Кислородное окисление, или дыхание

Энергетический обмен

Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция) — совокупность реакций расщепления органических веществ, сопровождающихся выделением энергии. Энергия, освобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается в форме АТФ и других высокоэнергетических соединений. АТФ — универсальный источник энергообеспечения клетки. Синтез АТФ происходит в клетках всех организмов в процессе фосфорилирования — присоединения неорганического фосфата к АДФ.

У аэробных организмов (живущих в кислородной среде) выделяют три этапа энергетического обмена: подготовительный, бескислородное окисление и кислородное окисление; у анаэробных организмов (живущих в бескислородной среде) и аэробных при недостатке кислорода — два этапа: подготовительный, бескислородное окисление.

Подготовительный этап

Заключается в ферментативном расщеплении сложных органических веществ до простых: белковые молекулы — до аминокислот, жиры — до глицерина и карбоновых кислот, углеводы — до глюкозы, нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов. Распад высокомолекулярных органических соединений осуществляется или ферментами желудочно-кишечного тракта или ферментами лизосом. Вся высвобождающаяся при этом энергия рассеивается в виде тепла. Образовавшиеся небольшие органические молекулы могут быть использованы в качестве «строительного материала» или могут подвергаться дальнейшему расщеплению.

Бескислородное окисление, или гликолиз

Этот этап заключается в дальнейшем расщеплении органических веществ, образовавшихся во время подготовительного этапа, происходит в цитоплазме клетки и в присутствии кислорода не нуждается. Главным источником энергии в клетке является глюкоза. Процесс бескислородного неполного расщепления глюкозы — гликолиз.

Гликолиз — сложный многоступенчатый процесс, включающий в себя десять реакций. Во время этого процесса происходит дегидрирование глюкозы, акцептором водорода служит кофермент НАД⁺ (никотинамидадениндинуклеотид). Глюкоза в результате цепочки ферментативных реакций превращается в две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК), при этом суммарно образуются 2 молекулы АТФ и восстановленная форма переносчика водорода НАД·Н₂:

С₆Н₁₂О₆ + 2АДФ + 2Н₃РО₄ + 2НАД⁺ → 2С₃Н₄О₃ + 2АТФ + 2Н₂О + 2НАД·Н₂.

Дальнейшая судьба ПВК зависит от присутствия кислорода в клетке. Если кислорода нет, у дрожжей и растений происходит спиртовое брожение, при котором сначала происходит образование уксусного альдегида, а затем этилового спирта:

1. С₃Н₄О₃ → СО₂ + СН₃СОН,

2. СН₃СОН + НАД·Н₂ → С₂Н₅ОН + НАД⁺.

У животных и некоторых бактерий при недостатке кислорода происходит молочнокислое брожение с образованием молочной кислоты:

С₃Н₄О₃ + НАД·Н₂ → С₃Н₆О₃ + НАД⁺.

В результате гликолиза одной молекулы глюкозы высвобождается 200 кДж, из которых 120 кДж рассеивается в виде тепла, а 80% запасается в связях АТФ.

Кислородное окисление, или дыхание

Заключается в полном расщеплении пировиноградной кислоты, происходит в митохондриях и при обязательном присутствии кислорода.

Пировиноградная кислота транспортируется в митохондрии(окисляется до конечных продуктов обмена СО2, H2O и образуется 36 атф) (строение и функции митохондрий — лекция №7). Здесь происходит дегидрирование (отщепление водорода) и декарбоксилирование (отщепление углекислого газа) ПВК с образованием двухуглеродной ацетильной группы, которая вступает в цикл реакций, получивших название реакций цикла Кребса. Идет дальнейшее окисление, связанное с дегидрированием и декарбоксилированием. В результате на каждую разрушенную молекулу ПВК из митохондрии удаляется три молекулы СО₂; образуется пять пар атомов водорода, связанных с переносчиками (4НАД·Н₂, ФАД·Н₂), а также одна молекула АТФ.

