Kvėpavimas ląstelėse. Ląstelių kvėpavimas ir fotosintezė. Ištrauka, apibūdinanti ląstelių kvėpavimą
Ląstelinis kvėpavimas – tai organinių medžiagų oksidacija ląstelėje, dėl kurios sintetinamos ATP molekulės. Žaliava (substratas) dažniausiai yra angliavandeniai, rečiau riebalai ir dar rečiau baltymai. Didžiausias skaičius ATP molekulės oksiduojamos deguonimi, mažiau – oksiduojamos kitų medžiagų ir elektronų perdavimo.
Prieš naudojant kaip substratą ląstelių kvėpavimui, angliavandeniai arba polisacharidai suskaidomi į monosacharidus. Taigi augaluose, krakmole ir gyvūnuose glikogenas hidrolizuojamas į gliukozę.
Gliukozė yra pagrindinis energijos šaltinis beveik visoms gyvų organizmų ląstelėms.
Pirmasis gliukozės oksidacijos etapas yra glikolizė. Jis nereikalauja deguonies ir būdingas tiek anaerobiniam, tiek aerobiniam kvėpavimui.
biologinė oksidacija
Ląstelių kvėpavimas apima daugybę redokso reakcijų, kurių metu vandenilis ir elektronai pereina iš vieno junginio (ar atomo) į kitą. Kai elektroną praranda atomas, jis oksiduojasi; prijungus elektroną – atsigavimas. Oksiduota medžiaga yra donorė, o redukuota – vandenilio ir elektronų akceptorius. Redokso reakcijos, vykstančios gyvuose organizmuose, vadinamos biologine oksidacija arba ląstelių kvėpavimu.
Paprastai oksidacinės reakcijos išskiria energiją. To priežastis slypi fizikiniuose dėsniuose. Elektronai oksiduotose organinėse molekulėse yra aukštesnio energijos lygio nei reakcijos produktuose. Elektronai, eidami iš aukštesnio energijos lygio į žemesnį, išskiria energiją. Ląstelė sugeba ją užfiksuoti molekulių ryšiuose – visuotiniame gyvųjų „kure“.
Labiausiai paplitęs galutinis elektronų akceptorius gamtoje yra deguonis, kuris yra redukuotas. Aerobinio kvėpavimo metu dėl visiško organinių medžiagų oksidacijos susidaro anglies dioksidas ir vanduo.
Biologinė oksidacija vyksta etapais, joje dalyvauja daug fermentų ir junginių, pernešančių elektronus. Laipsniško oksidavimo metu elektronai juda išilgai nešėjų grandinės. Tam tikrais grandinės etapais išsiskiria dalis energijos, kurios pakanka ATP sintezei iš ADP ir fosforo rūgšties.
Biologinė oksidacija yra labai efektyvi, palyginti su įvairiais varikliais. Maždaug pusė išleidžiamos energijos galiausiai fiksuojama ATP makroerginiuose ryšiuose. Likusi energijos dalis išsklaido šilumos pavidalu. Kadangi oksidacijos procesas vyksta laipsniškai, tada šiluminė energija išsiskiria po truputį ir nepažeidžia ląstelių. Tuo pačiu metu jis padeda palaikyti pastovią kūno temperatūrą.
Aerobinis kvėpavimas
Aerobiniuose eukariotuose vyksta įvairūs ląstelių kvėpavimo etapai
mitochondrijų matricoje arba trikarboksirūgšties cikle,
ant vidinės mitochondrijų membranos - arba kvėpavimo grandinės.
Kiekviename iš šių etapų ATP sintetinamas iš ADP, daugiausia paskutiniame. Deguonis kaip oksidatorius naudojamas tik oksidacinio fosforilinimo stadijoje.
Visa aerobinio kvėpavimo reakcija yra tokia.
Glikolizė ir Krebso ciklas: C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O → 6CO 2 + 12H 2 + 4ATP
Kvėpavimo grandinė: 12H 2 + 6O 2 → 12H 2 O + 34ATP
Taigi, vienos gliukozės molekulės biologinis oksidavimas suteikia 38 ATP molekules. Tiesą sakant, dažnai jis yra mažesnis.
Anaerobinis kvėpavimas
Vykstant anaerobiniam kvėpavimui oksidacinėse reakcijose, vandenilio akceptorius NAD galiausiai neperduoda vandenilio į deguonį, kurio šiuo atveju nėra.
Glikolizės metu susidariusi piruvo rūgštis gali būti naudojama kaip vandenilio akceptorius.
