ŁAŃCUCH ODDECHOWY (ŁAŃCUCH TRANSPORTU ELEKTRONÓW) - ostatni etap przemian oddechowych to transport wodoru oderwanego od substratu wzdłuż łańcucha oddechowego. Polega na przenoszeniu wodoru lub elektronów za pośrednictwem układu oksydoreduktaz do oksydazy końcowej która łączy wodór z tlenem. Łańcuch oddechowy jest w mitochondrium i składa się z ciągu przekaźników wodoru NAD, flazoperotein, CoQ, cytochromów i oksydazy cytochromowej

Poszczególne przenośniki są ułożone w łańcuchu oddechowym w kolejności umożliwiającej przekazywanie kolejnych elektronów i protonów między nimi

Zadanie łańcucha oddechowego - stopniowe utlenianie do H₂O z wyzwoleniem znacznej ilości energii. Energia uwolniana stopniowo, porcjami których wielkość uzależniona od różnicy potencjałów kolejnych przenośników łańcucha oddechowego. Wodory substancji przekazywane są na NAD za pośrednictwem flawoprotein na CoQ

FOSFORYLACJA - przyłączanie do białka reszty fosforanowej P_i, przeprowadzana przez enzymy - kinezy, zużywające energię zgromadzoną w ATP. Proces przyłączania reszty kwasu ortofosforowego określonych związków chemicznych, jest w organizmach żywych

• fosforylacja fotosyntetyczna

• fosforylacja oksydacyjna

• fosforylacja substratowi

kinaza ATP + białko -> białko-fosforan + ADP

To proces przyłączenia reszty kwasu ortofosforowegoo określonych związków chemicznych, zachodzi w organizmach żywych. Jest katalizowany przez enzymy zwane fosfotransferazami (kinazy), które transportują reszty kwasowe na białka, nukleotydy, cukry i lipidy. Związki, którym dostarczone zostają reszty fosforanowe, uzyskują wyższy poziom energetyczny. Istotną reakcją dla organizmów żywych jest fosforylacja kwasu ADP (włączenie reszty kwasu fosforowego przez ADP), dzięki której dochodzi do wytworzenia ATP, co ma znaczenie dla regulacji gospodarki energetycznej w komórkach. Proces zachodzi na drodze fosforylacji fotosyntetycznej, oksydacyjnej, substratowej. Proces fosforylacji przyczynia się do normowania procesów metabolicznych

Przenośniki łańcucha oddechowego są uszeregowane w kolejności zgodnej ze wzrastającym potencjałem oksydoredukcyjnym. Najniższy potencjał -0,32V ma nukleotyd nikotynoamidoadeninowy NAD biorący bezpośredni udział w odwodorowaniu substratu. Dalszymi przenośnikami w kolejności są nukleotydy lawinowe FMN, FAD, ubichinon CoQ, cytochromy, oksydaza cytochromowa i tlen mający najwyższy potencjał 0,81V

FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA (UTLENIAJĄCA) - proces syntezy ATP w sprzężeniu z łańcuchem oddechowym. Polega na akumulacji energii utleniania biologicznego

Energia zostaje zmagazynowana w postaci ATP, a potem przenoszona na systemy wymagające dopływu energii. Uwolniona energia może wykonywać pracę chemiczną, transportu, mechaniczną, cieplną lub świetlną

ATP -> ADP + P_i + energia

Fosforylacja oksydacyjna to cykl reakcji przyłączenia reszty kwasu ortofosforowego do związków chemicznych połączona ze zmianą stopnia utlenienia atomu, do którego ta grupa bezpośrednio się przyłącza

GLIKOLIZA - beztlenowy etap procesu oddychania tlenowego - fermentacja - głównie glukozy, zachodzi w komórkach zwierząt i dostarczający energii w postaci ATP. Produkt końcowy procesu o kwas mlekowy. To skomplikowany proces chemiczny, w którym uczestniczy 11 enzymów. Zachodzi w cytoplazmie podstawowej. Polega na rozpadzie glukozy na pirogronian. Końcowy produkt reakcji glikolizy to pirogronian stanowiący węzłowy metabolit beztlenowej fazy oddychania, bo jego dalsze przemiany mogą prowadzić w kilku kierunkach

W procesie oddychania tlenowego z pirogronian powstaje acetolo-CoA rozkładany w cyklu Krebsa

Podczas fermentacji z pirogronian powstają produkty końcowe np. etanol, kwas mlekowy

Proces enzymatycznego rozkładu cukrów do kwasu pirogronowego, którego celem pozyskanie energii pod postacią NADH i adenozyno-5-trifosforanu. Substratami dla procesu mogą być: glukoza, fruktoza, mannoza, galaktoza i glicerol. Proces glikolizy zachodzi w warunkach tlenowych i beztlenowych, uważa się, że glikoliza jest najstarszym ewolucyjnie procesem pozyskiwania energii z cukru. Enzymy glikolityczne można znaleźć u bakterii i u eukariotów

SCHEMAT GLIKOLIZY

ETAPY GLIKOLIZY:

W 1 etapie jest fosforylacja (kosztem ATP) różnych sacharydów: heksoz, glikogenu, skrobi i ich rozkład z wytworzeniem aldehydu-3-fosfoglicerynowego (trisacharydu)

W 2 etapie zachodzą reakcje oksydo-redukcyjne (z udziałem dinukleotydu nikotynamidoadeninowego NAD) dostarczające energii, która jest częściowo magazynowana w cząsteczkach powstającego ATP i jest wytworzenie kwasu pirogronowego

Przebieg 1 i 2 etapu glikolizy jest identyczny jak w fermentacji alkoholowej. Powstały kwas pirogronowy może ulegać różnym przemianom

W warunkach beztlenowych, np. podczas pracy mięśni, gdy jest spadek stężenia tlenu w tkankach, zachodzi 3 etap glikolizy: kwas pirogronowy ulega redukcji (przy udziale NADH) do kwasu mlekowego. NADH utleniony ponownie do NAD⁺ może ponownie brać udział w przemianie następnej cząstki heksozy w 2 etapie glikolizy

W warunkach beztlenowych i obecności enzymów, np. zawartych w drożdżach, kwas pirogronowy jest przemieniany w alkohol etylowy i CO₂. Proces ten to nic innego jak fermentacja alkoholowa

W organizmach tlenowych glikoliza jest wstępem do cyklu kwasu cytrynowego i łańcucha oddechowego, gdzie jest pozyskiwana większość energii swobodnej, zawartej w cząsteczce glukozy

Pomostem łączącym glikolizę z cyklem kwasu cytrynowego jest zachodząca w mitochondriach oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianu

pirogronian + CoA + NAD⁺ - > acetylo-CoA + CO₂ + NADH

FERMENTACJA - proces oddychania beztlenowego. U roślin niższych (bakterie, drożdże) i wyższych. Tlen nie bierze udziału. Wodór odłączony od substratu zostaje przeniesiony za pomocą NAD na różne związki organiczne. Związki te ulegają redukcji i gromadzą się w środowisku jako końcowe produktu fermentacji jak: alkohol etylowy, kwas mlekowy. W procesie fermentacji nie tworzy się woda ale różne związki organiczne

FERMENTACJA ETANOLOWA (ALKOHOLOWA) - proces zaczyna się od glikolizy która przebiega podobnie jak podczas oddychania tlenowego aż do momentu wytworzenia pirogronianu. Teraz pirogronian ulega dekarboksylacji na aldehyd octowy

Równocześnie wodór odłączony podczas glikolizy od aldehydu 3-fofoglicerynowego nie mogąc przyłączyć się do tlenu atmosferycznego przyłącza do wytworzonego aldehydu octowego redukując go przez to na alkohol etylowy

Produktami fermentacji są alkohol etylowy i CO₂ uwalniający się podczas dekarboksylacji - podczas przekształcania pirogronianu na aldehyd octowy

Fermentacja etanolowa ma komplet enzymów łańcucha glikolizy i enzymy: dekarboksylaza pirogronianowa i dehydrogenaza alkoholowa

To proces rozkładu węglowodanów pod wpływem enzymów wytwarzanych przez drożdże z wytworzeniem alkoholu etylowego i CO₂. Istota fermentacji alkoholowej polega na przemianie, pod wpływem drożdży, cukru na alkohol i dwutlenek węgla: C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂. W wyniku tego procesu powstaje też szereg produktów ubocznych, m.in.: gliceryna, kwas bursztynowy i kwas octowy. Produktami ubocznymi fermentacji są też wyższe alkohole i estry, które mają decydujący wpływ na bukiet smakowo-zapachowy produktu

