Oddychanie komórkowe, fermentacja i inne przemiany - Biologia na czasie 1 (ZP)

1.Oddychanie komórkowe

Proces, w którym złożone związki organiczne są rozkładane i utleniane do prostszych związków, a uwalnia się przy tym energia - jest to więc proces kataboliczny. Wyróżniamy dwa główne rodzaje: oddychanie tlenowe (z udziałem tlenu) i fermentację (bez udziału tlenu).

2.Energia z oddychania komórkowego

Głównym celem oddychania komórkowego jest uzyskanie energii. Jej część rozprasza się w postaci ciepła, a część magazynuje się jako ATP - łatwo dostępny dla komórki w różnych procesach. ATP musi powstawać stale: najwięcej (ok. 20%) zużywa go mózg, jest też niezbędny do skurczu mięśni.

3.Oddychanie tlenowe

Proces, którego substratami są związki organiczne (głównie glukoza) i tlen, a produktami - dwutlenek węgla, woda i ATP. Zachodzi w cytozolu i w mitochondriach. Jego istotą jest powstawanie ATP - jest to najwydajniejsze źródło tego związku.

4.Równanie oddychania tlenowego (substrat: glukoza)

$\ce{C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O}$ + ATP (energia). Dwutlenek węgla (wydychany) i woda to produkty uboczne. Atomy wodoru z glukozy są źródłem protonów ($\ce{H+}$) i elektronów potrzebnych do wytworzenia głównego produktu - ATP.

5.Etapy oddychania tlenowego i miejsca ich zachodzenia

Gdy substratem jest glukoza, oddychanie tlenowe przebiega w czterech etapach: glikoliza (cytozol), reakcja pomostowa (matriks mitochondrium), cykl Krebsa (matriks mitochondrium) i łańcuch oddechowy (wewnętrzna błona mitochondrium).

6.Glikoliza

Pierwszy etap oddychania komórkowego, zachodzący w cytozolu i niewymagający tlenu. Z sześciowęglowej glukozy powstają dwie trójwęglowe cząsteczki pirogronianu, a także ATP (2 cząsteczki) i zredukowane przenośniki elektronów NADH. Główne substraty: glukoza, ADP, P, $\ce{NAD+}$.

7.Reakcja pomostowa

Etap oddychania tlenowego zachodzący w matriks mitochondrium: pirogronian (z koenzymem A i $\ce{NAD+}$) przekształca się w acetylokoenzym A (acetylo-CoA); powstają też NADH i $\ce{CO2}$. Acetylo-CoA trafia do cyklu Krebsa, NADH - na łańcuch oddechowy, a $\ce{CO2}$ uwalnia się do środowiska.

8.Acetylokoenzym A (acetylo-CoA)

Wysokoenergetyczny związek o kluczowej roli w metabolizmie. Powstaje m.in. w reakcji pomostowej oddychania tlenowego oraz podczas utleniania kwasów tłuszczowych i jest włączany do cyklu Krebsa.

9.Cykl Krebsa

Etap oddychania tlenowego zachodzący w matriks mitochondrium; rozpoczyna się włączeniem acetylo-CoA, który jest utleniany do $\ce{CO2}$. Powstają ATP oraz NADH i $\ce{FADH2}$, przekazywane na łańcuch oddechowy. Przy utlenianiu jednej cząsteczki glukozy cykl przebiega dwukrotnie.

10.Zredukowane przenośniki elektronów w oddychaniu tlenowym

NADH powstaje w glikolizie, reakcji pomostowej i cyklu Krebsa, a $\ce{FADH2}$ - w cyklu Krebsa. Przenośniki te transportują elektrony na łańcuch oddechowy, gdzie są utleniane (oddają elektrony), i wracają do formy utlenionej.

11.Łańcuch oddechowy

Etap oddychania tlenowego na wewnętrznej błonie mitochondrium, w którym powstaje najwięcej ATP. NADH i $\ce{FADH2}$ oddają elektrony kompleksom białek; ich energia przepompowuje protony z matriks do przestrzeni międzybłonowej. Gradient protonowy wykorzystuje syntaza ATP. Ostatecznym biorcą elektronów jest tlen, który przyjmuje też protony - powstaje woda.

12.Syntaza ATP

Enzym w wewnętrznej błonie mitochondrium, który przy udziale łańcucha oddechowego wytwarza większość cząsteczek ATP powstających w oddychaniu tlenowym. Wykorzystuje gradient protonowy, czyli różnicę stężeń protonów między przestrzenią międzybłonową a matriks.

13.Substraty i produkty etapów oddychania tlenowego

Glikoliza: glukoza, ADP, P, $\ce{NAD+}$ → ATP, pirogronian, NADH. Reakcja pomostowa: pirogronian, koenzym A, $\ce{NAD+}$ → acetylo-CoA, $\ce{CO2}$, NADH. Cykl Krebsa: acetylo-CoA, FAD, $\ce{NAD+}$ → ATP, $\ce{CO2}$, $\ce{FADH2}$, NADH. Łańcuch oddechowy: $\ce{FADH2}$, NADH, $\ce{O2}$, $\ce{H+}$ → ATP, $\ce{H2O}$.

14.Budowa mitochondrium a przebieg oddychania tlenowego

Mitochondrium ma błonę zewnętrzną i wewnętrzną, a między nimi przestrzeń międzybłonową, do której są przepompowywane protony. W matriks zachodzą reakcja pomostowa i cykl Krebsa, a na błonie wewnętrznej - łańcuch oddechowy z syntazą ATP.

15.Zysk energetyczny oddychania tlenowego

Utlenienie jednej cząsteczki glukozy daje łącznie 32 cząsteczki ATP: 2 z glikolizy, 2 z cyklu Krebsa i 28 z łańcucha oddechowego. Ok. 40% energii organizm magazynuje w ATP, a reszta rozprasza się w postaci ciepła.

16.Intensywność oddychania tlenowego a zapotrzebowanie komórki

Intensywność oddychania tlenowego jest regulowana przez geny i zależy od zapotrzebowania komórki na energię. W komórkach narządów, w których zachodzi wiele procesów wymagających energii (np. wątroby, trzustki), są liczne mitochondria o rozbudowanej błonie wewnętrznej.

17.Czynniki zewnętrzne wpływające na intensywność oddychania tlenowego

Zawartość wody - lepiej uwodnione komórki oddychają intensywniej. Temperatura - jej wzrost zwiększa intensywność oddychania, najwyższą w 35-40°C. Stężenie $\ce{CO2}$ i tlenu - więcej $\ce{CO2}$ w atmosferze oznacza mniej tlenu, więc oddychanie słabnie.

18.Fermentacja

Proces uzyskiwania energii bez udziału tlenu, polegający na niecałkowitym utlenieniu substratu organicznego, głównie glukozy. Zysk energetyczny jest mały - tylko 2 cząsteczki ATP. Powstają też związki organiczne, od których pochodzą nazwy rodzajów fermentacji: mleczanowej i alkoholowej.

19.Gdzie zachodzi fermentacja?

U organizmów żyjących w warunkach beztlenowych, m.in. niektórych bakterii i pasożytów wewnętrznych, oraz w niektórych tkankach, np. w mięśniach szkieletowych przy niedoborze tlenu. Fermentacja zachodzi w cytozolu.

20.Fermentacja mleczanowa

Fermentacja, w której wyniku powstaje kwas mlekowy (mleczan): glukoza → 2 kwas mlekowy + 2 ATP. Przeprowadzają ją niektóre bakterie (np. mlekowe) i grzyby; zachodzi też w mięśniach szkieletowych zwierząt przy braku tlenu i w czerwonych krwinkach ssaków.

21.Fermentacja alkoholowa

Fermentacja, w której wyniku powstaje alkohol - etanol: glukoza → 2 etanol + 2 $\ce{CO2}$ + 2 ATP. Przeprowadzają ją głównie drożdże, a także niektóre bakterie (np. Sarcina); zachodzi też u roślin, np. w nasionach o twardej łupinie.

22.Zastosowanie fermentacji mleczanowej

Bakterie mlekowe, np. z rodzaju Lactobacillus, wykorzystuje się do kiszenia warzyw (kwas mlekowy je konserwuje i nadaje kwaśny smak, np. kiszona kapusta), dojrzewania serów (bakterie rozkładają cukry mleka) i otrzymywania jogurtów (żywe kultury bakterii poprawiają smak i wspierają pracę przewodu pokarmowego).

23.Zastosowanie fermentacji alkoholowej

Drożdże, zwykle Saccharomyces cerevisiae, wykorzystuje się do produkcji wina (rozkładają cukry owoców, głównie winogron), piwa (cukry nasion zbóż, np. jęczmienia) i pieczywa (wytworzony dwutlenek węgla spulchnia ciasto i zwiększa jego objętość).

24.Przebieg fermentacji mleczanowej

Zachodzi w cytozolu w dwóch etapach. Glikoliza: glukoza rozkłada się do dwóch cząsteczek pirogronianu, zysk to 2 ATP, a z $\ce{NAD+}$ powstaje NADH. Redukcja pirogronianu: pirogronian redukuje się do kwasu mlekowego, a NADH utlenia się do $\ce{NAD+}$, potrzebnego do kolejnej glikolizy.

25.Przemiany pirogronianu zależnie od obecności tlenu

Fermentacja mleczanowa i oddychanie tlenowe zaczynają się od glikolizy, w której powstaje pirogronian. Gdy brakuje tlenu (np. przy długotrwałym wysiłku), pirogronian w cytozolu redukuje się do kwasu mlekowego. Gdy tlen jest obecny, pirogronian trafia do mitochondrium, gdzie przekształca się w acetylo-CoA, włączany do cyklu Krebsa.

26.Ćwiczenia aerobowe (tlenowe)

Ćwiczenia, podczas których mięśnie korzystają z energii z procesów tlenowych. Poprawiają wydolność i kondycję organizmu oraz korzystnie wpływają na układ krążenia. Przykłady: aerobik, jazda na rolkach, spokojne pływanie.

27.Ćwiczenia anaerobowe (beztlenowe)

Krótkotrwały, duży wysiłek, podczas którego mięśnie nie dostają dość tlenu i zachodzi w nich fermentacja mleczanowa. Poprawiają wytrzymałość siłową i wspomagają budowę mięśni. Przykład: ćwiczenia na siłowni.

28.Wydajność fermentacji mleczanowej

Fermentacja mleczanowa daje 2 cząsteczki ATP, a oddychanie tlenowe - 32. Glukoza ulega w niej tylko częściowemu utlenieniu, więc powstały kwas mlekowy nadal zawiera dużo energii. Oddychanie tlenowe jest więc dużo bardziej opłacalne, ale fermentacja może zachodzić bez tlenu.

29.Fermentacja mleczanowa a oddychanie tlenowe - różnice

Produkty: ATP i kwas mlekowy kontra ATP, dwutlenek węgla i woda. Etapy: glikoliza i redukcja pirogronianu kontra glikoliza, reakcja pomostowa, cykl Krebsa i łańcuch oddechowy. Ostateczny akceptor elektronów: pirogronian kontra tlen. Miejsce: cytozol kontra cytozol i mitochondrium. Wspólny substrat: glukoza.

30.Składniki pokarmowe jako źródła energii

Enzymy trawienne rozkładają białka na aminokwasy, wielocukry na cukry proste, a triglicerydy na glicerol i kwasy tłuszczowe; krew przenosi te cząsteczki do komórek. Cukry są podstawowym źródłem energii i zużywane są jako pierwsze, tłuszcze - gdy wyczerpią się glukoza i glikogen, a białka - podczas długotrwałego głodu lub przy ich nadmiarze w pożywieniu.

31.Glukoza - główne źródło energii

Glukoza jest głównym substratem procesów uzyskiwania energii w warunkach tlenowych i beztlenowych, jedynym źródłem energii np. dla czerwonych krwinek ssaków i podstawowym związkiem potrzebnym do pracy mózgu. Jej poziom musi być stały: przy niedoborze powstaje w glukoneogenezie, a jej nadmiar zamienia się w glikogen.

32.Glukoneogeneza

Synteza glukozy ze związków innych niż cukry, np. z kwasu mlekowego, glicerolu i niektórych aminokwasów. U ssaków, w tym u człowieka, zachodzi głównie w wątrobie.

33.Skąd pochodzą związki wykorzystywane w glukoneogenezie?

Aminokwasy pochodzą z białek z pokarmu, a w okresie głodu także z białek mięśni. Glicerol powstaje w komórkach tkanki tłuszczowej z rozpadu lipidów. Kwas mlekowy powstaje w fermentacji mleczanowej w erytrocytach i w mięśniach podczas intensywnego wysiłku.

34.Synteza glikogenu

Łączenie cząsteczek glukozy w glikogen - zapasowy cukier zwierząt (i grzybów; u roślin funkcję tę pełni skrobia). U zwierząt zachodzi w mięśniach i w wątrobie wtedy, gdy w organizmie jest za dużo glukozy.

35.Glikogenoliza

Rozkład glikogenu na pojedyncze cząsteczki glukozy. Zachodzi przy niedoborze glukozy i pozwala organizmowi wykorzystać glukozę zmagazynowaną w glikogenie.

36.Glikogen w wątrobie i w mięśniach

W wątrobie synteza i rozkład glikogenu, regulowane hormonalnie, utrzymują odpowiedni poziom glukozy we krwi. W mięśniach glikogen jest źródłem glukozy niezbędnej do oddychania komórkowego tych komórek.

37.Tłuszcze - zapasowe źródło energii

Tłuszcze są bardzo dobrym materiałem zapasowym, bo ich utlenianie daje dwa razy więcej energii niż utlenianie glukozy; nadmiar gromadzi się jako tkanka tłuszczowa. Gdy brakuje cukrów, triglicerydy rozkładają się na glicerol (przekształcany w substrat pośredni glikolizy lub wykorzystywany w glukoneogenezie) i kwasy tłuszczowe, które są utleniane.

38.Utlenianie kwasów tłuszczowych

Proces uwalniania energii z kwasów tłuszczowych, zachodzący w mitochondrium. Powstają w nim acetylo-CoA, włączany do cyklu Krebsa, oraz zredukowane przenośniki elektronów NADH i $\ce{FADH2}$, które transportują elektrony na łańcuch oddechowy.

39.Białka - źródło energii w warunkach głodu

Aminokwasy z białek służą przede wszystkim do syntezy enzymów i białek budulcowych. W warunkach głodu lub przy nadmiarze białek w pokarmie są źródłem energii. Ich rozkład daje toksyczny amoniak, usuwany np. jako mocznik z moczem i potem, oraz inne związki, przekształcane w związki pośrednie oddychania komórkowego.

40.Związki między wybranymi procesami metabolicznymi

Glikogenoliza i synteza glikogenu regulują poziom glukozy. Glukoza jest utleniana w oddychaniu tlenowym. Glukoneogeneza wytwarza glukozę z kwasu mlekowego, aminokwasów i glicerolu. Utlenianie kwasów tłuszczowych daje acetylo-CoA dla cyklu Krebsa. Dzięki tym połączeniom przy dużym zapotrzebowaniu na energię może powstać dużo ATP.