Cellulaire ademhaling bij mensen

definitie

Celademhaling, ook wel aëroob genoemd (van het oude Griekse "aer" - lucht), beschrijft de afbraak van voedingsstoffen zoals glucose of vetzuren bij mensen die zuurstof (O2) gebruiken om energie op te wekken, wat nodig is voor het overleven van cellen. De voedingsstoffen zijn geoxideerd, d.w.z. ze geven elektronen af ​​als zuurstof wordt verminderd, wat betekent dat het elektronen accepteert. De eindproducten die ontstaan ​​uit de zuurstof en voedingsstoffen zijn kooldioxide (CO2) en water (H2O).

Functie en taken van cellulaire ademhaling

Alle processen in het menselijk lichaam hebben energie nodig. Lichaamsbeweging, hersenfunctie, het kloppen van het hart, het maken van speeksel of haar en zelfs de spijsvertering hebben allemaal energie nodig om te functioneren.

Bovendien heeft het lichaam zuurstof nodig om te overleven. Cellulaire ademhaling is hier van bijzonder belang. Met behulp hiervan en het gaszuurstof is het voor het lichaam mogelijk om energierijke stoffen te verbranden en de benodigde energie daaruit te halen. Zuurstof zelf geeft ons geen energie, maar is nodig om de chemische verbrandingsprocessen in het lichaam uit te voeren en is daarom essentieel voor ons voortbestaan.

Het lichaam kent veel verschillende soorten energiedragers:

• Glucose (suiker) is de belangrijkste energiebron en basisbouwsteen, evenals het eindproduct dat wordt afgesplitst van alle zetmeelrijke voedingsmiddelen
• Vetzuren en glycerine zijn de eindproducten van de afbraak van vetten en kunnen ook worden gebruikt bij de productie van energie
• De laatste groep energiebronnen zijn de aminozuren die overblijven als product van eiwitafbraak. Na een bepaalde transformatie in het lichaam kunnen deze ook gebruikt worden bij celademhaling en dus voor energieopwekking

Lees hier meer over onder Oefening en vetverbranding

De meest voorkomende energiebron die door het menselijk lichaam wordt gebruikt, is glucose. Er is een kettingreactie die uiteindelijk leidt tot de producten CO2 en H2O met het verbruik van zuurstof. Dit proces omvat de Glycolyse, dus de Splitsing van glucose en de overdracht van het product, de Pyruvaat via de tussenstap van de Acetyl COA in de Citroenzuur cyclus (Synoniem: citroenzuurcyclus of Krebs-cyclus). De afbraakproducten van andere voedingsstoffen zoals aminozuren of vetzuren stromen ook in deze cyclus. Het proces waarbij de vetzuren worden "afgebroken", zodat ze ook in de citroenzuurcyclus kunnen stromen, wordt genoemd Beta-oxidatie.

De citroenzuurcyclus is dus een soort inlaatpunt waar alle energiedragers in de energiestofwisseling kunnen worden ingevoerd. De cyclus vindt plaats in de Mitochondriën in plaats daarvan de "energiecentrales" van menselijke cellen.

Bij al deze processen wordt er wel wat energie verbruikt in de vorm van ATP, maar die wordt al gewonnen, zoals bijvoorbeeld bij glycolyse. Daarnaast zijn er overwegend andere tussenliggende energieopslagplaatsen (bijv.NADH, FADH2) die tijdens de energieopwekking alleen hun functie als tussenliggende energieopslag vervullen. Deze tussenopslagmoleculen stromen vervolgens naar de laatste stap van celademhaling, namelijk de stap van oxidatieve fosforylering, ook wel bekend als de ademhalingsketen. Dit is de stap waar alle processen tot nu toe naartoe hebben gewerkt. De ademhalingsketen, die ook in de mitochondriën plaatsvindt, bestaat ook uit meerdere stappen waarbij de energierijke tussenopslagmoleculen vervolgens worden gebruikt om de universele energiedrager ATP te extraheren. In totaal resulteert de afbraak van één glucosemolecuul in totaal 32 ATP-moleculen.

Voor degenen die bijzonder geïnteresseerd zijn

De ademhalingsketen bevat verschillende eiwitcomplexen die hier een zeer interessante rol spelen. Ze functioneren als pompen die protonen (H + -ionen) in de holte van het mitochondriale dubbele membraan pompen terwijl ze de tussenopslagmoleculen consumeren, zodat daar een hoge concentratie protonen is. Dit veroorzaakt een concentratiegradiënt tussen de intermembraanruimte en de mitochondriale matrix. Met behulp van deze gradiënt is er uiteindelijk een eiwitmolecuul dat op dezelfde manier werkt als een soort waterturbine. Gedreven door deze gradiënt in protonen, synthetiseert het eiwit een ATP-molecuul uit een ADP- en een fosfaatgroep.

Hier vindt u meer informatie: Wat is de ademhalingsketen?

ATP

De Adenosine trifosfaat (ATP) is de energiedrager van het menselijk lichaam. Alle energie die voortkomt uit cellulaire ademhaling wordt aanvankelijk opgeslagen in de vorm van ATP. Het lichaam kan de energie alleen gebruiken als het de vorm heeft van het ATP-molecuul.

Als de energie van het ATP-molecuul wordt opgebruikt, ontstaat uit het ATP adenosinedifosfaat (ADP), waarbij een fosfaatgroep van het molecuul wordt afgesplitst en energie vrijkomt. Cellulaire ademhaling of energieopwekking dient om continu het ATP uit het zogenaamde ADP te regenereren, zodat het lichaam het weer kan gebruiken.

Reactievergelijking

Doordat vetzuren verschillende lengtes hebben en aminozuren ook heel verschillende structuren hebben, is het niet mogelijk om voor deze twee groepen een simpele vergelijking op te stellen om hun energieopbrengst bij cellulaire ademhaling precies te karakteriseren. Omdat elke structurele verandering kan bepalen in welke stap van de citraatcyclus het aminozuur stroomt.
De afbraak van vetzuren bij de zogenaamde bèta-oxidatie is afhankelijk van hun lengte. Hoe langer de vetzuren, hoe meer energie er uit gewonnen kan worden. Dit varieert tussen verzadigde en onverzadigde vetzuren, waarbij onverzadigde vetzuren minimaal minder energie leveren, mits ze dezelfde hoeveelheid hebben.

Om de reeds genoemde redenen kan een vergelijking het beste worden beschreven voor de afbraak van glucose. Hierdoor ontstaan ​​in totaal 6 koolstofdioxidemoleculen (CO2) en 6 watermoleculen (H2O) uit een glucosemolecuul (C6H12O6) en 6 zuurstofmoleculen (O2):

• C6H12O6 + 6 O2 wordt 6 CO2 + 6 H2O

Wat is glycolyse?

Glycolyse beschrijft de afbraak van glucose, d.w.z. druivensuiker. Deze metabolische route vindt plaats in menselijke cellen evenals in andere, b.v. in het geval van gist tijdens fermentatie. De plaats waar cellen glycolyse uitvoeren, is in het cytoplasma. Hier zijn er enzymen die de glycolysereacties versnellen om zowel ATP direct te synthetiseren als om de substraten voor de citroenzuurcyclus te leveren. Dit proces creëert energie in de vorm van twee moleculen ATP en twee moleculen NADH + H +. Glycolyse, samen met de citroenzuurcyclus en de ademhalingsketen, die beide in het mitochondrion zijn gelokaliseerd, vertegenwoordigen de afbraak van de enkelvoudige suikerglucose naar de universele energiedrager ATP. Glycolyse vindt plaats in het cytosol van alle dierlijke en plantencellen.Het eindproduct van glycolyse is pyruvaat, dat vervolgens via een tussenstap in de citroenzuurcyclus kan worden gebracht.

In totaal worden bij de glycolyse 2 ATP's per glucosemolecuul gebruikt om de reacties te kunnen uitvoeren. Er wordt echter 4 ATP verkregen zodat er effectief een netto winst is van 2 ATP-moleculen.

