Schemat oddychania komórkowego podczas utleniania glukozy

Oddychanie komórkowe – jest wielostopniowym biochemicznym procesem utleniania związków organicznych związanym z wytwarzaniem energii użytecznej metabolicznie. Oddychanie przebiega w każdej żywej komórce w sposób stały. Zachodzi ono nawet wtedy, gdy inne procesy metaboliczne zostaną zahamowane. Chociaż istnieją różnice w przebiegu procesu oddychania u poszczególnych grup organizmów, to zestaw enzymów katalizujących poszczególne reakcje składające się na oddychanie jest zbliżony u wszystkich organizmów żywych. Zachodzenie oddychania jest jednym z najczęściej stosowanych wskaźników zachodzenia procesów życiowych. Jedynie wirusy będące strukturami na pograniczu życia i cząstek chemicznych nie przeprowadzają procesu oddychania.

Chociaż substratem w reakcji oddychania mogą być wszystkie związki organiczne obecne w komórkach, najczęściej ogólną reakcję oddychania komórkowego zapisuje się dla utleniania cukru – glukozy w obecności tlenu:

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O

Energia uwolniona w procesie utleniania związków organicznych pojawia się częściowo w postaci związku wysokoenergetycznego – ATP, który może być wykorzystany do przeprowadzania reakcji chemicznych zachodzących w komórce lub do poruszania organizmu np. w tkance mięśniowej. Proces produkcji ATP nie przebiega ze 100% sprawnością i część energii uwalniana jest w postaci ciepła.

Poza węglowodanami organizmy w procesie oddychania mogą utleniać tłuszcze oraz białka, a po bardziej złożonych modyfikacjach także pozostałe związki organiczne.

U organizmów eukartiotycznych cykl Krebsa, łańcuch oddechowy i fosforylacja oksydacyjna zachodzą w mitochondriach.

Dla najczęściej używanego substratu, glukozy, reakcje oddychania komórkowego zachodzą na trzech szlakach metabolicznych:

Pierwszy z wymienionych etapów jest charakterystyczny dla utleniania węglowodanów i zachodzi w cytozolu. Dwa pozostałe etapy zachodzą u organizmów eukariotycznych w wyspecjalizowanych organellach – mitochondriach. W komórkach prokariontów enzymy biorące udział we wszystkich etapach oddychania znajdują się w cytozolu i błonie komórkowej.

Tłuszcze oraz białka mogą być także włączane w cykl Krebsa. Wcześniej jednak tłuszcze rozkładane są do acetylo-CoA w procesie β-oksydacji, a białka muszą być rozłożone na aminokwasy, te zaś pozbawione reszty aminowej. Powstałe po odłączeniu reszty aminowej ketokwasy włączane są bezpośrednio lub po przekształceniu w reakcje glikolizy i cyklu kwasu cytrynowego.

U organizmów, które stale lub okresowo nie mają dostępu do tlenu, wytwarzanie energii użytecznej biologicznie może polegać na niepełnym utlenieniu związków organicznych. Proces taki nazywany jest fermentacją. W efekcie fermentacji związki organiczne ulegają zarówno utlenianiu, jak i redukcji.

Drugim sposobem uzyskania energii w warunkach beztlenowych jest utlenianie związków organicznych z wykorzystaniem utlenionych związków nieorganicznych np. azotanów, siarczanów, związków żelaza lub manganu, a nawet dwutlenku węgla. Związki te służą jako akceptory elektronów w łańcuchu transportu elektronów zbliżonym do łańcucha oddechowego zachodzącego przy przenoszeniu elektronów na tlen. Pozostałe etapy oddychania nie różnią się od oddychania tlenowego.

Oba procesy zachodzące w warunkach beztlenowych mogą być określane jako oddychanie beztlenowe, jednak w mikrobiologii terminem oddychania beztlenowego określa się jedynie wykorzystywanie jako utleniaczy związków nieorganicznych. Fermentacje są traktowane jako oddzielna grupa procesów metabolicznych prowadzących do uzyskania energii użytecznej metabolicznie.

Oddychanie komórkowe glukozą

Glikoliza

 Osobny artykuł: Glikoliza.

Pierwszy etap utleniania heksoz zachodzi w cytozolu i jest określany nazwą glikoliza lub szlak Embdena-Meyerhofa-Parnasa. Najczęściej na szlak glikolityczny wchodzi glukoza, która może powstawać z rozkładu cukrów zapasowych np. skrobi lub glikogenu. Jednak inne cukry sześciowęglowe mogą także łatwo wziąć udział w glikolizie. Dekstroza (jak i inne heksozy) są do niego włączane dzięki fosforylacji.

