Ihmisten soluhengitys

määritelmä

Solujen hengitys, jota kutsutaan myös aerobiseksi (muinaiskreikkalaisesta "aer" - ilmasta) kuvaa ravinteiden, kuten glukoosin tai rasvahappojen, hajoamista ihmisissä käyttämällä happea (O2) energian tuottamiseksi, mikä on välttämätöntä solujen selviytymiselle. Ravinteet hapetetaan, ts. ne vapauttavat elektroneja, kun happi vähenee, mikä tarkoittaa, että se hyväksyy elektroneja. Hapen ja ravinteiden aiheuttamat lopputuotteet ovat hiilidioksidi (CO2) ja vesi (H2O).

Soluhengityksen toiminta ja tehtävät

Kaikki ihmiskehon prosessit vaativat energiaa. Liikunta, aivojen toiminta, sydämen lyöminen, syljen tai hiusten tekeminen ja jopa ruuansulatus vaativat kaikki toimivuudelle energiaa.

Lisäksi keho tarvitsee happea selviytyäkseen. Soluhengitys on tässä erityisen tärkeä. Tämän ja kaasuhapen avulla kehon on mahdollista polttaa energiarikkaita aineita ja saada niistä tarvittavaa energiaa. Happi itsessään ei anna meille mitään energiaa, mutta sitä tarvitaan kehon kemiallisten palamisprosessien suorittamiseen, ja se on siksi välttämätöntä selviytymisellemme.

Keho tuntee monia erityyppisiä energian kantajia:

• Glukoosi (sokeri) on tärkein energialähde ja perusrakenne, samoin kuin lopputuote jaoteltu kaikista tärkkelyspitoisista ruokia
• Rasvahapot ja glyseriini ovat rasvojen hajoamisen lopputuotteita, ja niitä voidaan käyttää myös energiantuotannossa
• Viimeinen energialähteiden ryhmä on aminohapot, jotka jäävät proteiinien hajoamisen tuotteeksi. Tietyn kehossa tapahtuneen muutoksen jälkeen niitä voidaan käyttää myös solujen hengityksessä ja siten energian tuottamiseen

Lue lisää tästä kohdasta Liikunta ja rasvanpoltto

Ihmisen kehon käyttämä yleisin energialähde on glukoosi. On olemassa reaktioketju, joka johtaa lopulta tuotteisiin CO2 ja H2O hapen kulutuksella. Tämä prosessi sisältää Glykolyysivaiheen, joten Glukoosin halkaisu ja tuotteen siirto, pyruvaatti välivaiheen kautta Asetyyli-CoA: että Sitruunahapposykli (Synonyymi: sitruunahapposykli tai Krebs-sykli). Muiden ravinteiden, kuten aminohappojen tai rasvahappojen, hajoamistuotteet virtaavat myös tähän sykliin. Prosessia, jossa rasvahapot "hajottaa" niin, että ne voivat myös virtata sitruunahapposykliin, kutsutaan Beetahapetus.

Sitruunahapposykli on siis eräänlainen sisääntulopiste, jossa kaikki energian kantajat voidaan syöttää energian metaboliaan. Jakso tapahtuu mitokondriot sen sijaan ihmissolujen ”energiavoimalat”.

Kaikkien näiden prosessien aikana jotain energiaa kulutetaan ATP: n muodossa, mutta se saadaan jo, kuten esimerkiksi glykolyysissä. Lisäksi on pääosin muita välituotteiden energiavarastoja (esim. NADH, FADH2), jotka täyttävät tehtävänsä vain välituotteiden energiavarastoina energiantuotannon aikana. Nämä väliaikaisesti varastoivat molekyylit virtaavat sitten solun hengityksen viimeiseen vaiheeseen, nimittäin oksidatiivisen fosforyloinnin vaiheeseen, joka tunnetaan myös nimellä hengitysketju. Tämä on askel kohti jotain kaikki prosessit ovat toimineet toistaiseksi. Hengitysketju, joka tapahtuu myös mitokondrioissa, koostuu myös useista vaiheista, joissa energiarikkaita välivarastointimolekyylejä käytetään sitten universaalisen energian kantajan ATP: n uuttamiseen. Yhden glukoosimolekyylin hajoaminen johtaa yhteensä 32 ATP-molekyyliin.

Erityisen kiinnostuneille

Hengitysketju sisältää erilaisia ​​proteiinikomplekseja, joilla on tässä erittäin mielenkiintoinen rooli. Ne toimivat pumppuina, jotka pumppaavat protoneja (H + -ioneja) mitokondrioiden kaksoiskalvon onkaloon kuluttaen samalla välivarastointimolekyylejä, joten protoneissa on korkea pitoisuus. Tämä aiheuttaa pitoisuusgradientin membraanien välisen tilan ja mitokondriaalimatriisin välillä. Tämän gradientin avulla on viime kädessä proteiinimolekyyli, joka toimii samalla tavalla kuin tyyppinen vesiturbiini. Tämän gradientin avulla protoneissa proteiini syntetisoi ATP-molekyylin ADP: stä ja fosfaattiryhmästä.

Löydät lisätietoja täältä: Mikä on hengitysketju?

ATP

Adenosiinitrifosfaatti (ATP) on ihmiskehon energian kantaja. Kaikki solujen hengityksestä syntyvä energia varastoidaan aluksi ATP: n muodossa. Keho voi käyttää energiaa vain, jos se on ATP-molekyylin muodossa.

Jos ATP-molekyylin energia kulutetaan, ATP: stä syntyy adenosiinidifosfaatti (ADP), jolloin molekyylin fosfaattiryhmä hajoaa ja energia vapautuu. Soluhengitys tai energiantuotanto palvelevat ATP: n jatkuvaa uudistamista ns. ADP: stä, jotta keho voi käyttää sitä uudelleen.

Reaktioyhtälö

Koska rasvahapot ovat eripituisia ja että aminohapoilla on myös hyvin erilaisia ​​rakenteita, näille kahdelle ryhmälle ei ole mahdollista asettaa yksinkertaista yhtälöä, jotta niiden energiatehokkuus voidaan tarkkaan karakterisoida solujen hengityksessä. Koska jokainen rakennemuutos voi määrittää missä vaiheessa sitraattijaksoa aminohappo virtaa.
Rasvahappojen hajoaminen ns. Beetahapetuksessa riippuu niiden pituudesta. Mitä pidempi rasvahapot, sitä enemmän energiaa niistä voidaan saada. Tämä vaihtelee tyydyttyneiden ja tyydyttymättömien rasvahappojen välillä, tyydyttymättömien tarjoamalla minimaalisesti vähemmän energiaa, jos niillä on sama määrä.

Jo mainituista syistä yhtälö voidaan parhaiten kuvata glukoosin hajoamiseksi. Tämä muodostaa yhteensä 6 hiilidioksidimolekyyliä (CO2) ja 6 vesimolekyyliä (H2O) glukoosimolekyylistä (C6H12O6) ja 6 happimolekyylistä (O2):

• C6H12O6 + 6 O2 muuttuu 6 CO2 + 6 H2O: ksi

Mikä on glycolysis?

Glykolyysi kuvaa glukoosin, ts. Rypälesokerin hajoamista. Tämä metabolinen reitti tapahtuu ihmisen soluissa samoin kuin muissa, esim. hiiva käymisen aikana. Paikka, jossa solut suorittavat glykolyysiä, on sytoplasmassa. Täällä on entsyymejä, jotka kiihdyttävät glykolyysireaktioita, niin että syntetisoidaan suoraan ATP ja tarjotaan substraatit sitruunahapposykliin. Tämä prosessi tuottaa energiaa kahden ATP-molekyylin ja kahden NADH + H + -molekyylin muodossa. Glykolyysi yhdessä sitruunahapposyklin ja hengitysketjun kanssa, jotka molemmat sijaitsevat mitokondrioon, edustavat yksinkertaisen sokerin glukoosin hajoamisreittiä yleismaailmalliselle energian kantajalle ATP.Glykolyysi tapahtuu kaikkien eläin- ja kasvisolujen sytosolissa.Glykolyysin lopputuote on pyruvaatti, joka voidaan sitten viedä sitruunahapposykliin välivaiheen kautta.

Kaikkiaan glykolyysiin käytetään 2 ATP: tä glukoosimolekyyliä kohden reaktioiden suorittamiseksi. 4 ATP: tä kuitenkin saadaan siten, että saadaan tosiasiallisesti 2 ATP-molekyylin nettovoitto.

