Indhold
- Et hurtigt overblik
- Energi opbevares i ATP-phosphatobligationer
- Glykolyse forbereder vejen til oxidation
- Beliggenhed
- Krebs Citronsyrecyklus producerer elektrondonorer
- Elektrontransportkæden producerer det meste af ATP-molekyler
- Cellulær respiration hos mennesker er et enkelt koncept med komplekse processer
Formålet med cellulær åndedræt er at omdanne glukose fra mad til energi.
Celler nedbryder glukose i en række komplekse kemiske reaktioner og kombinerer reaktionsprodukterne med ilt for at opbevare energi i Adenosintrifosfat (ATP) molekyler. ATP-molekylerne bruges til at kraftcelleaktiviteter og fungerer som den universelle energikilde for levende organismer.
Et hurtigt overblik
Cellulær respiration hos mennesker starter i fordøjelsessystemet og luftvejssystemerne. Mad fordøjes i tarmen og omdannes til glukose. Oxygen absorberes i lungerne og opbevares i røde blodlegemer. Glukosen og iltet rejser ud i kroppen gennem kredsløbssystemet for at nå celler, der har brug for energi.
Cellerne bruger glukose og ilt fra kredsløbet til energiproduktion. De leverer affaldsproduktet, kuldioxid, tilbage til de røde blodlegemer, og kuldioxid frigives til atmosfæren gennem lungerne.
Mens fordøjelses-, åndedræts- og kredsløbssystemerne spiller en vigtig rolle i menneskelig åndedræt, finder respiration på celleniveau sted inde i cellerne og i mitokondrier af cellerne. Processen kan opdeles i tre forskellige trin:
I den samlede cellulære respirationsreaktion producerer hvert glukosemolekyle 36 eller 38 molekyler af ATP, afhængigt af celletypen. Cellulær åndedræt hos mennesker er en kontinuerlig proces og kræver en kontinuerlig tilførsel af ilt. I fravær af ilt stopper den cellulære respirationsproces ved glycolyse.
Energi opbevares i ATP-phosphatobligationer
Formålet med celle respiration er at producere ATP molekyler gennem oxidation af glukose.
For eksempel er den cellulære respirationsformel til fremstilling af 36 ATP-molekyler fra et molekyle af glukose C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + energi (36ATP-molekyler). ATP-molekylerne lagrer energi i deres tre bindinger af fosfatgrupper.
Energien, der produceres af cellen, opbevares i bindingen fra den tredje phosphatgruppe, der sættes til ATP-molekylerne under den cellulære respirationsproces. Når der er behov for energi, brydes den tredje phosphatbinding og bruges til cellekemiske reaktioner. en adenosindiphosphat (ADP) molekyle med to fosfatgrupper er tilbage.
Under cellulær respiration bruges energien fra oxidationsprocessen til at ændre ADP-molekylet tilbage til ATP ved at tilføje en tredje phosphatgruppe. ATP-molekylet er derefter igen klar til at bryde denne tredje binding for at frigive energi til cellen, der skal bruges.
Glykolyse forbereder vejen til oxidation
Ved glykolyse er et seks-carbon-glukosemolekyle opdelt i to dele for at danne to pyruvat molekyler i en række reaktioner. Efter at glukosemolekylet er kommet ind i cellen, modtager dets to tre-carbon-halvdele hver to phosphatgrupper i to separate trin.
Først to ATP-molekyler phosphorylere de to halvdele af glukosemolekylet ved at tilføje en phosphatgruppe til hver enkelt. Derefter tilsætter enzymer en mere phosphatgruppe til hver af halvdelene af glukosemolekylet, hvilket resulterer i to tre-carbon-molekylehalver, hver med to phosphatgrupper.
I to sidste og parallelle reaktionsserier mister de to fosforylerede tre-carbonhalveringer af det originale glukosemolekyle deres phosphatgrupper til dannelse af de to pyruvatmolekyler. Den endelige opdeling af glukosemolekylet frigiver energi, der bruges til at tilføje phosphatgrupperne til ADP-molekyler og danne ATP.
Hver halvdel af glukosemolekylet mister sine to phosphatgrupper og producerer pyruvatmolekylet og to ATP-molekyler.
Beliggenhed
Glykolyse finder sted i cellecytosol, men resten af den cellulære respirationsproces flytter ind i mitokondrier. Glykolyse kræver ikke ilt, men når pyruvatet er flyttet ind i mitokondrierne, kræves ilt til alle yderligere trin.
