Lekcja Temat: Oddychanie komórkowe tlenowe Oddychanie komórkowe – podstawowy proces dostarczający komórkom energii. W jego trakcie złożone związki organiczne są rozkładane i utleniane do związków prostszych, towarzyszy temu uwolnienie energii więc jest to proces kataboliczny. Część energii rozprasza się w postaci ciepła, a część zostaje związana w cząsteczkach związków wysokoenergetycznych, głównie w ATP, które musi być stale wytwarzany, ponieważ czerpana energia z niego jest nieustannie zużywana w trakcie czynności życiowych. Substratami są zazwyczaj glukoza, rzadziej tłuszcze, a w trakcie intensywnego głodu lub wysiłku białka. Rodzaje oddychania komórkowego: Oddychanie tlenowe – najczęstszy rodzaj oddychanie komórkowego, ponieważ w jego wyniku komórki uzyskują najwięcej energii w postaci ATP. Zachodzi u większości organizmów eukariotycznych oraz u niektórych prokariontów np. tlenowych bakterii. W komórce eukariotycznej etapy oddychania wymagające udziału tlenu odbywają się w mitochondriach a w komórce prokariotyczne w błonie komórkowej, która tworzy liczne wpuklenia zwiększające jej powierzchnię. Reakcja ta jest silnie egzoergiczna czyli uwalniana jest duża ilość energii. Z tego powodu proces ten zachodzi wieloetapowo, a energia jest uwalniana niewielkimi porcjami. Chroni to struktury komórkowe przed uszkodzeniem. Tlenowce – (Aeroby) to organizmy, które przeprowadzają oddychanie tlenowe. Wzór sumaryczny oddychania tlenowego: C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + energia Oddychanie beztlenowe i fermentacja – wyróżnia się dwa rodzaje procesów oddechowych zachodzących bez udziału tlenu: 1. Fermentacja – proces uzyskiwania energii, który polega na niecałkowitym utlenieniu substratu organicznego w warunkach beztlenowych. Podczas niej nie zachodzi transport elektronów przez łańcuch oddechowy, nie jest, więc wytwarzany gradient protonowy. Cząsteczki ATP są uwalnianie tylko w wyniku fosforylacji substratowej. Najczęściej występującymi fermentacjami w przyrodzie są: Fermentacja alkoholowa – przeprowadzają ją głównie drożdże z rodzaju Saccharomyces oraz niektóre bakterie z rodzaju Sarcina. Może ona również zachodzić u organizmów tkankowych np. nasionach roślin lub w korzeniach roślin bagiennych. W przemyśle spożywczym by przeprowadzić fermentację alkoholową są stosowane zwykle drożdże piekarskie z gatunku Saccharomyces cerevisiae. Drożdże rozkładają cukier zawarty w cieście a wytworzony, CO2 spulchnia ciasto i powoduje wzrost jego objętości. Drożdże również rozkładają cukry zawarte w ziarnach zbóż np. jęczmienia lub pszenicy a także w trakcie fermentacji tej powstaje etanol, dzięki czemu produkuje się alkohole takie jak wino czy też piwo. Fermentacja mleczanowa – przeprowadzają ją niektóre bakterie z rodzaju Lactobacillus i Lactococcus a także grzyby. Może ona również zachodzić w erytrocytach ssaków, ponieważ nie maja one mitochondriów w komórkach oraz w mięśniach szkieletowych w sytuacji niedoboru tlenu. Do jej W przemyśle, aby przeprowadzić fermentację mleczanową stosuje się różne gatunki bakterii i grzybów. Bakterie takie jak chociażby Lactobacillus plantarum są wykorzystywane do kiszenia warzyw, produkcji jogurtów i wyrobu pieczywa na zakwasie. Z kolei niektóre gatunki grzybów Penicillium rozkładają cukry zawarte w mleku do kwasu mlekowego, co powoduje dojrzewanie serów pleśniowych. 2. Oddychanie beztlenowe – polega na całkowitym utlenianiu substratu organicznego w warunkach beztlenowych, a jego produktami są, CO2, H2O, związek nieorganiczny oraz ATP. Zachodzi wyłącznie u niektórych bakterii takich jak np. bakterii denitryfikacyjnych zasiedlających glebę. Są one beztlenowcami względnymi. Bezwzględni beztlenowcy – (obligatoryjnych anaerobów) organizmy, które oddychają wyłącznie bez udziału tlenu. Względni beztlenowcy – (fakultatywnymi anaerobami) organizmy, które w zależności od warunków środowiska potrafią oddychać zarówno tlenowo jak i beztlenowo. Przebieg oddychania tlenowego – wyróżnia się cztery etapy oddychania tlenowego: Glikoliza – to liniowy szlak metaboliczny, w którym 1 cząsteczka glukozy ulega rozkładowi i utlenieniu do 2 cząsteczek pirogronianu. W trakcie tego procesu wytwarzane są 4 cząsteczki ATP, 2 cząsteczki NADH i 2 protony wodoru. Zachodzi ona w cytozolu komórki i wygląda ona następująco: 1) Najpierw następuje aktywacja glukozy przez fosforylację, czyli przeniesienie na glukozę reszt fosforanowych z 2 cząsteczek ATP. W wyniku, czego powstaje sześciowęglowy cukier: fruktozo 1,6 bifosforan, który zawiera 2 reszty fosforanowe. 