Cellular respirasjon hos mennesker

definisjon

Celleånding, også kalt aerob (fra gammelgresk "aer" - luft), beskriver nedbrytningen av næringsstoffer som glukose eller fettsyrer hos mennesker som bruker oksygen (O2) for å generere energi, noe som er nødvendig for cellens overlevelse. I prosessen blir næringsstoffene oksidert, det vil si at de avgir elektroner, mens oksygen reduseres, noe som betyr at det tar imot elektroner. Sluttproduktene som kommer fra oksygen og næringsstoffer er karbondioksid (CO2) og vann (H2O).

Funksjon og oppgaver for mobil respirasjon

Alle prosesser i menneskekroppen krever energi. Trening, hjernefunksjon, hjerteslag, spytt eller hårfremstilling, og til og med fordøyelse, krever energi for å fungere.

I tillegg trenger kroppen oksygen for å overleve. Cellular respirasjon er spesielt viktig her. Ved hjelp av dette og gassens oksygen er det mulig for kroppen å forbrenne energirike stoffer og få den nødvendige energien fra dem. Oksygen i seg selv gir oss ingen energi, men det kreves for å utføre de kjemiske forbrenningsprosessene i kroppen og er derfor viktig for vår overlevelse.

Kroppen kjenner til mange forskjellige typer energibærere:

• Glukose (sukker) er den viktigste energibæreren og grunnleggende byggesteinen, samt sluttproduktet delt fra all stivelsesholdig mat
• Fettsyrer og glyserin er sluttproduktene ved nedbrytning av fett og kan også brukes i energiproduksjon
• Den siste gruppen energibærere er aminosyrene, som er igjen som et produkt av proteinnedbrytning. Etter en viss transformasjon i kroppen, kan disse også brukes i celleånding og dermed til energiproduksjon

Les mer om dette under Trening og fettforbrenning

Den vanligste energikilden som brukes av menneskekroppen er glukose. Det er en kjede av reaksjoner som til slutt fører til produktene CO2 og H2O med forbruk av oksygen. Denne prosessen inkluderer Glykolyse, så Splitting av glukose og overføring av produktet, Pyruvat via mellomtrinnet til Acetyl-CoA i Sitronsyresyklus (Synonym: sitronsyresyklus eller Krebs-syklus). Nedbrytningsproduktene til andre næringsstoffer som aminosyrer eller fettsyrer strømmer også inn i denne syklusen. Prosessen der fettsyrene "brytes ned" slik at de også kan strømme inn i sitronsyresyklusen kalles Beta-oksidasjon.

Sitronsyresyklusen er derfor et slags innløpspunkt der alle energikilder kan mates inn i energiomsetningen. Syklusen finner sted i Mitokondrier i stedet "energikraftverkene" til menneskelige celler.

I løpet av alle disse prosessene forbrukes noe energi i form av ATP, men det er allerede oppnådd, slik det er for eksempel i glykolyse. I tillegg er det overveiende andre mellomliggende energilagre (f.eks. NADH, FADH2) som bare oppfyller sin funksjon som mellomliggende energilagre under energiproduksjon. Disse mellomlagringsmolekylene flyter deretter inn i det siste trinnet i celleånding, nemlig trinnet med oksidativ fosforylering, også kjent som respirasjonskjeden. Dette er trinnet som alle prosesser har arbeidet hittil. Åndedrettskjeden, som også foregår i mitokondriene, består også av flere trinn, der den allsidige energibæreren ATP deretter oppnås fra de energirike mellomlagringsmolekylene. Totalt resulterer nedbrytningen av ett glukosemolekyl i totalt 32 ATP-molekyler.

For de spesielt interesserte

Åndedrettskjeden inneholder forskjellige proteinkomplekser som spiller en veldig interessant rolle her. De fungerer som pumper som pumper protoner (H + -ioner) inn i hulrommet i den mitokondrielle dobbeltmembranen mens de forbruker mellomlagringsmolekylene, slik at det er en høy konsentrasjon av protoner der. Dette forårsaker en konsentrasjonsgradient mellom intermembranrommet og mitokondriell matrise. Ved hjelp av denne gradienten er det til slutt et proteinmolekyl som fungerer på samme måte som en type vannturbin. Drevet av denne gradienten i protoner, syntetiserer proteinet et ATP-molekyl fra en ADP og en fosfatgruppe.

Du finner mer informasjon her: Hva er luftveiene?

ATP

De Adenosintrifosfat (ATP) er energibæreren til menneskekroppen. All energi som oppstår fra cellulær respirasjon lagres i utgangspunktet i form av ATP. Kroppen kan bare bruke energien hvis den er i form av ATP-molekylet.

Hvis energien til ATP-molekylet er brukt opp, opprettes adenosindifosfat (ADP) fra ATP, hvorved en fosfatgruppe i molekylet skilles av og energi frigjøres. Celleånding eller energiproduksjon tjener formålet med kontinuerlig regenerering av ATP fra den såkalte ADP slik at kroppen kan bruke den igjen.

Reaksjonsligning

På grunn av det faktum at fettsyrer har forskjellige lengder og at aminosyrer også har veldig forskjellige strukturer, er det ikke mulig å sette opp en enkel ligning for disse to gruppene for å nøyaktig karakterisere deres energiutbytte i mobil respirasjon. Fordi enhver strukturendring kan avgjøre i hvilket trinn av sitratsyklusen aminosyren strømmer.
Nedbrytningen av fettsyrer i den såkalte beta-oksidasjonen avhenger av lengden. Jo lenger fettsyrene er, desto mer energi kan du få fra dem. Dette varierer mellom mettede og umettede fettsyrer, med umettede fettsyrer som gir minimalt med mindre energi, forutsatt at de har samme mengde.

Av de allerede nevnte grunner kan en ligning best beskrives for nedbrytning av glukose. Et glukosemolekyl (C6H12O6) og 6 oksygenmolekyler (O2) resulterer i totalt 6 karbondioksidmolekyler (CO2) og 6 vannmolekyler (H2O):

• C6H12O6 + 6 O2 blir 6 CO2 + 6 H2O

Hva er glykolyse?

Glykolyse beskriver nedbrytningen av glukose, dvs. druesukker. Denne metabolske banen foregår i humane celler så vel som i andre, for eksempel gjær under gjæring. Stedet der cellene utfører glykolyse, er i cytoplasmaet. Her er enzymer til stede som akselererer glykolysereaksjonene for både å syntetisere ATP direkte og gi substratene for sitronsyresyklusen. Denne prosessen skaper energi i form av to ATP-molekyler og to NADH + H + -molekyler. Glykolyse, sammen med sitronsyresyklusen og luftveiskjeden, som begge er plassert i mitokondrion, representerer nedbrytningsveien til den enkle sukkerglukosen til den universelle energibæreren ATP. Glykolyse finner sted i cytosolen til alle dyre- og planteceller . Sluttproduktet av glykolyse er pyruvat, som deretter kan innføres i sitronsyresyklusen via et mellomtrinn.

Totalt brukes 2 ATP per glukosemolekyl i glykolyse for å kunne utføre reaksjonene. Imidlertid oppnås 4 ATP, slik at det effektivt er en nettogevinst på 2 ATP-molekyler.

Glykolyse ti reaksjonstrinn til et sukker med 6 karbonatomer blir til to molekyler av pyruvat, som hver består av tre karbonatomer. I de første fire reaksjonstrinnene omdannes sukkeret til fruktose-1,6-bisfosfat ved hjelp av to fosfater og en omlegging. Dette aktiverte sukkeret er nå delt inn i to molekyler med tre karbonatomer hver. Ytterligere omlegging og fjerning av de to fosfatgruppene resulterer til slutt i to pyruvat. Hvis oksygen (O2) nå er tilgjengelig, kan pyruvat metaboliseres videre til acetyl-CoA og innføres i sitronsyresyklusen. Samlet sett har glykolyse med to molekyler ATP og to molekyler av NADH + H + et relativt lavt energiutbytte. Imidlertid legger den grunnlaget for ytterligere nedbrytning av sukker og er derfor viktig for produksjonen av ATP i celleånding.

På dette tidspunktet er det fornuftig å skille aerob og anaerob glykolyse. Aerob glykolyse fører til pyruvatet beskrevet ovenfor, som deretter kan brukes til å generere energi.
I motsetning til den anaerobe glykolysen, som foregår under forhold med oksygenmangel, kan pyruvat ikke lenger brukes fordi sitronsyresyklusen krever oksygen. I sammenheng med glykolyse opprettes også det mellomliggende lagringsmolekylet NADH, som i seg selv er rikt på energi og også vil strømme inn i Krebs-syklusen under aerobe forhold. Foreldermolekylet NAD + er imidlertid nødvendig for å opprettholde glykolyse. Dette er grunnen til at kroppen "biter" det "sure eplet" her og omdanner dette høyenergimolekylet tilbake til sin opprinnelige form. Pyruvat brukes til å utføre reaksjonen. Den såkalte laktat eller melkesyre dannes fra pyruvat.

Les mer om dette under

• Laktat
• Anaerob terskel

Hva er luftveiene?

Åndedrettskjeden er den siste delen av glukosenedbrytningsveien. Etter at sukkeret har blitt metabolisert i glykolysen og sitronsyresyklusen, har respirasjonskjeden den funksjonen å regenerere reduksjonsekvivalenter (NADH + H + og FADH2) som opprettes. Dette skaper den universelle energibæreren ATP (adenosintrifosfat). I likhet med sitronsyresyklusen er luftveiskjeden lokalisert i mitokondriene, som derfor også blir referert til som "cellekraftverkene". Åndedrettskjeden består av fem enzymkomplekser som er innebygd i den indre mitokondriale membranen. De to første enzymkompleksene regenererer hver NADH + H + (eller FADH2) til NAD + (eller FAD). Under oksidasjonen av NADH + H + blir fire protoner transportert fra matriseplassen inn i mellomrommet. To protoner pumpes også inn i mellomrommet i hvert av de følgende tre enzymkompleksene. Dette skaper en konsentrasjonsgradient som brukes til å produsere ATP. For dette formålet flyter protoner fra intermembranrommet gjennom en ATP-syntase tilbake i matriseplassen. Den frigjorte energien brukes til å til slutt produsere ATP fra ADP (adenosindifosfat) og fosfat. En annen oppgave for respirasjonskjeden er å fange opp elektronene som genereres av oksidasjonen av reduksjonsekvivalenter. Dette gjøres ved å overføre elektronene til oksygen. Ved å samle elektroner, protoner og oksygen, dannes normalt vann i det fjerde enzymkomplekset (cytokrom c oksidase). Dette forklarer også hvorfor luftveiskjeden bare kan finne sted når det er nok oksygen.

