Šūnu elpošana cilvēkiem

definīcija

Šūnu elpošana, ko sauc arī par aerobo (no senās grieķu valodas "aer" - gaiss), apraksta tādu barības vielu kā glikoze vai taukskābes sadalīšanos cilvēkos, izmantojot skābekli (O2) enerģijas iegūšanai, kas nepieciešama šūnu izdzīvošanai. Uzturvielas tiek oksidētas, t.i. tie izdala elektronus, jo samazinās skābeklis, kas nozīmē, ka tas pieņem elektronus. Galaprodukti, kas rodas no skābekļa un barības vielām, ir oglekļa dioksīds (CO2) un ūdens (H2O).

Šūnu elpošanas funkcija un uzdevumi

Visiem procesiem cilvēka ķermenī ir nepieciešama enerģija. Vingrinājumiem, smadzeņu darbībai, sirdsdarbību, siekalu vai matu veidošanai un pat gremošanai ir nepieciešama enerģija, lai darbotos.

Turklāt ķermenim ir nepieciešams skābeklis, lai izdzīvotu. Īpaša nozīme šeit ir šūnu elpošanai. Ar šī un gāzes skābekļa palīdzību ķermenim ir iespējams sadedzināt ar enerģiju bagātas vielas un no tām iegūt nepieciešamo enerģiju. Pats skābeklis nedod mums nekādu enerģiju, bet tas ir nepieciešams, lai veiktu ķīmiskās sadegšanas procesus organismā, un tāpēc tas ir būtisks mūsu izdzīvošanai.

Ķermenis zina daudz dažādu veidu enerģijas nesējus:

• Glikoze (cukurs) ir galvenais enerģijas avots un pamata sastāvdaļa, kā arī gala produkts, kas sadalīts no visiem cietes saturošiem pārtikas produktiem
• Taukskābes un glicerīns ir tauku sadalīšanās gala produkti, un tos var izmantot arī enerģijas ražošanā
• Pēdējā enerģijas avotu grupa ir aminoskābes, kas paliek pāri kā olbaltumvielu sadalīšanās produkts. Pēc noteiktas pārvērtības organismā tās var izmantot arī šūnu elpošanā un tādējādi enerģijas ražošanai

Lasiet vairāk par šo sadaļu Vingrinājumi un tauku dedzināšana

Visbiežākais cilvēka ķermeņa izmantotais enerģijas avots ir glikoze. Pastāv reakciju ķēde, kuras rezultātā rodas skābekļa patēriņš, veidojot produktus CO2 un H2O. Šis process ietver Glikolīze, tātad Glikozes sadalīšana un produkta nodošana, Piruvāts caur Acetil-CoA iekš Citronskābes cikls (Sinonīms: citronskābes cikls vai Krebsa cikls). Šajā ciklā plūst arī citu uzturvielu, piemēram, aminoskābju vai taukskābju, sabrukšanas produkti. Tiek saukts process, kurā taukskābes tiek "sadalītas" tā, lai tās varētu ieplūst arī citronskābes ciklā Beta oksidācija.

Tāpēc citronskābes cikls ir sava veida ieejas punkts, kurā visus enerģijas nesējus var ievadīt enerģijas metabolismā. Cikls notiek Mitohondriji tā vietā cilvēku šūnu “enerģijas spēkstacijas”.

Visu šo procesu laikā daļa enerģijas tiek patērēta ATP formā, bet tā jau tiek iegūta, kā tas notiek, piemēram, glikolīzes gadījumā. Turklāt pārsvarā ir citi starpposma enerģijas krājumi (piemēram, NADH, FADH2), kas savu enerģijas starpposma krājumu funkciju pilda tikai enerģijas ražošanas laikā. Pēc tam šīs starpposma glabāšanas molekulas ieplūst šūnu elpošanas pēdējā posmā, proti, oksidatīvās fosforilēšanas posmā, kas pazīstams arī kā elpošanas ķēde. Šis ir solis, uz kuru visi procesi ir darbojušies līdz šim. Elpošanas ķēde, kas notiek arī mitohondrijos, sastāv arī no vairākiem posmiem, kuros pēc tam tiek izmantotas enerģijas bagātas starpposma glabāšanas molekulas, lai iegūtu vispārējas nozīmes enerģijas nesēju ATP. Kopumā vienas glikozes molekulas sadalīšanās rezultātā rodas 32 ATP molekulas.

