Bunkové dýchanie u ľudí

definícia

Bunkové dýchanie, tiež nazývané aeróbne (zo starogréckeho „aer“ - vzduch), popisuje odbúravanie živín, ako je glukóza alebo mastné kyseliny, u ľudí pomocou kyslíka (O2) na generovanie energie, ktorá je nevyhnutná pre prežitie buniek. V tomto procese sú živiny oxidované, to znamená, že vydávajú elektróny, zatiaľ čo kyslík je redukovaný, čo znamená, že prijíma elektróny. Konečnými produktmi, ktoré vznikajú z kyslíka a živín, sú oxid uhličitý (CO2) a voda (H2O).

Funkcia a úlohy bunkového dýchania

Všetky procesy v ľudskom tele si vyžadujú energiu. Cvičenie, mozgové funkcie, tlkot srdca, tvorba slín alebo vlasov a dokonca aj trávenie - to všetko vyžaduje energiu, aby fungovali.

Telo navyše potrebuje na prežitie kyslík. Tu je obzvlášť dôležité bunkové dýchanie. Pomocou tohto a plynného kyslíka je možné, aby telo spaľovalo energeticky bohaté látky a získavalo z nich potrebnú energiu. Samotný kyslík nám neposkytuje žiadnu energiu, ale je potrebný na uskutočnenie chemických spaľovacích procesov v tele, a je preto nevyhnutný pre naše prežitie.

Telo pozná veľa rôznych druhov nosičov energie:

• Glukóza (cukor) je hlavným nosičom energie a základným stavebným kameňom, ako aj konečným produktom rozdeleným zo všetkých škrobových potravín
• Mastné kyseliny a glycerín sú konečnými produktmi štiepenia tukov a môžu sa tiež použiť pri výrobe energie
• Poslednou skupinou nosičov energie sú aminokyseliny, ktoré zostávajú ako produkt rozkladu bielkovín. Po určitej transformácii v tele sa potom môžu použiť aj pri dýchaní buniek, a tým aj na výrobu energie

Prečítajte si viac o tomto pod Cvičenie a spaľovanie tukov

Najbežnejším zdrojom energie používaným ľudským telom je glukóza. Existuje reťazec reakcií, ktoré nakoniec vedú k produktom CO2 a H2O so spotrebou kyslíka. Tento proces zahŕňa Glykolýza, takže Štiepenie glukózy a prevodu produktu, Pyruvát prostredníctvom medzikroku Acetyl-CoA v Cyklus kyseliny citrónovej (Synonymum: cyklus kyseliny citrónovej alebo Krebsov cyklus). Do tohto cyklu tiež prúdia produkty rozkladu ďalších živín, ako sú aminokyseliny alebo mastné kyseliny. Nazýva sa proces, pri ktorom sa mastné kyseliny „štiepia“, aby tiež mohli prúdiť do cyklu kyseliny citrónovej Beta oxidácia.

Cyklus kyseliny citrónovej je preto akýmsi vstupným bodom, kde je možné všetky zdroje energie privádzať do energetického metabolizmu. Cyklus sa koná v Mitochondrie namiesto toho „energetické elektrárne“ ľudských buniek.

Počas všetkých týchto procesov sa časť energie spotrebuje vo forme ATP, ale už sa získala, ako je to napríklad v prípade glykolýzy. Okrem toho existujú predovšetkým ďalšie medzisklady energie (napr. NADH, FADH2), ktoré svoju funkciu medziskladu energie plnia iba počas výroby energie. Tieto prechodné zásobné molekuly potom prúdia do posledného kroku bunkového dýchania, konkrétne do kroku oxidačnej fosforylácie, ktorý je tiež známy ako dýchací reťazec. Toto je krok, ku ktorému doteraz fungovali všetky procesy. Dýchací reťazec, ktorý tiež prebieha v mitochondriách, sa tiež skladá z niekoľkých krokov, v ktorých sa potom z energeticky bohatých intermediárnych zásobných molekúl získa univerzálny nosič energie ATP. Celkovo vedie rozpad jednej molekuly glukózy k celkovo 32 molekulám ATP.