Mielėse piruvatas fermentuojamas iki etanolio (alkoholinė fermentacija). Tuo pačiu metu reakcijų procese taip pat susidaro anglies dioksidas ir naudojamas NAD:
CH 3 COCOOH (piruvatas) → CH 3 CHO (acetaldehidas) + CO 2
CH 3 CHO + VIRŠ H 2 → CH 3 CH 2 OH (etanolis) + OVER
Pieno rūgšties fermentacija vyksta gyvūnų ląstelėse, kurioms laikinai trūksta deguonies, ir daugelyje bakterijų:
CH 3 COCOOH + OVER H 2 → CH 3 CHOHCOOH (pieno rūgštis) + OVER
Abi fermentacijos ATP neišskiria. Šiuo atveju energiją suteikia tik glikolizė, o tai tik dvi ATP molekulės. Nemaža dalis gliukozės energijos nėra išgaunama. Todėl anaerobinis kvėpavimas laikomas neveiksmingu.
Pagrindinės sąvokos ir pagrindiniai terminai: LĄSTELINIS KĖPAVIMAS. ANAEROBINIS KARTOTIS. aerobinis kvėpavimas.
Prisiminti! Kas yra kvėpavimas?
įvadinė mankšta
Nustatyti virškinimo procesų seką žmogaus organizme po burnos ertmė pataikyti šokoladinio-bananinio pyrago gabalėlį: d) ertmės virškinimas in dvylikapirštės žarnos baltymai, riebalai ir angliavandeniai; e) lėtas maisto malimas ir jo drėkinimas; m) pyrage esančių angliavandenių skaidymas seilių amilazėmis;
f) maisto klijavimas į maisto gabaliukus ir perkėlimas per stemplę į skrandį; i) galutinis parietalinis kompleksinių molekulių virškinimas ir mažų molekulių absorbcija į kraują ir limfą; p) sausainių baltymų ir pieno riebalų virškinimas skrandyje; i) aminorūgščių, riebalų rūgščių ir gliukozės transportavimas į ląsteles kraujo ir limfos pagalba. Kokį žodį gavai?
Kokia yra ląstelių kvėpavimo biologinė reikšmė?
Pagrindinės ląstelių maistinės medžiagos yra aminorūgštys, riebalų rūgštys ir gliukozė. Kvėpavimas yra procesas, kurio metu šios medžiagos skaidosi ir išskiria cheminę energiją. Yra du pagrindiniai ląstelių kvėpavimo tipai: anaerobinis ir aerobinis.
Aerobinis kvėpavimas – maistinių medžiagų biologinės oksidacijos ir energijos gamybos procesų visuma dalyvaujant deguoniui. Organinės medžiagos suskaidomos, kai susidaro galutiniai H 2 O ir CO 2 oksidacijos produktai. Aerobinis kvėpavimas būdingas daugumai eukariotinių ląstelių. Glikolizė prasideda citoplazmoje ir tęsiasi mitochondrijose.
At aerobinė oksidacija deguonis tarnauja kaip vandenilio elektronų ir protonų akceptorius (imtuvas), susidarant vandeniui. Aerobinis kvėpavimas yra tobuliausias būdas pasisemti energijos. Jo energetinis poveikis yra apie 20 kartų didesnis nei anaerobinio kvėpavimo.
Įvairių gyvosios gamtos karalysčių organizmų ląstelėse kvėpavimo procesai daugeliu atžvilgių yra panašūs. Panašumo požymiai yra tokių universalių medžiagų kaip piruvo rūgštis ir ATP susidarymas, deguonies, kaip elektronų ir vandenilio akceptoriaus, panaudojimas, skilimas iki galutinių produktų H 2 O ir CO 2 ir kt.
Taigi, CELL RESPIRIT – tai maistinių medžiagų biologinės oksidacijos procesų visuma, išskiriant cheminę energiją, kuri kaupiasi ATP.
Kokie procesai yra anaerobinio ląstelių kvėpavimo pagrindas?
Dauguma ląstelių naudoja gliukozę, kad išlaisvintų energiją kvėpuojant. Įdomu tai, kad yra ląstelių (pavyzdžiui, smegenų ląstelių, skeletinis raumuo, subrendę eritrocitai), kurie energiją gauna tik iš šio monosacharido molekulių.
Kodėl gliukozė yra pagrindinis ląstelių energijos šaltinis? Poliarinės gliukozės molekulės labai gerai sąveikauja su vandeniu, todėl lengvai ir greitai juda ląstelėje, jų transportavimas į ląstelę vykdomas palengvintos difuzijos būdu, o tai nereikalauja energijos sąnaudų. Be to, gliukozę ląstelės gali paversti atsarginiais angliavandeniais: augalo ląstelėje – krakmolu, gyvūnų ir grybų ląstelėse – glikogenu.
