Inimeste rakuhingamine

määratlus

Rakkude hingamine, mida nimetatakse ka aeroobseks (vanakreeka keelest "aer" - õhk), kirjeldab toitainete, näiteks glükoosi või rasvhapete lagunemist inimestel, kasutades rakkude ellujäämiseks vajaliku energia saamiseks hapnikku (O2). Toitained oksüdeeritakse, s.t. nad eraldavad elektrone, kuna hapnik väheneb, mis tähendab, et see võtab vastu elektrone. Hapnikust ja toitainetest tekkivad lõppsaadused on süsinikdioksiid (CO2) ja vesi (H2O).

Rakulise hingamise funktsioon ja ülesanded

Kõik inimkehas toimuvad protsessid vajavad energiat. Treening, ajutegevus, südame peksmine, sülje või juuste tegemine ja isegi seedimine vajavad funktsioneerimiseks energiat.

Lisaks vajab keha ellujäämiseks hapnikku. Eriti oluline on siin rakuhingamine. Selle ja gaasilise hapniku abil on kehal võimalik põletada energiarikkaid aineid ja saada neilt vajalikku energiat. Hapnik ise ei anna meile mingit energiat, kuid see on vajalik kehas toimuvate keemiliste põlemisprotsesside läbiviimiseks ja on seetõttu meie ellujäämiseks hädavajalik.

Keha tunneb palju erinevaid energiakandjaid:

• Glükoos (suhkur) on peamine energiaallikas ja põhiosa, samuti lõpptooted, mis jagunevad kõigist tärkliserikastest toitudest
• Rasvhapped ja glütseriin on rasvade lagunemise lõppsaadused ja neid saab kasutada ka energia tootmisel
• Viimane energiaallikate rühm on aminohapped, mis jäävad valkude lagunemise tulemusel üle. Pärast teatud muutust kehas saab neid kasutada ka rakkude hingamisel ja seega energia genereerimisel

Loe selle kohta lähemalt alt Treening ja rasvapõletus

Inimese keha kõige tavalisem energiaallikas on glükoos. Toimub reaktsioonide ahel, mis lõppkokkuvõttes põhjustab hapniku tarbimisega saadusi CO2 ja H2O. See protsess hõlmab Glükolüüs, seega Glükoosi tükeldamine ja toote üleandmine, Püruvaat vaheetapi kaudu Atsetüül-CoA sisse Sidrunhappe tsükkel (Sünonüüm: sidrunhappe tsükkel või Krebsi tsükkel). Selles tsüklis voolavad ka teiste toitainete, näiteks aminohapete või rasvhapete, lagunemissaadused. Protsess, mille käigus rasvhapped "jaotatakse" nii, et need saaksid voolata ka sidrunhappe tsüklisse, nimetatakse Beeta oksüdatsioon.

Sidrunhappe tsükkel on seega omamoodi sisendpunkt, kus kõiki energiakandjaid saab suunata energia metabolismi. Tsükkel toimub Mitokondrid selle asemel inimrakkude “energiajõujaamad”.

Kõigi nende protsesside käigus kulub osa energiat ATP kujul, kuid seda juba saadakse, nagu näiteks glükolüüsi korral. Lisaks on valdavalt muid vahepealseid energiavarusid (nt NADH, FADH2), mis täidavad oma funktsiooni energia tootmisel vahepealsete energiavarudena ainult. Need vahepealsed säilitusmolekulid voolavad seejärel rakkude hingamise viimasesse etappi, nimelt oksüdatiivse fosforüülimise etappi, mida nimetatakse ka hingamisahelaks. See on samm, milleni kõik protsessid on seni toiminud. Hingamisahel, mis toimub ka mitokondrites, koosneb samuti mitmest etapist, milles energiarikkaid vahepealseid säilitusmolekule kasutatakse seejärel universaalse energiakandja ATP eraldamiseks. Kokku annab ühe glükoosimolekuli lagunemine kokku 32 ATP molekuli.

