ODDYCHANIE KOMÓRKOWE

NM
Gera
ODDYCHANIE KOMÓRKOWE
NMG
1
A)
ODDYCHANIE TLENOWE
B)
PROCESY BEZTLENOWEGO UZYSKIWANIA
ENERGII
ZADANIE


W FORMIE REFERATU OPRACUJ
ZAGADNIENIA DOTYCZĄCE PRZEBIEGU
CHEMOSYNTEZY ORAZ BEZTLENOWEGO
UZYSKIWANIA ENERGII
NMG

DOMOWE
Wykonaj polecenie 2 ze strony 43
Opisz wpływ czynników zewnętrznych na
intensywność oddychania komórkowego
2
PLAN ZAJĘĆ


2) POWTORZENIE WIADOMOŚCI O BUDOWIE , FUNKCJACH I
POCHODZENIU MITOCHONDRIÓW
3) Historia ;)

5) BILANS ENERGETYCZNY




6) WPŁYW CZYNNIKÓW NA INTENSYWNOŚĆ ODDYCHANIA
KOMÓRKOWEGO (ZADANIE DOMOWE)
NMG

4) PRZEBIEG ODDYCHANIA TLENOWEGO
4a) GLIKOLIZA
4b) REAKCJA POMOSTOWA
4c) CYKL KWASU CYTRYNOWEGO
4d) ŁAŃCUCH ODDECHOWY

3


Za odkrycie cyklu kwasów
trikaboksylowych otrzymał
Nagrodę Nobla w dziedzinie
medycyny lub fizjologii w roku
1953
Sir Hans Adolf Krebs ur. 25
sierpnia 1900 w Hildesheim,
Niemcy, zm. 22 listopada 1981 w
Oksfordzie, Anglia, Wielka
Brytania
NMG

Cykl reakcji umożliwiających
utlenienie acetylo-CoA opisał w
roku w roku 1937 sir Hans
Adolf Krebs
4
HANS ADOLF KREBS

w roku 1933 zmuszony był do emigracji do Wielkiej Brytanii.
Profesor uniwersytetu w Sheffield, potem uniwersytetu w
Oksfordzie, członek Towarzystwa Królewskiego w Londynie.

NMG
W 1932 roku wspólnie z Kurtem Henseleitem odkrył i opisał cykl
przemian reakcji chemicznych w tkankach zwierzęcych prowadzący
do syntezy mocznika (tzw. cykl ornitynowy/mały cykl Krebsa/cykl
Krebsa-Henseleita),

opisał (1937) również cykl przemian biochemicznych produktów
rozkładu sacharydów, tłuszczów i białek, zwany cyklem Krebsa
(zwany również cyklem kwasu cytrynowego lub cyklem kwasów
trikarboksylowych);

otrzymał za te prace nagrodę Nobla w 1953 roku.

Królowa Elżbieta II nadała mu w 1958 tytuł szlachecki, co wiązało
się z prawem używania tytułu sir przed nazwiskiem
5
NMG
6








NMG

oddychanie tlenowe – odwodorowanie
substratu organicznego, wytwarzanie
energii w postaci ATP
macierz mitochondrialna – enzymy cyklu
Krebsa,
błony grzebieni mitochondrialnych –
enzymy łańcucha oddechowego,
ATP nie może być transportowane, ani
magazynowane – mitochondria potrafią
wędrować do miejsc, gdzie występuje
zapotrzebowanie na energię,
w praktyce medycznej – w przypadkach
uszkodzenia wątroby bądź zawału
mięśnia sercowego z uszkodzonych
mitochondriów do krwi przedostają się
specyficzne enzymy – diagnostyka na
podstawie badania krwi.
nowe powstają przez wzrost i podział
istniejących,
mutacja w DNA mitochondrialnym może
być związana z niektórymi chorobami –
ślepota w młodym wieku, postępujące
zwyrodnienie mięśni,
wpływają na procesy starzenia się,
programowana śmierć komórki – apoptoza7
BUDOWA ATP
nmg
Cząsteczka ATP jest związkiem składającym się z zasady
azotowej – adeniny (1) połączonej z cząsteczką cukru – rybozy
(2) i trzech reszt fosforanowych (3). ATP powstaje w procesie
fosforylacji z ADP (adenozynodwufosforanu) i Pi (fosforanu
nieorganicznego).
8
ODDYCHANIE
NMG
W potocznym znaczeniu pod słowem oddychanie przyjęto rozumieć
wymianę gazową, czyli pobieranie tlenu i usuwanie dwutlenku węgla,
jednak ma ona jedynie związek z oddychaniem. Natomiast właściwe
oddychanie to wyzwalanie energii z glukozy i jest to podstawowa
czynność życiowa wszystkich organizmów żywych z wyjątkiem
wirusów. Oddychanie ustaje wraz ze śmiercią komórki.
9
ODDYCHANIE

NMG
Oddychanie zatem polega na utlenieniu biologicznym ,
czyli odłączeniu atomów wodoru albo tylko elektronów
od substratu przy wydzieleniu energii oraz na
wychwyceniu części energii i zgromadzeniu w formie
energii chemicznej w wiązaniach
wysokoenergetycznych w ATP. Pozostała energia ulega
rozproszeniu w postaci energii cieplnej.
Powstałe w ten sposób ATP jest używane do wszystkich reakcji
wymagających użycia energii. Każda komórka tworzy tyle ATP ile
go potrzebuje. ATP nie może być gromadzone. Organella
komórkowa na terenie której odbywają się procesy związane z
oddychaniem -> mitochondrium.
10
CZYNNIKI

Liczba mitochondriów

Rodzaj komórki
NMG


WPŁYWAJĄCE NA ODDYCHANIE KOMÓRKOWE:
Dostępność tlenu
Zapotrzebowanie energetyczne

Wiek komórki
11
ETAPY ODDYCHANIA
KOMÓRKOWEGO
NMG
Glikoliza
 Reakcja pomostowa
 Cykl Krebsa
 Łańcuch oddechowy

12
MIEJSCE
ODDYCHANIA TLENOWEGO W KOMÓRCE
NMG
GLIKOLIZA – cytozol
REAKCJA POMOSTOWA - matrix
CYKL KREBSA – matrix
ŁAŃCUCH ODDECHOWY – wewnętrzna błona mitochondrialna
13
WZÓR REAKCJI

C₆H₁₂O₆ + O₂
CHEMICZNEJ
6CO₂ + 6H₂O + energia
NMG
Proces pozaustrojowego utleniania glukozy -> taka
ilość energii cieplnej może doprowadzić do
denaturacji białek w komórce, dlatego oddychanie
w komórkach zachodzi w etapach .
14
ETAPY ODDYCHANIA KOMÓRKOWEGO
 Glikoliza
 Cykl
pomostowa
NMG
 Reakcja
Krebsa
 Utlenianie
końcowe
15
NMG
16
GLIKOLIZA

etapy oddychania zwane
glikolizą zachodzą w
cytoplazmie podstawowej i nie
wymagają obecności tlenu.
NMG
Proces ten zarówno w warunkach
tlenowych jak i beztlenowych
przebiega tak samo, odmienny jest
jedynie los pirogronianu, czyli
produktu końcowego glikolizy oraz
możliwość utlenienia zredukowanego
akceptora wodoru NADH + H+. 17


NMG
Glukoza zostaje ufosforylowana przez ATP do glukozo-6fosforanu, a następnie enzymatycznie przekształcona do fruktozo6-fosforanu.
Ten następnie jest ponownie ufosforylowany dzięki przeniesieniu
grupy fosforanowej z ATP do fruktozo-1,6-dwufosforanu. Potem
następuje rozcięcie enzymatyczne na dwie cząsteczki
triozofosforanu - fosfodihydroksyacetonu i aldehyd 3fosfoglicerynowego. Grupa aldehydowa drugiego związku zostaje
odwodorowana przez NAD. Reakcja ta jest silnie egzoergiczna i
sprzężona z przyłączeniem nieorganicznego fosforanu.
18
GLIKOLIZA CD.

Następnie grupa fosforanowa zostaje przeniesiona na ADP,
przy czym powstaje 3-fosfoglicerynian i ATP. -> jest to
fosforylacja substratowa.
NMG



3- fosfoglicerynian zamieniany jest w 2- fosfoglicerynian.
Następnie 2- fosfoglicerynian zamieniany jest
w fosfoenolopirogronian. Ostatni etap to powstanie
z fosfoenolopirogronianu, pod wpływem kinazy
pirogronianowej pirogronianu i cząsteczki ATP.
W komórce procesy utleniania i redukcji muszą być
zrównoważone.
19
NMG
20
REAKCJA POMOSTOWA
NMG
21
CYKL KREBSA

NMG
Pirogronian w warunkach tlenowych zamieniany jest w acetyloCoA, który włączany jest w cykl kwasu cytrynowego (cykl
Krebsa)
22
ACETYLO - COA
„aktywny octan”
Powstały poprzez acetylowanie koenzymu A.

