Pojdi na vsebino

Celično dihanje

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Shematski prikaz celičnega dihanja

Celično dihanje ali celična respiracija je skupek presnovnih (metabolnih) reakcij in procesov, ki potekajo v celicah organizmov, in v katerih se kemična energija kisikovih molekul[1] ter hranil pretvarja v molekule adenozina trifosfata (ATP) ter odpadne produkte.[2] Biokemijske reakcije, ki predstavljajo del celičnega dihanja, so katabolne reakcije, pri katerih večje molekule (makromolekule) razpadejo na manjše, pri čemer se sprošča energija, ker so šibke in z energijo bogate vezi (predvsem tiste v dvoatomarnih molekulah kisika) nadomeščene z močnejšimi vezmi nastalih produktov.[3] Med hranila, ki jih za pridobivanje energije v procesu celične respiracije najpogosteje uporabljajo živalske in rastlinske celice, spadajo ogljikovi hidrati (predvsem v obliki glukoze), aminokisline in maščobne kisline, medtem ko je najpogosteje uporabljen oksidant dvoatomarni kisik.[1] Celično dihanje običajno delimo na tri glavne faze: glikolizo, Krebsov cikel in dihalno verigo (tudi elektronsko transportno verigo[4][5]).[6][7]

Glikoliza

Glavni članek: Glikoliza.

Glikoliza ali glikolitična pot[8] je prva faza celičnega dihanja, za katero je značilna odsotnost kisika, saj je proces v svoji osnovi anaeroben.[9][10] Reakcije glikolize so med organizmi zelo razširjene in veljajo za evolucijsko zgodnje presnovne procese[10][9], saj se jih poslužujejo skoraj vsi živeči organizmi, četudi obstaja nekaj alternativ in različic glikolitične poti.[11][9] Proces poteka v citoplazmi tako prokariontskih kot tudi evkariontskih celic.[9]

Glukoza, ki predstavlja osnovo za potek glikolize, v celico heterotrofnih organizmov vstopa preko aktivnega transporta, ki je največkrat sekundaren, saj glukoza prehaja v smeri naraščajočega koncentracijskega gradienta (iz območja, kjer je manjša koncentracija glukoznih molekul, na predel, kjer je koncentracija glukoznih molekul večja).[9] Delež prenašanja glukoze v celico pa opravijo tudi integralne beljakovine, ki se imenujejo glukozni transporterji (tudi samo GLUT).[12] Delovanje tovrstnih membranskih prenašalcev temelji na procesu difuzije, pri čemer transporterji izvajajo tako imenovano olajšano difuzijo glukoznih molekul.[9]

V proces glikolize vstopa posamična glukozna molekula, za katero je značilna ciklična zgradba iz šestih ogljikovih atomov, medtem ko sta končni produkt glikoliznih reakcij dve sladkorni molekuli iz treh ogljikovih atomov, ki ju imenujemo piruvat (anion piruvične kisline[13]).[9] Pogosto se glikolizo deli na dva sklopa biokemijskih reakcij, pri čemer se v prvi polovici glikolitične poti energija porablja, medtem ko v drugi polovici energija nastaja in se shranjuje v obliki molekul ATP ter NADH (reducirana oblika nikotinamidadenindinukleotida[14]).[9]

Pregled celotne glikolize. G6P = glukoza-6-fosfat, F6P = fruktoza-6-fosfat, F1,6BP = fruktoza-1,6-bifosfat, GADP = gliceraldehid-3-fosfat, DHAP = dihidroksiaceton-fosfat, 1,3PG = 1,3-bifosfoglicerat, 3PG = 3-fosfoglicerat, 2GP = 2-fosfoglicerat, PEP =fosfoenolpiruvat

Prva polovica glikolize

Reakcije prve polovice glikolize lahko razdelimo na pet glavnih korakov.

V prvem koraku encim heksokinaza s pomočjo molekule ATP (ki predstavlja vir fosfata) fosforilira glukozno molekulo, pri čemer nastaja reaktivnejša oblika glukoze, ki se imenuje glukoza-6-fosfat (G6P).[15] Zaradi strukturne spremembe fosforilirana glukozna molekula ne more zapustiti celice (preprečeno je vnovično prehajanje glukoznih transporterjev), saj jo pri tem ovira fosfat, ki je negativno nabit in zatorej nezdružljiv z nepolarnim ter hidrofobnih slojem celične membrane.[9][10]

V drugem koraku je bistveno delovanje encima izomeraze, tj. encima, ki katalizira pretvorbo substrata iz ene izomere v drugo.[16][17][18] V dotičnem primeru glikolitičnih reakcij izomeraza (natančneje glukoza-6-fosfat-izomeraza[19]) katalizira pretvorbo produkta prvega koraka glikolize, glukoze-6-fosfata, v fruktuzo-6-fosfat (krajšava F6P), ki je eden izmed izomerov glukoze-6-fosfata.[9][10]

 ATP     ADP

heksokinaza
ali
glukokinaza		 glukoza-6-fosfat-izomeraza
α-D-glukoza α-D-glukoza-6-fosfat α-D-fruktoza-6-fosfat

