Oddychanie tlenowe zachodzi w trzech etapach:
glikoliza,
cykl kwasu cytrynowego (cykl Krebsa),
łańcuch oddechowy.

Glikoza jest ciągiem reakcji przekształcających glukozę w pirogronian bez udziału tlenu. Zachodzi w cytoplazmie. U organizmów tlenowych jest wstępem do cyklu Krebsa i łańcucha transportującego elektrony. Natomiast u organizmów beztlenowych oraz u tlenowych w warunkach deficytu tlenu (np. w mięśniach) jest zasadniczym sposobem pozyskiwania energii. Podczas glikolizy 1 cząsteczka glukozy zostaje rozłożona na 2 cząsteczki trójwęglowego związku - pirogronianu.

Główne etapy oddychania tlenowego (wg Wiśniewski, 1994, zmienione)

W początkowych fazach procesu następuje dwukrotna fosforylacja, co wymaga zużycia 2 cząsteczek ATP. Później energia chemiczna uwalniana podczas przekształceń trójwęglowych produktów pośrednich (aldehydu 3-fosfoglicerynowego) pozwala na przyłączenie kolejnych reszt fosforanowych, po jednej do każdej cząsteczki produktu. Przeniesienie wszystkich reszt fosforanowych z ich wiązaniami wysoko energetycznymi na ADP umożliwia syntezę, na drodze fosforylacji substratowej, 4 cząsteczek ATP. Zysk glikolizy stanowią 2 cząsteczki ATP oraz 2 cząsteczki zredukowanego NADH, który powstaje dzięki dehydrogenacji aldehydu 3-fosfoglicerynowego. Aby proces mógł zachodzić w sposób ciągły, NADH+H+ musi ulec z powrotem utlenieniu do NAD+, co w warunkach tlenowych zachodzi w łańcuchu oddechowym, albo w inny sposób podczas oddychania beztlenowego.

W oddychaniu tlenowym wytworzony w glikolizie kwas pirogronowy w tzw. reakcji pomostowej zostaje przekształcony w acetylo-CoA (dekarboksylacja z równoczesnym utlenieniem dwuwęglowego produktu i przyłączeniem do niego koenzymu A). W reakcji tej odłączają się dwa atomy wodoru (2 protony i 2 elektrony), które przejmuje NAD⁺, ulegając redukcji do NADH+H⁺. Proces zachodzi w matrix mitochondrialnej.

Następny etap to cykl kwasu cytrynowego, zachodzący także w matrix mitochondriów, polega na utlenieniu acetylo-CoA do dwutlenku węgla oraz atomów wodoru (w postaci elektronów o wysokiej energii i protonów). W cyklu Krebsa grupy acetylowe acetylo-CoA nie są utleniane bezpośrednio, ale przenoszone z acetylo-CoA do czterowęglowej cząsteczki kwasu szczawiooctowego. Powstaje wówczas sześciowęglowy kwas cytrynowy, który ulega kolejnym przemianom zmierzającym do odtworzenia kwasu szczawiooctowego. Wśród reakcji cyklu najistotniejsze są dwie dekarboksylacje, prowadzące do powstania 2 cząsteczek CO₂, oraz cztery dehydrogenacje, które uwalniają z produktów pośrednich cyklu protony i elektrony przyłączane następnie do 3 cząsteczek NAD⁺ (redukcja NAD⁺ do NADH+H⁺) oraz l cząsteczki FAD (redukcja FAD do FADH₂). NADH+H⁺ oraz FADH₂ zostają później przekazane do łańcucha oddechowego. Dodatkowym zyskiem cyklu Krebsa są 2 cząsteczki GTP (guanozynotrifosforanu) równoważne 2 cząsteczkom ATP, powstające podczas fosforylacji substratowej. Cykl Krebsa sam nie zużywa tlenu, ale potrzebuje go do odtworzenia NAD⁺ i FAD, co następuje podczas przekazywania elektronów na cząsteczkę O₂ w łańcuchu oddechowym przez NADH+H⁺ oraz FADH₂.

Znaczenie cyklu Krebsa dla komórki polega na tym, że włączany do niego acetylo-CoA pochodzi zarówno z przemian węglowodanów, jak i tłuszczów oraz białek. Ponadto wiele metabolitów pośrednich cyklu jest wykorzystywana przez organizm do różnych syntez.