Glycolyse tien reactiestappen totdat een suiker met 6 koolstofatomen verandert in twee moleculen pyruvaat, elk samengesteld uit drie koolstofatomen. In de eerste vier reactiestappen wordt de suiker met behulp van twee fosfaten en een omlegging omgezet in fructose-1,6-bisfosfaat. Deze geactiveerde suiker is nu opgesplitst in twee moleculen met elk drie koolstofatomen. Verdere herrangschikkingen en verwijdering van de twee fosfaatgroepen resulteren uiteindelijk in twee pyruvaten. Als er nu zuurstof (O2) beschikbaar is, kan het pyruvaat verder worden gemetaboliseerd tot acetyl-CoA en in de citroenzuurcyclus worden gebracht. Over het algemeen heeft glycolyse met 2 moleculen ATP en twee moleculen NADH + H + een relatief lage energieopbrengst. Het legt echter de basis voor de verdere afbraak van suiker en is daarom essentieel voor de aanmaak van ATP bij celademhaling.

Op dit punt is het zinvol om aërobe en anaërobe glycolyse te scheiden. Aërobe glycolyse leidt tot het hierboven beschreven pyruvaat, dat vervolgens kan worden gebruikt om energie op te wekken.
De anaërobe glycolyse daarentegen, die plaatsvindt onder omstandigheden van zuurstoftekort, kan het pyruvaat niet meer gebruiken, aangezien de citroenzuurcyclus zuurstof nodig heeft. In de context van glycolyse wordt ook het molecuul voor tussenopslag NADH gecreëerd, dat op zichzelf energierijk is en ook onder aërobe omstandigheden in de Krebs-cyclus zou stromen. Het moedermolecuul NAD + is echter nodig om de glycolyse te behouden. Daarom “bijt” het lichaam hier de “zure appel” en zet dit hoogenergetische molecuul terug in zijn oorspronkelijke vorm. Het pyruvaat wordt gebruikt om de reactie uit te voeren. Uit het pyruvaat wordt het zogenaamde lactaat of melkzuur gevormd.

Lees hier meer over onder

• Melk geven
• Anaërobe drempel

Wat is de ademhalingsketen?

De ademhalingsketen is het laatste deel van het afbraakpad van glucose. Nadat de suiker is gemetaboliseerd in de glycolyse en de citroenzuurcyclus, heeft de ademhalingsketen de functie om de reductie-equivalenten (NADH + H + en FADH2) die ontstaan ​​te regenereren. Hierdoor ontstaat de universele energiedrager ATP (adenosinetrifosfaat). Net als de citroenzuurcyclus bevindt de ademhalingsketen zich in de mitochondriën, die daarom ook wel de "energiecentrales van de cel" worden genoemd. De ademhalingsketen bestaat uit vijf enzymcomplexen die zijn ingebed in het binnenste mitochondriale membraan. De eerste twee enzymcomplexen regenereren elk NADH + H + (of FADH2) tot NAD + (of FAD). Tijdens de oxidatie van NADH + H + worden vier protonen vanuit de matrixruimte naar de intermembraanruimte getransporteerd. Twee protonen worden ook in de intermembraanruimte gepompt voor de volgende drie enzymcomplexen. Dit creëert een concentratiegradiënt die wordt gebruikt om ATP te produceren. Hiervoor stromen protonen vanuit de intermembraanruimte via een ATP-synthase terug in de matrixruimte. De vrijgekomen energie wordt gebruikt om uiteindelijk ATP te produceren uit ADP (adenosinedifosfaat) en fosfaat. Een andere taak van de ademhalingsketen is het onderscheppen van de elektronen die worden gegenereerd door de oxidatie van de reductie-equivalenten. Dit wordt gedaan door de elektronen om te zetten in zuurstof. Door elektronen, protonen en zuurstof samen te brengen, ontstaat normaal water in het vierde enzymcomplex (cytochroom c oxidase). Dit verklaart ook waarom de ademhalingsketen alleen kan plaatsvinden als er voldoende zuurstof is.

Welke taken hebben de mitochondriën bij celademhaling?

De mitochondriën zijn organellen die alleen in eukaryote cellen voorkomen. Ze worden ook wel de "energiecentrales van de cel" genoemd, omdat daar celademhaling plaatsvindt. Het eindproduct van cellulaire ademhaling is ATP (adenosinetrifosfaat). Dit is een universele energiedrager die nodig is in het hele menselijke organisme. De compartimenten van de mitochondriën zijn een voorwaarde voor celademhaling. Dit betekent dat er aparte reactieruimten zijn in het mitochondrion. Dit wordt bereikt door een binnen- en een buitenmembraan zodat er een intermembraanruimte en een binnenmatrixruimte is.