Pre zvlášť zainteresovaných

Dýchací reťazec obsahuje rôzne proteínové komplexy, ktoré tu zohrávajú veľmi zaujímavú úlohu. Fungujú ako pumpy, ktoré pumpujú protóny (ióny H +) do dutiny mitochondriálnej dvojitej membrány, pričom spotrebúvajú medziskladové molekuly, takže je tam vysoká koncentrácia protónov. To spôsobí koncentračný gradient medzi medzimembránovým priestorom a mitochondriálnou matricou. Pomocou tohto gradientu nakoniec existuje molekula proteínu, ktorá funguje podobným spôsobom ako typ vodnej turbíny. Na základe tohto gradientu v protónoch proteín syntetizuje molekulu ATP z ADP a fosfátovej skupiny.

Viac informácií nájdete tu: Čo je to dýchací reťazec?

ATP

The Adenosintrifosfátu (ATP) je nosič energie v ľudskom tele. Všetka energia, ktorá vzniká bunkovým dýchaním, sa spočiatku ukladá vo forme ATP. Telo môže energiu využiť, iba ak je vo forme molekuly ATP.

Ak sa energia molekuly ATP spotrebuje, vytvorí sa z ATP adenozíndifosfát (ADP), čím sa fosfátová skupina molekuly odštiepi a energia sa uvoľní. Dýchanie buniek alebo generovanie energie slúži na neustálu regeneráciu ATP z takzvaného ADP, aby ho telo mohlo znova využívať.

Reakčná rovnica

Vzhľadom na to, že mastné kyseliny majú rôznu dĺžku a že aminokyseliny majú tiež veľmi odlišné štruktúry, nie je možné pre tieto dve skupiny vytvoriť jednoduchú rovnicu na presnú charakteristiku ich energetického výťažku v bunkovom dýchaní. Pretože každá štrukturálna zmena môže určiť, v ktorom kroku citrátového cyklu aminokyselina prúdi.
Štiepenie mastných kyselín pri takzvanej beta oxidácii závisí od ich dĺžky. Čím dlhšie sú mastné kyseliny, tým viac energie z nich možno získať. To sa líši medzi nasýtenými a nenasýtenými mastnými kyselinami, pričom nenasýtené mastné kyseliny poskytujú minimálne menej energie za predpokladu, že majú rovnaké množstvo.

Z dôvodov, ktoré už boli spomenuté, je možné najlepšie opísať rovnicu pre rozklad glukózy. Výsledkom molekuly glukózy (C6H12O6) a 6 molekúl kyslíka (O2) je celkovo 6 molekúl oxidu uhličitého (CO2) a 6 molekúl vody (H2O):

• C6H12O6 + 6 O2 sa stane 6 CO2 + 6 H2O

Čo je to glykolýza?

Glykolýza popisuje štiepenie glukózy, teda hroznového cukru. Táto metabolická cesta prebieha v ľudských bunkách aj v iných, napríklad v kvasinkách, počas fermentácie. Miesto, kde bunky vykonávajú glykolýzu, je v cytoplazme. Tu sú prítomné enzýmy, ktoré urýchľujú glykolýzne reakcie tak, aby syntetizovali priamo ATP, tak poskytovali substráty pre cyklus kyseliny citrónovej. Tento proces vytvára energiu vo forme dvoch molekúl ATP a dvoch molekúl NADH + H +. Glykolýza spolu s cyklom kyseliny citrónovej a dýchacím reťazcom, ktoré sa nachádzajú v mitochondriách, predstavujú cestu rozkladu jednoduchej glukózy cukru na univerzálny nosič energie ATP. Glykolýza prebieha v cytosóle všetkých živočíšnych a rastlinných buniek . Konečným produktom glykolýzy je pyruvát, ktorý sa potom môže zaviesť do cyklu kyseliny citrónovej prostredníctvom medzikroku.

Celkovo sa na molekulu glukózy používajú 2 ATP na glykolýzu, aby bolo možné uskutočniť reakcie. Získajú sa však 4 ATP, takže v skutočnosti existuje čistý zisk z 2 molekúl ATP.