Tretji korak prve polovice glikolize predstavlja fosforilacija fruktoze-6-fosfata, ki jo izvede encim fosfofruktokinaza (tudi PFK[20]). Fosfat, ki se v procesu fosforilacije veže na molekulo fruktoze-6-fosfata, izvira iz druge molekule ATP (prva je namreč svoj fosfat predala glukozni molekuli v prvem koraku glikolize), pri sami reakciji pa nastane fruktoza-1,6-bifosfat (F1,6BP). Dodan fosfat, za katerega je značilna visoka energijska vrednost, dodatno destabilizira molekulo fruktoze-1,6-difosfata.[9][10] Encim fosfofruktokinaza opravlja tudi regularno vlogo[20][10], saj do neke mere nadzira potek glikolitične poti. Največjo aktivnost encim pokaže, kadar je koncentracija adenozina difosfata (ADP) visoka, medtem ko se aktivnost močno spusti, kadar je raven ADP-ja nizka in koncentracija ATP-ja visoka. Na tak način fosfofruktokinaza upočasni oziroma deloma onemogoči presnovo pot, kadar je v sistemu dovolj molekul ATP.[9]

 ATP     ADP

fosfofruktokinaza
β-D-fruktoza-6-fosfat β-D-fruktoza-1,6-bifosfat

Bistveni element četrtega koraka glikolize je encim aldolaza (aldehid liaza[21]), specifično fruktoza-1,6-bisfosfat aldolaza[21], ki poskrbi za cepitev fruktoze-1,6-bifosfata v dva izomera s tremi ogljikovimi atomi, in sicer dihidroksiaceton-fosfat (DHAP) in gliceraldehid-3-fosfat (GADP).[9][10]

V petem koraku, ki je zadnja faza prve polovice glikolize, encim izomeraza (natančneje trioza-fosfat izomeraza) povzroči pretvorbo dihidroksiacetona-fosfata v gliceraldehid-3-fosfat, njegov izomer. Posledično v nadaljnjih reakcijah sodelujeta dve molekuli enakega izomera (gliceraldehida-3-fosfata). Celoten izkupiček prve polovice glikolize je negativen, saj sta bili v opisanih korakih porabljeni dve molekuli ATP.[9][10]

aldolaza

 trioza-fosfat izomeraza
β-D-fruktoza-1,6-bifosfat dihidroksiaceton-fosfat D-gliceraldehid-3-fosfat

Druga polovica glikolize

Če se v prvi polovici glikolize energetsko bogate molekule ATP porabijo, je za drugo polovico glikolize značilno nastajanje ATP.[9] Proces se odvija dvakrat, ker se je glukoza posredno razdelila na dve molekuli sladkorja, pri čemer vsaka sestoji iz treh ogljikovih atomov (v sistemu sta dva gliceraldehida-3-fosfata: en izvira iz četrtega koraka, medtem ko je drug pretvorjen dihidroksiaceton-fosfat iz petega koraka).[10]

V prvem koraku druge polovice glikolize (oziroma sedmem koraku glikolize) najprej poteče oksidacija gliceraldehida-3-fosfata, ki izvira iz petega koraka glikolitične poti.[9][10] Pri tem procesu se sprostijo energijsko bogati elektroni, ki jih prevzame prenašalec elektronov[22], NAD+ (nikotinamidadenindinukleotid), pri čemer se tvori molekula NADH (reducirana oblika NAD+). Sledi fosforilacija, pri čemer se na oksidiran sladkor doda še ena fosfatna skupina, nakar nastane molekula 1,3-bifosfatglicerata (1,3PG).[9][10] Reakcijo katalizira encim gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenaza[23] in je eksotermna.[10] Za samo fosforilacijo ni potreben razpad dodatne molekule ATP. Nadaljevanje glikolitične poti je odvisno od razpoložljivosti molekule prenašalca elektronov NAD+, oksidirane oblike NADH. Za nadaljnje korake so bistvene neprekinjene reakcije oksidacije molekule NADH nazaj v NAD+, brez katerega se reakcije druge polovice glikolize upočasnijo ali v izjemnih primerih tudi popolnoma ustavijo. Pri aerobnem tipu celičnega dihanja (ob prisotnosti kisika) oksidacija NADH poteka redno v kasnejših reakcijah celičnega dihanja, pri čemer se ob oksidaciji sproščajo z energijo bogati vodikovi elektroni, ki se zatem uporabijo za nastajanje molekul ATP. Tudi anaerobni procesi pridobivanja energije, kot je denimo vrenje (fermentacija), imajo mehanizme, s pomočjo katerih pride do pretvorbe molekul NADH v oksidirano obliko NAD+.[9]

NAD+   NADH
+ Pi       + H+

gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenaza
D-gliceraldehid-3-fosfat D-1,3-bifosfoglicerat

Sledi drugi korak druge polovice glikolize (sedmi korak glikolize), v katerem je ključen encim fosfoglicerat kinaza, ki poskrbi za odcep ene z energijo bogate fosfatne skupine iz molekule 1,3-bifosfoglicerata, pri čemer se fosfat veže na molekulo ADP, kar vodi v nastajanje ene molekule ATP. Po odstranitvi fosfatne skupine se karbonilna skupina 1,3-bifosfoglicerata oksidira v karboksilno skupino, pri čemer nastane molekula, imenovana 3-fosfoglicerat (krajšava 3PG).[9][10]

fosfoglicerat kinaza
ADP     ATP
D-1,3-bifosfoglicerat D-3-fosfoglicerat

Za osmi korak je značilno delovanje encima mutaze (encima iz skupine izomeraz[24]), natančneje fosfoglicerat mutaze, ki povzroči pretvorbo 3-fosfoglicerata v 2-fosfoglicerat (2PG).[25] Gre za reakcijo izomerizacije, pri kateri se ena molekula pretvori v drugačen izomer.[26] Pri nastajanju 2-fosfoglicerata iz 3-fosfoglicerata se spremeni položaj fosfatne skupine, ki se odcepi od tretjega ogljikovega atoma in se veže na drugi ogljikov atom.[9][10]

