Фотосинтез и дыхание - два процесса, лежащие в основе жизни. Они оба происходят в клетке. Первый - в растительных и некоторых бактериальных, второй - и в животных, и в растительных, и в грибных, и в бактериальных.
Можно сказать, что клеточное дыхание и фотосинтез - процессы, противоположные друг другу. Отчасти это правильно, так как при первом поглощается кислород и выделяется а при втором - наоборот. Однако эти два процесса некорректно даже сравнивать, поскольку они происходят в разных органоидах с использованием разных веществ. Цели, для которых они нужны, тоже различны: фотосинтез необходим для получения питательных веществ, а клеточное дыхание - для выработки энергии.
Фотосинтез: где и как это происходит?
Это химическая реакция, направленная на получение органических веществ из неорганических. Обязательным условием протекания фотосинтеза является присутствие солнечного света, так как его энергия выступает в роли катализатора.
Фотосинтез, характерный для растений, можно выразить следующим уравнением:
- 6СО 2 + 6Н 2 О = С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 .
То есть из шести молекул диоксида карбона и стольких же молекул воды в присутствии солнечного света растение может получить одну молекулу глюкозы и шесть кислорода.
Это самый простой пример фотосинтеза. Кроме глюкозы в растениях могут синтезироваться и другие, более сложные углеводы, а также органические вещества из других классов.
Вот пример выработки аминокислоты из неорганических соединений:
- 6СО 2 + 4Н 2 О + 2SO 4 2- + 2NO 3 - + 6Н + = 2C 3 H 7 O 2 NS + 13О 2 .
Аэробное клеточное дыхание характерно для всех остальных организмов, в том числе животных и растений. Оно происходит при участии кислорода.
У представителей фауны клеточное дыхание происходит в специальных органоидах. Они называются митохондриями. У растений также клеточное дыхание происходит в митохондриях.
Этапы
Клеточное дыхание проходит в три стадии:
- Подготовительный этап.
- Гликолиз (анаэробный процесс, не требует кислорода).
- Окисление (аэробный этап).
Подготовительный этап
Первый этап заключается в том, что сложные вещества в пищеварительной системе расщепляются на более простые. Таким образом, из белков получаются аминокислоты, из липидов - жирные кислоты и глицерин, из сложных углеводов - глюкоза. Эти соединения транспортируются в клетку, а затем - непосредственно в митохондрии.
Гликолиз
Он заключается в том, что под действием ферментов глюкоза расщепляется до пировиноградной кислоты и атомов водорода. При этом образуется Этот процесс можно выразить таким уравнением:
- С 6 Н 12 О 6 = 2С 3 Н 3 О 3 + 4Н + 2АТФ.
Таким образом, в процессе гликолиза из одной молекулы глюкозы организм может получить две молекулы АТФ.
Окисление
На данном этапе образовавшаяся во время гликолиза под действием ферментов реагирует с кислородом, в результате чего образуется углекислый газ и атомы водорода. Эти атомы затем транспортируются на кристы, где окисляются, образуя воду и 36 молекул АТФ.
Итак, в процессе клеточного дыхания в общей сложности образуется 38 молекул АТФ: 2 на втором этапе и 36 - на третьем. Аденозинтрифосфорная кислота и есть основной источник энергии, которым митохондрии снабжают клетку.
Структура митохондрий
Органоиды, в которых происходит дыхание, есть и в животных, и в растительных, и в Они обладают шаровидной формой и размером около 1 микрона.
Митохондрии, как и хлоропласты, имеют две мембраны, разделенные межмембранным пространством. То, что находится внутри оболочек этого органоида, называется матриксом. В нем находятся рибосомы, митохондриальная ДНК (мтДНК) и мтРНК. В матриксе проходит гликолиз и первая стадия окисления.
Из внутренней мембраны формируются складки, похожие на гребни. Они называются кристами. Здесь проходит вторая стадия третьего этапа клеточного дыхания. Во время нее образуется больше всего молекул АТФ.
Происхождение двухмембранных органоидов
Учеными доказано, что структуры, которые обеспечивают фотосинтез и дыхание, появились в клетке путем симбиогенеза. То есть когда-то это были отдельные организмы. Этим объясняется то, что и в митохондриях, и в хлоропластах есть свои рибосомы, ДНК и РНК.
Основные понятия и ключевые термины: КЛЕТОЧНОЕ ДЫХАНИЕ. АНАЭРОБНОЕ ДЫХАНИЕ. АЭРОБНОЕ ДЫХАНИЕ.
Вспомните! Что такое дыхание?
Вступительное упражнение
Определите последовательность процессов пищеварения в организме человека после того, как в его ротовую полость попал кусочек шоколадно-бананового торта: г) полостное переваривание в двенадцатиперстной кишке белков, жиров и углеводов; э) медленное измельчение пищи и её увлажнение; н) расщепление амилазами слюны углеводов, имеющихся в торте;
е) склеивание пищи в пищевые комочки и их перемещение пищеводом в желудок; и) окончательное пристенное пищеварение сложных молекул и всасывание малых молекул в кровь и лимфу; р) расщепление в желудке бисквитных белков и жиров молока; я) транспортирование аминокислот, жирных кислот и глюкозы в клетки с помощью крови и лимфы. Какое слово получили?