Seniausias ir universaliausias gliukozės skaidymo be deguonies procesas yra glikolizė (iš graikų kalbos saldus ir skaidymas), vykstanti ląstelių citoplazmoje. Glikolizė yra fermentinių reakcijų rinkinys, kurio metu gliukozės molekulės suskaidomos be oksidacijos ir susidaro pieno rūgštis ir ATP. Glikolizė yra anaerobinio ir aerobinio kvėpavimo procesas. Glikolizės energetinis poveikis yra apie 200 kJ (120 kJ šilumai, 80 kJ ATP):
Glikolizės energija sudaro tik 5-7% potencialios gliukozės energijos. Nepaisant mažas efektyvumas, glikolizė turi didelę biologinę reikšmę. Šis procesas aprūpina organizmą energija deguonies trūkumo sąlygomis. Netgi stuburiniams gyvūnams ir žmonėms glikolizė naudinga efektyvus būdas energijos per trumpus intensyvaus krūvio laikotarpius.
Kitas anaerobinio gliukozės konversijos mechanizmas yra fermentacija. Fermentacija – organinių medžiagų (daugiausia angliavandenių) skilimo procesas bevandenėmis sąlygomis. Louis Pasteur fermentacijos procesus pavadino „gyvenimu be deguonies“. Fermentacija būdinga mielių ląstelėms, pieno rūgšties bakterijoms, gleivinių grybeliams ir kt.
Taigi pagrindiniai anaerobinio kvėpavimo procesai ląstelėse yra glikolizė ir fermentacija.
Kokie yra pagrindiniai aerobinio ląstelių kvėpavimo etapai?
Ląstelių gyvenimo procesai yra labai sudėtingi. Tačiau jų supratimas yra labai svarbus, nes būtent ląstelių lygiu nustatomos visos gyvybinės organizmų funkcijos. Kaip šio teiginio iliustraciją, apsvarstykite aerobinį ląstelių kvėpavimą.
Kvėpavimo deguonies stadija vyksta mitochondrijose dalyvaujant deguoniui, o didžioji dalis energijos (daugiau nei 90%) išsiskiria susidarant H 2 O ir CO 2. Tokio padalijimo energetinis poveikis yra puikus (pavyzdžiui, gliukozei - apie 2600 kJ):
Šioje katabolizmo stadijoje mokslininkai išskiria tris etapus: oksidacinį dekarboksilinimą, Krebso ciklą (arba trikarboksirūgšties ciklą) ir oksidacinį fosforilinimą (48 pav.).
Pirmas lygmuo. Oksidacinis dekarboksilinimas yra piruvo rūgšties (mažų biomolekulių skilimo be deguonies produktas) pavertimas acetilkofermentu A (acetil-CoA).
Antrasis etapas. Krebso ciklas (trikarboksirūgšties ciklas) – tai fermentinių reakcijų seka mitochondrijų matricoje, kurios metu acetil-CoA oksiduojamas iki CO 2, išsiskiriant energijai ir susidaro vandenilio atomai.
Trečias etapas. Oksidacinis fosforilinimas yra ATP biosintezė iš ADP ir neorganinio ortofosfato dėl energijos, išsiskiriančios ir sukauptos dalyvaujant kvėpavimo grandinės fermentams. Šis procesas vyksta mitochondrijose.
Taigi deguonies stadijos reakcijų dėka iš viso susintetinama 36 mol ATP. Bendras visiško gliukozės skilimo energetinis rezultatas yra 2800 kJ energijos (200 kJ + 2600 kJ), iš kurių kaupiasi 38 ATP molekulės.
55% absorbuojama ir 45% išsklaido kaip šiluma. Pilna lygtis Gliukozės skaidymas yra toks:
Taigi pagrindinį vaidmenį aprūpinant ląsteles energija atlieka visiškas gliukozės skaidymas deguonimi.
VEIKLA
Praktinių įgūdžių formavimo užduotis
Gliukozės katabolizmo procese žmogaus raumenyse buvo suskaidyta 4 mol gliukozės, iš kurių tik pusė buvo visiškai suskaidyta deguonimi. Nustatykite: a) kiek pieno rūgšties (apgamais) susikaupė raumenyse; b) kiek energijos iš viso išsiskyrė; c) kiek ATP (moliais) susidarė?
1. Kiek pieno rūgšties (apgamais) susikaupė žmogaus raumenyse?
2. Koks energijos kiekis išsiskyrė nevisiškai suskaidžius 2 molius gliukozės ir visiškai suskaidžius 2 molius gliukozės?
3. Kiek ATP (moliais) susidarė?
POŽIŪRIS Biologija + sveikata
Maistinių medžiagų skaidymas organizme vyksta trimis etapais. Norėdami palyginti šiuos veiksmus, naudokite lentelę. Įrodykite žinių apie ląstelių kvėpavimą poreikį sveikai gyvensenai.
MITYBOS RAJIMO ETAPAI ANGLIAVANDENIŲ PAVYZDŽIU
|
Užduotys savikontrolei |
|
|
1. Kas yra ląstelių kvėpavimas? 2. Įvardykite pagrindinius ląstelinio kvėpavimo tipus. 3. Kas yra anaerobinis kvėpavimas? 4. Įvardykite pagrindinius anaerobinio kvėpavimo mechanizmus. 5. Kas yra aerobinis kvėpavimas? 6. Įvardykite pagrindinius aerobinio kvėpavimo procesus. |
|
|
7. Kokia yra ląstelių kvėpavimo biologinė reikšmė? 8. Kokie procesai yra anaerobinio ląstelių kvėpavimo pagrindas? |
|
|
10. Kodėl organinių junginių skaidymas deguonimi yra energetiškai efektyvesnis nei be deguonies? |
Tai vadovėlio medžiaga.
energijos mainai- tai sudėtingų organinių junginių skaidymas etapais, vykstantis išskiriant energiją, kuri kaupiama ATP molekulių makroerginiuose ryšiuose ir vėliau naudojama ląstelių gyvavimo procese, įskaitant biosintezę, t.y. plastiko mainai.
Aerobiniai organizmai gamina:
- Parengiamasis- biopolimerų skaidymas į monomerus.
- anoksinis Glikolizė yra gliukozės skaidymas į piruvo rūgštį.
- Deguonis- piruvo rūgšties padalijimas į anglies dioksidą ir vandenį.
Parengiamasis etapas
Parengiamajame energijos apykaitos etape su maistu gaunami organiniai junginiai suskaidomi į paprastesnius, dažniausiai monomerus. Taigi angliavandeniai suskaidomi į cukrų, įskaitant gliukozę; baltymai - į aminorūgštis; riebalai - iki glicerolio ir riebalų rūgščių.
Nors energija išsiskiria, ji nėra kaupiama ATP, todėl vėliau negali būti panaudota. Energija išsisklaido šilumos pavidalu.
Polimerai skaidosi daugialąsčiuose kompleksiniuose gyvūnuose Virškinimo traktas veikiant liaukų išskiriamiems fermentams. Tada susidarę monomerai absorbuojami į kraują daugiausia per žarnyną. Maistinės medžiagos pernešamos per ląsteles kraujyje.
Tačiau ne visos medžiagos virškinimo sistemoje skyla į monomerus. Daugelio skilimas vyksta tiesiogiai ląstelėse, jų lizosomose. Vienaląsčiuose organizmuose įsisavintos medžiagos patenka į virškinimo vakuoles, kur jos suvirškinamos.
Gauti monomerai gali būti naudojami tiek energijos, tiek plastiko mainams. Pirmuoju atveju jie yra suskaidomi, o antruoju atveju iš jų sintetinami pačių ląstelių komponentai.
Anoksinė energijos apykaitos stadija
Be deguonies stadija vyksta ląstelių citoplazmoje ir, aerobinių organizmų atveju, apima tik glikolizė – fermentinė daugiapakopė gliukozės oksidacija ir jos suskaidymas į piruvo rūgštį, kuris dar vadinamas piruvatu.
Gliukozės molekulėje yra šeši anglies atomai. Glikolizės metu jis suskaidomas į dvi piruvato molekules, kuriose yra trys anglies atomai. Šiuo atveju dalis vandenilio atomų yra atskiriami, kurie perkeliami į NAD kofermentą, kuris, savo ruožtu, dalyvaus deguonies stadijoje.
Dalis glikolizės metu išsiskiriančios energijos kaupiama ATP molekulėse. Vienoje gliukozės molekulėje sintetinamos tik dvi ATP molekulės.
Piruvate likusi energija, saugoma NAD, bus toliau išgaunama iš aerobų kitame energijos apykaitos etape.
Anaerobinėmis sąlygomis, kai nėra ląstelių kvėpavimo deguonies stadijos, piruvatas „neutralizuojamas“ į pieno rūgštį arba vyksta fermentacija. Tokiu atveju energija nėra kaupiama. Taigi čia naudingą energijos išeigą užtikrina tik neefektyvi glikolizė.
deguonies stadija
Deguonies etapas vyksta mitochondrijose. Jį sudaro du etapai: Krebso ciklas ir oksidacinis fosforilinimas. Į ląsteles patekęs deguonis panaudojamas tik antrajame. Krebso ciklas gamina ir išskiria anglies dioksidą.
