Hô hấp tế bào ở người

Định nghĩa

Hô hấp tế bào, còn được gọi là hiếu khí (từ tiếng Hy Lạp cổ đại "aer" - không khí), mô tả sự phân hủy các chất dinh dưỡng như glucose hoặc axit béo ở người bằng cách sử dụng oxy (O2) để tạo ra năng lượng, cần thiết cho sự tồn tại của tế bào. Trong quá trình này, các chất dinh dưỡng bị ôxy hóa, tức là chúng tạo ra các điện tử, trong khi ôxy bị khử, có nghĩa là nó nhận các điện tử. Các sản phẩm cuối cùng phát sinh từ oxy và chất dinh dưỡng là carbon dioxide (CO2) và nước (H2O).

Chức năng và nhiệm vụ của hô hấp tế bào

Tất cả các quá trình trong cơ thể con người đều cần năng lượng. Tập thể dục, chức năng não, nhịp đập của tim, tiết nước bọt hoặc làm tóc, và thậm chí cả tiêu hóa đều cần năng lượng để hoạt động.

Ngoài ra, cơ thể cần oxy để tồn tại. Hô hấp tế bào có tầm quan trọng đặc biệt ở đây. Với sự trợ giúp của khí này và khí oxy, cơ thể có thể đốt cháy các chất giàu năng lượng và thu được năng lượng cần thiết từ chúng. Bản thân oxy không cung cấp cho chúng ta bất kỳ năng lượng nào, nhưng nó được yêu cầu để thực hiện các quá trình đốt cháy hóa học trong cơ thể và do đó rất cần thiết cho sự tồn tại của chúng ta.

Cơ thể biết nhiều loại chất mang năng lượng khác nhau:

• Glucose (đường) là chất vận chuyển năng lượng chính và khối xây dựng cơ bản cũng như sản phẩm cuối cùng được tách ra từ tất cả các loại thực phẩm giàu tinh bột
• Axit béo và glycerine là sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy chất béo và cũng có thể được sử dụng trong sản xuất năng lượng
• Nhóm chất mang năng lượng cuối cùng là các axit amin, còn lại là sản phẩm của quá trình phân hủy protein. Sau một quá trình biến đổi nhất định trong cơ thể, chúng cũng có thể được sử dụng trong quá trình hô hấp của tế bào và do đó để tạo ra năng lượng

Đọc thêm về điều này dưới Tập thể dục và đốt cháy chất béo

Nguồn năng lượng phổ biến nhất được cơ thể con người sử dụng là glucose. Có một chuỗi phản ứng cuối cùng dẫn đến các sản phẩm CO2 và H2O với sự tiêu thụ oxy. Quá trình này bao gồm Glycolysis, nên Phân tách glucose và việc chuyển giao sản phẩm, Pyruvate thông qua bước trung gian của Acetyl-CoA bên trong Chu trình axit xitric (Từ đồng nghĩa: chu trình axit xitric hoặc chu trình Krebs). Các sản phẩm phân hủy của các chất dinh dưỡng khác như axit amin hoặc axit béo cũng chảy vào chu trình này. Quá trình trong đó các axit béo bị "phá vỡ" để chúng cũng có thể chảy vào chu trình axit xitric được gọi là Quá trình oxy hóa beta.

Do đó, chu trình axit xitric là một loại điểm đầu vào, nơi tất cả các nguồn năng lượng có thể được đưa vào quá trình chuyển hóa năng lượng. Chu kỳ diễn ra trong Ti thể thay vào đó là các "nhà máy điện năng lượng" của tế bào con người.

Trong tất cả các quá trình này, một số năng lượng được tiêu thụ dưới dạng ATP, nhưng nó đã được thu nhận, ví dụ như trong trường hợp đường phân. Ngoài ra, chủ yếu có các kho dự trữ năng lượng trung gian khác (ví dụ NADH, FADH2) chỉ thực hiện chức năng của chúng như là các kho dự trữ năng lượng trung gian trong quá trình tạo ra năng lượng. Các phân tử lưu trữ trung gian này sau đó chảy vào bước cuối cùng của quá trình hô hấp tế bào, cụ thể là bước của quá trình phosphoryl hóa oxy hóa, còn được gọi là chuỗi hô hấp. Đây là bước mà tất cả các quy trình đã hoạt động cho đến nay. Chuỗi hô hấp, cũng diễn ra trong ti thể, cũng bao gồm một số bước, trong đó chất mang năng lượng cho tất cả các mục đích ATP sau đó được lấy từ các phân tử dự trữ trung gian giàu năng lượng. Tổng cộng, sự phân hủy của một phân tử glucose tạo ra tổng số 32 phân tử ATP.

