Oddychanie tkankowe lub oddychanie komórkowe to zespół reakcji biochemicznych zachodzących w komórkach organizmów żywych, podczas których następuje utlenianie węglowodanów, lipidów i aminokwasów do dwutlenku węgla i wody. Uwolniona energia magazynowana jest w wiązaniach chemicznych związków wysokoenergetycznych (cząsteczki kwasu adenozynotrifosforowego i innych związków wysokoenergetycznych) i może zostać wykorzystana przez organizm w miarę potrzeb. Zaliczany do grupy procesów katabolicznych. Na poziomie komórkowym rozróżnia się dwa główne rodzaje oddychania: tlenowy (z udziałem utleniacza, tlenu) i beztlenowy. Jednocześnie fizjologiczne procesy transportu tlenu do komórek organizmów wielokomórkowych i usuwania z nich dwutlenku węgla są uważane za funkcję oddychania zewnętrznego.

Oddychanie aerobowe. W cyklu Krebsa większość cząsteczek ATP powstaje w wyniku fosforylacji oksydacyjnej na ostatnim etapie oddychania komórkowego: do łańcucha transportu elektronów. Następuje tu utlenianie NADH i FADH 2, redukowane w procesach glikolizy, beta-oksydacji, cyklu Krebsa itp. Energia uwalniana podczas tych reakcji wynika z łańcucha nośników elektronów zlokalizowanych w wewnętrznej błonie mitochondriów (w prokariota - w błonie cytoplazmatycznej) przekształca się w transbłonowy potencjał protonowy. Enzym syntaza ATP wykorzystuje ten gradient do syntezy ATP, przekształcając jego energię w energię wiązań chemicznych. Oblicza się, że z cząsteczki NADH można wytworzyć w tym procesie 2,5 cząsteczki ATP, a FADH 2 – 1,5 cząsteczki. Ostatnim akceptorem elektronów tlenowego łańcucha inhalacyjnego jest tlen.

Oddychanie beztlenowe to biochemiczny proces utleniania substratów organicznych lub wodoru cząsteczkowego z wykorzystaniem ETC w układzie oddechowym jako końcowego akceptora elektronów zamiast O2 i innych utleniaczy o charakterze nieorganicznym lub organicznym. Podobnie jak w przypadku oddychania tlenowego, uwolniona podczas reakcji swobodna energia jest magazynowana w postaci transbłonowego potencjału protonowego, który syntaza ATP wykorzystuje do syntezy ATP.

Brzuszny oddech przeprowadza się poprzez skurcz przepony i mięśni brzucha wraz z resztą ścian klatki piersiowej. Podczas wdechu ramiona opadają, mięśnie piersiowe słabną, a przepona kurczy się i opada. Zwiększa to podciśnienie w jamie klatki piersiowej, a dolna część płuc wypełnia się powietrzem. Jednocześnie wzrasta ciśnienie w jamie brzusznej i żołądek wystaje. Podczas wydechu przepona rozluźnia się, unosi, a ściana brzucha powraca do pierwotnej pozycji.

Podczas oddychania przeponowego masowane są narządy wewnętrzne. Najczęściej ten rodzaj oddychania występuje u mężczyzn. Występuje również, gdy dana osoba odpoczywa, zwykle podczas snu.

Niżej klatka piersiowa oddech angażuje mięśnie międzyżebrowe. W wyniku skurczu mięśni klatka piersiowa rozszerza się na zewnątrz i do góry, powietrze dostaje się do płuc i następuje wdychanie. Podczas dolnego oddychania napełniana jest tylko część płuc i aktywowane są tylko żebra, ale reszta ciała pozostaje nieruchoma. W rezultacie nie zachodzi pełny proces wymiany gazowej.

Oddychanie dolną klatką piersiową jest zwykle stosowane przez kobiety. Korzystają z niego także osoby, które często przyjmują pozycję siedzącą, ponieważ aby czytać lub pisać, zawsze muszą pochylić się do przodu.

