Чем отличается дыхание от брожения кратко

Обновлено: 12.05.2024

Метаболизм - совокупность биохимических реакций, протекающих в микробной клетке и направленных на построение ее компонентов и обеспечение энергией. Метаболизм состоит из анаболизма и катаболизма.

Основным способом получения энергии для большинства микрбных клеток является дыхание (окилительное фософрилирование) и брожение (субстратное фосфорилирование).
Дыхание по энергетической эффективности во много раз превосходит брожение.

Дыхание - метаболический процесс, идущий с образованием АТФ путем оксилительного фосфорилирования, сопряженного с функционированием электронно-транспортной цепи, при котором органические и неорганические вещества служат донорами электронов, а конечными акцепторами электронов являются в основном неорганические соединения.

Брожение - метаболический процесс, приводящий к образованию АТФ в результате анаэробного оесилительно-восстановительного превращения органических соединений в реакциях субстратного фосфорилирования.

Процессу брожения подвердается не свободная молекула углерода, а соединенная с фософрной кислотой (фосфорилированная). Реакция фосфорилированя, происходящая в цикле Кребса, называется субстатртным фосфорилированием - в отличие от оксилительного фосфорилирования, протекающего в дыхательной цепи. При брожении донорами и акцепторами жлектронов служат органические вещества. Брожение протекает в анаэробных условиях, при этом извлекается незначительная часть энергии.

Конечными продуктами брожения являются органические соединения. В зависимости от приолды конечных продуктов брожение делится на следующие типы: молочнокислое, спиртовое, уксуснокислое, маслянокислое, пропионокислое, муравьинокислое и другие.

Дыхательная (электронно-транспортная) цепь содержит систему переносчиков (ферментов и коферментов), осуществляющих транспорт протонов и электронов в цикле Кребса. У прокариот дыхательная цепь локализована в цитоплазматической мембране и, возможно, в ее производных. Мембрана содержит фермент АТФ-синтазу, образующую АТФ из АДФ и фосфора. Важнейшими ферментами дыхательной цепи является:

- Флавопротеины - окислительно-восстановительные ферменты, содержащие в качестве простетичесикх групп флавинмононуклеотид (ФМН) или фламиадениндинуклеотид (ФАД).

- Хиноны - окислительно-восстановительные коферменты, способные переносить как водород, так и электроны. У Гр- чаще встречаются убихинон - кофермент Q, у Гр+ - нафтохинон.

- Цитохромы - окслительно-восстановительные ферменты, которые переносят только электроны. Простетической группой является гем. В дыхательной цепи их содержится несколько, различающихся по потенциалам и другим свойства (в, с, о, а, а3 и т.п.)

Схематически дыхательная цепь выглядит так:

Субстрат - НадН - ФП - Убихинон - Цв - Цс1 - Цс - Цаа3 - O2

Серологические реакции. Реакция непрямой гемагглютинации (РНГА).

Иммунные реакции используют при диагностических и иммунологических исследованиях у больных и здоровых людей. С этой целью применяют серологические методы, т. е. методы изучения антител и антигенов с помощью реакций антиген—антитело, определяемых в сыворотке крови и других жидкостях, а также тканях организма.

Обнаружение в сыворотке крови больного антител против антигенов возбудителя позволяет поставить диагноз болезни. Серологические исследования применяют также для идентификации антигенов микробов, различных биологически активных веществ, групп крови, тканевых и опухолевых антигенов, иммунных комплексов, рецепторов клеток и др.

При выделении микроба от больного проводят идентификацию возбудителя путем изучения его антигенных свойств с помощью иммунных диагностических сывороток, т. е. сывороток крови гипериммунизированных животных, содержащих специфические антитела. Это так называемая серологическая идентификация микроорганизмов.

