ODDYCHANIE KOMÓRKOWE

A) ODDYCHANIE TLENOWE

B) PROCESY BEZTLENOWEGO UZYSKIWANIA ENERGII

NM Gera

1

NM

G

ZADANIE DOMOWE

W FORMIE REFERATU OPRACUJ ZAGADNIENIA DOTYCZĄCE PRZEBIEGU CHEMOSYNTEZY ORAZ BEZTLENOWEGO UZYSKIWANIA ENERGII

Wykonaj polecenie 2 ze strony 43

Opisz wpływ czynników zewnętrznych na intensywność oddychania komórkowego

2

NM

G

PLAN ZAJĘĆ

2) POWTORZENIE WIADOMOŚCI O BUDOWIE , FUNKCJACH I POCHODZENIU MITOCHONDRIÓW

3) Historia ;)

4) PRZEBIEG ODDYCHANIA TLENOWEGO

4a) GLIKOLIZA

4b) REAKCJA POMOSTOWA

4c) CYKL KWASU CYTRYNOWEGO

4d) ŁAŃCUCH ODDECHOWY

5) BILANS ENERGETYCZNY

6) WPŁYW CZYNNIKÓW NA INTENSYWNOŚĆ ODDYCHANIA KOMÓRKOWEGO (ZADANIE DOMOWE)

3

NM

G

Cykl reakcji umożliwiających utlenienie acetylo-CoA opisał w roku w roku 1937 sir Hans Adolf Krebs

Za odkrycie cyklu kwasów trikaboksylowych otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny lub fizjologii w roku 1953

Sir Hans Adolf Krebs ur. 25 sierpnia 1900 w Hildesheim, Niemcy, zm. 22 listopada 1981 w Oksfordzie, Anglia, Wielka Brytania

4

NM

G

HANS ADOLF KREBS

w roku 1933 zmuszony był do emigracji do Wielkiej Brytanii.

Profesor uniwersytetu w Sheffield, potem uniwersytetu w

Oksfordzie, członek Towarzystwa Królewskiego w Londynie.

W 1932 roku wspólnie z Kurtem Henseleitem odkrył i opisał cykl

przemian reakcji chemicznych w tkankach zwierzęcych prowadzący

do syntezy mocznika (tzw. cykl ornitynowy/mały cykl Krebsa/cykl

Krebsa-Henseleita),

opisał (1937) również cykl przemian biochemicznych produktów

rozkładu sacharydów, tłuszczów i białek, zwany cyklem Krebsa

(zwany również cyklem kwasu cytrynowego lub cyklem kwasów

trikarboksylowych);

otrzymał za te prace nagrodę Nobla w 1953 roku.

Królowa Elżbieta II nadała mu w 1958 tytuł szlachecki, co wiązało

się z prawem używania tytułu sir przed nazwiskiem

5

NM

G

6

NM

G

oddychanie tlenowe – odwodorowanie substratu organicznego, wytwarzanie energii w postaci ATP

macierz mitochondrialna – enzymy cyklu Krebsa,

błony grzebieni mitochondrialnych – enzymy łańcucha oddechowego,

ATP nie może być transportowane, ani magazynowane – mitochondria potrafią wędrować do miejsc, gdzie występuje zapotrzebowanie na energię,

w praktyce medycznej – w przypadkach uszkodzenia wątroby bądź zawału mięśnia sercowego z uszkodzonych mitochondriów do krwi przedostają się specyficzne enzymy – diagnostyka na podstawie badania krwi.

nowe powstają przez wzrost i podział istniejących,

mutacja w DNA mitochondrialnym może być związana z niektórymi chorobami – ślepota w młodym wieku, postępujące zwyrodnienie mięśni,

wpływają na procesy starzenia się, programowana śmierć komórki – apoptoza

7

NM

G

BUDOWA ATP

Cząsteczka ATP jest związkiem składającym się z zasady

azotowej – adeniny (1) połączonej z cząsteczką cukru – rybozy

(2) i trzech reszt fosforanowych (3). ATP powstaje w procesie

fosforylacji z ADP (adenozynodwufosforanu) i Pi (fosforanu

nieorganicznego). 8

nmg

ODDYCHANIE

W potocznym znaczeniu pod słowem oddychanie przyjęto rozumieć wymianę gazową, czyli pobieranie tlenu i usuwanie dwutlenku węgla, jednak ma ona jedynie związek z oddychaniem. Natomiast właściwe oddychanie to wyzwalanie energii z glukozy i jest to podstawowa

czynność życiowa wszystkich organizmów żywych z wyjątkiem wirusów. Oddychanie ustaje wraz ze śmiercią komórki.

9

NM

G

ODDYCHANIE

Oddychanie zatem polega na utlenieniu biologicznym , czyli odłączeniu atomów wodoru albo tylko elektronów

od substratu przy wydzieleniu energii oraz na wychwyceniu części energii i zgromadzeniu w formie

energii chemicznej w wiązaniach wysokoenergetycznych w ATP. Pozostała energia ulega

rozproszeniu w postaci energii cieplnej.

10

NM

G

Powstałe w ten sposób ATP jest używane do wszystkich reakcji wymagających użycia energii. Każda komórka tworzy tyle ATP ile

go potrzebuje. ATP nie może być gromadzone. Organella komórkowa na terenie której odbywają się procesy związane z

oddychaniem -> mitochondrium.

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA ODDYCHANIE KOMÓRKOWE:

Liczba mitochondriów

Rodzaj komórki

Dostępność tlenu

Zapotrzebowanie energetyczne

Wiek komórki

11

NM

G

ETAPY ODDYCHANIA KOMÓRKOWEGO

Glikoliza

Reakcja pomostowa

Cykl Krebsa

Łańcuch oddechowy

12

NM

G

MIEJSCE ODDYCHANIA TLENOWEGO W KOMÓRCE

13

NM

G

GLIKOLIZA – cytozol REAKCJA POMOSTOWA - matrix CYKL KREBSA – matrix ŁAŃCUCH ODDECHOWY – wewnętrzna błona mitochondrialna

WZÓR REAKCJI CHEMICZNEJ

C₆H₁₂O₆ + O₂ 6CO₂ + 6H₂O + energia

Proces pozaustrojowego utleniania glukozy -> taka ilość energii cieplnej może doprowadzić do denaturacji białek w komórce, dlatego oddychanie w komórkach zachodzi w etapach .

14

NM

G

ETAPY ODDYCHANIA KOMÓRKOWEGO

Glikoliza

Reakcja pomostowa

Cykl Krebsa

Utlenianie końcowe

15

NM

G

16

NM

G

GLIKOLIZA etapy oddychania zwane

glikolizą zachodzą w cytoplazmie podstawowej i nie wymagają obecności tlenu.

17

NM

G

Proces ten zarówno w warunkach

tlenowych jak i beztlenowych

przebiega tak samo, odmienny jest

jedynie los pirogronianu, czyli

produktu końcowego glikolizy oraz

możliwość utlenienia zredukowanego

akceptora wodoru NADH + H+.

Glukoza zostaje ufosforylowana przez ATP do glukozo-6-fosforanu, a następnie enzymatycznie przekształcona do fruktozo-6-fosforanu.

Ten następnie jest ponownie ufosforylowany dzięki przeniesieniu grupy fosforanowej z ATP do fruktozo-1,6-dwufosforanu. Potem następuje rozcięcie enzymatyczne na dwie cząsteczki triozofosforanu - fosfodihydroksyacetonu i aldehyd 3-fosfoglicerynowego. Grupa aldehydowa drugiego związku zostaje odwodorowana przez NAD. Reakcja ta jest silnie egzoergiczna i sprzężona z przyłączeniem nieorganicznego fosforanu.

18

NM

G

GLIKOLIZA CD.

Następnie grupa fosforanowa zostaje przeniesiona na ADP, przy czym powstaje 3-fosfoglicerynian i ATP. -> jest to fosforylacja substratowa.

3- fosfoglicerynian zamieniany jest w 2- fosfoglicerynian.

Następnie 2- fosfoglicerynian zamieniany jest w fosfoenolopirogronian. Ostatni etap to powstanie z fosfoenolopirogronianu, pod wpływem kinazy pirogronianowej pirogronianu i cząsteczki ATP.

W komórce procesy utleniania i redukcji muszą być zrównoważone.

19

NM

G

NM

G

20

REAKCJA POMOSTOWA

21

NM

G

CYKL KREBSA

Pirogronian w warunkach tlenowych zamieniany jest w acetylo-CoA, który włączany jest w cykl kwasu cytrynowego (cykl Krebsa)

22

NM

G

ACETYLO - COA

„aktywny octan” Powstały poprzez acetylowanie koenzymu A. Acetylo-CoA odgrywa kluczową rolę w metabolizmie.

