Buněčné dýchání je proces, kterým buňky získávají energii z organických sloučenin, obvykle z glukózy, a to za účelem výroby ATP (adenosintrifosfátu), což je hlavní energetická jednotka v buňkách. Jako odpadní produkty štěpení vznikají během dýchacího řetězce oxid uhličitý (CO2) a voda.
Procesy buněčného dýchání dělíme na:
Aerobní (probíhá za přítomnosti kyslíku)
Anaerobní (bez přítomnosti kyslíku)
Aerobní respirační cyklus
Aerobní dýchání probíhá za přítomnosti kyslíku, což je klíčový prvek pro efektivní využití energie.
Aerobní dýchání probíhá ve čtyřech fázích:
Glykolýza
Krebsův cyklus
Dýchací řetězec
Oxidativní fosforylace
Glykolýza
Tento proces probíhá v cytoplazmě buňky (konkrétně cytosolu = tekutá složka cytoplazmy, která obklopuje buněčné organely).
Při glykolýze dochází k tomu, že se štěpí molekula glukózy (která má 6 uhlíků) v několika krocích, na dvě molekuly pyruvátu (každý pyruvát má 3 uhlíky). Při tomto rozkladu se uvolňují dvě ATP (energetické jednotky buněk) a dvě molekuly NADH (koenzymy, které mají za úkol, transportovat elektrony do elektronového transportního řetězce v mitochondriích, kde se uvolňuje energie, která se používá k výrobě ATP).
NADH zůstává v cytoplazmě a je-li v buňce přítomen kyslík, z pyruvátu se odstraní jedna molekula CO2 a dvouhlíkatý zbytek (acetyl), který vznikne, je aktivně transportován do mitochondrií, kde se naváže na jinou látku a vytvoří tzv. acetyl-koenzym A (zkráceně acetyl-CoA), což je klíčový vstupní produkt pro Krebsův cyklus.
Krebsův cyklus
Krebsův cyklus probíhá v matrix mitochondrie. Dochází při něm k oxidaci acetyl –CoA a při tom se se uvolní další ATP, NADH, FADH₂ a jako vedlejší produkt se uvolňuje CO₂ (oxid uhličitý). Tato fáze produkuje méně ATP než glykolýza. Krebsův cyklus je tedy hlavně klíčovým procesem pro výrobu energetických nosičů (NADH a FADH₂), které se následně používají v elektronovém transportním řetězci k výrobě ATP.
Fáze Krebsova cyklu podrobně
1. Vstup acetyl-CoA
Cyklus začíná, když se molekula acetyl-CoA (vzniklá z pyruvátu během oxidace) spojí s oxalacetátem, což je čtyř uhlíkatá sloučenina. Tím vzniká kyselina citronová (citrát), což je šesti uhlíkatá sloučenina.
2. Izomerace
Kyselina citronová se přeměňuje na izocitrát (další šestiuhlíkatá sloučenina) prostřednictvím enzymatické reakce.
3. Oxidace a dekarboxylace
Izocitrát je oxidován na alfa-ketoglutarát, přičemž se uvolňuje oxid uhličitý (CO₂) a vzniká NADH (redukovaná forma nikotinamidadenindinukleotidu).
Alfa-ketoglutarát je dále oxidován a dekarboxylován na sukcinyl-CoA, což je další dvouuhlíkatá molekula, opět s uvolněním CO₂ a vznikem dalšího NADH.
4. Syntéza ATP
Sukcinyl-CoA se přeměňuje na sukcinát, přičemž se syntetizuje ATP (nebo GTP, v závislosti na buňce) v procesu zvaném substrátová úroveň fosforylace.
5. Oxidace sukcinátu
Sukcinát je oxidován na fumarát, což produkuje FADH₂ (redukovaná forma flavinadenindinukleotidu).
6. Hydratace
Fumarát je hydratován na malát, přičemž se přidává voda.
7. Oxidace malátu
Malát je oxidován na oxalacetát, což regeneruje vstupní molekulu cyklu. Při této reakci se opět produkuje NADH.
8. Regenerace oxalacetátu
Oxalacetát je připraven k reakci s dalším acetyl-CoA, čímž cyklus pokračuje.
Z původního acetylu nakonec zůstanou atomy vodíku s energeticky bohatými elektrony. Ty se navážou na přenašeče vodíku (podobné jako při fotosyntéze, jedním z nich je NADP+ ) a vstupují do závěrečné fáze – dýchacího řetězce.
Dýchací řetězec
Dýchací řetězec probíhá ve vnitřní mitochondriální membráně.
Z atomů vodíku se tedy uvolní energeticky bohaté elektrony, navážou se na přenašeče elektronů (flavoproteiny, koenzym Q, cytochromy). Elektrony pak postupně projdou celou kaskádou přenašečů a postupně ztrácejí energii. Při některých přenosech je energie uvolněná z elektronů, využita k syntéze ATP (viz. oxidativní fosforylace). Nakonec se elektrony a zbytky vodíku (vodíkové protony) spojí s atomy kyslíku a vytvoří molekulu vody (= která je v tomto případě odpadním/vedlejším produktem dýchacího řetězce).
Oxidativní fosforylace
Vnitřní membrána mitochondrií je pro vodíkové ionty neprostupná. Díky činnosti protonových pump dýchacího řetězce se na membráně tvoří gradient, ionty mají snahu vyrovnat koncentrace na obou stranách membrány. Jediný způsob, jak se mohou vodíkové ionty dostat na druhou stranu membrány, je projít skrze ATP- syntázu, enzym, který je zakotvený v membráně a tvoří kanál pro průchod iontů. Zároveň využívá jejich energie k syntéze ATP.
Anaerobní respirační cyklus
V anaerobních podmínkách (kde je nedostatek kyslíku) se pyruvát, který vznikl během glykolýzy, dále zpracovává pomocí fermentace. Existují různé typy fermentace, například:
Alkoholová fermentace: Pyruvát se převádí na ethanol a oxid uhličitý.
Mléčná fermentace: Pyruvát se převádí na mléčnou kyselinu.
Oba typy fermentace nezískávají další ATP, ale generují NAD⁺, což je nezbytné pro udržení glykolýzy.
V červených krvinkách, které nemají mitochondrie, je anaerobní glykolýza veškerým zdrojem energie.
Energetický výtěžek z jedné molekuly glukózy
Při anaerobní glykolýze vzniknou 2 molekuly ATP. V průběhu Krebsova cyklu a dýchacích řetězců vznikne celkem přibližně 36 molekul ATP. Celkový výtěžek z aerobního štěpení glukózy (cca 38 ATP) je tedy téměř 20krát vyšší než při rozkladu v anaerobních podmínkách.