Клеточное дыхание

Клеточное дыхание — это совокупность реакций, с помощью которых клетка постепенно окисляет питательные вещества — углеводы, жиры и аминокислоты — и запасает высвободившуюся энергию в форме АТФ (аденозинтрифосфата), универсального «энергетического топлива» клетки. У человека основная часть этих реакций идёт в митохондриях с участием кислорода. Клеточное дыхание не равно дыханию лёгкими, но тесно с ним связано. Лёгкие доставляют в кровь кислород и удаляют углекислый газ, а клетки используют этот кислород и образуют углекислый газ в ходе своего, внутреннего дыхания. Суммарно для глюкозы процесс можно записать так: глюкоза и кислород превращаются в углекислый газ, воду и энергию. ⚙️ Этапы клеточного дыхания Основные этапы окисления глюкозы ЭтапГде проходитЧто происходитНужен ли кислородГликолизЦитоплазмаГлюкоза расщепляется на две молекулы пирувата, образуется немного АТФНетОкислительное декарбоксилирование пируватаМатрикс митохондрийПируват превращается в ацетил-КоА, выделяется углекислый газКосвенноЦикл КребсаМатрикс митохондрийАцетильные группы окисляются до углекислого газа, образуются переносчики электронов НАДН и ФАДН₂КосвенноДыхательная цепь и окислительное фосфорилированиеВнутренняя мембрана митохондрийЭлектроны передаются на кислород с образованием воды, синтезируется основная часть АТФДа 🍬 От глюкозы к ацетил-КоА Сначала глюкоза проходит гликолиз в цитоплазме. Образовавшийся пируват поступает в митохондрии, где ферментный комплекс пируватдегидрогеназы превращает его в ацетил-КоА. Для работы этого комплекса нужен витамин B1 (тиамин), поэтому при его тяжёлом дефиците страдают прежде всего нервная система и сердце, наиболее зависимые от окисления глюкозы. 🔄 Цикл Кребса Ацетил-КоА вступает в цикл Кребса — замкнутую цепочку реакций, в которой углеродный скелет окисляется до углекислого газа. Сам цикл даёт мало АТФ, но заряжает электронами переносчики НАДН и ФАДН₂. Цикл Кребса — общий «котёл», куда поступают продукты распада не только углеводов, но и жиров и аминокислот. ⚡ Дыхательная цепь Переносчики отдают электроны в дыхательную цепь — набор белковых комплексов внутренней мембраны митохондрий. Электроны передаются по цепи на кислород, а освобождающаяся энергия используется для перекачки протонов через мембрану. Протоны возвращаются обратно через фермент АТФ-синтазу, который при этом синтезирует АТФ. Этот механизм называют окислительным фосфорилированием. В итоге полное окисление одной молекулы глюкозы даёт около 30–32 молекул АТФ, тогда как гликолиз без участия кислорода — только две. Жирные кислоты расщепляются в митохондриях путём бета-окисления и дают ещё больше энергии, поэтому жир — самый ёмкий энергетический запас организма. 🏃 Аэробный и анаэробный режимы Когда кислорода не хватает, например при интенсивной нагрузке или нарушении кровоснабжения, клетка временно получает энергию одним гликолизом. Пируват при этом превращается в лактат, что позволяет гликолизу продолжаться. Эритроциты, не имеющие митохондрий, живут только за счёт гликолиза постоянно. Регулярные аэробные тренировки увеличивают число и активность митохондрий в мышцах, и мышцы дольше работают в экономном аэробном режиме. Скорость клеточного дыхания регулируют потребность клетки в АТФ, гормоны щитовидной железы, адреналин, инсулин и глюкагон. ⚠️ Нарушения клеточного дыхания Гипоксия — нехватка кислорода при болезнях лёгких, сердца, анемии или ишемии. Отравление ядами дыхательной цепи: цианиды и угарный газ блокируют её последний комплекс, и клетки не могут использовать кислород. Дефицит витаминов, необходимых ферментам дыхания, прежде всего тиамина и других витаминов группы B. Наследственные митохондриальные болезни, при которых нарушены белки дыхательной цепи. Приобретённая дисфункция митохондрий при сахарном диабете 2-го типа, сердечной недостаточности, нейродегенеративных болезнях и старении. Признаком тяжёлого нарушения клеточного дыхания в организме служит рост лактата в крови и закисление внутренней среды — лактат-ацидоз. Его определяют в реанимации при шоке, сепсисе и отравлениях. Особый случай — разобщение дыхания: протоны возвращаются через мембрану в обход АТФ-синтазы, и энергия выделяется в виде тепла. Так работает бурая жировая ткань, согревающая новорождённых и людей при длительном холоде.