Glykolýza 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 pomocou dvoch fosfátov a preskupenia prevedie na fruktóza-1,6-bisfosfát. Tento aktivovaný cukor je teraz rozdelený na dve molekuly, z ktorých každá má tri atómy uhlíka. Ďalšie prešmyky a odstránenie dvoch fosfátových skupín vedú nakoniec k dvom pyruvátom. Ak je teraz k dispozícii kyslík (O2), môže sa pyruvát ďalej metabolizovať na acetyl-CoA a zaviesť do cyklu kyseliny citrónovej. Celkovo má glykolýza s dvoma molekulami ATP a dvoma molekulami NADH + H + relatívne nízky energetický výnos. Položí však základ pre ďalší rozklad cukru, a je preto nevyhnutný pre produkciu ATP v bunkovom dýchaní.

V tomto okamihu má zmysel oddeliť aeróbnu a anaeróbnu glykolýzu. Aeróbna glykolýza vedie k vyššie opísanému pyruvátu, ktorý sa potom môže použiť na výrobu energie.
Na rozdiel od toho, anaeróbna glykolýza, ktorá prebieha za podmienok nedostatku kyslíka, sa pyruvát už nemôže používať, pretože cyklus kyseliny citrónovej vyžaduje kyslík. V súvislosti s glykolýzou sa tiež vytvára prechodná zásobná molekula NADH, ktorá je sama o sebe bohatá na energiu a za aeróbnych podmienok by tiež prúdila do Krebsovho cyklu. Avšak pôvodná molekula NAD + je nevyhnutná na udržanie glykolýzy. Preto tu telo „hryzie“ „kyslé jablko“ a premieňa túto vysokoenergetickú molekulu späť do pôvodnej formy. Na uskutočnenie reakcie sa použije pyruvát. Z pyruvátu sa vytvára takzvaný laktát alebo kyselina mliečna.

Prečítajte si viac o tomto pod

• Laktát
• Anaeróbny prah

Čo je to dýchací reťazec?

Dýchací reťazec je poslednou časťou dráhy rozkladu glukózy. Potom, čo sa cukor metabolizuje v glykolýze a cykle kyseliny citrónovej, má dýchací reťazec funkciu regenerácie redukčných ekvivalentov (NADH + H + a FADH2), ktoré sa vytvárajú. Tak vzniká univerzálny nosič energie ATP (adenozíntrifosfát). Rovnako ako cyklus kyseliny citrónovej, aj dýchací reťazec sa nachádza v mitochondriách, ktoré sa preto označujú aj ako „elektrárne bunky“. Dýchací reťazec pozostáva z piatich enzýmových komplexov, ktoré sú zaliate vo vnútornej mitochondriálnej membráne. Každý z prvých dvoch enzýmových komplexov regeneruje NADH + H + (alebo FADH2) na NAD + (alebo FAD). Počas oxidácie NADH + H + sú štyri protóny transportované z priestoru matice do medzimembránového priestoru. Dva protóny sa tiež pumpujú do medzimembránového priestoru v každom z nasledujúcich troch komplexov enzýmov. Takto sa vytvorí koncentračný gradient, ktorý sa používa na produkciu ATP. Za týmto účelom protóny prúdia z medzimembránového priestoru cez ATP syntázu späť do matricového priestoru. Uvoľnená energia sa použije na konečnú produkciu ATP z ADP (adenozíndifosfát) a fosfátu. Ďalšou úlohou dýchacieho reťazca je zachytenie elektrónov generovaných oxidáciou redukčných ekvivalentov. To sa deje prenosom elektrónov do kyslíka. Spojením elektrónov, protónov a kyslíka sa vo štvrtom enzýmovom komplexe (cytochróm c oxidáza) vytvorí normálna voda. To tiež vysvetľuje, prečo môže dýchací reťazec prebiehať iba pri dostatku kyslíka.

Aké sú úlohy mitochondrií v dýchaní buniek?

