Клеточное дыхание это в биологии кратко

Обновлено: 07.07.2024

Клеточное дыхание — это окисление органических веществ в клетке, в результате которого синтезируются молекулы АТФ. Исходным сырьем (субстратом) обычно служат углеводы, реже жиры и еще реже белки. Наибольшее количество молекул АТФ дает окисление кислородом, меньшее – окисление другими веществами и переносом электронов.

Углеводы, или полисахариды, перед использованием в качестве субстрата клеточного дыхания распадаются до моносахаридов. Так у растений крахмал, а у животных гликоген гидролизуются до глюкозы.

Глюкоза является основным источником энергии почти для всех клеток живых организмов.

Первый этап окисления глюкозы — гликолиз. Он не требует кислорода и характерен как при анаэробном, так и аэробном дыхании.

Биологическое окисление

Клеточное дыхание включает в себя множество окислительно-восстановительных реакций, в которых происходит перемещение водорода и электронов от одних соединений (или атомов) к другим. При потери электрона каким-либо атомом происходит его окисление; при присоединении электрона — восстановление. Окисляемое вещество — это донор, а восстанавливаемое — акцептор водорода и электронов. Окислительно-восстановительные реакции, протекающие в живых организмах носят название биологического окисления, или клеточного дыхания.

Наиболее распространенным в природе конечным акцептором электронов является кислород, который восстанавливается. При аэробном дыхании в результате полного окисления органических веществ образуются углекислый газ и вода.

Биологическое окисление протекает по-этапно, в нем участвуют множество ферментов и соединения, переносящие электроны. При ступенчатом окислении электроны перемещаются по цепи переносчиков. На определенных этапах цепи происходит выделение порции энергии, достаточной для синтеза АТФ из АДФ и фосфорной кислоты.

Биологическое окисление весьма эффективно по-сравнению с различными двигателями. Около половины выделяющейся энергии в конечном итоге фиксируется в макроэргических связях АТФ. Другая часть энергии рассеивается в виде тепла. Поскольку процесс окисления ступенчатый, то тепловая энергия выделяется понемногу и не повреждает клетки. В то же время она служит для поддержания постоянной температуры тела.

Аэробное дыхание

Различные этапы клеточного дыхания у аэробных эукариот происходят

в матриксе митохондрий – цикл Кребса, или цикл трикарбоновых кислот,

на внутренней мембране митохондрий – окислительное фосфорилирование, или дыхательная цепь.

На каждом из этих этапов из АДФ синтезируется АТФ, больше всего на последнем. Кислород в качестве окислителя используется только на этапе окислительного фосфорилирования.

Суммарные реакции аэробного дыхания выглядит следующим образом.

Дыхательная цепь: 12H₂ + 6O₂ → 12H₂O + 34АТФ

Таким образом биологическое окисление одной молекулы глюкозы дает 38 молекул АТФ. На самом деле нередко бывает меньше.

Анаэробное дыхание

Большинство анаэробов — это микроорганизмы. Однако к организмам, использующим анаэробное дыхание, относятся также дрожжи, ряд червей-паразитов. Способностью к анаэробному дыханию также обладают определенные ткани. Например, мышечные клетки, которые периодически могут испытывать недостаток кислорода.

При анаэробном дыхании в окислительных реакциях акцептор водорода НАД не передает водород в конечном итоге на кислород, которого в данном случае нет.

В качестве акцептора водорода может быть использована пировиноградная кислота, образующаяся при гликолизе.

У дрожжей пируват сбраживается до этанола (спиртовое брожение). При этом в процессе реакций образуется также углекислый газ и используется НАД:

CH₃COCOOH (пируват) → CH₃CHO (ацетальдегид) + CO₂

Молочнокислое брожение происходит в животных клетках, испытывающих временный недостаток кислорода, и у ряда бактерий:

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

Оба брожения не дают выхода АТФ. Энергию в данном случае дает только гликолиз, и составляет она всего две молекулы АТФ. Значительная часть энергии глюкозы так и не извлекается. Поэтому анаэробное дыхание считается малоэффективным.