NMG
Acetylo-CoA odgrywa kluczową rolę w metabolizmie.
Składa się z grupy acetylowej (−COCH
3) związanej kowalencyjnie z koenzymem A.
23
WYKORZYSTANIE ACETYLO COA


NMG

bezpośrednio wykorzystywany przez połączenie z
kwasem szczawiooctowym do syntezy kwasu
cytrynowego, który rozpoczyna cykl kwasu
cytrynowego
w metabolizmie lipidów – jest prekursorem
cholesterolu a następnie hormonów steroidowych
łączy się także z choliną, tworząc acetylocholinę,
lub z sulfonamidami
24
ŹRÓDŁA ACETYLO-COA
tłuszcze
trawienie
lipoliza
węglowodany
białka
proteoliza
cukry proste
(glukoza)
NMG
trawienie
glikogenoliza
kwasy tłuszczowe
+ glicerol
glikoliza
-oksydacja
pirogronian
oksydacyjna
dekarboksylacja
aminokwasy
acetyloCoA
aminokwasy
deaminacja,
oksydacja
ciała ketonowe
O
25
//
CH3 ─ C ~ SCoA
NMG
26
CYKL KREBSA

Składa się z 8 etapów.



NMG
FUNKCJE
 rozkłada acetyloCoA
powstający podczas
katabolizmu węglowodanów,
lipidów, białek
dostarcza równoważników
redukcyjnych – NADH+H+ i
FADH2 zamienianych na ATP
w ŁO oraz GTP (=ATP)
dostarcza substratów do
procesów syntezy różnych
związków (np. glukozy, hemu,
kwasów tłuszczowych)
27
ETAPY CYKLU CREBSA
1) synteza cytrynianu ( c4 + acetylo-CoA)

2) Izomeracja cytrynianu do izocytrynianu

3) utlenienie izocytrynianu do alfa-ketoglutaranu

4) utlenienie alfa-ketoglutaranu do
NMG

bursztynyloCo-A

5) synteza ( z bursztynyloCo-A do bursztynianu)

6) ulenienie bursztynianu do fumaranu

7) utlenienie fumaranu do jabłczanu

8) utlenienie jabłczanu do szczawiooctanu
28
REAKCJE CYKLU KREBSA
COOCOO|
|
CH2
CH2
|
+ H2O
|
HO ─ C ─ COO
HO ─ C ─ COO|
|
CH2
HSCoA
CH2
|
|
C = O
COO|
SCoA
Enzym:
SYNTAZA CYTRYNIANOWA
klasa IV (liazy)
NMG
COO|
C = O
|
CH2
|
COO-
O
//
CH3 ─ C ~ SCoA
synteza cytrynianu
1
Typ reakcji:
KONDENSACJA
reakcja nieodwracalna
enzym regulatorowy
29
REAKCJE CYKLU KREBSA
- H2O
2
2
COO|
+ H2O
CH2
|
C ─ COO||
CH
|
COO-
COO|
CH2
|
HC ─ COO|
HO ─ CH
|
COONMG
COO|
CH2
|
HO ─ C ─ COO|
CH2
|
COO-
•Izomeracja cytrynianu do
izocytrynianu
Enzym:
AKONITAZA (HYDRATAZA
cisAKONITANOWA)
klasa IV (liazy)
Typ reakcji:
DEHYDRATACJA/HYDRATACJA
reakcja odwracalna
białko zawierajace Fe-S
30
REAKCJE CYKLU KREBSA
3
COO|
CH2
|
HC ─ COO|
O = CH
|
COO-
CO2
COO|
CH2
|
CH2
|
O = CH
|
COONMG
COO|
NAD+
CH2
|
HC ─ COO|
HO ─ CH
NADH+H+
|
COO-
utlenienie izocytrynianu do alfa-ketoglutaranu
Enzym:
DEHYDROGENAZA
IZOCYTRYNIANOWA
klasa I (oksydoreduktazy)
Typ reakcji:
UTLENIANIE i DEKARBOKSYLACJA
reakcja nieodwracalna
izoenzymy
enzym regulatorowy
31
REAKCJE CYKLU KREBSA
NAD+,
HSCoA
NADH+H+
CO2
COO|
CH2
|
CH2
|
C ~ SCoA
||
O
NMG
COO|
CH2
|
CH2
|
O = CH
|
COO-
utlenienie alfa-ketoglutaranu do
bursztynyloCo-A
Enzym:
KOMPLEKS DEHYDROGENAZY
-KETOGLUTARANOWEJ
klasa I (oksydoreduktazy)
4
Typ reakcji:
UTLENIANIE i DEKARBOKSYLACJA
reakcja nieodwracalna
enzym regulatorowy
32
REAKCJE CYKLU KREBSA
GTP
HSCoA
COO|
CH2
|
CH2
|
COO-
NMG
COO|
GDP + Pi
CH2
|
CH2
|
C ~ SCoA
||
O
synteza ( z bursztynyloCo-A do
bursztynianu)
Enzym:
SYNTETAZA BURSZTYNYLOCoA
klasa VI (syntetazy)
Typ reakcji:
FOSFORYLACJA SUBSTRATOWA
5
reakcja odwracalna
33
REAKCJE CYKLU KREBSA
FAD
FADH2
COO|
CH
||
CH
|
COO-
NMG
COO|
CH2
|
CH2
|
COO-
•ulenienie bursztynianu do
fumaranu
Enzym:
DEHYDROGENAZA
BURSZTYNIANOWA
klasa I (oksydoreduktazy)
6
Typ reakcji:
UTLENIANIE
jest częścią błony
mitochondrialnej
reakcja odwracalna
białko zawierające Fe-S
34
REAKCJE CYKLU KREBSA
utlenienie fumaranu do jabłczanu
NMG
COO|
HC ─ OH
|
CH2
|
COO-
COOH2O
|
CH
||
CH
|
COO-
Enzym:
HYDRATAZA FUMARANOWA
(FUMARAZA)
klasa IV (liazy)
7
Typ reakcji:
HYDRATACJA
reakcja odwracalna
35
REAKCJE CYKLU KREBSA
8
NADH+H+
COO|
C = O
|
CH2
|
COO-
NMG
COONAD+
|
HC ─ OH
|
CH2
|
COO-
utlenienie jabłczanu do
szczawiooctanu
Enzym:
DEHYDROGENAZA
JABŁCZANOWA
klasa I (oksydoreduktazy)
Typ reakcji:
UTLENIANIE
reakcja odwracalna
36
NMG
37
BILANS ENERGETYCZNY CYKLU KREBSA
z jednej cząsteczki acetyloCoA
3 NADH + H+  3 ATP = 9
ATP
 1 FADH2
 2 ATP = 2
ATP
 1 GTP (FS)
= 1 ATP = 1
ATP