Schemat glikolizy i szlaków wprowadzających inne heksozy. Kolor czerwony oznaczono ścieżki glikolizy. Kolorem zielonym ścieżki występujące tylko u roślin. Kolorem różowym włączanie innych heksoz niż glukoza. Oznaczenia enzymów: 1 – heksokinaza, 2 – izomeraza heksozofosforanowa, 3 – 1-fosfofruktokinaza (ATP-fosfofruktokinaza), 4 – aldolaza, 5 – izomeraza triozofosforanowa, 6 – dehydrogenaza aldehydu 3-fosfoglicerynowego, 7 – kinaza fosfoglicerynianu, 8 – mutaza fosfoglicerynianu, 9 – enolaza, 10 – kinaza pirogronianowa, 11 – 1-fosfotransferaza pirofosforan–fruktoza-6-fosforan, 12 – fosfofruktokinaza, 13 – inwertaza, 14 – mutaza glukozofosforanowa, 15 – fosforylaza skrobiowa, 16 – galaktokinaza, 17 – urydylotransferaza galaktozo-1-fosforanu, 18 – 4-epimeraza UDP-galaktozy.

W pierwszym etapie glikolizy glukoza lub inna heksoza ulega fosforylacji. Reakcję tę przeprowadza enzym – heksokinaza [EC 2.7.1.1], zużywając cząsteczkę ATP. Powstała cząsteczka glukozo-6-fosforanu przekształcana jest do fruktozo-6-fosforanu przez izomerazę heksozofosforanową [EC 5.3.1.9]. Reakcja ta jest odwracalna. W podobny sposób do fruktozo-6-fosforanu mogą być przekształcane inne fosfoheksozy. Fruktoza, która jest produktem rozkładu często występującego u roślin cukru zapasowego, sacharozy, jest przekształcana bezpośrednio do fruktozo-6-fosforanu poprzez przyłączenie reszty fosforanowej z ATP przez fruktokinazę. Wytworzony fruktozo-6-fosforanu ulega fosforylacji w pozycji 1 katalizowanej przez 1-fosfofruktokinazę (ATP-fosfofruktokinazę) [EC 2.7.1.11], co prowadzi do powstania fruktozo-1,6-bisfosforanu. Podobnie jak przy fosforylacji glukozy zużywana jest cząsteczką ATP, a reakcja jest nieodwracalna. W komórkach roślinnych przekształcenie fruktozo-6-fosforanu do fruktozo-1,6-bisfosforanu może być także przeprowadzane przez 1-fosfotransferazę pirofosforan – fruktozo-6-fosforan (PP-fosfofruktodikinaza). W tym przypadku reszta fosforanowa pochodzi z pirofosforanu, a reakcja jest odwracalna. Aktywność PP-fosfofruktodikinazy jest większa w tkankach intensywnie rosnących. W komórkach o stosunkowo wolnym metabolizmie przeważa aktywność ATP-fosfofruktokinazy. Powstały fruktozo-1,6-bifosforan jest rozkładany na dwie cząsteczki: aldehyd 3-fosfoglicerynowy i fosfodihydroksyaceton. Reakcję katalizuje aldolaza fruktozobisfosforanowa [EC 4.1.2.13]. Powstanie dwóch trioz jest końcem pierwszego etapu glikolizy.

W drugim etapie aldehyd 3-fosfoglicerynowy zostaje utleniony do 1,3-bisfosfoglicerynianu. Reakcję tę katalizuje dehydrogenaza aldehydu 3-fosfoglicerynowego [EC 1.2.1.12]. Energia wyzwolona podczas utleniania aldehydu 3-fosfoglicerynowego wystarcza do zredukowania cząsteczki NAD do NADH oraz ufosforylowania powstającego kwasu 1,3-bisfosfoglicerynowego przez przyłączenie fosforanu nieorganicznego. Fosfodihydroksyaceton także wchodzi w opisaną reakcję, po odwracalnym przekształceniu do aldehydu 3-fosfoglicerynowego przez izomerazę triozofosforanową [EC 5.3.1.1]. Kwas 1,3-bisfosfoglicerynowy traci jedną z grup fosforanowych, przekazując ją na ADP. Reakcję przeniesienia fosforanu na ADP przeprowadza kinaza fosfoglicerynianowa [EC 2.7.2.3], co prowadzi do powstania cząsteczki ATP (fosforylacja substratowa) oraz 3-fosfoglicerynianu. Związek ten może być łatwo przekształcony do 2-fosfoglicerynianu w odwracalnej reakcji katalizowanej przez mutazę fosfoglicerynianu [EC 5.4.2.1]. 2-fosfoglicerynian w kolejnej odwracalnej reakcji zostaje przekształcony w fosfoenolopirogronian (PEP) przez enolazę [EC 4.2.1.11], która odłącza cząsteczkę wody. Energia zawarta w fosfoenolopirogronianie zostaje wykorzystana do syntezy kolejnej cząsteczki ATP w ostatniej reakcji nieodwracalnej glikolizy katalizowanej przez enzym, kinazę pirogronianową [EC 2.7.1.40], której efektem działania jest powstanie ostatecznego produktu glikolizy: pirogronianu.

W efekcie zachodzenia szlaku glikolitycznego jedna cząsteczka glukozy przekształcana jest do dwóch cząsteczek pirogronianu, zużywane są dwie cząsteczki ATP, a powstają 2 cząsteczki NADH oraz 4 cząsteczki ATP. Powstające w procesie glikolizy ATP jest efektem przenoszenia reszty fosforanowej z substratu na ADP przez odpowiednie enzymy i nosi nazwę fosforylacji substratowej.

Oksydacyjny szlak pentozofosforanowy i jego powiązania z glikolizą

 Osobny artykuł: szlak pentozofosforanowy.

Oksydacyjny szlak pentozofosforanowy i jego powiązania z glikolizą. 1 – heksokinaza, 2 – dehydrogenaza glukozo-6-fosforanu, 3 – laktonaza 6-fosfoglukonianu, 4 – dehydrogenaza 6 – fosfoglukonianu, 5 – epimeraza rybulozo-5-fosforanu, 6 – transketolaza, 7 – transaldolaza, 8 – transketolaza.

Glukoza może zostać utleniona także inną drogą niż opisana wyżej glikoliza. W cytozolu komórki glukoza może zostać przekszatłcona w rybulozo-5-fosforan w oksydacyjnym szlaku pentozofosforanowym. Metabolity tego szlaku są wspólne z metabolitami glikolizy, dzięki czemu zwiększa się ilość glukozy utlenianej w ogólnym metabolizmie oddechowym.

Podobnie jak w glikolizie, pierwsza reakcja polega na ufosforylowaniu glukozy w pozycji 6. Powstały glukozo-6-fosforan przekształcany jest do 6-fosfoglukonolaktonu przez dehydrogenazę glukozo-6-fosforanu [EC 1.1.1.49]. W reakcji tej redukcji ulega cząsteczka NADP i powstaje NADPH. 6-fosfoglukonolakton przekształcany jest do 6-fosfoglukonianu poprzez przyłączenie cząsteczki H2O przez laktonazę 6-fosfoglukonianu [EC 3.1.1.31]. Powstały 6-fosfoglukonian zostaje przekształcony do związku pięciowęglowego poprzez dekarboksylację przy jednoczesnej redukcji kolejnej cząsteczki NADP do NADPH. Reakcję przeprowadza dehydrogenaza 6-fosfoglukonianu [EC 1.1.1.43], a powstaje w niej rybulozo-5-fosforan. Opisany szereg reakcji określany jest jako faza oksydacyjna szlaku pentozofosforanowego.

W kolejnych reakcjach rybulozo-5-fosforan może zostać przekształcony do związków włączanych w glikolizę. Z rybulozo-5-fosforanu powstaje rybozo-5-fosforan, w reakcji katalizowanej przez izomerazę rybozo-5-fosforanu [EC 5.3.1.6], lub ksylulozo-5-fosforan w reakcji katalizowanej przez epimerazę rybulozo-5-fosforanu [EC 5.1.3.1]. Poprzez przenoszenie fragmentów łańcucha węglowego pomiędzy rybozo-5-fosforanem a ksylulozo-5-fosforanem powstaje sedoheptulozo-7-fosforan oraz aldehyd 3-fosfoglicerynowy. Reakcje przeprowadza transketolaza [EC 2.2.1.1], enzym przenoszący dwuwęglowy fragment z ketozy na aldozę. Aldehyd 3-fosfoglicerynowy oraz sedoheptulozo-7-fosforan biorą udział w kolejnej reakcji przeprowadzanej przez transaldolazę [EC 2.2.1.2], w wyniku której powstają fruktozo-6-fosforan i erytrozo-4-fosforan. Oba wytworzone związki mogą zostać przekształcone przez transketolazę do aldehydu 3-fosfoglicerynowego i ksylulozo-5-fosforanu.

Dwa spośród metabolitów opisanych przekształceń są jednocześnie związkami biorącymi udział w glikolizie i mogą być w nią włączane. Są to aldehyd 3-fosfoglicerynowy oraz fruktozo-6-fosforan.

Dekarboksylacja pirogronianu

Powstały w glikolizie pirogronian w komórkach eukariotycznych jest transportowany do matriks mitochondrialnej przez przenośnik znajdujący się w błonie mitochondrialnej. W matriks mitochondrialnej pirogronian jest oksydacyjnie dekarboksylowany przez kompleks enzymatyczny dehydrogenazy pirogronianowej. W jego skład wchodzi wiele kopii pięciu różnych enzymów. Są to dehydrogenaza pirogronianowa (PDH) [EC 1.2.4.1], acetylotransferaza dihydrolipoamidowa [EC 2.3.1.12] i dehydrogenaza dihydrolipoamidowa [EC 1.8.1.4] przekształcające pirogronian do acetylo-CoA oraz kinaza dehydrogenazy pirogronianowej i fosfataza P-PDH, które poprzez odwracalną fosforylację dehydrogenazy pirogronianowej regulują aktywność całego kompleksu. Cała reakcja przebiega wg równania:

pirogronian + CoA + NAD → Acetylo-CoA + NADH + CO2 + H

Jednocześnie z dekarboksylacją, która prowadzi do powstania cząsteczki CO2, redukcji ulega jedna cząsteczka NAD, a dwuwęglowy fragment łańcucha pirogronianu przenoszony jest na koenzym A.