Eriti huvilistele

Hingamisahel sisaldab erinevaid valgukomplekse, millel on siin väga huvitav roll. Need toimivad pumpadena, mis pumbavad prootoneid (H + ioone) mitokondriaalse topeltmembraani õõnsusse, kulutades samal ajal vahepealseid säilitusmolekule, nii et seal on suur prootonite kontsentratsioon. See põhjustab kontsentratsioonigradiendi membraanidevahelise ruumi ja mitokondriaalse maatriksi vahel. Selle gradiendi abil on lõpuks valgu molekul, mis töötab sarnaselt teatud tüüpi vesiturbiiniga. Selle prootonites sisalduva gradiendi poolt sünteesib valk ATP molekuli ADP-st ja fosfaatrühmast.

Lisateavet leiate siit: Mis on hingamisahel?

ATP

Adenosiintrifosfaat (ATP) on inimkeha energiakandja. Kogu energia, mis tekib rakuhingamisel, salvestatakse algselt ATP kujul. Keha saab energiat kasutada ainult siis, kui see on ATP molekuli kujul.

Kui ATP-molekuli energia kulub ära, luuakse ATP-st adenosiindifosfaat (ADP), mille käigus molekuli fosfaatrühm jaguneb ja energia vabaneb. Rakulise hingamise või energia genereerimise eesmärk on ATP pidev regenereerimine niinimetatud ADP-st, et keha saaks seda uuesti kasutada.

Reaktsioonivõrrand

Kuna rasvhapped on erineva pikkusega ja ka aminohapetel on väga erinev struktuur, pole nende kahe rühma jaoks lihtne moodustada võrrandit, et nende energiasaagi raku hingamisel täpselt iseloomustada. Kuna iga struktuurimuutus võib määrata, millises tsitraaditsükli etapis aminohape voolab.
Rasvhapete jaotus niinimetatud beetaoksüdatsioonis sõltub nende pikkusest. Mida pikemad rasvhapped, seda rohkem energiat saab neist. See varieerub küllastunud ja küllastumata rasvhapete vahel, küllastumata rasvhapped pakuvad minimaalselt vähem energiat, kui neil on sama kogus.

Juba nimetatud põhjustel saab glükoosi lagunemiseks kõige paremini kirjeldada võrrandit. See loob glükoosimolekulist (C6H12O6) ja 6 hapniku molekulist (O2) kokku 6 süsinikdioksiidi molekuli (CO2) ja 6 veemolekulit (H2O):

• C6H12O6 + 6 O2 muutub 6 CO2 + 6 H2O-ks

Mis on glükolüüs?

Glükolüüs kirjeldab glükoosi, st viinamarjasuhkru lagunemist. See metaboolne rada toimub nii inimese rakkudes kui ka teistes, nt. pärmi puhul kääritamise ajal. Koht, kus rakud teostavad glükolüüsi, on tsütoplasmas. Siin on ensüüme, mis kiirendavad glükolüüsireaktsioone, et nii sünteesida ATP otse kui ka tagada sidrunhappe tsükli substraadid. See protsess loob energia kahe ATP molekuli ja kahe NADH + H + molekuli kujul. Glükolüüs koos sidrunhappe tsükli ja hingamisahelaga, mis mõlemad asuvad mitokondrioonis, tähistavad lihtsa suhkru glükoosi lagunemist universaalseks energiakandjaks ATP.Glükolüüs toimub kõigi looma- ja taimerakkude tsütosoolis.Glükolüüsi lõppsaadus on püruvaat, mida saab vaheetapi kaudu viia sidrunhappe tsüklisse.

Kokku kasutatakse glükolüüsil glükoosi molekulis 2 ATP-d, et oleks võimalik reaktsioone läbi viia. Siiski saadakse 4 ATP, nii et tegelikult on 2 ATP molekuli puhaskasum.

