Anatoomia-Leksikon

Rakuline hingamine inimestel

määratlus

Rakuhingamine, mida nimetatakse ka aeroobseks (iidse kreeka keelest "aer" - õhk), kirjeldab inimeste toitainete, näiteks glükoosi või rasvhapete lagundamist, kasutades rakkude ellujäämiseks vajaliku energia saamiseks hapnikku (O2). Selle käigus oksüdeeritakse toitaineid, st nad eraldavad elektrone, hapnik aga väheneb, mis tähendab, et see aktsepteerib elektrone. Hapnikust ja toitainetest tekkivad lõpptooted on süsinikdioksiid (CO2) ja vesi (H2O).

Rakuhingamise funktsioon ja ülesanded

Kõik inimkeha protsessid nõuavad energiat. Liikumine, ajutegevus, südamelöögid, sülje või juuste valmistamine ja isegi seedimine vajavad toimimiseks energiat.

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

Keha tunneb paljusid erinevaid energiakandjaid:

Glükoos (suhkur) on peamine energiakandja ja põhiline ehitusmaterjal, samuti lõpptoode, mis on jaotatud kõigist tärkliserikkadest toitudest
Rasvhapete lagunemise lõpptoodanguks on rasvhapped ja glütseriin, mida saab kasutada ka energia tootmisel
Viimane energiakandjate rühm on aminohapped, mis jäävad valkude lagunemise produktiks. Pärast teatud transformatsiooni kehas saab neid seejärel rakkude hingamisel ja seega ka energia tootmiseks kasutada

Lisateavet selle kohta leiate Liikumine ja rasvapõletus

Kõige tavalisem energiaallikas, mida inimkeha kasutab, on glükoos. On reaktsioonide ahel, mis lõppkokkuvõttes põhjustab hapniku tarbimisega tooteid CO2 ja H2O. See protsess hõlmab Glükolüüs, seega Glükoosi tükeldamine ja toote üleandmine Püruvaat -. - vaheetapi kaudu Atsetüül-CoA aastal Sidrunhappe tsükkel (Sünonüüm: sidrunhappetsükkel või Krebsi tsükkel). Sellesse tsüklisse voolavad ka teiste toitainete, näiteks aminohapete või rasvhapete laguproduktid. Nimetatakse protsessi, mille käigus rasvhapped "lagundatakse", et need saaksid voolata ka sidrunhapperingesse Beetaoksüdatsioon.

Sidrunhappetsükkel on seetõttu omamoodi sisendpunkt, kus kõiki energiaallikaid saab energia metabolismi viia. Tsükkel toimub Mitokondrid selle asemel inimrakkude "energiaelektrijaamad".

Kõigi nende protsesside käigus tarbitakse osa energiat ATP kujul, kuid see on juba saadud, nagu näiteks glükolüüsi korral. Lisaks on valdavalt ka muid vahepealseid energiavarusid (nt NADH, FADH2), mis täidavad oma funktsiooni vahepealsete energiavarudena ainult energia tootmise ajal. Need vahepealsed ladustamismolekulid voolavad seejärel raku hingamise viimasesse etappi, nimelt oksüdatiivse fosforüülimise etappi, mida nimetatakse ka hingamisahelaks. See on samm, mille poole kõik protsessid on seni töötanud. Hingamisahel, mis toimub ka mitokondrites, koosneb samuti mitmest etapist, mille käigus saadakse energiarikastest vahesalvestavatest molekulidest universaalne energiakandja ATP. Kokku saadakse ühe glükoosi molekuli lagunemisel kokku 32 ATP molekuli.

Eriti huvitatutele

Hingamisahel sisaldab erinevaid valgukomplekse, millel on siin väga huvitav roll. Need toimivad pumbadena, mis pumpavad prootoneid (H + ioone) mitokondriaalse topeltmembraani õõnsusse, kulutades samal ajal vahepealsete molekulide tarbimist, nii et seal on prootoneid väga palju. See põhjustab kontsentratsioonigradiendi intermembraanses ruumis ja mitokondriaalse maatriksi vahel. Selle gradiendi abil on lõpuks olemas valgu molekul, mis töötab sarnaselt veeturbiini tüübile. Selle gradiendi mõjul prootonites sünteesib valk ATP molekuli ADP-st ja fosfaatrühmast.

Lisateavet leiate siit: Mis on hingamisteede ahel?

ATP

The Adenosiintrifosfaat (ATP) on inimkeha energiakandja. Kogu rakuhingamisest tulenev energia salvestatakse esialgu ATP kujul. Keha saab energiat kasutada ainult siis, kui see on ATP molekuli kujul.

Kui ATP molekuli energia on ära kasutatud, tekib ATP-st adenosiindifosfaat (ADP), mille abil molekuli fosfaatrühm eraldatakse ja energia vabaneb. Rakkude hingamine või energia genereerimine täidab ATP pidevat taastamist nn ADP-st, et keha saaks seda uuesti kasutada.

Reaktsiooni võrrand

Tulenevalt asjaolust, et rasvhapped on erineva pikkusega ja aminohapetel on ka väga erinev struktuur, ei ole nende kahe rühma jaoks võimalik luua lihtsat võrrandit, et täpselt kirjeldada nende energia saagist rakuhingamisel. Kuna iga struktuurimuutus võib määrata, millises tsitraaditsükli etapis aminohape voolab.
Rasvhapete lagunemine nn beetaoksüdatsioonis sõltub nende pikkusest. Mida pikemad on rasvhapped, seda rohkem saab neist energiat. See varieerub küllastunud ja küllastumata rasvhapete vahel, küllastumata rasvhapped annavad minimaalselt vähem energiat, kui neid on sama kogus.

Juba mainitud põhjustel saab glükoosi lagundamiseks kõige paremini kirjeldada võrrandit. Glükoosimolekuli (C6H12O6) ja 6 hapnikumolekuli (O2) tulemuseks on kokku 6 süsinikdioksiidi molekuli (CO2) ja 6 veemolekuli (H2O):

C6H12O6 + 602 saab 6 CO2 + 6 H20

Mis on glükolüüs?

Glükolüüs kirjeldab glükoosi, st viinamarjasuhkru lagunemist. See metaboolne rada toimub nii inimese rakkudes kui ka teistes, näiteks pärmis käärimise ajal. Rakkude glükolüüsi tegemise koht on tsütoplasmas. Siin on olemas ensüümid, mis kiirendavad glükolüüsi reaktsioone, et sünteesida ATP otse ja pakkuda sidrunhappetsükli substraate. See protsess loob energiat kahe ATP molekuli ja kahe NADH + H + molekuli kujul. Glükolüüs koos sidrunhappetsükli ja hingamisahelaga, mis mõlemad asuvad mitokondrionis, kujutavad endast lihtsa suhkru glükoosi lagunemisteed universaalseks energiakandjaks ATP. Glükolüüs toimub kõigi looma- ja taimerakkude tsütosoolis. . Glükolüüsi lõppprodukt on püruvaat, mille saab seejärel sisestada sidrunhappe tsüklisse vaheetapi kaudu.

Reaktsioonide läbiviimiseks kasutatakse glükolüüsis glükoosimolekuli kohta kokku 2 ATP-d. Siiski saadakse 4 ATP, nii et tegelikult on 2 ATP molekuli puhaskasu.

Glükolüüs kümme reaktsioonietappi, kuni 6 süsinikuaatomiga suhkur muutub kaheks püruvaadi molekuliks, millest igaüks koosneb kolmest süsinikuaatomist. Esimeses neljas reaktsioonietapis muudetakse suhkur kahe fosfaadi ja ümberkorraldamise abil fruktoos-1,6-bisfosfaadiks. See aktiveeritud suhkur on nüüd jagatud kaheks molekuliks, milles igaühes on kolm süsinikuaatomit. Edasised ümberkorraldused ja kahe fosfaatrühma eemaldamine annavad lõpuks kaks püruvaati. Kui hapnik (O2) on nüüd saadaval, saab püruvaadi edasi metaboliseerida atsetüül-CoA-ks ja viia sidrunhappetsüklisse. Üldiselt on glükolüüsil kahe ATP molekuli ja kahe NADH + H + molekuliga suhteliselt madal energiatoodang. Kuid see loob aluse suhkru edasiseks lagundamiseks ja on seetõttu hädavajalik raku hingamisel ATP tootmiseks.

Siinkohal on mõttekas eraldada aeroobne ja anaeroobne glükolüüs. Aeroobne glükolüüs viib ülalkirjeldatud püruvaadini, mida saab seejärel kasutada energia tootmiseks.
Seevastu anaeroobse glükolüüsi korral, mis toimub hapnikuvaeguse tingimustes, ei saa püruvaati enam kasutada, kuna sidrunhappetsükkel nõuab hapnikku. Glükolüüsi kontekstis luuakse ka vahesalvestav molekul NADH, mis on ise energiarikas ja voolaks aeroobsetes tingimustes ka Krebsi tsüklisse. Kuid glükolüüsi säilitamiseks on vajalik põhimolekul NAD +. Sellepärast keha “hammustab” siin olevat “haput õuna” ja teisendab selle suure energiaga molekuli tagasi algkujule. Reaktsiooni läbiviimiseks kasutatakse püruvaati. Püruvaadist moodustub nn laktaat ehk piimhape.

Lisateavet selle kohta leiate

Laktaat
Anaeroobne künnis

Mis on hingamisteede ahel?

Hingamisahel on glükoosi lagunemistee viimane osa. Pärast suhkru metaboliseerumist glükolüüsis ja sidrunhappetsüklis on hingamisahelal loodud redutseerimise ekvivalentide (NADH + H + ja FADH2) regenereerimise funktsioon. Nii tekib universaalne energiakandja ATP (adenosiinitrifosfaat). Sarnaselt sidrunhappetsüklile asub hingamisteede ahel mitokondrites, mida seetõttu nimetatakse ka “raku elektrijaamadeks”. Hingamisahel koosneb viiest ensüümi kompleksist, mis on sisestatud mitokondriaalse sisemise membraaniga. Kaks esimest ensüümi kompleksi regenereerivad kumbki NADH + H + (või FADH2) NAD + (või FAD). NADH + H + oksüdeerumisel transporditakse maatriksruumist neli membraanidevahelisse ruumi. Kaks prootonit pumbatakse ka kolmes järgnevas ensüümi kompleksis olevasse intermembraansesse ruumi. See loob kontsentratsiooni gradiendi, mida kasutatakse ATP tootmiseks. Sel eesmärgil voolavad prootonid intermembraansest ruumist ATP süntaasi kaudu tagasi maatriksruumi. Vabanenud energiat kasutatakse lõpuks ADP (adenosiindifosfaat) ja fosfaadist ATP tootmiseks. Hingamisahela teine ülesanne on redutseerimisekvivalentide oksüdeerimisel tekkivate elektronide püüdmine. Seda tehakse elektronide hapnikku viimisega. Elektroonide, prootonite ja hapniku ühendamisel tekib neljandas ensüümi kompleksis (tsütokroom c oksüdaas) normaalne vesi. See seletab ka seda, miks hingamisahel võib toimuda ainult siis, kui hapnikku on piisavalt.

Millised on mitokondrite ülesanded raku hingamisel?

Mitokondrid on organellid, mida leidub ainult eukarüootsetes rakkudes. Neid nimetatakse ka “raku elektrijaamadeks”, kuna neis toimub raku hingamine. Rakuhingamise lõpp-produkt on ATP (adenosiinitrifosfaat). See on universaalne energiakandja, mida on vaja kogu inimorganismis. Mitokondrite lahterdamine on raku hingamise eeltingimus. See tähendab, et mitokondrionis on eraldi reaktsiooniruumid. See saavutatakse sisemise ja välimise membraaniga, nii et seal on membraanidevaheline ruum ja sisemine maatriksruum.

Hingamisahela käigus transporditakse prootoneid (vesinikioonid, H +) membraanidevahelisse ruumi, nii et prootoni kontsentratsiooni erinevus tekib. Need prootonid pärinevad erinevatest redutseerimise ekvivalentidest, näiteks NADH + H + ja FADH2, mis seeläbi regenereeritakse NAD + ja FAD-deks.

ATP süntaas on hingamisahela viimane ensüüm, kus lõpuks toodetakse ATP. Kontsentratsiooni erinevusest ajendatuna voolavad prootonid intermembraansest ruumist ATP süntaasi kaudu maatriksruumi. See positiivse laengu voog vabastab energiat, mida kasutatakse ATP tootmiseks ADP-st (adenosiin-difosfaat) ja fosfaadist. Mitokondrid sobivad eriti hingamisahela jaoks, kuna neil on kahekordse membraani tõttu kaks reaktsiooniruumi. Lisaks sellele toimuvad mitokondrionis paljud metaboolsed teed (glükolüüs, sidrunhappetsükkel), 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

Rakuhingamise energiabilanssi glükoosi korral võib kokku võtta järgmiselt, moodustades 32 ATP molekuli glükoosi kohta:

C6H12O6 + 602 saab 6 CO2 + 6 H2O + 32 ATP

(Selguse huvides on ADP ja fosfaadijääk Pi hariduselt välja jäetud)

Anaeroobsetes tingimustes, st hapnikupuuduses, sidrunhappetsükkel ei saa kulgeda ja energiat saab ainult aeroobse glükolüüsi teel:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP saab 2 laktaati + 2 ATP. + 2 H2O. Nii saadakse glükoosimolekuli kohta ainult umbes 6% osakaalust, nagu oleks aeroobse glükolüüsi korral.

Rakuhingamisega seotud haigused

The Rakuline hingamine on ellujäämiseks hädavajalik, st et paljud raku hingamise valke kodeerivate geenide mutatsioonid, nt glükolüüsi ensüümid, on surmavad (Tappev) on. Kuid rakuhingamise geneetilisi haigusi esineb. Need võivad pärineda nii tuuma-DNA-st kui ka mitokondrite DNA-st. Mitokondrid ise sisaldavad oma geneetilist materjali, mis on vajalik rakkude hingamiseks. Need haigused näitavad siiski sarnaseid sümptomeid, kuna neil kõigil on üks ühine omadus: nad sekkuvad rakuhingamisse 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 eelkõige närvi-, lihase-, südame-, neeru- ja maksarakud. Sellised sümptomid nagu lihasnõrkus või ajukahjustuse tunnused ilmnevad sageli isegi noores eas, kui mitte sündimise ajal. Räägib ka hääldatult Laktatsidoos (Keha liigne hapestumine laktaadiga, mis koguneb, kuna püruvaati ei saa sidrunhappetsüklis piisavalt lagundada). Samuti võivad talitlushäired olla siseorganid.

Rakuhingamise haiguste diagnoosimine ja ravi peaksid olema spetsialistide kanda, kuna kliiniline pilt võib osutuda väga mitmekesiseks ja erinevaks. Tänase seisuga on see endiselt puudub põhjuslik ja raviv ravi annab. Haigusi saab ravida ainult sümptomaatiliselt.

Kuna mitokondriaalne DNA kandub emalt lastele väga keerulisel viisil, peaksid rakuhingamise haiguse all kannatavad naised laste saamise korral pöörduma spetsialisti poole, kuna ainult nemad saavad hinnata pärimise tõenäosust.