Górny klatka piersiowa oddech powstaje w wyniku pracy mięśni obojczyków. Podczas wdechu obojczyki i ramiona unoszą się, a powietrze dostaje się do płuc. W tym przypadku trzeba włożyć sporo wysiłku, gdyż zwiększa się częstotliwość wdechów i wydechów, a dopływ tlenu okazuje się znikomy. Ten rodzaj oddychania można celowo wywołać poprzez wciągnięcie brzucha. Tylko niewielka część płuc uczestniczy w oddychaniu górną klatką piersiową, a wymiana gazowa zachodzi niecałkowicie. W rezultacie powietrze nie jest odpowiednio oczyszczone i ogrzane.

Kobiety uciekają się do tego rodzaju oddychania podczas porodu.

Mieszany Lub kompletny oddech wprawia w ruch cały aparat oddechowy. Jednocześnie u człowieka pracują wszystkie rodzaje mięśni, w tym przepona, a płuca są w pełni wentylowane.

Takie oddychanie usuwa toksyny, pobudza metabolizm i odnawia organizm.

W takim przypadku oddychanie może być zarówno głębokie, jak i płytkie. Płytki oddech jest lekki i szybki. Częstość oddechów wynosi do 60 ruchów na minutę. W takim przypadku wykonywany jest cichy wdech i głośny, intensywny wydech. Pozwala to rozładować napięcie wszystkich mięśni ciała. Przy płytkim oddychaniu płuca są tylko częściowo wypełnione powietrzem.

Tylko małe dzieci oddychają płytko. Im starsze dziecko, tym mniej oddechów bierze na minutę. Oddech osoby dorosłej staje się głęboki. Podczas głębokiego oddychania częstotliwość maleje, płuca napełniają się powietrzem tak bardzo, jak to możliwe. Objętość wdychana przekracza dopuszczalną normę.

Ale czy takie oddychanie jest korzystne dla naszego zdrowia? I Który w ogóle typ oddechowy Jest najlepszy?

1. Czy oddychanie komórkowe jest procesem asymilacji czy dysymilacji? Dlaczego?

Ponieważ oddychanie komórkowe to złożony, wieloetapowy proces, podczas którego substancje organiczne ulegają rozkładowi (ostatecznie na najprostsze związki nieorganiczne), a uwolniona energia ich wiązań chemicznych jest magazynowana, a następnie wykorzystywana przez komórkę.

2. Na czym polega proces oddychania komórkowego? Skąd bierze się energia do syntezy ATP podczas oddychania komórkowego?

Oddychanie komórkowe jest złożonym procesem, podczas którego następuje rozkład substancji organicznych. Energia do syntezy ATP pojawia się w komórce w wyniku procesu glikolizy.

3. Wymień etapy oddychania komórkowego. Którym z nich towarzyszy synteza ATP? Ile ATP (na 1 mol glukozy) może powstać w każdym etapie?

Oddychanie komórkowe składa się z kilku etapów. Etap przygotowawczy polega na rozbiciu dużych cząsteczek organicznych na prostsze związki. Procesy te zachodzą w układzie pokarmowym (u zwierząt) i cytoplazmie komórek bez użycia tlenu. W tym przypadku uwalniana jest niewielka ilość energii; nie jest ona magazynowana w postaci ATP, lecz rozpraszana w postaci ciepła. Drugi etap metabolizmu energetycznego nazywany jest beztlenowym lub beztlenowym. Polega na enzymatycznym rozkładzie substancji organicznych uzyskanych na etapie przygotowawczym. Tlen nie uczestniczy w reakcjach tego etapu, ponadto etap beztlenowy może zachodzić w warunkach całkowitego braku tlenu. Głównym procesem na tym etapie jest glikoliza. Glikoliza to wieloetapowy proces beztlenowego rozkładu glukozy (C6H12O6) do kwasu pirogronowego (C3H4O3). Podczas glikolizy każda cząsteczka glukozy rozkłada się na dwie cząsteczki kwasu pirogronowego (PVA). W tym przypadku uwalniana jest energia, której część jest rozpraszana w postaci ciepła, a pozostała część wykorzystywana jest do syntezy 2 cząsteczek ATP. Kolejnym etapem jest tlen, czyli aerobik. Kwas pirogronowy powstały w wyniku glikolizy przedostaje się do matrix mitochondrialnej, gdzie ulega całkowitemu rozkładowi i utlenieniu do produktów końcowych – CO2 i H2O. Podczas tlenowej fazy oddychania zużywany jest tlen i syntetyzowanych jest 36 cząsteczek ATP (w przeliczeniu na 2 cząsteczki PVC).