Mitochondrie sú organely, ktoré sa nachádzajú iba v eukaryotických bunkách. Tiež sa označujú ako „elektrárne bunky“, pretože práve v nich prebieha bunkové dýchanie. Konečným produktom bunkového dýchania je ATP (adenozíntrifosfát). Jedná sa o univerzálny nosič energie, ktorý je potrebný v celom ľudskom organizme. Rozdelenie mitochondrií je nevyhnutným predpokladom bunkového dýchania. To znamená, že v mitochondrii sú samostatné reakčné priestory. To sa dosiahne vnútornou a vonkajšou membránou, takže existuje medzimembránový priestor a vnútorný priestor matice.

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

ATP syntáza je posledný enzým v dýchacom reťazci, kde sa nakoniec produkuje ATP. Poháňaný rozdielom v koncentrácii protóny prúdia z medzimembránového priestoru cez ATP syntázu do matricového priestoru. Tento tok kladného náboja uvoľňuje energiu, ktorá sa používa na výrobu ATP z ADP (adenozíndifosfát) a fosfátu. Mitochondrie sú obzvlášť vhodné pre dýchací reťazec, pretože vďaka dvojitej membráne majú dva reakčné priestory. Okrem toho v mitochondrii prebieha mnoho metabolických dráh (glykolýza, cyklus kyseliny citrónovej), ktoré poskytujú východiskové látky (NADH + H +, FADH2) pre dýchací reťazec. Táto priestorová blízkosť je ďalšou výhodou a robí z mitochondrií ideálne miesto pre bunkové dýchanie.

Tu sa dozviete všetko o téme dýchacieho reťazca

Energetická bilancia

Energetickú bilanciu dýchania buniek v prípade glukózy možno zhrnúť nasledovne s tvorbou 32 molekúl ATP na glukózu:

C6H12O6 + 6 O2 sa stáva 6 CO2 + 6 H2O + 32 ATP

(Kvôli prehľadnosti boli z eduktov vynechané ADP a fosfátový zvyšok Pi)

Za anaeróbnych podmienok, t. J. Nedostatku kyslíka, nemôže cyklus kyseliny citrónovej bežať a energiu je možné získať iba pomocou aeróbnej glykolýzy:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP sa stávajú 2 laktátmi + 2 ATP. + 2 H2O. Na molekulu glukózy sa teda získa iba asi 6% podielu, ako by to bolo v prípade aeróbnej glykolýzy.

Choroby spojené s bunkovým dýchaním

The Bunkové dýchanie je nevyhnutné pre prežitieto znamená, že veľa mutácií v génoch, ktoré kódujú proteíny bunkového dýchania, napríklad enzýmy glykolýzy, je smrteľných (fatálne) sú. Genetické choroby bunkového dýchania sa však vyskytujú. Môžu pochádzať z jadrovej DNA, ako aj z mitochondriálnej DNA. Samotné mitochondrie obsahujú vlastný genetický materiál, ktorý je nevyhnutný pre bunkové dýchanie. Tieto choroby však vykazujú podobné príznaky, pretože všetky majú jednu spoločnú vlastnosť: zasahujú do bunkového dýchania a narúšajú ho.

Bunkové 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. Príznaky ako svalová slabosť alebo príznaky poškodenia mozgu sa často vyskytujú už v mladom veku, ak nie v čase narodenia. Tiež hovorí vyslovene Laktátová acidóza (Prekyslenie organizmu laktátom, ktorý sa hromadí, pretože pyruvát sa nemôže dostatočne rozkladať v cykle kyseliny citrónovej). Porušiť môžu aj vnútorné orgány.

Diagnostiku a terapiu chorôb bunkového dýchania by mali prevziať odborníci, pretože klinický obraz sa môže ukázať veľmi rôznorodý a odlišný. K dnešnému dňu je stále žiadna kauzálna a liečebná terapia dáva. Choroby sa dajú liečiť iba symptomaticky.

Pretože mitochondriálna DNA sa prenáša z matky na deti veľmi komplikovaným spôsobom, mali by ženy, ktoré trpia ochorením bunkového dýchania, kontaktovať dieťa s odborníkom, ak chcú mať deti, pretože len oni môžu odhadnúť pravdepodobnosť dedičstva.