V devetem koraku glikolize (četrtem koraku druge polovice glikolize) sledi dehidracijska reakcija, pri čemer se iz molekule sladkorja (2-fosfoglicerata) odcepi molekula vode, kar vodi v nastajanje dvojne vezi, višanje potencialne energije fosfatne skupine, nakar nastane molekula fosfoenolpiruvata (krajšava PEP).[9] Reakcijo katalizira glikolitični encim enolaza.[27][28] Molekula fosfoenolpiruvata je relativno nestabilna.[10]

Deseti korak, zadnjo fazo glikolitične poti, pospešuje encim, ki se imenuje piruvat kinaza (krajšava PK). Pri reakciji poteče prenos fosfatne skupine iz fosfoenolpiruvata na molekulo adenozina difosfata, pri čemer pride do nastanka piruvata (aniona piruvične kisline[13]) in druge molekule ATP. Sama reakcija je nepovratna (ireverzibilna).[29]

fosfoglicerat mutaza
 −H2O
enolaza

 ADP     ATP

piruvat kinaza
D-3-fosfoglicerat D-2-fosfoglicerat fosfoenolpiruvat piruvat

Izkupiček glikolize

V proces glikolitičnih reakcij vstopa ena molekula glukoze, ki se v sosledju opisanih reakcij pretvori v dve molekuli piruvata.[10][30][7] Hkrati pri procesu nastanejo štiri molekule ATP (druga faza glikolize se namreč odvije dvakrat, enkrat za vsak ogljikov hidrat, ki je sestavljen iz treh ogljikovih atomov[10]), četudi končni energijski izkupiček obsega zgolj dve molekuli ATP, ker se dve porabita za aktivacijo glukozne molekule na samem začetku glikolize. Obenem sta končni produkt glikolitične poti tudi dve molekuli NADH, ki se uporabita v nadaljnjih reakcijah celičnega dihanja. V redkih primerih, kadar primanjkuje encima piruvat kinaze, ki katalizira zadnji korak glikolize (pretvorbo fosfoenolpiruvata v piruvat), v celotnem procesu nastaneta le dve molekuli adenozina trifosfata.[30][7]

Vmesni produkti glikolize

  • Glukoza-6-fosfat, ki je produkt prvega koraka glikolize.
    Glukoza-6-fosfat, ki je produkt prvega koraka glikolize.
  • V drugem koraku encim izomeraza povzroči pretvorbo v fruktuzo-6-fosfat, ki je prikazana na sliki.
    V drugem koraku encim izomeraza povzroči pretvorbo v fruktuzo-6-fosfat, ki je prikazana na sliki.
  • Produkt tretjega koraka glikolize je na sliki prikazana fruktoza-1,6-bifosfat.
    Produkt tretjega koraka glikolize je na sliki prikazana fruktoza-1,6-bifosfat.
  • Dihidroksiaceton-fosfat, eden izmed dveh produktov četrtega koraka glikolize.
    Dihidroksiaceton-fosfat, eden izmed dveh produktov četrtega koraka glikolize.
  • Gliceraldehid-3-fosfat nastane že v četrtem koraku, medtem ko se v petem koraku dihidroksiaceton-fosfat pretvori v še eno molekulo gliceraldehida-3-fosfata.
    Gliceraldehid-3-fosfat nastane že v četrtem koraku, medtem ko se v petem koraku dihidroksiaceton-fosfat pretvori v še eno molekulo gliceraldehida-3-fosfata.
  • S fosforilacijo nastane molekula 1,3-bifosfoglicerata.
    S fosforilacijo nastane molekula 1,3-bifosfoglicerata.
  • Poteče odcepitev fosfatne skupine, hkrati se karbonilna skupina pretvori v karboksilno, nakar nastane 3-fosfoglicerat.
    Poteče odcepitev fosfatne skupine, hkrati se karbonilna skupina pretvori v karboksilno, nakar nastane 3-fosfoglicerat.
  • V reakciji izomerizacije se 3-fosfoglicerat pretvori v 2-fosfoglicerat (na sliki).
    V reakciji izomerizacije se 3-fosfoglicerat pretvori v 2-fosfoglicerat (na sliki).
  • Produkt deveta koraka glikolize je fosfoenolpiruvat.
    Produkt deveta koraka glikolize je fosfoenolpiruvat.
  • Na sliki je prikazan končni produkt glikolize, piruvat, ki je anion piruvične kisline.
    Na sliki je prikazan končni produkt glikolize, piruvat, ki je anion piruvične kisline.

Oksidativna dekarboksilacija piruvata

Reakcija, v kateri se piruvat oksidira in pretvori v acetilkoencim A, pri čemer pride do sproščanja ene molekule ogljikovega dioksida.

Glikolizi sledi vmesna stopnja[31], ki je odvisna od kisika, in v kateri se piruvat, končni produkt glikolitične poti, preoblikuje. Transformacija piruvata je nujen pogoj za nadaljevanje reakcij celičnega dihanja. Sam proces poteka v mitohondriju, v katerega je piruvat prenesen iz citosola, kjer se odvija glikolitična pot. V procesu preoblikovanja se piruvat pretvori v acetilno skupino, na katero zatem deluje koencim A (krajšava CoA[32]), osnovno sestavino pa predstavlja vitamin B5 (pantotenska kislina), kar vodi v nastajanje spojine, ki ji rečemo acetil-CoA (tudi acetilkoencim A). Bistvena funkcija slednjega je prenos acetilne skupine piruvata v nadaljnje reakcije celičnega dihanja (natančneje Krebsov cikel).[9][33][34][35]

Poenostavljena reakcija: 1 piruvat + 1 NAD+ + CoA → 1 acetil-CoA + NADH + CO2 + H+

