Sejtlégzés emberben

meghatározás

A sejtlégzés, más néven aerob (az ókori görög "aer" - levegőből), leírja a tápanyagok, például glükóz vagy zsírsavak lebontását az emberekben oxigén (O2) felhasználásával az energia előállításához, ami a sejtek túléléséhez szükséges. Ennek során a tápanyagok oxidálódnak, vagyis elektronokat adnak ki, míg az oxigén redukálódik, ami azt jelenti, hogy elfogadja az elektronokat. Az oxigénből és a tápanyagokból származó végtermékek a szén-dioxid (CO2) és a víz (H2O).

A sejtlégzés funkciója és feladatai

Az emberi test minden folyamata energiát igényel. A testmozgás, az agyműködés, a szívverés, a nyál vagy a haj készítése, sőt az emésztés is energiát igényel a működéséhez.

Ezenkívül a testnek oxigénre van szüksége a túléléshez. A sejtes légzés itt különösen fontos. Ennek és a gáz oxigénjének segítségével a szervezet energiadús anyagokat égethet el és nyerheti belőlük a szükséges energiát. Az oxigén önmagában nem biztosít energiát, de a kémiai égési folyamatok elvégzéséhez szükséges a testben, ezért túlélésünk szempontjából elengedhetetlen.

A test sokféle energiahordozót ismer:

• A glükóz (cukor) a fő energiahordozó és alapvető építőelem, valamint a végtermék minden keményítőtartalmú ételtől elkülönítve
• A zsírsavak és a glicerin a zsírok lebontásának végtermékei, és felhasználhatók energiatermelésben is
• Az energiahordozók utolsó csoportja az aminosavak, amelyek a fehérje lebontásának eredményeként maradnak meg. A test bizonyos átalakulása után ezeket a sejtek légzésében és így energiatermelésben is fel lehet használni

További információ erről: Testmozgás és zsírégetés

Az emberi test által leggyakrabban használt energiaforrás a glükóz. Van egy reakció lánc, amely végül oxigénfogyasztással a CO2 és a H2O termékhez vezet. Ez a folyamat magában foglalja a Glikolízis, így a A glükóz felosztása és a termék átadása, a Piruvát a közbenső lépésen keresztül Acetil-CoA ban,-ben Citromsav ciklus (Szinonima: citromsavciklus vagy Krebs-ciklus). Más tápanyagok, például aminosavak vagy zsírsavak bomlástermékei is beáramlanak ebbe a ciklusba. A folyamatot, amelyben a zsírsavakat "lebontják", hogy azok a citromsav-körforgásba is áramolhassanak, hívják Béta oxidáció.

A citromsavkör tehát egyfajta bemeneti pont, ahol minden energiaforrás betáplálható az energia-anyagcserébe. A ciklus a Mitokondria ehelyett az emberi sejtek "energiaerőművei".

Mindezen folyamatok során némi energiát ATP formájában fogyasztanak, de ezt már megszerezték, mint például a glikolízis során. Ezen túlmenően vannak túlnyomórészt egyéb köztes energiatárolók (pl. NADH, FADH2), amelyek csak energiatermelés során töltenek be köztes energiatárolóként betöltött funkciójukat. Ezek a köztes tároló molekulák ezután a sejtlégzés utolsó lépcsőjébe áramlanak, nevezetesen az oxidatív foszforilezés lépésébe, amelyet légzési láncnak is neveznek. Ez az a lépés, amely felé eddig minden folyamat működött. A légzési lánc, amely szintén a mitokondriumokban játszódik le, szintén több lépésből áll, amelyek során az energiadús köztes tároló molekulákból az univerzális energiahordozó ATP-t nyerik. Összességében egy glükózmolekula lebontása összesen 32 ATP-molekulát eredményez.

Különösen érdeklődők számára

A légzési lánc különféle fehérjekomplexeket tartalmaz, amelyek itt nagyon érdekes szerepet játszanak. Szivattyúként működnek, amelyek protonokat (H + ionokat) pumpálnak a mitokondriális kettős membrán üregébe, miközben elfogyasztják a köztes tároló molekulákat, így ott nagy a protonkoncentráció. Ez koncentrációs gradienst okoz az intermembrán tér és a mitokondriális mátrix között. Ennek a gradiensnek a segítségével végül létezik egy fehérjemolekula, amely hasonló módon működik, mint egy vízturbina típusa. Ez a gradiens protonokban vezérli a fehérjét egy ATP-molekulát szintetizál egy ADP-ből és egy foszfátcsoportból.

További információt itt talál: Mi a légzési lánc?

ATP

A Adenozin-trifoszfát (ATP) az emberi test energiahordozója. A sejtlégzésből származó összes energiát kezdetben ATP formájában tárolják. A test csak akkor tudja felhasználni az energiát, ha az ATP-molekula formájában van.

Ha az ATP molekula energiáját felhasználják, akkor az ATP-ből adenozin-difoszfát (ADP) jön létre, amelynek során a molekula foszfátcsoportja szétválik és energia szabadul fel. A sejtlégzés vagy az energiatermelés azt a célt szolgálja, hogy az ATP-t az úgynevezett ADP-ből folyamatosan regenerálja, hogy a test újra felhasználhassa.

Reakcióegyenlet

Annak a ténynek köszönhetően, hogy a zsírsavak különböző hosszúságúak és az aminosavak szerkezete is nagyon eltérő, nem lehet egyszerű egyenletet felállítani e két csoport számára, hogy pontosan jellemezhessék energiahozamukat a sejtlégzésben. Mivel minden szerkezeti változás meghatározhatja, hogy a citrát ciklus melyik lépésében folyik az aminosav.
A zsírsavak bomlása az úgynevezett béta-oxidációban azok hosszától függ. Minél hosszabb a zsírsav, annál több energia nyerhető belőlük. Ez telített és telítetlen zsírsavak között változik, a telítetlen zsírsavak minimálisan kevesebb energiát szolgáltatnak, feltéve, hogy azonos mennyiségűek.

A már említett okokból a glükóz lebontására egy egyenlet írható le a legjobban. Egy glükózmolekula (C6H12O6) és 6 oxigénmolekula (O2) összesen 6 szén-dioxid-molekulát (CO2) és 6 vízmolekulát (H2O) eredményez:

• A C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H20 lesz

Mi a glikolízis?

A glikolízis a glükóz, azaz a szőlőcukor lebontását írja le. Ez a metabolikus útvonal az emberi sejtekben, valamint másokban, például élesztőben megy végbe erjedés közben. A sejtek glikolízist végeznek a citoplazmában. Itt olyan enzimek vannak jelen, amelyek felgyorsítják a glikolízis reakcióit az ATP közvetlen szintetizálása és a citromsav-ciklus szubsztrátjainak biztosítása érdekében. Ez a folyamat energiát hoz létre két ATP-molekula és két NADH + H + molekula formájában. A glikolízis, a citromsavciklussal és a légzési lánccal együtt, amelyek mind a mitokondriumban helyezkednek el, képviselik az egyszerű cukorglükóz lebontási útját az univerzális energiahordozó ATP-hez. A glikolízis az összes állati és növényi sejt citoszoljában zajlik. . A glikolízis végterméke a piruvát, amelyet ezután egy köztes lépésen keresztül be lehet vezetni a citromsav-körforgásba.

Összesen 2 ATP-t használnak glükózmolekulánként a glikolízisben annak érdekében, hogy képesek legyenek végrehajtani a reakciókat. Ugyanakkor 4 ATP-t kapunk, így gyakorlatilag 2 ATP-molekula nettó nyeresége van.

Tíz reakciólépés glikolízis, amíg a 6 szénatomot tartalmazó cukor két piruvátmolekulává alakul, amelyek mindegyike három szénatomból áll. Az első négy reakciólépésben a cukrot két foszfát és átrendezés segítségével fruktóz-1,6-biszfoszfáttá alakítják. Ez az aktivált cukor most két molekulára oszlik, három-három szénatommal. További átrendeződések és a két foszfátcsoport eltávolítása végül két piruvátot eredményez. Ha oxigén (O2) már elérhető, a piruvát tovább metabolizálható acetil-CoA-vá és bevezethető a citromsav-ciklusba. Összességében a glikolízis két ATP és két NADH + H + molekulával viszonylag alacsony energiahozammal rendelkezik. Ez azonban megalapozza a cukor további lebontását, ezért elengedhetetlen az ATP termeléséhez a sejtlégzésben.

Ezen a ponton van értelme elkülöníteni az aerob és az anaerob glikolízist. Az aerob glikolízis a fent leírt piruváthoz vezet, amelyet aztán energiához lehet használni.
Ezzel szemben az anaerob glikolízis, amely oxigénhiányos körülmények között zajlik, a piruvát már nem használható, mert a citromsav-ciklus oxigént igényel. A glikolízissel összefüggésben létrejön a NADH köztes tároló molekula is, amely maga is gazdag energiában, és aerob körülmények között a Krebs-ciklusba is beáramlik. A glikolízis fenntartásához azonban az NAD + szülőmolekula szükséges. Ezért a test itt „megharapja” a „savanyú almát”, és ezt a nagy energiájú molekulát alakítja vissza eredeti formájába. A reakció kivitelezéséhez a piruvátot használják. A piruvátból úgynevezett laktát vagy tejsav képződik.

További információ erről:

• Laktát
• Anaerob küszöb

Mi a légzési lánc?

A légzési lánc a glükóz lebontási útjának utolsó része. Miután a cukor metabolizálódott a glikolízis és a citromsav-ciklus során, a légzési lánc feladata a létrehozott redukciós ekvivalensek (NADH + H + és FADH2) regenerálása. Ezzel létrejön az univerzális energiahordozó ATP (adenozin-trifoszfát). A citromsav-ciklushoz hasonlóan a légzési lánc is a mitokondriumokban helyezkedik el, amelyeket ezért „a sejt erőműveinek” is neveznek. A légzési lánc öt enzimkomplexből áll, amelyek a belső mitokondriális membránba ágyazódnak. Az első két enzim komplex mindegyike NADH + H + -t (vagy FADH2-t) regenerál NAD + -vá (vagy FAD-vá). A NADH + H + oxidációja során négy protont szállítanak a mátrix térből az intermembrán térbe. Két protont is pumpálnak az intermembrán térbe a következő három enzim komplex mindegyikében. Ez létrehoz egy koncentrációs gradienst, amelyet az ATP előállításához használnak. Erre a célra a protonok az intermembrán térből egy ATP szintázon keresztül áramlanak vissza a mátrix térbe. A felszabaduló energiát arra használják fel, hogy végül ADP-t (adenozin-difoszfát) és foszfátból állítson elő. A légzési lánc másik feladata a redukciós ekvivalensek oxidációjával keletkező elektronok elfogása. Ez úgy történik, hogy az elektronokat oxigénbe viszik át. Az elektronok, protonok és oxigén összefogásával normál víz jön létre a negyedik enzim komplexben (citokróm c-oxidáz). Ez megmagyarázza azt is, hogy a légzési lánc miért csak akkor fordulhat elő, ha elég oxigén van.

Mik a mitokondriumok feladatai a sejtlégzésben?

A mitokondrium olyan organellum, amely csak az eukarióta sejtekben található meg. „A sejt erőműveinek” is nevezik őket, mivel bennük zajlik le a sejtlégzés. A sejtlégzés végterméke az ATP (adenozin-trifoszfát). Ez egy univerzális energiahordozó, amelyre az egész emberi szervezetben szükség van. A sejtlégzés előfeltétele a mitokondrium részekre osztása. Ez azt jelenti, hogy a mitokondriumban különálló reakcióterek vannak. Ez egy belső és külső membránnal érhető el, úgy, hogy van egy membránközi és egy belső mátrix tér.