Glükolüüsi kümme reaktsioonietappi, kuni 6 süsinikuaatomiga suhkur muutub kaheks püruvaadi molekuliks, millest igaüks koosneb kolmest süsinikuaatomist. Esimese nelja reaktsioonietapi käigus muundatakse suhkur kahe fosfaadi ja ümberkorraldamise abil fruktoos-1,6-bisfosfaadiks. See aktiveeritud suhkur jaguneb nüüd kaheks molekuliks, milles mõlemas on kolm süsinikuaatomit. Edasised ümberkorraldused ja kahe fosfaatrühma eemaldamine annavad lõpuks kaks püruvaati. Kui hapnik (O2) on nüüd saadaval, saab püruvaadi veel metaboliseerida atsetüül-CoA-ks ja viia sidrunhappe tsüklisse. Üldiselt on glükolüüsil 2 molekuli ATP ja kahe molekuliga NADH + H + suhteliselt madal energiasaagis. Kuid see loob aluse suhkru edasiseks lagunemiseks ja on seetõttu hädavajalik ATP tootmiseks rakkude hingamisel.

Sel hetkel on mõistlik eraldada aeroobne ja anaeroobne glükolüüs. Aeroobne glükolüüs viib ülalkirjeldatud püruvaadini, mida saab seejärel kasutada energia saamiseks.
Seevastu anaeroobset glükolüüsi, mis toimub hapnikuvaeguse tingimustes, ei saa püruvaati enam kasutada, kuna sidrunhappe tsükkel nõuab hapnikku. Glükolüüsi kontekstis luuakse ka vahepealne säilitusmolekul NADH, mis on iseenesest energiarikas ja voolab ka aeroobsetes tingimustes Krebsi tsüklisse. Algmolekul NAD + on siiski vajalik glükolüüsi säilitamiseks. Seetõttu hammustab keha siin hapu õuna ja muundab selle suure energiatarbega molekuli tagasi algsesse vormi. Reaktsiooni läbiviimiseks kasutatakse püruvaati. Püruvaadist moodustub niinimetatud laktaat või piimhape.

Loe selle kohta lähemalt alt

• Laktaat
• Anaeroobne lävi

Mis on hingamisahel?

Hingamisahel on glükoosi lagunemistee viimane osa. Pärast suhkru metabolismi glükolüüsi ja sidrunhappe tsüklis on hingamisahela ülesanne redutseerida loodud redutseerimise ekvivalendid (NADH + H + ja FADH2). See loob universaalse energiakandja ATP (adenosiintrifosfaat). Nagu sidrunhappe tsükkel, asub hingamisahel mitokondrites, mida seetõttu nimetatakse ka “raku elektrijaamadeks”. Hingamisahel koosneb viiest ensüümikompleksist, mis on põimitud sisemisse mitokondriaalsesse membraani. Kaks esimest ensüümikompleksi regenereerivad mõlemad NADH + H + (või FADH2) NAD + (või FAD). NADH + H + oksüdeerimise ajal transporditakse maatriksi ruumist neli prootonit membraanidevahelisse ruumi. Kaks prootonit pumbatakse ka järgmise kolme ensüümikompleksi membraanidevahelisse ruumi. See loob kontsentratsioonigradiendi, mida kasutatakse ATP saamiseks. Selleks voolab prootonid membraanidevahelisest ruumist läbi ATP süntaasi maatriksiruumi. Vabanenud energiat kasutatakse ATP (adenosiindifosfaat) ja fosfaadi lõpuks tootmiseks. Hingamisahela teine ​​ülesanne on redutseerimise ekvivalentide oksüdeerumisel tekkinud elektronide katkestamine. Selleks viiakse elektronid üle hapnikule. Elektrone, prootoneid ja hapnikku kokku viies luuakse neljandas ensüümikompleksis (tsütokroom c oksüdaas) normaalne vesi. See selgitab ka seda, miks hingamisahel saab toimuda ainult siis, kui hapnikku on piisavalt.

Millised ülesanded on mitokondritel rakkude hingamisel?

Mitokondrid on organellid, mida leidub ainult eukarüootsetes rakkudes. Neid nimetatakse ka “raku elektrijaamadeks”, kuna just neis toimub raku hingamine. Rakulise hingamise lõppsaadus on ATP (adenosiintrifosfaat). See on universaalne energiakandja, mida vajatakse kogu inimorganismis. Mitokondrite sektsioonid on rakkude hingamise eeltingimus. See tähendab, et mitokondris on eraldi reaktsiooniruumid. See saavutatakse sisemise ja välimise membraaniga, nii et seal on membraanidevaheline ja sisemine maatriksruum.