Potek

Pretvorbo piruvata lahko razdelimo v tri glavne korake:

  1. Najprej poteče odstranitev karboksilne skupine (-COOH) iz molekule piruvata, pri čemer se v obkrožajočo tekočino sprosti molekula ogljikovega dioksida[9][34], ki zatem difundira iz celice.[35] Nastala molekula ima sedaj dva atoma ogljika in je funkcionalno hidroksietilna skupina.[9] Reakcijo katalizira encim piruvat dehidrogenaza, ki deluje v kompleksu (kompleks piruvat dehidrogenaze ali PDH[36])[37], sestavljenem iz treh encimov in petih koencimov.[33] Proces poteče dvakrat, ker v reakcije vstopata dve molekuli piruvata.[9][35]
  2. Obenem poteče redukcija molekule NAD+ do NADH, saj se hidroksietilna skupina oksidira do acetilne skupine, pri čemer se sprostijo elektroni, ki jih nase veže NAD+ in se zato pretvori v NADH.[9][35]
  3. Zadnji korak pretvorbe piruvata predstavlja prenos acetilne skupine do koencima A, kar vodi v nastanek acetil-CoA.[9]

Krebsov cikel

Glavni članek: Krebsov cikel.

Krebsov cikel ali ciklus trikarboksilnih skupin[38], pa tudi cikel citronske kisline[39] in citratni cikel[40], je skupek biokemijskih reakcij, ki sledi oksidativni dekarboksilaciji piruvata, in se odvija v matriksu, mitohondrijski tekočini. Za Krebsov cikel je značilno veliko število različnih encimov, ki jim je skupna topnost (izjema je v notranjo membrano mitohondrija vgrajen encim sukcinat dehidrogenaza). Bistvena značilnost Krebsovega cikla je tudi cikličnost, ki je razvidna že iz imena, saj reakcije potekajo v urejenem krožnem zaporedju, pri čemer je produkt zadnje reakcije hkrati substrat za izvajanje prve reakcije. Navadno se cikel deli na sedem korakov, za katere so značilne razne reakcije, kot so denimo redoks reakcije, dehidracije, hidracije in dekarboksilacije. Končni izkupiček procesa sta dve molekuli ogljikovega dioksida, ena molekula ATP-ja ali GTP-ja (gvanozina trifosfata) in NADH ter FADH2 (flavinadenindinukleotid) v svoji reducirani obliki. Za razliko od prejšnjih reakcij je citratni cikel aerobni proces, kar pomeni, da je zanj nujna prisotnost kisika, ki je v reakcije sicer udeležen posredno. NADH in FADH2 morata oddati svoje elektrone v nadaljnje reakcije, v katerih sodeluje tudi kisik; v nasprotnem primeru se oksidacijske reakcije Krebsovega cikle ne dogajajo.[9]

Shematski prikaz Krebsovega cikla

Potek

V nadaljevanju sledi opis poteka Krebsovega cikla, ki je razdeljen v sedem korakov.

Pred začetkom citratnega cikla poteče oksidacija piruvata (oksidativna dekarboksilacija piruvata), v kateri se piruvat pretvori v acetil-CoA.[31] Zatem sledi nastajanje molekule citrata; združita se acetilna skupina (z dvema ogljikovima atomoma) in oksaloacetat (s štirimi ogljikovimi atomi).[9] Reakcijo katalizira encim citrat sintaza.[41] Acetilna skupina izvira iz acetila-CoA, čigar CoA (koencim A) se v prvem koraku Krebsovega cikla veže na sulfhidrilno skupino (R-SH) in s tem zapusti reakcije ter se vrne v procese oksidativne dekarboksilacije piruvata. Za ta korak citratnega cikla je značilna možnost nadzora, saj večje količine ATP-ja upočasnjujejo cikel, medtem ko se raven poteka zviša ob premajhnih koncentracijah ATP.[9]

Pretvorba oksaloacetata in acetilakoencima A v citrat.

Sledi drugi korak, kjer se od citrata (produkta prvega koraka) najprej odcepi ena molekula vode, nakar se zgodi vezava druge vodne molekule, obenem pa se citrat pretvori v svoj izomer, izocitrat.[9][42] Reakcijo postopne pretvorbe citrata v izocitrat preko cis-akonitata (vmesnega produkta) katalizira encim akonitaza.[43]

Reakcija izomerizacije, nastane izocitrat.

V tretjem koraku poteče reakcija oksidacije, v kateri je izocitrat oksidiran v molekulo α-ketoglutarata (tudi oksoglutarat[44]). Pri tem nastanejo tudi molekula ogljikovega dioksida in dva elektrona, ki vodita redukcijo NAD+ v NADH.[9] Reakcijo katalizira encim izocitrat dehidrogenaza.[45][42]

Iz izocitrata nastane α-ketoglutarat.

V sledečem četrtem koraku nastane sukcinilna skupina, nakar se nanjo veže koencim A, kar vodi v nastajanje molekule sukcinilkoencim A (tudi sukcinil-CoA[46]). Tudi v tem koraka potečeta tako oksidacija kot dekarboksilacija molekule, pri čemer se sprostijo elektroni, ki so odgovorni za redukcijo NAD+ v NADH, odcepi pa se tudi karboksilna skupina, ki tvori molekulo ogljikovega dioksida.[9] Reakcijo katalizira encim α-ketoglutarat dehidrogenaza.[47][42]

V četrtem koraku nastane sukcinilkoencim A.

