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.