Utlenianie biologiczne – pierwotna strategia pozyskiwania energii.

Kiedy miliony lat temu cyjanobakterie wytworzyły mechanizm fotosyntezy, ilość tlenu w atmosferze rosła w postępie wykładniczym. Tlen był zabójczy dla większości ówczesnych mikroorganizmów. Musiały więc one wytworzyć mechanizmy wykorzystywania tlenu do produkcji energii.

Rodzaje utleniania komórkowego

Fermentacja to nie to samo, co oddychanie beztlenowe!

Fosforylacja substratowa – reakcja, która ma miejsce, kiedy reszta fosforanowa zostanie przeniesiona ze związku ufosforylowanego (substratu) na ADP przy udziale enzymów (kinaz). Nie wymaga tlenu, zachodzi w trakcie glikolizy i cyklu Krebsa.

Fosforylacja oksydacyjna - jest szlakiem metabolicznym, w którego wyniku energia uwalniana podczas utleniania zredukowanych nukleotydów przekształcana jest w energię ATP. Organizmy żywe wykorzystują wiele różnych związków organicznych, jednak aby wytworzyć z nich energię przydatną metabolicznie, cząsteczki ATP, w większości przeprowadzają fosforylację oksydacyjną. Szlak ten jest dominujący ze względu na wysoką efektywność w porównaniu do alternatywnych sposobów syntezy ATP, czyli fermentacji.

Uproszczony schemat trzech stadiów metabolizmu komórki

Etap 1:

Rozkład makrocząsteczek na prostsze substancje.

Etap 2:

W procesie glikolizy każda cząsteczka glukozy jest przekształcana w dwie mniejsze cząsteczki pirogronianu. Cukry inne niż glukoza są podobnie konwertowane do pirogronianu po ich uprzedniej przemianie w jeden z półproduktów glikolizy. W trakcie formowania pirogronianu powstają dwa przenośniki – ATP i NADH (fosforylacja substratowa). Pirogronian przechodzi później do mitochondrium. Tutaj jest on utleniany do tlenku węgla (IV) i dwuwęglowej grupy acetylowej, która następnie zostaje przyłączona do koenzymu A (CoA), tworząc acetylo CoA. Acetylo CoA powstaje również z tłuszczy. Kwasy tłuszczowe są stopniowo rozkładane i utleniane w cytozolu (β-oksydacja), po czym produkty tych przemian są transportowane do mitochondriów i przyłączane do koenzymu.

Etap 3:

Grupa acetylowa w acetylo CoA jest połączona z koenzymem wiązaniem wysoko energetycznym i co za tym idzie, łatwo może ulegać przemianom do innych związków. Po jej przemianie do czterowęglowej cząsteczki szczawiooctanu, grupa acetylowa jest włączana do cyklu Krebsa. Tam jest utleniana do CO­­₂, czemu towarzyszy produkcja dużej ilości NADH. Ostatecznie wzbudzone elektrony z NADH są przenoszone przez łańcuch przenośników elektronów w błonie wewnętrznej mitochondrium, gdzie energia uwolniona z ich transportu jest wykorzystana w produkcji ATP z wykorzystaniem tlenu.

Acetylo CoA

Przebieg glikolizy

Każdy z dziesięciu pokazanych etapów glikolizy jest katalizowany przez inny enzym. W etapie 4 6-cio węglowy cukier jest rozdzielany na dwa 3 węglowe cukry, dlatego liczba cząsteczek po tej przemianie ulega podwojeniu. W etapie 6 zapoczątkowana zostaje faza glikolizy, w której produkowana jest energia. Powstaje ATP i NADH.

Fermentacje

1. Mlekowa

Pozwala ona na redukcję NAD zużytego w procesie glikolizy. Produkt ostatniego etapu wspomnianej glikolizy – pirogronian jest redukowany w mleczan przy jednoczesnym utlenieniu NADH powstałego w procesie glikolizy do NAD przy pomocy dehydrogenazy mleczanowej (LDH – Lactate Deshydrogenase). Warto dodać, że reakcja może przebiegać też w drugą stronę – i tak kwas mlekowy jest jednym z podstawowych substratów energetycznych dla mięśnia sercowego (po przekształceniu w pirogronian włączany jest do cyklu Krebsa).

1. Alkoholowa

Również pozwala na regenerację NAD zużytego w trakcie glikolizy. Produkt ostatniego etapu wspomnianej glikolizy – pirogronian jest w dwóch etapach redukowany do etanolu (alkoholu etylowego) przy jednoczesnym utlenieniu NADH powstałego w procesie glikolizy do NAD i wydzieleniu dwutlenku węgla. W pierwszym etapie pirogronian jest przekształcany w etanal (aldehyd octowy) oraz dwutlenek węgla za pomocą dekarboksylazy pirogronianowej. W drugim etapie etanal jest redukowany do etanolu (z jednoczesnym utlenieniem NADH do NAD) przez dehydrogenazę alkoholową (ADH).

Oddychanie tlenowe

Pirogronian jest transportowany przez białko transportowe do wnętrza mitochondrium, czemu towarzyszy redukcja NADH i wytworzenie jednej cząsteczki CO2. Następnie wiąże się on z CoA, powstaje acetylo-CoA.

Adenozyno-3-fosfo-5-difosforan

Cykl Krebsa (kwasu cytrynowego)

Funkcje cyklu Krebsa:

• Dostarcza równoważników redukujących NADH i FADH₂ zamienianych na energię magazynowaną w ATP w łańcuchu oddechowym,

• Dostarcza energii w GTP,

• Dostarcza ważnych prekursorów do syntezy innych cząsteczek.

Rola tlenu

Oddychanie tlenowe, a beztlenowe.

Różnica w wydajności oddychania tlenowego i beztlenowego wynika z potencjałów redoks poszczególnych reakcji.

Bilans energetyczny oddychania tlenowego

• Zysk netto z glikolizy: 2ATP

• Ze zredukowanego NAD: 4-6 (zależy, czy organizm prokariotyczny, czy eukariotyczny)

• Z cyklu Krebsa: 24ATP

• Z łańcucha przenośników elektronów: 4ATP

• Razem: 36-38ATP

Schemat przemian katabolicznych

NADH jest donorem pary elektronowej. Możliwymi akceptorami jest łańcuch przemian lub NADP⁺

Trzy strategie utleniania biologicznego:

• Oddychanie tlenowe

• Oddychanie beztlenowe

• Fermentacja

Procesy utleniania biologicznego klasyfikuje się ze względu na:

• dalsze przekształcanie pirogronianu

• obecność łańcucha redoks

• ostateczny akceptor

• regeneracja koenzymów

Oddychanie tlenowe

• Pirogronian jest utleniany do najbardziej utlenionej formy węgla – CO₂.

• Występuje łańcuch oddechowy.

• Koenzymy są regenerowane z udziałem łańcucha redox.

• Tlen – ostateczny akceptor protonów i elektronów schodzących z łańcucha.

Oddychanie beztlenowe

• Pirogronian jest utleniany.

• Występuje łańcuch oddechowy.

• Koenzymy są regenerowane z udziałem łańcucha redoks.

• Nieorganiczny ostateczny akceptor protonów i elektronów schodzących z łańcucha.

Fermentacja

• Pirogronian – związek organiczny jest ostatecznym akceptorem elektronów i protonów pochodzących z NADH uzyskanego w glikolizie

• Brak łańcucha oddechowego – zysk energetyczny tylko 2 cz. ATP

• Koenzymy są regenerowane z udziałem pirogronianu

• Najstarszy ewolucyjnie proces utleniania biologicznego.