Krebso ciklas vyksta mitochondrijų matricoje, yra vykdoma daugelio fermentų. Jis gauna ne pačią piruvo rūgšties molekulę (arba riebalų rūgštį, aminorūgštį), o nuo jos kofermento A pagalba atskirtą acetilo grupę, kuri apima du buvusio piruvato anglies atomus. Daugiapakopio Krebso ciklo metu acetilo grupė suskaidoma į dvi CO 2 molekules ir vandenilio atomus. Vandenilis jungiasi su NAD ir FAD. Taip pat vyksta BVP molekulės sintezė, dėl kurios vėliau susidaro ATP sintezė.
Gliukozės molekulėje yra du Krebso ciklai, kurie gamina du piruvatus. Taip susidaro dvi ATP molekulės. Jei energijos apykaita čia baigtųsi, tada bendras gliukozės molekulės suskaidymas gautų 4 ATP molekules (dvi iš glikolizės).
Oksidacinis fosforilinimas atsiranda ant cristae – mitochondrijų vidinės membranos ataugų. Ją teikia fermentų ir kofermentų konvejeris, formuojantis vadinamąją kvėpavimo grandinę, baigiančią fermentu ATP sintetaze.
Vandenilis ir elektronai per kvėpavimo grandinę perduodami iš kofermentų NAD ir FAD. Perdavimas atliekamas taip, kad vandenilio protonai kaupiasi išorinėje vidinės mitochondrijų membranos pusėje, o paskutiniai grandinės fermentai perneša tik elektronus.
Galiausiai elektronai perkeliami į deguonies molekules, esančias membranos viduje, dėl to jie įkrauna neigiamą krūvį. Atsiranda kritinis elektrinio potencialo gradiento lygis, dėl kurio protonai juda ATP sintetazės kanalais. Vandenilio protonų judėjimo energija naudojama ATP molekulėms sintetinti, o patys protonai jungiasi su deguonies anijonais ir sudaro vandens molekules.
Kvėpavimo grandinės veikimo energija, išreikšta ATP molekulėmis, yra didelė ir iš viso svyruoja nuo 32 iki 34 ATP molekulių vienoje pradinėje gliukozės molekulėje.
Aerobinis kvėpavimas - yra oksidacinis procesas, sunaudojantis deguonį. Kvėpavimo metu substratas be likučių suyra į mažai energijos turinčias neorganines medžiagas, turinčias didelę energijos išeigą. Angliavandeniai yra svarbiausi kvėpavimo substratai. Be to, kvėpuojant galima vartoti riebalus ir baltymus.
Aerobinis kvėpavimas apima du pagrindinius etapus:
1. anoksinis, kurio metu vyksta laipsniškas substrato skilimas, išsiskiriant vandenilio atomams ir prisijungiant prie kofermentų (nešėjų, tokių kaip NAD ir FAD);
2. deguonies, kurio metu toliau vyksta vandenilio atomų skilimas iš kvėpavimo substrato darinių ir laipsniška vandenilio atomų oksidacija dėl jų elektronų perdavimo deguoniui.
Pirmajame etape didelės molekulinės masės organinės medžiagos (polisacharidai, lipidai, baltymai, nukleino rūgštys ir kt.) veikiant pirmiausia suskaidomos į paprastesnius junginius (gliukozę, aukštesnes karboksirūgštis, glicerolį, aminorūgštis, nukleotidus ir kt.). fermentų. Šis procesas vyksta ląstelių citoplazmoje ir kartu išsiskiria nedidelis energijos kiekis, kuris išsisklaido šilumos pavidalu. Be to, vyksta paprastų organinių junginių fermentinis skilimas.
Tokio proceso pavyzdys yra glikolizė – daugiapakopis gliukozės skaidymas be deguonies. Glikolizės reakcijose šešių anglies gliukozės molekulė (C 6) suskaidoma į dvi trijų anglies piruvo rūgšties (C 3) molekules. Tokiu atveju susidaro dvi ATP molekulės ir išsiskiria vandenilio atomai. Pastarieji prisijungia prie NAD + nešiklio (nikotinamido adenino dinukleotido), kuris virsta redukuota forma NAD ∙ H + H + . NAD yra kofermentas, panašus į NADP. Abu jie yra nikotino rūgšties, vieno iš B grupės vitaminų, dariniai. Abiejų kofermentų molekulės yra elektropozityvios (joms trūksta vieno elektrono) ir gali atlikti tiek elektronų, tiek vandenilio atomų nešėjo vaidmenį. Kai priimama vandenilio atomų pora, vienas iš atomų disocijuoja į protoną ir elektroną:
H → H + + e - ,
o antroji visa prisijungia prie NAD arba NADP:
VIRŠ + + H + [H + + e - ] → VIRŠ ∙ H + H + .
