Inhalt
- Ein kurzer Überblick
- Energie wird in den ATP-Phosphatbindungen gespeichert
- Glykolyse bereitet den Weg zur Oxidation
- Lage
- Der Krebs-Zitronensäure-Zyklus produziert Elektronendonoren
- Die Elektronentransportkette produziert die meisten ATP-Moleküle
- Zellatmung beim Menschen ist ein einfaches Konzept mit komplexen Prozessen
Der Zweck der Zellatmung besteht darin, Glukose aus Lebensmitteln in Energie umzuwandeln.
Zellen bauen Glukose in einer Reihe komplexer chemischer Reaktionen ab und kombinieren die Reaktionsprodukte mit Sauerstoff, um Energie zu speichern Adenosintriphosphat (ATP) Moleküle. Die ATP-Moleküle werden verwendet, um die Zellaktivitäten anzutreiben und dienen als universelle Energiequelle für lebende Organismen.
Ein kurzer Überblick
Die Zellatmung beim Menschen beginnt im Verdauungs- und Atmungssystem. Nahrung wird im Darm verdaut und in Glukose umgewandelt. Sauerstoff wird in der Lunge absorbiert und in roten Blutkörperchen gespeichert. Die Glukose und der Sauerstoff wandern durch das Kreislaufsystem in den Körper aus, um Zellen zu erreichen, die Energie benötigen.
Die Zellen nutzen die Glukose und den Sauerstoff aus dem Kreislaufsystem zur Energieerzeugung. Sie geben das Abfallprodukt Kohlendioxid an die roten Blutkörperchen zurück und das Kohlendioxid wird über die Lunge an die Atmosphäre abgegeben.
Während das Verdauungs-, Atmungs- und Kreislaufsystem eine wichtige Rolle bei der menschlichen Atmung spielt, findet die Atmung auf zellulärer Ebene in den Zellen und im Organismus statt Mitochondrien der Zellen. Der Prozess kann in drei verschiedene Schritte unterteilt werden:
In der gesamten Zellatmungsreaktion produziert jedes Glucosemolekül 36 oder 38 Moleküle ATP, abhängig vom Zelltyp. Die Zellatmung beim Menschen ist ein kontinuierlicher Prozess und erfordert eine kontinuierliche Versorgung mit Sauerstoff. In Abwesenheit von Sauerstoff stoppt der Zellatmungsprozess bei der Glykolyse.
Energie wird in den ATP-Phosphatbindungen gespeichert
Der Zweck der Zellatmung ist die Produktion von ATP - Molekülen durch die Oxidation von Glukose.
Beispielsweise lautet die Zellatmungsformel zur Herstellung von 36 ATP-Molekülen aus einem Glucosemolekül C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + Energie (36ATP Moleküle). Die ATP-Moleküle speichern Energie in ihren drei Phosphatgruppenbindungen.
Die von der Zelle erzeugte Energie wird in der Bindung der dritten Phosphatgruppe gespeichert, die den ATP-Molekülen während des Zellatmungsprozesses hinzugefügt wird. Wenn die Energie benötigt wird, wird die dritte Phosphatbindung aufgebrochen und für zellchemische Reaktionen verwendet. Ein Adenosindiphosphat (ADP) -Molekül mit zwei Phosphatgruppen verbleibt.
Während der Zellatmung wird die Energie des Oxidationsprozesses genutzt, um das ADP-Molekül durch Hinzufügen einer dritten Phosphatgruppe wieder in ATP umzuwandeln. Das ATP-Molekül ist dann wieder bereit, diese dritte Bindung aufzubrechen, um Energie für die Zelle freizusetzen.
Glykolyse bereitet den Weg zur Oxidation
Bei der Glykolyse wird ein Glucosemolekül mit sechs Kohlenstoffatomen in zwei Teile geteilt, um zwei zu bilden Pyruvat Moleküle in einer Reihe von Reaktionen. Nachdem das Glucosemolekül in die Zelle gelangt ist, erhalten seine beiden Hälften mit drei Kohlenstoffatomen in zwei getrennten Schritten jeweils zwei Phosphatgruppen.
Erstens zwei ATP-Moleküle Phosphorylat die zwei Hälften des Glucosemoleküls durch Hinzufügen einer Phosphatgruppe zu jeder. Dann fügen Enzyme jeder Hälfte des Glucosemoleküls eine weitere Phosphatgruppe hinzu, was zu zwei Hälften mit drei Kohlenstoffmolekülen mit jeweils zwei Phosphatgruppen führt.
In zwei abschließenden und parallelen Reaktionsserien verlieren die beiden phosphorylierten Dreikohlenstoffhälften des ursprünglichen Glucosemoleküls ihre Phosphatgruppen und bilden die beiden Pyruvatmoleküle. Die endgültige Spaltung des Glucosemoleküls setzt Energie frei, mit der die Phosphatgruppen zu ADP-Molekülen addiert werden und ATP gebildet wird.
Jede Hälfte des Glucosemoleküls verliert seine zwei Phosphatgruppen und produziert das Pyruvatmolekül und zwei ATP-Moleküle.
Lage
Die Glykolyse findet im Zellzytosol statt, der Rest des zellulären Atmungsprozesses wandert jedoch in das Mitochondrien. Für die Glykolyse wird kein Sauerstoff benötigt, aber sobald das Pyruvat in die Mitochondrien gelangt ist, wird für alle weiteren Schritte Sauerstoff benötigt.
Die Mitochondrien sind die Energiefabriken, die Sauerstoff und Pyruvat durch ihre äußere Membran eintreten lassen und dann die Reaktionsprodukte Kohlendioxid und ATP zurück in die Zelle und weiter in das Kreislaufsystem gelangen lassen.
Der Krebs-Zitronensäure-Zyklus produziert Elektronendonoren
Der Zitronensäurezyklus ist eine Reihe von chemischen Kreisreaktionen, die NADH und FADH erzeugen2 Moleküle. Diese beiden Verbindungen treten in den nachfolgenden Schritt der Zellatmung ein, die Elektronentransportkette, und spenden Sie die in der Kette verwendeten Anfangselektronen. Das resultierende NAD+ und FAD-Verbindungen werden in den Zitronensäurezyklus zurückgeführt, um zu ihrem ursprünglichen NADH und FADH zurückzukehren2 Formen und recycelt.
Wenn die Drei-Kohlenstoff-Pyruvatmoleküle in die Mitochondrien gelangen, verlieren sie eines ihrer Kohlenstoffmoleküle und bilden Kohlendioxid und eine Zwei-Kohlenstoff-Verbindung. Dieses Reaktionsprodukt wird anschließend oxidiert und mit diesem verbunden Coenzym A zwei bilden Acetyl-CoA Moleküle. Während des Zitronensäurezyklus werden die Kohlenstoffverbindungen mit einer Vier-Kohlenstoff-Verbindung verbunden, um ein Sechs-Kohlenstoff-Citrat herzustellen.
In einer Reihe von Reaktionen setzt das Citrat zwei Kohlenstoffatome als Kohlendioxid frei und erzeugt 3 NADH, 1 ATP und 1 FADH2 Moleküle. Am Ende des Prozesses stellt der Zyklus die ursprüngliche Vier-Kohlenstoff-Verbindung wieder her und beginnt erneut. Die Reaktionen finden im Inneren der Mitochondrien sowie im NADH und FADH statt2 Moleküle nehmen dann an der Elektronentransportkette auf der inneren Membran der Mitochondrien teil.
Die Elektronentransportkette produziert die meisten ATP-Moleküle
Die Elektronentransportkette besteht aus vier Proteinkomplexe befindet sich auf der inneren Membran der Mitochondrien. NADH spendet Elektronen an den ersten Proteinkomplex während FADH2 gibt seine Elektronen an den zweiten Proteinkomplex ab. Die Proteinkomplexe leiten die Elektronen in einer Reihe von Reduktions- oder Oxidationsprozessen die Transportkette entlang Redox Reaktionen.
Während jeder Redoxstufe wird Energie freigesetzt und jeder Proteinkomplex verwendet sie zum Pumpen Protonen über die Mitochondrienmembran in den Zwischenmembranraum zwischen Innen- und Außenmembran. Die Elektronen gelangen zum vierten und letzten Proteinkomplex, wo Sauerstoffmoleküle als letzte Elektronenakzeptoren fungieren. Zwei Wasserstoffatome verbinden sich mit einem Sauerstoffatom zu Wassermolekülen.
Wenn die Protonenkonzentration außerhalb der inneren Membran zunimmt, wird an Energiegradient wird hergestellt, was dazu neigt, die Protonen über die Membran zurück zu der Seite zu ziehen, die die niedrigere Protonenkonzentration aufweist. Ein inneres Membranenzym genannt ATP-Synthase bietet den Protonen eine Passage zurück durch die innere Membran.
Während die Protonen die ATP-Synthase passieren, wandelt das Enzym mithilfe der Protonenenergie ADP in ATP um und speichert die Protonenenergie aus der Elektronentransportkette in den ATP-Molekülen.
Zellatmung beim Menschen ist ein einfaches Konzept mit komplexen Prozessen
Bei den komplexen biologischen und chemischen Prozessen, die die Atmung auf zellulärer Ebene ausmachen, interagieren Enzyme, Protonenpumpen und Proteine auf molekularer Ebene auf sehr komplizierte Weise. Während die Einträge von Glukose und Sauerstoff einfache Substanzen sind, sind es die Enzyme und Proteine nicht.
Ein Überblick über die Glykolyse, den Krebs- oder Zitronensäurekreislauf und die Elektronentransferkette zeigt, wie die Zellatmung auf einer grundlegenden Ebene funktioniert. Die tatsächliche Funktionsweise dieser Stadien ist jedoch viel komplexer.
Die Beschreibung des Prozesses der Zellatmung ist konzeptionell einfacher. Der Körper nimmt Nährstoffe und Sauerstoff auf und verteilt die Glukose in der Nahrung und den Sauerstoff nach Bedarf an die einzelnen Zellen. Die Zellen oxidieren die Glucosemoleküle, um chemische Energie, Kohlendioxid und Wasser zu erzeugen.
Die Energie wird zur Addition einer dritten Phosphatgruppe an ein ADP-Molekül zur Bildung von ATP verwendet, und das Kohlendioxid wird über die Lunge ausgeschieden. ATP-Energie aus der dritten Phosphatbindung wird verwendet, um andere Zellfunktionen anzutreiben. So bildet die Zellatmung die Grundlage für alle anderen menschlichen Aktivitäten.