Glykolyysi kymmenen reaktiovaihetta, kunnes sokeri, jossa on 6 hiiliatomia, muuttuu kahdeksi pyruvaattimolekyyliksi, joista kukin koostuu kolmesta hiiliatomista. Ensimmäisessä neljässä reaktiovaiheessa sokeri muunnetaan fruktoosi-1,6-bisfosfaatiksi kahden fosfaatin ja uudelleenjärjestelyn avulla. Tämä aktivoitu sokeri on nyt jaettu kahteen molekyyliin, joissa molemmissa on kolme hiiliatomia. Lisäjärjestelyt ja kahden fosfaattiryhmän poisto johtavat lopulta kahteen pyruvaattiin. Jos happea (02) on nyt saatavana, pyruvaatti voidaan edelleen metaboloida asetyyli-CoA: ksi ja viedä sitruunahapposykliin. Kaiken glykolyysi 2 molekyylillä ATP ja kaksi molekyyliä NADH + H + on suhteellisen alhainen energian saanto. Se luo kuitenkin perustan sokerin edelleen hajoamiselle ja on siksi välttämätön ATP: n tuottamiseksi solujen hengityksessä.

Tässä vaiheessa on järkevää erottaa aerobinen ja anaerobinen glykolyysi. Aerobinen glykolyysi johtaa yllä kuvattuun pyruvaattiin, jota voidaan sitten käyttää energian tuottamiseen.
Toisaalta happea puuttuvissa olosuhteissa tapahtuvaa anaerobista glykolyysiä pyruvaattia ei voida enää käyttää, koska sitruunahapposykli vaatii happea. Glykolyysin yhteydessä syntyy myös välimuistivarastointimolekyyli NADH, joka on sinänsä energiarikas ja joka virtaa myös Krebs-kiertoon aerobisissa olosuhteissa. Lähtömolekyyli NAD + on kuitenkin välttämätön glykolyysin ylläpitämiseksi. Siksi keho "puree" "hapan omena" täällä ja muuntaa tämän korkean energian molekyylin takaisin alkuperäiseen muotoonsa. Pyruvaattia käytetään reaktion suorittamiseen. Niin kutsuttu laktaatti tai maitohappo muodostuu pyruvaatista.

Lue lisää tästä kohdasta

• Lactate
• Anaerobinen kynnys

Mikä on hengitysketju?

Hengitysketju on viimeinen osa glukoosin hajoamisteitä. Sen jälkeen kun sokeri on metaboloitunut glykolyysi- ja sitruunahapposyklissä, hengitysketjun tehtävänä on regeneroida luodut pelkistysekvivalentit (NADH + H + ja FADH2). Tämä luo universaalin energiakantajan ATP (adenosiinitrifosfaatti). Kuten sitruunahapposykli, myös hengitysketju sijaitsee mitokondrioissa, joita kutsutaan siksi myös “solun voimalaitoksiksi”. Hengitysketju koostuu viidestä entsyymikompleksista, jotka on upotettu mitokondriaaliseen sisäkalvoon. Kaksi ensimmäistä entsyymikompleksia regeneroivat NADH + H + (tai FADH2) NAD + (tai FAD). NADH + H +: n hapetuksen aikana neljä protonia kuljetetaan matriisitilasta välikappaleeseen. Kaksi protonia pumpataan myös membraanien väliseen tilaan seuraavia kolmea entsyymikompleksia varten. Tämä luo pitoisuusgradientin, jota käytetään tuottamaan ATP. Tätä tarkoitusta varten protonit virtaavat membraanienvälisestä tilasta ATP-syntaasin kautta takaisin matriisitilaan. Vapautunut energia käytetään lopulta tuottamaan ATP ADP: stä (adenosiinidifosfaatti) ja fosfaatista. Toinen hengitysketjun tehtävä on katkaista pelkistysekvivalenttien hapettumisen tuottamat elektronit. Tämä tapahtuu siirtämällä elektroneja happea. Yhdistämällä elektroneja, protoneja ja happea normaaliin veteen syntyy neljännessä entsyymikompleksissa (sytokromi c -oksidaasi). Tämä selittää myös miksi hengitysketju voi tapahtua vain, kun happea on riittävästi.

Mitä tehtäviä mitokondrioilla on soluhengityksessä?

Mitokondrit ovat organelleja, joita löytyy vain eukaryoottisoluista. Niitä kutsutaan myös ”solun voimalaitoksiksi”, koska heissä tapahtuu hengitys. Soluhengityksen lopputuote on ATP (adenosiinitrifosfaatti). Tämä on universaali energian kantaja, jota vaaditaan koko ihmisen organismissa. Mitokondrioiden osastot ovat ennakkoedellytys solujen hengitykselle. Tämä tarkoittaa, että mitokondriossa on erilliset reaktioalueet. Tämä saavutetaan sisä- ja ulkokalvolla siten, että siinä on kalvojen välinen tila ja sisäinen matriisitila.

