İnsanlarda hücresel solunum

tanım

Aerobik olarak da adlandırılan hücre solunumu (eski Yunanca "aer" - hava), hücrelerin hayatta kalması için gerekli olan enerjiyi üretmek için oksijen (O2) kullanarak insanlarda glikoz veya yağ asitleri gibi besinlerin parçalanmasını tanımlar. Süreçte besinler oksitlenir, yani oksijen azaltılırken elektron verirler, bu da elektronları kabul ettiği anlamına gelir. Oksijen ve besin maddelerinden ortaya çıkan son ürünler karbondioksit (CO2) ve sudur (H2O).

Hücresel solunumun işlevi ve görevleri

İnsan vücudundaki tüm işlemler enerji gerektirir. Egzersiz, beyin işlevi, kalp atışı, tükürük veya saç yapımı ve hatta sindirim, işlevlerini yerine getirmek için enerji gerektirir.

Ek olarak, vücudun hayatta kalması için oksijene ihtiyacı vardır. Hücresel solunum burada özel bir öneme sahiptir. Bunun ve gaz oksijenin yardımıyla vücudun enerji bakımından zengin maddeleri yakması ve bunlardan gerekli enerjiyi alması mümkündür. Oksijenin kendisi bize herhangi bir enerji sağlamaz, ancak vücuttaki kimyasal yanma işlemlerini gerçekleştirmesi gerekir ve bu nedenle hayatta kalmamız için gereklidir.

Vücut, birçok farklı enerji taşıyıcı türünü bilir:

• Glikoz (şeker), tüm nişastalı gıdalardan ayrılan nihai ürünün yanı sıra ana enerji taşıyıcısı ve temel yapı taşıdır.
• Yağ asitleri ve gliserin, yağların parçalanmasının son ürünleridir ve aynı zamanda enerji üretiminde de kullanılabilir.
• Son enerji taşıyıcı grubu, protein parçalanmasının bir ürünü olarak kalan amino asitlerdir. Vücuttaki belirli bir dönüşümden sonra bunlar hücre solunumunda ve dolayısıyla enerji üretiminde de kullanılabilir.

Bunun hakkında daha fazlasını okuyun Egzersiz ve yağ yakma

İnsan vücudunun kullandığı en yaygın enerji kaynağı glikozdur. Sonuçta oksijen tüketimiyle birlikte CO2 ve H2O ürünlerine yol açan bir reaksiyonlar zinciri vardır. Bu süreç şunları içerir: Glikoliz, Böylece Glikoz bölünmesi ve ürünün devri, Piruvat ara adım yoluyla Asetil-CoA içinde Sitrik asit döngüsü (Eşanlamlı: sitrik asit döngüsü veya Krebs döngüsü). Amino asitler veya yağ asitleri gibi diğer besin maddelerinin parçalanma ürünleri de bu döngüye akar. Yağ asitlerinin sitrik asit döngüsüne de akabilmeleri için "parçalandıkları" sürece denir. Beta oksidasyon.

Bu nedenle sitrik asit döngüsü, tüm enerji kaynaklarının enerji metabolizmasına beslenebileceği bir tür giriş noktasıdır. Döngü, Mitokondri bunun yerine insan hücrelerinin "enerji santralleri".

Tüm bu işlemler sırasında, ATP biçiminde bir miktar enerji tüketilir, ancak, örneğin glikolizde olduğu gibi, halihazırda elde edilmiştir. Ek olarak, enerji üretimi sırasında yalnızca ara enerji depoları olarak işlevlerini yerine getiren ağırlıklı olarak başka ara enerji depoları (örneğin NADH, FADH2) vardır. Bu ara depolama molekülleri daha sonra hücre solunumunun son aşamasına, yani solunum zinciri olarak da bilinen oksidatif fosforilasyon aşamasına akar. Bu, şimdiye kadar tüm süreçlerin çalıştığı adımdır. Mitokondride de yer alan solunum zinciri, çok amaçlı enerji taşıyıcısı ATP'nin daha sonra enerji açısından zengin ara depolama moleküllerinden elde edildiği birkaç adımdan oluşur. Toplamda, bir glikoz molekülünün parçalanması, toplam 32 ATP molekülü ile sonuçlanır.