A légzési lánc során a protonok (hidrogénionok, H +) az intermembrán térbe kerülnek, így a protonkoncentrációban különbség keletkezik. Ezek a protonok különböző redukciós ekvivalensekből származnak, például NADH + H + és FADH2, amelyek ezáltal NAD + és FAD-vé regenerálódnak.

Az ATP-szintáz az utolsó enzim a légzési láncban, ahol végül ATP termelődik. A koncentráció különbsége vezérli a protonokat az intermembrán térből az ATP szintázon keresztül a mátrix térbe. Ez a pozitív töltés áramot szabadít fel, amelyet az ADP (adenozin-difoszfát) és a foszfát ATP előállításához használnak fel. A mitokondrium különösen alkalmas a légzési láncra, mivel a kettős membrán miatt két reakciótérrel rendelkeznek. Ezenkívül számos metabolikus út (glikolízis, citromsavciklus), amelyek a kiindulási anyagokat (NADH + H +, FADH2) biztosítják a légzési lánc számára, a mitokondriumban játszódnak le. Ez a térbeli közelség egy másik előny, és a mitokondriumokat az ideális hely a sejtlégzéshez.

Itt mindent megtudhat a légzési lánc témájáról

Energiamérleg

A sejtlégzés energiamérlege glükóz esetében a következőképpen foglalható össze, 32 ATP-molekula képződésével glükózonként:

A C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + 32 ATP-vé válik

(Az egyértelműség kedvéért az ADP-t és a Pi foszfát-maradékot kihagyták az oktatásból)

Anaerob körülmények között, azaz oxigénhiány esetén a citromsav-ciklus nem tud futni, és energiát csak aerob glikolízissel lehet előállítani:

A C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP 2 laktát + 2 ATP lesz. + 2 H2O. Tehát az aránynak csak körülbelül 6% -a jut el glükózmolekulánként, mint az aerob glikolízis esetén.

A sejtlégzéssel kapcsolatos betegségek

A A sejtes légzés elengedhetetlen a túléléshez, azaz, hogy a sejtlégzés fehérjéit kódoló gének sok mutációja, például a glikolízis enzimjei halálosak (halálos) vannak. A sejtlégzés genetikai betegségei azonban előfordulnak. Ezek származhatnak a nukleáris DNS-ből, valamint a mitokondriális DNS-ből. A mitokondriumok maguk tartalmazzák saját genetikai anyagukat, amely szükséges a sejtlégzéshez. Ezek a betegségek azonban hasonló tüneteket mutatnak, mivel mindegyikükben közös: beavatkoznak a sejtlégzésbe és megzavarják azt.

A sejtes légúti megbetegedések gyakran hasonló klinikai tüneteket mutatnak. Itt különösen fontos A szövetek rendellenességei, amelyek sok energiát igényelnek. Ide tartoznak különösen az ideg-, izom-, szív-, vese- és májsejtek. Az olyan tünetek, mint az izomgyengeség vagy az agykárosodás jelei, még fiatalon is jelentkeznek, ha nem a születés idején. Kimondottan is beszél Tejsavas acidózis (A test túlzott savasodása laktáttal, amely felhalmozódik, mert a piruvátot nem lehet eléggé lebontani a citromsavciklusban). A belső szervek is hibásan működhetnek.

A sejtlégzés betegségeinek diagnosztizálását és terápiáját szakembereknek kell átvállalniuk, mivel a klinikai kép nagyon változatos és eltérő lehet. Mától még mindig nincs kauzális és gyógyító terápia ad. A betegségek csak tüneti úton kezelhetők.

Mivel a mitokondriális DNS nagyon bonyolult módon kerül át az anyáról a gyermekekre, a sejtlégzés betegségében szenvedő nőknek kapcsolatba kell lépniük egy szakemberrel, ha gyermeket akarnak, mivel csak ők tudják megbecsülni az öröklés valószínűségét.