2) Następnie fruktozo 1,6 bifosforan zostaje rozłożony do 2 trójwęglowych cukrów, z których każdy zawiera 1 resztę fosforanową. Jeden z nich: aldehyd 3 fosfoglicerynowy ulega od razu dalszym przemianom, natomiast drugi: fosfodihydroksaceton ulega przemianom dopiero po przekształceniu w aldehyd 3 fosfoglicerynowy 3) W kolejnym etapie następują utlenianie i fosforylacja 3 fosfoglicerynowego do 1.3 Bifosfsoglicerynianu. Jednocześnie NAD+ ulega redukcji do NADH i uwalnia się proton wodoru. 4) Następnie zachodzi fosforylacja substratowa, w wyniku, której zostaje wytworzony ATP. Polega ona na odłączeniu reszty fosforanowej od organicznego 1,3 bifosfoglicerynianu i przyłączeniu jej do ADP. W wyniku tej reakcji poza ATP powstaje również 3 fosfoglicerynian, który ulega przekształceniu w fosfoenolopirogronian. 5) Na koniec następuje kolejna fosforylacja substratowa, która polega na odłączeniu reszty fosforanowej od fosfoenolopirogronianu i przyłączeniu jej do ADP. W wyniku tej reakcji oprócz ATP powstaje również pirogronian. 6) Pirogronian jest transportowany do mitochondrium gdzie ulega dalszemu utlenieniu, a elektrony odebrane z NADH są przenoszone na łańcuch oddechowy. Podczas obu fosforylacji substratowych powstają 4 cząsteczki ATP. Zysk energetyczny glikolizy natomiast wynosi 2 cząsteczki ATP, ponieważ 2 cząsteczki ATP zostały zużyte do aktywacji glukozy. Produktami są również 2 cząsteczki pirogronianu i NADH. Równanie ogólne fosforylacji substratowej: Substrat wysokoenergetyczny + ADP produkt niskoenergetyczny + ATP Rysunek podręcznik str. 186 Reakcja pomostowa – polega na przekształceniu pirogronianu w Acetylokoenzym A. Związek ten w następnym etapie oddychania jest włączony do cyklu Krebsa. Podczas reakcji pomostowej powstają również NADH i proton wodoru. Są one wykorzystywane w łańcuchu oddechowym, jako siła napędowa do wydajnej syntezy ATP. Natomiast produkt uboczny reakcji:, CO2 – jest usuwany do środowiska. Zachodzi ona w matrix mitochondrium. Obejmuje ona: 1) Dekarboksylacja i utlenianie pirogronianu, w efekcie, czego powstają: dwuwęglowa grupa acetylowa oraz CO2. Jednocześnie zachodzi redukcja NAD+ do NADH, a także uwolnienie protonu wodoru. 2) Przyłączenie grupy acetylowej do koenzymu A, w efekcie, czego powstaje aktywna cząsteczka acetylokoenzymu A. Rysunek podręcznik str. 186 Cykl Krebsa – (cykl kwasy cytrynowego) zachodzą w nim liczne reakcje utleniania i redukcji, w których wyniku powstają cząsteczki zredukowanych nukleotydów: NADH i FADH2 oraz protony wodoru. Są one wykorzystywane w łańcuchu oddechowym, jako siła napędowa do wydajnej syntezy ATP. Jego zysk energetyczny jest niewielki, bo zaledwie 2 cząsteczki ATP w przeliczeniu na jedną cząsteczkę glukozy. Cykl ten zachodzi w matrix mitochondrium. Cykl Krebsa składa się z 2 części: 1) W pierwszej części dwuwęglowa grupa acetylowa zostaje odłączona od Acetylokoenzym A i przyłączona do czterowęglowego szczawiooctnu. Powstaje wówczas sześciowęglowy cytrynian. Następnie grupa ta zostaje całkowicie utleniona do 2 cząsteczek, CO2, z jednoczesną redukcją 2 cząsteczek NAD+ do NADH i uwolnieniem 2 protonów wodoru. W efekcie tych reakcji powstaje czterowęglowy bursztynylokoenzym A. Wytworzone cząsteczki, CO2 są usuwane do środowiska. 2) W drugiej części czterowęglowy bursztynylokoenzym A ulega dalszym przemianom, w wyniku, których jest odtwarzany szczawiooctan niezbędny do zajścia kolejnego obiegu cyklu Krebsa. Przemiany te obejmują pojedynczą fosforylację substratową oraz 2 reakcje utlenienia. Utlenieniu towarzyszy redukcja FAD do FADH2 i NAD+ do NADH oraz uwolnienie protonów wodoru.