Каково биологическое значение клеточного дыхания?
Основные питательные вещества для клеток - это аминокислоты, жирные кислоты и глюкоза. Дыхание является процессом, при котором эти вещества расщепляются и высвобождают химическую энергию. Выделяют два основных типа клеточного дыхания: анаэробный и аэробный.
АЭРОБНОЕ ДЫХАНИЕ - совокупность процессов биологического окисления питательных веществ и получения энергии с участием кислорода. Расщепление органических веществ происходит с образованием конечных продуктов окисления Н 2 О и СО 2 . Аэробное дыхание характерно для подавляющего большинства эукариотических клеток. Начинается гликолиз в цитоплазме и продолжается в митохондриях.
При аэробном окислении кислород служит акцептором (приёмником) электронов и протонов водорода с образованием воды. Аэробное дыхание - самый совершенный способ получения энергии. Его энергетический эффект примерно в 20 раз больше, чем при анаэробном дыхании.
Процессы дыхания сходны по многим признакам в клетках организмов разных царств живой природы. Признаками сходства являются образование таких универсальных веществ, как пировиноградная кислота и АТФ, использование кислорода в роли акцептора электронов и водорода, расщепление до конечных продуктов Н 2 О и СО 2 и т. д.
Итак, ДЫХАНИЕ КЛЕТКИ - это совокупность процессов биологического окисления питательных веществ с высвобождением химической энергии, которая аккумулируется в АТФ.
Какие процессы являются основой анаэробного дыхания клеток?
Большинство клеток для высвобождения энергии в процессах дыхания прежде всего используют глюкозу. Интересно, что есть клетки (например, клетки мозга, скелетных мышц, зрелые эритроциты), которые получают энергию только из молекул этого моносахарида.
Почему же глюкоза является основным источником энергии для клеток? Полярные молекулы глюкозы очень хорошо взаимодействуют с водой, поэтому легко и быстро перемещаются в клетке, их транспортирование в клетку осуществляется путём облегчённой диффузии, что не требует затрат энергии. Кроме того, глюкоза может превращаться клетками в резервные углеводы: в растительной клетке - в крахмал, в клетках животных и грибов - в гликоген.
Древнейшим и универсальным процессом бескислородного расщепления глюкозы является гликолиз (от греч. сладкий и расщепление), происходящий в цитоплазме клеток. Гликолиз - совокупность ферментативных реакций, обеспечивающих бескислородное расщепления молекул глюкозы с образованием молочной кислоты и АТФ. Гликолиз - это процесс, общий для анаэробного и аэробного дыхания. Энергетический эффект гликолиза - около 200 кДж (120 кДж - на теплоту, 80 кДж - на АТФ):
Энергия гликолиза составляет лишь 5 - 7 % потенциальной энергии глюкозы. Несмотря на низкую эффективность, гликолиз имеет большое биологическое значение. Этот процесс обеспечивает организм энергией в условиях дефицита кислорода. Даже у позвоночных животных и человека гликолиз служит эффективным способом получения энергии во время коротких периодов интенсивного напряжения.
Ещё одним механизмом анаэробного превращения глюкозы является брожение. Брожение - процесс разложения органических веществ (в основном углеводов) в бескислородных условиях. Процессы брожения Луи Пастер назвал «жизнью без кислорода». Брожение характерно для клеток дрожжей, молочнокислых бактерий, мукоровых грибов и др. Кроме спиртового и молочнокислого брожения у организмов ещё происходит масляно-, уксусно-, пропионовокислое, метановое и др.
Итак, основными процессами анаэробного дыхания в клетках являются гликолиз и брожение.
Каковы основные стадии аэробного дыхания клеток?
Процессы жизнедеятельности клеток очень сложны. Но их понимание очень важно, поскольку именно на клеточном уровне определяются все жизненные функции организмов. В качестве иллюстрации этого утверждения рассмотрим аэробное дыхание клеток.
Кислородный этап дыхания происходит в митохондриях с участием кислорода, и при этом высвобождается основная часть энергии (более 90 %) с образованием Н 2 О и СО 2 . Энергетический эффект такого расщепления велик (например, для глюкозы - около 2 600 кДж):
На этом этапе катаболизма учёные выделяют три стадии: окислительное декарбоксилирование, цикл Кребса (или цикл трикарбоно-вых кислот) и окислительное фосфорилирование (ил. 48).
Первая стадия. Окислительное декарбоксилирование - это превращение пировиноградной кислоты (продукт бескислородного расщепления малых биомолекул) на ацетилкоэнзим А (ацетил-КоА).
Вторая стадия. Цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот) -последовательность ферментативных реакций в матриксе митохондрий, в результате которых ацетил-КоА окисляется до СО 2 с высвобождением энергии и образованием атомов водорода.
Третья стадия. Окислительное фосфорилирование - биосинтез АТФ из АДФ и неорганического ортофосфата за счёт энергии, высвобождаемой и аккумулируемой при участии ферментов дыхательной цепи. Этот процесс происходит на кристах митохондрий.
