REGULACJA AKTYWNOŚCI ENZYMÓW
1. HAMOWANIE PRZEZ SPRZ
ŻENIE ZWROTNE
Ma miejsce wówczas gdy, enzym katalizujący pierwszy etap szlaku biosyntetycznego jest
hamowany przez produkt tego szlaku lub sprzężonego z nim szlaku.
Przykład 1, - biosynteza izoleucyny z treoniny u bakterii następuje w 5 kolejnych reakcjach.
Pierwszy enzym dehydrataza treoninowa jest hamowana allosterycznie przez izoleucynę,
która jednak musi być w dużym stężeniu. Natomiast spadek stężenia izoleucyny sprawia, że
dehydrataza treoninowa odzyskuje swoją aktywność, co prowadzi do ponownego rozpoczęcia
biosyntezy tego aminokwasu.
Przykład 2, - regulacja aktywności syntetazy glutaminowej u E.coli jako przykład
skumulowanej inhibicji na zasadzie sprzężenia zwrotnego. Glutamina jest syntetyzowana z
+
glutaminianu, NH i ATP Natomiast grupa amidowa glutaminy jest z
ródłem azotu w
4
biosyntezie różnych związków, takich jak tryptofan, histydyna, karbamoilofosforan,
glukozoamino-6-fosforan, CTP i AMP. Syntetaza glutaminowa jest łącznie hamowana przez
każdy z tych końcowych produktów przemieny glutaminy, a również przez alaninę i glicynę.
Wydaje się, że dla każdego z tych inhibitorów są specyficzne miejsca wiązania. Aktywność
enzymatyczna syntetazy glutaminowej prawie zupełnie zanika, kiedy enzym wiąże się ze
wszystkimi ośmioma produktami końcowymi.
Przykład 3. Enzym karbamoilotransferaza asparaginianowa pierwszy enzym szlaku
biosyntezy nukleotydów pirymidynowych z asparaginianu i karbamoilofosforanu jest
hamowany przez końcowy produkt szlaku biosyntetycznego czyli trifosforan cytydyny (CTP).
CTP hamuje karbamoilotransferazę asparaginianową przez zmniejszenie jej powinowactwa do
substratów, bez oddziaływania na V . Stopień hamowania sięga 90% aktywności enzymu i
max
zależy od stężeń substratów.
Natomiast ATP jest aktywatorem karbamoilotransferazy asparaginianowej. Zwiększa on
powinowactwo enzymu do substratów , także nie wpływając na V . ATP i CTP konkurują o
max
wiązanie z miejscem regulacyjnym enzymu, wskutek czego wysoki poziom ATP zapobiega
hamowaniu enzymu przez CTP.
Biologiczne znaczenie regulacyjnego oddziaływania ATP iCTP na karbamoilotransferazę
asparaginianową jest dwojakiego rodzaju.
Po pierwsze, aktywacja przez ATP wskazuje, że istnieje energia dostępna do replikacji DNA,
co prowadzi do syntezy niezbędnych nukleotydów pirymidynowych.
Po drugie, hamowanie na zasadzie sprzężenia zwrotnego przez CTP zapewnia, że w
obecności nadmiaru nukleotydów pirymidynowych nie dojdzie do zbędnej syntezy tych
związków.
2. KONTROLOWANIE (STYMULOWANIE I HAMOWANIE) AKTYWNOŚCI
ENZYMATYCZNEJ PRZEZ BIAA
KA REGULACYJNE.
Przykład 1. Odrębne białka, które po aktywacji stymulują enzymy.
