Komórki są mikroskopijnymi, wielofunkcyjnymi pojemnikami, które reprezentują najmniejsze niepodzielne jednostki życia, ponieważ wykazują rozmnażanie, metabolizm i inne „żywe” cechy. W rzeczywistości, ponieważ organizmy prokariotyczne (członkowie domen klasyfikacji Bacteria i Archaea) prawie zawsze składają się z jednej komórki, wiele samodzielnych komórek jest dosłownie żywych.
Komórki wykorzystują jako źródło paliwa cząsteczkę zwaną trifosforanem adenozyny lub ATP. Prokariota polegać wyłącznie na glikoliza – rozkład glukozy na pirogronian – jako droga do syntezy ATP; proces ten daje w sumie 2 ATP na cząsteczkę glukozy.
W przeciwieństwie, eukarionty – zwierzęta, rośliny i grzyby – są znacznie większe i posiadają znacznie bardziej złożone pojedyncze komórki niż prokariota, co sprawia, że sama glikoliza nie odpowiada ich potrzebom energetycznym. To tam gdzie oddychania komórkowego, całkowity rozkład glukozy w obecności tlenu cząsteczkowego (O2) na dwutlenek węgla (CO2) i wody (H2O) w celu utworzenia ATP, wchodzi.
Przeczytaj więcej o tym, czym jest oddychanie komórkowe.
Terminologia metabolizmu komórkowego
Proces oddychania komórkowego zachodzi u eukariontów i technicznie obejmuje glikolizę, cykl Krebsa i łańcuch transportu elektronów (ETC). To dlatego, że wszystko komórki początkowo traktują glukozę w ten sam sposób – przepuszczając ją przez glikolizę. Następnie, u prokariontów, pirogronian może wejść tylko w fermentację, co pozwala na kontynuację glikolizy „w górę” poprzez regenerację związku pośredniego zwanego NAD+.
Ponieważ eukarionty mogą używać tlenu, cząsteczki węgla pirogronianu wchodzą w cykl Krebsa jako acetylo-CoA i ostatecznie opuszczają ETC jako dwutlenek węgla (CO2). Interesujące produkty oddychania komórkowego to 34 do 36 ATP, które są generowane razem w cyklu Krebsa i ETC - dwie części oddychania komórkowego, które liczą się jako aerobik („z tlenem”) oddychanie.
Reakcje oddychania komórkowego
Kompletną, zrównoważoną reakcję całego procesu oddychania komórkowego można przedstawić za pomocą:
do6H12O6 + 602 → 6 CO2 + 6 godz2O + ~38 ATP
Sama glikoliza, forma oddychania beztlenowego, która występuje w cytoplazmie, polega na reakcji:
do6H12O6 + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pja → 2 CH3(C=O)COOH + 2 ATP + 2 NADH + 4 H+ + 2 godz2O
U eukariontów, a reakcja przejściowa w mitochondriach wytwarza acetylokoenzym A (acetylo-CoA) dla cyklu Krebsa:
2 CH3(C=O)COOH + 2 NAD+ + 2 koenzym A → 2 acetylo-CoA + 2 NADH + 2 H+ + 2 CO2
CO2 następnie wchodzi w cykl Krebsa, łącząc się ze szczawiooctanem.
Etapy oddychania komórkowego
Oddychanie komórkowe rozpoczyna się glikolizą, serią 10 reakcji, w których znajduje się cząsteczka glukozy fosforylowany dwukrotnie (to znaczy ma dwie grupy fosforanowe przyłączone do różnych węgli) za pomocą 2 ATP, a następnie rozszczepia się na dwa związki trójwęglowe, które każdy uzyskują 2 ATP w drodze do tworzenia pirogronianu. W ten sposób glikoliza dostarcza 2 ATP bezpośrednio na cząsteczkę glukozy, a także dwie cząsteczki nośnika elektronów NADH, który ma silną rolę w dalszej części ETC.
W cyklu Krebsa CO2 i czterowęglowy związek szczawiooctan łączą się, tworząc sześciowęglową cząsteczkę cytrynian. Cytrynian jest stopniowo redukowany ponownie do szczawiooctanu, wydzielając parę CO2 cząsteczek, a także generując 2 ATP na CO2 cząsteczka wchodząca w cykl, lub 4 ATP na glukozę cząsteczka daleko w górę. Co ważniejsze, łącznie 6 NADH i 2 FADH2 (inny nośnik elektronów) są syntetyzowane.
Wreszcie elektrony NADH i FADH2 (to znaczy ich atomy wodoru) są usuwane przez enzymy łańcucha transportu elektronów i wykorzystywane do zasilania przyłączania fosforanów do ADP, dając dużo ATP – w sumie około 32. Na tym etapie uwalniana jest również woda. Zatem maksymalna wydajność oddychania komórkowego ATP z glikolizy, cyklu Krebsa i ETC wynosi 2 + 4 + 32 = 38 ATP na cząsteczkę glukozy.
Przeczytaj więcej o czterech etapach oddychania komórkowego.