Реакция непрямой (пассивной) гемагглютинации (РНГА, РПГА)основана на использовании эритроцитов (или латекса) с адсорбированными на их поверхности антигенами или антителами, взаимодействие которых с соответствующими антителами или антигенами сыворотки крови больных вызывает склеивание и выпадение эритроцитов на дно пробирки или ячейки в виде фестончатого осадка.

Компоненты.Для постановки РНГА могут быть использованы эритроциты барана, лошади, кролика, курицы, мыши, человека и другие, которые заготавливают впрок, обрабатывая формалином или глютаральдегидом. Адсорбционная емкость эритроцитов увеличивается при обработке их растворами танина или хлорида хрома.

Антигенами в РНГА могут служить полисахаридные АГ микроорганизмов, экстракты бактериальных вакцин, АГ вирусов и риккетсий, а также другие вещества.

Эритроциты, сенсибилизированные АГ, называются эритроцитарными диагностикумами. Для приготовления эритроцитарного диагностикума чаще всего используют эритроциты барана, обладающие высокой адсорбирующей активностью.

Применение. РНГА применяют для диагностики инфекционных болезней, определения гонадотропного гормона в моче при установлении беременности, для выявления повышенной чувствительности к лекарственным препаратам, гормонам и в некоторых других случаях.

Механизм. Реакция непрямой гемагглютинации (РНГА) отличается значительно более высокой чувствительностью и специфичностью, чем реакция агглютинации. Ее используют для идентификации возбудителя по его антигенной структуре или для индикации и идентификации бактериальных продуктов — токсинов в исследуемом патологическом материале. Соответственно используют стандартные (коммерческие) эритроцитарные антительные диагностикумы, полученные путем адсорбции специфических антител на поверхности танизированных (обработанных танином) эритроцитов. В лунках пластмассовых пластин готовят последовательные разведения исследуемого материала. Затем в каждую лунку вносят одинаковый объем 3 % суспензии нагруженных антителами эритроцитов. При необходимости реакцию ставят параллельно в нескольких рядах лунок с эритроцитами, нагруженными антителами разной групповой специфичности.

Через 2 ч инкубации при 37 °С учитывают результаты, оценивая внешний вид осадка эритроцитов (без встряхивания): при отрицательной реакции появляется осадок в виде компактного диска или кольца на дне лунки, при положительной реакции — характерный кружевной осадок эритроцитов, тонкая пленка с неровными краями.

Брожение, как и дыхание является процессом, посредством которого химическая энергия разных органических веществ преобразуется в АТФ. Существуют организмы, например дрожжи, которые способны, в зависимости от условий, осуществлять либо дыхание, либо брожение. Следовательно, это разные способы энергообеспечения, но чем они различаются помимо условий в которых протекают?

Дыхание происходит при прямом доступе к кислороду -аэробный прцесс, брожение -анаэробный. При дыхании проиходит более полный процесс рапада и соответсвенно большее количество энергии выделяется, чем при брожении.

Обмен веществ и превращение энергии – свойства живых организмов

Обмен веществ является комплексом различных химических преобразований, способствующих сохранению и самовоспроизведению биоструктур.

Он заключается в поступлении веществ в организм во время питания и дыхания, метаболизме внутри клетки или обмене веществ, вдобавок, в высвобождении конечных продуктов метаболизма.

Метаболизм неотрывно соединён с процессами преобразований определённых видов энергии в другие. К примеру, в начале процесса фотосинтеза световая энергия скапливается в виде энергии химических связей сложных органических молекул, в процессе же дыхания она освобождается и применяется для синтезирования новых молекул, механические и осмотические работы, рассеянные в виде тепла и т. д.

Поток химических превращений в живых организмах снабжается биологическими катализаторами белковой специфики — ферментами или энзимами. Наряду с остальными катализаторами, энзимы ускоряют течение химических реакций в клетке до нескольких сотен тысяч раз, при этом они не меняют природу или свойства конечных продуктов клетки. Ферменты представляют собой простые или сложные белковые молекулы, которые, помимо части, состоящей из белка, включают небелковый кофактор, по – другому называемый коферментом. Ферментами являются, например: амилаза слюны, которая расщепляет гликаны при длительном жевании и пепсин, который обеспечивает переваривание белков в желудочно-кишечном тракте.