FERMENTACJA MLECZANOWA - zaczyna się też od glikolizy, ale pirogronian nie ulega dekarboksylacji, nie tworzy się aldehyd octowy i CO₂. Wodór odłączony podczas glikolizy przyłącza się do pirogronianiu redukując go na mleczan

Intensywną pracę mięśni wykonują w wątrobie i mięśniach zwierząt. Kwas pirogronowy ulega redukcji do kwasu mlekowego - produkt końcowy. Reakcje te katalizują aldehydy mleczanu. Odpowiada za efekt zakwaszania mięśni podczas wysiłku

Fermentacja mlekowa różni się od procesu tlenowego w etapie końcowym - przeniesienie atomów wodoru z NADH na pirogronian. Enzymem jest dehydrogenaza mleczanowi drożdżowa

Fermentacja mleczanowa zachodzi w oddychaniu beztlenowym w cytoplazmie. Fermentacja ta odpowiada m.in. za efekt zakwaszania mięśni w czasie wzmożonego wysiłku fizycznego. Fermentacja ta jest reakcją przekształcenia pirogronianu w mleczan. Jednak jest to mało efektywne, bo wtedy powstają 2 cząsteczki ATP, a w oddychaniu tlenowym aż od 36 do 38 cząsteczek ATP

DEKARBOKSYLACJA OKSYDACYJNA PIROGRONIANU - zachodzi podczas oddychania tlenowego i polega na przekształceniu pirogronianiu na acetylo-CoA. Acetylo-CoA jest bezpośrednim produktem przemian cukrów, tłuszczów i białek. Wydziela się CO₂

CYKL KREBSA (CYKL KWASU CYTRYNOWEGO) - zachodzi w mitochondriach. Określa się go jako utleniający młyn. Polega na całkowym utlenieniu czynnego octanu (acetylo-CoA) w szeregu cyklicznie powtarzających się reakcji. W ciągu całego cyklu następuje:

• odłączenie CO₂ który ulatnia się jako niepotrzebny końcowy produkt oddychania

• przyłączenie wody, O₂ łączy się z C i zostaje wydalony w postaci CO₂

• odłączenie atomów wodoru które biorą udział w ostatnim etapie oddychania

Wstępnym etapem cyklu kwasu cytrynowego w którym uwalnia się większość energii, jest glikoliza

Cytrynian ulega dalszym przemianom:

• 2.krotnie odłącza się CO₂ - dekarboksylacji

• 4.krotnie odłączają się pary atomów wodoru - odwodornienie, przerzucone na łańcuch oddechowy

FUNKCJE CYKLU KREBSA:

• dostarcza równoważników redukujących zamieniających na energię magazynowaną w ATP w łańc.oddechow

• dostarcza energii w postaci GTP

• dostarcza ważnych prekursorów do syntezy innych cząsteczek

FOSFORYLACJA SUBSTRATOWA - polega na sprzęganiu wytworzenia ATP z reakcjami rozkładu wiązań makroergicznych lub utlenianiu pochodnych fosforanowych z podniesieniem wiązania fosforanowego do poziomu wiązania makroergicznego

Część energii zawartej w substratach uwalnia się beztlenowo w wskutek skomplikowanej wewnętrznej reorganizacji cząsteczek. Uwalniana energia zostaje związana w postaci ATP

Fosforylacja substratowa gdy reszta fosforanowa zostanie przeniesiona bezpośrednio do ADP przy wykorzystaniu energii organicznego substratu. Ten sposób ładowania ATP nie wymaga udziału tlenu i zachodzi w glikolizie i cyklu Krebsa. Ten sposób ładowania ATP jest ewolucyjnie najstarszy ale niezbyt korzystny energetycznie

substrat wysokoenergetyczny + ADP + P_i -> substrat niskoenergetyczny + ATP

CYKL GLIOKSALOWY (GLIOKSALANOWY) - modyfikacja cyklu Krebsa (kwasu cytrynowego). Prowadzi od tłuszczy do powstawania cukrów. Dotyczy przemiany kwasów tłuszczowych które podlegają β-oksydacji i powstaje acetylo-CoA który łączy się z szczawiooctanem i powstaje cytrynian-izocytrynian-glioksalon-jabłczan-szczawiooctan-acetylo-CoA węglowodanu