Dostarczanie substratów do cyklu Krebsa w mitochondriach roślin

Transport pirogronianu przez przenośnik pirogronianowy jest głównym sposobem jego dostarczenia do mitochondriów. W komórkach roślinnych istnieje także drugi sposób dostarczenia do matriks mitochondrialnej kluczowego dla dalszych etapów oddychania zawiązku. Pirogronian może być wytwarzany w matriks przez dehydrogenazę jabłczanową dekarboksylującą, nazywaną także enzymem jabłczanowym. Enzym ten przeprowadza reakcję dekarboksylacji jabłczanu, co wiąże się ze zredukowanie cząsteczki NAD. Jabłczan do mitochondriów dostarczany jest przez przenośnik kwasów dikarboksylowych z cytozolu, gdzie powstaje z fosfoenolopirogronianu będącego metabolitem glikolizy. Fosfoenolopirogronian przekształcany jest karboksylazę fosfoenolopirogronianu do szczawiooctanu poprzez przyłączenie cząsteczki CO2. Powstały szczawiooctan redukowany jest do jabłczanu przez dehydrogenazę jabłczanową i zużywającą do redukcji NADH obecny w cytozolu. Przenoszenie jabłczanu przez wewnętrzną błonę mitochondrialną dostarcza pirogronianu dla kompleksu dekarboksylazy pirogronianu lub też jabłczan jest bezpośrednio włączany w cykl Krebsa. Istotne jest przeniesienie w postaci jabłczanu także siły redukcyjnej (NADH) odtwarzanej przez enzym jabłczanowy w matriks. Enzym jabłczanowy może również dekarboksylować jabłczan wytwarzany w cyklu Krebsa tworząc alternatywny cykl metaboliczny.

Cykl Krebsa

 Osobny artykuł: Cykl kwasu cytrynowego.

Powstały na skutek dekarboksylacji pirogronianu acetylo-CoA jest substratem dla kolejnego etapu oddychania: cyklu Krebsa – szeregu reakcji biochemicznych zachodzących w macierzy mitochondrialnej. W reakcjach tych ze związków organicznych wytwarzany jest CO2 oraz związki wysokoenergetyczne w postaci NADH, FADH2 oraz GTP lub ATP.

W pierwszej reakcji reszta acylowa z acetylo-CoA przyłączana jest do cząsteczki szczawiooctanu przez enzym syntazę cytrynianową [EC 2.3.3.1]. W wyniku tej reakcji powstaje cząsteczka cytrynianu oraz odtwarzany jest koenzym A. Cytrynian przekształcany jest do izocytrynianu przez akonitazę [EC 4.2.1.3]. Reakcja ta jest odwracalna, a jej produktem pośrednim jest cis-akonitan – związany z cząsteczka enzymu. Izocytrynian zawierający sześć atomów węgla ulega kolejno utlenieniu i dekarboksylacji przeprowadzanej przez dehydrogenazę izocytrynianową [EC 1.1.1.42]. W wyniku tej reakcji powstaje cząsteczka α-ketoglutaranu, określanego także 2-oksoglutaranem, cząsteczka CO2 oraz NAD jest redukowany do NADH. Pięciowęglowy α-ketoglutaran (2-oksoglutaran) ulega kolejnej dekarboksylacji przeprowadzanej przez kompleks enzymatyczny dehydrogenazy α-ketoglutaranowej [EC 1.2.4.2]. W tej reakcji również powstaje CO2 i ulega redukcji kolejna cząsteczka NAD, a czterowęglowy produkt zostaje przeniesiony na koenzym A, tworząc bursztynylo-CoA. Powstały bursztynylo-CoA rozkładany jest na bursztynian i cząsteczkę koenzymu A, w wyniku reakcji hydrolizy. Reakcję tę katalizuje syntetaza bursztynylo-CoA, a energia wyzwalana podczas reakcji pozwala ufosforylować cząsteczkę GDP do GTP w mitochondriach części zwierząt [EC 6.2.1.4] lub ADP do ATP w mitochondriach pozostałych organizmów [EC 6.2.1.5]. Podobnie jak w glikolizie, GTP lub ATP powstaje na drodze fosforylacji substratowej. W kolejnej (odwracalnej) reakcji bursztynian ulega dehydrogenacji przeprowadzanej przez dehydrogenazę bursztynianową [EC 1.3.5.1] – jedyny enzym cyklu, który nie jest białkiem rozpuszczalnym, lecz osadzonym w wewnętrznej błonie mitochondrialnej, zawierającym grupę prostetyczną w postaci FAD. Podczas przekształcania bursztynianu do fumaranu dinukleotyd flawinoadeninowy ulega redukcji, przechodząc w FADH2. Fumaran ulega przekształceniu do jabłczanu poprzez przyłączenie cząsteczki H2O katalizowane przez fumarazę [EC 4.2.1.2]. Z jabłczanu odtwarzany jest pierwszy związek cyklu – szczawiooctan. Reakcję katalizuje dehydrogenaza jabłczanowa [EC 1.1.1.37]. Powstaje w niej ostatnia, trzecia, cząsteczka NADH wytwarzana w jednym obrocie cyklu. Dwie ostanie reakcje są odwracalne, a powstały szczawiooctan może przyłączyć kolejną resztę acylową.