Tiem, kurus īpaši interesē

Elpošanas ķēdē ir dažādi olbaltumvielu kompleksi, kuriem šeit ir ļoti interesanta loma. Tie darbojas kā sūkņi, kas sūknē protonus (H + jonus) mitohondriju dubultās membrānas dobumā, vienlaikus patērējot starpposma glabāšanas molekulas, tāpēc tur ir liela protonu koncentrācija. Tas izraisa koncentrācijas gradientu starp starpgabalu telpu un mitohondriju matricu. Ar šī gradienta palīdzību galu galā ir olbaltumvielu molekula, kas darbojas līdzīgi kā ūdens turbīnas tips. Ar šī gradienta palīdzību protonos proteīns sintezē ATP molekulu no ADP un fosfātu grupas.

Plašāku informāciju varat atrast šeit: Kāda ir elpošanas ķēde?

ATP

Adenozīna trifosfāts (ATP) ir cilvēka ķermeņa enerģijas nesējs. Visa enerģija, kas rodas no šūnu elpošanas, sākotnēji tiek glabāta ATP formā. Ķermenis enerģiju var izmantot tikai tad, ja tas ir ATP molekulas formā.

Ja ATP molekulas enerģija tiek iztērēta, no ATP tiek izveidots adenozīndifosfāts (ADP), tādējādi molekulas fosfāta grupa tiek sadalīta un enerģija tiek atbrīvota. Šūnu elpošana vai enerģijas ģenerēšana kalpo mērķim nepārtraukti reģenerēt ATP no tā sauktā ADP, lai ķermenis to varētu atkal izmantot.

Reakcijas vienādojums

Sakarā ar to, ka taukskābes ir dažāda garuma un aminoskābēm ir arī ļoti atšķirīga struktūra, šīm divām grupām nav iespējams izveidot vienkāršu vienādojumu, lai precīzi raksturotu to enerģijas ieguvi šūnu elpošanā. Tā kā katras struktūras izmaiņas var noteikt, kurā citrāta cikla posmā plūst aminoskābe.
Taukskābju sadalījums tā sauktajā beta oksidācijā ir atkarīgs no to garuma. Jo garākas taukskābes, jo vairāk enerģijas no tām var iegūt. Starp sātīgajām un nepiesātinātajām taukskābēm tas atšķiras, nepiesātinātās nodrošina minimāli mazāk enerģijas, ja tām ir vienāds daudzums.

Jau minēto iemeslu dēļ glikozes sadalīšanai vislabāk var raksturot vienādojumu. Tādējādi no glikozes molekulas (C6H12O6) un 6 skābekļa molekulām (O2) veidojas 6 oglekļa dioksīda (CO2) un 6 ūdens molekulas (H2O):

• C6H12O6 + 6 O2 kļūst par 6 CO2 + 6 H2O

Kas ir glikolīze?

Glikolīze apraksta glikozes, t.i., vīnogu cukura, sadalīšanos. Šis metabolisma ceļš notiek cilvēka šūnās, kā arī citās, piemēram, rauga gadījumā fermentācijas laikā. Vieta, kur šūnas veic glikolīzi, atrodas citoplazmā. Šeit ir fermenti, kas paātrina glikolīzes reakcijas, lai tieši sintezētu ATP un nodrošinātu substrātus citronskābes ciklam. Šis process rada enerģiju divu ATP molekulu un divu NADH + H + molekulu veidā. Glikolīze kopā ar citronskābes ciklu un elpošanas ķēdi, kas abi atrodas mitohondrijos, attēlo vienkāršā cukura glikozes sadalīšanās ceļu līdz universālajam enerģijas nesējam ATP.Glikolīze notiek visu dzīvnieku un augu šūnu citozolā.Glikolīzes galaprodukts ir piruvāts, ko pēc tam ar starpposmu var ievadīt citronskābes ciklā.

Kopumā glikolīzē uz vienu glikozes molekulu izmanto 2 ATP, lai varētu veikt reakcijas. Tomēr tiek iegūti 4 ATP, lai faktiski būtu 2 ATP molekulu tīrais ieguvums.