Özellikle ilgilenenler için

Solunum zinciri, burada çok ilginç bir rol oynayan çeşitli protein kompleksleri içerir. Ara depolama moleküllerini tüketirken mitokondriyal çift zarın boşluğuna protonları (H + iyonları) pompalayan pompalar olarak işlev görürler, böylece orada yüksek bir proton konsantrasyonu olur. Bu, zarlar arası boşluk ile mitokondriyal matris arasında bir konsantrasyon gradyanına neden olur. Bu gradyanın yardımıyla, nihayetinde bir tür su türbinine benzer şekilde çalışan bir protein molekülü vardır. Protonlardaki bu gradyan tarafından yönlendirilen protein, bir ADP ve bir fosfat grubundan bir ATP molekülünü sentezler.

Daha fazla bilgiyi burada bulabilirsiniz: Solunum zinciri nedir?

ATP

Adenozin trifosfat (ATP) insan vücudunun enerji taşıyıcısıdır. Hücresel solunumdan kaynaklanan tüm enerji başlangıçta ATP formunda depolanır. Vücut enerjiyi ancak ATP molekülü biçiminde ise kullanabilir.

ATP molekülünün enerjisi tükenirse, ATP'den adenozin difosfat (ADP) oluşturulur, böylece molekülün bir fosfat grubu ayrılır ve enerji serbest bırakılır. Hücre solunumu veya enerji üretimi, vücudun tekrar kullanabilmesi için ATP'yi sözde ADP'den sürekli olarak yenileme amacına hizmet eder.

Reaksiyon denklemi

Yağ asitlerinin farklı uzunluklarda olması ve amino asitlerin de çok farklı yapılara sahip olması nedeniyle, bu iki grubun hücresel solunumdaki enerji verimlerini kesin olarak karakterize etmek için basit bir denklem oluşturmak mümkün değildir. Çünkü her yapısal değişiklik, amino asidin sitrat döngüsünün hangi aşamasında aktığını belirleyebilir.
Beta oksidasyon olarak adlandırılan yağ asitlerinin parçalanması uzunluklarına bağlıdır. Yağ asitleri ne kadar uzun olursa onlardan o kadar fazla enerji kazanılabilir. Bu, doymuş ve doymamış yağ asitleri arasında değişir ve doymamış yağ asitleri, aynı miktarda olmaları koşuluyla, minimum düzeyde daha az enerji sağlar.

Daha önce bahsedilen nedenlerden ötürü, glikozun parçalanması için bir denklem en iyi şekilde açıklanabilir. Bir glikoz molekülü (C6H12O6) ve 6 oksijen molekülü (O2), toplam 6 karbon dioksit molekülü (CO2) ve 6 su molekülü (H2O) ile sonuçlanır:

• C6H12O6 + 6 O2, 6 CO2 + 6 H2O olur

Glikoliz nedir?

Glikoliz, glikozun, yani üzüm şekerinin parçalanmasını ifade eder. Bu metabolik yol, insan hücrelerinde olduğu kadar diğerlerinde, örneğin mayalanma sırasında maya içinde gerçekleşir. Hücrelerin glikoliz yaptığı yer sitoplazmadadır. Burada, hem ATP'yi doğrudan sentezlemek hem de sitrik asit döngüsü için substratları sağlamak için glikoliz reaksiyonlarını hızlandıran enzimler mevcuttur. Bu süreç, iki ATP molekülü ve iki NADH + H + molekülü şeklinde enerji yaratır. Glikoliz, her ikisi de mitokondride bulunan sitrik asit döngüsü ve solunum zinciri ile birlikte, basit şeker glikozunun evrensel enerji taşıyıcısı ATP'ye olan parçalanma yolunu temsil eder.Glikoliz, tüm hayvan ve bitki hücrelerinin sitozolünde gerçekleşir. . Glikolizin son ürünü piruvattır ve daha sonra bir ara adım yoluyla sitrik asit döngüsüne dahil edilebilir.

Reaksiyonları gerçekleştirebilmek için glikolizde toplam glikoz molekülü başına 2 ATP kullanılır. Bununla birlikte, 2 ATP molekülünün etkin bir şekilde net bir kazanımı olacak şekilde 4 ATP elde edilir.

Glikoliz, 6 karbon atomlu bir şeker, her biri üç karbon atomundan oluşan iki piruvat molekülüne dönüşene kadar on reaksiyon adımı. İlk dört reaksiyon adımında şeker, iki fosfat ve bir yeniden düzenleme yardımıyla fruktoz-1,6-bifosfata dönüştürülür. Bu aktif şeker artık her biri üç karbon atomlu iki moleküle bölünmüştür. Daha fazla yeniden düzenleme ve iki fosfat grubunun çıkarılması, sonuçta iki piruvatla sonuçlanır. Oksijen (O2) artık mevcutsa, piruvat ayrıca asetil-CoA'ya metabolize edilebilir ve sitrik asit döngüsüne dahil edilebilir. Genel olarak, iki ATP molekülü ve iki NADH + H + molekülü ile glikoliz, nispeten düşük bir enerji verimine sahiptir. Bununla birlikte, şekerin daha fazla parçalanması için temel oluşturur ve bu nedenle hücre solunumunda ATP üretimi için gereklidir.

Bu noktada aerobik ve anaerobik glikolizi ayırmak mantıklıdır. Aerobik glikoliz, daha sonra enerji üretmek için kullanılabilen yukarıda açıklanan piruvata yol açar.
Aksine, oksijen eksikliği koşulları altında gerçekleşen anaerobik glikoliz, sitrik asit döngüsü oksijen gerektirdiği için piruvat artık kullanılamaz. Glikoliz bağlamında, kendisi enerji açısından zengin olan ve aynı zamanda aerobik koşullar altında Krebs döngüsüne akacak olan ara depolama molekülü NADH de yaratılır. Bununla birlikte, ana molekül NAD +, glikolizin sürdürülmesi için gereklidir. Bu nedenle vücut buradaki "ekşi elmayı" "ısırır" ve bu yüksek enerjili molekülü tekrar orijinal formuna dönüştürür. Piruvat, reaksiyonu gerçekleştirmek için kullanılır. Piruvattan laktat veya laktik asit adı verilir.

Bunun hakkında daha fazlasını okuyun

• Laktat
• Anaerobik eşik

Solunum zinciri nedir?

Solunum zinciri, glikoz parçalanma yolunun son kısmıdır. Şeker glikolizde ve sitrik asit döngüsünde metabolize edildikten sonra, solunum zinciri, oluşturulan indirgeme eşdeğerlerini (NADH + H + ve FADH2) yeniden oluşturma işlevine sahiptir. Bu evrensel enerji taşıyıcısı ATP'yi (adenozin trifosfat) yaratır. Sitrik asit döngüsü gibi, solunum zinciri de mitokondride bulunur ve bu nedenle "hücrenin enerji santralleri" olarak da anılır. Solunum zinciri, iç mitokondriyal membrana gömülü beş enzim kompleksinden oluşur. İlk iki enzim kompleksinin her biri NADH + H + (veya FADH2) 'yi NAD + (veya FAD)' ye yeniden üretir. NADH + H + 'nın oksidasyonu sırasında, dört proton matris uzayından zarlar arası boşluğa taşınır. Aşağıdaki üç enzim kompleksinin her birinde iki proton da zarlar arası boşluğa pompalanır. Bu, ATP üretmek için kullanılan bir konsantrasyon gradyanı oluşturur. Bu amaçla, protonlar, zarlar arası boşluktan bir ATP sentazından geçerek matris uzayına geri akarlar. Açığa çıkan enerji, sonunda ADP (adenosin difosfat) ve fosfattan ATP üretmek için kullanılır. Solunum zincirinin diğer bir görevi, indirgeme eşdeğerlerinin oksidasyonu ile üretilen elektronları engellemektir. Bu, elektronların oksijene aktarılmasıyla yapılır. Elektronları, protonları ve oksijeni bir araya getirerek, dördüncü enzim kompleksinde (sitokrom c oksidaz) normal su oluşturulur. Bu aynı zamanda solunum zincirinin neden yalnızca yeterli oksijen olduğunda gerçekleşebileceğini de açıklıyor.

Mitokondrinin hücre solunumundaki görevleri nelerdir?

Mitokondri, yalnızca ökaryotik hücrelerde bulunan organellerdir. Hücre solunumunun gerçekleştiği içlerinde olduğu için “hücrenin enerji santralleri” olarak da anılırlar. Hücresel solunumun son ürünü ATP'dir (adenozin trifosfat). Bu, tüm insan organizmasında gerekli olan evrensel bir enerji taşıyıcısıdır. Mitokondrinin bölümlere ayrılması, hücre solunumu için bir ön koşuldur. Bu, mitokondride ayrı reaksiyon boşlukları olduğu anlamına gelir. Bu, bir iç ve dış zar ile sağlanır, böylece bir zarlar arası boşluk ve bir iç matris boşluğu olur.

Solunum zinciri boyunca protonlar (hidrojen iyonları, H +) zarlar arası boşluğa taşınır, böylece proton konsantrasyonunda bir fark ortaya çıkar. Bu protonlar NADH + H + ve FADH2 gibi çeşitli indirgeme eşdeğerlerinden gelir ve bu nedenle NAD + ve FAD'ye yeniden oluşturulur.

ATP sentaz, ATP'nin nihayetinde üretildiği solunum zincirindeki son enzimdir. Konsantrasyon farklılığından kaynaklanan protonlar, zarlar arası boşluktan ATP sentaz yoluyla matris uzayına akarlar. Bu pozitif yük akışı, ADP (adenosin difosfat) ve fosfattan ATP üretmek için kullanılan enerjiyi serbest bırakır. Mitokondri, çift zardan dolayı iki reaksiyon boşluğuna sahip oldukları için özellikle solunum zinciri için uygundur. Ayrıca solunum zinciri için başlangıç ​​materyallerini (NADH + H +, FADH2) sağlayan birçok metabolik yol (glikoliz, sitrik asit döngüsü) mitokondride yer alır. Bu uzamsal yakınlık bir başka avantajdır ve mitokondriyi hücre solunumu için ideal bir yer haline getirir.

Burada solunum zinciri konusuyla ilgili her şeyi öğrenebilirsiniz.

Enerji dengesi

Glikoz durumunda hücre solunumunun enerji dengesi, glikoz başına 32 ATP molekülünün oluşumuyla şu şekilde özetlenebilir:

C6H12O6 + 6 O2, 6 CO2 + 6 H2O + 32 ATP olur

(Açıklık adına, ADP ve fosfat kalıntısı Pi eğitimlerden çıkarıldı)

Oksijen eksikliği gibi anaerobik koşullar altında sitrik asit döngüsü çalışamaz ve enerji yalnızca aerobik glikoliz yoluyla elde edilebilir:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP, 2 laktat + 2 ATP olur. + 2 H2O. Dolayısıyla, aerobik glikolizde olduğu gibi, glikoz molekülü başına oranın yalnızca yaklaşık% 6'sı elde edilir.

Hücresel solunumla ilgili hastalıklar

Hücresel solunum hayatta kalmak için gereklidiryani hücre solunumunun proteinlerini kodlayan genlerdeki birçok mutasyon, örneğin glikoliz enzimleri, öldürücüdür (ölümcül) vardır. Bununla birlikte, hücresel solunumun genetik hastalıkları ortaya çıkar. Bunlar nükleer DNA'dan ve mitokondriyal DNA'dan kaynaklanabilir. Mitokondrinin kendisi, hücre solunumu için gerekli olan kendi genetik materyalini içerir. Bununla birlikte, bu hastalıkların hepsinin ortak bir noktası olduğu için benzer semptomlar gösterirler: hücresel solunuma müdahale ederler ve onu bozarlar.

Hücresel solunum hastalıkları sıklıkla benzer klinik semptomlar gösterir. Burada özellikle önemlidir Doku bozuklukları, çok enerjiye ihtiyaç duyan. Bunlar özellikle sinir, kas, kalp, böbrek ve karaciğer hücrelerini içerir. Kas güçsüzlüğü veya beyin hasarı belirtileri gibi belirtiler, doğum anında olmasa bile genellikle genç yaşta ortaya çıkar. Ayrıca belirgin bir şekilde konuşuyor Laktik asit (Piruvat sitrik asit döngüsünde yeterince parçalanamadığı için biriken vücudun laktatla aşırı asitlenmesi). İç organlar da arızalanabilir.

Klinik tablo çok çeşitli ve farklı olabileceğinden, hücresel solunum hastalıklarının tanı ve tedavisi uzmanlar tarafından yapılmalıdır. Bugün itibariyle hala nedensel ve iyileştirici tedavi yok verir. Hastalıklar ancak semptomatik olarak tedavi edilebilir.

Mitokondriyal DNA, anneden çocuklara çok karmaşık bir şekilde aktarıldığı için, hücresel solunum hastalığından muzdarip kadınlar, çocuk sahibi olmak istiyorlarsa, kalıtım olasılığını ancak kendileri tahmin edebildikleri için, bir uzmana başvurmalıdır.