Ферменты различаются с небелковыми катализаторами тем, что имеют высокую специфичность действия, в значительной степени увеличенную скорости реакции, а также возможностью регулирования действия путем смены условий реакции или взаимодействия различных веществ с ними. Кроме того, условия, при которых протекает ферментативный катализ, значительно различаются с теми, при которых происходит неферментативный катализ: оптимальная температура для того, чтобы ферменты могли функционировать в организме человека, составляет 37 ° С, а также необходимо, чтобы давление являлось близким к атмосферному, в то время как кислотность среды может значительно варьироваться. Например, для амилазы необходима щелочная среда, для пепсина же наоборот - кислая.

Механизм действия ферментов заключается в том, чтобы снизить энергию активации веществ (субстратов), которые вступают в реакцию вследствие образования промежуточных фермент-субстратных комплексов.

Энергетический и пластический обмен, их взаимосвязь

Метаболизм процессуально слагается из двух частей, происходящих в клетке в одно и то же время: пластического и энергетического обмена.

Пластический метаболизм (анаболизм, ассимиляция) является совокупностью реакций синтеза, сопровождающихся расходом энергии аденозинтрифосфата. Пластический обмен особенно важен тем, что в результате него синтезируются органические вещества, играющие важную роль в жизнедеятельности клетки. Реакциями данного обмена являются, например, процесс фотосинтеза, биологический синтез белковых молекул и репликация молекул ДНК (самодублирование).

Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция) являет собой сочетание реакций разложения сложных веществ на более простые. Результатом данного обмена является накапливание энергии в форме АТФ. Важнейшими процессами энергетического обмена являются дыхание и брожение.

Пластический и энергетический обмены прочно коррелируют между собой, в связи с тем, что синтез органических веществ происходит в процессе пластического обмена, а для этого нужна именно энергия АТФ; в процессе обмена энергии органические вещества разлагаются, и высвобождается АТФ, а затем используется для синтеза.

Получение энергии организмами осуществляется в процессе питания, затем высвобождают ее и переводят в форму, доступную главным образом в процессе дыхания. По способу питания все организмы подразделяются на автотрофные и гетеротрофные. Автотрофы способны к самостоятельному синтезу органических веществ из неорганических, а гетеротрофные организмы поглощают уже готовые органические вещества.

Ассимиляция — биосинтез макромолекул, свойственных клеткам организма. Растения и многие бактерии могут создавать молекулы глюкозы из углекислого газа и воды. На этот процесс расходуется и запасается энергия. Животным необходимы готовые молекулы белков, жиров и углеводов (БЖУ). Это важнейший строительный и энергетический материал для клеток.

Ассимиляция — это совокупность процессов создания структур организма с накоплением энергии.

Поступление из внешней среды веществ, необходимых для организма;
Превращение питательных веществ в соединения, которые могут использоваться клетками и тканями;
Синтез структурных элементов клеток, ферментов и т.д., замена устаревшим новыми;
Синтез более сложных соединений из более простых;
Отложение запасов.

Диссимиляция — распад веществ, противоположный ассимиляции (биосинтезу). Белки гидролизуются до аминокислот. При распаде жиров выделяются жирные кислоты и глицерин. Сложные углеводы разлагаются на простые сахара.

Ассимиляция и диссимиляция происходят согласованно. Распад и окисление веществ с выделением энергии возможны лишь тогда, когда есть субстрат — макромолекулы. Они разлагаются на мономеры, которые участвуют в биосинтезе. Выделяющаяся при диссимиляции энергия затрачивается на образование свойственных организму веществ.

