна та кровоносна системи відіграють важливу роль у диханні людини, дихання на клітинному рівні відбувається всередині клітин та в мітохондрії клітин. Процес можна розбити на три окремі етапи:

• Гліколіз: Клітина розщеплює молекулу глюкози в клітинному цитозолі.
  
• Цикл Кребса (або цикл лимонної кислоти): Серія циклічних реакцій виробляє донори електронів, що використовуються на наступному етапі, і відбувається в мітохондріях.
• Електронно-транспортний ланцюг: Кінцева серія реакцій, яка використовує кисень для утворення молекул АТФ, відбувається на внутрішній мембрані мітохондрій.

У загальній реакції клітинного дихання кожна молекула глюкози виробляє 36 або 38 молекул АТФ, залежно від типу клітини. Клітинне дихання у людини є безперервним процесом і вимагає постійного надходження кисню. При нестачі кисню процес клітинного дихання зупиняється при гліколізі.

Мета клітинного дихання полягає у виробленні молекул АТФ через окислення глюкози.

Наприклад, формула клітинного дихання для виробництва 36 молекул АТФ з молекули глюкози - це С₆H₁₂О₆ + 6O₂ = 6CO₂ + 6Н₂O + енергія (36 молекул ATP). Молекули АТФ зберігають енергію у своїх трьох зв’язки фосфатної групи.

Енергія, що виробляється клітиною, зберігається у зв’язку третьої фосфатної групи, яка додається до молекул АТФ під час процесу клітинного дихання. Коли потрібна енергія, третій фосфатний зв’язок розривається і використовується для хімічних реакцій клітин. Ан аденозиндифосфат (ADP) молекула з двома фосфатними групами.

Під час клітинного дихання енергія процесу окислення використовується для зміни молекули АДФ назад до АТФ шляхом додавання третьої фосфатної групи. Потім молекула АТФ знову готова розірвати цей третій зв’язок, щоб звільнити енергію для використання клітиною.

При гліколізі шестивуглецева молекула глюкози розбивається на дві частини, утворюючи дві піруват молекули в серії реакцій. Після того, як молекула глюкози потрапляє в клітину, дві її тривуглецеві половинки отримують дві фосфатні групи у дві окремі стадії.

Спочатку дві молекули АТФ фосфорилат дві половинки молекули глюкози, додаючи до кожної фосфатну групу. Потім ферменти додають ще одну фосфатну групу до кожної з половинок молекули глюкози, в результаті чого утворюються дві половини молекули з трьох вуглецю, кожна з двох фосфатних груп.

У двох заключних та паралельних серіях реакцій дві фосфорильовані тривуглецеві половини вихідної молекули глюкози втрачають свої фосфатні групи, утворюючи дві молекули пірувату. Остаточне розщеплення молекули глюкози виділяє енергію, яка використовується для додавання фосфатних груп до молекул АДФ та утворення АТФ.

Кожна половина молекули глюкози втрачає дві фосфатні групи і виробляє молекулу пірувату та дві молекули АТФ.

Гліколіз відбувається в клітинному цитозолі, але решта клітинного процесу дихання переходить у мітохондрії. Гліколіз не потребує кисню, але як тільки піруват переміститься в мітохондрії, кисень необхідний для всіх подальших етапів.

Мітохондрії - це енергетичні фабрики, які пропускають кисень і піруват через зовнішню мембрану та потім нехай продукти реакції вуглекислий газ і АТФ виходять назад в клітину і далі в кровоносну система.

цикл лимонної кислоти являє собою серію кругових хімічних реакцій, що породжує NADH і FADH₂ молекули. Ці два сполуки вступають у наступний етап клітинного дихання, електронно-транспортний ланцюг, і віддайте початкові електрони, що використовуються в ланцюзі. Отриманий НАД⁺ і сполуки FAD повертаються до циклу лимонної кислоти, щоб змінити їх початкові NADH і FADH₂ форми та перероблені.

Коли тривуглецеві молекули пірувату потрапляють у мітохондрії, вони втрачають одну зі своїх молекул вуглецю, утворюючи вуглекислий газ та двовуглецеву сполуку. Цей продукт реакції згодом окислюється і приєднується кофермент А утворити два ацетил КоА молекули. Протягом кругообігу лимонної кислоти сполуки вуглецю зв’язуються із сполукою з чотирма вуглеводами, утворюючи цитрат із шести вуглецю.

У серії реакцій цитрат виділяє два атоми вуглецю у вигляді вуглекислого газу і утворює 3 НАДН, 1 АТФ і 1 ФАД₂ молекули. В кінці процесу цикл знову утворює вихідну чотиривуглецеву сполуку і починається спочатку. Реакції відбуваються у внутрішніх мітохондріях, а також у NADH та FADH₂ Потім молекули беруть участь у ланцюзі транспорту електронів на внутрішній мембрані мітохондрій.

Електронно-транспортний ланцюг складається з чотирьох білкові комплекси розташована на внутрішній мембрані мітохондрій. NADH віддає електрони першому білковому комплексу, тоді як FADH₂ віддає свої електрони другому білковому комплексу. Білкові комплекси передають електрони по транспортному ланцюгу в серії відновлення-окислення або окисно-відновний реакції.

Енергія виділяється на кожній окисно-відновлювальній стадії, і кожен білковий комплекс використовує її для накачування протони через мембрану мітохондрій у міжмембранний простір між внутрішньою та зовнішньою мембранами. Електрони проходять до четвертого і останнього білкового комплексу, де молекули кисню діють як кінцеві акцептори електронів. Два атоми водню поєднуються з атомом кисню, утворюючи молекули води.

Зі збільшенням концентрації протонів поза внутрішньою мембраною an градієнт енергії встановлюється, прагнучи залучити протони назад через мембрану до тієї сторони, яка має нижчу концентрацію протона. Фермент внутрішньої мембрани називається АТФ-синтаза пропонує протонам прохід назад через внутрішню мембрану.

Коли протони проходять через АТФ-синтазу, фермент використовує енергію протона, щоб змінити АДФ на АТФ, зберігаючи енергію протона з електронно-транспортного ланцюга в молекулах АТФ.

Складні біологічні та хімічні процеси, що складають дихання на клітинному рівні, включають ферменти, протонні насоси та білки, що взаємодіють на молекулярному рівні дуже складними способами. Хоча надходження глюкози та кисню є простими речовинами, ферменти та білки - ні.

Огляд гліколіз, цикл Кребса або лимонної кислоти та ланцюг передачі електронів допомагають продемонструвати, як діє клітинне дихання на базовому рівні, але фактична робота цих стадій набагато складніша.

Описати процес клітинного дихання простіше на концептуальному рівні. Тіло приймає поживні речовини та кисень і розподіляє глюкозу в їжі та кисень по окремих клітинах, якщо це необхідно. Клітини окислюють молекули глюкози, виробляючи хімічну енергію, діоксид вуглецю та воду.

Енергія використовується для додавання третьої фосфатної групи до молекули АДФ для утворення АТФ, а вуглекислий газ виводиться через легені. Енергія АТФ з третього фосфатного зв’язку використовується для живлення інших функцій клітини. Ось так клітинне дихання формує основу всієї іншої діяльності людини.