Laisvasis protonas vėliau naudojamas atvirkštinei kofermento oksidacijai.
Iš viso glikolizės reakcija turi formą
C 6 H 12 O 6 + 2ADP + 2H 3 PO 4 + 2NAD + → 2C 3 H 4 O 3 + 2ATP + 2NAD ∙ H + H + + 2H 2 O.
Glikolizės produkte – piruvo rūgštyje (C 3 H 4 O 3) – yra nemaža dalis energijos, o tolesnis jos išsiskyrimas vyksta mitochondrijose. Čia piruvo rūgštis visiškai oksiduojama iki CO 2 ir H 2 O. Šį procesą galima suskirstyti į tris pagrindinius etapus:
1) oksidacinis piruvo rūgšties dekarboksilinimas, 2) trikarboksirūgšties ciklas (Krebso ciklas); 3) paskutinė oksidacijos stadija yra elektronų pernešimo grandinė.
Pirmajame etape piruvo rūgštis sąveikauja su medžiaga, vadinama kofermentu A (sutrumpintai kaip CoA), todėl susidaro adetilkofermentas A su didelės energijos jungtimi. Tuo pačiu metu nuo piruvo rūgšties molekulės atsiskiria CO 2 molekulė (pirmoji) ir vandenilio atomai, kurie saugomi NAD ∙ H + H + pavidalu.
Antrasis etapas – Krebso ciklas (pavadintas jį atradusio anglų mokslininko Hanso Krebso vardu).
Acetil-CoA, susidaręs ankstesniame etape, patenka į Krebso ciklą. Acetil-CoA reaguoja su oksaloacto rūgštimi (keturių anglies junginiu), todėl susidaro šešių anglies citrinų rūgštis. Šiai reakcijai reikia energijos; jį aprūpina didelės energijos acetil-CoA jungtis. Be to, transformacija vyksta susidarant daugybei organinių rūgščių, dėl kurių acetilo grupės, patenkančios į ciklą acetil-CoA hidrolizės metu, dehidratuojamos, išsiskiriant keturioms vandenilio atomų poroms ir dekarboksilinamos susidarant dvi CO 2 molekulės. Dekarboksilinimo metu deguonis, kuris atsiskiria nuo vandens molekulių, naudojamas anglies atomams oksiduoti iki CO 2. Ciklo pabaigoje oksaloacto rūgštis regeneruojama pradine forma. Dabar jis gali reaguoti su nauja acetil-CoA molekule ir ciklas kartojasi. Ciklo metu naudojamos trys vandens molekulės, išsiskiria dvi CO 2 molekulės ir keturios vandenilio atomų poros, kurios atkuria atitinkamus kofermentus (FAD – flavin-denine dinukleotid ir NAD). Visą ciklo reakciją galima išreikšti šia lygtimi:
acetil-CoA + ZN 2 O + ZNAD + + FAD + ADP + H 3 PO 4 → CoA + 2CO 2 + ZNAD ∙ H + H + + FAD ∙ H 2 + ATP.
Taigi dėl vienos piruvo rūgšties molekulės skilimo aerobinėje fazėje (PVA dekarboksilinimas ir Krebso ciklas) išsiskiria 3SO 2 , 4NAD ∙ H + H + , FAD ∙ H 2 .
Iš viso glikolizės, oksidacinio dekarboksilinimo ir Krebso ciklo reakciją galima parašyti taip:
C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O + 10NAD + 2FAD → 6CO 2 + 4ATP + 10NAD ∙ H + H + + 2FAD ∙ H 2.
Trečias etapas – elektronų transportavimo grandinė.
Vandenilio atomų poros, atskirtos nuo tarpinių produktų dehidrinimo reakcijose glikolizės metu ir Krebso cikle, galiausiai oksiduojamos molekuliniu deguonimi iki H 2 O, kartu fosforilinant ADP į ATP. Taip atsitinka, kai vandenilis, atskirtas nuo NAD ∙ H 2 ir FAD ∙ H 2, perduodamas per nešėjų grandinę, įmontuotą į vidinę mitochondrijų membraną. Vandenilio atomų poras 2H galima laikyti 2H + + 2e - . Būtent tokia forma jie perduodami išilgai nešėjų grandinės. Vandenilio ir elektronų pernešimo iš vienos nešiklio molekulės į kitą būdas yra redokso procesas. Šiuo atveju molekulė, dovanojanti elektroną arba vandenilio atomą, oksiduojama, o molekulė, kuri priima elektroną arba vandenilio atomą, redukuojama. Varomoji vandenilio atomų pernešimo kvėpavimo taikinyje jėga yra potencialų skirtumas.
