Клітинне дихання

Клітинне дихання - це окислення органічних речовин у клітині, у результаті синтезуються молекули АТФ. Вихідною сировиною (субстратом) зазвичай служать вуглеводи, рідше жири та ще рідше білки. Найбільше молекул АТФ дає окислення киснем, менше – окислення іншими речовинами і перенесенням електронів.

Вуглеводи, або полісахариди, перед використанням субстрату клітинного дихання розпадаються до моносахаридів. Так рослини крохмаль, а тварин глікоген гідролізуються до глюкози.

Глюкоза є основним джерелом енергії майже всім клітин живих організмів.

Перший етап окиснення глюкози - гліколіз. Він вимагає кисню і характерний як із анаеробному, і аеробному диханні.

Біологічне окиснення

Клітинне дихання включає безліч окислювально-відновних реакцій, в яких відбувається переміщення водню і електронів від одних сполук (або атомів) до інших. При втраті електрона якимось атомом відбувається його окислення; при приєднанні електрона – відновлення. Окислювана речовина – це донор, а відновлювана – акцептор водню та електронів. Окисно-відновні реакції, що протікають в живих організмах звуться біологічного окислення, або клітинного дихання.

Зазвичай при окисних реакціях відбувається виділення енергії. Причина цього у фізичних законах. Електрони в органічних молекулах, що окислюються, знаходяться на більш високому енергетичному рівні, ніж у продуктах реакції. Електрони, переходячи з вищого на нижчий енергетичний рівень, вивільняють енергію.Клітина вміє фіксувати її у зв'язках молекул АТФ – універсальному «паливі» живого.

Найбільш поширеним у природі кінцевим акцептором електронів є кисень, що відновлюється. При аеробному диханні в результаті повного окислення органічних речовин утворюються вуглекислий газ та вода.

Біологічне окислення протікає по-етапно, у ньому беруть участь безліч ферментів та сполуки, які переносять електрони. При ступінчастому окисненні електрони переміщуються ланцюгом переносників. На певних етапах ланцюга відбувається виділення порції енергії, достатньої для синтезу АТФ із АДФ та фосфорної кислоти.

Біологічне окислення дуже ефективне в порівнянні з різними двигунами. Близько половини енергії, що виділяється, в кінцевому підсумку фіксується в макроергічних зв'язках АТФ. Інша частина енергії розсіюється як тепла. Оскільки процес окислення ступінчастий, то теплова енергія виділяється потроху і не ушкоджує клітини. У той самий час вона служить підтримки постійної температури тіла.

Аеробне дихання

Різні етапи клітинного дихання у аеробних еукаріотів відбуваються

• у цитоплазмі – гліколіз,
• у матриксі мітохондрій – цикл Кребса, або цикл трикарбонових кислот,
• на внутрішній мембрані мітохондрій – окисне фосфорилювання, або дихальний ланцюг.

На кожному з цих етапів із АДФ синтезується АТФ, найбільше на останньому. Кисень як окислювач використовується лише на етапі окислювального фосфорилювання.

Сумарні реакції аеробного дихання виглядають так.

Дихальний ланцюг: 12H₂ + 6O₂ → 12H₂O + 34АТФ

Таким чином, біологічне окислення однієї молекули глюкози дає 38 молекул АТФ. Насправді нерідко буває менше.

Анаеробне дихання

Більшість анаеробів – це мікроорганізми. Однак до організмів, що використовують анаеробне дихання, належать також дріжджі, ряд хробаків-паразитів. Здатність до анаеробного дихання також мають певні тканини. Наприклад, м'язові клітини, які періодично можуть відчувати нестачу кисню.

При анаеробному диханні в окисних реакціях акцептор водню НАД не передає водень зрештою кисень, якого у разі немає.

Як акцептор водню може бути використана піровиноградна кислота, що утворюється при гліколізі.