Aktywność wielu enzymów jest regulowana przez kalmodulinę, białko o masie 17 kDa, które
jest czujnikiem wapnia w prawie wszystkich komórkach eukariotycznych. Związanie wapnia
(3-4 cząsteczki) przez kalmodulinę, wówczas gdy poziom Ca w cytoplazmie zwiększy się
ponad 500 nM, powoduje zmianę jej konformacji oraz aktywację. Kalmodulina w kompleksie
z Ca stymuluje cały wahlarz enzymów, pomp i innych białek docelowych np. wielofunkcyjną
zależną od kalmoduliny kinazę II (CaMII). Zaktywowana kinaza CaMII) fosforyluje wiele
białek docelowych a nawet fosforyluje sama siebie, co nadaje jej aktywność fosforylowania
egzogennych substratów nawet wtedy, gdy kompleks kalmodulina-Ca nie jest z nią zwązany.
Zatem autofosforylacja kinazy CaMII jest pamięcioą o poprzednim pulsie wapnia. Kompleks
kalmodulina-Ca działa również aktywująco na ATPazę pompy wapniowej w błonie
komórkowej. Stymulacja tej pompy przywraca stan wyjściowy o małym stężeniu Ca w
cytoplazmie inaktywuje kalmodulinę.
Przykład 2. Podjednostki białkowe - regulacyjne enzymu, które hamują aktywność
podjednostek katalitycznych enzymu.
Mechanizm aktywacji kinazy białkowej A przez cAMP o stężeniu rzędu 10 nM. Kinaza
białkowa A w mięśniach zbudowana jest z dwóch rodzajów podjednostek: podjednostki
regulacyjnej ( R ) o masie 49 kDa i podjednostki katalitycznej ( C ) o masie 38 kDa. W
nieobecności cAMP podjednostka regulacyjna i katalityczna tworzą kompleks R C - tetramer,
2 2
który nie wykazuje aktywności enzymatycznej. Związanie dwóch cząsteczek cAMP do każdej
podjednostki regulacyjnej prowadzi do dysocjacji R C na podjednostkę R i dwie
2 2 2
podjednostki C. Uwolnione w ten sposób podjednostki katalityczne stają się aktywne
enzymatycznie. Zatem związanie cAMP z podjednostką regulacyjną znosi jej hamujący
wpływ na podjednostki katalityczne. Pod względem obecności odrębnych podjednostek
regulacyjnych i katalitycznych białko to przypomina karbamoilotransferazę asparaginianową.
W nieaktywnym kompleksie (przy nieobecności cAMP) podjednostki regulacyjne wiążą się z
podjednostkami katalitycznymi poprzez sekwencję aminokwasową (Arg-Arg-Gly-Ala-Ile, w
właściwym substracie w tej sekwencji zamiast Ala jest seryna) przypominającą substrat
znajdującą się w każdej podjednostce regulacyjnej, która to sekwencja zajmuje miejsce
katalityczne podjednostki regulacyjnej uniemożliwiając w ten sposób wejście właściwego
białkowego substratu. Związanie cAMP z podjednostkami regulacyjnymi zmienia jej
konformację gdyż przesuwa allosterycznie sekwencję przypominającą substrat poza miejsca
katalityczne podjednostek katalitycznych. Uwolnione podjednostki katalityczne mając wolne
miejsca katalityczne zdolne są do wiązania i fosforylacji białkowych substratów.
3. Trzecim mechanizmem regulacji aktywności enzymu jest ODWRACALNA
MODYFIKACJA KOWALENCYJNA
Fosforylacja. Najbardziej rozpowszechnionym typem modyfikacji kowalencyjnej jest
fosforylacja białek w tym enzymów , kanałów, która jest bardzo skutecznym, odwracalnym
sposobem zmiany ich aktywności. Wiele enzymów kontrolowanych jest przez odwracalne
dołączenie grup fosforanowych do specyficznych reszt seryny,lub treoniny przez kinazy
białkowe klasy I, i reszt tyrozyny przez kinazy białkowe klasy II. Fosforylacji podlegają
białka znajdujące się wewnątrz komórki, gdzie występuje duża ilość ATP. Natomiast białka
zewnątrzkomórkowe nie są regulowane przez odwracalną fosforylacje. Fosfatazy białkowe
likwidują skutki działania kinaz.