Nešėjų pagalba vandenilio jonai H + perkeliami iš vidinės membranos pusės į jos išorinę pusę, kitaip tariant, iš mitochondrijų matricos į tarpmembraninę erdvę.
Kai elektronų pora iš NAD perkeliama į deguonį, jie tris kartus kerta membraną, o šį procesą lydi šešių protonų išsiskyrimas į išorinę membranos pusę. Paskutiniame etape elektronai perkeliami į vidinę membranos pusę ir juos priima deguonis.
½O 2 + 2e - → O 2-.
Dėl šio H + jonų perdavimo į išorinę mitochondrijų membranos pusę perimitochondrinėje erdvėje susidaro padidėjusi jų koncentracija, t.y. atsiranda elektrocheminis protonų gradientas (ΔμH +).
Protonų gradientas yra tarsi laisvos energijos rezervuaras. Šią energiją naudoja atvirkštinis protonų srautas per membraną ATP sintezei. Kai kuriais atvejais galima pastebėti tiesioginį protonų gradiento energijos (ΔμH +) panaudojimą. Jis gali užtikrinti osmosinį darbą ir medžiagų pernešimą per membraną prieš jų koncentracijos gradientą, būti naudojamas mechaniniam darbui ir pan. Taigi ląstelė turi dvi energijos formas – ATP ir ΔμH +. Pirmoji forma yra cheminė. ATP tirpsta vandenyje ir gali būti lengvai naudojamas vandeninėje fazėje. Antrasis (ΔμH +) – elektrocheminis – yra neatsiejamai susijęs su membranomis. Šios dvi energijos formos gali transformuotis viena į kitą. ATP susidarymo metu naudojama energija ΔμH +, ATP skaidant energija gali būti kaupiama ΔμH + pavidalu.
Protonų gradientui pasiekus tam tikrą reikšmę, vandenilio jonai iš H + rezervuaro juda specialiais membranos kanalais, o jų energijos rezervas panaudojamas ATP sintezei. Matricoje jie susijungia su įkrautomis dalelėmis O 2- ir susidaro vanduo: 2H + + O 2- → H 2 O.
ATP susidarymo procesas dėl H + jonų pernešimo per mitochondrijų membraną vadinamas oksidacinis fosforilinimas. Tai atliekama dalyvaujant fermentui ATP sintetazei. ATP sintetazės molekulės yra sferinių granulių pavidalu vidinėje mitochondrijų membranos pusėje.
Suskaidžius dvi piruvo rūgšties molekules ir per membraną per specialius kanalus pernešus vandenilio jonus, iš viso susintetina 36 ATP molekulės (2 molekulės Krebso cikle ir 34 molekulės dėl H + jonai per membraną).
Pažymėtina, kad fermentų sistemos mitochondrijose yra orientuotos priešingai nei chloroplastuose: chloroplastuose H + -rezervuaras yra vidinės membranos viduje, o mitochondrijose – jos išorėje; fotosintezės metu elektronai daugiausia iš vandens pereina į vandenilio atomų nešiklius, o kvėpuojant vandenilio nešikliai, pernešantys elektronus į elektronų transportavimo grandinę, yra membranos viduje, o elektronai galiausiai patenka į susidarančias vandens molekules.
Taigi deguonies stadija suteikia 18 kartų daugiau energijos nei sukaupiama dėl glikolizės. Bendra aerobinio kvėpavimo lygtis gali būti išreikšta taip:
C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O + 38ADP + 38H 3 PO 4 → 6CO 2 + 12H 2 O + 38ATP.
Visiškai akivaizdu, kad aerobinis kvėpavimas nutrūks, jei nebus deguonies, nes būtent deguonis yra galutinis vandenilio akceptorius. Jei ląstelės negauna pakankamai deguonies, visi vandenilio nešikliai greitai bus visiškai prisotinti ir nebegalės jo pernešti. Dėl to bus užblokuotas pagrindinis ATP susidarymo energijos šaltinis.
Fotosintezė ir kvėpavimas yra du procesai, kuriais grindžiamas gyvenimas. Jie abu vyksta kameroje. Pirmasis - augalų ir kai kurių bakterijų, antrasis - gyvūnuose, ir augaluose, ir grybuose, ir bakterijose.
Galima sakyti, kad ląstelių kvėpavimas ir fotosintezė yra vienas kitam priešingi procesai. Tai iš dalies teisinga, nes pirmajame deguonis absorbuojamas ir išsiskiria, o antrajame - atvirkščiai. Tačiau neteisinga net lyginti šiuos du procesus, nes jie vyksta skirtingose organelėse naudojant skirtingas medžiagas. Skiriasi ir tikslai, kuriems jos reikalingos: fotosintezė reikalinga maistinėms medžiagoms gauti, o ląstelių kvėpavimas – energijai gaminti.