4. Gdzie zachodzi glikoliza? Jakie substancje są niezbędne do zajścia glikolizy? Jakie produkty końcowe powstają?

Glikoliza to wieloetapowy proces beztlenowego rozkładu glukozy (C6H12O6) do kwasu pirogronowego (C3H4O3). Reakcje glikolizy są katalizowane przez specjalne enzymy i zachodzą w cytoplazmie komórek. Glikoliza wymaga wystąpienia glukozy. Końcowymi produktami są kwas pirogronowy, zredukowany NAD i 2 cząsteczki ATP.

5. W jakich organellach zachodzi etap tlenowy oddychania komórkowego? Jakie substancje wchodzą w ten etap? Jakie produkty powstają?

Etap tlenowy oddychania komórkowego zachodzi w mitochondriach. Kwas pirogronowy powstały w wyniku glikolizy przedostaje się do matrix mitochondrialnej, gdzie ulega całkowitemu rozkładowi i utlenieniu do produktów końcowych – CO2 i H2O. Zredukowany NAD powstający podczas glikolizy przedostaje się także do mitochondriów, gdzie ulega utlenieniu. Podczas tlenowej fazy oddychania zużywany jest tlen i syntetyzowanych jest 36 cząsteczek ATP (w przeliczeniu na 2 cząsteczki PVC). CO2 jest uwalniany z mitochondriów do hialoplazmy komórkowej, a następnie do środowiska.

6. 81 g glikogenu wchodzi w etap przygotowawczy oddychania komórkowego. Jaka jest maksymalna ilość ATP (mol), którą można zsyntetyzować w wyniku późniejszej glikolizy? Podczas tlenowej fazy oddychania?

Rozwiązanie znajduje się na kartce A4.

7. Dlaczego rozkład związków organicznych przy udziale tlenu jest bardziej efektywny energetycznie niż przy jego braku?

W wyniku beztlenowego (beztlenowego) etapu rozkładu glukozy powstaje kwas pirogronowy, który następnie w środowisku beztlenowym może zostać przekształcony w kwas mlekowy, alkohol etylowy, kwas masłowy lub inne substancje organiczne, bez dodatkowych uwolnienie ATP. Na tlenowym etapie oddychania komórkowego powstały kwas pirogronowy ulega dalszemu rozkładowi, tworząc dodatkowe cząsteczki ATP. Dlatego etap aerobowy jest bardziej efektywny energetycznie.

8. Długość mitochondriów waha się od 1 do 60 mikronów, a szerokość od 0,25 -1 mikrona. Dlaczego przy tak znacznych różnicach w długości mitochondriów ich szerokość jest stosunkowo mała i stosunkowo stała?

W komórce znajduje się ogromna liczba mitochondriów. Gdyby ich grubość nie ograniczała się do określonych rozmiarów i była bardzo zróżnicowana, wypełniałyby one zawartość komórki i nie można by było pełnić ich funkcji przesuwając się w różne zakątki komórki.

Wymiana energii- jest to etapowy rozkład złożonych związków organicznych, do którego dochodzi wraz z wyzwoleniem energii, która magazynowana jest w wysokoenergetycznych wiązaniach cząsteczek ATP i wykorzystywana następnie w procesie życia komórki, m.in. do biosyntezy, tj. wymiana plastiku.

U organizmów tlenowych występują:

1. Przygotowawczy- rozkład biopolimerów na monomery.
2. Beztlenowy- glikoliza – rozkład glukozy do kwasu pirogronowego.
3. Tlen- rozkład kwasu pirogronowego na dwutlenek węgla i wodę.

Etap przygotowawczy

Na etapie przygotowawczym metabolizmu energetycznego następuje rozkład związków organicznych dostarczanych z pożywieniem na prostsze, najczęściej monomery. W ten sposób węglowodany rozkładają się na cukry, w tym glukozę; białka - do aminokwasów; tłuszcze - na glicerol i kwasy tłuszczowe.

Chociaż energia jest uwalniana, nie jest ona magazynowana w ATP i dlatego nie można jej później wykorzystać. Energia jest rozpraszana w postaci ciepła.

Rozkład polimerów u zwierząt o budowie wielokomórkowej zachodzi w przewodzie pokarmowym pod wpływem enzymów wydzielanych tu przez gruczoły. Powstałe monomery są następnie wchłaniane do krwi głównie przez jelita. Krew rozprowadza składniki odżywcze po komórkach.

Jednak nie wszystkie substancje rozkładają się w układzie pokarmowym na monomery. Rozkład wielu zachodzi bezpośrednio w komórkach, w ich lizosomach. W organizmach jednokomórkowych wchłonięte substancje dostają się do wakuoli trawiennych, gdzie są trawione.

Powstałe monomery można wykorzystać zarówno do wymiany energii, jak i tworzyw sztucznych. W pierwszym przypadku ulegają one rozkładowi, w drugim syntetyzowane są z nich składniki samych komórek.

Beztlenowy etap metabolizmu energetycznego

Etap beztlenowy występuje w cytoplazmie komórek i w przypadku organizmów tlenowych obejmuje tylko glikoliza - enzymatyczne wieloetapowe utlenianie glukozy i jej rozkład do kwasu pirogronowego, który jest również nazywany pirogronianem.

Cząsteczka glukozy zawiera sześć atomów węgla. Podczas glikolizy rozkłada się na dwie cząsteczki pirogronianu, który zawiera trzy atomy węgla. W tym przypadku część atomów wodoru zostaje odszczepiona, a te przeniesione do koenzymu NAD, który z kolei będzie brał udział w fazie tlenowej.

Część energii uwalnianej podczas glikolizy jest magazynowana w cząsteczkach ATP. Z jednej cząsteczki glukozy syntetyzowane są tylko dwie cząsteczki ATP.

Energia pozostająca w pirogronianie, zmagazynowana w NAD w organizmach tlenowych, będzie dalej ekstrahowana w kolejnym etapie metabolizmu energetycznego.

W warunkach beztlenowych, gdy nie ma fazy tlenowej oddychania komórkowego, pirogronian zostaje „neutralizowany” do kwasu mlekowego lub ulega fermentacji. W tym przypadku energia nie jest magazynowana. Zatem tutaj użyteczną energię wyjściową zapewnia jedynie nieefektywna glikoliza.

Etap tlenowy

Etap tlenowy zachodzi w mitochondriach. Ma dwa podetapy: cykl Krebsa i fosforylację oksydacyjną. Tlen wchodzący do komórek jest wykorzystywany tylko w drugim. Cykl Krebsa wytwarza i uwalnia dwutlenek węgla.

Cykl Krebsa zachodzi w macierzy mitochondrialnej i jest przeprowadzana przez wiele enzymów. Nie wchodzi do niego sama cząsteczka kwasu pirogronowego (ani kwasu tłuszczowego, aminokwasu), ale oddzielona od niej za pomocą koenzymu A grupa acetylowa, która zawiera dwa atomy węgla dawnego pirogronianu. Podczas wieloetapowego cyklu Krebsa grupa acetylowa zostaje rozdzielona na dwie cząsteczki CO2 i atomy wodoru. Wodór łączy się z NAD i FAD. Następuje także synteza cząsteczki PKB, prowadząca do syntezy ATP.