Składa się z grupy acetylowej (−COCH 3) związanej kowalencyjnie z koenzymem A.

23

NM

G

WYKORZYSTANIE ACETYLO COA

bezpośrednio wykorzystywany przez połączenie z kwasem szczawiooctowym do syntezy kwasu cytrynowego, który rozpoczyna cykl kwasu cytrynowego

w metabolizmie lipidów – jest prekursorem cholesterolu a następnie hormonów steroidowych

łączy się także z choliną, tworząc acetylocholinę, lub z sulfonamidami

24

NM

G

ŹRÓDŁA ACETYLO-COA

cukry proste (glukoza)

acetyloCoA

aminokwasy kwasy tłuszczowe + glicerol

białka tłuszcze

węglowodany

pirogronian

O // CH3 ─ C ~ SCoA

lipoliza

deaminacja, oksydacja

-oksydacja glikoliza

glikogenoliza

proteoliza

oksydacyjna dekarboksylacja

trawienie

trawienie

ciała ketonowe

aminokwasy 25

NM

G

NM

G

26

CYKL KREBSA Składa się z 8 etapów.

FUNKCJE rozkłada acetyloCoA

powstający podczas katabolizmu węglowodanów, lipidów, białek

dostarcza równoważników redukcyjnych – NADH+H+ i FADH2 zamienianych na ATP w ŁO oraz GTP (=ATP)

dostarcza substratów do procesów syntezy różnych związków (np. glukozy, hemu, kwasów tłuszczowych)

27

NM

G

ETAPY CYKLU CREBSA

1) synteza cytrynianu ( c4 + acetylo-CoA)

2) Izomeracja cytrynianu do izocytrynianu

3) utlenienie izocytrynianu do alfa-ketoglutaranu

4) utlenienie alfa-ketoglutaranu do

bursztynyloCo-A

5) synteza ( z bursztynyloCo-A do bursztynianu)

6) ulenienie bursztynianu do fumaranu

7) utlenienie fumaranu do jabłczanu

8) utlenienie jabłczanu do szczawiooctanu 28

NM

G

REAKCJE CYKLU KREBSA

COO- | C = O | CH2 | COO-

COO- | CH2

| HO ─ C ─ COO- | CH2 | COO-

COO- | CH2

| HO ─ C ─ COO- | CH2 | C = O | SCoA

O // CH3 ─ C ~ SCoA

HSCoA

Enzym: SYNTAZA CYTRYNIANOWA klasa IV (liazy) Typ reakcji: KONDENSACJA reakcja nieodwracalna enzym regulatorowy

+ H2O

1

29

NM

G

synteza cytrynianu

REAKCJE CYKLU KREBSA

COO- | CH2

| C ─ COO- || CH | COO-

Enzym: AKONITAZA (HYDRATAZA cisAKONITANOWA) klasa IV (liazy) Typ reakcji: DEHYDRATACJA/HYDRATACJA reakcja odwracalna białko zawierajace Fe-S

+ H2O

- H2O

COO- | CH2

| HO ─ C ─ COO- | CH2 | COO-

COO- | CH2

| HC ─ COO- | HO ─ CH | COO-

2

2

30

NM

G

•Izomeracja cytrynianu do izocytrynianu

REAKCJE CYKLU KREBSA

Enzym: DEHYDROGENAZA IZOCYTRYNIANOWA klasa I (oksydoreduktazy) Typ reakcji: UTLENIANIE i DEKARBOKSYLACJA reakcja nieodwracalna izoenzymy enzym regulatorowy

COO- | CH2

| HC ─ COO- | HO ─ CH | COO-

COO- | CH2

| HC ─ COO- | O = CH | COO-

COO- | CH2

| CH2 | O = CH | COO-

CO2

NAD+

NADH+H+

3

31

NM

G

utlenienie izocytrynianu do alfa-ketoglutaranu

REAKCJE CYKLU KREBSA

Enzym: KOMPLEKS DEHYDROGENAZY -KETOGLUTARANOWEJ klasa I (oksydoreduktazy) Typ reakcji: UTLENIANIE i DEKARBOKSYLACJA reakcja nieodwracalna enzym regulatorowy

COO- | CH2

| CH2 | C ~ SCoA || O

COO- | CH2

| CH2 | O = CH | COO-

CO2

NAD+, HSCoA

NADH+H+

4 32

NM

G

utlenienie alfa-ketoglutaranu do bursztynyloCo-A

REAKCJE CYKLU KREBSA

Enzym: SYNTETAZA BURSZTYNYLOCoA klasa VI (syntetazy) Typ reakcji: FOSFORYLACJA SUBSTRATOWA reakcja odwracalna

COO- | CH2

| CH2 | C ~ SCoA || O

GDP + Pi

GTP HSCoA

COO- | CH2

| CH2 | COO-

5 33

NM

G

synteza ( z bursztynyloCo-A do bursztynianu)

REAKCJE CYKLU KREBSA

Enzym: DEHYDROGENAZA BURSZTYNIANOWA klasa I (oksydoreduktazy) Typ reakcji: UTLENIANIE jest częścią błony mitochondrialnej reakcja odwracalna białko zawierające Fe-S

FAD

FADH2

COO- | CH2

| CH2 | COO-

COO- | CH

|| CH | COO-

6 34

NM

G

•ulenienie bursztynianu do fumaranu

REAKCJE CYKLU KREBSA

Enzym: HYDRATAZA FUMARANOWA (FUMARAZA) klasa IV (liazy) Typ reakcji: HYDRATACJA reakcja odwracalna

H2O COO- | HC ─ OH

| CH2 | COO-

COO- | CH

|| CH | COO-

7

35

NM

G

utlenienie fumaranu do jabłczanu

REAKCJE CYKLU KREBSA

Enzym: DEHYDROGENAZA JABŁCZANOWA klasa I (oksydoreduktazy) Typ reakcji: UTLENIANIE reakcja odwracalna

NAD+

NADH+H+

COO- | HC ─ OH

| CH2 | COO-

COO- | C = O

| CH2 | COO-

8

36

NM

G

utlenienie jabłczanu do szczawiooctanu

NM

G

37

BILANS ENERGETYCZNY CYKLU KREBSA

3 NADH + H+ 3 ATP = 9 ATP

1 FADH2 2 ATP = 2 ATP

1 GTP (FS) = 1 ATP = 1 ATP

= 12 ATP

z jednej cząsteczki acetyloCoA

GTP + ADP ↔ GDP + ATP enzym: kinaza difosfonukleozydowa

38

NM

G

POWIĄZANIA CYKLU KREBSA Z INNYMI SZLAKAMI METABOLICZNYMI

Niektóre szlaki metaboliczne kończą się na metabolicie cyklu

Krebsa a niektóre wywodzą się z tego cyklu. Szczególne

znaczenie odgrywa w wątrobie gdzie nazywany jest „cyklem

otwartym”: w czasie sytości ( węglowodanów) przeważa udział

cyklu w procesie lipogenezy, w tworzeniu aminokwasów, w czasie

głodu ( węglowodanów) w procesie glukoneogenezy. Prawie

wszystkie metabolity cyklu Krebsa są potencjalnie glukogenne

(najbardziej szczawiooctan), ponadto niektóre aminokwasy są

glukogenne dzięki możliwości przekształcenia ich w metabolit

cyklu Krebsa lub w pirogronian. 39

NM

G

CYKL KREBSA POWIĄZANY JEST Z NASTĘPUJĄCYMI PRZEMIANAMI:

40

NM

G

synteza niektórych aminokwasów

synteza hemu

synteza ciał ketonowych

synteza kwasów tłuszczowych

synteza neurotransmiterów (mózg)

cykl mocznikowy

glukoneogeneza (ze szczawiooctanu, pirogronianu, aminokwasów)

ZABURZENIA METABOLIZMU ZWIĄZANE Z CYKLEM KREBSA

- Beri – beri - to zaburzenie, którego przyczyną jest brak tiaminy. Pirofosforan tiaminy (TPP) jest grupą prostetyczną trzech enzymów niezbędnych do zachodzenia cyklu: dehydrogenazy pirogronianowej, dehydrogenazy α-ketoglutaranowej i transketolazy. Niedobór tego związku powoduje zaburzenia neurologiczne ze względu na wykorzystanie jako substratu oddechowego w komórkach nerwowych wyłącznie glukozy

41

NM

G

ZABURZENIA METABOLIZMU ZWIĄZANE Z CYKLEM KREBSA

Związki rtęci i arsenu wykazują silne powinowactwo do grup hydrosulfidowych enzymów kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej. Zahamowanie aktywności enzymu podobnie jak w przypadku beri-beri prowadzi do zaburzeń neurologicznych

42

NM

G

UTLENIANIE KOŃCOWE- ŁAŃCUCH ODDECHOWY

43

NM

G

ŁAŃCUCH ODDECHOWY

44

NM

G

Na łańcuch oddechowy składa się szereg przenośników błonowych na grzebieniach mitochondrialnych. Ich funkcja polega na odbieraniu protonów i elektronów od zredukowanych dinukleotydów (NADH, FADH2). Powoduje to ich utlenienie.

FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA Jest to główny sposób uzyskiwania energii ze związków

organicznych. W wyniku ich rozkładu elektrony są przenoszone przez łańcuch oddechowy na tlen. Jest to utlenianie, które zachodzi na błonie mitochondrialnej i może zachodzić jedynie w warunkach tlenowych. ADP + Pi + zredukowany przenośnik wodoru i elektronów + O2 -> ATP + H2O + utlenione przenośniki wodoru i elektronów.

45

NM

G

Podczas wędrówki protonów i elektronów z jednej cząsteczki NADPH na tlen, powstają 3 ATP,

natomiast w przypadku FADH2 – 2 ATP.

NM

G

46

ODDYCHANIE TLENOWE

1. Powstający w glikolizie pirogronian wędruje do mitochondriów, gdzie ulega oksydacyjnej dekarboksylacji do związku dwuwęglowego - aktywnego octanu, zwanego acetylokoenzymem A, wiec inaczej

acetylo- Co A.

2. Acetylo-Co A zostaje włączony w cykl przemian kwasów karboksylowych zwany cyklem Krebsa lub cyklem kwasu cytrynowego.

Tam zostaje utleniony do dwóch cząsteczek CO2.

3. Akceptorem aktywnego octanu w cyklu Krebsa jest 4-węglowy szczawiooctan. W wyniku reakcji kondensacji powstaje 6-węglowy

cytrynian, od którego pochodzi nazwa cyklu.

4. Przez szereg produktów pośrednich zostaje odtworzony związek 4-węglowy, który przyłącza kolejną cząsteczkę acetylokoenzymu A.

5. Na czterech etapach cyklu odbywa się proces utleniania poprzez

odwodorowanie z wydzieleniem trzech cząstek NADH+H+ i FADH2. Podczas jednego pełnego cyklu Krebsa dochodzi do dwukrotnej dekarboksylacji i 4-krotnego odwodorowania.

47

NM

G

6. Zredukowane przenośniki przenoszą wodór na błonę grzebieni mitochondrialnych, gdzie

zlokalizowany jest łańcuch oddechowy.

7. Łańcuch oddechowy to ciąg oksyreduktaz: NAD, FAD, ubichinon, cytochrom b, cytochrom

c, oksydaza cytochromowa.

8. Na początku łańcucha płynie strumień atomów wodoru, a następnie przez wyższy potencjał

oksydoredukcyjny strumień elektronów.

9. W łańcuchu oddechowym produkowane jest ATP. Ostatecznym akceptorem elektronów i protonów wodorowych jest tlen w związku z

czym produkcję ATP w łańcuchu oddechowym określamy jako fosforylację oksydacyjną.

48

NM

G

PODSUMOWANIE

Oddychanie komórkowe jest to proces utleniania glukozy do dwutlenku węgla. Składa się z etapów. Polega na odbieraniu protonów i elektronów przez dinukleotydy. Przemiany te katalizują odpowiednie enzymy. Do całkowitego utlenienia glukozy dochodzi w pierwszych trzech etapach, a więc glikolizie, oksydacyjnej dekarboksylacji kwasu pirogronowego i cyklu Krebsa. W łańcuchu oddechowym ma miejsce przeniesienie wodoru na tlen, w skutek, czego powstaje woda. Transportowi elektronów i protonów towarzyszy powstawanie energii magazynowanej w ATP (fosforylacja oksydacyjna).

49

NM

G

Bilans energetyczny oddychania komórkowego

NM

G

50

Na następnej lekcji sprawdzian za 10 punktów z oddychania komórkowego

LITERATURA

Robert K Murray, Daryl K Granner, Victor William Rodwell, Franciszek Kokot, Zenon Aleksandrowicz: Biochemia Harpera ilustrowana. Warszawa: Wydawnictwo Lekarskie PZWL, 2008.

Luberta Stryera, Jeremy’ego Berga i Johna Tymoczko „Biochemia” PWN 1986

Dubert i inni „Biologia na czasie 2” Nowa Era 2013

51

NM

G