Клеточное дыхание – это процесс, посредством которого клетки превращают сахара в энергию. Чтобы создать АТФ и другие виды энергии для клеточных реакций, клеткам требуется топливо и акцептор электронов, который превращает химический процесс превращения энергии в полезную форму.

Обзор клеточного дыхания

эукариоты включая все многоклеточный организмы и некоторые одноклеточные организмы, использование аэробного дыхания производить энергию. Аэробного дыхания использует кислород – самый мощный акцептор электронов, доступный в природе.

Аэробного дыхания Этот чрезвычайно эффективный процесс позволяет эукариотам иметь сложные жизненные функции и активный образ жизни. Однако это также означает, что им требуется постоянный запас кислорода, иначе они не смогут получить энергию, чтобы остаться в живых.

Прокариотические организмы, такие как бактерии а также архебактерии можешь использовать другие формы дыхания, которые несколько менее эффективны. Это позволяет им жить в среде, где эукариотические организмы не могут, потому что они не требуют кислорода.

Примеры различных путей расщепления сахара организмами приведены ниже:

Более подробные статьи по аэробному дыханию и анаэробное дыхание можно найти на этом сайте. Здесь мы дадим обзор различных типов клеточного дыхания.

Уравнение клеточного дыхания

Уравнение аэробного дыхания

Уравнение аэробного дыхания показывает, что глюкоза соединяется с кислородом и АДФ с образованием углекислого газа, воды и АТФ:

C6H12O6 (глюкоза) + 6O2 + 36 АДФ (обедненная АТФ) + 36 Pi (фосфатные группы) → 6CO2 + 6H2O + 36 АТФ

Вы можете видеть, что, как только он полностью разрушен, молекулы углерода глюкозы выдыхаются как шесть молекул углекислого газа.

Уравнение брожения молочной кислоты

В молочной кислоте ферментация, один молекула глюкозы расщепляется на две молекулы молочной кислоты. Химическая энергия, которая хранилась в разорванных глюкозных связях, перемещается в связи между ADP и фосфатная группа.

C6H12O6 (глюкоза) + 2 АДФ (обедненная АТФ) + 2 Pi (фосфатные группы) → 2 CH3CHOHCOOH (молочная кислота) + 2 АТФ

Уравнение алкогольного брожения

Алкогольная ферментация похожа на ферментацию молочной кислоты тем, что кислород не является конечным акцептором электронов. Здесь вместо кислорода клетка использует преобразованную форму пируват принять последние электроны. Это создает этиловый спирт, который содержится в алкогольных напитках. Пивовары и дистилляторы используют дрожжевые клетки для создания этого спирта, который очень хорош в этой форме брожения.

C6H12O6 (глюкоза) + 2 АДФ (обедненный АТФ) + 2 Pi (фосфатные группы) → 2 C2H5OH (этиловый спирт) + 2 СО2 + 2 АТФ

Клеточные шаги дыхания

Шаг 1

гликолиз это единственный шаг, который разделяют все виды дыхания. При гликолизе молекула сахара, такая как глюкоза, расщепляется пополам, образуя две молекулы АТФ.

Уравнение для гликолиза имеет вид:

C6H12O6 (глюкоза) + 2 NAD + + 2 АДФ + 2 Pi → 2 CH3COCOO- + 2 NADH + 2 АТФ + 2 H2O + 2H +

В большинстве путей гликолиз начинается с глюкозы, которая затем расщепляется на две молекулы пировиноградной кислоты. Эти две молекулы пировиноградной кислоты затем подвергаются дальнейшей обработке с образованием различных конечных продуктов, таких как этиловый спирт или молочная кислота.

Шаг 2

В случае ферментации молочной кислоты NADH отдает электрон пировиноградной кислоте, что приводит к конечным продуктам молочной кислоты и NAD +. Это полезно для клетки, потому что NAD + необходим для гликолиза. В случае спиртового брожения пировиноградная кислота подвергается дополнительной стадии, на которой она теряет атом углерода в форме CO2. Полученная промежуточная молекула, называемая ацетальдегидом, затем восстанавливается с образованием НАД + плюс этиловый спирт.