У дріжджів піруват зброджується до етанолу (спиртове бродіння). При цьому в процесі реакцій утворюється вуглекислий газ і використовується НАД:

CH₃COCOOH (піруват) → CH₃CHO (ацетальдегід) + CO₂

Молочнокисле бродіння відбувається у тварин клітинах, які відчувають тимчасовий недолік кисню, і в ряду бактерій:

CH₃COCOOH + НАД · H₂ → CH₃CHOHCOOH (молочна кислота) + НАД

Обидва бродіння не дають виходу АТФ. Енергію в даному випадку дає лише гліколіз, і становить вона лише дві молекули АТФ. Значна частина енергії глюкози не витягується. Тому анаеробне дихання вважається малоефективним.

Процес клітинного дихання та його етапи

Ми всі потребуємо енергії, щоб нормально функціонувати, і ми отримуємо цю енергію з продуктів, які споживаємо. Найбільш ефективним способом накопичення енергії клітинами, що зберігається в їжі, є клітинне дихання, катаболічний процес для виробництва аденозинтрифосфату (АТФ). АТФ - молекула з високим вмістом енергії, яка використовується робочими клітинами організму. Клітинне дихання протікає як у еукаріотичних, і прокаріотичних клітинах.Існують три основні етапи клітинного дихання: гліколіз, цикл лимонної кислоти та окисне фосфорилювання.

Гліколіз

Гліколіз буквально означає "розщеплення цукру". Процес гліколізу відбувається у цитоплазмі клітини. Глюкоза та кисень подаються до клітин кровотоком. В результаті гліколізу утворюються дві молекули АТФ, дві молекули піровиноградної кислоти та дві «високоенергетичні» молекули НАДН. Гліколіз може відбуватися з киснем чи ні. У присутності кисню гліколіз є першою стадією аеробного клітинного дихання. Без кисню гліколіз дозволяє клітинам виробляти невелику кількість АТФ. Цей процес називається анаеробним диханням чи ферментацією. Ферментація також виробляє молочну кислоту, яка може накопичуватися в м'язовій тканині, викликаючи болючість та печіння.

Цикл лимонної кислоти

Цикл лимонної кислоти, також відомий як цикл трикарбонової кислоти або цикл Кребса, починається після того, як молекули з процесу гліколізу перетворюються на дещо іншу сполуку — ацетил-КоА.

Через ряд проміжних етапів поряд із двома молекулами АТФ утворюються кілька сполук, здатних зберігати «високоенергетичні» електрони. З'єднання, відомі як нікотинамідаденіндінуклеотид (НАД) і флавінаденіндінуклеотид (ФАД), знижуються в процесі. Ці наведені форми переносять "високоенергетичні" електрони на наступний етап.

Цикл лимонної кислоти відбувається лише тоді, коли є кисень, але він не використовує кисень безпосередньо. Усі реакції цього циклу протікають у клітинних мітохондріях.

Окисне фосфорилювання

Електронний транспорт потребує безпосередньої наявності кисню.Електронно-транспортний ланцюг є рядом електронних носіїв у мембрані мітохондрій еукаріотичних клітин. Через серію реакцій електрони з високою енергією передаються кисень. При цьому утворюється градієнт, і зрештою шляхом окисного фосфорилювання виходить АТФ. Фермент АТФ-синтазу використовує енергію, створювану електронно-транспортним ланцюгом для фосфорилювання АДФ в АТФ.

Максимальний вихід ATФ

Таким чином, прокаріотичні клітини можуть давати 38 АТФ-молекул, тоді як еукаріотичні клітини дають максимум 36. В еукаріотів клітини молекули НАДН, отримані в гліколізі, проходять через мітохондріальну мембрану, яка «стоїть» двох молекул АТФ.

Етапи клітинного дихання

Клітинне або тканинне дихання - Сукупність біохімічних реакцій, що протікають в клітинах живих організмів, в ході яких відбувається окислення вуглеводів, ліпідів і амінокислот до вуглекислого газу та води.

Отже, клітинне дихання відбувається у клітині.