NMG
= 12 ATP
GTP + ADP ↔ GDP + ATP
enzym: kinaza difosfonukleozydowa
38
POWIĄZANIA CYKLU KREBSA Z INNYMI SZLAKAMI
METABOLICZNYMI
Niektóre szlaki metaboliczne kończą się na metabolicie cyklu
Krebsa a niektóre wywodzą się z tego cyklu. Szczególne
NMG
znaczenie odgrywa w wątrobie gdzie nazywany jest „cyklem
otwartym”: w czasie sytości ( węglowodanów) przeważa udział
cyklu w procesie lipogenezy, w tworzeniu aminokwasów, w czasie
głodu ( węglowodanów) w procesie glukoneogenezy. Prawie
wszystkie metabolity cyklu Krebsa są potencjalnie glukogenne
(najbardziej szczawiooctan), ponadto niektóre aminokwasy są
glukogenne dzięki możliwości przekształcenia ich w metabolit
cyklu Krebsa lub w pirogronian.
39
CYKL KREBSA POWIĄZANY JEST Z NASTĘPUJĄCYMI
PRZEMIANAMI:
 synteza niektórych aminokwasów
NMG
 synteza hemu
 synteza ciał ketonowych
 synteza kwasów tłuszczowych
 synteza neurotransmiterów (mózg)
 cykl mocznikowy
glukoneogeneza (ze szczawiooctanu, pirogronianu,
aminokwasów)
40
ZABURZENIA METABOLIZMU ZWIĄZANE Z CYKLEM
KREBSA

NMG
- Beri – beri - to zaburzenie, którego przyczyną
jest brak tiaminy. Pirofosforan tiaminy (TPP)
jest grupą prostetyczną trzech enzymów
niezbędnych do zachodzenia cyklu:
dehydrogenazy pirogronianowej, dehydrogenazy
α-ketoglutaranowej i transketolazy. Niedobór
tego związku powoduje zaburzenia neurologiczne
ze względu na wykorzystanie jako substratu
oddechowego w komórkach nerwowych wyłącznie
glukozy
41
ZABURZENIA METABOLIZMU ZWIĄZANE Z
CYKLEM KREBSA
Związki rtęci i arsenu wykazują silne
powinowactwo do grup hydrosulfidowych enzymów
kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej.
Zahamowanie aktywności enzymu podobnie jak w
przypadku beri-beri prowadzi do zaburzeń
neurologicznych
NMG