Стадии энергетического обмена

Несмотря на сложность реакций обмена энергии, он разделяется на три фазы:

подготовительная,
анаэробная (без кислорода),
аэробная (кислород).

На подготовительном этапе происходит разложение молекул гликанов, липидов, белков, нуклеиновых кислот на более простые, к примеру, на глюкозу, глицерин и жирные кислоты, аминокислоты, нуклеотиды. Эта фаза может осуществляться непосредственно в клетках или в кишечнике, откуда эти вещества переносятся кровотоком.

В анаэробной фазе энергетического катаболизма в дальнейшем происходит расщепление мономеров органических соединений до более простых промежуточных соединений, к примеру, пировиноградной кислоты или пирувата. Он не нуждается в присутствии кислорода, и для организмов, живущих в болотном иле, это единственный способ получить энергию. Анаэробная фаза энергетического обмена проходит в цитоплазме.

Некоторые вещества подвергаются бескислородному расщеплению, при этом глюкоза, чаще всего, остается основным субстратом реакций. Процесс его свободного от кислорода распада принято называть гликолизом. Вследствие гликолиза, молекула глюкозы теряет четыре атома водорода, то есть она окисляется, и образуются две молекулы пировиноградной кислоты, две молекулы АТФ и две молекулы переносчика водорода, восстановленного НАДH + H + :

Образование АТФ из АДФ осуществляется за счет прямого переноса фосфат-аниона из предварительно фосфорилированного сахара и называется субстратным фосфорилированием.

Аэробная фаза энергетического катаболизма может происходить только в присутствии кислорода, тогда как промежуточные продукты, образующиеся при бескислородном разложении, окисляются до конечных продуктов (углекислого газа и воды), и большая часть энергии, хранящейся в химических связях органических соединений, высвобождается. В молекулу АТФ входит 36 макроэргических связей. Эта стадия имеет такое название, как тканевое дыхание. Когда кислород отсутствует, происходит преобразование промежуточных продуктов обмена веществ в определённые органические вещества, данный процесс принято называть ферментацией или брожением.

Брожение и дыхание

Брожение и дыхание это две различные формы диссимиляции — разложения веществ в организме для получения энергии.

Брожение

Примеры процессов брожения известны из повседневной жизни, производственной деятельности.

Спиртовое брожение заключается в метаболическом превращении углеводов микроорганизмами, преимущественно дрожжами. В результате образуется этиловый спирт, АТФ и вода, выделяется углекислый газ. Энергию микроорганизмы используют для жизнедеятельности, деления клеток. Спиртовое брожение используется в производстве алкогольных напитков. Пекарские дрожжи в хлебопечении тоже перерабатывают углеводы на этанол и углекислый газ, разрыхляющий тесто.
Молочнокислое брожение завершается образованием молекул молочной кислоты, АТФ, водорода и воды. Так скисает молоко, получается пахта, йогурт, сметана, творог. (Рисунок 1). Этот же тип брожения происходит при квашении капусты. Молочнокислые бактерии уменьшают рН субстрата, создают кислую среду. Они не нуждаются в кислороде, но выживают и в кислородной среде.
Уксуснокислое брожение приводит к изменениям сока, вина. Сначала, в результате спиртового брожения, вырабатывается этанол. Затем, уксуснокислые бактерии перерабатывают спирт на органические кислоты, в основном яблочную, лимонную, молочную. Так получают натуральный уксус из плодово-ягодного сырья.

Во всех случаях брожения микроорганизмы изменяют углеводы и производят макроэнергетическое вещество — АТФ. Для этого процесса не требуется кислород, что является важнейшим отличием от дыхания. Общий признак — химическая энергия связей в молекуле глюкозы преобразуется в энергию в форме АТФ, которая используется для жизненных процессов.

Брожение — древнейший и не самый совершенный способ выработки энергии. Из одной молекулы глюкозы образуется 2 молекулы АТФ. Кислородный процесс более эффективен в плане получения энергии.

Молекулы О₂ попадают в организм насекомых через трахеи. Для рыб характерно жаберное дыхание, для млекопитающих — легочное. Переносят кислород к органам и транспортируют диоксид углерода красные кровяные клетки, содержащие гемоглобин.

При отсутствии кислорода начинает происходить ферментация. Ферментация является эволюционно более ранним способом генерирования энергии, чем дыхание, но она менее энергетически выгодна, потому что ферментация производит органическое вещество, которое все еще богато энергией. Различают несколько основных видов брожения: уксусно – кислое, спиртовое, маслянокислое, молочнокислое, метановое и др.

Стало быть, в скелетных мышцах в отсутствие кислорода во время ферментации пировиноградная кислота восстанавливается до молочной кислоты, тогда как ранее образованные восстановительные эквиваленты расходуются, и остаются только две молекулы АТФ:

При ферментации с дрожжами пировиноградная кислота в присутствии кислорода преобразуется в этиловый спирт и окись углерода (IV):

Во время ферментации с использованием микроорганизмов пируват также может образовывать уксусную, масляную, муравьиную кислоты и так далее.

Энергия АТФ, которая образуется вследствие энергетического обмена, используется клеткой на различные виды работ:

Химическая работа включает в себя биосинтез белков, липидов, углеводов, нуклеиновых кислот и других важных соединений.
Осмотическая работа включает процессы поглощения и удаления веществ из клетки, находящиеся во внеклеточном пространстве в более высоких концентрациях, чем в самой клетке.
Электрическая работа неразрывно связана с осмотической, ведь именно из – за перемещения заряженных частиц через мембраны формируется заряд мембраны и приобретаются свойства возбудимости и проводимости.
Механическая работа связана с передвижением веществ и структур во внутриклеточном пространстве и непосредственно клетки в целом.
К регуляторной работе относят все процессы, которые направлены на координировании процессуальных действий в клетке.

Дыхание

Кислородное дыхание производится в митохондриях, где пировиноградная кислота вначале теряет один атом углерода, что сопровождается синтезом одного восстанавливающего эквивалента молекул НАДН + Н + и ацетилкофермента A (ацетил-КоА):

С₃Н₄О₃ + НАД + Н ~ КоА → СН₃СО ~ КоА + НАДН + Н + + СО2↑.

Ацетил-КоА в митохондриальном матриксе участвует в цепочке химических превращений, которые в совокупности называются циклом Кребса (цикл трикарбоновых кислот, цикл лимонной кислоты). Во время этих превращений образуются две молекулы АТФ, ацетил-КоА полностью окисляется до диоксида углерода, а его ионы водорода и электроны присоединяются к водородным векторам НАДН + Н + и НАДH2. Носители переносят протоны и электроны водорода во внутренние митохондриальные мембраны, которые образуют гребни. При помощи белков-носителей протоны водорода вводятся в межмембранное пространство, а электроны переносятся через, так называемую, дыхательную цепь энзимов, которые расположены во внутренней митохондриальной мембране, и разряжаются в атомы кислорода:

O₂ + 2 e− → O 2− .

Важно то, что в дыхательной цепи имеются белки, содержащие железо и серу.

Протоны водорода переносятся из межмембранного пространства в митохондриальный матрикс благодаря специальным ферментам, АТФ-синтетаз, а энергия, выделенная в результате этого процесса, используется для синтеза 34 молекул АТФ из каждой молекулы глюкозы. Этот процесс называется окислительным фосфорилированием. В митохондриальной матрице протоны водорода, прореагировавшие с радикалами кислорода с образованием воды:

4H + + O 2− → 2H₂O.

Набор кислородных дыхательных реакций можно выразить таким уравнением:

Общее уравнение дыхания выглядит следующим образом:

• Аэробное окисление пирувата в митохондриях до СО₂ и Н₂О с запасанием энергии в виде АТФ называют клеточным дыханием.