Итак, благодаря реакциям кислородного этапа синтезируется в общей сложности 36 моль АТФ. Суммарным энергетическим результатом полного расщепления глюкозы является 2800 кДж энергии (200 кДж + 2600 кДж), из которой в 38 молекулах АТФ аккумулиру-
ется 55 %, а 45 % - рассеивается в виде теплоты. Полное уравнение расщепления глюкозы имеет вид:
Итак, основную роль в обеспечении клеток энергией выполняет полное кислородное расщепление глюкозы.
ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ
Задание на формирование практических умений
В процессе катаболизма глюкозы в мышцах человека произошло расщепление 4 моль глюкозы, из которых полному кислородному расщеплению подверглась лишь половина. Определите: а) сколько молочной кислоты (в молях) накопилось в мышцах; б) сколько всего выделилось энергии; в) сколько АТФ (в молях) образовалось?
1. Сколько молочной кислоты (в молях) накопилось в мышцах человека?
2. Какое количество энергии выделилось при неполном расщеплении 2 моль глюкозы и полном расщеплении 2 моль глюкозы?
3. Сколько АТФ (в молях) образовалось?
ОТНОШЕНИЕ Биология + Здоровье
Расщепление питательных веществ в организме происходит в три этапа. С помощью таблицы сравните эти этапы. Докажите необходимость знаний о дыхании клеток для здорового образа жизни.
ЭТАПЫ РАСЩЕПЛЕНИЯ ПИТАТЕЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ НА ПРИМЕРЕ УГЛЕВОДОВ
|
Задания для самоконтроля |
|
|
1. Что такое дыхание клеток? 2. Назовите основные типы клеточного дыхания. 3. Что такое анаэробное дыхание? 4. Назовите основные механизмы анаэробного дыхания. 5. Что такое аэробное дыхание? 6. Назовите основные процессы аэробного дыхания. |
|
|
7. Каково биологическое значение клеточного дыхания? 8. Какие процессы являются основой анаэробного дыхания клеток? |
|
|
10. Почему кислородное расщепление органических соединений оказывается энергетически более эффективным, чем бескислородное? |
Это материал учебника
Использование различных начальных субстратов
В качестве исходных субстратов дыхания могут выступать различные вещества, преобразуемые в ходе специфических метаболических процессов в Ацетил-КоА с высвобождением ряда побочных продуктов. Восстановление НАД (НАДФ) и образование АТФ может происходить уже на этом этапе, однако большая их часть образуется в цикле трикарбоновых кислот при переработке Ацетил-КоА.
Гликолиз
Гликолиз - путь ферментативного расщепления глюкозы - является общим практически для всех живых организмов процессом. У аэробов он предшествует собственно клеточному дыханию, у анаэробов завершается брожением . Сам по себе гликолиз является полностью анаэробным процессом и для осуществления не требует присутствия кислорода .
Первый его этап протекает с расходом энергии 2 молекул АТФ и включает в себя расщепление молекулы глюкозы на 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата . На втором этапе происходит НАД -зависимое окисление глицеральдегид-3-фосфата, сопровождающееся субстратным фосфорилированием, то есть присоединением к молекуле остатка фосфорной кислоты и формированием в ней макроэргической связи, после которого остаток переносится на АДФ с образованием АТФ .
Таким образом, уравнение гликолиза имеет следующий вид:
Глюкоза + 2НАД + + 4АДФ + 2АТФ + 2Ф н = 2ПВК + 2НАД∙Н + 2 АДФ + 4АТФ + 2H 2 O + 4Н + .Сократив АТФ и АДФ из левой и правой частей уравнения реакции, получим:
Глюкоза + 2НАД + + 2АДФ + 2Ф н = 2НАД∙Н + 2ПВК + 2АТФ + 2H 2 O + 4Н + .Окислительное декарбоксилирование пирувата
Образовавшаяся в ходе гликолиза пировиноградная кислота (пируват) под действием пируватдегидрогеназного комплекса (сложная структура из 3 различных ферментов и более 60 субъединиц) распадается на углекислый газ и ацетальдегид , который вместе с Кофермент А образует Ацетил-КоА . Реакция сопровождается восстановлением НАД до НАД∙Н .
У эукариот процесс протекает в матриксе митохондрий .
β-окисление жирных кислот
Основная статья: β-окисление
Наконец, на четвёртой стадии образовавшаяся β-кетокислота расщепляется β-кетотиолазой в присутствии кофермента А на ацетил-КоА и новый ацил-КоА, в которой углеродная цепь на 2 атома короче. Цикл β-окисления повторяется до тех пор, пока вся жирная кислота не будет переработана в ацетил-КоА.
Цикл трикарбоновых кислот
Суммарное уравнение реакций:
Ацетил-КоА + 3НАД + + ФАД + ГДФ + Ф н + 2H 2 O + КоА-SH = 2КоА-SH + 3НАДH + 3H + + ФАДН 2 + ГТФ + 2CO 2
У эукариот ферменты цикла находятся в свободном состоянии в матриксе митохондрий, только сукцинатдегидрогеназа встроена во внутреннюю митохондриальную мембрану.
Основное количество молекул АТФ вырабатывается по способу окислительного фосфорилирования на последней стадии клеточного дыхания: в электронтранспортной цепи. Здесь происходит окисление НАД∙Н и ФАДН 2 , восстановленных в процессах гликолиза, β-окисления, цикла Кребса и т. д.. Энергия, выделяющаяся в ходе этих реакций, благодаря цепи переносчиков электронов, локализованной во внутренней мембране митохондрий (у прокариот - в цитоплазматической мембране), трансформируется в трансмембранный протонный потенциал. Фермент АТФ-синтаза использует этот градиент для синтеза АТФ, преобразуя его энергию в энергию химических связей. Подсчитано, что молекула НАД∙Н может дать в ходе этого процесса 2.5 молекулы АТФ, ФАДН 2 - 1.5 молекулы.
Конечным акцептором электрона в дыхательной цепи аэробов является кислород .
Анаэробное дыхание
Общее уравнение дыхания, баланс АТФ
| Стадия | Выход кофермента | Выход АТФ (ГТФ) | Способ получения АТФ |
|---|---|---|---|
| Первая фаза гликолиза | −2 | Фосфорилирование глюкозы и фруктозо-6-фосфата с использованием 2 АТФ из цитоплазмы. | |
| Вторая фаза гликолиза | 4 | Субстратное фосфорилирование | |
| 2 НАДН | 3 (5) | Окислительное фосфорилирование. Только 2 АТФ образуется из НАДН в электронтранспортной цепи, поскольку кофермент образуется в цитоплазме и должен быть транспортирован в митохондрии. При использовании малат-аспартатного челнока для транспорта в митохондрии из НАДН образуется 3 моль АТФ. При использовании же глицерофосфатного челнока образуется 2 моль АТФ. | |
| Декарбоксилирование пирувата | 2 НАДН | 5 | Окислительное фосфорилирование |
| Цикл Кребса | 2 | Субстратное фосфорилирование | |
| 6 НАДН | 15 | Окислительное фосфорилирование | |
| 2 ФАДН 2 | 3 | Окислительное фосфорилирование | |
| Общий выход | 30 (32) АТФ | При полном окислении глюкозы до углекислого газа и окислении всех образующихся коферментов. | |
Примечания
См. также
Wikimedia Foundation . 2010 .
- Серна
ДЫХАНИЕ Современная энциклопедия
ДЫХАНИЕ - совокупность процессов, обеспечивающих поступление в организм кислорода и удаление углекислого газа (внешнее дыхание), а также использование кислорода клетками и тканями для окисления органических веществ с освобождением энергии, необходимой для… … Большой Энциклопедический словарь
Дыхание - ДЫХАНИЕ, совокупность процессов, обеспечивающих поступление в организм кислорода и удаление диоксида углерода (внешнее дыхание), а также использование кислорода клетками и тканями для окисления органических веществ с освобождением энергии,… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
ДЫХАНИЕ - ДЫХАНИЕ, я, ср. 1. Процесс поглощения кислорода и выделения углекислого газа живыми организмами. Органы дыхания. Клеточное д. (спец.). 2. Втягивание и выпускание воздуха лёгкими. Ровное д. Сдерживать д. Д. весны (перен.). Второе дыхание прилив… … Толковый словарь Ожегова
дыхание - ДЫХАНИЕ, ДЫХАНЬЕ, я; ср. 1. Вбирание и выпускание воздуха лёгкими или (у некоторых животных) иными соответствующими органами как процесс поглощения кислорода и выделения углекислого газа живыми организмами. Органы дыхания. Шумное, тяжёлое,… … Энциклопедический словарь
Дыхание - в общеупотребительном смысле обозначает ряд беспрерывно чередующихся во время жизни движений грудной клетки в форме вдоха и выдоха и обусловливающих, с одной стороны, прилив свежого воздуха в легкие, а с другой выведение из них уже испорченного… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
Дыхание - I Дыхание (respiratio) совокупность процессов, обеспечивающих поступление из атмосферного воздуха в организм кислорода, использование его в биологическом окислении органических веществ и удаление из организма углекислого газа. В результате… … Медицинская энциклопедия
Поток энергии в клетке
В основе потока энергии в клетке лежат процессы питания организмов и клеточного дыхания.
1. Питание – процесс приобретения вещества и энергии живыми организмами.
2. Клеточное дыхание – процесс, с помощью которого живые организмы высвобождают энергию из богатых ею органических веществ при их ферментативном расщеплении (диссимиляции) до более простых. Клеточное дыхание может быть аэробным и анаэробным.
3. Аэробное дыхание – получение энергии происходит при участии кислорода в процессе расщепления органических веществ. Его еще называют кислородным (аэробным) этапом энергетического обмена.
Анаэробное дыхание – получение энергии из пищи без использования свободного атмосферного кислорода. В общем виде поток энергии в клетке можно представить следующим образом (рис 5.3.)
| ПИЩА |
| САХАР, ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ, АМИНО-КИСЛОТЫ |
| КЛЕТОЧНОЕ ДЫХАНИЕ |
| АТФ |
| СО 2 , Н 2 О, NH 3 |
| ХИМИЧЕСКАЯ, МЕХАНИЧЕСКАЯ, ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ, ОСМОТИЧЕСКАЯ РАБОТА |
| АДФ + Н 3 РО 4 |
Рис.5.3. Поток энергии в клетке
Химическая работа : биосинтез в клетке белков, нуклеиновых кислот, жиров, полисахаридов.