Đối với những người đặc biệt quan tâm

Chuỗi hô hấp chứa nhiều phức hợp protein khác nhau đóng một vai trò rất thú vị ở đây. Chúng hoạt động như máy bơm bơm proton (ion H +) vào khoang của màng kép ty thể đồng thời tiêu thụ các phân tử lưu trữ trung gian, do đó ở đó có nồng độ proton cao. Điều này gây ra một gradient nồng độ giữa không gian nội màng và chất nền ty thể. Với sự trợ giúp của gradient này, cuối cùng sẽ có một phân tử protein hoạt động theo cách tương tự như một loại tuabin nước. Được thúc đẩy bởi gradient này trong proton, protein tổng hợp một phân tử ATP từ một ADP và một nhóm photphat.

Bạn có thể tìm thêm thông tin ở đây: Chuỗi hô hấp là gì?

ATP

Các Adenosine triphosphate (ATP) là chất mang năng lượng của cơ thể con người. Tất cả năng lượng phát sinh từ quá trình hô hấp tế bào ban đầu được dự trữ dưới dạng ATP. Cơ thể chỉ có thể sử dụng năng lượng nếu nó ở dạng phân tử ATP.

Nếu năng lượng của phân tử ATP được sử dụng hết, adenosine diphosphate (ADP) được tạo ra từ ATP, theo đó một nhóm phosphate của phân tử bị tách ra và năng lượng được giải phóng. Hô hấp tế bào hoặc tạo năng lượng phục vụ mục đích tái tạo liên tục ATP từ cái gọi là ADP để cơ thể có thể sử dụng lại.

Phương trình phản ứng

Do các axit béo có độ dài khác nhau và các axit amin cũng có cấu trúc rất khác nhau, nên không thể thiết lập một phương trình đơn giản cho hai nhóm này để mô tả chính xác năng lượng của chúng trong quá trình hô hấp tế bào. Bởi vì mọi thay đổi cấu trúc có thể xác định axit amin chảy ở bước nào của chu trình citrate.
Sự phân hủy các axit béo trong cái gọi là quá trình oxy hóa beta phụ thuộc vào độ dài của chúng. Axit béo càng dài thì năng lượng thu được càng nhiều. Điều này thay đổi giữa các axit béo bão hòa và không bão hòa, với các axit béo không bão hòa cung cấp ít năng lượng hơn, miễn là chúng có cùng một lượng.

Vì những lý do đã được đề cập, một phương trình tốt nhất có thể được mô tả cho sự phân hủy glucose. Một phân tử glucozơ (C6H12O6) và 6 phân tử oxi (O2) tạo ra tổng số 6 phân tử cacbon đioxit (CO2) và 6 phân tử nước (H2O):

• C6H12O6 + 6 O2 trở thành 6 CO2 + 6 H2O

Đường phân là gì?

Glycolysis mô tả sự phân hủy của glucose, tức là đường nho. Con đường trao đổi chất này diễn ra trong các tế bào của con người cũng như ở những tế bào khác, ví dụ như nấm men trong quá trình lên men. Nơi tế bào thực hiện quá trình đường phân là trong tế bào chất. Tại đây có mặt các enzym làm tăng tốc độ phản ứng đường phân để vừa tổng hợp trực tiếp ATP vừa cung cấp cơ chất cho chu trình axit xitric. Quá trình này tạo ra năng lượng dưới dạng hai phân tử ATP và hai phân tử NADH + H +. Quá trình đường phân, cùng với chu trình axit xitric và chuỗi hô hấp, cả hai đều nằm trong ty thể, đại diện cho con đường phân hủy của đường đơn glucose thành chất mang năng lượng phổ quát ATP. Quá trình đường phân diễn ra trong tế bào của tất cả các tế bào động vật và thực vật . Sản phẩm cuối cùng của quá trình đường phân là pyruvate, sau đó có thể được đưa vào chu trình axit xitric thông qua một bước trung gian.

Tổng cộng, 2 ATP được sử dụng trên mỗi phân tử glucose trong quá trình đường phân để có thể thực hiện các phản ứng. Tuy nhiên, người ta thu được 4 ATP, do đó có hiệu quả thu được là 2 phân tử ATP.

Quá trình đường phân gồm mười bước phản ứng cho đến khi đường có 6 nguyên tử cacbon biến thành hai phân tử pyruvat, mỗi phân tử được tạo thành từ ba nguyên tử cacbon. Trong bốn bước phản ứng đầu tiên, đường được chuyển thành fructose-1,6-bisphosphate với sự trợ giúp của hai phốt phát và một sự sắp xếp lại. Đường hoạt hóa này bây giờ được chia thành hai phân tử với ba nguyên tử carbon mỗi phân tử. Việc sắp xếp lại sau đó và loại bỏ hai nhóm photphat cuối cùng dẫn đến hai pyruvat. Nếu oxy (O2) bây giờ có sẵn, pyruvate có thể được chuyển hóa thêm thành acetyl-CoA và đưa vào chu trình axit xitric. Nhìn chung, quá trình đường phân với hai phân tử ATP và hai phân tử NADH + H + có năng lượng tương đối thấp. Tuy nhiên, nó đặt nền tảng cho quá trình phân hủy đường tiếp theo và do đó rất cần thiết cho việc sản xuất ATP trong quá trình hô hấp của tế bào.

Tại thời điểm này, nó có ý nghĩa để tách đường phân hiếu khí và kỵ khí. Đường phân hiếu khí dẫn đến pyruvate được mô tả ở trên, sau đó có thể được sử dụng để tạo ra năng lượng.
Ngược lại, quá trình đường phân kỵ khí, diễn ra trong điều kiện thiếu ôxy, pyruvate không thể sử dụng được nữa vì chu trình axit xitric cần ôxy. Trong bối cảnh đường phân, phân tử lưu trữ trung gian NADH cũng được tạo ra, phân tử này rất giàu năng lượng và cũng sẽ chảy vào chu trình Krebs trong điều kiện hiếu khí. Tuy nhiên, phân tử mẹ NAD + cần thiết để duy trì quá trình đường phân. Đây là lý do tại sao cơ thể “cắn” “quả táo chua” ở đây và chuyển phân tử năng lượng cao này trở lại dạng ban đầu. Pyruvate được sử dụng để thực hiện phản ứng. Cái gọi là lactate hoặc axit lactic được hình thành từ pyruvate.

Đọc thêm về điều này dưới

• Lactate
• Ngưỡng kỵ khí

Chuỗi hô hấp là gì?

Chuỗi hô hấp là phần cuối cùng của con đường phân hủy glucose. Sau khi đường được chuyển hóa trong quá trình đường phân và chu trình axit xitric, chuỗi hô hấp có chức năng tái tạo các đương lượng khử (NADH + H + và FADH2) được tạo ra. Điều này tạo ra chất mang năng lượng phổ quát ATP (adenosine triphosphate). Giống như chu trình axit xitric, chuỗi hô hấp nằm trong ty thể, do đó còn được gọi là “nhà máy điện của tế bào”. Chuỗi hô hấp bao gồm năm phức hợp enzyme được gắn trong màng trong ty thể. Hai phức hợp enzyme đầu tiên đều tái tạo NADH + H + (hoặc FADH2) thành NAD + (hoặc FAD). Trong quá trình oxy hóa NADH + H +, bốn proton được vận chuyển từ không gian ma trận vào không gian nội màng. Hai proton cũng được bơm vào không gian nội màng trong mỗi phức hợp ba enzyme sau đây. Điều này tạo ra một gradient nồng độ được sử dụng để sản xuất ATP. Vì mục đích này, các proton chảy từ không gian nội màng qua một ATP synthase trở lại không gian ma trận. Năng lượng được giải phóng cuối cùng được sử dụng để tạo ra ATP từ ADP (adenosine diphosphate) và phosphate. Một nhiệm vụ khác của chuỗi hô hấp là ngăn chặn các điện tử được tạo ra bởi quá trình oxy hóa của các đương lượng khử. Điều này được thực hiện bằng cách chuyển các electron thành oxy. Bằng cách tập hợp các điện tử, proton và oxy lại với nhau, nước bình thường được tạo ra trong phức hợp enzyme thứ tư (cytochrome c oxidase). Điều này cũng giải thích tại sao chuỗi hô hấp chỉ có thể diễn ra khi có đủ oxy.

Nêu nhiệm vụ của ti thể trong hô hấp tế bào?

Ti thể là bào quan chỉ có ở tế bào nhân thực. Chúng còn được gọi là “nhà máy điện của tế bào”, vì chính trong chúng diễn ra quá trình hô hấp của tế bào. Sản phẩm cuối cùng của quá trình hô hấp tế bào là ATP (adenosine triphosphate). Đây là chất mang năng lượng phổ quát cần có trong toàn bộ cơ thể con người. Sự phân chia của ti thể là điều kiện tiên quyết cho quá trình hô hấp của tế bào. Điều này có nghĩa là có những không gian phản ứng riêng biệt trong ty thể. Điều này đạt được nhờ một màng bên trong và bên ngoài, do đó có một không gian giữa màng và một không gian ma trận bên trong.

Trong quá trình của chuỗi hô hấp, các proton (ion hydro, H +) được vận chuyển vào không gian nội màng, do đó sự khác biệt về nồng độ proton phát sinh. Các proton này đến từ các chất tương đương khử khác nhau, chẳng hạn như NADH + H + và FADH2, do đó được tái tạo thành NAD + và FAD.

ATP synthase là enzym cuối cùng trong chuỗi hô hấp, nơi cuối cùng ATP được sản xuất. Được thúc đẩy bởi sự khác biệt về nồng độ, các proton chảy từ không gian nội màng qua ATP synthase vào không gian ma trận. Dòng điện tích dương này giải phóng năng lượng được sử dụng để sản xuất ATP từ ADP (adenosine diphosphate) và phosphate. Ti thể đặc biệt thích hợp cho chuỗi hô hấp, vì chúng có hai không gian phản ứng do có màng kép. Ngoài ra, nhiều con đường trao đổi chất (đường phân, chu trình axit xitric), cung cấp nguyên liệu ban đầu (NADH + H +, FADH2) cho chuỗi hô hấp, diễn ra trong ti thể. Sự gần gũi về không gian này là một lợi thế khác và làm cho ty thể trở thành nơi lý tưởng cho quá trình hô hấp của tế bào.

Ở đây bạn có thể tìm hiểu mọi thứ về chủ đề của chuỗi hô hấp

Cân bằng năng lượng

Sự cân bằng năng lượng của quá trình hô hấp tế bào trong trường hợp glucose có thể được tóm tắt như sau, với sự hình thành 32 phân tử ATP trên mỗi glucose:

C6H12O6 + 6 O2 trở thành 6 CO2 + 6 H2O + 32 ATP

(Vì lợi ích của sự rõ ràng, ADP và dư lượng phốt phát Pi đã được loại bỏ khỏi các đường viền)

Trong điều kiện kỵ khí, tức là thiếu ôxy, chu trình axit xitric không thể chạy và năng lượng chỉ có thể được thu được thông qua quá trình đường phân hiếu khí:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP trở thành 2 lactat + 2 ATP. + 2 H2O. Vì vậy, chỉ khoảng 6% tỷ lệ thu được trên mỗi phân tử glucose, như trường hợp đường phân hiếu khí.

Các bệnh liên quan đến hô hấp tế bào

Các Hô hấp tế bào là cần thiết để tồn tại, tức là nhiều đột biến trong gen mã hóa các protein của quá trình hô hấp tế bào, ví dụ như các enzym đường phân, có thể gây chết người (gây tử vong) Chúng tôi. Tuy nhiên, các bệnh di truyền về hô hấp tế bào vẫn xảy ra. Chúng có thể bắt nguồn từ DNA hạt nhân cũng như DNA ti thể. Bản thân ty thể chứa vật liệu di truyền riêng của chúng, cần thiết cho quá trình hô hấp của tế bào. Tuy nhiên, những bệnh này có các triệu chứng tương tự nhau, vì chúng đều có một điểm chung: chúng can thiệp vào quá trình hô hấp của tế bào và phá vỡ nó.

Các bệnh hô hấp tế bào thường biểu hiện các triệu chứng lâm sàng giống nhau. Nó đặc biệt quan trọng ở đây Rối loạn mô, cần rất nhiều năng lượng. Chúng đặc biệt bao gồm các tế bào thần kinh, cơ, tim, thận và gan. Các triệu chứng như yếu cơ hoặc các dấu hiệu tổn thương não thường xảy ra ngay cả khi còn nhỏ, nếu không muốn nói là ngay từ khi trẻ mới sinh ra. Cũng nói một cách phát âm Nhiễm toan lactic (Cơ thể bị axit hóa quá mức với lactate, tích tụ do pyruvate không thể được phân hủy đầy đủ trong chu trình axit citric). Các cơ quan nội tạng cũng có thể bị trục trặc.

Việc chẩn đoán và điều trị các bệnh về hô hấp tế bào nên do các bác sĩ chuyên khoa phụ trách, vì bệnh cảnh lâm sàng có thể rất đa dạng và khác nhau. Cho đến ngày nay nó vẫn không có nhân quả và liệu pháp chữa bệnh cho. Các bệnh chỉ có thể được điều trị theo triệu chứng.

Vì DNA ty thể được truyền từ mẹ sang con theo một cách rất phức tạp, phụ nữ mắc bệnh về hô hấp tế bào nên liên hệ với bác sĩ chuyên khoa nếu họ muốn có con, vì chỉ họ mới có thể ước tính xác suất di truyền.