Głównym procesem zużywającym tlen jest oddychanie tkankowe (utlenianie tkankowe, komórkowe), które można określić jako proces kontrolowanej reakcji wodoru z tlenem i tworzenia wody, w którym komórka uzyskuje energie w postaci ATP
Główny szlak katabolizmu acetylo-CoA w organizmach żyjących w warunkach tlenowych
W łańcuchu oddechowym istnieją trzy potencjalne miejsca syntezy ….? Aby doszło do wytworzenia jednego wiązania wysokoenergetycznego różnica potencjałów między poszczególnymi składnikami łańcucha oddechowego musi wynosić co najmniej 0,16 Wolta. Taka różnica istnieje pomiędzy kompleksem pierwszym i trzecim, trzecim i czwartym oraz czwartym i tlenem. Dlatego w tych miejscach może powstać ATP. Równoważniki redukcyjne w postaci zredukowanego FAD i NAD zasilające łańcuch oddechowy pochodzą z utlenień substratów pokarmowych, głównie węglowodanów, które przekształcają się do acetylo-CoA i lipidów i ostatecznie utleniane są w cyklu Krebsa.
W łańcuchu oddechowym wyróżniamy cztery kompleksy: I, II, III, i IV. Do wytworzenia ATP dochodzi w okolicach kompleksu I, III i IV (ponieważ pomiędzy kompleksem I i II oraz II i III jest zbyt mała różnica potencjałów – poniżej 0,16 Wolta)
Teoria chemii osmotycznej
te trzy kompleksy (I, III i IV) działają jak pompy protonowe – wypompowują na zewnątrz protony wodorowe, powstaje gradient chemiczny (pH) pomiędzy zewnętrzną a wewnętrzną stroną tej błony
podczas wędrówki elektronów przez łańcuch oddechowy błona ładuje się elektrycznie, powstaje potencjał elektryczny
te dwa potencjały: gradient pH i potencjał elektryczny tworzą siłę protonomotoryczną, która aktywuje syntazę ATP
Bioenergetyka
Głównym zadaniem cyklu Krebsa jest utlenienie acetylo-CoA, który powstaje w wyniku utleniania kwasów tłuszczowych (podczas tzw. β-oksydacji) oraz w wyniku dekarboksylacji oksydacyjnej kwasu pirogronowego, który jest produktem glikolizy fosforylującej, a ta z kolei jest główną przemianą kataboliczną węglowodanów (glukozy). W wyniku utlenienia acetylo-CoA w cyklu Krebsa powstają równoważniki redukujące w postaci zredukowanego NAD i FAD, które utlenianie są w łańcuchu oddechowym, co w konsekwencji prowadzi do wytworzenia ATP. Cykl Krebsa oprócz utleniania acetylo-CoA posiada charakter amfiboliczny, tzn. że niektóre metabolity tego cyklu wykorzystywane są zarówno w przemianach katabolicznych i anabolicznych. Wewnętrzna błona mitochondrialna przepuszczalna jest przede wszystkim dla dwóch metabolitów cyklu: cytrynianu (kwasu cytrynowego) i jabłczanu (kwasu jabłkowego). Jeżeli w komórce jest wystarczający poziom ATP (energii) to nie dochodzi do utleniania acetylo-CoA, a dochodzi do wytwarzania substancji zapasowych. Cytrynian po wyjściu do cytoplazmy jest hydrolizowany przez liazę cytrynianową do szczawiooctanu i acetylo-CoA, a acetylo-CoA jest substratem wyjściowym do syntezy kwasów tłuszczowych. Drugi metabolit amfiboliczny cyklu to jabłczan. Jabłczan jest głównym substratem w procesie glukoneogenezy, czyli syntezie glukozy z substratów niecukrowych. Trzeci amfiboliczny związek to sukcynylo-CoA, który po połączeniu z glicyną rozpoczyna proces syntezy porfiryn (czyli bierze udział w syntezie hemu).
Transport aktywny wtórny (kotransport) glukozy: niektóre procesy transportu substratów nie zależą bezpośrednio od energii wyzwalanej w procesie hydrolizy ATP. W przypadku glukozy jej transport zależy od gradientu sodu po obu stronach błony. Jeżeli stężenie sodu utrzymywane aktywnością pompy sodowo-potasowej wewnątrz komórki jest małe, a z zewnątrz duże to powoduje to napływ tych jonów do wnętrza komórki zgodnie z gradientem stężeń. Ta sytuacja wyzwala energię potrzebną do wpompowania glukozy do komórki. Jony sodowe i glukoza wiążą się w obrębie błony ze specyficznym nośnikiem białkowym i w ten sposób wnikają do komórki poprzez określone pory. Po wniknięciu do komórki następuje dysocjacja tego kompleksu i za pomocą pompy sodowo-potasowej jony sodowe wyrzucane są na zewnątrz komórki.
Kotransport – bo bezpośrednio nie potrzeba ATP, żeby doszło do wniknięcia, ale to ATP jest potrzebne, aby ... ?
Glikoliza – najprostsza przemiana kataboliczna węglowodanów, podstawowy ciąg metaboliczny prowadzący do utlenienia glukozy. Celem tej przemiany jest wytworzenie po pierwsze na poziomie samej glikolizy a następnie w cyklu Krebsa i łańcuchu oddechowym odpowiedniej ilości ATP. Glikoliza zachodzi w cytoplazmie, może zachodzić zarówno w warunkach tlenowych jak i beztlenowych. W warunkach tlenowych końcowym metabolitem glikolizy jest kwas pirogronowy a w beztlenowych kwas mlekowy. Tylko przebieg glikolizy w warunkach tlenowych zapewnia w późniejszych etapach jej całkowite utlenienie (do dwutlenku węgla i wody). W glikolizie możemy wyróżnić dwa etapy: pierwszy etap to przemiana heksos do momentu powstania fruktozo-1,6-bisfosforanu i drugi etap przemiana trios powstałych po hydrolizie fruktozo-1,6-bisfosforanu.
Glukoza po aktywacji dzięki heksokinazie przekształca się w glukozo-6- fosforan. Ta glukoza dzięki izomerazie przekształca się w fruktozo-6-fosforan. Fruktozo-6-fosforan dzięki fosfofruktokinazie przekształca się w fruktozo-1,6-bisfosforan. Fruktozo-1,6-bisfosforan ulega przecięciu na połowę i powstają dwa izomery: dihydroksyacetonofosforan oraz gliceraldehydo-3-fosforan. Od tego momentu glikoliza zachodzi dwukrotnie. Dalszemu utlenianiu ulega gliceraldehydo-3-fosforan, który przekształca się w 1,3-bisfosfoglicerynian (posiada wysokoenergetyczne wiązanie przy węglu 1). 1,3-bisfosfoglicerynian dzięki kinazie fosfoglicerynowej przekształca się w kwas 3-fosfoglicerynowy z jednoczesnym wytworzeniem jednej cząsteczki ATP (przykład fosforylacji substratowej). Kwas 3-fosfoglicerynowy przekształca się w kwas 2-fosfoglicerynowy. Kwas 2-fosfoglicerynowy dzięki odpowiedniej kinazie przekształca się w fosfoenolopirogronian (posiada wiązanie bogatoenergetyczne w pozycji 2?). Fosfoenolopirogronian przekazuje wiązanie bogatoenergetyczne na ADP, powstaje ATP i powstaje kwas pirogronowy.
Z jednej cząsteczki glukozy w glikolizie tlenowej powstają dwie cząsteczki kwasu pirogronowego
Fosforylacja substratowa - polega na wytworzeniu cząsteczki ATP bądź GTP na poziomie substratu przy udziale odpowiedniej kinazy i metabolitu posiadającego wiązanie bogato energetyczne
Funkcja sprzężenia koenzymatycznego w glikolizie:
warunki tlenowe – w warunkach tlenowych współdziałający z dehydrogenazą gliceraldehydofosforanową NAD, który ulega redukcji do NADH transportowany jest do mitochondrium i tam utlenia się w łańcuchu oddechowym, co w konsekwencji daje nam 3 cząsteczki ATP
warunki beztlenowe – w warunkach beztlenowych ten sam zredukowany NADH wykorzystywany jest do redukcji pirogronianu do mleczanu (kwasu pirogronowego do kwasu mlekowego), kwas mlekowy może ulegać innym przemianom (np. fermentacji), w warunkach beztlenowych to sprzężenie koenzymatyczne jest między dwoma dehydrogenazami
Zysk energetyczny na etapie glikolizy: NETTO 2 cząsteczki ATP
W przypadku, gdy w glikolizie zużywane są 2 cząsteczki ATP: jedna do aktywacji glukozy a druga do powstania fruktozo-1,6-bisfosforanu, natomiast 4 są wytwarzane w procesach fosforylacji substratowej (pierwsza cząsteczka: przekształcenie 1,3-bisfosoglicerynianu w 3-fosfoglicerynian, druga cząsteczka: przekształcenie fosfoenolopirogronianu w pirogronian – i te reakcje tam zachodzą dwukrotnie) – NETTO +2, czyli 2 cząsteczki ATP.
Jeżeli glukoza pochodzi bezpośrednio z glikogenu to mamy bilans NETTO 3 cząsteczek ATP, ponieważ enzym odszczepiający glukozę z glikogenu (fosforylaza glikogenowa), odszczepia glukozę w postaci glukozo-1-fosforanu. Glukozo-1-fosforan dzięki izomerazie przekształca się w glukozo-6-fosforan w związku z tym niepotrzebna jest jedna cząsteczka ATP do aktywacji glukozy.
Wytwarzanie energii na poszczególnych etapach katabolizmu glukozy (rys. Minakowski):
NETTO w wyniku pełnego całkowitego utlenienia cząsteczki glukozy otrzymujemy 38 moli ATP, w przypadku jeżeli glukoza pochodzi z glikogenu to jest 39 moli ATP
W sprzężeniu koenzymatycznym zysk energetyczny 2x3=6
Pirogronian nie wchodzi do cyklu Krebsa, tylko musi ulec przekształceniu do acetylo-CoA. Przekształcenie to następuje w wyniku dekarboksylacji oksydacyjnej, w której bierze udział enzym – dehydrogenaza pirogronianowa (jej koenzymem jest NADH). 2 cząsteczki pirogronianu ulegną dekarboksylacji, czyli powstaną 2 cząsteczki NADH (2x3=6)
Jeden obrót cyklu Krebsa w końcowym efekcie daje 12 cząsteczek ATP
Cykl Corich – przy braku tlenu w aktywnie pracujących mięśniach szkieletowych szybkość glikolizy przewyższa szybkość cyklu Krebsa. Duża część powstałego pirogronianu przekształcana jest do mleczanu (tzw. zakwaszenie mięśni), a mleczan transportowany jest do wątroby, tam przekształcany ponownie w pirogronian, a pirogronian zużywany jest do resyntezy glukozy (tzw. oszczędna gospodarka energetyczna organizmu).
Translokacja elektronów z cytoplazmatycznego NADH do mitochondriów zwierzęcych – NADH powstaje w glikolizie w cytoplazmie i musi być przetransportowany do mitochondrium. Błona mitochondrialna zewnętrzna jest przepuszczalna dla substancji o masie cząsteczkowej nie większej niż 10000 daltonów, natomiast błona wewnętrzna jest nieprzepuszczalna dla szeregu substancji w tym dla NAD i NADH a przenoszenie ich wymaga swoistych nośników lub funkcjonowania odpowiednich kanałów. Aby glikoliza mogła zachodzić w sposób ciągły NAD musi być stale regenerowany (z formy zredukowanej musi być utleniony). W transporcie elektronów z cytoplazmatycznego NADH do mitochondrium biorą udział specyficzne mostki. Pierwszy z nich to mostek glicerofosforanowy – w pierwszej fazie tego procesu następuje przeniesienie elektronów na dihydroksyacetonofosforan, który przekształca się w glicerolo-3-fosforan (dehydrogenaza glicerolo-3-fosforanowa). Glicerolo-3-fosforan ma zdolność przenikania do mitochondriów, gdzie ponownie jest utleniany przy udziale dehydrogenazy do dihydroksyacetonofosforanu. Ten dihydroksyacetonofosforan dyfunduje do cytoplazmy i cykl się zamyka. Te reakcje zachodzą głównie w mięśniach i komórkach nerwowych, gdzie z jednej cząsteczki cytoplazmatycznego NADH powstają tylko dwie cząsteczki ATP (ponieważ koenzymem mitochondrialnej dehydrogenazy tej reakcji jest nie NAD tylko FAD). Drugi mostek to jest mostek jabłczanowo-asparaginianowy (funkcjonuje przede wszystkim w sercu i wątrobie) – w cytoplazmie elektrony i protony z NADH przenoszone są na szczawiooctan, który przekształca sie w jabłczan. Jabłczan wnika do mitochondriom. W mitochondrium przekształca się w szczawiooctan przy udziale dehydrogenazy redukując NAD. Szczawiooctan nie może przechodzić przez błonę mitochondrialną, musi się w coś przekształcić, w związku z tym ulega on transaminacji z kwasem glutaminowym i powstaje asparaginian i 2-oksoglutaran, które mogą przenikać do cytoplazmy i tam jest znów transaminacja, w wyniku której powstaje szczawiooctan i glutaminian.
Przebieg glikolizy w erytrocytach (szlak bifosfoglicerynianowy)
Ponieważ erytrocyty – komórki bezjądrzaste nie wymagają do swojego funkcjonowania tak dużo ATP jak pozostałe komórki glikoliza w tych komórkach zachodzi z ominięciem jednej reakcji fosforylacji substratowej (tj. pomiędzy 1,3-bisfosfoglicerynianem a 3-fosfoglicerynianem). Działa tu dodatkowy enzym – mutaza bisfosfoglicerynianowa, która przekształca 1,3-bisfosfoglicerynian (związek posiadający wiązanie bogatoenergetyczne) w 2,3-bisfosfoglicerynian, który nie posiada juz wiązania wysokoenergetycznego. Na przekształcenie 1,3-bisfosfoglicerynianu w 2,3-bisfosfoglicerynian zużywana jest energia z tego wiązania bogato energetycznego. Drugi enzym wchodzi w reakcje – fosfataza 2,3-bisfosfoglicerynianowa, która odszczepia resztę ortofosoranową w pozycji 2 i powstaje 3-fosfoglicerynian. Powstały w tej reakcji 2,3-bisfosfoglicerynian obniża powinowactwo hemoglobiny do tlenu, dzięki czemu zachodzi szybsze uwalnianie tlenu z oksyhemoglobiny i do szybszego dotlenienia komórek i tkanek (szybszy transport tlenu).