Механическая работа : сокращение мышечных волокон, биение ресничек, расхождение хромосом при митозе.
Электрическая работа – поддержание разности потенциалов на мембране клетки.
Осмотическая работа – поддержание градиентов вещества в клетке и окружающей ее среде.
Процесс аэробного дыхания проходит в три этапа: 1) подготовительный; 2) бескислородный; 3) кислородный.
Первый этап – подготовительный или этап пищеварения , включающий в себя ферментативное расщепление полимеров до мономеров: белков до аминокислот, жиров до глицерина и жирных кислот, гликогена и крахмала до глюкозы, нуклеиновых кислот до нуклеотидов. Протекает в желудочно-кишечном тракте при участии пищеварительных ферментов и цитоплазме клеток при участии ферментов лизосом.
На этом этапе выделяется небольшое количество энергии, рассеивающейся в виде тепла, а образовавшиеся мономеры подвергаются в клетках дальнейшему расщеплению или используются как строительный материал.
Второй этап – анаэробный (бескислородный). Он протекает в цитоплазме клеток без участия кислорода. Мономеры, образовавшиеся на первом этапе, подвергаются дальнейшему расщеплению. Примером такого процесса является гликолиз – бескислородное неполное расщепление глюкозы.
В реакциях гликолиза из одной молекулы глюкозы (С 6 Н 12 О 6) образуются две молекулы пировиноградной кислоты (С 3 Н 4 О 3 – ПВК). При этом от каждой молекулы глюкозы отщепляется 4 атома Н + и образуются 2 молекулы АТФ. Атомы Водорода присоединяются к НАД + (никотинамидадениндинуклеотид, функция НАД и подобных к нему переносчиков состоит в том, чтобы в первой реакции принимать Водород (восстанавливаться), а в другой – его отдавать (окисляться).
Сумарное уравнение гликолиза выглядит так:
С 6 Н 12 О 6 + 2АДФ + 2Н 3 РО 4 + 2НАД + → 2С 3 Н 4 О 3 + 2АТФ + 2Н 2 О +2НАД·Н 2
В процессе гликолиза выделяется 200 кДж/моль энергии, из которой 80 кДж или 40% идет на синтез АТФ, а 120 кДж (60%) рассеивается в виде тепла.
а) в животных клетках образуется 2 молекулы молочной кислоты, которая в дальнейшем превращается в гликоген и депонируется в печени;
б) в растительных клетках происходит спиртовое брожжение с выделением СО 2. Конечным продуктом является этанол.
Анаэробное дыхание по сравнению с кислородным дыханием эволюционно более ранняя, но менее эффективная форма получения энергии из питательных веществ.
Третий этап – аэробный (кислородный, тканевое дыхание) протекает в митохондриях и требует присутствие кислорода .
Органические соединения, образовавшиеся на предыдущем бескислородном этапе, окисляются путем отщепления водорода до СО 2 и Н 2 О. Отсоеденившееся атомы Водорода с помощью переносчиков передаются до Кислорода, взаимодействуют с ним и образуют воду. Этот процесс сопровождается выделением значительного количества энергии, часть которой (55%) идет на образование воды. В кислородном этапе можно выделить реакции цикла Кребса и реакции окислительного фосфорилирования.
Цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот) происходит в матриксе митохондрий. Его открыл английский биохимик Х. Кребс в 1937 году.
Цикл Кребса начинается реакцией пировиноградной кислоты с уксуснокислой. При этом образуется лимонная кислота, которая после ряда последовательных преобразований снова становится уксуснокислой и цикл повторяется.
В ходе реакций цикла Кребса из одной молекулы ПВК образуется 4 пары атомов Водорода, две молекулы СО 2 , одна молекула АТФ. Углекислый газ выводится из клетки, а атомы Водорода присоединяются к молекулам переносчиков – НАД и ФАД (флавинадениндинуклеотид), в результате чего образуются НАД·Н 2 и ФАД·Н 2.
Передача энергии от НАД· Н 2 и ФАД·Н 2, которые оброзовались в цыкле Кребса и на предыидущем анаэробном этапе, к АТФ просходит на внутренней мембране митохондрий в дыхательной цепи.
Дыхательная цепь или цепь переноса электронов (электронно-транспрортная цепь) содержится во внутренней мембране митохондрий. Её основу составляют переносчики электронов, которые входят в состав ферментных комплексов, катализирующих окислительно-востановительные реакции.
Пары Водорода отщепляются от НАД·Н 2 и ФАД·Н 2, в виде протонов и электронов (2Н + +2е), поступают в электронно-транспортную цепь. В дыхательной цепи они вступают в ряд биохимических реакций, конечный результат которых – синтез АТФ (рис.5.4.)
Рис. 5.4 Электронно-транспортная цепь
Электроны и протоны захватываются молекулами переносчиков дыхательной цепи и переправляются: электроны на внутреннюю сторону мембраны, а протоны на внешнюю. Электроны соединяются с Кислородом. Атомы Кислорода при этом становятся отрицательно заряженными:
О 2 + е - = О 2 -
На внешней стороне мембраны накапливаются протоны (Н +), а изнутри анионы (О 2-). В результате этого возрастает разность потенциалов.
В некоторых местах мембраны встроены молекулы фермента для синтеза АТФ (АТФ-синтетаза), который имеет ионный (протонный) канал. Когда разница потенциалов на мембране достигает 200мВ, протоны (Н +) силой электрического поля проталкиваются через канал и проходят на внутреннюю сторону мембраны где взаимодействуют с О 2 - , образуя Н 2 О
½ О 2 + 2Н + = Н 2 О
Кислород, поступающий в митохондрии необходим для присоединения электронов (е -), а затем протонов (Н+). При отсутствии О 2 процессы, связанные с транспортом протонов и электронов, прекращаются. В этих случаях многие клетки синтезируют АТФ, расщепляя питательные вещества в процессе брожения.
Суммарное уравнение кислородного этапа
2С 3 Н 4 О 3 + 36Н 3 РО 4 + 6О 2 + 36 АДФ = 6СО 2 + 42 Н 2 О + 36АТФ + 2600кДж
1440 (40·36) аккумулируется в АТФ
1160 кДж выделяются в виде тепла
Суммарное уравнение кислородного дыхания, включающее бескислородный и кислородный этапы :
С 6 Н 12 О 6 + 38АДФ + 38Н 3 РО 4 + 6О 2 = 38АТФ +6СО 2 + 44Н 2 О
Конечные продукты энергетического обмена (СО 2 , Н 2 О, NH 3), а также избыток энергии выделяются из клетки через клеточную мембрану, строение и функции которой заслуживают особого внимания.
В качестве исходных субстратов дыхания могут выступать различные вещества, преобразуемые в ходе специфических метаболических процессов в Ацетил-КоА с высвобождением ряда побочных продуктов. Восстановление НАД (НАДФ) и образование АТФ может происходить уже на этом этапе, однако большая их часть образуется в цикле трикарбоновых кислот при переработке Ацетил-КоА.
Гликолиз
Гликолиз - путь ферментативного расщепления глюкозы - является общим практически для всех живых организмов процессом. У аэробов он предшествует собственно клеточному дыханию, у анаэробов завершается брожением . Сам по себе гликолиз является полностью анаэробным процессом и для осуществления не требует присутствия кислорода .
Первый его этап протекает с высвобождением 2 молекул АТФ и включает в себя расщепление молекулы глюкозы на 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата . На втором этапе происходит НАД -зависимое окисление глицеральдегид-3-фосфата, сопровождающееся субстратным фосфорилированием , то есть присоединением к молекуле остатка фосфорной кислоты и формированием в ней макроэргической связи, после которого остаток переносится на АДФ с образованием АТФ .
Таким образом, уравнение гликолиза имеет следующий вид:
Глюкоза + 2НАД + + 4АДФ + 2АТФ + 2Ф н = 2ПВК + 2НАД∙Н + 2 АДФ + 4АТФ + 2H 2 O + 4Н + .Сократив АТФ и АДФ из левой и правой частей уравнения реакции, получим:
Глюкоза + 2НАД + + 2АДФ + 2Ф н = 2НАД∙Н + 2ПВК + 2АТФ + 2H 2 O + 4Н + .Окислительное декарбоксилирование пирувата
Образовавшаяся в ходе гликолиза пировиноградная кислота (пируват) под действием пируватдегидрогеназного комплекса (сложная структура из 3 различных ферментов и более 60 субъединиц) распадается на углекислый газ и ацетальдегид , который вместе с Коферментом А образует Ацетил-КоА . Реакция сопровождается восстановлением НАД до НАД∙Н .
У эукариот процесс протекает в матриксе митохондрий .
β-окисление жирных кислот
Наконец, на четвёртой стадии образовавшаяся β-кетокислота расщепляется β-кетотиолазой в присутствии кофермента А на ацетил-КоА и новый ацил-КоА, в которой углеродная цепь на 2 атома короче. Цикл β-окисления повторяется до тех пор, пока вся жирная кислота не будет переработана в ацетил-КоА.
Цикл трикарбоновых кислот
Суммарное уравнение реакций:
Ацетил-КоА + 3НАД + + ФАД + ГДФ + Ф н + 2H 2 O + КоА-SH = 2КоА-SH + 3НАДH + 3H + + ФАДН 2 + ГТФ + 2CO 2
У эукариот ферменты цикла находятся в свободном состоянии в матриксе митохондрий, только сукцинатдегидрогеназа встроена во внутреннюю митохондриальную мембрану.
Основное количество молекул АТФ вырабатывается по способу окислительного фосфорилирования на последней стадии клеточного дыхания: в электронтранспортной цепи. Здесь происходит окисление НАД∙Н и ФАДН 2 , восстановленных в процессах гликолиза, β-окисления, цикла Кребса и т.д. Энергия, выделяющаяся в ходе этих реакций, благодаря цепи переносчиков электронов, локализованной во внутренней мембране митохондрий (у прокариот - в цитоплазматической мембране), трансформируется в трансмембранный протонный потенциал . Фермент АТФ-синтаза использует этот градиент для синтеза АТФ, преобразуя его энергию в энергию химических связей. Подсчитано, что молекула НАД∙Н может дать в ходе этого процесса 2.5 молекулы АТФ, ФАДН 2 - 1.5 молекулы.