Na jedną cząsteczkę glukozy, z której powstają dwa pirogroniany, przypadają dwa cykle Krebsa. W ten sposób powstają dwie cząsteczki ATP. Gdyby wymiana energii zakończyła się w tym miejscu, wówczas całkowity rozkład cząsteczki glukozy spowodowałby powstanie 4 cząsteczek ATP (dwie z glikolizy).

Fosforylacja oksydacyjna występuje na cristae - wyrostkach wewnętrznej błony mitochondriów. Dostarcza go przenośnik taśmowy enzymów i koenzymów, tworzący tzw. łańcuch oddechowy, zakończony enzymem syntetazą ATP.

Łańcuch oddechowy przenosi wodór i elektrony otrzymane z koenzymów NAD i FAD. Transfer odbywa się w ten sposób, że protony wodoru gromadzą się na zewnątrz wewnętrznej błony mitochondrialnej, a ostatnie enzymy w łańcuchu przenoszą jedynie elektrony.

Ostatecznie elektrony są przenoszone na cząsteczki tlenu znajdujące się po wewnętrznej stronie membrany, powodując ich naładowanie ujemne. Powstaje krytyczny poziom gradientu potencjału elektrycznego, co prowadzi do ruchu protonów przez kanały syntetazy ATP. Energia ruchu protonów wodoru wykorzystywana jest do syntezy cząsteczek ATP, a same protony łączą się z anionami tlenu, tworząc cząsteczki wody.

Wydajność energetyczna funkcjonowania łańcucha oddechowego, wyrażona w cząsteczkach ATP, jest duża i ogółem waha się od 32 do 34 cząsteczek ATP na początkową cząsteczkę glukozy.

Które w wyniku procesu powstają 38 itd.) i można je stosować w miarę potrzeb. Zaliczany do grupy procesów katabolicznych. Informacje na temat fizjologicznych procesów transportu tlenu do komórek organizmów wielokomórkowych i usuwania z nich dwutlenku węgla można znaleźć w artykule Oddychanie.

Schemat glikolizy

Stosowanie różnych substratów wyjściowych

Początkowymi substratami do oddychania mogą być różne substancje, które podczas określonych procesów metabolicznych przekształcają się w Acetylo-CoA z uwolnieniem szeregu produktów ubocznych. Redukcja NAD (NADP) i tworzenie ATP może już nastąpić na tym etapie, jednak większość z nich powstaje w cyklu kwasów trikarboksylowych podczas przetwarzania acetylo-CoA.

Glikoliza

Glikoliza – droga enzymatycznego rozkładu glukozy – jest procesem wspólnym niemal dla wszystkich organizmów żywych. U tlenowców poprzedza samo oddychanie komórkowe, u beztlenowców kończy się fermentacją. Sama glikoliza jest procesem całkowicie beztlenowym i do zajścia nie wymaga obecności tlenu.

Jego pierwszy etap zachodzi wraz z uwolnieniem 2 cząsteczek ATP i obejmuje rozszczepienie cząsteczki glukozy na 2 cząsteczki aldehydu 3-glicerynowego. W drugim etapie następuje zależne od NAD utlenianie aldehydu 3-glicerynowego, któremu towarzyszy fosforylacja substratu, czyli dodanie do cząsteczki reszty kwasu fosforowego i utworzenie w niej wiązania wysokoenergetycznego, po czym pozostałość jest przenoszona do ADP z utworzeniem ATP.

Zatem równanie glikolizy wygląda następująco:

Glukoza + 2NAD + + 4ADP + 2ATP + 2P n = 2PVK + 2NAD∙H + 2ADP + 4ATP + 2H2O + 4H + .

Redukując ATP i ADP z lewej i prawej strony równania reakcji, otrzymujemy:

Glukoza + 2NAD + + 2ADP + 2P n = 2NAD∙H + 2PVK + 2ATP + 2H2O + 4H + .

Oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianu

Kwas pirogronianowy (pirogronian) powstały podczas glikolizy, pod działaniem kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej (złożona struktura 3 różnych enzymów i ponad 60 podjednostek), rozkłada się na dwutlenek węgla i aldehyd octowy, który wraz z koenzymem A tworzy Acetylo- CoA. Reakcji towarzyszy przywrócenie NAD do NADH.

U eukariontów proces ten zachodzi w matrix mitochondrialnej.

β-oksydacja kwasów tłuszczowych

Ostatecznie w czwartym etapie powstały β-ketokwas jest rozszczepiany przez β-ketotiolazę w obecności koenzymu A na acetylo-CoA i nowy acylo-CoA, w którym łańcuch węglowy jest o 2 atomy krótszy. Cykl β-oksydacji powtarza się, aż cały kwas tłuszczowy zostanie przekształcony w acetylo-CoA.

Cykl kwasu trikarboksylowego

Całkowite równanie reakcji:

Acetylo-CoA + 3NAD + + FAD + PKB + Pn + 2H 2 O + CoA-SH = 2CoA-SH + 3NADH + 3H + + FADH 2 + GTP + 2CO 2

U eukariontów enzymy cyklu są w stanie wolnym w macierzy mitochondrialnej, w wewnętrzną błonę mitochondrialną wbudowana jest tylko dehydrogenaza bursztynianowa.

Fosforylacja oksydacyjna

Większość cząsteczek ATP powstaje w wyniku fosforylacji oksydacyjnej na ostatnim etapie oddychania komórkowego: w łańcuchu transportu elektronów. Tutaj zachodzi utlenianie NAD∙H i FADH 2, redukowane w procesach glikolizy, β-oksydacji, cyklu Krebsa itp. Energia uwalniana podczas tych reakcji, dzięki łańcuchowi nośników elektronów zlokalizowanych w wewnętrznej błonie mitochondriów (u prokariotów, w błonie cytoplazmatycznej), przekształcana jest w transbłonowy potencjał protonowy. Enzym syntaza ATP wykorzystuje ten gradient do syntezy ATP, przekształcając jego energię w energię wiązań chemicznych. Oblicza się, że cząsteczka NAD∙H może wytworzyć w tym procesie 2,5 cząsteczki ATP, FADH 2 – 1,5 cząsteczki.

Ostatnim akceptorem elektronów w tlenowym łańcuchu oddechowym jest tlen.

Oddychanie beztlenowe

Jeżeli w łańcuchu transportu elektronów zamiast tlenu stosuje się inny końcowy akceptor (aniony żelaza, azotanu lub siarczanu), oddychanie nazywa się beztlenowym. Oddychanie beztlenowe charakteryzuje się głównie bakteriami, które z tego powodu odgrywają ważną rolę w cyklu biogeochemicznym siarki, azotu i żelaza.

ODDYCHANIE KOMÓRKOWE

Główne procesy dostarczające komórce energii to fotosynteza, chemosynteza, oddychanie, fermentacja i glikoliza jako etap oddychania.

Wraz z krwią tlen przenika do komórki, a raczej do specjalnych struktur komórkowych - mitochondriów. Występują we wszystkich komórkach z wyjątkiem komórek bakteryjnych, sinic i dojrzałych krwinek (czerwonych krwinek). W mitochondriach tlen wchodzi w wieloetapową reakcję z różnymi składnikami odżywczymi - białkami, węglowodanami, tłuszczami itp. Proces ten nazywa się oddychaniem komórkowym. W rezultacie uwalniana jest energia chemiczna, którą komórka magazynuje w specjalnej substancji - kwasie adenozynotrójfosforowym, czyli ATP. Jest to uniwersalny magazyn energii, który organizm przeznacza na wzrost, ruch i utrzymanie funkcji życiowych.

Oddychanie to oksydacyjny rozkład organicznych składników odżywczych przy udziale tlenu, któremu towarzyszy powstawanie chemicznie aktywnych metabolitów i uwolnienie energii wykorzystywanej przez komórki do procesów życiowych.

Ogólne równanie oddychania jest następujące:

Gdzie Q=2878 kJ/mol.

Ale oddychanie, w przeciwieństwie do spalania, jest procesem wieloetapowym. Występują w nim dwa główne etapy: glikoliza i etap tlenowy.

Glikoliza

Cenne dla organizmu ATP powstaje nie tylko w mitochondriach, ale także w cytoplazmie komórki w wyniku glikolizy (od greckich „glykis” – „słodki” i „liza” – „rozkład”). Glikoliza nie jest procesem zależnym od błony. Zachodzi w cytoplazmie. Jednakże enzymy glikolityczne są powiązane ze strukturami cytoszkieletu.

Glikoliza jest procesem bardzo złożonym. Jest to proces rozkładu glukozy pod wpływem różnych enzymów, który nie wymaga udziału tlenu. Do rozkładu i częściowego utlenienia cząsteczki glukozy konieczne jest skoordynowane wystąpienie jedenastu kolejnych reakcji. W glikolizie jedna cząsteczka glukozy umożliwia syntezę dwóch cząsteczek ATP. Produkty rozkładu glukozy mogą następnie wejść w reakcję fermentacji, zamieniając się w alkohol etylowy lub kwas mlekowy. Fermentacja alkoholowa jest charakterystyczna dla drożdży, a fermentacja mlekowa jest charakterystyczna dla komórek zwierzęcych i niektórych bakterii. Wiele z nich to ćwiczenia aerobowe, tj. Żyjąc wyłącznie w środowisku beztlenowym, organizmy mają wystarczającą ilość energii wytwarzanej w wyniku glikolizy i fermentacji. Ale organizmy tlenowe muszą uzupełniać tę niewielką rezerwę i to dość znacząco.

Etap oddychania tlenowego

Produkty rozkładu glukozy dostają się do mitochondriów. Tam najpierw oddziela się od nich cząsteczka dwutlenku węgla, która po wyjściu jest usuwana z organizmu. „Dopalanie” zachodzi w tzw. cyklu Krebsa (Załącznik nr 1) (nazwanym na cześć angielskiego biochemika, który to opisał) - sekwencyjnym łańcuchu reakcji. Każdy z biorących w nim udział enzymów wchodzi w związki, by po kilku przemianach ponownie uwalniać się w swojej pierwotnej postaci. Cykl biochemiczny wcale nie jest bezcelowym chodzeniem w kółko. To bardziej przypomina prom, który kursuje pomiędzy dwoma brzegami, ale w końcu ludzie i samochody jadą we właściwym kierunku. W wyniku reakcji zachodzących w cyklu Krebsa syntetyzowane są dodatkowe cząsteczki ATP, oddzielane są dodatkowe cząsteczki dwutlenku węgla i atomy wodoru.

Tłuszcze również biorą udział w tym łańcuchu, ale ich rozkład wymaga czasu, więc jeśli pilnie potrzebna jest energia, organizm wykorzystuje węglowodany, a nie tłuszcze. Tłuszcze są jednak bardzo bogatym źródłem energii. Białka można również utleniać na potrzeby energetyczne, ale tylko w skrajnych przypadkach, np. podczas długotrwałego postu. Białka stanowią awaryjne źródło energii komórki.

Najbardziej efektywny proces syntezy ATP zachodzi przy udziale tlenu w wieloetapowym łańcuchu oddechowym. Tlen ma zdolność utleniania wielu związków organicznych i jednocześnie uwalniania dużej ilości energii na raz. Ale taka eksplozja byłaby katastrofalna dla organizmu. Rola łańcucha oddechowego i wszystko aerobowe, czyli tzw. kojarzony z tlenem, oddychanie polega właśnie na dostarczaniu organizmowi energii w sposób ciągły i w małych porcjach – w takiej ilości, w jakiej organizm jej potrzebuje. Można przeprowadzić analogię z benzyną: rozlana na ziemię i podpalona natychmiast zapali się bez żadnych korzyści. A w samochodzie, spalając się stopniowo, benzyna będzie wykonywać użyteczną pracę przez kilka godzin. Wymaga to jednak tak złożonego urządzenia, jak silnik.

Łańcuch oddechowy w połączeniu z cyklem Krebsa i glikolizą umożliwia zwiększenie „wydajności” cząsteczek ATP z każdej cząsteczki glukozy do 38. Jednak podczas glikolizy stosunek ten wynosił tylko 2:1. Tym samym wydajność oddychania tlenowego jest znacznie większa.

Jak działa łańcuch oddechowy?

Mechanizm syntezy ATP podczas glikolizy jest stosunkowo prosty i można go łatwo odtworzyć in vitro. Jednak nigdy nie było możliwe symulowanie syntezy ATP w drogach oddechowych w laboratorium. W 1961 roku angielski biochemik Peter Mitchell zasugerował, że enzymy – sąsiedzi w łańcuchu oddechowym – przestrzegają nie tylko ścisłej kolejności, ale także wyraźnego porządku w przestrzeni komórki. Łańcuch oddechowy, nie zmieniając swojej kolejności, zostaje umocowany w wewnętrznej powłoce (błonie) mitochondriów i „zszywa” go kilkukrotnie, jak gdyby szwami. Próby odtworzenia oddechowej syntezy ATP nie powiodły się, ponieważ badacze nie docenili roli błony. Ale w reakcji biorą udział także enzymy skoncentrowane w grzybowatych naroślach po wewnętrznej stronie membrany. Jeśli te narośla zostaną usunięte, ATP nie zostanie zsyntetyzowany.

Oddychanie, które jest szkodliwe.

Tlen cząsteczkowy jest silnym utleniaczem. Ale jako silny lek może również powodować działania niepożądane. Na przykład bezpośrednie oddziaływanie tlenu z lipidami powoduje powstawanie toksycznych nadtlenków i zakłóca strukturę komórek. Reaktywne związki tlenu mogą również uszkadzać białka i kwasy nukleinowe.

Dlaczego nie dochodzi do zatrucia tymi truciznami? Ponieważ mają antidotum. Życie powstało przy braku tlenu, a pierwsze stworzenia na Ziemi były beztlenowe. Następnie pojawiła się fotosynteza, a tlen jako produkt uboczny zaczął gromadzić się w atmosferze. W tamtych czasach gaz ten był niebezpieczny dla wszystkich żywych istot. Niektóre beztlenowce zginęły, inne znalazły zakątki beztlenowe, na przykład osiadając w grudach gleby; jeszcze inni zaczęli się dostosowywać i zmieniać. Wtedy właśnie pojawiły się mechanizmy chroniące żywą komórkę przed przypadkowym utlenianiem. Są to różnorodne substancje: enzymy, w tym niszczyciel szkodliwego nadtlenku wodoru – kataliza, a także wiele innych związków niebiałkowych.

Oddychanie w ogóle pojawiło się najpierw jako sposób na usunięcie tlenu z atmosfery otaczającej organizm, a dopiero potem stało się źródłem energii. Beztlenowce, które przystosowały się do nowego środowiska, stały się tlenowcami, zyskując ogromne korzyści. Ale ukryte niebezpieczeństwo związane z tlenem nadal pozostaje dla nich. Siła antyoksydacyjnych „antidotów” nie jest nieograniczona. Dlatego w czystym tlenie, a nawet pod ciśnieniem, wszystkie żywe istoty umierają dość szybko. Jeśli komórka zostanie uszkodzona przez jakikolwiek czynnik zewnętrzny, wówczas zwykle najpierw zawodzą mechanizmy ochronne, a następnie tlen zaczyna szkodzić nawet przy normalnym stężeniu atmosferycznym