Rakuline hingamine inimestel

Sisu

• Kiire ülevaade
• Energiat hoitakse ATP fosfaatsidemetes
• Glükolüüs valmistab ette oksüdatsiooni
• Asukoht
• Krebsi sidrunhappe tsükkel toodab elektronide doonoreid
• Elektronide transpordiahel toodab enamiku ATP molekulidest
• Inimeste rakuhingamine on keeruline kontseptsioon keerukate protsessidega

Rakulise hingamise eesmärk on muundada toidust glükoos energiaks.

Rakud lagundavad glükoosi keerukate keemiliste reaktsioonide seeriana ja ühendavad reaktsioonisaadused hapnikuga, et energiat energiasse salvestada adenosiintrifosfaat (ATP) molekulid. ATP molekule kasutatakse rakkude aktiivsuse tugevdamiseks ja need toimivad elusorganismide universaalse energiaallikana.

Kiire ülevaade

Inimeste rakuline hingamine algab seede- ja hingamissüsteemides. Toit seeditakse sooltes ja muundatakse glükoosiks. Hapnik imendub kopsudesse ja säilitatakse punastes verelibledes. Glükoos ja hapnik väljuvad vereringesüsteemi kaudu kehasse, et jõuda rakkudeni, mis vajavad energiat.

Rakud kasutavad energia tootmiseks vereringesüsteemist pärit glükoosi ja hapnikku. Nad tarnivad jäätmesaaduse, süsinikdioksiidi, tagasi punastesse verelibledesse ja süsinikdioksiid eraldub kopsude kaudu atmosfääri.

Kui seedeelundkond, hingamisteede ja vereringesüsteem mängivad olulist rolli inimese hingamises, toimub rakutasandil hingamine rakkudes ja mitokondrid rakkudest. Protsessi saab jagada kolmeks eraldi etapiks:

Rakkude üldises hingamisreaktsioonis tekitab iga glükoosimolekul 36 või 38 ATP molekuli, sõltuvalt lahtri tüübist. Inimeste rakuhingamine on pidev protsess ja nõuab pidevat hapnikuvarustust. Hapniku puudumisel peatub rakuline hingamisprotsess glükolüüsi juures.

Energiat hoitakse ATP fosfaatsidemetes

Rakkude hingamise eesmärk on toota ATP molekule läbi oksüdatsioon glükoos.

Näiteks on rakuhingamise valem 36 ATP molekuli tootmiseks glükoosimolekulist C₆H₁₂O₆ + 6O₂ = 6CO₂ + 6H₂O + energia (36ATP molekulid). ATP molekulid salvestavad energiat nende kolmes fosfaatrühma sidemed.

Raku toodetud energia salvestub kolmanda fosfaatrühma sidemesse, mis lisatakse ATP molekulidele rakulise hingamisprotsessi käigus. Kui energiat on vaja, purustatakse kolmas fosfaatside ja seda kasutatakse rakkude keemilisteks reaktsioonideks. An adenosiindifosfaat Kahe fosfaatrühmaga (ADP) molekul on jäänud.

Rakulise hingamise ajal kasutatakse oksüdatsiooniprotsessis saadud energiat ADP molekuli muutmiseks ATP-ks kolmanda fosfaatrühma lisamisega. ATP molekul on siis jälle valmis seda kolmandat sidet katkestama, et vabastada raku jaoks energiat.

Glükolüüs valmistab ette oksüdatsiooni

Glükolüüsi käigus jagatakse kuue süsiniku glükoosimolekul kaheks osaks, moodustades kaks püruvaat molekulid reaktsioonide seerias. Pärast glükoosimolekuli sisenemist rakku saavad selle kaks kolme süsiniku poolt eraldatud kahte fosfaatrühma kahes eraldi etapis.

Esiteks kaks ATP molekuli fosforülaat glükoosimolekuli kaks poolt, lisades mõlemale fosfaatrühma. Seejärel lisavad ensüümid glükoosimolekuli mõlemale poolele veel ühe fosfaatrühma, mille tulemuseks on kaks kolme süsiniku molekuli poolt kummaski kahte fosfaatrühma.

Kahe lõpliku ja paralleelse reaktsiooniseeria käigus kaotavad algse glükoosimolekuli kaks fosforüülitud kolme süsiniku poolt oma fosfaatrühmi, moodustades kaks püruvaatmolekuli. Glükoosimolekuli lõplik poolitamine vabastab energiat, mida kasutatakse fosfaatrühmade lisamiseks ADP molekulidele ja ATP moodustamiseks.

Mõlemad pooled glükoosimolekulidest kaotavad kaks fosfaatrühma ja toodavad püruvaatmolekuli ja kaks ATP-molekuli.

Asukoht

Glükolüüs toimub raku tsütosoolis, kuid ülejäänud raku hingamisprotsess liigub rakku mitokondrid. Glükolüüs ei vaja hapnikku, kuid kui püruvaat on liikunud mitokondritesse, on kõigil järgnevatel etappidel vaja hapnikku.