Przebieg cyklu kwasu cytrynowego. W przypadku roślin ufosforylowana zostaje cząsteczka ADP. W mitochondriach zwierzęcych ufosforylowana zostaje cząsteczka GDP.

W wyniku jednego obrotu cyklu reszta acylowa zostaje przekształcona do dwóch cząsteczek CO2, a jednocześnie energia wiązań chemicznych przeniesiona zostaje na trzy cząsteczki NADH, jedną cząsteczkę FADH2 oraz cząsteczkę GTP lub ATP. W celu włączenia dwóch reszt acylowych powstałych z cząsteczki glukozy w procesie glikolizy cykl Krebsa musi zajść dwukrotnie.

Mitochondrialny łańcuch transportu elektronów i fosforylacja oksydacyjna

 Osobne artykuły: Łańcuch oddechowy i  Fosforylacja oksydacyjna.

Powstałe w cyklu Krebsa zredukowane nukleotydy NADH i FADH2 mogą zostać utlenione na kompleksach enzymatycznych wchodzących w skład łańcuch oddechowy, a energia zostaje zgromadzona w postaci gradientu elektrochemicznego. W procesie określanym fosforylacją oksydacyjną energia gradientu elektrochemicznego służy do sytezy ATP. Reakcje łańcucha oddechowego zachodzą na kilku kompleksach białkowych będących elementami wewnętrznej błony mitochondriów. W efekcie utleniania NADH i FADH2 protony z matriks mitochondrialnej przenoszone są do przestrzeni międzybłonowej. Energia zgromadzona w postaci gradientu stężeń protonów i różnicy potencjału, określana nazwą potencjału elektrochemicznego, wykorzystana jest do wytwarzania ATP.

Schemat przenoszenia elektronów w mitochondriach. Kolorem zielonym oznaczono kompleksy obecne jedynie w mitochondriach roślinnych. AOX – oksydaza alternatywna, ID – wewnętrzna dehydrogenaza NADH, OD – zewnętrzna dehydrogenaza NAD(P)H, GPDH – mitochondrialna dehydrogenaza glicerolo-3-fosforanu, K I – kompleks I, K II – kompleks II, K III – kompleks III, K IV – oksydaza cytochromowa, K V – syntaza ATP, Q – ubichinon, cyt. c – cytochrom c.

Kompleks I nazywany dehydrogenazą NADH [EC 1.6.5.3] pobiera elektrony z NADH znajdującego się w macierzy mitochondrialnej i przekazuje je na ubichinon – chinon, który ze względu na swój hydrofobowy charakter może swobodnie przemieszczać się w błonie mitochondrialnej. Ubichinon po przyjęciu dwóch elektronów pobiera z matriks mitochondrialnej dwa protony i przechodzi w swoją zredukowaną formę – ubichinol. W skład kompleksu I wchodzi kilka przenośników elektronów, w tym mononukteotyd flawinowy (FMN) oraz kilka białek z centrami żelazo-siarkowymi. NADH może być utleniane przez kompleks I jedynie w matriks mitochondrialnym, gdyż tylko po tej stronie białko kompleksu posiada miejsce wiązania NADH. Podczas utleniania NADH protony z matriks mitochondrialnej przenoszone są do przestrzeni międzybłonowej. Przejściu dwóch elektronów z NADH na ubichonon towarzyszy przeniesienie czterech protonów z matriks do przestrzeni międzybłonowej.

Kompleks II to jeden z enzymów cyklu Krebsa – dehydrogenaza bursztynianowa [EC 1.3.5.1] zawierająca kilka centrów żelazo-siarkowych oraz dinukleotyd flawinoadeninowy redukowany podczas przekształcania bursztynianu w fumaran. Elektrony ze zredukowanego FADH2 podobnie jak w przypadku kompleksu I przekazywane są za pośrednictwem centrów Fe-S na ubichinon, który ulega redukcji do ubichinolu. Kompleks II nie jest białkiem transbłonowym i nie posiada zdolności do przenoszenia protonów przez wewnętrzną błonę.

Zredukowany na kompleksie I lub II ubichinon (ubichinol) przemieszcza się w błonie mitochondrialnej do kompleksu III łańcucha oddechowego nazywanego kompleksem bc1 lub oksydoreduktazą ubichinon-cytochrom c [EC 1.10.2.2]. Kompleks ten zawiera dwa cytochromy b, białko Rieskiego oraz cytochrom c1. Na kompleksie III zachodzi cykl Q, w wyniku którego dodatkowe protony przemieszczane są z matriks do przestrzeni międzybłonowej. Elektrony ze zredukowanego ubichinonu przenoszone są na cytochrom c – niewielkie hydrofilowe białko znajdujące się po stronie przestrzeni międzybłonowej, które po zredukowaniu na kompleksie III przenosi elektrony na kompleks IV.

Kompleks IV to oksydaza cytochromowa [EC 1.9.3.1], która obiera elektrony od cytochromu c i przekazuje je na cząsteczkę O2. Po przeniesieniu 4 elektronów z macierzy mitochondrialnej pobierane są 4 protony i powstają dwie cząsteczki H2O. Oksydaza cytochromowa składa się z 13 podjednostek, zawiera także dwa hemy A i trzy jony miedzi ulokowane w centrach miedziowych. Cząsteczka O2 przyłączana jest do zredukowanego żelaza hemu. Dostarczenie trzech elektronów przez cytochrom c powoduje rozerwanie cząsteczki tlenu na grupę ferrytową przy hemie Fe=O i grupę —OH związaną z jonem Cu. Czwarty elektron redukuje grupę ferrytową do Fe—OH. Obie grupy OH po przyłączeniu protonów przekształcają się w dwie cząsteczki wody. Wszystkie cztery protony pobierane są z matriks, zwiększając gradient protonowy. Cztery protony są przez kompleks IV przenoszone do przestrzeni międzybłonowej, w efekcie z matriks mitochondrialnej ubywa osiem protonów.

W wyniku przenoszenia elektronów pomiędzy kompleksami I-IV jony H przenoszone są z matriks mitochondrialnej do przestrzeni międzybłonowej. Zgromadzoną w tej postaci energię wykorzystuje kompleks V (tzw. czynnik sprzęgający), czyli syntaza ATP [EC 3.6.3.14] składająca się z dwóch elementów: podjednostki F0 stanowiącej kanał jonowy oraz podjednostki F1 znajdującej się po stronie matriks przyłączającej do cząsteczki ADP fosforan nieorganiczny, wykorzystując energię potencjału elektrochemicznego. Wytworzenie jednej cząsteczki ATP wymaga przejścia do matriks 3,33 protonów.

Włączanie cytozolowego NADH do łańcucha oddechowego

Na opisanych powyżej kompleksach łańcucha transportu elektronów utlenione może być NADH wytworzone w matriks mitochondrialnym. Wewnętrzna błona mitochondrialna nie przepuszcza jednak dla większości substancji chemicznych. Nie jest więc możliwe proste przeniesienie NADH powstałego w procesie glikolizy do wnętrza mitochondriów i jego utlenienie. Zwierzęta rozwiązały ten problem na dwa sposoby.

Pierwszy z nich polega na użyciu NADH do redukcji fosfodihydroksyacetonu, jednego z metabolitów glikolizy. Fosfodihydroksyaceton redukowany jest przez cytozolową dehydrogenazę glicerolo-3-fosforanu do glicerolo-3-fosforanu. Związek ten w przestrzeni międzybłonowej utleniany jest przez białko leżące na zewnątrz wewnętrznej błony mitochondrialnej o podobnej budowie jak kompleks II łańcucha oddechowego – mitochondrialną dehydrogenazę glicerolo-3-fosforanu odtwarzającą fosfodihydroksyaceton przy jednoczesnej redukcji grupy prostetycznej mitochondrialnej dehydrogenazy. Powstały FADH2 oddaje elektrony na chinon z puli błonowej. Dalsze losy elektronów są takie jak w klasycznym łańcuchu oddechowym. Redukcja NADH przez mitochondrialną dehydrogenazę glicerolo-3-fosforanu omija kompleks I, stąd ilość protonów przenoszonych przez błonę przy tej drodze utleniania NADH cytozolowego jest mniejsza, a tym samym sposobem powstaje mniej cząsteczek ATP.

Drugim sposobem włączenia cytozolowego NADH jest zużycie go do redukcji szczawiooctanu. Powstały w reakcji jabłczan przenoszony jest do wnętrza mitochondrium przez przenośnik zlokalizowany w wewnętrznej błonie mitochondrialnej. W matriks odtwarzany jest szczawiooctan i NADH w reakcji katalizowanej przez dehydrogenazę jabłczanową – jeden z enzymów cyklu Krebsa. Powstały w matriks szczawiooctan powraca do cytozolu w postaci asparaginianu wytwarzanego w reakcji transaminacji z glutaminianem jako dawcą grupy aminowej. Po przejściu do cytozolu asparaginian przekształcany jest w szczawiooctan w reakcji dezaminacji. Dzięki dwóm przenośnikom wewnętrznej błony mitochondrialnej, przenoszącym jabłczan i asparaginian, możliwe jest utlenienie cytozolowego NADH w opisanym powyżej łańcuchu oddechowym bez strat energii. Straty te występują w pierwszym z opisanych sposobów włączania NADH do łańcucha oddechowego. Odpowiednie przenośniki są obecne w wewnętrznej błonie mitochondrialnej komórek serca i wątroby człowieka.

Łańcuch oddechowy w mitochondriach roślinnych

W mitochondriach roślin łańcuch oddechowy może zachodzić w taki sam sposób jak opisany powyżej lub mogą zostać wykorzystane kompleksy białkowe nieobecne w mitochondriach zwierzęcych. Charakterystyczne dla mitochondriów roślinnych są dwie dehydrohenazy NADH, z których pierwsza znajduje się po zewnętrznej stronie wewnętrznej błony mitochondrialnej i może odbierać elektrony od NADH i NADPH obecnych w cytozolu i stosunkowo łatwo przechodzących przez zewnętrzną błonę mitochondrialną. Druga Dehydrogenaza specyficzna dla mitochondriów roślinnych występuję po wewnętrznej stronie wewnętrznej błony mitochondrialnej i może odbierać elektrony z NADH obecnego w matriks mitochondrialnym. Obie z wymienionych dehydrogenaz przekazują elektrony na ubichinon. Wspólna cechą jest także brak transportu protonów przez wewnętrzną błonę mitochondrialną, a więc nie biorą one udziału w wytwarzaniu gradientu elektrochemicznego, jak ma to miejsce w przypadku kompleksy I. Utlenienie NADH na dodatkowych dehydrogenaz prowadzi więc do wytwarzania mniejszych ilości ATP.

Wyjątkowym kompleksem występującym w mitochondriach roślin jest także oksydaza alternatywna. W mitochondriach zwierzęcych podanie cyjanku powoduje spadek intensywności oddychania do ułamka procenta wartości w warunkach normalnych. U roślin podanie cyjanku skutkuje jedynie obniżeniem oddychania do wartości 10-25% oddychania w normalnych warunkach. Cyjanek (KCN) jest inhibitorem oksydazy cytochromowej – kompleksy IV łańcuch oddechowego. Oksydaza alternatywna obecna w mitochondriach roślin umożliwia przeniesienie elektronów na tlen bezpośrednio ze zredukowanego ubichinonu z pominięciem kompleksu III i kompleksu IV. NADH zostaje utlenione, wytwarzana jest woda, jednak protony przenoszone są do przestrzeni mitochondrialnej jedynie przez kompleks I, lub w przypadku utleniania NADH na dehydrogenazie wewnętrznej nie są przenoszone przez błonę. Transport elektronów przez oksydazę alternatywną nie prowadzi więc do wytworzenia gradientu elektrochemicznego i syntezy ATP. Biologiczny sens działania alternatywnej drogi oddechowej nie jest dokładnie wyjaśniony. Wiadomo, że rośliny rezygnując z wytwarzania ATP, mogą uwalniać energię NADH w postaci ciepła i w ten sposób ogrzewać swój organizm lub kwiat zwiększając parowanie substancji przywabiających owady. Roślina Symplocarpus foetidus – kapusta skunksa – z rodziny obrazkowatych jest w stanie podgrzać swój kwiat o 14 °C w stosunku do otoczenia. Alternatywny szlak oddechowy może odgrywać rolę "wentyla bezpieczeństwa" – umożliwiać zachodzenie łańcucha oddechowego a co za tym idzie cyklu Krebsa w warunkach braku zapotrzebowania na ATP. Cykl Krebsa jest ważnym szlakiem metabolicznym nie tylko ze względu na utlenianie związków organicznych, lecz także na syntezę szkieletów węglowy niezbędnych do syntezy aminokwasów.

Transport substancji przez błonę mitochondrialną

Wytworzony w łańcuchu oddechowym gradient elektrochemiczny jest potrzebny nie tylko do działania syntazy ATP. Ciągły transport ATP do cytozolu oraz powrót ADP i Pi z cytozolu do matriks mitochondrialnej związany jest z usunięciem jednego ładunku ujemnego z matriks do przestrzeni międzybłonowej. Oznacza to zmniejszenie gradientu protonowego. W wewnętrznej błonie mitochondrialnej znajduje się wiele białek transportowych noszących nazwę przenośników. Przez translokazę ATP-ADP przenoszone są ATP i ADP. Przez przenośnik fosforanowy fosforan nieorganiczny trafia do matriks, a jon wodorotlenowy OH do przestrzeni międzybłonowej. Przez przenośnik kwasów dikarboksylowych z mitochondrium transportowane są: jabłczan, bursztynian, fumaran, a tym samym przenośnikiem wnika do matriks fosforan. Przenośnik pirogronianowy przenosi pirogronian powstały w glikolizie do matriks, którą w zamian opuszcza jon OH, także zmniejszając gradient elektrochemiczny.

Wydajność produkcji ATP

W opisanych powyżej przemianach glukoza może być utleniona do CO2 i H2O z jednoczesną syntezą cząsteczek ATP magazynujących uwalnianą energię. Ustalenie dokładnej liczby cząsteczek ATP powstałych podczas utlenienia jednej cząsteczki glukozy nie jest jednak możliwe ścisłymi i niezmienianymi ilościami są jedynie cząsteczki ATP powstałe w fofosforylacji substratowej podczas glikolizy oraz ATP lub GTP powstałe w takiej samej reakcji w cyklu Krebsa. Przy założeniu działania ATP-fosfofruktokinazy podczas fosforylacji fruktozo-6-fosforanu do fruktozo-1,6-fosforanu w procesie glikolizy zastają zużyte dwie cząsteczki ATP, a powstają 4, co daje efekt netto 2 wytworzonych cząsteczek. Przemiany dwóch cząsteczek acetylo-CoA w cyklu Krebsa prowadza do wytworzenia dwóch cząsteczek ATP lub ich odpowiedników (GTP). Wszystkie te reakcji przebiegają stechiometrycznie i powstające 4 cząsteczki ATP muszą być wytworzone. Pozostałe cząsteczki ATP wytwarzane są w łańcuchu oddechowym sprzężonym z syntazą ATP. Reakcje te nie są jednak stechiometryczne i nie jest możliwe dokładne wyliczenie cząsteczek ATP powstałych podczas utleniania NADH i FADH2. Jak wspomniano wyżej, cześć energii, zgromadzonej w postaci gradientu elektrochemicznego, zużyta zostaje do transportu substancji przez błony mitochondrialne i nie jest wykorzystana do syntezy ATP. Drogi utleniania NADH w łańcuchu oddechowym nie są stałe. NADH wytworzone podczas glikolizy może być utlenione przez mitochondrialną dehydrogenazę glicerolo-3-fosforanu lub przeniesione do matriks w postaci jabłczanu w utlenione na kompleksie I. W pierwszym przypadku ilość protonów przeniesionych przez błonę mitochondrialną jest mniejsza, co odpowiada mniejszej ilości wytworzonego ATP. W mitochondriach roślin ilość możliwych dróg elektronów jest jeszcze większa. Elektrony mogą być przekazywane na oksydazę cytochromową i przenoszącą protony przez błonę lub na oksydazę alternatywną niewytwarzającą gradientu protonowego. Dokładna analiza wszystkich możliwych sposobów utleniania NADH i FADH2 jest nadal prowadzona przez naukowców. Aby określić liczbę cząsteczek ATP powstających w łańcuchu oddechowym, doświadczalnie wyznacza się wskaźnik ADP/O, czyli ile tlenu zużyją mitochondria po podaniu określonej ilości ADP, dla różnych substratów oddechowych. W celu określenia stosunku ADP/O dla FADH2 do wyizolowanych mitochondriów dodaje się bursztynian, będący substratem kompleksu II łańcucha oddechowego. W celu Określenia ADP/O dla NADH podaje się jabłczan redukowany w matriks z wytworzeniem NADH. Mitochondriom roślinnym można także podać ANDH w celu wyznaczenia ADP/O dla utleniania na zewnętrznej dehydrogenazie. Poniżej przedstawiono tabelę z wyliczeniem powstającego podczas utleniania jednej cząsteczki glukozy ATP dla wartości ADP/O uśrednionych z wielu pomiarów. W przypadku utleniania NADH cytozolowego przez dehydrogenazę aldehydu 3-fosfo glicerynowego podawana ilość powstałego ATP około 30 cząsteczek. Wcześniej podawana była ilość 36 cząsteczek ATP dla zaokrąglonych do całości wartość dla NADH i FADH2. Elementem wpływającym na sprawność zamiany gradientu protonowego na ATP są także białka transportujące protony z przestrzeni międzybłonowej do matriks – termogeniny – występujące w brunatnej tkance tłuszczowej zwierząt. Białka te powodują uwolnienie energii zgromadzonej w gradiencie protonowym w postaci ciepła bez syntezy ATP. Podobną rolę u roślin może odgrywać oksydaza alternatywna.