Za peto reakcijo je značilen mehanizem iz treh korakov. V prvem koencim A iz molekule sukcinilkoencima A zamenja nukleofilni anorganski fosfat, kar vodi v nastajanje molekule sukcinil fosfata. Potem encim izkoristi histidinski preostanek, da iz sukcinil fosfata odstrani fosfatno skupino, nakar nastane sukcinat. Fosforiliran histidin prenese fosfatno skupino nukleozidnemu difosfatu (bodisi GDP bodisi ADP), s tem se tvori nukleozidni trifosfat (bodisi GTP bodisi ATP). Reakcijo katalizira encim sukcinilkoencim A sintetaza.[48][49][42]

Nastajanje sukcinata iz sukcinilkoencima A.

Reakcija šestega koraka je dehidracijska reakcija, v kateri se sukcinat (produkt petega koraka) pretvori v fumarat. Hkrati nastane tudi FADH2; na FAD se vežeta dva vodikova atoma.[9] Pretvorbo sukcinata v fumarat katalizira encim sukcinat dehidrogenaza.[50][42]

Končni korak šestega koraka je fumarat.

Za potek sedmega koraka je nujen encim fumarat hidrataza, ki katalizira nastajanje malata iz fumarata.[51] Sledi zadnja reakcija citratnega cikla, v kateri se malat oksidira v oksaloacetat (reakcijo katalizira malat dehidrogenaza[52]), nakar sledijo reakcije prvega koraka cikla. Obenem z redukcijo NAD+ nastane ena molekula NADH.[9][52][42]

Fumarat se pretvori v malat.
Zadnjo reakcijo citratnega cikla predstavlja regeneracija oksaloacetata iz malata.

Izkupiček

Glukozno molekulo, ki vstopa v reakcije glikolize, sestavlja šest ogljikovih atomov, medtem ko v Krebsov cikel vstopi acetilkoencim A, ki v svoji acetilni skupini (izvirajoči iz piruvata) vsebuje le še dva ogljikova atoma, sam cikel pa se odvije dvakrat (za vsak od dveh acetilkoencimov A). V vsakem ciklu se sprostita dve molekuli ogljikovega dioksida, tri molekule NADH, en ATP (ali GTP) in ena molekula FADH2. Nekatere vmesne produkte cikla lahko celica uporabi pri sintezi neesencialnih aminokislin.[42][9][53][54]

Oksidativna fosforilacija

Oksidativna fosforilacija je zadnja stopnja aerobnega celičnega dihanja, v kateri celica s pomočjo različnih reakcij pridobi energijo v obliki ATP.[55] Gre za poseben tip fosforilacije (ADP v ATP), ki je tesno povezan s prenašanjem vodikovih elektronov vzdolž dihalne verige.[56] Odvija se v mitohondriju, natančneje na notranji membrani mitohondrija pri evkariontskih organizmih ali v oziroma ob celični membrani pri prokariontskih organizmih.[57][56] Bistveni strukturi za potek procesa oksidativne fosforilacije sta dihalna veriga (elektronska transportna veriga) in encimatski kompleks ATP-sintaza, na katerem se na s fosfatom fosforilirajo molekule ADP.[55] Običajno s pojmom oksidativna fosforilacija mislimo na procesa oksido-redukcijskih reakcij dihalne verige in fosforilacije adenozina difosfata v adenozin trifosfat na ATP-sintazi.[58][59] Pogosto se celično dihanje poenostavljeno deli na tri glavne faze (glikolizo, Krebsov cikel in dihalno verigo), pri čemer celotno zaključno stopnjo celičnega dihanja predstavljajo kar procesi dihalne verige.[9][60][61]

Dihalna veriga

Glavni članek: Dihalna veriga.

Dihalna veriga ali elektronska transportna veriga je definirana kot sosledje prenašalcev elektronov, nahajajočih se v notranji membrani mitohondrija evkariontov.[62] Gre za fazo aerobnega dihanja, v kateri se porablja atmosferski kisik, ki do celice pride posredno preko dihal in obtočil ter zatem difuzijsko prehaja skozi celično membrano. V sklopu elektronske transportne verige poteče zaporedje redoks reakcij, v katerih elektroni, ki izvirajo iz NADH ali FADH2, prehajajo od enega prenašalca do drugega, medtem ko jih na koncu prevzame kisik, ki se reducira in tvori vodno molekulo.[9][59] Prehajanje poteka v smeri močnejših oksidantov (vsak naslednji kompleks ima večjo afiniteto do elektronov).[59] Na dihalni verigi se nahajajo štirje veliki beljakovinski kompleksi, ki prehajajo membrano (so transmembranske beljakovine), in so zadolženi za prenos elektronov. Hkrati pomembno vlogo igrata tudi ubikinon in citokrom c, ki imata podobno funkcijo, le da skrbita za transport elektronov med različnimi beljakovinskimi kompleksi dihalne verige.[62] Za elektronsko transportno verigo je značilna tudi prisotnost protonskih črpalk, ki s svojim delovanjem ustvarjajo protonski gradient, ki je ključen za fosforilacijo, sklopljeno z elektronsko transportno verigo.[9] Delovanje protonskih črpalk omogoča energija, ki se sprosti pri prehajanju elektronov med posameznimi kompleksi elektronske transportne verige in vmesnimi beljakovinami.[59] Dihalna veriga se v več kopijah nahaja na notranji mitohondrijski membrani evkariontov in celični membrani prokariontov, pri čemer slednji včasih ne potrebujejo kisika, ker živijo v anaerobnih življenjskih okoljih.[9]

Shematski prikaz dihalne verige

Kompleks I

Dihalna veriga se začne s kompleksom I, ki ga gradita flavinmononukleotid (FMN) (ali flavinadenidinukleotid, FAD) in beljakovina, ki vsebuje skupek železovih ter žveplovih atomov (Fe-S). Na kompleks preideta dva elektrona, ki ju do tja prenese molekula NADH. Flavinmononukleotid je molekula, ki izvira iz riboflavina (pogosto imenovanega vitamin B2), in deluje kot prostetična skupina ali kofaktor (nebeljakovinska molekula, ki je nujna za delovanje neke beljakovine). Reakcijo na kompleksu I katalizira encim NADH dehidrogenaza, ki je precej velika beljakovina oksidoreduktaza s 45 verigami aminokislin. Hkrati kompleks I poskrbi za črpanje štirih vodikovih protonov preko mitohondrijske membrane iz matriksa v medmembranski prostor, kar ustvari manjši protonski gradient.[9][63]

Kompleks II

Kompleks II ali sukcinat dehidrogenaza[64] je edini encim, ki sodeluje tako v Krebsovem ciklu kot tudi dihalna verigi.[65] Kompleks II sprejme elektrone od molekule FADH2, ki ne preide skozi kompleks I in je hkrati slabši reducent kot NADH ter manj pripomore k ustvarjanju protonskega gradienta.[59] Ključna molekula za delovanje prvega in drugega kompleksa je tudi ubikinon (CoQ, koencim Q[66]), ki prva dva kompleksa povezuje s tretjim. Gre za molekulo, ki je v svoji osnovi lipofilna (ter hidrofobna) in zaradi tega zmožna prehajati nepolarno sredico celične membrane. Na ubikinon se vežejo elektroni, ki izvirajo iz kompleksa I (nanj jih je predal NADH) in kompleksa II (nanj jih je predal FADH2). Po končani redukciji (sprejemu elektronov in sočasni pretvorbi v QH2) ubikinon poskrbi za prenos elektronov naslednjemu kompleksu elektronske transportne verige.[9]

Kompleks III

Tretji kompleks dihalne verige sestavljajo citokrom b, beljakovina s skupkom žveplovih in železovih atomov in beljakovine citokroma c. Na citokrome je vezana tudi prostetična skupina, hem (podobna hemu v hemoglobinu, a v dihalna verigi skrbi za prenašanje elektronov in ne kisika). Ob sprejemanju in oddajanju elektronov je železov center beljakovine reduciran in oksidiran, zaradi česar se spreminja tudi njegovo oksidacijsko stanje: Fe++ (reducirana oblika) in Fe+++ (oksidirana oblika). Kompleks III poskrbi za črpanje vodikovih protonov skozi mitohondrijsko membrano in prenese vodikove elektrone citokromu c, ki je zadolžen za njihov transport do četrtega kompleksa dihalne verige (citokrom c elektrone prejme na kompleksu III, in sicer od ubikinona, ki je zmožen naenkrat prenašati kar dva elektrona, medtem ko citokrom c sprejme le enega naenkrat).[9]

Kompleks IV

Kompleks IV sestavljajo citokromske beljakovine c, a in a3. Tudi v tem kompleksu se nahajata dve prostetični skupini, dve molekuli hema (vsaka v enem od dveh citokromov a in a3), dodatno lahko na četrtem kompleksu najdemo bakrove ione (par CuA in en CuB v citokromu a3).[9] Ob prenosu elektronov poteče črpanje vodikovih protonov v medmebranski prostor mitohondrija.[59] Med ioni železa in bakra se nahaja kisik, ki se ob prejemu elektronov reducira, nakar iz bližnjega tekočega medija veže dva vodikova protona in tvori molekulo vode (H2O).[9] Ker je molekula kisika, ki prejme elektrone, dvoatomarna (O2), vsak od dveh kisikovih atomov veže dva vodikova protona in v procesu nastaneta dve molekuli vode.[59]

Sklici

  1. ↑ 1,0 1,1 Schmidt-Rohr, K. (2020). "Oxygen Is the High-Energy Molecule Powering Complex Multicellular Life: Fundamental Corrections to Traditional Bioenergetics” ACS Omega 5: 2221-2233. http://dx.doi.org/10.1021/acsomega.9b03352
  2. ↑ Bailey, Regina. »Cellular Respiration«. Arhivirano iz spletišča dne 5. maja 2012.
  3. ↑ Schmidt-Rohr, K. (2015). "Why Combustions Are Always Exothermic, Yielding About 418 kJ per Mole of O2", J. Chem. Educ. 92: 2094-2099. http://dx.doi.org/10.1021/acs.jchemed.5b00333
  4. ↑ »Termania - Mali leksikon biokemije in molekularne biologije - dihalna veriga«. www.termania.net. Pridobljeno 16. marca 2021.
  5. ↑ »Termania - Mikrobiološki slovar - ETC«. www.termania.net. Pridobljeno 16. marca 2021.
  6. ↑ Wolfe, Ernest (5. april 2017). »3 Simple Stages in Cellular Respiration and How They Work«. Medium (v angleščini). Pridobljeno 14. marca 2021.
  7. ↑ 7,0 7,1 7,2 »4.3 Cellular Respiration«. www.ck12.org. Pridobljeno 14. marca 2021.
  8. ↑ »Termania - Slovenski medicinski slovar - glikolíza«. www.termania.net. Pridobljeno 14. marca 2021.
  9. ↑ 9,00 9,01 9,02 9,03 9,04 9,05 9,06 9,07 9,08 9,09 9,10 9,11 9,12 9,13 9,14 9,15 9,16 9,17 9,18 9,19 9,20 9,21 9,22 9,23 9,24 9,25 9,26 9,27 9,28 9,29 9,30 9,31 9,32 9,33 9,34 9,35 9,36 9,37 9,38 9,39 9,40 9,41 9,42 9,43 9,44 »Cellular Respiration | Biology for Majors I«. courses.lumenlearning.com. Pridobljeno 14. marca 2021.
  10. ↑ 10,00 10,01 10,02 10,03 10,04 10,05 10,06 10,07 10,08 10,09 10,10 10,11 10,12 10,13 10,14 10,15 10,16 »Glycolysis | Cellular respiration | Biology (article)«. Khan Academy (v angleščini). Pridobljeno 15. marca 2021.
  11. ↑ Vander Heiden, Matthew G.; Locasale, Jason W.; Swanson, Kenneth D.; Sharfi, Hadar; Heffron, Greg J.; Amador-Noguez, Daniel; Christofk, Heather R.; Wagner, Gerhard; Rabinowitz, Joshua D. (17. september 2010). »Evidence for an alternative glycolytic pathway in rapidly proliferating cells«. Science (New York, N.Y.). Zv. 329, št. 5998. str. 1492–1499. doi:10.1126/science.1188015. ISSN 1095-9203. PMC 3030121. PMID 20847263.
  12. ↑ »Termania - Slovenski medicinski slovar - transpórter«. www.termania.net. Pridobljeno 14. marca 2021.
  13. ↑ 13,0 13,1 »Termania - Slovenski medicinski slovar - piruvát«. www.termania.net. Pridobljeno 14. marca 2021.
  14. ↑ »Termania - Slovenski medicinski slovar - NADH«. www.termania.net. Pridobljeno 14. marca 2021.
  15. ↑ »Termania - Slovenski medicinski slovar - héksokináza«. www.termania.net. Pridobljeno 14. marca 2021.
  16. ↑ »Termania - Slovenski medicinski slovar - izomeráza«. www.termania.net. Pridobljeno 14. marca 2021.
  17. ↑ »Isomerase Protein | PDI Antigen | TOP1 | TPI1 | ProSpec«. www.prospecbio.com. Pridobljeno 14. marca 2021.
  18. ↑ International Union of Biochemistry. Nomenclature Committee; Commission on Biochemical Nomenclature (1979). Enzyme nomenclature, 1978 : recommendations of the Nomenclature Committee of the International Union of Biochemistry on the nomenclature and classification of enzymes. New York: Academic Press. ISBN 978-0-323-14460-5. OCLC 768184190.
  19. ↑ »Termania - Slovenski medicinski slovar - glukóza-6-fosfát izomeráza«. www.termania.net. Pridobljeno 14. marca 2021.
  20. ↑ 20,0 20,1 »Termania - Slovenski medicinski slovar - fósfofruktokináza«. www.termania.net. Pridobljeno 14. marca 2021.
  21. ↑ 21,0 21,1 »Termania - Slovenski medicinski slovar - aldoláza«. www.termania.net. Pridobljeno 14. marca 2021.
  22. ↑ »Termania - Slovenski medicinski slovar - prenašálec«. www.termania.net. Pridobljeno 15. marca 2021.
  23. ↑ »Termania - Slovenski medicinski slovar - gliceraldehíd-3-fosfát dehidrogenáza«. www.termania.net. Pridobljeno 15. marca 2021.
  24. ↑ »Termania - Slovenski medicinski slovar - mutáza«. www.termania.net. Pridobljeno 15. marca 2021.
  25. ↑ »Termania - Slovenski medicinski slovar - fósfoglicerát mutáza«. www.termania.net. Pridobljeno 15. marca 2021.
  26. ↑ »Isomerization - an overview | ScienceDirect Topics«. www.sciencedirect.com. Pridobljeno 15. marca 2021.
  27. ↑ »Enolase - an overview | ScienceDirect Topics«. www.sciencedirect.com. Pridobljeno 15. marca 2021.
  28. ↑ »Termania - Slovenski medicinski slovar - enoláza«. www.termania.net. Pridobljeno 15. marca 2021.
  29. ↑ »Termania - Slovenski medicinski slovar - piruvát kináza«. www.termania.net. Pridobljeno 15. marca 2021.
  30. ↑ 30,0 30,1 »Glycolysis | Boundless Biology«. courses.lumenlearning.com. Pridobljeno 15. marca 2021.
  31. ↑ 31,0 31,1 Daroff, Robert B. (2014). Encyclopedia of the Neurological Sciences (2nd ed izd.). Burlington: Elsevier Science. ISBN 978-0-12-385158-1. OCLC 879946913. {{navedi knjigo}}: |edition= ima odvečno besedilo (pomoč)
  32. ↑ »Termania - Rezultati iskanja - koencim A«. www.termania.net. Pridobljeno 16. marca 2021.
  33. ↑ 33,0 33,1 »Pyruvate Oxidation«. oregonstate.edu. Pridobljeno 16. marca 2021.
  34. ↑ 34,0 34,1 »Pyruvate Oxidation | Protocol«. www.jove.com. Pridobljeno 16. marca 2021.
  35. ↑ 35,0 35,1 35,2 35,3 »1.13: Pyruvate Oxidation and the TCA Cycle«. Biology LibreTexts (v angleščini). 9. februar 2017. Pridobljeno 16. marca 2021.
  36. ↑ »Termania - Slovenski medicinski slovar - piruvát dehidrogenáza«. www.termania.net. Pridobljeno 16. marca 2021.
  37. ↑ Patel, Mulchand S.; Nemeria, Natalia S.; Furey, William; Jordan, Frank (13. junij 2014). »The pyruvate dehydrogenase complexes: structure-based function and regulation«. The Journal of Biological Chemistry. Zv. 289, št. 24. str. 16615–16623. doi:10.1074/jbc.R114.563148. ISSN 1083-351X. PMC 4059105. PMID 24798336.
  38. ↑ »Termania - Slovenski medicinski slovar - cíklus«. www.termania.net. Pridobljeno 16. marca 2021.
  39. ↑ »Termania - Mali leksikon biokemije in molekularne biologije - cikel trikarboksilnih kislin«. www.termania.net. Pridobljeno 16. marca 2021.
  40. ↑ »Botanični terminološki slovar«. Inštitut za slovenski jezik Frana Ramovša. Pridobljeno 16. marca 2021.
  41. ↑ Wiegand, G.; Remington, S. J. (1986). »Citrate synthase: structure, control, and mechanism«. Annual Review of Biophysics and Biophysical Chemistry. Zv. 15. str. 97–117. doi:10.1146/annurev.bb.15.060186.000525. ISSN 0883-9182. PMID 3013232.
  42. ↑ 42,0 42,1 42,2 42,3 42,4 42,5 42,6 »The citric acid cycle | Cellular respiration (article)«. Khan Academy (v angleščini). Pridobljeno 17. marca 2021.
  43. ↑ »Termania - Slovenski medicinski slovar - akonitáza«. www.termania.net. Pridobljeno 16. marca 2021.
  44. ↑ »Termania - Slovenski medicinski slovar - oksoglutarát«. www.termania.net. Pridobljeno 16. marca 2021.
  45. ↑ »ENZYME - 1.1.1.42 Isocitrate dehydrogenase (NADP(+))«. enzyme.expasy.org. Pridobljeno 16. marca 2021.
  46. ↑ »Termania - Slovenski medicinski slovar - sukciníl-CoA«. www.termania.net. Pridobljeno 16. marca 2021.
  47. ↑ »Termania - Slovenski medicinski slovar - α-kétoglutarát dehidrogenáza«. www.termania.net. Pridobljeno 16. marca 2021.
  48. ↑ Voet, Donald (2011). Biochemistry (4th edition izd.). Hoboken, NJ: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-57095-1. OCLC 690489261. {{navedi knjigo}}: |edition= ima odvečno besedilo (pomoč)
  49. ↑ Berg, Jeremy M.; Stryer, Lubert; Stryer, Lubert (2002). Biochemistry (5th ed izd.). New York: W.H. Freeman. ISBN 0-7167-3051-0. OCLC 48055706. {{navedi knjigo}}: |edition= ima odvečno besedilo (pomoč)
  50. ↑ »Termania - Slovenski medicinski slovar - sukcinát dehidrogenáza«. www.termania.net. Pridobljeno 17. marca 2021.
  51. ↑ »Termania - Slovenski medicinski slovar - fumarát hidratáza«. www.termania.net. Pridobljeno 17. marca 2021.
  52. ↑ 52,0 52,1 »Termania - Slovenski medicinski slovar - malát dehidrogenáza«. www.termania.net. Pridobljeno 17. marca 2021.
  53. ↑ »Krebs cycle«. flexbooks.ck12.org. Pridobljeno 18. marca 2021.
  54. ↑ »Kreb's Cycle«. Chemistry LibreTexts (v angleščini). 2. oktober 2013. Pridobljeno 18. marca 2021.
  55. ↑ 55,0 55,1 »Termania - Mali leksikon biokemije in molekularne biologije - oksidativna fosforilacija«. www.termania.net. Pridobljeno 18. marca 2021.
  56. ↑ 56,0 56,1 »Termania - Slovenski medicinski slovar - fosforilácija«. www.termania.net. Pridobljeno 18. marca 2021.
  57. ↑ »Oxidative Phosphorylation- CUSABIO«. www.cusabio.com. Pridobljeno 18. marca 2021.
  58. ↑ Jezernik, Kristijan; Sterle, Maksimiljan; Omerzel Vujić, Erika; Lampe Kajtna, Mojca (2012). Celična biologija : učbenik za študente Medicinske fakultete (1. izd., 1. natis izd.). Ljubljana: DZS. ISBN 978-961-02-0286-8. OCLC 821110606.
  59. ↑ 59,0 59,1 59,2 59,3 59,4 59,5 59,6 »Oxidative phosphorylation | Biology (article)«. Khan Academy (v angleščini). Pridobljeno 18. marca 2021.
  60. ↑ »2.26: Cellular Respiration«. Biology LibreTexts (v angleščini). 20. september 2016. Pridobljeno 18. marca 2021.
  61. ↑ »Cell Respiration Definition and Phases | Online Medical Library«. The Lecturio Online Medical Library (v angleščini). 21. december 2016. Pridobljeno 18. marca 2021.
  62. ↑ 62,0 62,1 »Termania - Mali leksikon biokemije in molekularne biologije - dihalna veriga«. www.termania.net. Pridobljeno 18. marca 2021.
  63. ↑ »Termania - Slovenski medicinski slovar - NADH:akcéptor óksidoreduktáza«. www.termania.net. Pridobljeno 19. marca 2021.
  64. ↑ »EC 1.3.5.1«. www.qmul.ac.uk. Pridobljeno 19. marca 2021.
  65. ↑ Oyedotun, Kayode S.; Lemire, Bernard D. (5. marec 2004). »The quaternary structure of the Saccharomyces cerevisiae succinate dehydrogenase. Homology modeling, cofactor docking, and molecular dynamics simulation studies«. The Journal of Biological Chemistry. Zv. 279, št. 10. str. 9424–9431. doi:10.1074/jbc.M311876200. ISSN 0021-9258. PMID 14672929.
  66. ↑ »Termania - Slovenski medicinski slovar - ubikinón«. www.termania.net. Pridobljeno 19. marca 2021.
Pridobljeno iz »https://sl.wikipedia.org/w/index.php?title=Celično_dihanje&oldid=5470702«