Mitokondrid on energiavabrikud, mis lasevad hapnikul ja püruvaadil siseneda läbi nende välismembraani ja lasevad reaktsioonisaadustel süsihappegaasil ja ATP-l väljuda tagasi rakku ja edasi vereringesüsteemi.

Krebsi sidrunhappe tsükkel toodab elektronide doonoreid

Sidrunhappe tsükkel on tsirkulaarsete keemiliste reaktsioonide seeria, mis tekitab NADH ja FADH₂ molekulid. Need kaks ühendit sisenevad järgmisesse rakulise hingamise etappi, st elektronide transpordiahelja annetage ahelas kasutatud algsed elektronid. Saadud NAD⁺ ja FAD ühendid viiakse tagasi sidrunhappe tsüklisse, et muuta need tagasi nende esialgseteks NADH ja FADH₂ vormid ja taaskasutatud.

Kui kolme süsiniku püruvaadi molekulid sisenevad mitokondritesse, kaotavad nad ühe süsiniku molekulist, moodustades süsinikdioksiidi ja kahe süsiniku ühendi. Seejärel see reaktsioonisaadus oksüdeeritakse ja ühendatakse koensüüm A moodustada kaks atsetüül CoA molekulid. Sidrunhappe tsükli vältel ühendatakse süsinikuühendid nelja süsiniku ühendiga, saades kuue süsiniku tsitraadi.

Reaktsioonide seerias eraldab tsitraat süsinikdioksiidina kaks süsinikuaatomit ja tekitab 3 NADH, 1 ATP ja 1 FADH₂ molekulid. Protsessi lõpus moodustub tsükkel uuesti algsest nelja süsiniku ühendist ja algab uuesti. Reaktsioonid toimuvad mitokondrite sisemuses ning NADH-is ja FADH-is₂ molekulid osalevad seejärel mitokondrite sisemisel membraanil asuvas elektronide transpordiahelas.

Elektronide transpordiahel toodab enamiku ATP molekulidest

Elektronide transpordiahel koosneb neljast valgukompleksid asub mitokondrite sisemisel membraanil. NADH annetab elektronid esimeseks valgukompleksiks, samal ajal kui FADH₂ annab oma elektronid teisele valgukompleksile. Valgukompleksid juhivad elektrone transpordiahelast allapoole, redutseerides-oksüdeerides või redoks reaktsioonid.

Energia vabaneb igal redoksstaadiumil ja iga valgukompleks kasutab seda pumpamiseks prootonid läbi mitokondriaalse membraani membraanivahelisse ruumi sisemise ja välimise membraani vahel. Elektronid läbivad neljanda ja viimase valgukompleksi, kus hapniku molekulid toimivad lõplike elektronide aktseptoritena. Kaks vesinikuaatomit ühinevad hapnikuaatomiga, moodustades veemolekulid.

Kui prootonite kontsentratsioon väljaspool sisemist membraani suureneb, an energiagradient See on loodud, kaldudes prootoneid tagasi membraani kaudu meelitama madalamale prootonikontsentratsioonile. Sisemembraani ensüüm, mida nimetatakse ATP süntaas pakub prootonitele tagasipääsu läbi sisemise membraani.

Kui prootonid läbivad ATP süntaasi, kasutab ensüüm prootonienergiat ADP muutmiseks ATP-ks, hoides prootoni energiat elektronide transpordiahelast ATP molekulides.

Inimeste rakuhingamine on keeruline kontseptsioon keerukate protsessidega

Rakulisel tasemel hingamist moodustavates keerukates bioloogilistes ja keemilistes protsessides osalevad ensüümid, prootonpumbad ja valgud, mis interakteeruvad molekulaarsel tasemel väga keerulistel viisidel. Kui glükoosi ja hapniku sisend on lihtsad ained, siis ensüümid ja valgud mitte.

Ülevaade glükolüüsist, Krebsi või sidrunhappe tsüklist ja elektronide ülekandeahelast aitab näidata, kuidas rakuline hingamine toimib põhitasemel, kuid nende etappide tegelik toimimine on palju keerulisem.

Rakulise hingamise protsessi kirjeldamine on kontseptuaalsel tasandil lihtsam. Keha võtab toitaineid ja hapnikku ning jaotab toidus sisalduva glükoosi ja hapniku üksikutele rakkudele vastavalt vajadusele. Rakud oksüdeerivad glükoosimolekule, saades keemilise energia, süsinikdioksiidi ja vee.

Energiat kasutatakse ADP molekuli kolmanda fosfaatrühma lisamiseks ATP moodustamiseks ja süsinikdioksiid elimineeritakse kopsude kaudu. Kolmandast fosfaatsidemest pärinevat ATP-energiat kasutatakse raku muude funktsioonide toiteks. See, kuidas rakuhingamine on kõigi muude inimtegevuse aluseks.