Fotosintezė: kur ir kaip tai vyksta?
Tai cheminė reakcija, kurios tikslas - gauti organines medžiagas iš neorganinių. Būtina fotosintezės srauto sąlyga yra saulės šviesos buvimas, nes jos energija veikia kaip katalizatorius.
Augalams būdingą fotosintezę galima išreikšti tokia lygtimi:
- 6CO 2 + 6H 2 O \u003d C 6 H 12 O 6 + 6O 2.
Tai yra, iš šešių anglies dioksido molekulių ir tiek pat vandens molekulių, esant saulės šviesai, augalas gali gauti vieną molekulę gliukozės ir šešis deguonies.
Tai paprasčiausias fotosintezės pavyzdys. Be gliukozės, augaluose gali būti sintetinami ir kiti sudėtingesni angliavandeniai, taip pat kitų klasių organinės medžiagos.
Štai aminorūgščių gamybos iš neorganinių junginių pavyzdys:
- 6CO 2 + 4H 2 O + 2SO 4 2- + 2NO 3 - + 6H + \u003d 2C 3 H 7 O 2 NS + 13O 2.
Aerobinis ląstelių kvėpavimas būdingas visiems kitiems organizmams, įskaitant gyvūnus ir augalus. Tai atsiranda dalyvaujant deguoniui.
Faunos atstovams ląstelių kvėpavimas vyksta specialiose organelėse. Jie vadinami mitochondrijomis. Augaluose ląstelių kvėpavimas vyksta ir mitochondrijose.
Etapai
Ląstelių kvėpavimas vyksta trimis etapais:
- Parengiamasis etapas.
- Glikolizė (anaerobinis procesas, nereikalaujantis deguonies).
- Oksidacija (aerobinis etapas).
Parengiamasis etapas
Pirmas etapas – sudėtingos virškinimo sistemoje esančios medžiagos skaidomos į paprastesnes. Taigi aminorūgštys gaunamos iš baltymų, riebalų rūgštys ir glicerolis – iš lipidų, o kompleksiniai angliavandeniai- gliukozė. Šie junginiai transportuojami į ląstelę, o po to tiesiai į mitochondrijas.
glikolizė
Tai slypi tame, kad veikiant fermentams gliukozė suskaidoma iki piruvo rūgšties ir vandenilio atomų. Šis procesas susidaro. Šį procesą galima išreikšti tokia lygtimi:
- C 6 H 12 O 6 \u003d 2C 3 H 3 O 3 + 4H + 2ATP.
Taigi glikolizės procese iš vienos gliukozės molekulės organizmas gali gauti dvi ATP molekules.
Oksidacija
Šiame etape, susidaręs glikolizės metu, veikiant fermentams, reaguoja su deguonimi, todėl susidaro anglies dioksido ir vandenilio atomai. Tada šie atomai yra transportuojami į krisles, kur jie oksiduojami, kad susidarytų vanduo ir 36 ATP molekulės.
Taigi ląstelių kvėpavimo procese iš viso susidaro 38 ATP molekulės: 2 antrajame etape ir 36 trečiajame. Adenozino trifosforo rūgštis yra pagrindinis energijos šaltinis, kurį mitochondrijos aprūpina ląstele.
Mitochondrijų struktūra
Organelės, kuriose vyksta kvėpavimas, randamos ir gyvūnuose, ir augaluose, jos yra sferinės formos ir maždaug 1 mikrono dydžio.
Mitochondrijos, kaip ir chloroplastai, turi dvi membranas, atskirtas tarpmembranine erdve. Tai, kas yra šio organoido apvalkaluose, vadinama matrica. Jame yra ribosomų, mitochondrijų DNR (mtDNR) ir mtRNR. Matricoje vyksta glikolizė ir pirmasis oksidacijos etapas.
Iš vidinės membranos susidaro į keterą panašios raukšlės. Jie vadinami cristae. Čia vyksta antrasis trečiojo ląstelinio kvėpavimo etapo etapas. Jos metu susidaro dauguma ATP molekulių.
Dvigubų membranų organelių kilmė
Mokslininkai įrodė, kad struktūros, užtikrinančios fotosintezę ir kvėpavimą, atsirado ląstelėje simbiogenezės būdu. Tai yra, kadaise jie buvo atskiri organizmai. Tai paaiškina faktą, kad tiek mitochondrijos, tiek chloroplastai turi savo ribosomas, DNR ir RNR.