42
UTLENIANIE KOŃCOWE- ŁAŃCUCH ODDECHOWY
NMG
43
ŁAŃCUCH ODDECHOWY
NMG
Na łańcuch oddechowy składa się szereg przenośników
błonowych na grzebieniach mitochondrialnych. Ich funkcja
polega na odbieraniu protonów i elektronów od
zredukowanych dinukleotydów (NADH, FADH2). Powoduje
to ich utlenienie.
44
FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA

NMG
Jest to główny sposób uzyskiwania energii ze związków
organicznych. W wyniku ich rozkładu elektrony są
przenoszone przez łańcuch oddechowy na tlen. Jest to
utlenianie, które zachodzi na błonie mitochondrialnej i
może zachodzić jedynie w warunkach tlenowych.
ADP + Pi + zredukowany przenośnik wodoru i elektronów +
O2 -> ATP + H2O + utlenione przenośniki wodoru i
elektronów.
Podczas wędrówki protonów i elektronów z jednej
cząsteczki NADPH na tlen, powstają 3 ATP,
natomiast w przypadku FADH2 – 2 ATP.
45
NMG
46
ODDYCHANIE TLENOWE
1. Powstający w glikolizie pirogronian wędruje do mitochondriów, gdzie
ulega oksydacyjnej dekarboksylacji do związku dwuwęglowego aktywnego octanu, zwanego acetylokoenzymem A, wiec inaczej
acetylo- Co A.
NMG
2. Acetylo-Co A zostaje włączony w cykl przemian kwasów
karboksylowych zwany cyklem Krebsa lub cyklem kwasu cytrynowego.
Tam zostaje utleniony do dwóch cząsteczek CO2.
3. Akceptorem aktywnego octanu w cyklu Krebsa jest 4-węglowy
szczawiooctan. W wyniku reakcji kondensacji powstaje 6-węglowy
cytrynian, od którego pochodzi nazwa cyklu.
4. Przez szereg produktów pośrednich zostaje odtworzony związek
4-węglowy, który przyłącza kolejną cząsteczkę acetylokoenzymu A.
5. Na czterech etapach cyklu odbywa się proces utleniania poprzez
odwodorowanie z wydzieleniem trzech cząstek NADH+H+ i
FADH2. Podczas jednego pełnego cyklu Krebsa dochodzi do
dwukrotnej dekarboksylacji i 4-krotnego odwodorowania.
47
6. Zredukowane przenośniki przenoszą wodór na
błonę grzebieni mitochondrialnych, gdzie
zlokalizowany jest łańcuch oddechowy.
NMG
7. Łańcuch oddechowy to ciąg oksyreduktaz:
NAD, FAD, ubichinon, cytochrom b, cytochrom
c, oksydaza cytochromowa.
8. Na początku łańcucha płynie strumień atomów
wodoru, a następnie przez wyższy potencjał
oksydoredukcyjny strumień elektronów.
9. W łańcuchu oddechowym produkowane jest
ATP. Ostatecznym akceptorem elektronów i
protonów wodorowych jest tlen w związku z
czym produkcję ATP w łańcuchu oddechowym
określamy jako fosforylację oksydacyjną.
48
PODSUMOWANIE

NMG
Oddychanie komórkowe jest to proces utleniania
glukozy do dwutlenku węgla. Składa się z etapów.
Polega na odbieraniu protonów i elektronów przez
dinukleotydy. Przemiany te katalizują odpowiednie
enzymy. Do całkowitego utlenienia glukozy dochodzi w
pierwszych trzech etapach, a więc glikolizie,
oksydacyjnej dekarboksylacji kwasu pirogronowego i
cyklu Krebsa. W łańcuchu oddechowym ma miejsce
przeniesienie wodoru na tlen, w skutek, czego
powstaje woda. Transportowi elektronów i protonów
towarzyszy powstawanie energii magazynowanej w ATP
(fosforylacja oksydacyjna).
49
Bilans energetyczny oddychania komórkowego
NMG
Na następnej lekcji sprawdzian za 10 punktów z oddychania komórkowego
50
LITERATURA


NMG

Robert K Murray, Daryl K Granner, Victor
William Rodwell, Franciszek Kokot, Zenon
Aleksandrowicz: Biochemia Harpera ilustrowana.
Warszawa: Wydawnictwo Lekarskie PZWL, 2008.
Luberta Stryera, Jeremy’ego Berga i Johna
Tymoczko „Biochemia” PWN 1986
Dubert i inni „Biologia na czasie 2” Nowa Era
2013
51