Oddychanie komórkowe: definicja, etapy i rola w produkcji ATP
Oddychanie komórkowe: przystępne wyjaśnienie etapów (glikoliza, reakcja Link, cykl Krebsa, łańcuch transportu elektronów) i roli w produkcji ATP.
Oddychanie komórkowe jest tym, co komórki robią, aby rozbić cukry i uzyskać energię, którą mogą wykorzystać. Oddychanie komórkowe pochłania żywność i wykorzystuje ją do tworzenia ATP, substancji chemicznej, którą komórka wykorzystuje do uzyskania energii.
Zazwyczaj proces ten wykorzystuje tlen i nazywa się oddychaniem aerobowym. Ma on cztery etapy znane jako glikoliza, reakcja Link, cykl Krebsa i łańcuch transportu elektronów. Wytwarza on ATP, który dostarcza energię potrzebną komórkom do pracy.
Kiedy nie otrzymują wystarczającej ilości tlenu, komórki używają beztlenowego oddychania, które nie wymaga tlenu. Jednak proces ten powoduje wytwarzanie kwasu mlekowego i nie jest tak efektywny jak w przypadku użycia tlenu.
Oddychanie tlenowe, czyli proces, który wykorzystuje tlen, wytwarza o wiele więcej energii i nie produkuje kwasu mlekowego. Wytwarza również dwutlenek węgla jako produkt odpadowy, który następnie trafia do układu krążenia. Dwutlenek węgla trafia do płuc, gdzie jest wymieniany na tlen.
Uproszczony wzór na aerobowe oddychanie komórkowe jest:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + Energia (jako ATP)
Słowem na to jest równanie:
Glukoza (cukier) + Tlen → Dwutlenek węgla + Woda + Energia (jako ATP)
Aerobowe oddychanie komórkowe ma cztery etapy. Każdy z nich jest ważny i nie mógłby się zdarzyć bez tego, który ma miejsce przed nim. Etapy aerobicznego oddychania komórkowego są:
Gdzie zachodzi oddychanie komórkowe?
Glikoliza odbywa się w cytoplazmie komórki. Pozostałe etapy — reakcja łączenia pirogronianu (reakcja Link), cykl Krebsa i łańcuch transportu elektronów (związany z fosforylacją oksydacyjną) — zachodzą w mitochondrium komórek eukariotycznych. W komórkach prokariotycznych etapy te są rozproszone w cytoplazmie i błonie komórkowej.
Etapy oddychania tlenowego — szczegóły
- 1. Glikoliza — zachodzi w cytoplazmie. Jedna cząsteczka glukozy (C6) zostaje rozbita na dwie cząsteczki pirogronianu (3 węgle każda). Powstaje przy tym niewielka ilość energii: netto 2 ATP oraz 2 cząsteczki NADH (nośnik elektronów). Glikoliza nie wymaga tlenu.
- 2. Reakcja łączenia pirogronianu (reakcja Link) — pirogronian z glikolizy wchodzi do mitochondrialnej macierzy, gdzie ulega dekarboksylacji i utlenieniu do acetylo-CoA. W procesie tym powstaje CO2 oraz NADH. Acetylo-CoA jest substratem dla cyklu Krebsa.
- 3. Cykl Krebsa (cykl kwasu cytrynowego) — acetylo-CoA wchodzi do cyklu odbywającego się w macierzy mitochondrialnej. Podczas cyklu powstają: CO2 (produkt odpadowy), dodatkowe nośniki zredukowanych elektronów — NADH i FADH2, oraz niewielka ilość ATP (lub GTP). Cykl Krebsa pełni też ważną rolę w metabolizmie pośrednich związków używanych do biosyntez.
- 4. Łańcuch transportu elektronów i fosforylacja oksydacyjna — zredukowane nośniki elektronów (NADH, FADH2) przekazują elektrony do łańcucha białek transportujących w wewnętrznej błonie mitochondrialnej. Przepływ elektronów napędza pompowanie protonów (H+) do przestrzeni międzybłonowej, tworząc gradient elektrochemiczny. Energia zgromadzona w tym gradiencie jest wykorzystywana przez syntazę ATP do syntezy ATP z ADP + Pi. Na końcu elektrony łączą się z tlenem i protonami, tworząc wodę — stąd rola tlenu jako ostatecznego akceptora elektronów.
Ile ATP powstaje?
Całkowity zysk energetyczny z całkowitego utlenienia jednej cząsteczki glukozy w warunkach tlenowych to średnio około 30–32 ATP w komórce eukariotycznej. Dokładna liczba może się różnić w zależności od typu komórki i wydajności transportu nośników elektronów do mitochondrium. Dla porównania, w warunkach beztlenowych (fermentacja) z glukozy powstają tylko 2 ATP na cząsteczkę glukozy (z glikolizy).
Oddychanie beztlenowe i fermentacja
Gdy tlen jest niedostępny, komórki wykorzystują alternatywne drogi do regeneracji NAD+ niezbędnego do kontynuacji glikolizy. Najważniejsze z nich to:
- Fermentacja mlekowa — pirogronian zostaje zredukowany do kwasu mlekowego (m.in. w mięśniach ssaków przy intensywnym wysiłku), co pozwala na odtworzenie NAD+; powstaje niewiele ATP (2 ATP/glukozę).
- Fermentacja alkoholowa — zachodzi u drożdży: pirogronian ulega dekarboksylacji do acetaldehydu, a potem redukcji do etanolu; także prowadzi do regeneracji NAD+ i daje 2 ATP/glukozę.
Rola nośników elektronów i fosforylacji
NAD+ i FAD to koenzymy, które przyjmują elektrony w postaci wodoru podczas rozkładu związków organicznych (stają się NADH i FADH2). Przenoszą one elektrony do łańcucha transportu elektronów, gdzie energia ich przepływu jest przekształcana na energię potencjalną (gradient protonowy) i następnie na ATP przez syntazę ATP — to nazywa się teorią chemiosmotyczną (fosforylacja oksydacyjna).
Znaczenie biologiczne i medyczne
Oddychanie komórkowe jest podstawowym procesem dostarczającym energii do ruchu, transportu aktywnego, biosyntez i innych procesów życiowych. Zaburzenia funkcji mitochondrialnych prowadzą do chorób metabolicznych, osłabienia mięśni, problemów neurologicznych i innych schorzeń. Zrozumienie różnic między oddychaniem tlenowym a beztlenowym ma zastosowanie w medycynie, sporcie (regeneracja mięśni), przemyśle fermentacyjnym (produkcja alkoholu, pieczenie) oraz biotechnologii.
Podsumowanie
Oddychanie komórkowe to zestaw reakcji umożliwiających przekształcenie energii chemicznej z pożywienia w użyteczną dla komórki formę — ATP. W warunkach tlenowych proces obejmuje glikolizę, reakcję łączenia pirogronianu, cykl Krebsa i łańcuch transportu elektronów; efektywnie produkuje dużo ATP i wykorzystuje tlen, tworząc CO2 i H2O jako produkty odpadowe. W warunkach beztlenowych komórki przełączają się na fermentację, co pozwala przetrwać krótkotrwały brak tlenu, lecz dostarcza znacznie mniej energii.
Glikoliza
W glikolizy, glukoza w cytoplazmie jest rozbijana na dwie cząsteczki pirogronianu. Dziesięć enzymów jest potrzebnych dla dziesięciu związków pośrednich w tym procesie.
- Dwa bogate w energię ATP rozpoczynają proces.
- Na końcu są dwie pirogranulatowe molekuły, plus
- Poziom substratu - Cztery cząsteczki ATP są wykonane w reakcji numer 7 i 10.
- W komórkach wykorzystujących tlen pirogronian jest wykorzystywany w drugim procesie, cyklu Krebsa, który produkuje więcej cząsteczek ATP.
Wydajność cyklu
Podręczniki biologii często podają, że na jedną utlenioną cząsteczkę glukozy można utworzyć 38 cząsteczek ATP podczas oddychania komórkowego (dwie z glikolizy, dwie z cyklu Krebsa i około 34 z łańcucha transportu elektronów). Jednak w rzeczywistości proces ten wytwarza mniej energii (ATP) z powodu strat przez nieszczelne membrany. Szacuje się, że od 29 do 30 ATP na glukozę.
Metabolizm aerobowy jest około (patrz zdanie powyżej) 15 razy bardziej efektywny niż metabolizm beztlenowy. Metabolizm beztlenowy daje 2 mol ATP na 1 mol glukozy. Dzielą one początkową ścieżkę glikolizy, ale metabolizm tlenowy kontynuowany jest w cyklu Krebsa i fosforylacji oksydacyjnej. Reakcje postglikolityczne zachodzą w mitochondriach w komórkach eukariotycznych, a w cytoplazmie w komórkach prokariotycznych.
Reakcja na połączenie
Pyruwat z glikolizy jest aktywnie pompowany do mitochondriów. Z pirogronianu usuwana jest jedna cząsteczka dwutlenku węgla i jedna cząsteczka wodoru (zwana dekarboksylacją oksydacyjną) w celu wytworzenia grupy acetylowej, która łączy się z enzymem zwanym CoA w celu utworzenia acetylowego CoA. Jest to niezbędne dla cyklu Krebsa.
Cykl Krebsa
Acetyl CoA łączy się z octanem szczawiowym tworząc związek z sześcioma atomami węgla. Jest to pierwszy krok w ciągle powtarzającym się cyklu Krebsa. Ponieważ z każdej cząsteczki glukozy produkowane są dwie cząsteczki acetylo-CoA, wymagane są dwa cykle na cząsteczkę glukozy. Dlatego pod koniec dwóch cykli produktami są: dwa ATP, sześć NADH, dwa FADH i cztery CO2. ATP jest molekułą, która przenosi energię w postaci chemicznej do wykorzystania w innych procesach komórkowych. Proces ten znany jest również jako cykl TCA (cykl kwasu trikarboksylowego (try-car-box-ILL-ick)), cykl kwasu cytrynowego, lub cykl Krebsa po biochemiku, który wyjaśnił swoje reakcje.
Łańcuch transportu elektronicznego (ETC)
To właśnie tutaj powstaje większość ATP. Wszystkie cząsteczki wodoru, które zostały usunięte w poprzednich etapach (cykl Krebsa, reakcja Link) są pompowane wewnątrz mitochondriów z wykorzystaniem energii, którą uwalniają elektrony. Ostatecznie, elektrony zasilające pompowanie wodoru do mitochondriów mieszają się z wodorem i tlenem tworząc wodę i cząsteczki wodoru przestają być pompowane.
Ostatecznie wodór wraca do cytoplazmy mitochondriów poprzez kanały białkowe. Podczas przepływu wodoru, ATP jest wytwarzany z jonów ADP i fosforanowych.
Powiązane strony
Pytania i odpowiedzi
P: Co to jest oddychanie komórkowe?
O: Oddychanie komórkowe to proces, w którym komórki rozkładają cukry i uzyskują energię, którą mogą wykorzystać. Pobiera pokarm i wykorzystuje go do wytworzenia ATP, związku chemicznego, który komórka wykorzystuje do produkcji energii.
P: Jakie są dwa rodzaje oddychania?
O: Dwa rodzaje oddychania to oddychanie tlenowe i oddychanie beztlenowe. Oddychanie tlenowe wykorzystuje tlen i wytwarza więcej energii niż oddychanie beztlenowe, ale nie wytwarza kwasu mlekowego. Oddychanie beztlenowe nie wykorzystuje tlenu, ale wytwarza kwas mlekowy.
P: Jaki jest wzór na oddychanie komórkowe tlenowe?
O: Wzór na tlenowe oddychanie komórkowe to C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + Energia (jako ATP). Równanie słowne brzmi: Glukoza (cukier) + tlen → dwutlenek węgla + woda + energia (jako ATP).
P: Ile etapów ma tlenowe oddychanie komórkowe?
O: Tlenowe oddychanie komórkowe składa się z czterech etapów - glikolizy, reakcji Link, cyklu Krebsa i łańcucha transportu elektronów - każdy z nich jest ważny i nie mógłby zachodzić bez poprzedniego.
P: Co się dzieje z dwutlenkiem węgla powstałym podczas tlenowego oddychania komórkowego?
O: Dwutlenek węgla powstający podczas tlenowego oddychania komórkowego dostaje się do układu krążenia, skąd wędruje do płuc, gdzie jest wymieniany na tlen.
P: Jaki rodzaj odpadów powstaje w procesie oddychania beztlenowego?
O: W wyniku oddychania beztlenowego powstaje kwas mlekowy, natomiast w wyniku oddychania tlenowego powstaje dwutlenek węgla.
Przeszukaj encyklopedię