Клеточное дыхание следует отличать от физиологического процесса дыхания, под которым понимают собственно газообмен через поверхность специализированных органов дыхания и сопутствующие этому процессы (например, вентиляция лёгких).

Поступая из цитоплазмы в митохондрии, пируват сначала утрачивает один атом углерода, что сопровождается синтезом одного восстановительного эквивалента НАДН и молекулы ацетилкофермента А (ацетил-КоА).

• Окисление ацетилкофермента А

Ацетил-КоА в матриксе митохондрий окисляется в цикле Кребса (также называют цикл ди- и трикарбоновых кислот, или цикл лимонной кислоты) до СO₂ и Н₂О. В результате образуется одна молекула нуклеозидтрифосфата (у растений — АТФ, у животных — ГТФ), а электроны, извлечённые из субстрата при окислении, присоединяются к коферментам НАДН и ФАДН₂, которые в восстановленном состоянии являются одной из форм восстановительных эквивалентов.

• Восстановительный эквивалент с биохимической точки зрения представляет собой пару электронов. Восстановительные эквиваленты могут передаваться при окислительно-восстановительной реакции непосредственно от одного субстрата к другому, или через посредников, в качестве которых выступают коферменты НАДН и ФАДН₂.

Затем НАДН и ФАДН₂ окисляются на внутренних мембранах митохондрий, отдавая электроны в дыхательную цепь переноса электронов. Транспорт электронов сопровождается переносом протонов (Н + ) в межмембранное пространство митохондрий. Окончательно электроны сбрасываются на атомы кислорода. Этот процесс сопровождается образованием молекул воды.

Из межмембранного пространства протоны водорода транспортируются обратно в матрикс митохондрий с помощью специальных ферментов — АТФ-синтаз, а выделяющаяся при этом энергия расходуется на синтез 34 молекул АТФ в расчёте на одну молекулу глюкозы. Этот процесс называется окислительным фосфорилированием.

• Брожение — анаэробное окисление субстратов в цитоплазме, при котором синтезируется АТФ и выделяются конечные продукты.

Брожение осуществляется в два этапа:

1) Гликолиз (окисление глюкозы до пировиноградной кислоты) — синтезируются две молекулы АТФ в расчёте на одну молекулу глюкозы.

2) Метаболизация пирувата. В отличие от дыхания пируват или продукты его расщепления не окисляются, а восстанавливаются с образованием конечных продуктов. Энергия не накапливается.

• По наименованию конечных продуктов, которые выделяются из клетки, называют тип брожения: молочнокислое, спиртовое, уксуснокислое, маслянокислое и др.

• Существует группа прокариотических микроорганизмов, у которых брожение является единственным способом запасания энергии. В тканях многоклеточных аэробных эукариотических организмов в отсутствие или при недостатке кислорода также возможно брожение.

• Брожение является эволюционно более ранним способом получения энергии, однако в отличие от дыхания, в результате брожения образуются органические вещества, все ещё богатые энергией. Поэтому брожение энергетически менее выгодно.

• В скелетных мышцах человека в отсутствие кислорода пировиноградная кислота восстанавливается до молочной кислоты. При этом на восстановление пировиноградной кислоты используются образовавшиеся ранее восстановительные эквиваленты:

Библиотека образовательных материалов для студентов, учителей, учеников и их родителей.

Наш сайт не претендует на авторство размещенных материалов. Мы только конвертируем в удобный формат материалы из сети Интернет, которые находятся в открытом доступе и присланные нашими посетителями.

Если вы являетесь обладателем авторского права на любой размещенный у нас материал и намерены удалить его или получить ссылки на место коммерческого размещения материалов, обратитесь для согласования к администратору сайта.

Разрешается копировать материалы с обязательной гипертекстовой ссылкой на сайт, будьте благодарными мы затратили много усилий чтобы привести информацию в удобный вид.

Читайте также: