Etapy oddychania tlenowego cz. 1

Oddychanie tlenowe prowadzi do całkowitego utlenienia substratu oddechowego do COIndeks dolny 2₂ i HIndeks dolny 2₂O, czemu towarzyszy synteza ATP. Dla większości organizmów podstawowym substratem oddechowym jest cukier prosty - glukoza, która ulega wówczas przemianom:

$glukoza+tlen\to woda+dwutlenekwęgla+ATP+ciepło$

Podczas oddychania tlenowego z wykorzystaniem glukozy wyróżnia się cztery etapy:

1. glikolizaglikolizaglikoliza;

2. reakcja pomostowareakcja pomostowareakcja pomostowa;

3. cykl Krebsa;

4. łańcuch oddechowyłańcuch oddechowyłańcuch oddechowy.

R1AJF8AM4VH8A

Grafika przedstawia komórkę oddychającą tlenowo oraz organelle, w których zachodzą poszczególne jego etapy. Komórka ma owalny kształt. W jej wnętrzu widać okrągłe jądro komórkowe i znacznie większe, owalne mitochodrium. Jego wewnętrzna błona jest pofałdowana. Wewnątrz komórki przedstawiono etapy oddychania tlenowego. W cytoplazmie zachodzi proces glikolizy. W jego wyniku glukoza przechodzi w pirogronian. Następnie w wyniku reakcji pomostowej na terenie mitochondrium pirogronian przechodzi w Acetylo‑CoA. Związek ten włączany jest w cykl Krebsa, w wyniku którego uzyskiwane jest NADH + H indeks górny plus oraz FADH indeks dolny 2, które następnie włączane są do łańcucha oddechowego.

Glikoliza

Glikoliza, czyli dosłownie rozkład cukru, to jeden z najstarszych ewolucyjnie szlaków metabolicznych umożliwiających pozyskanie energii z pożywienia. Zachodzi zarówno u organizmów prokariotycznych, jak i eukariotycznych. Proces ten jest wspólnym etapem oddychania tlenowego oraz beztlenowego.

Podczas glikolizy glukoza zostaje przekształcona w dwie cząsteczki związku trójwęglowego – pirogronianu zgodnie z równaniem:

CIndeks dolny 6₆HIndeks dolny 12₁₂OIndeks dolny 6₆ + 2ADP + 2PIndeks dolny i  Indeks dolny koniec_i + 2NADIndeks górny +⁺ → 2CHIndeks dolny 3₃COCOOH + 2ATP + 2NADH + 2HIndeks górny +⁺+ 2HIndeks dolny 2₂O

W przebiegu glikolizy wyróżnia się dwa etapy:

1. inwestycji energetycznej,

2. zysku energetycznego (spłaty energetycznej).

R1D29PL1S3MSC

Ilustracja przedstawiająca schemat przemian w procesie glikolizy. 1. Kosztem ATP glukoza ulega przekształceniu w gluokozo‑6-fosforan. 2. Glukozo‑6-fosforan ulega izomeryzacji prowadzącej do fruktozo‑6-fosforanu. 3. Fruktozo‑6-fosforan kosztem ATP daje fruktozo‑1,6‑bisfosforan. 4. Zostaje on rozłożony do fosfodihydroksyacetonu i aldehydu 3‑fosfoglicerynowego. 5. Wspomniany fosfodihydroksyaceton ulega izomeryzacji do aldehydu 3‑fosfoglicerynowego. 6. Aldehyd 3‑fosfoglicerynowy przekształca się do 1,3‑bisfosfoglicerynianu. 7. Utworzenie 3‑fosfoglicerynianu z 1,3‑bisfosfoglicerynianu. 8. 3‑fosfoglicerynian przekształca się do 2‑fosfoglicerynianu. 9. 2‑fosfoglicerynian ulega dehydratacji prowadząc do fosfoenolopirogronianu. 10. Fosfoenolopirogronian przy udziale ADP przekształca się do pirogronianu.

W etapie inwestycji energetycznej następuje aktywacja glukozy poprzez przyłączenie do niej dwóch reszt fosforanowych z dwóch cząsteczek ATP. Powstaje wówczas sześciowęglowy cukier, który rozpada się na dwie cząsteczki trójwęglowe, zawierające jedną resztę fosforanową. Są to: aldehyd 3‑fosfoglicerynowy i fosfodihydroksyaceton. Ten ostatni podlega następnie izomeryzacjiizomeryzacjaizomeryzacji do aldehydu 3‑fosfoglicerynowego.

W etapie zysku energetycznego dwie cząsteczki aldehydu 3‑fosfoglicerynowego ulegają utlenieniu z udziałem NAD⁺, który wtedy redukuje się do NADH + HIndeks górny +⁺. W rezultacie powstają dwie cząsteczki kwasu 3‑fosfoglicerynowego, a do każdej z nich dołączana jest reszta fosforanowa nieorganiczna (nie z ATP). Wytworzony produkt podlega następnie defosforylacji, tzn. odłączane są od niego reszty fosforanowe, które następnie przenoszone są na ADP. Proces ten nazywany fosforylacją substratowąfosforylacja substratowafosforylacją substratową prowadzi ostatecznie do wytworzenia 4 cząsteczek ATP oraz dwóch cząsteczek trójwęglowego pirogranianu.

Ćwiczenie 1

Przeanalizuj poniższy schemat glikolizy, a następnie wskaż miejsca, w których zachodzi fosforylacja substratowa. Wyjaśnij również na czym polega różnica w fosforylacji, która ma miejsce podczas przekształcenia: (1) glukozy w glukozo‑6-fosforan i (2) aldehydu 3‑fosfoglicerynowego w kwas 1,3‑bisfosfoglicerynowy.