Zmiany wynikające z fosforylacji enzymów. 1) Na skutek przyłączenia grupy fosforanowej
zmodyfikowane białko uzyskuje dwa dodatkowe ujemne ładunki, co prowadzić może do
zniesienia tych oddziaływań elektrostatycznych, które istniały w białko niezmodyfikowanym,
i utworzenia nowych. Powstające w ten sposób zmiany strukturalne mogą zasadniczo
zmieniać wiązanie substratu i aktywność katalityczną. 2) Grupa fsforanowa może tworzyć
trzy wiązania wodorowe, które dzięki tetraedrycznemu układowi przestrzennemu są silnie
ukierunkowane. 3) Energia swobodna reakcji fosforylacji jest wysoka. W przybliżeniu połowa
z około 50 kJ/mol uwolnionych w procesie hydrolizy ATP, służy podtrzymaniu
nieodwracalnego charakteru reakcji fosforylacji; natomiast pozostała część zostaje
zmagazynowana w ufosforylowanym białku. Zatem równowaga konformacyjna między
różnymi stanami funkcjonalnymi może zostać przez fosforylację zmieniona 104 razy. 4)
Fosforylacja i defosforylacja mogą przebiegać w czasie krótszym niż 1 sekunda lub trwać
kilka godzin. Kinetyka tych procesów może być dostosowana do istniejących wymogów
czasowych procesu fizjologicznego.
5) Skutkiem fosforylacji jest często silne wzmocnienie początkowego sygnału. Jedna
cząsteczka zaktywowanej kinazy może w krótkich odstępach czasu ufosforylować setki
białek docelowych, które, gdy są enzymami, mogą przekształcić dużą ilość cząsteczek
substratu.
Kinazy białkowe wykazują różny stopień selektywności działania. Specyficzne kinazy
białkowe fosforyluja określone białko lub kilka białek bardzo do siebie podobnych. Natomiast
wielofunkcyjne kinazy białkowe modyfikują wiele różnych białek - wykazują więc szeroki
zakres działania i mogą zatem koordynować różne procesy. Te kinazy serynowo-treoninowe
rozpoznają specyficzną liniową sekwencję aminokwasową wokół fosforylowanej Ser/Thr.
Należy podkreślić, że na specyficzność enzymu wpływają także odległe przestrzennie reszty
aminokwasowe, a także konformacja białka może zmieniać dostęp do miejsc ulegających
fosforylacji.
Przykład 1. Drogą fosforylacji/defosforylacji koordynowane są aktywności enzymów syntezy
i rozpadu glikogenu poprzez modulowanie aktywności syntazy glikogenowej i fosforylazy
glikogenowej. Fosforylaza glikogenowa jest aktywowana przez fosforylację natomiast
inaktywowana w wyniku defosforylacji. Natomiast syntaza glikogenowa jest inaktywowana
przez fosforylację natomiast aktywowana w wyniku defosforylacji. Są to klasyczne przykłady
interkonwersji, która jest fizjologicznym mechanizmem włączania i wyłączania enzymów.
Kinaza białkowa A (aktywowana cAMP katalizuje fosforylację zarówno kinazy
fosforylazowe jak również fosforyluje syntazę glikogenową. Fosforylacja prowadzona przez
kinazę białkową zależną od cAMP  włącza fosforylazę glikogenową poprzez aktywację
kinazy fosforylazowej i równocześnie  wyłącza syntazę glikogenową bezpośrednio.
Ponadto syntaza glikogenowa jest także fosforylowana przez kinazę fosforylazową, czego
dalszą konsekwencją jest brak syntezy glikogenu w czasie, gdy jest on rozkładany przez
fosforylazę glikogenową. W efekcie kinaza białkowa A dzięki fosforylacji kontroluje w
sposób skoordynowany proces syntezy i degradacjiglikogenu. Fosfataza-1 białek odwraca
regulatorowy efekt kinaz na metabolizm glikogenu. Fosforylaza-1 białek inaktywuje kinazę
fosforylazową i fosforylazę a poprzez defosforylację tych enzymów - w rezultacie fosfataza
zmniejsza szybkość rozkładu glikogenu. Natomiast fosfataza-1 białka defosforylując syntazę
glikogenową b przekształca ją w znacznie aktywniejszą formę syntazy a, przyspieszając
syntezę glikogenu
Przykład 2 to fosforylacja reszty tyrozyny receptora czynnika wzrostowego, która jest
krytycznym etapem przy indukowaniu różnicowania i proliferacji komórek. Związanie
czynnika wzrostowego z receptorem sprawia, że receptorowa kinaza tyrozynowa
przeprowadza autofosforylację i jednocześnie następuje dimeryzacja receptora.
Autofosforylacja zwiększa zdolność receptora a właściwie receptorowej kinazy tyrozynowej
do fosforylowania innych białek docelowych, gdyż właściwie ufosforylowane tyrozyny służą
jako miejsca przyłączenia do białek docelowych. Defosforylacja przez fosfatazę białka
wyłącza aktywność kinazy tyrozynowej.
2. Adenylacja enzymów.
Ciekawą cechą syntetaza glutaminowej u E.coli jest to, że aktywność jej zmienia się w
wyniku odwracalnej modyfikacji kowalencyjnej polegającej na adenylacji. Aktywność
syntetazy glutaminowej jest regulowana częściowo przez kowalencyjne przyłączenie
jednostki AMP do grupy hydroksylowej specyficznej reszty tyrozyny w każdej podjednostce.
Ten adenylowany enzym jest bardziej podatny na skumulowaną inhibicję na zasadzie
sprzężenia zwrotnego (przez tryptofan, histydynę, karbamoilofosforan, glukozoamino-6P,
alanina, CTP,AMP, glicyna - wszystkie te związki powstały z udziałem glutaminy) niż forma
zdeadenylowana. Przyłączenie AMP do enzymu katalizuje transferaza adenylilowa, usuwa
AMP enzym deadenylilujący. Glutamina aktywuje transferazę adenylową a inhibuje
enzym deadenylujący. Jeśli ilość glutaminy jest mała adenylacja jest hamowana a
deadenylacja stymulowana. Syntetaza glutaminowa staje się wtedy mniej podatna na
skumulowaną inhibicję na zasadzie sprzężenia zwrotnego i wskutek tego ilość glutaminy
zwiększa się.
4. Czwartym mechanizmem regulującym aktywność enzymu jest
NIEODWRACALNA AKTYWACJA PROTEOLITYCZNA
Wiele enzymów ulega aktywacji w wyniku hydrolizy kilku bądz
nawet jednego wiązania
peptydowego, występującego w nieaktywnym prekursorze nazywanym zymogenem lub
proenzymem. Ten regulacyjny mechanizm występuje w przypadku enzymów trawiennych i
zymogenów kaskady krzepnięcia krwi. Zahamowanie aktywności enzymów trawiennych i
uczestniczących w krzepnięciu następuje na skutek nieodwracalnego związania specyficznych
białek hamujących o wysokim powinowactwie do tych enzymów.
Aktywacja chymotrypsynogenu przez specyficzną hydrolizę pojedynczego wiązania
peptydowego.
[Chymotrypsyna - proteaza serynowa- rozkłada wybiórczo wiązania peptydowe po
karboksylowej stronie reszt tyrozyny, tryptofanu i fenyloalaniny oraz dużych reszt
hydrofobowych takich jak metionina].
Zamiana chymotrypsynogenu (zbudowanego z pojedynczego polipeptydu 245 reszt) w
pełni aktywny enzym następuje w wyniku działania trypsyny na wiązanie między argininą
(15) a leucyną (16) w wyniku czego powstaje aktywny enzym zwany chymotrypsyną Ą. Pod
wpływem innej cząsteczki chymotrypsyny Ą jest ona przekształcana w stabilną formę -
chymotrypsynę ą dzięki usunięciu dwóch dipeptydów. Powstałe w ten sposób trzy łańcuchy
chymotrypsyny ą są połączone ze sobą dwoma wiązaniami dwusiarczkowymi. Ponieważ
chymotrypsyna Ą jest już w pełni aktywna enzymatycznie, dodatkowe cięcia wiązań
peptydowych przy przejściu formy Ą do ą są zasadniczo zbyteczne.
Ukierunkowana proteoliza chymotrypsynogenu na wiązanie między argininą a leucyną
sprawia, że nowo powstały N-koniec przy izoleu 16 kieruje się do wnętrza enzymu, gdzie
oddziaływuje elektrostatycznie z asparaginianem 194, doprowadzając w konsekwencj do
wielu zmian konformacyjnych tego rejonu w wyniku których powstaje miejsce substratowe
specyficzne dla aromatycznych i dużych reszt niepolarnych. Zmiany konformacyjne w
pozostałej części cząsteczki są bardzo niewielkie. Dowodzi to, że białko może osiągnąć
aktywność enzymatyczną w wyniku zmian konformacyjnych zachodzących w ąciśle
określonym miejscu i wywołanych hydrolizą pojedynczego wiązania.
Trypsyna - proteaza serynowa- aktywator wszystkich zymogenów trzustki powstaje z
trypsynogenu pod wpływem działania enteropeptydazy (enterokinazy) jelitowej, która
hydrolizuje jedyne wiązanie między lizyną i izoleucyną. Powstała w ten sposób niewielka
ilość trypsyny jest wystarczająca do aktywacji dalszych cząsteczek trypsynogenu i innych
zymogenów (chymotrypsynogenu, proelastazy, prokarboksypeptydazy). W rezultacie procesu
aktywacji trypsynogenu jego 4 rozfałdowane odcinki peptydowe stanowiące 15% cząsteczki
podlegają zasadniczej zmianie konformacyjnej. Odcinki te, nazywane rejonem aktywacji,
mają w zymogenie całkowicie rozluz
nioną strukturę, natomiast w trypsynie przyjmują
konformację wysoce uporządkowaną.
Pepsyna -proteaza aspartylowa
Aktywacja pepsyny następuje w wyniku autokatalitycznej reakcji hydrolizy pepsynogenu
zachodzącej w środowisku kwaśnym. W części N-końcowej pepsynogenu znajduje się
odcinek prekursorowy złożony z 44 reszt aminokwasowych, usuwany proteolitycznie podczas
aktywacji. Proces ten zachodzi spontanicznie poniżej pH 5. Decydujące znaczenie ma
hydroliza wiązania peptydowego między leucyną (16) a izoleucyną (17) odcinka
prekursorowego. Szybkość powstawania pepsyny nie zależy od stężenia pepsynogenu, co
wskazuje że aktywacja jest wewnątrzcząsteczkowa.
Odcinek prekursorowy jest silnie zasadowy, natomiast pepsyna ma charakter kwasowy. W
cząsteczce pepsynogenu miejsce aktywne jest całkowicie uformowane jednak w pH
obojętnym dostęp do niego jest zablokowany przez reszty aminokwasowe odcinka
prekursorowego. Sześć reszt lizyn i arginin odcinka prekursorowego oddziaływuje poprzez
wiązania jonowe z glutaminianem iasparaginianem części cząsteczki odpowiadającej
pepsynie, a ponadto lizyna łańcucha prekursorowego oddziaływuje z asparaginianem z
centrum aktywnego. Zmniejszenie pH powoduje protonację grupy karboksylowej co pociąga
za sobą zerwanie wiązań jonowych między odcinkiem prekursorowym i częścią cząsteczki
która tworzy pepsynę. Wywołane w ten sposób zmiany konformacyjne prowadzą do
wyeksponowania miejsca aktywnego, które hydrolizuje wiązanie peptydowe między
odcinkiem prekursorowym i pozostałą częścia cząsteczki pepsynogenu odpowiadającej
pepsynie.
1.Enzymy lizosomalne
2.Klasyfikacja enzymów
ENZYMY CZYLI BIOKATALIZATORY
Najbardziej znaczącą właściwością enzymów jest ich siła katalityczna i specyficzność. A
ponadto fakt, że aktywność wielu enzymów podlega regulacji.
Enzymy przyspieszają reakcje chemiczne co najmniej milionkrotnie. Enzymy charakteryzuje
duża specyficzność zarówno pod względem katalizowanej reakcji chemicznej jak i
substratów.
Jeden enzym katalizuje na ogół pojedynczą reakcję chemiczną lub zestaw ściśle pokrewnych
reakcji.
W odróżnieniu od reakcji niekatalizowanych, w reakcjach z udziałem enzymów rzadko
występują reakcje uboczne prowadzące do nieekonomicznego tworzenia zbędnych
produktów.
Specyficzność enzymu wobec substratu jest zwykle bardzo znaczna, a czasami praktycznie
absolutna.
Na przykład, enzymy proteolityczne katalizują przede wszystkim hydrolizę wiązania
peptydowego w białku. Jednak większość enzymów proteolitycznych katalizuje również
odmienną, ale pokrewną reakcję, mianowicie hydrolizę wiązania estrowego, stąd też
przejawiają dodatkowo aktywność esterazową.
Enzymy różnią się znacznie stopniem specyficzności wobec substratu, jedne cechuje bardzo
niska specyficzność inne bardzo wysoka.
Na przykład, subtilopeptydaza bakteryjna nie rozpoznaje rodzajów aminokwasów w
sąsiedztwie hydrolizowanego przez nią wiązania peptydowego. Natomiast trypsyna wykazuje
wyższą specyficzność substratową, gdyż hydrolizuje tylko te wiązania, które znajdują się po
karboksylowej stronie reszty lizyny lub argininy. Trombina, uczestnicząca w krzepnięciu
krwi, wykazuje jeszcze większą specyficzność substratową niż trypsyna. Podatne na działanie
hydrolityczne trombiny są tylko wiązania peptydowe między argininą i glicyną.
Innym przykładem enzymu o dużej specyficzności może być polimeraza DNA I, enzym ten
jest niezwykle precyzyjny w odczytywaniu instrukcji zakodowanej w matrycy, a nawet
ponownie odczytuje rosnący polinukleotyd i zdolny jest poprawić ewentualne swoje własne
błędy.
Pierwszym etapem katalizy enzymatycznej jest utworzenie kompleksu enzym-substrat.
Znaczna część katalitycznej siły enzymów wynika z zestawiania ze sobą ich substratów w
korzystnej orientacji przestrzennej w kompleksach enzym-substrat. Substrat ulega związaniu
w specyficznym regionie enzymu zwanym centrum (miejscem) aktywny. Wiązanie substratu
przez enzym zachodzi w sposób silnie selektywny. Katalityczna specyficzność enzymów
zależy głównie od specyficzności procesu wiązania substratu.
Centrum aktywne enzymu to obszar, który wiąże substraty i grupę prostetyczną lub
koenzym jeśli występuje, oraz dostarcza reszt aminokwasowych biorących bezpośredni udział
w tworzeniu i zrywaniu wiązań, które są nazywane grupami katalitycznymi enzymu. Centra
aktywne enzymów mają pewne cechy wspólne:
1) Miejsce aktywne zajmuje stosunkowo małą część całkowitej objętości cząsteczki
enzymu;
2) Miejsce aktywne jest układem przestrzennym złożonym z grup chemicznych leżących
w różnych pozycjach liniowej sekwencji aminokwasów;
3) W połączeniach substratów z enzymami biorą udział stosunkowo słabe siły wiązania.
Odwracalne oddziaływania cząsteczek biologicznych zachodzą przez wiązania
elektrostatyczne, wiązania wodorowe, siły van der Waalsa i interakcje hydrofobowe.
4) Centra aktywne są zagłębieniami lub szczelinami. We wszystkich poznanych
strukturalnie enzymach miejsca wiązania substratów znajdują się w zagłębieniach lub w
szczelinach enzymu, niedostępnych zazwyczaj dla cząsteczek wody, jeśli nie bierze ona
udziału w reakcji. Jednakże, szczelina może zawierać również reszty polarne, które w
ogólnie hydrofobowym mikrośrodowisku szczeliny uzyskują specjalne właściwości
niezbędne dla katalizy. Wewnętrzne umiejscowienie tych polarnych reszt jest biologicznie
ważnym wyjątkiem od reguły, że reszty polarne są eksponowane do środowiska wodnego.
5) Specyficzność wiązania zależy od precyzyjnie określonego ułożenia atomów w
miejscu aktywnym. Substrat musi mieć odpowiedni kształt, by mógł pasować do miejsca
aktywnego.
Zaproponowano dwa modele tłumaczące oddziaływanie enzymu z substratem:
Model klucza i zamka - model sztywny Fischera porównuje układ enzym-substrat do klucza
i zamka. Zgodnie z tym modelem kształt miejsca aktywnego wolnego enzymu jest
komplementarny do kształtu substratu. Model ten jest użyteczny przy interpretacji
stereospecyficzności katalizy enzymatycznej.
Model wymuszonego dopasowania -model dynamiczny Koshlanda Centra aktywne wielu
enzymów nie są strukturami sztywnymi. Związanie substratu pociąga za sobą zmianę kształtu
enzymu. Kształt miejsca aktywnego staje się komplementarny do kształtu substratu dopiero
po związaniu substratu.
CYKL KREBSA
Jest procesem złożonym z wielu reakcji, przebiegających w kilku etapach wewnątrz żywych
organizmów. Oddychanie komórkowe prowadzi do rozkładu związków oraz uwolnienia
energii, która jest magazynowana w ATP. Proces oddychania komórkowego odbywa się w
obecności tlenu (nazywany jest tlenowym i zachodzi u aerobów) lub w komórce bez tlenu
(nazywany jest beztlenowym i przebiega u anaerobów). Oddychanie komórkowe składa się z
trzech etapów.
" glikoliza; zachodzi w cytoplazmie komórki i nie wymaga obecności tlenu.
Rozpoczyna się od dwukrotnej aktywacji glukozy (ulega fosforylowaniu) oraz jej
izomeracji. Powstaje fruktozo-1,6-difosforan, który ulega rozczepieniu na dwie
izometryczne fosfotriozy. Jednym z trioz jest aldehyd-3-fosfoglicerynowy,
podlegający dalszym przekształceniom: utlenieniu, przyłączeniu nieorganicznego
fosforanu; powstaje kwas pirogronowy, tzw. pirogronian. W trakcie przekształceń
glukozy do pirogronianu zachodzi fosforylacja substratowa, powstaje ATP.
" cykl Krebsa lub cykl kwasu cytrynowego. Etap ten zachodzi wewnątrz organelli
nazywanych mitrochondriami (tworzą i magazynują energię). Powstały wcześniej
kwas pirogronowy w obecności tlenu wnika do wnętrza mitochoridriów, gdzie
enzymatycznie (dehydrogenazą pirogronianową) zostaje przekształcony w tzw. czynny
octan (acetylo-CoA). W czasie rozpadu pirogronianu wodór jest przyłączony do
przenośnika NADP, a CO zostaje uwolniony. Powstały acetylo-CoA jest
2
dwuwęglową pochodną kwasu octowego, ponieważ tylko taka cząstka może włączyć
się w cykl przemian Krebsa. Cykl Krebsa polega na serii reakcji o charakterze
cyklicznym, w których substratami i produktami są kwasy organiczne. Do acetylo-
CoA zostaje przyłączony kwas szczawiooctowy, tworząc kwas cytrynowy. Kwas
cytrynowy ulega kolejnym przekształceniom: tworzy kwas cis-akonitowy, kwas
izocytynylo-CoA, bursztynylo-CoA, kwas bursztynowy, kwas fumarowy, kwas
jabłkowy, kwas szczawiooctowy. W trakcie tych przemian zachodzą reakcje:
" dekarboksylacji oksydocyjnej (odrywanie CO ),
2
" dehydrogenacji (odłączenia wodoru),
" redukcji (NAD+ NADH + H+)
" fosforylacji substraktowej (synteza wiązania makroenergicznego).
" Po zakończeniu cyklu Krebsa rozpoczyna się 3 etap oddychania
wewnątrzkomórkowego  łańcuch oddechowy. Etap ten zachodzi w wewnętrznej
błonie mitochondrialnej, nazywanej grzebieniem. Utworzone w dwóch poprzednich
etapach NADH + H+ są związkami bardzo aktywnymi o właściwościach redukujących.
NADH + H+ przechodzi przez szereg przenośników (ubichinon, cytochromy b, c, a),
aby zredukować tlen, będący końcowym akceptorem elektronów. Podczas redukcji
tlenu wydziela się znaczna ilość energii magazynowana w ATP. Przenośniki w
łańcuchu oddechowym są uporządkowane tak, że każdy ze składników ma zdolność
pobierania elektronów od swego poprzednika w łańcuchu. Ostatnim ogniwem
łańcucha, wykazującym największe powinowactwo do elektronów, jest tlen, a
końcowym produktem jest cząsteczka wody.
Schemat oddychania wewnątrzkomórkowego.
Zysk energetyczny procesu oddychania komórkowego wynosi 36 ATP (z 1 cząsteczki
glukozy powstaje 36 cząsteczek ATP, jest to ok. 40% powstającej energii, reszta rozprasza się
jako ciepło). I tak:
" w glikolizie (pierwszy etap) powstają 2 cząsteczki NADH + H+, dając po 2 ATP=4
ATP  w czasie fosforylacji substratowej tworzą się 4 ATP, ale 2 są zużyte = 2 ATP
" w cyklu Krebsa (drugi etap)  powstają 2 cząsteczki GTP, w procesie fosforylacji
substratowej równoważą 2 ATP.
" w łańcuchu oddechowym (trzeci etap)
" 2 cząsteczki NADH + H+ powstałe przy dekarboksylacji oksydacyjnej kwasu
pirogronowego dają po 3 cząsteczki ATP = 6 ATP
" 2 cząsteczki FADH2 powstałe w cyklu Krebsa dają po 2 cząsteczki ATP = 4 ATP
" 6 cząsteczek NADH + H+ utworzonych w cyklu Krebsa daje po 3 ATP = 18 ATP
Razem zysk netto wynosi 36 ATP.
Oddychanie wewnątrzkomórkowe beztlenowe nazywane jest fermentacją. Występuje u
anaerobów. Przebiega na terenie cytoplazmy, nie wymaga obecności tlenu. W tym procesie
glukoza podlega przekształceniom do pirogronianu. W trakcie przekształceń w wyniku
fosforylacji substratowej powstaje energia zmagazynowana w ATP. Kwas pirogronowy ulega
przemianom w różne związki (nazwa fermentacji pochodzi od końcowego jej produktu).
Najczęściej występuje:
" fermentacja alkoholowa  proces glikolizy przebiega identycznie jak u aerobów,
powstały kwas pirogronowy ulega dekarboksylacji do aldehydu octowego, który jest
redukowany do alkoholu etylowego,
" fermentacja octowa  kwas pirogronowy ulega dekarboksylacji do aldehydu
octowego, który jest utleniany do kwasu octowego,
" fermentacja mlekowa  przekształcenie pirogronianu w kwas mlekowy. Powstaje w
mięśniach przy intensywnym wysiłku oraz braku tlenu, jest związkiem toksycznym
powodującym ból mięśni. Przy pomocy krwi jest przenoszony do wątroby i
przekształcany w glukozę.