Але де саме? Яка органела здійснює цей процес?

Основний етап клітинного дихання здійснюється в мітохондріях. Як відомо, основний продукт роботи мітохондрії – молекули АТФ – синонім поняття «енергія» у біології. Дійсно, основним продуктом цього процесу є енергія, молекули АТФ

АТФ - Це молекула - синонім енергії в біології. Розшифровується як аденозинтрифосфат або аденозинтрифосфорна кислота. Як видно з малюнка формули, у складі молекули є:

1. три зв'язки із залишками фосфорної кислоти, при розриві яких виділяється велика кількість енергії,
2. вуглевод рибоза (п'ятиатомий цукор) та
3. азотна основа

Етапи клітинного дихання:

1 Етап клітинного дихання - підготовчий

Яким чином речовини потрапляють у клітини? У процесі травлення організму. Суть процесу травлення - розщеплення полімерів, що надходять в організм із їжею, до мономерів:

• білки розщеплюються до амінокислот;
• вуглеводи - до глюкози;
• жири розщеплюються до гліцерину та жирних кислот.

Тобто. у клітину надходять уже мономери.

Далі ми розглянемо шлях перетворення саме глюкози.

2 Етап клітинного травлення

Гліколіз - Ферментативний процес послідовного розщеплення глюкози в клітинах, що супроводжується синтезом АТФ.

Гліколіз при аеробних умовах веде до утворення піровиноградної кислоти (ПВК) (пірувата),

гліколіз у анаеробних умовах (Безкисневих або при нестачі кисню) веде до утворення молочної кислоти (лактату).

Процес іде за участю молекул фосфорної кислоти, тому називається окисне фосфорилювання

Гліколіз є основним шляхом катаболізму глюкози в організмі тварин.

Перетворення відбуваються у цитоплазмі клітини, тобто. процес буде однозначно анаеробним: молекула глюкози розщепиться до ПВК - піровиноградної кислоти з виділенням 2 молекул АТФ:

Далі піровиноградна кислота, що утворилася, надходить у мітохондрії, де відбувається її подальше окислення

3 Етап клітинного травлення (кисневий)

Вступаючи в мітохондрію, відбувається окислення: ПВК під дією кисню розщеплюється до вуглекислого газу (сумарне рівняння):

Спочатку відщеплюється один вуглецевий атом піровиноградної кислоти. При цьому утворюється вуглекислий газ, енергія (вона запасається в одній молекулі НАДФ) та двовуглецева молекула – ацетильна група.Потім реакційний ланцюг надходить у метаболічний координаційний центр клітини. цикл Кребса.

Цикл Кребса

(Цикл лимонної кислоти)

Цикл Кребса - це реакції, які починаються, коли певна вхідна молекула з'єднується з іншою молекулою, яка виконує функцію "помічника". Така комбінація ініціює серію інших хімічних реакцій, у яких утворюються молекули-продукти і наприкінці відтворюється молекула-помічник, яка може розпочати весь процес знову.

Для переробки енергії, запасеної в одній молекулі глюкози, цикл Кребса потрібно пройти двічі

Процес багатостадійний, і в ньому крім різних кислот з цікавими назвами беруть участь коферменти (КоА).

Що таке коферменти?

• це органічні речовини невеликого розміру
• вони здатні з'єднуватися з білками (або прямо з ферментами, у яких, до речі, білкова природа), утворюючи активну речовину, косплекс, яка буде чимось на зразок каталізатора.

Приставка "ко-" - це як "со-" - співпродюсер, співвітчизник і т.п. Тобто. "разом, з"

Гліколіз - Катаболічний шлях виняткової важливості.

Він забезпечує енергією клітинні реакції, у тому числі синтез білка.

Проміжні продукти гліколізу застосовуються при синтезі жирів.

Піруват також може бути використаний для синтезу інших сполук. Завдяки гліколізу продуктивність мітохондрій та доступність кисню не обмежують потужність м'язів при короткочасних граничних навантаженнях.