Ciąg reakcji, w wyniku których dwuwęglowe reszty kwasu octowego (acetylo-CoA) przekształcają się w 4.węglowy kwas bursztynowy; zachodzi w glioksysomach nasion roślin oleistych i u bakterii

Do cyklu acetylo-CoA jest wprowadzony 2 razy:

• przy syntezie kwasu cytrynowego

• przy syntezie kwasu jabłkowego

Cykl ten dostarcza zwiększonych ilości kwasu jabłkowego, z którego mogą powstawać węglowodany

OGÓLNA REAKCJA CYKLU GLIOKSYLONOWEGO:

SZLAK PENTOZOFOSFORANOWY (PENTOZOWY) - glikolizy nie stanowi jedynej drogi rozkładu cukrów na prostsze związki. W tkankach roślinnych jest jeszcze drugi, odmienny mechanizm rozkładu cykl pentozowy

Glukoza w ufosforylowanej postaci gluko-6-fosforanu ulega:

• utlenieniu drogą odłączenia wodoru i przeniesienia go na NADP

• dekarboksylacji - odszczepieniu CO₂

W rezultacie powstaje rybulozo-5-fosforan. Glukoza utlenia się bezpośrednio (bez uprzedniego rozpadu na triody)

Cykl dostarcza niewielkich ilości energii bo NADPH₂ nie zawsze może przerzucać wodór na łańcuch oddechowy

Cykl pentozowy to utlenianie glukozy na innej drodze niż szlak glikolityczny, ma znaczenie w metabolizmie jako źródło czynników redukujących do wytwarzania NADPH (NADP) i jako mechanizm syntezy i dostarczania pentoz (cukrów pięciowęglowych). Przemiany w tym szlaku rozpoczynają się od glukozo-6-fosforanu, który na drodze różnych reakcji przekształca się w pięciowęglowy cukier: rybulozo-6-fosforan, odgrywający ważną rolę w reakcjach związanych z fotosyntezą, także jest źródłem pentoz wchodzących w skład nukleotydów i kwasów nukleinowych

GLUKONEOGENEZA - enzymatyczny proces tworzenia przez organizm glukozy z metabolitów nie będących węglowodanami np. aminokwasów. Głównym substratem jest pirogronian. Glukogeneza jest w komórkach wątroby, nerkach. Proces syntezy glukozy z mleczanu i związków nie cukrowych

Szybkość zachodzenia procesu jest zwiększana podczas wysiłku fizycznego i głodu. W wyniku glukoneogenezy wydzielają się duże ilości energii

Glukoneogeneza nie może być traktowana jako proces odwrotny do glikolizy bo 3 będące w niej reakcje nieodwracalne są zastąpione przez inne. Dzięki temu synteza i rozkład glukozy muszą podlegać oddzielnym systemom regulacji i nie mogą zachodzić jednocześnie w 1 komórce. Szybkość procesu zależy od 1,6-bisfosfatazy fruktozy. Większość czynników wpływających na aktywność szlaku glukoneogenezy to substancje powodujące zmniejszenie czynności wykorzystywanych w nim enzymów, ale acetylo-CoA i cytrynian działają na nie aktywująco (pierwszy na karboksylazę pirogronianu, drugi na bisfosfatazę fruktozy)

Glukoneogeneza rozpoczyna się od wytworzenia α-ketoglutaranu przez karboksylację pirogronianu kosztem 1 cząsteczki ATP. Reakcja ta jest katalizowana przez odpowiednią karboksylazę. α-ketoglutaran jest następnie dekarboksylowany i równocześnie fosforylowany do fosfoenolopirogronianu przez odpowiednią karboksykinazę. W czasie tej reakcji 1 cząsteczka GTP jest hydrolizowana do GDP. Obie reakcje zachodzą w mitochondriach

Ostatnim krokiem glukoneogenezy jest wytworzenie 6-fosforyloglukozy z 6-fosforylofruktozy przez odpowiednią izomerazę. Wolna glukoza nie jest tworzona od razu, gdyż wydyfundowałaby z komórki. Fosforyloglukoza jest hydrolizowana do glukozy przez enzym w membranie RE. Stamtąd glukoza jest wysyłana do cytozolu

---