Hengitysketjun aikana protonit (vetyionit, H +) kulkeutuvat membraanien väliseen tilaan niin, että syntyy ero protonien pitoisuuksissa. Nämä protonit ovat peräisin erilaisista pelkistysekvivalentteista, kuten NADH + H + ja FADH2, jotka regeneroidaan siten NAD +: ksi ja FAD: ksi.

ATP-syntaasi on viimeinen entsyymi hengitysketjussa, jossa ATP lopulta muodostuu. Pitoisuuseron ohjaamana protonit virtaavat membraanienvälisestä tilasta ATP-syntaasin läpi matriisitilaan. Tämä positiivisen varauksen virtaus vapauttaa energiaa, jota käytetään tuottamaan ATP ADP: stä (adenosiinidifosfaatti) ja fosfaatista. Mitokondriat ovat erityisen sopivia hengitysketjuun, koska niissä on kaksi reaktioaluetta kaksoiskalvon takia. Lisäksi mitokondriossa tapahtuu monia metabolisia reittejä (glykolyysi, sitruunahapposykli), jotka tarjoavat lähtöaineita (NADH + H +, FADH2) hengitysketjulle. Tämä paikallinen läheisyys on toinen etu ja tekee mitokondrioista ihanteellisen paikan solujen hengitykselle.

Täältä löydät kaiken hengitysketjun aiheesta

Energiatasapaino

Solujen hengityksen energiatasapaino glukoosin tapauksessa voidaan tiivistää seuraavasti muodostamalla 32 ATP-molekyyliä glukoosia kohden:

C6H12O6 + 6 O2 muuttuu 6 CO2 + 6 H20 + 32 ATP: ksi

(Selvyyden vuoksi ADP ja fosfaattijäännös Pi on jätetty pois koulutusaineista)

Anaerobisissa olosuhteissa, ts. Hapen puute, sitruunahapposykli ei voi käydä ja energiaa voidaan saada vain aerobisella glykolyysiä:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP: stä tulee 2 laktaattia + 2 ATP. + 2 H20. Joten vain noin 6% suhteesta saadaan glukoosimolekyyliä kohden, kuten tapahtuisi aerobisessa glykolyysissä.

Solujen hengitykseen liittyvät sairaudet

Soluhengitys on välttämätöntä selviytymiselletoisin sanoen että monet mutaatiot geeneissä, jotka vastaavat soluhengitysproteiineista, esim. Glykolyysi-, koodaus-, tappava (kohtalokas) ovat. Solujen hengityksen geneettisiä sairauksia esiintyy kuitenkin. Ne voivat olla peräisin ydin-DNA: sta tai mitokondriaalisesta DNA: sta. Mitokondrio itse sisältää oman geneettisen materiaalin, joka on välttämätöntä solujen hengitykselle. Näillä sairauksilla on kuitenkin samanlaisia ​​oireita, koska kaikilla on yksi yhteinen asia: ne puuttuvat solujen hengitykseen ja häiritsevät sitä.

Soluhengitysteiden sairaudet osoittavat usein samanlaisia ​​kliinisiä oireita. Se on erityisen tärkeä tässä Kudoshäiriöt, jotka tarvitsevat paljon energiaa. Näitä ovat erityisesti hermo-, lihas-, sydän-, munuais- ja maksasolut. Oireita, kuten lihasheikkous tai aivovaurion merkkejä, esiintyy usein jopa nuorena, ellei syntymän aikaan. Puhuu myös lausutaan Maitohappoasidoosi (Kehon liiallinen happamoittaminen laktaatilla, joka kertyy, koska pyruvaattia ei voida hajottaa riittävästi sitruunahapposyklissä). Sisäelimet voivat myös puuttua toimintaan.

Asiantuntijoiden tulisi suorittaa soluhengityksen sairauksien diagnosointi ja hoito, koska kliininen kuva voi olla hyvin monipuolinen ja erilainen. Nykyään se on edelleen ei syy-ja parantavaa terapiaa antaa. Tauteja voidaan hoitaa vain oireellisesti.

Koska mitokondriaalinen DNA välittyy äidiltä lapsille erittäin monimutkaisella tavalla, soluhengityssairaudesta kärsivien naisten tulisi kysyä neuvoa asiantuntijalta, jos he haluavat lapsia, koska vain he voivat arvioida perinnöllisyyden todennäköisyyttä.