Конечным акцептором электрона в дыхательной цепи аэробов является кислород .
Анаэробное дыхание
Общее уравнение дыхания, баланс АТФ
| Стадия | Выход кофермента | Выход АТФ (ГТФ) | Способ получения АТФ |
|---|---|---|---|
| Первая фаза гликолиза | −2 | Фосфорилирование глюкозы и фруктозо-6-фосфата с использованием 2 АТФ из цитоплазмы. | |
| Вторая фаза гликолиза | 4 | Субстратное фосфорилирование | |
| 2 НАДН | 3 (5) | Окислительное фосфорилирование. Только 2 АТФ образуется из НАДН в электронтранспортной цепи, поскольку кофермент образуется в цитоплазме и должен быть транспортирован в митохондрии. При использовании малат-аспартатного челнока для транспорта в митохондрии из НАДН образуется 3 моль АТФ. При использовании же глицерофосфатного челнока образуется 2 моль АТФ. | |
| Декарбоксилирование пирувата | 2 НАДН | 5 | Окислительное фосфорилирование |
| Цикл Кребса | 2 | Субстратное фосфорилирование | |
| 6 НАДН | 15 | Окислительное фосфорилирование | |
| 2 ФАДН 2 | 3 | Окислительное фосфорилирование | |
| Общий выход | 30 (32) АТФ | При полном окислении глюкозы до углекислого газа и окислении всех образующихся коферментов. | |
См. также
Напишите отзыв о статье "Клеточное дыхание"
Примечания
Отрывок, характеризующий Клеточное дыхание
Дни шли, а я не знала, была ли моя девочка всё ещё в Мэтэоре? Не появлялся ли за ней Караффа?.. И всё ли было с ней хорошо.Моя жизнь была пустой и странной, если не сказать – безысходной. Я не могла покинуть Караффу, так как знала – стоит мне только исчезнуть, и он тут же выместит свою злость на моей бедной Анне... Также, я всё ещё не в силах была его уничтожить, ибо не находила пути к защите, которую подарил ему когда-то «чужой» человек. Время безжалостно утекало, и я всё сильнее чувствовала свою беспомощность, которая в паре с бездействием, начинала медленно сводить меня с ума...
Прошёл почти уже месяц после моего первого визита в подвалы. Рядом не было никого, с кем я могла бы обмолвиться хотя бы словом. Одиночество угнетало всё глубже, поселяя в сердце пустоту, остро приправленную отчаяньем...
Я очень надеялась, что Мороне всё-таки выжил, несмотря на «таланты» Папы. Но возвращаться в подвалы побаивалась, так как не была уверена, находился ли там всё ещё несчастный кардинал. Мой повторный визит мог навлечь на него настоящую злобу Караффы, и платить за это Мороне пришлось бы по-настоящему дорого.
Оставаясь отгороженной от любого общения, я проводила дни в полнейшей «тишине одиночества». Пока, наконец, не выдержав более, снова спустилась в подвал...
Комната, в которой я месяц назад нашла Мороне, на этот раз пустовала. Оставалось только надеяться, что отважный кардинал всё ещё жил. И я искренне желала ему удачи, которой узникам Караффы, к сожалению, явно не доставало.
И так как я всё равно уже находилась в подвале, то, чуть подумав, решила посмотреть его дальше, и осторожно открыла следующую дверь....
А там, на каком-то жутком пыточном «инструменте» лежала совершенно голая, окровавленная молодая девушка, тело которой представляло собою настоящую смесь живого палёного мяса, порезов и крови, покрывавших её всю с головы до ног... Ни палача, ни, тем более – Караффы, на моё счастье, в комнате пыток не было.
Я тихонько подошла к несчастной и осторожно погладила её по опухшей, нежной щеке. Девушка застонала. Тогда, бережно взяв её хрупкие пальцы в свою ладонь, я медленно начала её «лечить»... Вскоре на меня удивлённо глядели чистые, серые глаза...
– Тихо, милая... Лежи тихо. Я попробую тебе помочь, насколько это возможно. Но я не знаю, достаточно ли у меня будет времени... Тебя очень сильно мучили, и я не уверена, смогу ли всё это быстро «залатать». Расслабься, моя хорошая, и попробуй вспомнить что-то доброе... если сможешь.
Девушка (она оказалась совсем ещё ребёнком) застонала, пытаясь что-то сказать, но слова почему-то не получались. Она мычала, не в состоянии произнести чётко даже самого краткого слова. И тут меня полоснуло жуткое понимание – у этой несчастной не было языка!!! Они его вырвали... чтобы не говорила лишнего! Чтобы не крикнула правду, когда будут сжигать на костре... Чтобы не могла сказать, что они с ней творили...
О боже!.. Неужели всё это вершили ЛЮДИ???
Чуть успокоив своё омертвевшее сердце, я попыталась обратиться к ней мысленно – девочка услышала. Что означало – она была одарённой!.. Одной из тех, кого Папа так яростно ненавидел. И кого так зверски сжигал живьём на своих ужасающих человеческих кострах....
