ODDYCHANIE KOMÓRKOWE/WEWNĄTRZKOMÓRKOWE

* proces polegający na uwalnianiu energii w czasie utleniania prostych związków organicznych

* zachodzi w cytoplazmie (oddychanie cytoplazmatyczne) oraz we wnętrzu mitochondriom

UTLENIANIE GLUKOZY

* ważne paliwo biochemiczne (biologiczne)

* jej cząsteczki można łatwo utlenić do dwutlenku węgla i wody, a sporą część energii zmagazynować w ATP (resztę organizmy tracą w postaci ciepła)

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ -- 6 CO₂ + 6 H₂O + 2872 kJ (+666 kcal)

* bezpośrednie, gwałtowne spalanie glukozy prowadziłoby do śmierci termicznej każdej komórki

* na proces oddychania komórkowego składa się więc wiele reakcji katalizowanych enzymatycznie, co pozwala na stopniowe uwalnianie energii w małych porcjach (jest to rozwiązanie bezpieczne i skuteczne/wydajne)

* wstępne zaktywowanie glukozy przed jej ufosforylowaniem (kosztem ATP)

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA ODDYCHANIE KOMÓRKOWE

* intensywność oddychania zależy od organizmu, rodzaju komórki, jej wieku, liczby mitochondriów lub chwilowego zapotrzebowania na energię

- intensywność jest więc wysoka w komórkach młodych, w organizmach szybko rosnących (u roślin w tkankach twórczych), a także tam, gdzie wykonywana jest praca mechaniczna (np. w mięśniach szkieletowych) lub wytwarzane są duże ilości ciepła

- niewielka jest intensywność w komórkach zwierząt zapadających w sen zimowy

- bardzo niska jest intensywność procesu w komórkach przetrwalników, zarodników i nasion znajdujących się w stanie spoczynku

* istotnym czynnikiem wpływającym na intensywność oddychania komórkowego jest tlen oraz inne czynniki, oddziałujące na jego enzymy

* u osób uprawiających sport w takich narządach, jak serce, wątroba, czy mięśnie szkieletowe dochodzi do niewielkiego zwiększenia wydajności oddychania komórkowego, większa jest także sprawność m.in. układu sercowo-naczyniowego i płuc

- w komórkach tych narządów możliwe jest syntezowanie przenośników transportujących elektrony NADH cytoplazmatyczne bez ponoszenia strat

- odbywa się to z udziałem FAD, lecz na NAD⁺

* niektóre białka cytochromowe (cytochrom a oraz cytochrom a₃, tworzące kompleks zwany oksydazą cytochromową) są końcowymi przenośnikami elektronów w łańcuchu oddechowym i bardzo łatwo ulegają zablokowaniu przez takie substancje, jak tlenek węgla (CO) czy cyjanek potasu (KCN)

- związki te są więc niebezpiecznymi truciznami

- tlenek węgla ponadto blokuje hemoglobinę

GLIKOLIZA

* pierwszy etap utleniania glukozy - zachodzi w cytoplazmie

* tworzy ciąg beztlenowych reakcji, w których glukoza rozkładana jest do 3-węglowego pirogronianu

* sumaryczna reakcja glikolizy uwzględniająca zysk energetyczny netto:

C₆H₁₂O₆ + 2 ADP + P_i + 2 NAD⁺ -- 2 CH₃COCOO^- + 2 ATP + 2 NADH + 2H⁺ + H₂O

* powstaje glukozo-6-fosforan i jest izomeryzowany do fruktozo-6-fosforanu

* podniesienie poziomu energetycznego procesu pośredniego przez ufosforylowanie kolejnej reszty fosforanowej z ATP

* powstaje fruktozo-1,6-difosforan i jest rozkładany do dwóch cząsteczek 3-węglowych: aldehydu-3-fosfoglicerynowego i fosfodihydroksyacetonu

* fosfodihydroksyaceton jest izomerowany do aldehydu, powtają więc dwie cząsteczki aldehydu-3-fosfoglicerynowego

* pierwsza zyskowna reakcja glikolizy - przekształcenie aldehydu-3-fosfoglicerynowego w kwas 1,3-difosfoglicerynowy

- podczas tej silnie egzoergiczne reakcji dochodzi do odwodorowania, czyli dehydrogenacji z udziałem NAD+ (dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego), specjalnej cząsteczki umożliwiającej przenoszenie elektronów i jonów H+

- dochodzi także do przyłączenia nieograniczonej reszty fosforanowej do kwasu

FOSFORYLACJA SUBSTRATOWA ADP + Pi -- ATP

* do jej przeprowadzenia wykorzystywane są wysokoenergetyczne wiązania cząsteczki 1,3-difosfoglicerynianu

* powstałe cząsteczki

3-fosfoglicerynianu są przekształcane w

2-fosfoglicerynian, który ulega odwodnieniu: powstają dwie cząsteczki fosfoenolopirogronianu

FOSFORYLACJA SUBSTRATOWA ADP + Pi -- ATP

* przeniesienie reszty fosforanowej z fosfoenopirogronianu na ADP

* produktem reakcji jest pirogronian

WYDAJNOŚĆ ENERGETYCZNA REAKCJI

* około 2% energii swobodnej wiązań glukozy można zgromadzić w ATP

- z 1 mola glukozy powstają netto 2 mole wiązań ATP (każdy mol ok. 30,5 kJ)

- całkowitemu spaleniu 1 mola towarzyszy wydzielenie 2868 kJ ciepła (2% - ok. 57 kJ)

* produktami glikolizy są 2 cząsteczki pirogronianu i 2 cząsteczki NADH

DALSZY ROZKŁAD PIROGRONIANU W WARUNKACH BEZTLENOWYCH

* w warunkach beztlenowych pirogronian nie może być dalej utleniany - glikoliza prowadziłaby do zwiększenie liczby zredukowanych cząsteczek NADH i zostałaby zablokowana przez brak NAD+

* w organizmie człowieka (w mięśniach) oraz u pewnych bakterii możliwe jest wówczas zredukowanie pirogronianu do mleczanu (wodorem z NADH)

* pozwala to bez straty dalej przeprowadzać glikolizę, ponieważ odtwarzany jest zapas niezredukowanego NAD+

CH₃ ---- C --- COO^- --- CH₃ --- C --- COO^-

Pirogronian mleczan

FERMENTACJA MLECZANOWA

* fermentacja kwasu mlekowego

* zachodzi, gdy reakcje przekształcania cukru - glukozy - w kwas mlekowy zachodzą w komórkach bakterii mlekowych

C₆H₁₂O₆ + 2 ADP + 2 P_i -- 2 CH₃CHOHCOO^- + 2 ATP

FERMENTACJA ALKOHOLOWA

* przekształcanie przez niektóre mikroorganizmy (drożdże winne, pewne bakterie) glukozy w pirogronian i następnie pirogronianu w alkohol etylowy

C₆H₁₂O₆ + 2 ADP + 2 P_i -- 2 CH₃CH₂OH + 2 ATP

CYKL KREBSA

* drugi etap utleniania glukozy - zachodzi w mitochondriach (matrix)

* pirogronian przemieszczaja się do mitochondriów z cytoplazmy

* reakcja ogólna cyklu dla jednej reszty acetylowej:

Acetylo-CoA + 3 NAD+ + 1 FAD+ + ADP + P_i -- 2 CO₂ + 3 NADH + FADH₂ + ATP + CoA

REAKCJA POMOSTOWA

* reakcja egzoergiczne, nieodwracalna

* zachodzi w matrix mitochondrium

* polega na oksydacyjnej dekarboksylacji pirogronianu

* podczas reakcji powstaje dwutlenek węgla

* dochodzi też do dehydrogenacji substratu (biorcą elektronów i jonów H+ jest NAD⁺), co prowadzi do powstania 2-węglowej grupy acetylowej, która przyłączana jest do cząsteczki koenzymu A (CoA)

* powstaje acetylo-CoA

CYKL

KREBSA

* kondensacja 4-węglowego szczwiooctanu z grupą acetylową dostarczoną przez acetylo-CoA

* produktem reakcji jest

6-węglowy trikarboksylowy cytrynian

* wszystkie te reakcje, podczas których powstaje wiele produktów pośrednich, prowadzą do odtworzenia 4-węglowego szczawiooctanu (cykl się zamyka)

DEKARBOKSYLACJA

* zachodzi dwukrotnie podczas cyklu

DEHYDROGENACJA

* zachodzi trzykrotnie z udziałem NAD⁺, powstają więc 3 cząsteczki NADH oraz jednokrotnie z udziałem innego przenośnika wodoru - dinukleotydu flawinoadeninowego, czyli FAD (powstaje jedna cząsteczka FADH₂)

FOSFORYLACJA SUBSTRATOWA

* powstaje 1 cząsteczka - najpierw GTP, potem ATP

BILANS ENERGETYCZNY

* gdybyśmy doprowadzili do zatrzymania oddychania komórkowego, korzyści energetyczne byłyby znikome, nawet jeśli całość zysku pomnożyliśmy przez dwa (z 1 cząsteczki glukozy powstają przecież 2 cząsteczki pirogronianu)

* bilans energetyczny reakcji pomostowej wraz z cyklem Krebsa:

2 CH₃COCOO- + 8 NAD+ + 2 FAD + 2 ADP + 2 P_i --- 6 CO₂ + 8 NADH + 2 FADH₂ + ATP

* w równaniu uwagę zwraca duża liczba cząsteczek zredukowanych przenośników

* ich nadwyżkowe elektrony są zasobne w energię, którą można wykorzystać w utlenianiu końcowym

UTLENIANIE KOŃCOWE

* trzeci etap utleniania glukozy - zachodzi w błonach grzebieni mitochondrialnych

* w błonach grzebieni znajdują się organiczne przenośniki tworzące swoisty łańcuch, w którym przemieszczają się elektrony

* sumaryczny zapis równania tlenowego rozkładu glukozy:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ + 36 ADP + 36 P_i -- 6 CO₂ +6 H₂O + 36 ATP

PRZEBIEG PROCESU

* energia elektronów przypływających w łańcuchu oddechowym umożliwia wykonanie pracy osmotycznej polegającej na aktywnym przepompowaniu jonów H⁺ z matrix mitochondrium do przestrzeni błonowej

* w ten sposób po obu stronach błony grzebieni tworzy się gradient protonowy (wynikający ze znacznej różnicy stężeń jonów H⁺ po obu stronach błony)

* różnica potencjałów przekracza 200 mV

* nadwyżka jonów H⁺ może wracać do matrix tylko przez specjalne białka tworzące swoiste molekularne tunele w błonie

- jony H⁺ przemieszczające się w tunelach z dużą energią kinetyczną umożliwiają syntezę ATP

- przyjmuje się, że każda para elektronów z NADH pozwala na przepompowanie takiej liczby jonów H⁺, że możliwe jest zsyntezowanie 3 cząsteczek ATP

- elektrony z FADH₂ obdarzone są mniejszą energią - każda para umożliwia zsyntezowanie 2 cząsteczek ATP (nadwyżkowe elektrony z FADH₂ przekazywane są na łańcuch oddechowy w innym miejscu - o niższym poziomie energetycznym)

* przemieszczające się w łańcuchu oddechowym elektrony trafiają ostatecznie na tlen, co prowadzi do dołączenia jonów H⁺ (ze środowiska) i powstania wody (oprócz CO₂) drugiego, końcowego produktu oddychania tlenowego

* jest to fosforylacja oksydacyjna - energii do pracy pompy protonowej umożliwiającej syntezę ATP dostarczają elektrony redukujące tlen

BILANS ENERGETYCZNY

* jeśli przyjąć, że z 1 cząsteczki pirogronianu uzyskuje się 4 cząsteczki NADH i 1 cząsteczkę FADH₂

* zysk energetyczny wynosi 14 cząsteczek ATP (4*3 + 1*2)

* w glikolizie z każdej cząsteczki glukozy powstają dwie cząsteczki pirogronianu, więc bilans wyniesie

28 cząsteczek ATP

* dodając do tego cząsteczki ATP z fosforylacji substratowej, otrzymujemy 36 cząsteczek ATP

* powstające w glikolizie 2 cząsteczki NADH oddają elektrony i jony do wnętrza mitochondriom

- odbiorcą jest FAD, a zatem każda cząsteczka NADH w glikolizie syntezuje 2 cząsteczki ATP

* oznacza to około 38% wydajności

* z najnowszych badań wynika, że wydajność oddychania tlenowego jest nieco mniejsza i wynosi netto 30-32 moli ATP z każdego mola glukozy, przyczyną jest najprawdopodobniej mniejsza ilość powstającego ATP w wyniku fosforylacji oksydacyjnej

* oddychanie tlenowe dostarcza znacznie więcej energii niż oddychanie beztlenowe

Cecha	Oddychanie beztlenowe (fermentacja mleczanowa)	Oddychanie tlenowe
Substrat oddechowy	glukoza	glukoza i tlen
Produkt końcowy	kwas mlekowy	dwutlenek węgla i woda
Miejsce zachodzenia	cytozol	cytozol i wnętrze mitochondrium
Etapy	glikoliza i odtwarzanie NAD+	glikoliza, reakcja pomostowa, cykl Krebsa, utlenianie końcowe
Liczba moli ATP z jednego mola glukozy: * brutto * netto	* 4 mole ATP * 2 mole ATP	* 40 moli ATP * 36 moli ATP (lub mniej)

UTLENIANIE TŁUSZCZOWCÓW

* tłuszcze są doskonałym, wysokokalorycznym paliwem biologicznym, ponieważ kwasy tłuszczowe zawierają wiele atomów wodoru (ich elektrony mają dużą energię potencjalną)

PRZEBIEG PROCESU

* kwasy tłuszczowe są enzymatycznie rozkładane na związki 2-węglowe (reszty octanowe) łączące się z CoA w acetylo-CoA

* proces zachodzi w matrix mitochondriom i nazywamy go

Beta-oksydacją

* dochodzi do pofragmentowania cząsteczki kwasu tłuszczowego na 2-węglowe reszty octanowe dołączane do kolejnych cząsteczek koenzymu CoA

* powstające cząsteczki acetylo-CoA włączane są w cykle Krebsa i dalej zachodzi utlenianie końcowe w łańcuchu oddechowym

* inny produkt hydrolizy tłuszczów - glicerol - jest po przekształceniu w fosfodihyroksyaceton zużywany w glikolizie

BILANS ENERGETYCZNY

* efektem bezpośredniego, całkowitego utlenienia 1 mola np. kwasu palmitynowego (związku 16-węglowego) jest około 9780 kJ energii cieplnej

* w pośrednim procesie utleniania wewnątrzkomórkowego z mola kwasu palmitynowego powstaje netto około 125 moli wiązań ATP, co daje wydajność w granicach 38%, a więc porównywalną z utlenianiem glukozy

* z 1g tłuszczu uzyskuje się ponad

2 razy więcej energii niż z cukrów

* kwasy tłuszczowe są doskonałym źródłem energii dla mięśnia sercowego oraz mięśni szkieletowych (znajdują się tam w stanie relaksacji)

SYNTEZA TŁUSZCZÓW ZAPASOWYCH

* dochodzi do niej, gdy w organizmie znajduje się nadwyżka surowców energetycznych (np. glukozy), których nie można zużyć na chwilowe potrzeby, ani do syntezy glikogenu

* zasadnicze znaczenie ma synteza kwasów tłuszczowych, przeprowadzana przez złożone cytoplazmatyczne kompleksy enzymatyczne (jeśli syntezowane są fosfolipidy błonowe, ostatnie reakcje syntezy przeprowadzają kompleksy enzymatyczne wbudowane w błony siateczki śródplazmatycznej gładkiej

* głównym substratem w syntezie kwasów tłuszczowych jest acetylo-CoA

* acetylo-CoA jest też wyjściowym substratem syntezy cholesterolu

UTLENIANIE AMINOKWASÓW

* w organizmie człowieka (oraz zwierząt) zużycie własnych białek w komórkach na cele energetyczne jest ostatecznością (dzieje się tak w warunkach długotrwałego głodzenia)

PRZEBIEG PROCESU

* reakcje zużywania aminokwasów rozpoczynają się od odłączenia grupy aminowej (deaminacji)

* produktami tych reakcji są łańcuchy węglowe

(tzw. ketokwasy) oraz jon anionowy (NH₄⁺)

* w komórkach człowieka łańcuchy węglowe po przemianach mogą być włączone w glikolizę (tak jest np. z produktami deaminacji alaniny i seryny) lub do cyklu Krebsa (jak glutamina czy arginina)

* jon amonowy jest silnie toksyczny, dlatego w organizmie człowieka jest szybko przekształcany w substancję mniej toksyczną i dobrze rozpuszczalną w wodzie - mocznik

* w ciągu doby wydalamy kilkanaście gramów mocznika w postaci stężonego moczu

* mocznik z krwią wędruje do nerek, gdzie jest wydalany

* nadmiar azotu z aminokwasów jest usuwany przez cykl ornitynowy

* rozkład nadwyżki zasad azotowych przedstawia się inaczej

- w komórkach człowieka puryny przekształcane są w kwas moczowy (niewielkie jego ilości wydalamy z moczem), a pirymidyny są rozkładane do mniejszych cząsteczek, które następnie włączane są do szlaków podstawowych

* organizmy licznych zwierząt przetwarzają NH₄⁺ w kwas moczowy lub wydalają amoniak bez dalszych przekształceń

CYKL MOCZNIKOWY/ORNITYNOWY

* w rzeczywistości w komórkach człowieka zużycie większości aminokwasów rozpoczyna się od przeniesienia reszty aminowej (reakcja transminacji) z rozkładanego aminokwasu na jedną z dwóch par cząsteczek: glutaminian lub pirogronian

* pierwszy przekształca się wówczas w glutaminę a drugi w alaninę

* aminokwasy te wydzielane do krwi wędrują z nią do wątroby

* w komórkach wątrobowych glutamina i alanina ulegają deaminacji, a powstający jon amonowy natychmiast przetwarzany jest w tzw. karbamylofosforan

* związek ten jest włączany do cyklu mocznikowego (ornitynowego, aminokwasów niebiałkowych)

* cykl ten zachodzi częściowo w cytoplazmie i częściowo w mitochondriom, gdzie sprzężony jest z cyklem Krebsa

* cykl mocznikowy jest silnie endoergiczny (do wytworzenia 1 mola mocznika zużywane są 4 mole wiązań wysokoenergetycznych)

---