Аденозинтрифосфат (АТФ) является источником энергии в клетке, посредником между всеми формами накопления энергии и работой клетки, единственной формой питания клетки, которую она может использовать для сокращения мышечных волокон, построения новых тканей и транспорта минеральных веществ. Энергия химических связей, накопленная в различных формах, передается в первую очередь АТФ. Затем АТФ передает энергию непосредственно структуре или соединению в клетке, которая нуждается в ней для выполнения своей функции

Во время этого процесса АТФ теряет энергию, а затем снова восстанавливает ее высокий уровень, используя энергию химических связей пищевых жиров или углеводов, используемых в виде жирных кислот или гликогена соответственно. АТФ постоянно образуется, расходуется и восстанавливается. Организм сохраняет только небольшое количество АТФ (до 80—100 г), это энергия, достаточная для того, чтобы выдержать максимальную физическую нагрузку в течение нескольких секунд. Когда уровень метаболизма энергии повышается, что ведет к увеличению потребности в энергии и АТФ, запасы энергии в организме немедленно расходуются. Различные формы накопленной энергии могут быть использованы одновременно.

Объединение используемых форм накопленной энергии и метода передачи энергии к АТФ зависит от наличия накопленного запаса, особенности вида энергии и интенсивности физической нагрузки, состояния клетки и характера тренировочных занятий.

Поэтому чтобы получить достаточный "заряд", необходимо подобрать правильный энергетический рацион из пищи, обладающей таким свойством. Это очень важно для видов спорта, требующих мощного быстрого взрыва. Фосфагенная система является первой системой для передачи энергии к АТФ, когда повышается потребность в энергии.

Система не требует наличия кислорода. Это прямой и быстрый процесс. Энергия химических связей в молекуле КрФ (креатинфосфата) передается молекуле АТФ посредством реакции ферментативного катализа. Количество КрФ, накопленного в организме, примерно в 4—6 раз выше количества накопленного АТФ. Комбинированное накопление энергии АТФ и КрФ способно обеспечить только кратковременное сокращение мышц в зависимости от интенсивности нагрузки.

Фотосинтез — процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов(хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий). В современной физиологии растений под фотосинтезом чаще понимается фотоавтотрофная функция — совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии квантов света в различных эндэргонических реакциях, в том числе превращения углекислого газа в органические вещества.

В процессе фотосинтеза различают световую и темновую фазы.

При освещении растений энергия света преобразуется в энергию химических связей АТФ и НАДФ*Н. Энергия этих соединений легко освобождается и используется внутри клетки растения для разных целей, в первую очередь для синтеза глюкозы и иных органических соединений. Без освещения солнечным или искусственным светом, в спектре которого есть красные и синие лучи, синтез АТФ и НАДФ*Н в клетке растения не происходит. Поэтому такую начальную стадию фотосинтеза называют световой фазой.

 

Однако, когда в растительной клетке уже накопились АТФ и НАДФ*Н, синтез глюкозы может происходить и в темноте, без участия света. Для этих биохимических реакций освещение не нужно, поскольку они уже обеспечены энергией света, запасенной в биологических «аккумуляторах». Эту стадию фотосинтеза называют темновой фазой.

Все реакции фотосинтеза происходят в хлоропластах - утолщенных овальных или круглых образованиях, расположенных в цитоплазме растительной клетки, где на мембранах расположены молекулы хлорофилла. Хлорофилл поглощает энергию солнечного света. Эта энергия используется на синтез молекул АТФ из АДФ и фосфорной кислоты и способствуют расщеплению молекул воды.

Хлоропласты ограничены снаружи двойной мембраной, а внутри их размещаются тонкие плоские мешочки - тилакоиды, также ограниченные мембранами. В тилакоидах находятся хлорофилл, переносчики электронов и все ферменты, участвующие в световой фазе фотосинтеза, а также АДФ, АТФ, НАДФ+ и НАДФ*Н.

АТФ и НАДФ•H используются в реакциях темновой фазы фотосинтеза.

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: