Buněčné dýchání: definice, aerobní a anaerobní procesy, fáze a ATP

Buněčné dýchání: přehled definice, aerobních a anaerobních procesů, fází (glykolýza, Linkova reakce, Krebs, ETS) a tvorby ATP – jasně, přehledně a srozumitelně.

Autor: Leandro Alegsa

Buněčné dýchání je proces, při kterém buňky štěpí cukry, aby získaly energii, kterou mohou využít. Buněčné dýchání přijímá potravu a využívá ji k tvorbě ATP, chemické látky, kterou buňka využívá k výrobě energie.

Tento proces obvykle využívá kyslík a nazývá se aerobní dýchání. Má čtyři fáze známé jako glykolýza, Linkova reakce, Krebsův cyklus a elektronový transportní řetězec. Vzniká tak ATP, který dodává buňkám energii potřebnou k práci.

Když buňky nemají dostatek kyslíku, využívají anaerobní dýchání, které kyslík nevyžaduje. Při tomto procesu však vzniká kyselina mléčná a není tak účinný jako při použití kyslíku.

Aerobní dýchání, při kterém se využívá kyslík, produkuje mnohem více energie a neprodukuje kyselinu mléčnou. Při něm také vzniká oxid uhličitý jako odpadní produkt, který se pak dostává do oběhového systému. Oxid uhličitý se dostává do plic, kde se vyměňuje za kyslík.

Zjednodušený vzorec pro aerobní buněčné dýchání je:

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energie (jako ATP)

Slovní rovnice pro tento případ je:

Glukóza (cukr) + kyslík → oxid uhličitý + voda + energie (jako ATP)

Aerobní buněčné dýchání má čtyři fáze. Každá z nich je důležitá a nemohla by proběhnout bez té předchozí. Jednotlivé fáze aerobního buněčného dýchání jsou následující:

Kde proces probíhá

Obecně platí, že glykolýza probíhá v cytoplazmě buňky. Ostatní fáze (Linkova reakce, Krebsův cyklus a elektronový transportní řetězec) probíhají v mitochondrii u eukaryot: Linkova reakce a Krebsův cyklus v matrixu mitochondrie, elektronový transportní řetězec a chemiosmóza na vnitřní mitochondriální membráně. U prokaryot probíhají ekvivalentní procesy v cytoplazmě a na buněčné membráně.

Fáze aerobního dýchání (podrobněji)

  • Glykolýza – probíhá v cytoplazmě. Jedna molekula glukózy (C6) se rozloží na dvě molekuly pyruvátu (C3). Produkty: čistý zisk 2 ATP (substrátová fosforylace) a 2 NADH. Glykolýza je společná jak pro aerobní, tak anaerobní metabolismus.
  • Linkova reakce (oxidace pyruvátu) – pyruvát vstupuje do mitochondrie (u eukaryot) a je přeměněn na acetyl‑CoA; při tom vznikají 2 NADH (na 1 molekulu glukózy jsou to 2 NADH) a uvolní se CO2.
  • Krebsův cyklus (cyklus kyseliny citronové) – acetyl‑CoA je kompletně oxidován na CO2 v sérii reakcí probíhajících v matrix mitochondrie. Na jednu molekulu glukózy (dva acetyl‑CoA) vzniká přibližně 6 NADH, 2 FADH2 a 2 ATP (nebo ekvivalentní GTP) vzniklé substrátovou fosforylací.
  • Elektronový transportní řetězec a oxidativní fosforylace – redukované koenzymy (NADH a FADH2) odevzdají své elektrony do řetězce přenašečů na vnitřní mitochondriální membráně. Energie uvolněná při přesunech elektronů se použije k čerpání protonů do mezimembránového prostoru, čímž vzniká protonový gradient. Ten pohání syntázu ATP (ATP syntáza) – tento proces se nazývá chemiosmóza. Kyslík je finálním akceptorem elektronů a tvoří vodu.

Energetický výtěžek

Celkový počet ATP vzniklých z jedné molekuly glukózy se liší podle organismu a odhadů. Moderní odhady uvádějí přibližně 30–32 ATP na jednu molekulu glukózy u eukaryot. Příklad přibližného rozdělení (záleží na přesném poměru přenosu elektronů přes dýchací řetězec):

  • Glykolýza: 2 ATP (netto) + 2 NADH
  • Linkova reakce: 2 NADH (z 2 pyruvátů)
  • Krebsův cyklus: 2 ATP + 6 NADH + 2 FADH2
  • Oxidativní fosforylace: NADH přináší ~2,5 ATP, FADH2 ~1,5 ATP (souhrnně ~25–28 ATP z redukovaných koenzymů), takže celkem kolem 30–32 ATP.

Anaerobní dýchání a fermentace

Pokud není dostupný kyslík, buňky mohou získávat energii anaerobně. Hlavní rozdíly:

  • Anaerobní glykolýza (fermentace) – glukóza se rozloží na pyruvát a následně se pyruvát přemění na jiný produkt, aby se zrecykloval NAD+ nutný pro pokračování glykolýzy. Výsledkem je pouze 2 ATP na molekulu glukózy.
  • Laktátová fermentace – pyruvát se redukuje na laktát (kyselinu mléčnou). Tento způsob využívají např. svalové buňky při intenzivní práci a některé bakterie. Laktát může být později v játrech přeměněn zpět na glukózu (Coriho cyklus).
  • Alkoholová fermentace – u kvasinek se pyruvát přemění na ethanol a CO2 (např. při kvašení). Také dává jen 2 ATP na glukózu.

Další důležité poznámky

  • Role NAD+/FAD – tyto koenzymy přenášejí elektrony a protony mezi reakcemi. Oxidovaná forma (NAD+, FAD) musí být k dispozici, aby mohl metabolismus pokračovat.
  • Kyslík – je finálním akceptorem elektronů v aerobním dýchání a jeho dostupnost rozhoduje o směru metabolismu (aerobní vs. anaerobní).
  • Regulace – buněčné dýchání je regulováno podle energetických potřeb buňky. Hlavní regulační body jsou enzymy glykolýzy (např. fosfofruktokináza), které jsou allostericky kontrolovány hladinou ATP, ADP, AMP a dalších metabolitů. Přeplněnost ATP snižuje tok uhlíků glykolýzou, zatímco zvýšená potřeba energie (více ADP/AMP) urychluje štěpení glukózy.
  • Význam – buněčné dýchání je základem energetického zásobování všech organismů. Umožňuje buňkám provádět práci (svalová kontrakce, transport látek, syntézy molekul) a je úzce propojeno s dalšími metabolickými drahami (např. syntéza lipidů a aminokyselin).

Stručně řečeno: aerobní dýchání (s kyslíkem) je mnohem efektivnější než anaerobní procesy. Aerobní dýchání produkuje CO2 a H2O jako odpadní produkty a poskytuje vysoké množství ATP, zatímco anaerobní fermentace produkuje méně ATP a vedlejší produkty jako laktát nebo ethanol.

Glykolýza

Při glykolýze se glukóza v cytoplazmě rozkládá na dvě molekuly pyruvátu. Pro deset meziproduktů tohoto procesu je zapotřebí deset enzymů.

  1. Proces odstartují dva na energii bohaté ATP.
  2. Na konci jsou dvě molekuly pyruvátu plus
  3. Substrátová úroveň - v reakci č. 7 a 10 se vytvoří čtyři molekuly ATP.
  4. V buňkách, které využívají kyslík, se pyruvát využívá ve druhém procesu, Krebsově cyklu, při kterém vzniká více molekul ATP.

Produktivita cyklu

V učebnicích biologie se často uvádí, že na jednu molekulu oxidované glukózy lze během buněčného dýchání vytvořit 38 molekul ATP (dvě z glykolýzy, dvě z Krebsova cyklu a přibližně 34 z elektronového transportního řetězce). Ve skutečnosti však tento proces vytváří méně energie (ATP) kvůli ztrátám netěsnými membránami. Odhaduje se, že na jednu glukózu připadá 29 až 30 ATP.

Aerobní metabolismus je asi (viz věta výše) 15krát účinnější než anaerobní metabolismus. Anaerobní metabolismus poskytuje 2 mol ATP na 1 mol glukózy. Mají společnou počáteční dráhu glykolýzy, ale aerobní metabolismus pokračuje Krebsovým cyklem a oxidační fosforylací. Postglykolytické reakce probíhají v mitochondriích u eukaryotických buněk a v cytoplazmě u prokaryotických buněk.



Reakce na odkaz

Pyruvát z glykolýzy je aktivně čerpán do mitochondrií. Z pyruvátu se odstraní jedna molekula oxidu uhličitého a jedna molekula vodíku (tzv. oxidativní dekarboxylace) a vznikne acetylová skupina, která se spojí s enzymem zvaným CoA za vzniku acetyl CoA. To je nezbytné pro Krebsův cyklus.



Krebsův cyklus

Acetyl CoA se spojuje s oxaloacetátem a vytváří sloučeninu se šesti atomy uhlíku. To je první krok ve stále se opakujícím Krebsově cyklu. Protože z každé molekuly glukózy vznikají dvě molekuly acetyl-CoA, jsou na jednu molekulu glukózy potřeba dva cykly. Na konci dvou cyklů jsou tedy produkty: dva ATP, šest NADH, dva FADH a čtyři CO2. ATP je molekula, která přenáší energii v chemické formě, aby mohla být využita v dalších buněčných procesech. Tento proces je také znám jako cyklus TCA (cyklus kyseliny trikarboxylové (try-car-box-ILL-ick), cyklus kyseliny citronové nebo Krebsův cyklus podle biochemika, který jeho reakce objasnil.



Transportní řetězec elektronů (ETC)

Zde se vytváří většina ATP. Všechny molekuly vodíku, které byly odstraněny v předchozích krocích (Krebsův cyklus, Linkova reakce), jsou přečerpány dovnitř mitochondrie pomocí energie, kterou uvolňují elektrony. Nakonec se elektrony, které pohánějí čerpání vodíku do mitochondrie, smíchají s některými vodíky a kyslíkem za vzniku vody a molekuly vodíku se přestanou čerpat.

Nakonec se vodík vrací do cytoplazmy mitochondrií prostřednictvím proteinových kanálků. Při toku vodíku se z ADP a fosfátových iontů vytváří ATP.



Související stránky



Otázky a odpovědi

Otázka: Co je to buněčné dýchání?


Odpověď: Buněčné dýchání je proces, který buňky používají k rozkladu cukrů a získávání energie, kterou mohou využít. Přijímá potravu a využívá ji k tvorbě ATP, chemické látky, kterou buňka využívá k výrobě energie.

Otázka: Jaké jsou dva typy dýchání?


Odpověď: Dva typy dýchání jsou aerobní a anaerobní dýchání. Aerobní dýchání využívá kyslík a produkuje více energie než anaerobní dýchání, ale neprodukuje kyselinu mléčnou. Anaerobní dýchání nevyužívá kyslík, ale produkuje kyselinu mléčnou.

Otázka: Jaký je vzorec pro aerobní buněčné dýchání?


Odpověď: Vzorec aerobního buněčného dýchání je C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energie (jako ATP). Slovní rovnice pro tuto reakci je: Glukóza (cukr) + kyslík → oxid uhličitý + voda + energie (jako ATP).

Otázka: Kolik fází má aerobní buněčné dýchání?


Odpověď: Aerobní buněčná respirace má čtyři fáze - glykolýzu, Linkovu reakci, Krebsův cyklus a elektronový transportní řetězec - z nichž každá je důležitá a nemohla by proběhnout bez té předchozí.

Otázka: Co se děje s oxidem uhličitým vznikajícím při aerobním buněčném dýchání?


Odpověď: Oxid uhličitý vznikající při aerobním buněčném dýchání vstupuje do oběhového systému, odkud putuje do plic, kde je vyměněn za kyslík.

Otázka: Jaký typ odpadního produktu vzniká při anaerobním dýchání?


Odpověď: Při anaerobním dýchání vzniká jako odpadní produkt kyselina mléčná, zatímco při aerobním dýchání vzniká jako odpadní produkt oxid uhličitý.


Vyhledávání
AlegsaOnline.com - 2020 / 2025 - License CC3