Glikolīzes desmit reakcijas posmi, līdz cukurs ar 6 oglekļa atomiem pārvēršas divās piruvāta molekulās, no kurām katra sastāv no trim oglekļa atomiem. Pirmajos četros reakcijas posmos cukuru ar divu fosfātu un pārkārtojuma palīdzību pārvērš fruktozes-1,6-bifosfātā. Šis aktivētais cukurs tagad ir sadalīts divās molekulās ar trim oglekļa atomiem katrā. Turpmākie pārkārtojumi un divu fosfātu grupu noņemšana galu galā rada divus piruvātus. Ja tagad ir pieejams skābeklis (O2), piruvātu var tālāk metabolizēt acetil-CoA un ievadīt citronskābes ciklā. Kopumā glikolīzei ar 2 ATP molekulām un divām NADH + H + molekulām ir relatīvi zema enerģijas raža. Tomēr tas liek pamatus turpmākai cukura sadalīšanai, un tāpēc tas ir būtisks ATP veidošanai šūnu elpošanā.

Šajā brīdī ir jēga nodalīt aerobās un anaerobās glikolīzes. Aerobā glikolīze noved pie iepriekš aprakstītā piruvāta, kuru pēc tam var izmantot enerģijas iegūšanai.
Anaerobā glikolīze, no otras puses, kas notiek skābekļa deficīta apstākļos, piruvātu vairs nevar izmantot, jo citronskābes ciklam nepieciešams skābeklis. Glikolīzes kontekstā tiek izveidota arī starpposma uzglabāšanas molekula NADH, kas pati par sevi ir enerģijas ziņā bagāta un aerobos apstākļos arī ieplūst Krebsa ciklā. Tomēr sākotnējā molekula NAD + ir nepieciešama, lai uzturētu glikolīzi. Tāpēc ķermenis šeit “iekod” “skābo ābolu” un pārveido šo augstas enerģijas molekulu atpakaļ sākotnējā formā. Piruvātu izmanto reakcijas veikšanai. No piruvāta veidojas tā sauktā laktāts vai pienskābe.

Lasiet vairāk par šo sadaļu

• Laktāts
• Anaerobā robeža

Kāda ir elpošanas ķēde?

Elpošanas ķēde ir pēdējā daļa no glikozes sabrukšanas ceļa. Pēc tam, kad cukurs tiek metabolizēts glikolīzē un citronskābes ciklā, elpošanas ķēdei ir atjaunoto redukcijas ekvivalentu (NADH + H + un FADH2) reģenerācijas funkcija. Tādējādi tiek izveidots universālais enerģijas nesējs ATP (adenozīna trifosfāts). Līdzīgi kā citronskābes ciklā, elpošanas ķēde atrodas mitohondrijos, tāpēc tos dēvē arī par “šūnas spēkstacijām”. Elpošanas ķēde sastāv no pieciem enzīmu kompleksiem, kas ir iestrādāti iekšējā mitohondriju membrānā. Pirmie divi fermentu kompleksi katrs reģenerē NADH + H + (vai FADH2) līdz NAD + (vai FAD). NADH + H + oksidācijas laikā četri protoni tiek transportēti no matricas telpas starpmembrānu telpā. Divi protoni tiek iesūknēti arī starpmembrānu telpā šādiem trim enzīmu kompleksiem. Tas rada koncentrācijas gradientu, ko izmanto ATP iegūšanai. Šim nolūkam protoni no starpmembrānas telpas caur ATP sintāzi plūst atpakaļ matricas telpā. Atbrīvotā enerģija tiek izmantota, lai beidzot iegūtu ATP no ADP (adenozīndifosfāta) un fosfāta. Vēl viens elpošanas ķēdes uzdevums ir pārtvert elektronus, kas rodas reducēšanas ekvivalentu oksidācijas rezultātā. To veic, elektronus pārnesot uz skābekli. Apvienojot elektronus, protonus un skābekli, ceturtajā enzīmu kompleksā (citohroma c oksidāze) tiek izveidots normāls ūdens. Tas izskaidro arī to, kāpēc elpošanas ķēde var notikt tikai tad, kad ir pietiekami daudz skābekļa.

Kādi uzdevumi mitohondrijiem ir šūnu elpošanā?

Mitohondriji ir organellas, kas atrodamas tikai eikariotu šūnās. Tos sauc arī par “šūnas spēkstacijām”, jo tieši tajās notiek šūnu elpošana. Šūnu elpošanas galaprodukts ir ATP (adenozīna trifosfāts). Tas ir universāls enerģijas nesējs, kas nepieciešams visam cilvēka organismam. Mitohondriju nodalījumi ir priekšnoteikums šūnu elpošanai. Tas nozīmē, ka mitohondrijā ir atsevišķas reakcijas telpas. To panāk ar iekšējo un ārējo membrānu tā, lai būtu starpmēra telpa un iekšējā matricas telpa.

Elpošanas ķēdes laikā protoni (ūdeņraža joni, H +) tiek transportēti starpmembrānu telpā tā, ka rodas atšķirība protonu koncentrācijā. Šie protoni nāk no dažādiem redukcijas ekvivalentiem, piemēram, NADH + H + un FADH2, kas tādējādi tiek reģenerēti par NAD + un FAD.

ATP sintāze ir pēdējais enzīms elpošanas ķēdē, kurā galu galā tiek ražots ATP. Koncentrācijas atšķirības ietekmē protoni no starpposma telpas caur ATP sintāzi plūst matricas telpā. Šī pozitīvā lādiņa plūsma atbrīvo enerģiju, kas tiek izmantota ATP ražošanai no ADP (adenozīna difosfāts) un fosfāta. Mitohondriji ir īpaši piemēroti elpošanas ķēdei, jo dubultās membrānas dēļ tiem ir divas reakcijas telpas. Turklāt mitohondrijā notiek daudzi metabolisma ceļi (glikolīze, citronskābes cikls), kas nodrošina izejvielas (NADH + H +, FADH2) elpošanas ķēdē. Šis telpiskais tuvums ir vēl viena priekšrocība un padara mitohondrijus par ideālu vietu šūnu elpošanai.

Šeit jūs varat uzzināt visu par elpošanas ķēdes tēmu

Enerģijas bilance

Šūnu elpošanas enerģijas bilanci glikozes gadījumā var apkopot šādi, veidojot 32 ATP molekulas uz glikozi:

C6H12O6 + 6 O2 kļūst par 6 CO2 + 6 H2O + 32 ATP

(Skaidrības labad ADP un fosfāta atlikums Pi ir izlaisti no mācību līdzekļiem)

Anaerobos apstākļos, t.i., skābekļa trūkumā, citronskābes cikls nevar darboties, un enerģiju var iegūt tikai ar aerobo glikolīzi:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP kļūst par 2 laktātu + 2 ATP. + 2 H2O. Tātad no vienas glikozes molekulas tiek iegūti tikai apmēram 6% no proporcijas, kā tas būtu aerobās glikolīzes gadījumā.

Slimības, kas saistītas ar šūnu elpošanu

Šūnu elpošana ir būtiska izdzīvošanait.i. ka daudzas mutācijas gēnos, kas ir atbildīgi par šūnu elpošanas proteīniem, piem. Glikolīzes, kodēšanas, letālie fermentiletāls) ir. Tomēr notiek šūnu elpošanas ģenētiskās slimības. To izcelsme var būt no kodola DNS vai no mitohondriju DNS. Pašās mitohondrijās ir savs ģenētiskais materiāls, kas nepieciešams šūnu elpošanai. Tomēr šīm slimībām ir līdzīgi simptomi, jo tām visām ir viena kopīga iezīme: tās iejaucas šūnu elpošanā un to izjauc.

Šūnu elpceļu slimības bieži uzrāda līdzīgus klīniskos simptomus. Šeit tas ir īpaši svarīgi Audu traucējumi, kas prasa daudz enerģijas. Tajās jo īpaši ietilpst nervu, muskuļu, sirds, nieru un aknu šūnas. Simptomi, piemēram, muskuļu vājums vai smadzeņu bojājuma pazīmes, bieži rodas pat jaunā vecumā, ja ne dzimšanas laikā. Arī runā izteikti Pienskābes acidoze (Ķermeņa pārmērīga paskābināšana ar laktātu, kas uzkrājas, jo piruvātu nevar pietiekami sadalīt citronskābes ciklā). Iekšējie orgāni var arī nepareizi darboties.

Šūnu elpošanas ceļu slimību diagnostika un terapija jāveic speciālistiem, jo ​​klīniskā aina var būt ļoti dažāda un atšķirīga. Kā šodien, tas joprojām ir nav cēloņsakarības un ārstnieciskās terapijas dod. Slimības var ārstēt tikai simptomātiski.

Tā kā mitohondriju DNS no mātes bērniem tiek nodots ļoti sarežģītā veidā, sievietēm, kuras cieš no šūnu elpošanas sistēmas slimības, vajadzētu vērsties pie speciālista, ja viņas vēlas bērnus, jo tikai viņas var novērtēt mantojuma varbūtību.