נשימה תאית אצל בני אדם

הַגדָרָה

נשימה תאית, המכונה גם אירובית ("אוויר"-יווני קדום - אוויר), מתארת ​​את פירוק חומרים מזינים כמו גלוקוז או חומצות שומן בבני אדם המשתמשים בחמצן (O2) כדי לייצר אנרגיה, הנחוצה להישרדות התאים. החומרים המזינים מתחמצנים, כלומר הם מפטרים אלקטרונים עם הפחתת חמצן, מה שאומר שהוא מקבל אלקטרונים. תוצרי הקצה הנובעים מהחמצן ומרכיבי התזונה הם פחמן דו חמצני (CO2) ומים (H2O).

תפקוד ומשימות הנשימה התאית

כל התהליכים בגוף האדם דורשים אנרגיה. פעילות גופנית, תפקוד מוח, פעימות לב, רוק או הכנת שיער, ואפילו עיכול - כל אלו דורשים אנרגיה לתפקוד.

בנוסף, הגוף זקוק לחמצן בכדי לשרוד. יש חשיבות מיוחדת לנשימה סלולרית כאן. בעזרת זה וחמצן הגז אפשר לגוף לשרוף חומרים עתירי אנרגיה ולקבל מהם את האנרגיה הנדרשת. החמצן עצמו אינו מספק לנו אנרגיה כלשהי, אך הוא נדרש לבצע את תהליכי הבעירה הכימית בגוף ולכן הוא חיוני להישרדותנו.

הגוף מכיר סוגים רבים של נושאי אנרגיה:

• גלוקוז (סוכר) הוא מקור האנרגיה העיקרי ואבן הבניין הבסיסית, כמו גם המוצר הסופי המפוצל מכל המזונות העמילניים.
• חומצות שומן וגליצרין הם תוצרי הסיום של פירוק השומנים וניתן להשתמש בהם גם בייצור אנרגיה
• הקבוצה האחרונה של מקורות אנרגיה היא חומצות האמינו שנשארות כתוצר של פירוק חלבונים. לאחר טרנספורמציה מסוימת בגוף ניתן להשתמש בהם גם בהנשמת תאים וכך לייצור אנרגיה

קרא עוד על זה תחת פעילות גופנית ושריפת שומן

מקור האנרגיה הנפוץ ביותר שמשמש את גוף האדם הוא גלוקוז. יש שרשרת של תגובות שמובילות בסופו של דבר למוצרים CO2 ו- H2O בצריכת חמצן. תהליך זה כולל את גליקוליזה, אז ה פיצול גלוקוז והעברת המוצר, פירובטה דרך שלב הביניים של אצטיל-CoA בתוך ה מעגל החומצה הציטרית (שם נרדף: מחזור חומצות לימון או מחזור קרבס). גם מוצרי הפירוק של חומרים מזינים אחרים כמו חומצות אמינו או חומצות שומן זורמים למחזור זה. נקרא התהליך בו חומצות השומן "נשברות" כך שיוכלו לזרום למחזור חומצות לימון חמצון בטא.

מחזור חומצת לימון הוא אפוא סוג של נקודת כניסה בה ניתן להזין את כל נשאי האנרגיה למטבוליזם האנרגטי. המחזור מתרחש ב- מיטוכונדריה במקום זאת, "תחנות כוח האנרגיה" של תאים אנושיים.

במהלך כל התהליכים הללו, אנרגיה מסוימת נצרכת בצורה של ATP, אך היא כבר מתקבלת, כפי שקורה למשל בגלייקוליזה. בנוסף, ישנם בעיקר מאגרי אנרגיה ביניים אחרים (למשל NADH, FADH2) שממלאים רק את תפקידם כמחסני אנרגיה ביניים במהלך ייצור אנרגיה. מולקולות האחסון הביניים הללו זורמות אז לשלב האחרון של הנשמת התא, כלומר שלב הזרחן החמצוני, הידוע גם כשרשרת הנשימה. זהו הצעד שאליו עבדו כל התהליכים עד כה. שרשרת הנשימה, המתרחשת גם במיטוכונדריה, מורכבת גם מכמה שלבים בהם משמשות לאחר מכן מולקולות האחסון הביניים העשירות באנרגיה בכדי לחלץ את נשא האנרגיה ATP לכל המטרה. בסך הכל, פירוק מולקולת גלוקוז אחת מביא לסך הכל 32 מולקולות ATP.