Шаг 3

Продукты клеточного дыхания

Основным продуктом любого клеточного дыхания является молекула аденозинтрифосфат (АТФ), Эта молекула хранит энергию, выделяемую во время дыхания, и позволяет клетке передавать эту энергию различным частям клетки. АТФ используется рядом клеточных компонентов в качестве источника энергии. Например, ферменту может потребоваться энергия от АТФ для объединения двух молекул. АТФ также обычно используется на транспортерах, которые являются белками, которые функционируют, чтобы перемещать молекулы через клеточная мембрана.

Углекислый газ

Углекислый газ – универсальный продукт, созданный клеточным дыханием. Как правило, углекислый газ считается отходом и должен быть удален. В водной решение диоксид углерода создает кислые ионы. Это может резко снизить рН клетки и в конечном итоге приведет к прекращению нормальных клеточных функций. Чтобы избежать этого, клетки должны активно вытеснять углекислый газ.

Другие продукты

В то время как АТФ и углекислый газ регулярно вырабатываются всеми формами клеточного дыхания, различные типы дыхания полагаются на разные молекулы, чтобы быть конечными акцепторами электронов, используемых в процессе.

Цель клеточного дыхания

Все клетки должны иметь возможность получать и транспортировать энергию для обеспечения жизненных функций. Чтобы клетки продолжали жить, они должны иметь возможность управлять основными механизмами, такими как насосы в клеточных мембранах, которые поддерживают внутреннюю среду клетки таким образом, чтобы она подходила для жизни.

Поскольку АТФ нестабилен в течение длительных периодов времени, он не используется для длительного хранения энергии. Вместо этого сахара и жиры используются в качестве долгосрочной формы хранения, и клетки должны постоянно обрабатывать эти молекулы, чтобы произвести новый АТФ. Это процесс дыхания.

Процесс аэробного дыхания вырабатывает огромное количество АТФ из каждой молекулы сахара. На самом деле, каждая молекула сахара переваривается растение или клетка животного дает 36 молекул АТФ! Для сравнения, ферментация обычно производит только 2-4 молекулы АТФ.

Анаэробное дыхание процессы, используемые бактериями и архебактериями, дают меньшее количество АТФ, но они могут происходить без кислорода. Ниже мы обсудим, как различные типы клеточного дыхания производят АТФ.

Типы клеточного дыхания

Аэробного дыхания

Специализированный анатомия митохондрий, которые объединяют все необходимые реагенты для клеточного дыхания в небольшом мембранном пространстве внутри клетки, также способствует высокой эффективности аэробного дыхания.

В отсутствие кислорода большинство эукариотических клеток могут также выполнять различные виды анаэробного дыхания, такие как ферментация молочной кислоты. Однако эти процессы не дают достаточного количества АТФ для поддержания жизнедеятельности клетки, и без кислорода клетки в конечном итоге погибают или перестают функционировать.

Ферментация

Ферментация – это название, данное многим различным типам анаэробного дыхания, которые выполняются различными вид бактерий и архебактерий, а также некоторыми эукариотическими клетками в отсутствие кислорода.

Эти процессы могут использовать различные акцепторы электронов и производить различные побочные продукты. Несколько видов брожения:

Алкогольная ферментация – Этот тип ферментации, осуществляемый дрожжевыми клетками и некоторыми другими клетками, метаболизирует сахар и производит алкоголь и углекислый газ в качестве побочных продуктов. Вот почему пиво шипучее: во время брожения его дрожжи выделяют как углекислый газ, который образует пузырьки, так и этиловый спирт.
Брожение молочной кислоты – Этот тип брожения осуществляется человеком мускул клетки в отсутствие кислорода, а некоторые бактерии. Ферментация молочной кислоты фактически используется людьми, чтобы сделать йогурт. Для приготовления йогурта в молоке выращиваются безвредные бактерии. Молочная кислота, вырабатываемая этими бактериями, придает йогурту характерный острый кислый вкус, а также реагирует с молочными белками, образуя густую кремообразную текстуру.
Пропионовая кислота – Этот тип ферментации выполняется некоторыми бактериями и используется для приготовления швейцарского сыра. Пропионовая кислота отвечает за характерный острый ореховый вкус швейцарского сыра. Пузырьки газа, созданные этими бактериями, ответственны за отверстия, найденные в сыре.
Acetogenesis – Ацетогенез – это вид ферментации, осуществляемый бактериями, который производит уксусная кислота как его побочный продукт. Уксусная кислота является отличительным ингредиентом в уксусе, который придает ему острый, кислый вкус и запах. Интересно, что бактерии, которые производят уксусную кислоту, используют этиловый спирт в качестве топлива. Это означает, что для производства уксуса сахаросодержащий раствор должен сначала ферментироваться дрожжами для производства спирта, а затем снова ферментироваться бактериями, которые превращают спирт в уксусную кислоту!

Метаногенез

Метаногенез является уникальным типом анаэробного дыхания, которое может быть выполнено только архебактериями. В метаногенезе углевод-источник топлива расщепляется с образованием углекислого газа и метана.

Метаногенез осуществляется некоторыми симбиотическими бактериями в пищеварительном тракте людей, коров и некоторых других животных. Некоторые из этих бактерий способны переваривать целлюлозу, сахар, содержащийся в растениях, который невозможно разрушить при помощи клеточного дыхания. Симбиотические бактерии позволяют коровам и другим животным получать энергию из этих неперевариваемых сахаров!

Содержание

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:

Сократив АТФ и АДФ из левой и правой частей уравнения реакции, получим:

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

Деградация жирных кислот (у некоторых организмов также алканов) происходит у эукариот в матриксе митохондрий. Суть этого процесса заключается в следующем. На первой стадии к жирной кислоте присоединяется кофермент А с образованием ацил-KoA. Он дегидрируется с последовательным переносом восстановительных эквивалентов на убихинон дыхательной ЭТЦ. На второй стадии происходит гидратирование по двойной связи С=С, после чего на третьей стадии происходит окисление полученной гидроксильной группы. В ходе этой реакции восстанавливается НАД.

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

Ацетил-КоА под действием цитратсинтазы передаёт ацетильную группу оксалоацетату с образованием лимонной кислоты, которая поcтупает в цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса). В ходе одного оборота цикла лимонная кислота несколько раз дегидрируется и дважды декарбоксилируется с регенерацией оксалоацетата и образованием одной молекулы ГТФ (способом субстратного фосфорилирования), трёх НАДН и ФАДН₂.

Суммарное уравнение реакций:

Ацетил-КоА + 3НАД + + ФАД + ГДФ + Ф_н + 2H₂O + КоА-SH = 2КоА-SH + 3НАДH + 3H + + ФАДН₂ + ГТФ + 2CO₂

У эукариот ферменты цикла находятся в свободном состоянии в матриксе митохондрий, только сукцинатдегидрогеназа встроена во внутреннюю митохондриальную мембрану.

Окислительное фосфорилирование

Основное количество молекул АТФ вырабатывается по способу окислительного фосфорилирования на последней стадии клеточного дыхания: в электронтранспортной цепи. Здесь происходит окисление НАД∙Н и ФАДН₂, 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, ФАДН₂ — 1.5 молекулы.

Конечным акцептором электрона в дыхательной цепи аэробов является кислород.

Анаэробное дыхание

Если в электронтранспортной цепи вместо кислорода используется другой конечный акцептор (трёхвалентное железо, нитрат- или сульфат-анион), дыхание называется анаэробным. Анаэробное дыхание свойственно в основном бактериям, которые благодаря этому играют важную роль в биогеохимическом цикле серы, азота и железа. Денитрификация — один из типов анаэробного дыхания — является одним из источников парниковых газов, железобактерии принимают участие в образовании железомарганцевых конкреций. Среди эукариот анаэробное дыхание встречается у некоторых грибов, морских донных беспозвоночных, паразитических червей [1] и протистов - например, фораминифер [1].

