Innhold
- En rask oversikt
- Energi lagres i ATP fosfatobligasjoner
- Glykolyse forbereder veien for oksidasjon
- plassering
- Krebs sitronsyresyklus produserer elektron donorer
- Elektrontransportkjeden produserer de fleste av ATP-molekylene
- Cellulær respirasjon hos mennesker er et enkelt konsept med komplekse prosesser
Hensikten med cellulær respirasjon er å konvertere glukose fra mat til energi.
Celler bryter ned glukose i en serie komplekse kjemiske reaksjoner og kombinerer reaksjonsproduktene med oksygen for å lagre energi i adenosintrifosfat (ATP) molekyler. ATP-molekylene brukes til å drive celleaktiviteter og fungerer som den universelle energikilden for levende organismer.
En rask oversikt
Cellulær respirasjon hos mennesker starter i fordøyelsessystemet og luftveiene. Mat fordøyes i tarmen og omdannes til glukose. Oksygen tas opp i lungene og lagres i røde blodlegemer. Glukosen og oksygenet reiser ut i kroppen gjennom sirkulasjonssystemet for å nå celler som trenger energi.
Cellene bruker glukose og oksygen fra sirkulasjonssystemet for energiproduksjon. De leverer avfallsproduktet, karbondioksid, tilbake til de røde blodlegemene, og karbondioksid frigjøres til atmosfæren gjennom lungene.
Mens fordøyelsessystemet, luftveiene og sirkulasjonssystemene spiller en viktig rolle i menneskets respirasjon, skjer respirasjon på cellenivå inne i cellene og i mitokondrier av cellene. Prosessen kan deles inn i tre forskjellige trinn:
I den generelle cellulære respirasjonsreaksjonen produserer hvert glukosemolekyl 36 eller 38 molekyler av ATP, avhengig av celletype. Cellulær respirasjon hos mennesker er en kontinuerlig prosess og krever kontinuerlig tilførsel av oksygen. I fravær av oksygen stopper den cellulære respirasjonsprosessen ved glykolyse.
Energi lagres i ATP fosfatobligasjoner
Hensikten med celleånding er å produsere ATP-molekyler gjennom oksidasjon av glukose.
For eksempel er den cellulære respirasjonsformelen for produksjon av 36 ATP-molekyler fra et molekyl med glukose C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + energi (36ATP molekyler). ATP-molekylene lagrer energi i de tre fosfatgrupper.
Energien som produseres av cellen lagres i bindingen til den tredje fosfatgruppen, som tilsettes ATP-molekylene under den cellulære respirasjonsprosessen. Når energien trengs, brytes den tredje fosfatbindingen og brukes til cellekjemiske reaksjoner. en adenosindifosfat (ADP) molekyl med to fosfatgrupper er igjen.
Under cellulær respirasjon brukes energien fra oksidasjonsprosessen til å endre ADP-molekylet tilbake til ATP ved å tilsette en tredje fosfatgruppe. ATP-molekylet er da igjen klar til å bryte denne tredje bindingen for å frigjøre energi for cellen å bruke.
Glykolyse forbereder veien for oksidasjon
Ved glykolyse blir et seks-karbon glukosemolekyl delt i to deler for å danne to pyruvat molekyler i en serie reaksjoner. Etter at glukosemolekylet har kommet inn i cellen får de to tre-karbonhalvdelene hver to fosfatgrupper i to separate trinn.
For det første to ATP-molekyler fosforylere de to halvdelene av glukosemolekylet ved å tilsette en fosfatgruppe til hver enkelt. Deretter tilfører enzymer en fosfatgruppe til hver av halvdelene av glukosemolekylet, noe som resulterer i to tre-karbon molekylhalver, hver med to fosfatgrupper.
I to siste og parallelle reaksjonsserier mister de to fosforylerte tre-karbonhalvdelene av det opprinnelige glukosemolekylet fosfatgruppene for å danne de to pyruvatmolekylene. Den endelige splitting av glukosemolekylet frigjør energi som brukes til å tilsette fosfatgruppene til ADP-molekyler og danne ATP.
Hver halvdel av glukosemolekylet mister sine to fosfatgrupper og produserer pyruvatmolekylet og to ATP-molekyler.
plassering
Glykolyse foregår i cytosol, men resten av den cellulære respirasjonsprosessen beveger seg inn i mitokondrier. Glykolyse krever ikke oksygen, men når pyruvatet har beveget seg inn i mitokondriene, er oksygen nødvendig for alle videre trinn.
Mitokondriene er energifabrikkene som lar oksygen og pyruvat komme inn gjennom deres ytre membran og deretter la reaksjonsproduktene karbondioksid og ATP gå ut i cellen og videre i sirkulasjonssystemet.
Krebs sitronsyresyklus produserer elektron donorer
Sitronsyresyklusen er en serie med sirkulære kjemiske reaksjoner som genererer NADH og FADH2 molekyler. Disse to forbindelsene går inn i det etterfølgende trinn med cellulær respirasjon, elektrontransportkjede, og donere de første elektronene som brukes i kjeden. Den resulterende NAD+ og FAD-forbindelser returneres til sitronsyresyklusen for å bli endret tilbake til deres opprinnelige NADH og FADH2 former og resirkulert.
Når tre-karbon pyruvatmolekylene kommer inn i mitokondriene, mister de et av karbonmolekylene for å danne karbondioksid og en to-karbonforbindelse. Dette reaksjonsproduktet oksideres deretter og forbindes til koenzym A å danne to acetyl CoA molekyler. I løpet av sitronsyresyklusen er karbonforbindelsene knyttet til en fire-karbonforbindelse for å produsere et seks-karboncitrat.
I en serie reaksjoner frigjør citratet to karbonatomer som karbondioksid og produserer 3 NADH, 1 ATP og 1 FADH2 molekyler. På slutten av prosessen utgjør syklusen den opprinnelige firekarbonforbindelsen og starter på nytt. Reaksjonene finner sted i mitokondriens indre, og NADH og FADH2 molekyler deltar deretter i elektrontransportkjeden på den indre membranen i mitokondriene.
Elektrontransportkjeden produserer de fleste av ATP-molekylene
Elektrontransportkjeden består av fire proteinkomplekser lokalisert på den indre membranen i mitokondriene. NADH donerer elektroner til det første proteinkomplekset mens FADH2 gir sine elektroner til det andre proteinkomplekset. Proteinkompleksene fører elektronene nedover i transportkjeden i en serie reduksjons-oksidasjon eller Redox reaksjoner.
Energi frigjøres i hvert redoksstadium, og hvert proteinkompleks bruker den til å pumpe protoner over mitokondriell membran inn i mellommembranrommet mellom indre og ytre membran. Elektronene går gjennom til det fjerde og siste proteinkomplekset der oksygenmolekyler fungerer som de endelige elektronakseptorene. To hydrogenatomer kombineres med et oksygenatom for å danne vannmolekyler.
Når konsentrasjonen av protoner utenfor den indre membranen øker, vil en energigradient er etablert, og har en tendens til å tiltrekke protonene tilbake over membranen til siden som har lavere protonkonsentrasjon. Et indre membranenzym kalt ATP-syntase tilbyr protonene en passasje tilbake gjennom den indre membranen.
Når protonene passerer gjennom ATP-syntase, bruker enzymet protonenergien til å endre ADP til ATP, og lagrer protonenergien fra elektrontransportkjeden i ATP-molekylene.
Cellulær respirasjon hos mennesker er et enkelt konsept med komplekse prosesser
De komplekse biologiske og kjemiske prosessene som utgjør respirasjon på cellenivå involverer enzymer, protonpumper og proteiner som samvirker på molekylært nivå på veldig kompliserte måter. Mens tilførselene av glukose og oksygen er enkle stoffer, er ikke enzymene og proteiner det.
En oversikt over glykolyse, krebs- eller sitronsyresyklusen og elektronoverføringskjeden hjelper til med å demonstrere hvordan cellulær respirasjon fungerer på et grunnleggende nivå, men selve driften av disse stadiene er mye mer komplisert.
Å beskrive prosessen med cellulær respirasjon er enklere på et konseptuelt nivå. Kroppen tar i seg næringsstoffer og oksygen og fordeler glukosen i maten og oksygenet til individuelle celler etter behov. Cellene oksiderer glukosemolekylene for å produsere kjemisk energi, karbondioksid og vann.
Energien brukes til å tilsette en tredje fosfatgruppe til et ADP-molekyl for å danne ATP, og karbondioksidet blir eliminert gjennom lungene. ATP-energi fra den tredje fosfatbindingen brukes til å drive andre cellefunksjoner. Det er hvordan cellulær respirasjon danner grunnlaget for alle andre menneskelige aktiviteter.