In de loop van de ademhalingsketen worden protonen (waterstofionen, H +) naar de intermembrane ruimte getransporteerd, waardoor een verschil in concentratie van protonen ontstaat. Deze protonen zijn afkomstig van verschillende reductie-equivalenten, zoals NADH + H + en FADH2, die daardoor worden geregenereerd tot NAD + en FAD.

ATP-synthase is het laatste enzym in de ademhalingsketen, waar uiteindelijk ATP wordt geproduceerd. Gedreven door het verschil in concentratie stromen de protonen vanuit de intermembrane ruimte door de ATP-synthase naar de matrixruimte. Deze stroom positieve lading maakt energie vrij die wordt gebruikt om ATP te produceren uit ADP (adenosinedifosfaat) en fosfaat. De mitochondriën zijn bijzonder geschikt voor de ademhalingsketen, omdat ze door het dubbele membraan twee reactieruimtes hebben. Bovendien vinden veel metabole routes (glycolyse, citroenzuurcyclus) plaats in het mitochondrium, die de uitgangsmaterialen (NADH + H +, FADH2) voor de ademhalingsketen leveren. Deze ruimtelijke nabijheid is een ander voordeel en maakt de mitochondriën de ideale plaats voor celademhaling.

Hier kom je alles te weten over het onderwerp ademhalingsketen

Energiebalans

De energiebalans van celademhaling in het geval van glucose kan als volgt worden samengevat, met de vorming van 32 ATP-moleculen per glucose:

C6H12O6 + 6 O2 wordt 6 CO2 + 6 H2O + 32 ATP

(Voor de duidelijkheid zijn de ADP en het fosfaatresidu Pi weggelaten uit de educten)

Onder anaerobe omstandigheden, d.w.z. zuurstofgebrek, kan de citroenzuurcyclus niet lopen en kan alleen energie worden verkregen via aërobe glycolyse:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP worden 2 lactaat + 2 ATP. + 2 H2O. Dus slechts ongeveer 6% van het aandeel wordt per glucosemolecuul verkregen, zoals het geval zou zijn bij aërobe glycolyse.

Ziekten die verband houden met cellulaire ademhaling

De Cellulaire ademhaling is essentieel om te overlevend.w.z. dat veel mutaties in de genen die verantwoordelijk zijn voor de eiwitten van celademhaling, b.v. Enzymen van glycolyse, codering, dodelijk (dodelijk) zijn. Er komen echter wel erfelijke ziekten van celademhaling voor. Deze kunnen afkomstig zijn van nucleair DNA of van mitochondriaal DNA. De mitochondriën bevatten zelf hun eigen genetisch materiaal, dat nodig is voor celademhaling. Deze ziekten vertonen echter vergelijkbare symptomen, omdat ze allemaal één ding gemeen hebben: ze grijpen in in de cellulaire ademhaling en verstoren deze.

Cellulaire luchtwegaandoeningen vertonen vaak vergelijkbare klinische symptomen. Het is hier vooral belangrijk Aandoeningen van weefsels, die veel energie nodig hebben. Deze omvatten met name de zenuw-, spier-, hart-, nier- en levercellen. Symptomen zoals spierzwakte of tekenen van hersenbeschadiging treden vaak op, zelfs op jonge leeftijd, zo niet bij de geboorte. Spreekt ook een uitgesproken Melkzuuracidose (Een oververzuring van het lichaam met lactaat, die zich ophoopt omdat het pyruvaat niet voldoende kan worden afgebroken in de citroenzuurcyclus). Inwendige organen kunnen ook defect raken.

De diagnose en therapie van ziekten van cellulaire ademhaling moet worden uitgevoerd door specialisten, omdat het klinische beeld zeer divers en verschillend kan zijn. Vanaf vandaag is het nog steeds geen causale en curatieve therapie geeft. De ziekten kunnen alleen symptomatisch worden behandeld.

Omdat het mitochondriaal DNA op een zeer gecompliceerde manier van moeder op kinderen wordt overgedragen, moeten vrouwen die lijden aan een ziekte van de cellulaire ademhaling een specialist raadplegen als ze kinderen willen krijgen, omdat alleen zij de kans op overerving kunnen inschatten.