Общее уравнение дыхания, баланс АТФ

Примечания

↑ Tielens A.G.M., Rotte C., van Hellemond J.J., Martin W. Mitochondria as we don't know them (Trends in Biochem.Sci.,2002,27,11,564-572
↑David L. Nelson, Michael M. Cox Lehninger Principles of Biochemistry. — 4. — W. H. Freeman, 2004. — 1100 с.

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое "Клеточное дыхание" в других словарях:

Дыхание — Диафрагмальный (брюшной) тип дыхания у человека У этого термина существуют и другие значения, см. Клеточное дыхание … Википедия

ДЫХАНИЕ — Обычно дыхание ассоциируется с вдохом и выдохом, т.е. дыхательными движениями, необходимыми для вентиляции легких у наземных позвоночных. Однако у большинства организмов ни этих движений, ни самих легких нет, поэтому более общее определение… … Энциклопедия Кольера

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,… … 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

Клеточное или тканевое дыхание — совокупность биохимических реакций, протекающих в клетках живых организмов, в ходе которых происходит окисление углеводов, липидов и аминокислот до углекислого газа и воды.

Итак, клеточное дыхание происходит в клетке.

Но где именно? Какая органелла осуществляет этот процесс?

АТФ — это молекула — синоним энергии в биологии. Расшифровывется как Аденозинтрифосфат или Аденозинтрифосфорная кислота. Как видно из рисунка формулы, в составе молекулы есть:

три связи с остатками фосфорной кислоты, при разрыве которых выделяется большое количество энергии,
углевод рибоза ( пятиатомый сахар) и
азотистое основание

1 Этап клеточного дыхания — подготовительный

Каким образом вещества попадают в клетки? В процессе пищеварения организма. Суть процесса пищеварения — расщепление полимеров, поступающих в организм с пищей, до мономеров:

белки расщепляются до аминокислот;
углеводы — до глюкозы;
жиры расщепляются до глицерина и жирных кислот.

Т.е. в клетку поступают уже мономеры.

Дальше мы рассмотрим путь превращения именно глюкозы .

2 Этап клеточного пищеварения

Гликолиз — ферментативный процесс последовательного расщепления глюкозы в клетках, сопровождающийся синтезом АТФ.

Гликолиз при аэробных условиях ведёт к образованию пировиноградной кислоты (ПВК) (пирувата),

гликолиз в анаэробных условиях (бескислородных или при недостатке кислорода) ведёт к образованию молочной кислоты (лактата).

Процесс идет с участием молекул фосфорной кислоты, поэтому называется окислительное фосфорилирование

Гликолиз является основным путём катаболизма глюкозы в организме животных.

Превращения происходят в цитоплазме клетки, т.е. процесс будет однозначно анаэробным: молекула глюкозы расщепится до ПВК — пировиноградной кислоты с выделением 2 молекул АТФ:

Дальше образовавшаяся пировиноградная кислота поступает в митохондрии, где происходит ее дальнейшее окисление

3 Этап клеточного пищеварения (кислородный)

Поступая в митохондрию, происходит окисление: ПВК под действием кислорода расщепляется до углекислого газа (суммарное уравнение):

Вначале отщепляется один углеродный атом пировиноградной кислоты. При этом образуется углекислый газ, энергия (она запасается в одной молекуле НАДФ) и двухуглеродная молекула — ацетильная группа. Затем реакционная цепь поступает в метаболический координационный центр клетки — цикл Кребса.

Цикл Кребса

(цикл лимонной кислоты)

Процесс многостадийный, и в нем, помимо различных кислот с интересными названиями участвуют коферменты (КоА).

Что такое коферменты?

это органические вещества небольшого размера
они способны соединяться с белками ( или прямо с ферментами, у которых, кстати, белковая природа), образуя активное вещество, косплекс, которое будет являться чем-то вроде катализатора.

Гликолиз — катаболический путь исключительной важности.

Он обеспечивает энергией клеточные реакции, в том числе и синтез белка.

Промежуточные продукты гликолиза используются при синтезе жиров.

Пируват также может быть использован для синтеза других соединений. Благодаря гликолизу производительность митохондрий и доступность кислорода не ограничивают мощность мышц при кратковременных предельных нагрузках.

Читайте также: