Bunkové dýchanie u ľudí

definícia

Dýchanie buniek, tiež nazývané aeróbne (zo starogréckeho „aer“ - vzduchu), opisuje rozklad živín, ako je glukóza alebo mastné kyseliny u ľudí, pričom sa spotrebúva kyslík (O2) na generovanie energie, ktorá je potrebná na prežitie buniek. Živiny sú oxidované, t.j. vydávajú elektróny, keď je znížený kyslík, čo znamená, že prijíma elektróny. Konečné produkty, ktoré vznikajú z kyslíka a živín, sú oxid uhličitý (CO2) a voda (H2O).

Funkcia a úlohy bunkového dýchania

Všetky procesy v ľudskom tele vyžadujú energiu. Cvičenie, funkcia mozgu, tlkot srdca, tvorba slín alebo vlasov, a dokonca aj trávenie, si vyžaduje energiu, aby fungovala.

Okrem toho telo potrebuje na prežitie kyslík. Zvláštny význam tu má bunkové dýchanie. Pomocou tohto a plynného kyslíka je možné, aby telo spaľovalo látky bohaté na energiu a získalo od nich potrebnú energiu. Samotný kyslík nám neposkytuje žiadnu energiu, ale je potrebný na uskutočnenie procesov chemického spaľovania v tele, a preto je nevyhnutný pre naše prežitie.

Telo pozná veľa rôznych typov energetických nosičov:

• Glukóza (cukor) je hlavným zdrojom energie a základným stavebným kameňom, ako aj konečným produktom oddeleným od všetkých škrobových potravín
• Mastné kyseliny a glycerín sú konečné produkty rozkladu tukov a môžu sa tiež použiť na výrobu energie
• Poslednou skupinou zdrojov energie sú aminokyseliny, ktoré zostávajú ako produkt rozkladu proteínov. Po určitej transformácii v tele sa tieto môžu použiť aj na dýchanie buniek, a tým aj na tvorbu energie

Prečítajte si viac o tom v časti Cvičenie a spaľovanie tukov

Najbežnejším zdrojom energie používaným v ľudskom tele je glukóza. Existuje reťaz reakcií, ktoré v konečnom dôsledku vedú k produktom CO2 a H2O so spotrebou kyslíka. Tento proces zahŕňa glykolýza, takže Rozdelenie glukózy a presun produktu, pyruvát prostredníctvom medzistupňa Acetyl-CoA v Cyklus kyseliny citrónovej (Synonymum: cyklus kyseliny citrónovej alebo Krebsov cyklus). Do tohto cyklu tiež prúdia produkty rozkladu iných živín, ako sú aminokyseliny alebo mastné kyseliny. Nazýva sa proces, v ktorom sa mastné kyseliny „odbúravajú“ tak, že môžu tiež prúdiť do cyklu kyseliny citrónovej Oxidácia beta.

Cyklus kyseliny citrónovej je preto akýmsi vstupným bodom, kde môžu byť všetky energetické nosiče privádzané do energetického metabolizmu. Cyklus sa koná v mitochondrie namiesto toho „energetické elektrárne“ ľudských buniek.

Počas všetkých týchto procesov sa nejaká energia spotrebúva vo forme ATP, ale už sa získava, ako je to napríklad v prípade glykolýzy. Okrem toho existujú prevažne ďalšie medzisklady energie (napr. NADH, FADH2), ktoré plnia svoju funkciu ako medzisklady energie počas výroby energie. Tieto intermediárne ukladacie molekuly potom prúdia do posledného kroku dýchania buniek, konkrétne do kroku oxidačnej fosforylácie, tiež známej ako dýchací reťazec. Toto je krok, ku ktorému všetky procesy doposiaľ pracovali. Dýchací reťazec, ktorý sa tiež uskutočňuje v mitochondriách, tiež pozostáva z niekoľkých krokov, v ktorých sa potom na extrakciu viacúčelového nosiča energie ATP použijú intermediárne úložné molekuly bohaté na energiu. Celkovo vedie rozpad jednej glukózovej molekuly k celkom 32 ATP molekulám.

Pre záujemcov

Dýchací reťazec obsahuje rôzne proteínové komplexy, ktoré tu hrajú veľmi zaujímavú úlohu. Fungujú ako pumpy, ktoré pumpujú protóny (ióny H +) do dutiny mitochondriálnej dvojitej membrány, zatiaľ čo spotrebúvajú intermediárne zásobné molekuly, takže tam je vysoká koncentrácia protónov. To spôsobuje gradient koncentrácie medzi intermembránovým priestorom a mitochondriálnou maticou. Pomocou tohto gradientu sa nakoniec vytvorí proteínová molekula, ktorá funguje podobným spôsobom ako vodný prúd. Proteín poháňaný týmto gradientom v protónoch syntetizuje molekulu ATP z ADP a fosfátovej skupiny.

Viac informácií nájdete tu: Čo je dýchací reťazec?

ATP

Adenosintrifosfátu (ATP) je energetický nosič ľudského tela. Všetka energia, ktorá vzniká pri bunkovom dýchaní, sa spočiatku ukladá vo forme ATP. Telo môže využívať energiu, iba ak je vo forme molekuly ATP.

Ak sa využije energia molekuly ATP, vytvorí sa z ATP adenozín difosfát (ADP), pričom sa odštiepi fosfátová skupina molekuly a uvoľní sa energia. Účelom bunkovej respirácie alebo výroby energie je nepretržitá regenerácia ATP z takzvaného ADP, aby ho telo mohlo znovu použiť.

Reakčná rovnica

Pretože mastné kyseliny majú rôzne dĺžky a že aminokyseliny majú tiež veľmi odlišné štruktúry, nie je možné pre tieto dve skupiny vytvoriť jednoduchú rovnicu, ktorá by presne charakterizovala ich energetický výťažok pri dýchaní buniek. Pretože každá štrukturálna zmena môže určiť, v ktorom kroku citrátového cyklu prúdi aminokyselina.
Rozklad mastných kyselín pri tzv. Beta oxidácii závisí od ich dĺžky. Čím dlhšie mastné kyseliny, tým viac energie z nich možno získať. To sa líši medzi nasýtenými a nenasýtenými mastnými kyselinami, pričom nenasýtené kyseliny poskytujú minimálne množstvo energie za predpokladu, že majú rovnaké množstvo.

Z vyššie uvedených dôvodov je najlepšie opísať rovnicu na rozdelenie glukózy. Z molekuly glukózy (C6H12O6) a 6 molekúl kyslíka (O2) sa vytvorí celkom 6 molekúl oxidu uhličitého (CO2) a 6 molekúl vody (H2O):

• C6H12O6 + 6O2 sa stane 6 CO2 + 6 H20

Čo je glykolýza?

Glykolýza popisuje rozklad glukózy, to znamená hroznového cukru. Táto metabolická cesta prebieha v ľudských bunkách, ako aj v iných, napr. v prípade kvasníc počas fermentácie. Miesto, kde bunky vykonávajú glykolýzu, je v cytoplazme. Tu sú enzýmy, ktoré urýchľujú glykolýzové reakcie, aby priamo syntetizovali ATP a poskytli substráty pre cyklus kyseliny citrónovej. Tento proces vytvára energiu vo forme dvoch molekúl ATP a dvoch molekúl NADH + H +. Spolu s cyklom kyseliny citrónovej a respiračným reťazcom, ktoré sa nachádzajú v mitochondrii, predstavuje glykolýza rozkladnú cestu jednoduchej glukózy glukózy k univerzálnemu nosiču energie ATP.Konečným produktom glykolýzy je pyruvát, ktorý sa potom môže zaviesť do cyklu kyseliny citrónovej prostredníctvom medziproduktu.

Celkovo sa na glykolýzu používajú 2 ATP na molekulu glukózy, aby sa mohli uskutočňovať reakcie. Získajú sa však 4 ATP, takže sa dosiahne čistý zisk 2 molekúl ATP.

Glykolýza je desať reakčných krokov, kým sa cukor so 6 atómami uhlíka nezmení na dve molekuly pyruvátu, z ktorých každý pozostáva z troch atómov uhlíka. V prvých štyroch reakčných krokoch sa cukor prevedie na fruktózu-1,6-bisfosfát pomocou dvoch fosfátov a prešmykom. Tento aktivovaný cukor je teraz rozdelený na dve molekuly s tromi atómami uhlíka. Ďalšie prešmyky a odstránenie dvoch fosfátových skupín nakoniec vedú k dvom pyruvátom. Ak je teraz k dispozícii kyslík (O2), pyruvát sa môže ďalej metabolizovať na acetyl-CoA a zaviesť do cyklu kyseliny citrónovej. Celkovo má glykolýza s 2 molekulami ATP a dvoma molekulami NADH + H + relatívne nízky energetický výťažok. Predstavuje však základ pre ďalšie odbúravanie cukru, a preto je nevyhnutná na výrobu ATP pri dýchaní buniek.

V tomto momente má zmysel separovať aeróbnu a anaeróbnu glykolýzu. Aeróbna glykolýza vedie k vyššie opísanému pyruvátu, ktorý sa potom môže použiť na výrobu energie.
Na druhej strane, anaeróbna glykolýza, ktorá sa uskutočňuje v podmienkach nedostatku kyslíka, sa pyruvát už nemôže používať, pretože cyklus kyseliny citrónovej vyžaduje kyslík. V súvislosti s glykolýzou sa tiež vytvára medziskladová molekula NADH, ktorá je sama osebe energeticky bohatá a za aeróbnych podmienok by tiež prúdila do Krebsovho cyklu. Avšak rodičovská molekula NAD + je nevyhnutná na udržanie glykolýzy. Preto tu telo „uhryzne“ „kyslé jablko“ a prevedie túto vysoko energetickú molekulu späť do svojej pôvodnej podoby. Pyruvát sa používa na uskutočnenie reakcie. Z pyruvátu sa vytvára takzvaný laktát alebo kyselina mliečna.

Prečítajte si viac o tom v časti

• laktát
• Anaeróbny prah

Čo je dýchací reťazec?

Dýchací reťazec je poslednou časťou cesty rozkladu glukózy. Po metabolizácii cukru v glykolýze a cykle kyseliny citrónovej má dýchací reťazec funkciu regenerácie redukčných ekvivalentov (NADH + H + a FADH2), ktoré sa tvoria. Takto sa vytvorí univerzálny nosič energie ATP (adenozíntrifosfát). Podobne ako cyklus kyseliny citrónovej sa dýchací reťazec nachádza v mitochondriách, ktoré sa preto označujú aj ako „elektrárne bunky“. Dýchací reťazec sa skladá z piatich enzýmových komplexov, ktoré sú zabudované do vnútornej mitochondriálnej membrány. Každý z prvých dvoch enzýmových komplexov regeneruje NADH + H + (alebo FADH2) na NAD + (alebo FAD). Počas oxidácie NADH + H + sú štyri protóny transportované z matricového priestoru do intermembránového priestoru. Do intermembránového priestoru sa tiež čerpajú dva protóny pre nasledujúce tri enzýmové komplexy. Takto sa vytvorí koncentračný gradient, ktorý sa používa na výrobu ATP. Za týmto účelom protóny prúdia z intermembránového priestoru cez ATP syntázu späť do matricového priestoru. Uvoľnená energia sa používa na konečnú výrobu ATP z ADP (adenozíndifosfát) a fosfátu. Ďalšou úlohou respiračného reťazca je zachytiť elektróny generované oxidáciou redukčných ekvivalentov. To sa dosahuje prenosom elektrónov na kyslík. Spojením elektrónov, protónov a kyslíka sa v štvrtom enzýmovom komplexe (cytochróm c oxidáza) vytvorí normálna voda. To tiež vysvetľuje, prečo sa dýchacie reťazce môžu vyskytovať iba vtedy, keď je dostatok kyslíka.

Aké úlohy majú mitochondrie pri dýchaní buniek?

Mitochondrie sú organely, ktoré sa nachádzajú iba v eukaryotických bunkách. Nazývajú sa tiež „elektráreň bunky“, pretože v nich dochádza k dýchaniu buniek. Konečným produktom bunkovej respirácie je ATP (adenozíntrifosfát). Je to univerzálny nosič energie, ktorý sa vyžaduje v celom ľudskom organizme. Priestory mitochondrií sú nevyhnutným predpokladom dýchania buniek. To znamená, že v mitochondrii sú samostatné reakčné priestory. To sa dosahuje vnútornou a vonkajšou membránou, takže existuje medzimembránový priestor a vnútorný matricový priestor.

V priebehu respiračného reťazca sú protóny (vodíkové ióny, H +) transportované do intermembránového priestoru, takže vzniká rozdiel v koncentrácii protónov. Tieto protóny pochádzajú z rôznych redukčných ekvivalentov, ako sú NADH + H + a FADH2, ktoré sa takto regenerujú na NAD + a FAD.

Syntéza ATP je posledným enzýmom v dýchacom reťazci, v ktorom sa ATP nakoniec vytvára. V dôsledku rozdielu v koncentrácii protóny tečú z intermembránového priestoru cez syntázu ATP do matrixového priestoru. Tento tok pozitívneho náboja uvoľňuje energiu, ktorá sa používa na produkciu ATP z ADP (adenozín difosfát) a fosfátu. Mitochondrie sú zvlášť vhodné pre dýchací reťazec, pretože majú vďaka dvojitej membráne dva reakčné priestory. Okrem toho sa v mitochondrii odohráva veľa metabolických ciest (glykolýza, cyklus kyseliny citrónovej), ktoré poskytujú východiskové materiály (NADH + H +, FADH2) pre dýchací reťazec. Táto priestorová blízkosť je ďalšou výhodou a robí z mitochondrií ideálne miesto pre dýchanie buniek.

Tu nájdete všetko o téme dýchacieho reťazca

Energetická bilancia

Energetickú rovnováhu dýchania buniek v prípade glukózy možno zhrnúť takto, pričom sa vytvorí 32 molekúl ATP na glukózu:

C6H12O6 + 6 O2 sa stane 6 CO2 + 6 H20 + 32 ATP

(Kvôli prehľadnosti bol ADP a fosfátový zvyšok Pi vynechaný z eduktov)

Za anaeróbnych podmienok, t. J. Nedostatku kyslíka, cyklus kyseliny citrónovej nemôže bežať a energia sa dá získať iba prostredníctvom aeróbnej glykolýzy:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP sa stáva 2 laktátom + 2 ATP. + 2 H20. Takže iba asi 6% podielu sa získa na molekulu glukózy, ako by to bolo v prípade aeróbnej glykolýzy.

Choroby súvisiace s bunkovým dýchaním

Bunkové dýchanie je nevyhnutné na prežitietj. že mnoho mutácií v génoch zodpovedných za proteíny bunkovej respirácie, napr. Enzýmy glykolýzy, kódujúce, letálne (smrteľný) sú. Vyskytujú sa však genetické choroby dýchania buniek. Tieto môžu pochádzať z jadrovej DNA alebo z mitochondriálnej DNA. Samotné mitochondrie obsahujú svoj vlastný genetický materiál, ktorý je potrebný na dýchanie buniek. Tieto choroby však vykazujú podobné príznaky, pretože všetky majú jednu spoločnú vec: zasahujú do bunkového dýchania a narušujú ho.

Choroby dýchacích ciest často vykazujú podobné klinické príznaky. Je to tu obzvlášť dôležité Poruchy tkanív, ktoré potrebujú veľa energie, Patria sem najmä nervové, svalové, srdcové, obličkové a pečeňové bunky. Symptómy, ako je svalová slabosť alebo príznaky poškodenia mozgu, sa často vyskytujú aj v mladom veku, ak nie v čase narodenia. Tiež hovorí vyslovene Laktátová acidóza (Nadmerné okyslenie tela laktátom, ktoré sa hromadí, pretože pyruvát sa nedá v cykle kyseliny citrónovej dostatočne rozložiť). Poruchy môžu mať aj vnútorné orgány.

Diagnózu a terapiu chorôb bunkového dýchania by mali vykonávať odborníci, pretože klinický obraz môže byť veľmi rôznorodý a rôzny. Od dnešného dňa je to stále žiadna kauzálna a liečebná terapia dáva. Ochorenia sa dajú liečiť iba symptomaticky.

Pretože mitochondriálna DNA sa prenáša z matky na deti veľmi komplikovaným spôsobom, ženy, ktoré trpia chorobou bunkového dýchania, by sa mali obrátiť na špecialistu, ak chcú mať deti, pretože iba oni môžu odhadnúť pravdepodobnosť dedičnosti.