RDCGB4D7FQOR1

Schemat przedstawia proces glikolizy. Każdy organizm musi w pewien sposób pozyskiwać energię do życia. Procesem, który to umożliwia, jest między innymi katabolizm cukrów, podczas którego utleniane są substancje odżywcze, w celu pozyskania energii użytecznej biologicznie. Taka energia będzie wykorzystywana do wielu innych procesach w zachodzących w komórce. Katabolizm cukrów może zachodzić w warunkach tlenowych lub w sposób beztlenowy, a glikoliza jest ich wspólnym etapem. Glikoliza zachodzi na terenie cytozolu i polega na rozkładzie jednej cząsteczki glukozy do dwóch cząsteczek pirogronianu, czego skutkiem jest wydzielenie dwóch cząsteczek ATP jako zysk energetyczny netto. Glikoliza składa się z szeregu reakcji enzymatycznych, a substratem do pierwszej z nich jest glukoza, która ulega fosforylacji do glukozo‑6-fosforanu. Do tego etapu niezbędne jest wykorzystanie jednej cząsteczki ATP. Następnie glukozo‑6-fosforan ulega izomeryzacji do fruktozo‑6-fosforanu, a cząsteczka ta przyłącza drugą resztę fosforanową, również pochodzącą z ATP. W ten sposób powstaje fruktozo‑1,6‑bisfosforan. Te pierwsze reakcje glikolizy umożliwiają aktywację glukozy do dalszych przemian, co pozwala następnie na rozkład sześciowęglowej cząsteczki na dwie cząsteczki trzywęglowe. To fosfodihydroksyaceton oraz aldehyd 3‑fosfoglicerynowy. Te ufosforylowane triozy mogą w siebie izomeryzować, jednak do kolejnych etapów będzie wykorzystywany tylko aldehyd 3‑fosfoglicerynowy. Cząsteczka ta ulega utlenieniu do kwasu, czemu towarzyszy redukcja NAD+ do NADH. Podczas tej reakcji wydziela się porcja energii, która umożliwia przyłączenie wolnego fosforanu do tworzącego się kwasu 1,3‑bisfosfoglicerynowego. Taka reszta fosforanowa jest w tym momencie zaktywowana, dzięki przyłączeniu do związku organicznego, a następnie będzie ona przeniesiona na ADP podczas reakcji fosforylacji substratowej. Powstała w ten sposób cząsteczka ATP jest zyskiem energetycznym komórki. Kwas 3‑fosfoglicerynowy, który posiada nadal jedną resztę fosforanową ulega izomeryzacji, a powstała cząsteczka ulega odwodnieniu do fosfoenolopirogronianu, który oddaje swoją resztę fosforanową na ADP podczas drugiej reakcji fosforylacji substratowej. W ten sposób powstaje pirogronian, będący ostatecznym produktem glikolizy. Zużyte zostały 2 cząsteczki ATP i 2 cząsteczki ATP zostały zsyntetyzowane, czyli bilans energetyczny zostaje wyrównany. Zysk energetyczny glikolizy jest wynikiem procesu. Do tej pory powstała jedna cząsteczka trzywęglowego pirogronianu z sześciowęglowej glukozy. Druga z cząsteczek pirogronianu powstaje z tej samej cząsteczki glukozy. Fruktozo‑1,6‑bisfosforan ulega rozpadowi na dwie triozy, a fosfodihydroksyaceton może ulec izomeryzacji do aldehydu 3‑fosfoglicerynowego. Cząsteczka ta może teraz ulec takim samym przemianom, jak opisane wcześniej. Przekształcenie kolejnego aldehydu 3‑fosfoglicerynowego do pirogronianu umożliwi wytworzenie kolejnych dwóch cząsteczek ATP. Podczas glikolizy jednej cząsteczki glukozy zużywane są dwie cząsteczki ATP i powstają cztery, czego wynikiem są dwie cząsteczki ATP, będące zyskiem energetycznym netto tego szlaku metabolicznego. Powstały w ten sposób pirogronian może być wykorzystany do dalszych przemian i w zależności od możliwości komórki może on być zużyty podczas kolejnych etapów oddychania tlenowego, beztlenowego lub ulec redukcji, na przykład do mleczanu podczas beztlenowej fermentacji.

RQAB6FSMGS9SU

Pokaż podpowiedź

Zwróć uwagę, w których reakcjach dochodzi do powstania ATP bez udziału łańcucha oddechowego. Przeanalizuj też, skąd pochodzi grupa fosforanowa dodawana w wymienionych reakcjach – czy pochodzi z ATP, czy z wolnego fosforanu nieorganicznego (Pi).

Pokaż odpowiedź

Fosforylacja substratowa zachodzi w dwóch miejscach glikolizy:

- podczas przekształcania 1,3‑bisfosfoglicerynianu w 3‑fosfoglicerynian,

- podczas przekształcania fosfoenolopirogronianu (PEP) w pirogronian – w obu tych etapach dochodzi do bezpośredniego wytworzenia ATP.

Różnica między reakcjami:

Przekształcenie glukozy w glukozo‑6-fosforan to fosforylacja z udziałem ATP – grupa fosforanowa pochodzi z cząsteczki ATP (zużycie energii).

Przekształcenie aldehydu 3‑fosfoglicerynowego w kwas 1,3‑bisfosfoglicerynowy to fosforylacja z udziałem nieorganicznego fosforanu (Pi), bez zużycia ATP.

Bilans energetyczny glikolizy

W fazie inwestycji energetycznej glikolizy komórka zużywa 2 cząsteczki ATP, aby uruchomić reakcje przekształcające glukozę. Następnie, w fazie zysku energetycznego, powstają 4 cząsteczki ATP w wyniku fosforylacji substratowej, co daje zysk netto glikolizy równy 2 cząsteczkom ATP.

ROA6ULSQ5G7B8

Na ilustracji przedstawiono przebieg glikolizy. Na górze widać owalne mitochondrium, na tle którego przedstawiono cztery etapy oddychania tlenowego. Od glikolizy, przez reakcję pomostową, cykl Krebsa prowadzą strzałki do fosforylacji oksydacyjnej. Od glikolizy, cyklu Krebsa i fosforylacji oksydacyjnej prowadzą strzałki do napisu ATP. Poniżej przedstawiony jest bilans glikolizy. Podczas pierwszych reakcji glikolizy zużywane są dwie cząsteczki ATP, co można nazwać etapem inwestycji energetycznej. Inwestycja ta zwraca się w kolejnych reakcjach, ponieważ w wyniku fosforylacji substratowych powstają cztery cząsteczki ATP. Jednocześnie pochodzące z utleniania glukozy elektrony są przenoszone na NAD⁺, ulegające redukcji do NADH. Powstałe w ten sposób zredukowane formy uniwersalnych przenośników elektronów i protonów mogą w warunkach tlenowych być transportowane do mitochondrium, gdzie ulegają utlenieniu z wykorzystaniem łańcucha oddechowego. Jeśli komórka nie jest zdolna do oddychania tlenowego, to powstałe w wyniku glikolizy NADH i H⁺ są zużywane do redukcji pirogronianu podczas fermentacji.

Podczas glikolizy powstają także dwie cząsteczki NADH, które przenoszą elektrony i protony na łańcuch oddechowyłańcuch oddechowyłańcuch oddechowy, umożliwiając powstanie ATP podczas fosforylacji oksydacyjnejfosforylacja oksydacyjnafosforylacji oksydacyjnej.

ROX9VGVLUNBJR

Nagranie filmowe pod tytułem Glikoliza — wspólny etap katabolizmu tlenowego i beztlenowego cukrów.

Nagranie filmowe pod tytułem Glikoliza — wspólny etap katabolizmu tlenowego i beztlenowego cukrów.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/ROX9VGVLUNBJR

Nagranie filmowe pod tytułem Glikoliza — wspólny etap katabolizmu tlenowego i beztlenowego cukrów.

Oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianu

W warunkach tlenowych pirogronian jest przenoszony do mitochondrium, gdzie podlega reakcji pomostowej, która ma charakter oksydacyjnej dekarboksylacji (reakcji utlenienia połączonej z odłączeniem dwutlenku węgla). Reakcja pomostowa przebiega w macierzy mitochondrialnej w trzech etapach i obejmuje:

• dekarboksylację pirogronianu; polega na odłączeniu z cząsteczki pirogronianu grupy karboksylowej z wytworzeniem dwuwęglowej reszty acetylowej (CHIndeks dolny 3₃-COO-) i COIndeks dolny 2₂, który opuszcza komórkę,

• dehydrogenacjędehydrogenacjadehydrogenację, czyli utlenienie reszty acetylowej z wykorzystaniem NADIndeks górny +⁺ jako utleniacza; produktem tej reakcji jest NADH + HIndeks górny +⁺, wykorzystywany do syntezy ATP w fosforylacji oksydacyjnej,

• przyłączenie reszty acetylowej do koenzymu A; produktem tej reakcji jest acetylo‑koenzym A (acetylo‑CoA), który włączany jest w cykl Krebsa, stanowiący kolejny etap oddychania tlenowego.

Cykl Krebsa

Cykl Krebsa (cykl kwasu cytrynowego, cykl kwasów trójkarboksylowych) zachodzi w macierzy mitochondrialnej i składa się na niego osiem reakcji chemicznych. Cykl rozpoczyna się od połączenia dwuwęglowej reszty acetylowej z CoA z czterowęglowym szczawiooctanem. W rezultacie powstaje wolny CoA oraz szcześciowęglowy cytrynian.

W kolejnych etapach cyklu Krebsa cytrynian podlega licznym przemianom. Ich głównym celem jest wytworzenie zredukowanych przenośników elektronów i protonów, tj. NADH + HIndeks górny +⁺ oraz FADHIndeks dolny 2₂, które wykorzystane zostaną później do syntezy ATP w fosforylacji oksydacyjnej.

R187KLSHLN483

Schemat kołowy przedstawia przebieg Cyklu Krebsa. Oddychanie wewnątrzkomórkowe umożliwia pozyskanie energii, substancji odżywczych w tym z monomerów glukozy. Proces ten można podzielić na kilka etapów. Jednak w tym filmie zajmiemy się analizą cyklu Krebsa. W pierwszej reakcji cyklu Krebsa powstały w reakcji pomostowej acetylo‑CoA odłącza koenzym A i oddaje resztę acetylową na czterowęglowy szczawiooctan. W wyniku kondensacji powstaje sześciowęglowy cytrynian, który ulega izomeryzacji do izocytrynianu. Ta cząsteczka następnie ulegnie dekarboksylacji (odłączeniu dwutlenku węgla) oraz dehydrogeracji (odłączeniu atomów wodorów), co powoduje jej utlenienie. Uwolnione w ten sposób wodory i elektrony łączą się z NAD+ (dinukleotyd nikotynoamidoadeninowym) i powstaje NADH+H+. W konsekwencji powstaje pięciowęglowy alfa‑ketoglutaran, który również ulega dekarboksylacji i dehydrogenacji z wytworzeniem kolejnej cząsteczki NADH+H+. W tym samym czasie zostaje uwolniona kolejna porcja energii, która jest wykorzystana do syntezy GTP, z którego z kolei reszta fosforanowa zostaje przeniesiona na ADP i podczas fosforylacji substratowej powstaje bezpośredni zysk w postaci jednej cząsteczki ATP. Kolejna dehydrogenacja, tym razem bursztynianu prowadzi do powstania FADH2 (dinukleotydu flawinoadeninowego) oraz fumaranu, do którego przyłącza się następnie cząsteczka wody, dając w rezultacie jabłczan. Związek ten ulega dehydrogenacji, co umożliwia odtworzenie szczawiooctanu z wydzieleniem kolejnej cząsteczki NADH+H+. Szczawiooctan może wchodzić w kolejne obroty Cyklu Krebsa, natomiast wytworzone zredukowane formy przenośników protonów i elektronów będą brały udział w ostatnim etapie oddychania tlenowego w łańcuchu oddechowym, gdzie będą wykorzystane do wytworzenia kolejnych cząsteczek ATP.

W cyklu Krebsa NADH +HIndeks górny +⁺ oraz FADHIndeks dolny 2₂ powstają podczas:

• dwukrotnej oksydacyjnej dekarboksylacji z wykorzystaniem NADIndeks górny +⁺; w rezultacie następuje uwolnienie 2 cząsteczek COIndeks dolny 2₂ oraz wytworzenie 2 cząsteczek NADH + HIndeks górny +⁺

• utlenienia z wykorzystaniem NADIndeks górny +⁺; w rezultacie powstaje 1 cząsteczka NADH + HIndeks górny +⁺

• utlenienia z wykorzystaniem FAD; rezultatem jest wytworzenie 2 cząsteczek FADHIndeks dolny 2₂

Podczas cyklu Krebsa zachodzą również inne reakcje chemiczne, takie jak hydratacja, izomeryzacja i fofosforylacja substratowa, której wynikiem jest synteza 1 cząsteczki ATP.

Podsumowanie

• Oddychanie tlenowe zachodzi w obecności tlenu i polega na całkowitym utlenieniu substratu np. glukozy do dwutlenku węgla i wody z wytworzeniem ATP.

• Przemiany substratu oddechowego w oddychaniu tlenowym zachodzą w trzech etapach: glikolizie, reakcji pomostowej oraz w cyklu Krebsa.

Ćwiczenia utrwalające