למעוניינים במיוחד

שרשרת הנשימה מכילה מתחמי חלבון שונים הממלאים כאן תפקיד מאוד מעניין. הם מתפקדים כמשאבות השואבות פרוטונים (יוני + H) לחלל הממברנה הכפולה המיטוכונדרית תוך צריכת מולקולות האחסון הביניים, כך שיש שם ריכוז גבוה של פרוטונים. זה גורם לשיפוע ריכוז בין חלל הבין-ממברנה למטריצה ​​המיטוכונדרית. בעזרת שיפוע זה יש בסופו של דבר מולקולת חלבון הפועלת באופן דומה לסוג של טורבינת מים. מונע על ידי שיפוע זה בפרוטונים, החלבון מסנתז מולקולת ATP מקבוצת ADP וקבוצת פוספטים.

תוכל למצוא מידע נוסף כאן: מהי שרשרת הנשימה?

ATP

ה אדנוזין טרי פוספט (ATP) הוא נושא האנרגיה של גוף האדם. כל האנרגיה הנובעת מהנשמה סלולרית מאוחסנת בתחילה בצורה של ATP. הגוף יכול להשתמש באנרגיה רק ​​אם הוא בצורה של מולקולת ATP.

אם האנרגיה של מולקולת ה- ATP מנוצלת, נוצר דיפוספט אדנוזין (ADP) מתוך ה- ATP, לפיו מתפצצת קבוצת פוספטים של המולקולה ומשתחררת אנרגיה. הנשימה סלולרית או ייצור אנרגיה משמשים את המטרה של התחדשות מתמדת של ה- ATP מה- ADP מה שנקרא כך שהגוף יוכל להשתמש בו שוב.

משוואת תגובה

בשל העובדה כי חומצות שומן הן באורכים שונים וכי לחומצות אמיניות יש גם מבנים שונים מאוד, לא ניתן להקים משוואה פשוטה לשתי קבוצות אלו כדי לאפיין במדויק את תפוקת האנרגיה שלהם בנשימה סלולרית. מכיוון שכל שינוי מבני יכול לקבוע באיזה שלב במחזור הציטראט זורמת חומצת האמינו.
פירוק חומצות השומן במה שמכונה חמצון בטא תלוי באורכן. ככל שחומצות השומן ארוכות יותר, ניתן להשיג מהן יותר אנרגיה. זה משתנה בין חומצות שומן רוויות ולא רוויות, כאשר חומצות בלתי רוויות מספקות פחות אנרגיה מינימלית, בתנאי שיש להם אותה כמות.

מהסיבות שכבר הוזכרו, ניתן לתאר בצורה הטובה ביותר משוואה לפירוק הגלוקוזה. זה יוצר בסך הכל 6 מולקולות פחמן דו חמצני (CO2) ו 6 מולקולות מים (H2O) ממולקולת גלוקוז (C6H12O6) ו 6 מולקולות חמצן (O2):

• C6H12O6 + 6 O2 הופכים ל 6 CO2 + 6 H2O

מה זה גליקוליזה?

גליקוליזה מתארת ​​את פירוק הגלוקוז, כלומר סוכר ענבים. מסלול מטבולי זה מתרחש בתאים אנושיים כמו גם באחרים, למשל. במקרה של שמרים בזמן התסיסה. המקום בו התאים מבצעים גליקוליזה נמצא בציטופלזמה. כאן יש אנזימים שמאיצים את תגובות הגליקוליזה על מנת לסנתז ישירות את ה- ATP ולספק את המצעים למחזור חומצות הלימון. תהליך זה יוצר אנרגיה בצורה של שתי מולקולות של ATP ושתי מולקולות של NADH + H +. גליקוליזה, יחד עם מחזור חומצות לימון ושרשרת הנשימה, ששניהם ממוקמים במיטוכונדריון, מייצגים את מסלול הפירוק של גלוקוז הסוכר הפשוט למוביל האנרגיה האוניברסלי ATP. גליקוליזה מתרחשת בציטוזול של כל תאי בעלי החיים והצמחים.התוצר הסופי של הגליקוליזה הוא פירובט, שאפשר להכניס אותו למחזור חומצות לימון דרך שלב ביניים.

בסך הכל, משתמשים ב -2 ATP לכל מולקולת גלוקוז בגיריקוליזה כדי להיות מסוגלים לבצע את התגובות. עם זאת, 4 ATP מתקבלים כך שיש למעשה רווח נקי של 2 מולקולות ATP.

גליקוליזה עשרה שלבי תגובה עד שסוכר עם 6 אטומי פחמן הופך לשתי מולקולות של פירובט, שכל אחת מורכבת משלושה אטומי פחמן. בארבעת שלבי התגובה הראשונים, הסוכר מומר לפרוקטוז-1,6-ביספוספט בעזרת שני פוספטים וסידור מחדש. סוכר מופעל זה מחולק כעת לשתי מולקולות עם שלוש אטומי פחמן כל אחת. סידורים נוספים והסרת שתי קבוצות הפוספטים מביאים בסופו של דבר לשני פירובטים. אם זמין כעת חמצן (O2), ניתן לחילוף חומרים נוסף של פירובט לאצטיל-CoA ולהכניסו למחזור חומצות לימון. בסך הכל, לגליקוליזה עם 2 מולקולות ATP ושתי מולקולות של NADH + H + יש תפוקת אנרגיה נמוכה יחסית. עם זאת, הוא מניח את התשתית לפירוק נוסף של הסוכר ולכן הוא חיוני לייצור ATP בהנשמת תאים.

בשלב זה הגיוני להפריד בין גליקוליזה אירובית ואנאירובית. גליקוליזה אירובית מובילה לפירובאט שתואר לעיל, ואז ניתן להשתמש בו לייצור אנרגיה.
לעומת זאת, בגליקוליזה האנאירובית, שמתרחשת בתנאים של מחסור בחמצן, כבר לא ניתן להשתמש בפירוב, מכיוון שמחזור חומצות לימון דורש חמצן. בהקשר של גליקוליזה נוצרת גם מולקולת האחסון הביניים NADH שהיא עשירה באנרגיה כשלעצמה ותזרום למחזור קרבס בתנאים אירוביים. עם זאת, מולקולת האב NAD + נחוצה לשמירה על גליקוליזה. זו הסיבה שהגוף "נושך" את "התפוח החמוץ" כאן וממיר את מולקולת האנרגיה הגבוהה זו לצורתה המקורית. הפירובה משמשת לביצוע התגובה. מה שנקרא לקטט או חומצה לקטית נוצר מהפירובט.

קרא עוד על זה תחת

• חומצת חלב
• סף אנאירובי

מהי שרשרת הנשימה?

שרשרת הנשימה היא החלק האחרון של מסלול פירוק הגלוקוז. לאחר חילוף החומרים של הסוכר במחזור הגליקוליזה וחומצה לימונית, לשרשרת הנשימה יש את הפונקציה של התחדשות מקבילות הפחתה (NADH + H + ו- FADH2) הנוצרות. זה יוצר את נשא האנרגיה האוניברסלי ATP (אדנוזין טריפוספט). בדומה למחזור חומצות לימון, שרשרת הנשימה ממוקמת במיטוכונדריה, אשר מכונה גם "תחנות הכוח של התא". שרשרת הנשימה מורכבת מחמישה מתחמי אנזים המשובצים בקרום המיטוכונדריאלי הפנימי. שני מתחמי האנזים הראשונים מחדשים כל אחד NADH + H + (או FADH2) ל- NAD + (או FAD). במהלך חמצון NADH + H +, ארבעה פרוטונים מועברים מחלל המטריצה ​​לחלל הבין-ממברני. שני פרוטונים מוזרמים גם לחלל הבין-ממברני לשלושת מתחמי האנזים הבאים. זה יוצר שיפוע ריכוז שמשמש לייצור ATP. למטרה זו, פרוטונים זורמים מהחלל הבין-ממברני דרך סינתז ATP בחזרה לחלל המטריצה. האנרגיה המופקת משמשת לייצור סוף סוף של ATP מ- ADP (אדנוזין דיפוספט) ופוספט. משימה נוספת של שרשרת הנשימה היא ליירט את האלקטרונים הנוצרים כתוצאה מחמצון של מקבילות ההפחתה. זה נעשה על ידי העברת האלקטרונים לחמצן. על ידי קירוב אלקטרונים, פרוטונים וחמצן, נוצרים מים רגילים במתחם האנזים הרביעי (ציטוכרום c אוקסידאז). זה גם מסביר מדוע שרשרת הנשימה יכולה להתקיים רק כאשר יש מספיק חמצן.

אילו משימות יש למיטוכונדריה בהנשמת תאים?

המיטוכונדריה הן אברונים שנמצאים רק בתאים אוקיארוטים. הם מכונים גם "תחנות הכוח של התא", שכן אצלם מתרחשת הנשמה של התא. התוצר הסופי של הנשימה התאית הוא ATP (אדנוזין טריפוספט). זהו נשא אנרגיה אוניברסלי הנדרש באורגניזם האנושי כולו. תאי המיטוכונדריה מהווים תנאי מוקדם להנשמת תאים. משמעות הדבר היא כי ישנם מרחבי תגובה נפרדים במיטוכונדריון. זה מושג על ידי קרום פנימי וחיצוני כך שיש חלל בין-ממברני וחלל מטריקס פנימי.

במהלך שרשרת הנשימה מועברים פרוטונים (יוני מימן, H +) לחלל הבין-ממברני, כך שמתעורר הבדל בריכוז הפרוטונים. פרוטונים אלה מגיעים ממקבילות הפחתה שונות, כמו NADH + H + ו- FADH2, המתחדשות בכך ל NAD + ו- FAD.

ATP synthase הוא האנזים האחרון בשרשרת הנשימה, שם מיוצר בסופו של דבר ATP. מונע על ידי הפרש הריכוז, הפרוטונים זורמים החלל הבין-ממברני דרך הסינתזה ATP לחלל המטריצה. זרימה של מטען חיובי משחררת אנרגיה המשמשת לייצור ATP מ- ADP (אדנוזין דיפוספט) ופוספט. המיטוכונדריה מתאימות במיוחד לשרשרת הנשימה, שכן יש להם שני מרחבי תגובה כתוצאה מהקרום הכפול. בנוסף, מסלולי חילוף חומרים רבים (גליקוליזה, מחזור חומצות לימון), המספקים את חומרי ההתחלה (NADH + H +, FADH2) לשרשרת הנשימה, מתרחשים במיטוכונדריון. קרבה מרחבית זו מהווה יתרון נוסף והופכת את המיטוכונדריה למקום האידיאלי להנשמת תאים.

כאן תוכלו לגלות הכל על נושא שרשרת הנשימה

איזון אנרגיה

ניתן לסכם את מאזן האנרגיה של הנשמת התאים במקרה של גלוקוז כדלקמן, עם היווצרות של 32 מולקולות ATP לגלוקוז:

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

(לשם הבהירות, ה- ADP ומשקעי הפוספט Pi הושמטו מהשקעים)

בתנאים אנאירוביים, כלומר מחסור בחמצן, מחזור חומצות לימון לא יכול לפעול ואפשר להשיג אנרגיה רק ​​באמצעות גליקוליזה אירובית:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP הופכים ל 2 לקטט + 2 ATP. + 2 H2O. כך שרק כ -6% מהפרופורציה מתקבלת לכל מולקולת גלוקוז, כמו במקרה של גליקוליזה אירובית.

מחלות הקשורות בנשימה סלולרית

ה נשימה תאית חיונית להישרדותכְּלוֹמַר כי מוטציות רבות בגנים האחראיות לחלבוני הנשימה של התא, למשל אנזימים של גליקוליזה, קידוד, קטלניים (קָטלָנִי) הם. עם זאת, מחלות גנטיות של הנשמת תאים אכן מתרחשות. אלה יכולים לנבוע מ- DNA גרעיני או מ- DNA מיטוכונדריאלי. המיטוכונדריה עצמן מכילה חומר גנטי משלהן, ההכרחי להנשמת תאים. עם זאת, מחלות אלה מראות סימפטומים דומים, מכיוון שלכולם יש דבר אחד משותף: הם מתערבים בנשימה סלולרית ומשבשים אותה.

מחלות נשימה סלולריות לרוב מראות תסמינים קליניים דומים. זה חשוב במיוחד כאן הפרעות ברקמות, שזקוקים לאנרגיה רבה. אלה כוללים במיוחד תאי עצב, שריר, לב, כליות וכבד. תסמינים כמו חולשת שרירים או סימנים של נזק מוחי מופיעים לרוב גם בגיל צעיר, אם לא בזמן הלידה. מדבר גם בולט חמצת לקטית (החמצת יתר של הגוף בעזרת לקט, המצטברת מכיוון שלא ניתן לפרק את הפירובה מספיק במחזור חומצות הלימון). איברים פנימיים יכולים גם הם תקלה.

אבחון וטיפול במחלות של נשימה תאית צריכים להתבצע על ידי מומחים, מכיוון שהתמונה הקלינית יכולה להיות מגוונת ושונה מאוד. נכון להיום זה עדיין אין טיפול סיבתי ומרפא נותן. ניתן לטפל במחלות רק באופן סימפטומטי.

מכיוון שה- DNA המיטוכונדרי מועבר מאם לילדים בצורה מאוד מסובכת, נשים הסובלות ממחלה של הנשימה התאית צריכות לפנות למומחה אם הן רוצות להביא ילדים לעולם, מכיוון שרק הן יכולות להעריך את ההסתברות לירושה.