Oddychanie tlenowe - charakterystyka i przebieg. Jak oddychają komórki?

Oddychaniem tlenowym nazywany jest proces kataboliczny, który zachodzi we wszystkich komórkach ludzkiego organizmu. Jest niezbędny do zachowania prawidłowych funkcji życiowych.

Jest to proces, w wyniku którego utleniają się związki organiczne. Substratem oddychania tlenowego jest glukoza, która rozpada się bardzo powoli i stopniowo, a efektem jej utleniania jest przeniesienie cząsteczki wodoru z glukozy na tlen.

Oddychanie tlenowe składa się z czterech etapów, są to:

• glikoliza
• reakcja pomostowa
• cykl Krebsa
• łańcuch oddechowy

Produktami końcowymi procesu oddychania tlenowego jest dwutlenek węgla oraz woda. Uwalniana jest także energia, gromadzona we wiązaniach wysokoenergetycznych w ATP (adenozyno-5′-trifosforan). Część tej energii uwalniana jest w postaci ciepła.

Glikoliza

Glikoliza jest pierwszym etapem rozpadu cząsteczki glukozy. Dzięki podzielenie jej na dwie trójwęglowe cząsteczki (pirograniany), możliwe jest wytworzenie energii.

Glikoliza jest wykorzystywana do oddychania tlenowego, ale sama nie wymaga tlenu, więc organizmu beztlenowe także korzystają z tej ścieżki pozyskiwania energii.

Sam w sobie proces glikolizy składa się z dziesięciu etapów, ale dzieli się ją także na dwie główne fazy:

• faza wymagająca energii - na tym etapie do cząsteczki glukozy dodawane są dwie grupy fosforanowe, które sprawiają, że glukoza może zostać podzielona na pół i stworzyć dwa trójwęglowe cukry.
• faza uwalniająca energię - w tej fazie trójwęglowe cząsteczki cukrów przekształcane są na kolejne pirogroniany w kolejnych seriach reakcji. Dzięki temu powstają dwie cząsteczki ATP oraz jedna NADH - dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy, związek chemiczny, znajdujący się we wszystkich komórkach ciała.

Reakcja pomostowa

Reakcja pomostowa to inaczej oksydacyjna dekarboksylacja kwasu pirogronowego. W tej fazie dochodzi do rozłączenia grupy karboksylowej i kwasu pirogronowego. Składa się ona z czterech nieodwracalnych etapów. Na skutek reakcji pomostowej powstaje dwutlenek węgla oraz dochodzi do dehydrogenacji substratu NAD+. To prowadzi do powstania dwuwęglowej grupy acetylowej, która z kolei przyłączana jest do cząsteczki koenzymu A.

Ostatecznym produktem reakcji pomostowej jest acetylokoenzym A, który jest niezbędny do przeprowadzenia kolejnego etapu - cyklu Krebsa.

Cykl Krebsa

Cykl Krebsa, inaczej cykl kwasu cytrynowego lub cykl kwasów trikarboksylowych (TCA), obejmuje szereg przemian, zachodzących w macierzy mitochondrium.

Cykl ten rozpoczyna reakcja przyłączenia acetylokoenzymu A do kwasu szczawiooctowego C4. Efektem tej reakcji jest kwas cytrynowy. Koenzym A natomiast odłącza się, aby znów móc brać udział w reakcji pomostowej.

W cyklu Krebsa dochodzi do dwóch procesów dekarboksylacji, efektem których jest przekształcenie kwasu cytrynowego w związek czterowęglowy.

Dodatkowo zachodzą także cztery reakcje dehydrogenacje, czyli odłączenia cząsteczek wodoru). Podczas nich dochodzi do uwolnienia protonów i elektronów, a następnie do ich przeniesienia na dinukleotydy, które z kolei ulegają redukcji.

Łańcuch oddechowy

Łańcuch oddechowy to ostatni etap oddychania tlenowego, który wykorzystuje zredukowane w cyklu Krebsa dinukleotydy.

Podczas tego etapu protony i elektrony ze zredukowanych dinukleotydów są odbierane przez specjalne przenośniki błonowe, znajdujące się na grzebieniach mitochondrialnych. Efektem tego procesu jest ich utlenienie - protony i neutrony trafiają podczas transportu na tlen, dzięki czemu powstają cząsteczki wody.

W trakcie transportu powstaje energia, która później wykorzystywana jest do syntezy ATP.

Ostatecznym produktem oddychania tlenowego jest 36 cząsteczek ATP, dwutlenek węgla oraz woda.

Substratami, czyli związkami, wykorzystywanymi do reakcji chemicznych, w przypadku oddychania komórkowego mogą być wszystkie związki organiczne. Najczęściej wykorzystywana jest glukoza, a kiedy zabraknie jej w organizmie, komórki wykorzystują głównie aminokwasy oraz kwasy tłuszczowe.

Aby oddychanie komórkowe mogło dojść do skutku, najpierw tlen musi zostać dostarczony z zewnątrz, czyli drogą płuca-krew.

Moment wzięcia wdechu i wtłoczenie powietrza do płuc nazywany jest oddychaniem zewnętrznym. Tlen przechodzi następnie do krwiobiegu, łączy się z hemoglobiną czerwonych krwinek i jest transportowany do komórek. Ten etap to tak zwane oddychanie wewnętrzne.