Hva er oppgavene til mitokondriene i celleånding?

Mitokondriene er organeller som bare finnes i eukaryote celler. De blir også referert til som "cellenes kraftverk", da det er i dem at celleånding foregår. Sluttproduktet av cellulær respirasjon er ATP (adenosintrifosfat). Dette er en universell energibærer som kreves i hele den menneskelige organismen. Kompartmentalisering av mitokondriene er en forutsetning for celleånding. Dette betyr at det er separate reaksjonsrom i mitokondrionen. Dette oppnås ved en indre og ytre membran, slik at det er et intermembranrom og et indre matriksrom.

I løpet av luftveiskjeden transporteres protoner (hydrogenioner, H +) inn i mellomrommet, slik at en forskjell i protonkonsentrasjon oppstår. Disse protonene kommer fra forskjellige reduksjonsekvivalenter, slik som NADH + H + og FADH2, som derved regenereres til NAD + og FAD.

ATP-syntase er det siste enzymet i luftveiskjeden, der ATP til slutt produseres. Drevet av forskjellen i konsentrasjon, strømmer protonene fra intermembranrommet gjennom ATP-syntase inn i matriksrommet. Denne strømmen av positiv ladning frigjør energi som brukes til å produsere ATP fra ADP (adenosindifosfat) og fosfat. Mitokondriene er spesielt egnet for luftveiskjeden, da de har to reaksjonsrom på grunn av den dobbelte membranen. I tillegg finner mange metabolske veier (glykolyse, sitronsyresyklus), som gir utgangsmaterialene (NADH + H +, FADH2) for luftveiskjeden, i mitokondrionen. Denne romlige nærheten er en annen fordel og gjør mitokondriene til det ideelle stedet for celleånding.

Her kan du finne ut alt om emnet for luftveiskjeden

Energibalanse

Energibalansen til celleånding i tilfelle glukose kan oppsummeres som følger, med dannelse av 32 ATP-molekyler per glukose:

C6H12O6 + 6 O2 blir 6 CO2 + 6 H2O + 32 ATP

(For klarhets skyld er ADP og fosfatresten Pi blitt utelatt fra lærdene)

Under anaerobe forhold, dvs. mangel på oksygen, kan ikke sitronsyresyklusen løpe, og energi kan bare oppnås gjennom aerob glykolyse:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP blir 2 laktat + 2 ATP. + 2 H2O. Så bare omtrent 6% av andelen oppnås per glukosemolekyl, slik det ville være tilfelle med aerob glykolyse.

Sykdommer relatert til cellulær respirasjon

De Cellular respirasjon er viktig for å overleve, dvs. at mange mutasjoner i genene som koder for proteinene i celleåndingen, f.eks. enzymer av glykolyse, er dødelige (fatal) er. Imidlertid forekommer genetiske sykdommer i cellulær respirasjon. Disse kan stamme fra kjernefysisk DNA så vel som fra mitokondrie-DNA. Mitokondriene inneholder selv sitt genetiske materiale, som er nødvendig for celleånding. Imidlertid viser disse sykdommene lignende symptomer, ettersom de alle har en ting til felles: de griper inn i cellulær respirasjon og forstyrrer den.

Cellular respiratoriske sykdommer viser ofte lignende kliniske symptomer. Det er spesielt viktig her Forstyrrelser i vev, som trenger mye energi. Disse inkluderer spesielt nerve-, muskel-, hjerte-, nyre- og leverceller. Symptomer som muskelsvakhet eller tegn på hjerneskade forekommer ofte selv i ung alder, om ikke på fødselstidspunktet. Snakker også en uttalt Laktatacidose (En overforsuring av kroppen med laktat, som akkumuleres fordi pyruvat ikke kan brytes tilstrekkelig ned i sitronsyresyklusen). Interne organer kan også fungere feil.

Diagnostisering og terapi av sykdommer i cellulær respirasjon bør tas over av spesialister, siden det kliniske bildet kan vise seg å være veldig mangfoldig og annerledes. Per i dag er det fortsatt ingen kausal og kurativ terapi gir. Sykdommene kan bare behandles symptomatisk.

Siden mitokondrie-DNA overføres fra mor til barn på en veldig komplisert måte, bør kvinner som lider av en sykdom i cellulær respirasjon kontakte en spesialist hvis de ønsker å få barn, da bare de kan estimere sannsynligheten for arv.