Mitokondrierne er de energifabrikker, der lader ilt og pyruvat komme ind gennem deres ydre membran og derefter lade reaktionsprodukterne kuldioxid og ATP gå ud i cellen og videre ind i kredsløbet.
Krebs Citronsyrecyklus producerer elektrondonorer
Citronsyrecyklus er en række cirkulære kemiske reaktioner, der genererer NADH og FADH2 molekyler. Disse to forbindelser går ind i det efterfølgende trin med cellulær respiration, the elektrontransportkæde, og donere de indledende elektroner, der er brugt i kæden. Den resulterende NAD+ og FAD-forbindelser returneres til citronsyrecyklussen for at blive ændret tilbage til deres oprindelige NADH og FADH2 former og genanvendes.
Når tre-carbon-pyruvatmolekylerne kommer ind i mitokondrierne, mister de et af deres carbonmolekyler til dannelse af carbondioxid og en to-carbon-forbindelse. Dette reaktionsprodukt oxideres derefter og forbindes til koenzym A at danne to acetyl CoA molekyler. I løbet af citronsyrecyklussen er carbonforbindelserne bundet til en fire-carbon-forbindelse til frembringelse af en 6-carboncitrat.
I en række reaktioner frigiver citratet to carbonatomer som kuldioxid og producerer 3 NADH, 1 ATP og 1 FADH2 molekyler. Ved afslutningen af processen udgør cyklussen den oprindelige fire-carbon-forbindelse igen og starter igen. Reaktionerne finder sted i mitokondrierens indre og NADH og FADH2 molekyler deltager derefter i elektrontransportkæden på mitokondriens indre membran.
Elektrontransportkæden producerer det meste af ATP-molekyler
Elektrontransportkæden består af fire proteinkomplekser placeret på den indre membran i mitokondrierne. NADH donerer elektroner til det første proteinkompleks mens FADH2 giver sine elektroner til det andet proteinkompleks. Proteinkomplekserne passerer elektronerne ned ad transportkæden i en række reduktionsoxidation eller redox reaktioner.
Energi frigøres i hvert redoxstadium, og hvert proteinkompleks bruger den til at pumpe protoner over mitochondrial membran ind i mellemmembranrummet mellem den indre og ydre membran. Elektronerne går igennem til det fjerde og sidste proteinkompleks, hvor iltmolekyler fungerer som de endelige elektronacceptorer. To hydrogenatomer kombineres med et iltatom for at danne vandmolekyler.
Når koncentrationen af protoner uden for den indre membran øges, vil en energi gradient er etableret, der har tendens til at tiltrække protoner tilbage over membranen til den side, der har den lavere protonkoncentration. Et indre membranenzym kaldet ATP-syntase tilbyder protonerne en passage tilbage gennem den indre membran.
Når protoner passerer gennem ATP-syntase, bruger enzymet protonenergien til at ændre ADP til ATP, hvor protonenergien lagres fra elektrontransportkæden i ATP-molekylerne.
Cellulær respiration hos mennesker er et enkelt koncept med komplekse processer
De komplekse biologiske og kemiske processer, der udgør respiration på celleniveau, involverer enzymer, protonpumper og proteiner, der interagerer på molekylært niveau på meget komplicerede måder. Mens input af glucose og ilt er enkle stoffer, er enzymerne og proteinerne ikke det.
En oversigt over glykolyse, Krebs- eller citronsyrecyklus og elektronoverførselskæden hjælper med at demonstrere, hvordan cellulær respiration fungerer på et grundlæggende niveau, men den faktiske funktion af disse stadier er meget mere kompliceret.
At beskrive processen med cellulær respiration er enklere på et konceptuelt niveau. Kroppen indtager næringsstoffer og ilt og distribuerer glukosen i fødevarer og ilt til individuelle celler efter behov. Cellerne oxiderer glukosemolekylerne og producerer kemisk energi, kuldioxid og vand.
Energien bruges til at tilføje en tredje phosphatgruppe til et ADP-molekyle til dannelse af ATP, og kuldioxid fjernes gennem lungerne. ATP-energi fra den tredje phosphatbinding bruges til at drive andre cellefunktioner. Det er, hvordan cellulær respiration danner grundlaget for alle andre menneskelige aktiviteter.