Hingamisahela käigus transporditakse prootonid (vesinikioonid, H +) membraanidevahelisse ruumi, nii et tekivad erinevused prootonite kontsentratsioonides. Need prootonid pärinevad erinevatest redutseerimise ekvivalentidest nagu NADH + H + ja FADH2, mis regenereeritakse seeläbi NAD + ja FAD.

ATP süntaas on viimane ensüüm hingamisahelas, kus ATP lõpuks toodetakse. Kontsentratsiooni erinevustest tingituna voolavad prootonid membraanidevahelisest ruumist läbi ATP süntaasi maatriksiruumi. See positiivse laengu voog vabastab energia, mida kasutatakse ATP tootmiseks ADP-st (adenosiindifosfaat) ja fosfaadist. Mitokondrid sobivad eriti hästi hingamisahela jaoks, kuna neil on kaks membraani tänu kahele reageerimisruumile. Lisaks toimuvad mitokondrioonis paljud metaboolsed rajad (glükolüüs, sidrunhappe tsükkel), mis pakuvad hingamisahela lähteaineid (NADH + H +, FADH2). See ruumiline lähedus on veel üks eelis ja muudab mitokondrid ideaalseks kohaks rakkude hingamiseks.

Siit saate teada kõike hingamisahela teema kohta

Energiabilanss

Rakkude hingamise energiabilanss glükoosi korral võib kokku võtta järgmiselt, moodustades 32 ATP molekuli glükoosi kohta:

C6H12O6 + 6 O2 muutub 6 CO2 + 6 H2O + 32 ATP-ks

(Selguse huvides on ADP ja fosfaadijääk Pi välja jäetud)

Anaeroobsetes tingimustes, st hapnikuvaeguse korral, ei saa sidrunhappe tsükkel kulgeda ja energiat saab ainult aeroobse glükolüüsi abil:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP muutub 2 laktaadiks + 2 ATP-ks. + 2 H2O. Nii saadakse glükoosimolekuli kohta ainult umbes 6% proportsioonist, nagu aeroobse glükolüüsi korral.

Rakkude hingamisega seotud haigused

Rakuline hingamine on ellujäämiseks hädavajaliks.t. et raku hingamise valkude eest vastutavates geenides on palju mutatsioone, nt. Glükolüüsi, kodeerimise, surmava ensüümidTappev) on. Rakkude hingamise geneetilisi haigusi siiski esineb. Need võivad pärineda tuuma-DNA-st või mitokondriaalsest DNA-st. Mitokondrid ise sisaldavad oma geneetilist materjali, mis on vajalik rakkude hingamiseks. Nendel haigustel on siiski sarnased sümptomid, kuna neil kõigil on üks ühine joon: nad sekkuvad rakkude hingamisse ja häirivad seda.

Rakulised hingamisteede haigused näitavad sageli sarnaseid kliinilisi sümptomeid. See on siin eriti oluline Kudede häired, mis vajavad palju energiat. Nende hulka kuuluvad eriti närvi-, lihas-, südame-, neeru- ja maksarakud. Sellised sümptomid nagu lihasnõrkus või ajukahjustuse tunnused ilmnevad sageli isegi noores eas, kui mitte sündimise ajal. Räägib ka hääldatud Laktatsidoos (Keha ülehapestamine laktaadiga, mis koguneb, kuna püruvaati ei saa sidrunhappe tsüklis piisavalt lagundada). Samuti võivad talitlushäired olla siseorganitel.

Rakulise hingamise haiguste diagnoosimist ja ravi peaksid läbi viima spetsialistid, kuna kliiniline pilt võib olla väga mitmekesine ja erinev. Tänase seisuga on see endiselt puudub põhjuslik ja raviv teraapia annab. Haigusi saab ravida ainult sümptomaatiliselt.

Kuna mitokondriaalset DNA-d edastatakse emalt lastele väga keerulisel viisil, peaksid rakulise hingamise haiguse käes kannatavad naised laste saamise korral pöörduma spetsialisti poole, sest ainult nemad oskavad päranduse tõenäosust hinnata.