– Что же они с тобой сделали, милая?!.. За что тебе отняли речь?!
Стараясь затянуть повыше упавшее с её тела грубое рубище непослушными, дрожащими руками, потрясённо шептала я.
– Не бойся ничего, моя хорошая, просто подумай, что ты хотела бы сказать, и я постараюсь услышать тебя. Как тебя зовут, девочка?
– Дамиана... – тихо прошелестел ответ.
– Держись, Дамиана, – как можно ласковее улыбнулась я. – Держись, не ускользай, я постараюсь помочь тебе!
Но девушка лишь медленно качнула головой, а по её избитой щеке скатилась чистая одинокая слезинка...
– Благодарю вас... за добро. Но я не жилец уже... – прошелестел в ответ её тихий «мысленный» голос. – Помогите мне... Помогите мне «уйти». Пожалуйста... Я не могу больше терпеть... Они скоро вернутся... Прошу вас! Они осквернили меня... Пожалуйста, помогите мне «уйти»... Вы ведь знаете – как. Помогите... Я буду и «там» благодарить, и помнить вас...
Она схватила своими тонкими, изуродованными пыткой пальцами моё запястье, вцепившись в него мёртвой хваткой, будто точно знала – я и вправду могла ей помочь... могла подарить желанный покой...
Острая боль скрутила моё уставшее сердце... Эта милая, зверски замученная девочка, почти ребёнок, как милости, просила у меня смерти!!! Палачи не только изранили её хрупкое тело – они осквернили её чистую душу, вместе изнасиловав её!.. И теперь, Дамиана готова была «уйти». Она просила смерти, как избавления, даже на мгновение, не думая о спасении. Она была замученной и осквернённой, и не желала жить... У меня перед глазами возникла Анна... Боже, неужели и её ждал такой же страшный конец?!! Смогу ли я её спасти от этого кошмара?!
Дамиана умоляюще смотрела на меня своими чистыми серыми глазами, в которых отражалась нечеловечески глубокая, дикая по своей силе, боль... Она не могла более бороться. У неё не хватало на это сил. И чтобы не предавать себя, она предпочитала уйти...
Что же это были за «люди», творившие такую жестокость?!. Что за изверги топтали нашу чистую Землю, оскверняя её своей подлостью и «чёрной» душой?.. Я тихо плакала, гладя милое лицо этой мужественной, несчастной девчушки, так и не дожившей даже малой частью свою грустную, неудавшуюся жизнь... И мою душу сжигала ненависть! Ненависть к извергу, звавшему себя римским Папой... наместником Бога... и святейшим Отцом... наслаждавшимся своей прогнившей властью и богатством, в то время, как в его же жутком подвале из жизни уходила чудесная чистая душа. Уходила по собственному желанию... Так как не могла больше вынести запредельную боль, причиняемую ей по приказу того же «святого» Папы...
О, как же я ненавидела его!!!.. Всем сердцем, всей душой ненавидела! И знала, что отомщу ему, чего бы мне это ни стоило. За всех, кто так зверски погиб по его приказу... За отца... за Джироламо... за эту добрую, чистую девочку... и за всех остальных, у кого он играючи отнимал возможность прожить их дорогую и единственную в этом теле, земную жизнь.
– Я помогу тебе, девочка... Помогу тебе милая... – ласково баюкая её, тихо шептала я. – Успокойся, солнышко, там не будет больше боли. Мой отец ушёл туда... Я говорила с ним. Там только свет и покой... Расслабься, моя хорошая... Я исполню твоё желание. Сейчас ты будешь уходить – не бойся. Ты ничего не почувствуешь... Я помогу тебе, Дамиана. Я буду с тобой...
Из её изуродованного физического тела вышла удивительно красивая сущность. Она выглядела такой, какой Дамиана была, до того, как появилась в этом проклятом месте.
– Спасибо вам... – прошелестел её тихий голос. – Спасибо за добро... и за свободу. Я буду помнить вас.
Она начала плавно подниматься по светящемуся каналу.
– Прощай Дамиана... Пусть твоя новая жизнь будет счастливой и светлой! Ты ещё найдёшь своё счастье, девочка... И найдёшь хороших людей. Прощай...
Её сердце тихо остановилось... А исстрадавшаяся душа свободно улетала туда, где никто уже не мог причинять ей боли. Милая, добрая девочка ушла, так и не узнав, какой чудесной и радостной могла быть её оборванная, непрожитая жизнь... скольких хороших людей мог осчастливить её Дар... какой высокой и светлой могла быть её непознанная любовь... и как звонко и счастливо могли звучать голоса её не родившихся в этой жизни детей...
Успокоившееся в смерти лицо Дамианы разгладилось, и она казалась просто спящей, такой чистой и красивой была теперь... Горько рыдая, я опустилась на грубое сидение рядом с её опустевшим телом... Сердце стыло от горечи и обиды за её невинную, оборванную жизнь... А где-то очень глубоко в душе поднималась лютая ненависть, грозясь вырваться наружу, и смести с лица Земли весь этот преступный, ужасающий мир...