Ostatnim etapem oddychania tlenowego jest łańcuch oddechowy, który składa się z przenośników elektronów, zlokalizowanych w wewnętrznej błonie mitochondriów. Przenośnikami tymi są głównie białka transbłonowe, zawierające ściśle z nimi związane metale o właściwościach oksydoredukcyjnych. Część białek zgrupowana jest w trzech enzymatycznych kompleksach oddechowych (dehydrogenaza NADH, cytochromy, oksydaza cytochromowa). W łańcuchu oddechowym przenośniki elektronów ułożone są według wzrastającego potencjału oksydoredukcyjnego, co umożliwia przechwytywanie elektronów przez kolejne przenośniki obdarzone coraz większym do nich powinowactwem. Znajdujący się przy końcu łańcucha O₂ wyłapuje elektrony i równocześnie przyłącza obecne w matrix H⁺. W ten sposób powstaje cząsteczka H₂O. W każdym takim przeniesieniu elektronu uwalniana jest energia służąca do transportu protonów z matrix do przestrzeni między błoną zewnętrzną a wewnętrzną mitochondrium. Efektem przepompowania protonów przez błonę jest różnica stężeń H⁺ po obu stronach błony. Wyrównanie gradientu protonowego następuje dzięki powrotowi H⁺ do matrix przez kompleks enzymatyczny, zwany syntazą ATP, który wykorzystuje energię przepływających protonów do syntezy ATP. Zatem do wytworzenia ATP zużywana jest energia wyzwolona podczas przepływu elektronów przez łańcuch oddechowy, gdyż to ona warunkuje ruch protonów. Ten sposób fosforylowania ADP do ATP zwany jest fosforylacją oksydacyjną. Łączny zysk z transportu elektronów w łańcuchu oddechowym wynosi około 32 cząsteczki ATP. Związek między transportem elektronów, pompowaniem protonów i syntezą ATP określany jest mianem mechanizmu sprzężenia chemiosmotycznego.

Zapamiętaj Glikoliza zachodzi bez udziału tlenu. Końcowym produktem glikolizy jest kwas pirogronowy. Dwutlenek węgla, będący obok wody końcowym produktem oddychania powstaje w reakcji pomostowej i w cyklu Krebsa.
Cykl Krebsa zwany jest „centralnym młynem metabolicznym”, gdyż łączy szlaki przemian glukozy, kwasów tłuszczowych i aminokwasów.
Końcowym produktem łańcucha oddechowego jest woda, która powstaje z połączenia wodoru pochodzącego z rozkładu glukozy oraz tlenu dostarczanego do komórek w wyniku wymiany gazowej.
W oddychaniu tlenowym akceptorem wodoru jest tlen, w oddychaniu beztlenowym inne związki: organiczne, a niekiedy nieorganiczne.
Wydajność, z jaką energia utleniania glukozy przekształcana jest w wysoko energetyczne wiązania ATP wynosi około40% (dla porównania wydajność silnika w samochodzie nie przekracza 20%).

Lipoliza - proces rozkładu hydrolitycznego triacyloglicerolu (trójglicerydu) w tkance tłuszczowej prowadzący do powstania kwasów tłuszczowych i glicerolu, które uwolnione do krwiobiegu, wychwytywane są przez większość tkanek (z wyjątkiem mózgu i erytrocytów) i estryfikowane do acylogliceroli lub utleniane jako główne źródło energetyczne do dwutlenku węgla i wody.

Przebieg lipolizy

Lipazy tkanki tłuszczowej są aktywowane przez traktowanie jej komórek hormonami - adrenaliną, noradrenaliną, glukagonem lub adrenokortykotropiną. W adypocytach te hormony za pośrednictwem receptorów 7TM aktywują cyklazę adenylową. Zwiększenie stężenia cylkicznego AMP stymuluje wówczas kinazę białkową A, która aktywuje lipazy przez fosforylację. W ten sposób hormony: adrenalina, noradrenalina, glukagon i adrenokortykotropina indukują lipolizę, natomiast insulina hamuje lipolizę. Uwolnione kwasy tłuszczowe nie są rozpuszczalne w osoczu krwi, w związku z czym wiążą się z albuminą, która służy jako ich przenośnik. W ten sposób wolne kwasy tłuszczowe stają się dostępnym źródłem energii dla innych tkanek.

Przemiany powstałego glicerolu

Powstający w wyniku lipolizy glicerol jest wchłaniany w wątrobie, ulega fosforylacji i utlenieniu do fosfodihydroksyacetonu, a następnie izomeryzacji do aldehydu-3-fosfoglicerynowego. Produkt tej przemiany jest intermediatem w szlakach glikolizy i glukoneogenezy. Odpowiednie enzymy, znajdujące się w komórkach wątroby, przekształcają glicerol w pirogronian lub glukozę. Odwrotny proces może przebiegać poprzez redukcję fosfodihydroksyacetonu do 3-fosfoglicerolu. Jego hydroliza z udziałem odpowiedniej fosfatazy daje ponownie glicerol. W ten sposób glicerol i intermediaty glikolizy ulegają wzajemnym przekształceniom.

β-oksydacja (β-oksydacja Knoopa) - szereg reakcji przekształcenia kwasów tłuszczowych w acetylokoenzym A (acetylo-CoA) w przypadku kwasów tłuszczowych o parzystej liczbie węgli oraz acetylo-CoA i propionylo-CoA, gdy liczba atomów węgla jest nieparzysta.

Przebieg

Proces β-oksydacja zachodzi w matrix mitochondrium u eukariotów i w cytozolu u prokariotów. Transport przez błonę wewnętrzną mitochondrium poprzedzony jest aktywacją kwasu tłuszczowego, polegającą na utworzeniu przez niego wiązania tioestrowego z CoA i powstaniem acylo-CoA. Transport cząsteczek acylo-CoA zawierających łańcuchy mające do 10 atomów węgla zachodzi bezpośrednio przez błonę mitochondrialną. Cząsteczki o dłuższych łańcuchach przechodzą przez wewnętrzną błonę mitochondrium po sprzężeniu z cząsteczką karnityny. Bierze w tym udział acylotransferaza karnitynowa I znajdująca się na zewnętrznej powierzchni wewnętrznej błony oraz acylotransferaza karnitynowa II umiejscowiona na wewnętrznej powierzchni błony (od strony matriks).

Reakcje β-oksydacji polegają na takich przemianach by rozczepić "dłuższy" acylo-CoA na acetylo-CoA i acylo-CoA "krótszy", po czym rozpocząć proces od początku, aż do momentu gdy powstają dwie cząteczki acetylo-CoA w przypadku kwasów tłuszczowych o parzystej liczbie węgli lub propionylo-CoA i acetylo-CoA w przypadku kwasów o nieparzystej liczbie węgli. β-oksydacja obejmuje następujące reakcje, zachodzące cyklicznie:

1. Utlenienie (przy pomocy dehydrogenazy acylo-CoA) acylo-CoA do trans-Δ²-enoilo-CoA z wytworzeniem FADH₂.

2. Uwodnienie trans-Δ²-enoilo-CoA do 3-hydroksyacylo-CoA przy pomocy enzymu hydrataza enoilo-CoA.

3. Utlenienie 3-hydroksyacylo-CoA do 3-ketoacylo-CoA przy pomocy dehydrogenazy hydroksyacylo-CoA i z wytworzeniem NADH.

4. Tioliza 3-ketoacylo-CoA przez drugą cząsteczkę CoA i wytworzenie acylo-CoA skróconego o dwa atomy węgla oraz acetylo-CoA. Katalizatorem w tej reakcji jest β-ketotiolaza. Cząsteczka acylo-CoA następnie ponownie ulega reakcjom 1-4.

Jeśli kwas tłuszczowy miał parzystą liczbę atomów węgla, to pod koniec ostatniego cyklu acylo-CoA ma 4 atomy węgla i jest rozszczepiany na 2 cząsteczki acetylo-CoA. W przypadku kwasów o nieparzystej liczbie węgla, acylo-CoA zawiera 5 atomów węgla i rozszczepia się na trzywęglowy propionylo-CoA oraz dwuwęglowy acetylo-CoA.

U roślin powstały acetylo-CoA wchodzi w cykl glioksalowy, w wyniku którego zostaje przekształcony w szczawiooctan.

β-oksydacja nienasyconych kwasów tłuszczowych

β-oksydacja nienasyconych kwasów tłuszczowych angażuje dodatkowe enzymy, nieuczestniczące w β-oksydacji nasyconych kwasów tłuszczowych. Jeśli kwas tłuszczowy posiada wiązania podwójne przy nieparzystych atomach węgla, β-oksydacja zachodzi tak samo, jak w przypadku kwasów nasyconych do momentu pojawienia się w trzecim cyklu cis-Δ³-enoilo-CoA. Związek ten zostaje wtedy przekształcony przy udziale izomerazy w trans-Δ²-enoilo-CoA, który ulega dalszym reakcjom. W przypadku kwasów wielonienasyconych, mających wiązania podwójne przy parzystych atomach węgla, na jednym z etapów β-oksydacji powstaje 2,4-dienoilowy związek pośredni, który jest przekształcany przez reduktazę 2,4-dienoilo-CoA w cis-Δ³-enoilo-CoA, który następnie zostaje przekształcony przez izomerazę w formę trans.

---