Забезпечення клітин енергією. Перетворення енергії у клітині. Яку роль в еволюції організмів виконала клітина

Величезне обертання гладких дерев,
які на безплідному піску корінь
свій затвердили, ясно виявляє, що
жирними листами жирний тук із повітря
вбирають...
М. В. Ломоносов

Як енергія запасається у клітці? Що таке метаболізм? У чому суть процесів гліколізу, бродіння та клітинного дихання? Які процеси відбуваються на світловій та темновій фазах фотосинтезу? Як пов'язані процеси енергетичного та пластичного обміну? Що є хемосинтез?

Урок-лекція

Здатність перетворювати одні види енергії в інші (енергію випромінювання в енергію хімічних зв'язків, хімічну енергію в механічну тощо) належить до фундаментальних властивостей живого. Тут ми докладно розглянемо, як реалізуються ці процеси в живих організмів.

АТФ - ГОЛОВНИЙ ПЕРЕНОСЧИК ЕНЕРГІЇ У КЛІТЦІ. Для будь-яких проявів життєдіяльності клітин необхідна енергія. Автотрофні організми отримують вихідну енергію від Сонця в ході реакцій фотосинтезу, гетеротрофні ж як джерело енергії використовують органічні сполуки, що надходять з їжею. Енергія запасається клітинами у хімічних зв'язках молекул АТФ (аденозинтрифосфат), які являють собою нуклеотид, що складається з трьох фосфатних груп, залишку цукру (рибози) та залишку азотистої основи (аденіну) (рис. 52).

Мал. 52. Молекула АТФ

Зв'язок між фосфатними залишками отримав назву макроергічної, оскільки при її розриві виділяється велика кількість енергії. Зазвичай клітина отримує енергію з АТФ, відщеплюючи тільки кінцеву фосфатну групу. При цьому утворюється АДФ (аденозиндифосфат), фосфорна кислота та звільняється 40 кДж/моль:

Молекули АТФ відіграють роль універсальної енергетичної монети розмінної клітини. Вони поставляються до місця протікання енергоємного процесу, чи це ферментативний синтез органічних сполук, робота білків - молекулярних моторів чи мембранних транспортних білків та інших. Зворотний синтез молекул АТФ здійснюється шляхом приєднання фосфатної групи до АДФ з поглинанням енергії. Запасання клітиною енергії як АТФ здійснюється під час реакцій енергетичного обміну. Він тісно пов'язаний з пластичним обміном, під час якого клітина виробляє необхідні її функціонування органічні сполуки.

ОБМІН РЕЧОВИН І ЕНЕРГІЇ У КЛІТЦІ (МЕТАБОЛІЗМ). Метаболізм – сукупність усіх реакцій пластичного та енергетичного обміну, пов'язаних між собою. У клітинах постійно йде синтез вуглеводів, жирів, білків, нуклеїнових кислот. Синтез з'єднань завжди йде з витратою енергії, тобто за неодмінної участі АТФ. Джерелами енергії для утворення АТФ служать ферментативні реакції окислення білків, жирів і вуглеводів, що надходять в клітину. У ході цього процесу вивільняється енергія, що акумулюється в АТФ. Особливу роль енергетичному обміні клітини грає окислення глюкози. Молекули глюкози зазнають у своїй ряд послідовних перетворень.

Перший етап, який отримав назву гліколіз, проходить у цитоплазмі клітин і не потребує кисню Внаслідок послідовних реакцій за участю ферментів глюкоза розпадається на дві молекули піровиноградної кислоти. При цьому витрачаються дві молекули АТФ, а що вивільняється при окисленні енергії достатньо освіти чотирьох молекул АТФ. У результаті енергетичний вихід гліколізу невеликий і становить дві молекули АТФ:

З 6 Н1 2 0 6 → 2С 3 Н 4 0 3 + 4Н + + 2АТФ

В анаеробних умовах (за відсутності кисню) подальші перетворення можуть бути пов'язані з різними типами бродінь.

Всім відомо молочнокисле бродіння(скисання молока), яке відбувається завдяки діяльності молочнокислих грибків та бактерій. За механізмом воно подібне до гліколізу, тільки остаточним продуктом тут є молочна кислота. Цей тип окислення глюкози відбувається в клітинах при дефіциті кисню, наприклад, в м'язах, що інтенсивно працюють. Близько по хімізму до молочнокислого та спиртового бродіння. Відмінність полягає в тому, що продуктами спиртового бродіння є етиловий спирт та вуглекислий газ.

Наступний етап, в ході якого окислюється піровиноградна кислота, до вуглекислого газу і води, отримав назву клітинне дихання. Пов'язані з диханням реакції проходять у мітохондріях рослинних і тваринних клітин, і лише за наявності кисню. Це ряд хімічних перетворень до утворення кінцевого продукту – вуглекислого газу. На різних етапах такого процесу утворюються проміжні продукти окислення вихідної речовини із відщепленням атомів водню. При цьому звільняється енергія, яка «консервується» у хімічних зв'язках АТФ, та утворюються молекули води. Стає зрозумілим, що саме для того, щоб зв'язати відщеплені атоми водню, потрібний кисень. Цей ряд хімічних перетворень досить складний і відбувається за участю внутрішніх мембран мітохондрій, ферментів, білків-переносників.

Клітинне дихання має дуже високу ефективність. Відбувається синтез 30 молекул АТФ, ще дві молекули утворюються при гліколізі, і шість молекул АТФ – як результат перетворень продуктів гліколізу на мембранах мітохондрій. Усього внаслідок окислення однієї молекули глюкози утворюються 38 молекул АТФ:

C 6 H 12 O 6 + 6Н 2 0 → 6CO 2 + 6H 2 O + 38АТФ

У мітохондріях відбуваються кінцеві етапи окислення не лише цукрів, але також білків та ліпідів. Ці речовини використовуються клітинами, головним чином коли добігає кінця запас вуглеводів. Спочатку витрачається жир, при окисленні якого виділяється значно більше енергії, ніж з рівного обсягу вуглеводів і білків. Тому жир у тварин є основним «стратегічним резервом» енергетичних ресурсів. У рослин роль енергетичного резерву грає крохмаль. При зберіганні він займає значно більше місця, ніж енергетично еквівалентна кількість жиру. Для рослин це не є перешкодою, оскільки вони нерухомі і не носять, як тварини, запаси на собі. Витягти ж енергію з вуглеводів можна набагато швидше, ніж із жирів. Білки виконують в організмі багато важливих функцій, тому залучаються в енергетичний обмін тільки при вичерпанні ресурсів цукрів і жирів, наприклад, при тривалому голодуванні.

ФОТОСИНТЕЗ. Фотосинтез- це процес, під час якого енергія сонячних променів перетворюється на енергію хімічних зв'язків органічних сполук. У рослинних клітинах пов'язані з фотосинтезом процеси протікають у хлоропластах. Усередині цієї органели знаходяться системи мембран, в які вбудовані пігменти, що вловлюють променисту енергію Сонця. Основний пігмент фотосинтезу - хлорофіл, який поглинає переважно сині та фіолетові, а також червоні промені спектру. Зелене світло при цьому відображається, тому сам хлорофіл і частини рослин, що містять його, здаються зеленими.

У фотосинтезі виділяють дві фази. світловуі темну(Рис. 53). Власне уловлювання та перетворення променистої енергії відбувається під час світлової фази. При поглинанні квантів світла хлорофіл перетворюється на збуджений стан і стає донором електронів. Його електрони передаються від одного білкового комплексу до іншого ланцюгом перенесення електронів. Білки цього ланцюга, як і пігменти, зосереджені на внутрішній мембрані хлоропластів. При переході електрона ланцюга переносників він втрачає енергію, яка використовується для синтезу АТФ. Частина збуджених світлом електронів використовується для відновлення ПДФ (нікотинамідаденіндінуклеотифосфат), або НАДФ·Н.

Мал. 53. Продукти реакцій світлової та темнової фаз фотосинтезу

Під дією сонячного світла у хлоропластах відбувається також розщеплення молекул води. фотоліз; при цьому виникають електрони, які відшкодовують їх втрати хлорофілом; як побічний продукт при цьому утворюється кисень:

Таким чином, функціональний зміст світлової фази полягає в синтезі АТФ і НАДФ Н шляхом перетворення світлової енергії в хімічну.

Для реалізації темнової фази фотосинтезу світло не потрібне. Суть процесів, що проходять тут, полягає в тому, що отримані у світлову фазу молекули АТФ і НАДФ·Н використовуються в серії хімічних реакцій, що «фіксують» СОг у формі вуглеводів. Всі реакції темнової фази здійснюються всередині хлоропластів, а вуглекислоти АДФ і НАДФ, що звільняються при «фіксації», знову використовуються в реакціях світлової фази для синтезу АТФ і НАДФ·Н.

Сумарне рівняння фотосинтезу має такий вигляд:

ВЗАЄМОЗВ'ЯЗОК І ЄДНІСТЬ ПРОЦЕСІВ ПЛАСТИЧНОГО ТА ЕНЕРГЕТИЧНОГО ОБМІНУ. Процеси синтезу АТФ відбуваються у цитоплазмі (гліколіз), у мітохондріях (клітинне дихання) та у хлоропластах (фотосинтез). Усі здійснюються під час цих процесів реакції - це реакції енергетичного обміну. Запасена як АТФ енергія витрачається у реакціях пластичного обміну для необхідних життєдіяльності клітини білків, жирів, вуглеводів і нуклеїнових кислот. Зауважимо, що темнова фаза фотосинтезу – це ланцюг реакцій, пластичного обміну, а світлова – енергетичного.

Взаємозв'язок та єдність процесів енергетичного та пластичного обміну добре ілюструє наступне рівняння:

При читанні цього рівняння зліва направо виходить процес окислення глюкози до вуглекислого газу та води в ході гліколізу та клітинного дихання, пов'язаний із синтезом АТФ (енергетичний обмін). Якщо ж прочитати його праворуч наліво, то виходить опис реакцій темнової фази фотосинтезу, коли з води та вуглекислоти за участю АТФ синтезується глюкоза (пластичний обмін).

ХЕМОСИНТЕЗ. До синтезу органічних речовин з неорганічних, крім фотоавтотрофів, здатні деякі бактерії (водневі, нітрифікуючі, серобактерії та інших.). Вони здійснюють цей синтез за рахунок енергії, що виділяється при окисненні неорганічних речовин. Їх називають хемоавтотроф. Ці бактерії, що хемосинтезують, відіграють важливу роль у біосфері. Наприклад, бактерії, що нітрифікують, переводять недоступні для засвоєння рослинами солі амонію в солі азотної кислоти, які добре ними засвоюються.

Клітинний метаболізм складають реакції енергетичного та пластичного обміну. У результаті енергетичного обміну відбувається утворення органічних сполук з макроергічними хімічними зв'язками - АТФ. Необхідна для цього енергія надходить від окислення органічних сполук у ході анаеробних (гліколіз, бродіння) та аеробних (клітинне дихання) реакцій; від сонячних променів, енергія яких засвоюється на світловій фазі (фотосинтез); від окиснення неорганічних сполук (хемосинтез). Енергія АТФ витрачається на синтез необхідних клітин органічних сполук в ході реакцій пластичного обміну, до яких відносяться і реакції темнової фази фотосинтезу.

У чому різниця між пластичним та енергетичним обміном?
Як перетворюється енергія сонячних променів на світлову фазу фотосинтезу? Які процеси відбуваються у темнову фазу фотосинтезу?
Чому фотосинтез називають процесом відображення планетно-космічної взаємодії?

Стор. 58. Питання та завдання після §

1. Які речовини є основними джерелами енергії у клітини?

Як основний енергетичний матеріал використовуються вуглеводи і жири. Наприклад, складний вуглевод глікоген та жири – це резерви «палива» у клітці. Вони витрачаються клітинами після деякого періоду голодування організму. Наприклад, вранці після сну йде активне використання жирів, які спочатку розпадаються на гліцерин та жирні кислоти. Після їжі головним джерелом енергії в клітинах є глюкоза, отримана з їжею.

2. Охарактеризуйте кожен із етапів енергетичного обміну.

Енергетичний обмін проходить у три етапи: підготовчий безкисневий, кисневий. Підготовчий етап характеризується тим, що складні органічні речовини в організмі розщеплюються мономери. Усі ці процес протікають під впливом ферментів. Так, отримані з їжею білки розщеплюються до амінокислот, вуглеводи – до глюкози, жири – до гліцерину та жирних кислот. Енергія, що виділяється при цьому, розсіюється у вигляді тепла в організмі, так її утворюється при цьому кількість не велика. На прикладі глюкози можна розглянути другий етап - безкілородний - називається він гліколіз (від грец. Глікіс - солодкий, лізис - розщеплення). Це складний ферментативний процес розщеплення глюкози. Цей процес протікає в цитоплазмі клітин. З однієї молекули глюкози (1 моль C6H12O6) утворюється дві молекули піровиноградної кислоти ПВК (2C3H4O3) та дві молекули АТФ (2АТФ). Далі якщо в клітині недостатньо кисню піровиноградна кислота C3H4O3 перетворюється на іншу органічну кислоти – молочну C3H4O3 (оскільки вони є ізомерами). Наступний етап - кисневий - називається клітинним диханням і протікає в мітохондріях клітин (на кристах, де розташовані дихальні ферменти). За його назвою видно, що він йде лише за участю кисню. На цьому етапі піровиноградна кислота окислюється молекулярним киснем О2 до вуглекислого газу та води. Енергія, що звільняється при цьому окисненні, використовується дуже ефективно. На кожну молекулу глюкози утворюється 36 молекул АТФ. Таким чином, при розщепленні 1 молекули (1 моль) глюкози виділяється 38 АТФ (у другому етапі 2 молекули та з третьому – 36 молекули). Ця енергія витрачається синтез потрібних організму речовин, а енергія АТФ перетворюється на різні види енергії – механічну (рух джгутиків), електричну (проведення нервового імпульсу).

3. Чому при інтенсивних тренуваннях у спортсменів частішає дихання, і з'являються болі в м'язах?

При інтенсивній фізичній роботі людини клітини м'язової тканини відчувають кисневе голодування, у разі при неповному розщепленні глюкози ПВК перетворюється на молочну кислоту. У м'язах накопичується її надлишок, це призводить до болів у м'язах, стомлюваності, втоми, перепочинку – це ознака кисневої недостатності.

4. Урожай томатів, вирощених у теплицях, що погано провітрюються, виявився не високим. Поясніть, у чому причина.

При вирощуванні культурних рослин у теплицях і парниках слід пам'ятати, що процес окислення глюкози йде до вуглекислого газу та води, і при високій температурі протікає більш інтенсивно. Крім того, фотосинтез здійснюють лише зелені клітини рослин, а дихання рослин здійснюється у всіх клітинах. У теплицях температура може сягати до 400С, у своїй інтенсивність дихання збільшується до 100 разів, а інтенсивність фотосинтезу немає. Тому збільшення органічної маси дме незначним і врожай таких рослин буде невисоким.

5. Поясніть значення терміном "гліколіз", "клітинне дихання".

Гліколіз (від грец. «Глікіс» - солодкий, «лізис» - розщеплення) – це складний ферментативний процес розщеплення глюкози, що протікає у дві стадії – безкиснева та киснева. Клітинне дихання - це кінцевий кисневий етап розщеплення глюкози, що протікає в мітохондріях клітин (на кристах, де розташовані дихальні ферменти), що йде в присутності кисню.

Цей відеоурок присвячений темі «Забезпечення клітин енергією». На цьому занятті ми розглянемо енергетичні процеси у клітині та вивчимо, як відбувається забезпечення клітин енергією. Ви також дізнаєтеся, що таке клітинне дихання, з яких етапів воно складається. Докладно обговоріть кожен із цих етапів.

БІОЛОГІЯ 9 КЛАС

Тема: Клітинний рівень

Урок 13. Забезпечення клітин енергією

Степанова Ганна Юріївна

к. б.н., доц. МДУІЕ

Москва

Сьогодні ми поговоримо про забезпечення клітин енергією. Енергія використовується для різних хімічних реакцій, що протікають у клітині. Одні організми використовують енергію сонячного світла для біохімічних процесів - це рослини, інші використовують енергію хімічних зв'язків у речовинах, одержуваних у процесі харчування, - це тваринні організми. Речовини з їжі витягуються за допомогою розщеплення чи біологічного окислення у процесі клітинного дихання.

Клітинне дихання - це біохімічний процес у клітині, що у присутності ферментів, у результаті виділяється вода і вуглекислий газ, енергія запасається як макроенергетичних зв'язків молекул АТФ. Якщо цей процес протікає у присутності кисню, він носить назву «аеробний». Якщо ж відбувається без кисню, він називається «анаеробним.

Біологічне окислення включає три основні стадії:

1. Підготовчу,

2. Безкисневу (гліколіз),

3. Повне розщеплення органічних речовин (у присутності кисню).

Підготовчий етап. Речовини, що надійшли з їжею, розщеплюються до мономерів. Цей етап починається в шлунково-кишковому тракті або лізосомах клітини. Полісахариди розпадаються на моносахариди, білки – на амінокислоти, жири – на гліцерини та жирні кислоти. Енергія, що виділяється на цій стадії, розсіюється у вигляді тепла. Слід зазначити, що з енергетичних процесів клітини використовують саме вуглеводи, а краще - моносахариды. А мозок може використовувати для своєї роботи лише моносахарид – глюкозу.

Глюкоза в процесі гліколізу розпадається на дві тривуглецеві молекули піровиноградної кислоти. Подальша їхня доля залежить від присутності у клітці кисню. Якщо в клітині є кисень, то піровиноградна кислота приходить в мітохондрії для повного окислення до вуглекислого газу і води (аеробне дихання). Якщо кисню немає, то в тваринних тканинах піровиноградна кислота перетворюється на молочну кислоту. Ця стадія проходить у цитоплазмі клітини. В результаті гліколізу утворюється лише дві молекули АТФ.

Для повного окислення глюкози обов'язково потрібний кисень. На третьому етапі в мітохондріях відбувається повне окислення піровиноградної кислоти до вуглекислого газу та води. Внаслідок цього утворюється ще 36 молекул АТФ.

Усього трьох етапах утворюється 38 молекул АТФ з однієї молекули глюкози, враховуючи дві АТФ, отримані у процесі гліколізу.

Отже, ми розглянули енергетичні процеси, які у клітинах. Охарактеризували етапи біологічного окиснення. На цьому наш урок закінчено, всього вам доброго, до побачення!

Відмінність дихання від горіння. Дихання, що відбувається у клітині, нерідко порівнюють із процесом горіння. Обидва процеси відбуваються у присутності кисню, виділення енергії та продуктів окислення. Але, на відміну горіння, дихання - це упорядкований процес біохімічних реакцій, що у присутності ферментів. При диханні вуглекислий газ виникає як кінцевий продукт біологічного окислення, а процесі горіння утворення вуглекислого газу відбувається шляхом прямого з'єднання водню з вуглецем. Також під час дихання утворюється певна кількість молекул АТФ. Тобто дихання та горіння – це принципово різні процеси.

Біомедичне значення.Для медицини важливий як метаболізм глюкози, але й фруктози і галактози. Особливо важлива в медицині здатність до утворення АТФ без кисню. Це дозволяє підтримувати інтенсивну роботу кістякового м'яза в умовах недостатньої ефективності аеробного окиснення. Тканини з підвищеною гліколітичною активністю здатні зберігати активність у періоди кисневого голодування. У серцевому м'язі можливості здійснення гліколізу обмежені. Вона тяжко переносить порушення кровопостачання, що може призвести до ішемії. Відомо кілька хвороб, зумовлених відсутністю ферментів, що регулюють гліколіз:

Гемолітична анемія (у швидкозростаючих ракових клітинах гліколіз йде зі швидкістю перевищує можливості циклу лимонної кислоти), що сприяє підвищеному синтезу молочної кислоти в органах та тканинах. Підвищений вміст молочної кислоти в організмі може бути ознакою раку.

Бродіння.Мікроби здатні отримувати енергію у процесі бродіння. Бродіння відоме людям з незапам'ятних часів, наприклад, при виготовленні вина. Ще раніше було відомо про молочнокисле бродіння. Люди споживали молочні продукти, не підозрюючи, що це процеси пов'язані з діяльністю мікроорганізмів. Це вперше довів Луї Пастер. Причому різні мікроорганізми виділяють різні продукти бродіння. Зараз ми поговоримо про спиртове та молочнокисле бродіння. В результаті утворюється етиловий спирт, вуглекислота та виділяється енергія. Пивовари та винороби використовували деякі види дріжджів для стимуляції бродіння, внаслідок якого цукру перетворюються на спирт. Бродіння виробляють головним чином дріжджі, а також деякі бактерії та гриби. У нашій країні традиційно використовуються дріжджі цукроміцети. В Америці – бактерії роду псевдомонас. А в Мексиці використовуються бактерії "рухливі палички". Наші дріжджі зазвичай зброджують гексози (шестивуглецеві моносахариди), такі як глюкоза або фруктоза. Процес утворення спирту можна так: з однієї молекули глюкози утворюється дві молекули спирту, дві молекули вуглекислого газу і дві молекули АТФ. Цей спосіб менш вигідний, ніж аеробні процеси, але дозволяє підтримувати життя умовах відсутності кисню. А тепер давайте поговоримо про кисломолочне бродіння. Одна молекула глюкози утворює дві молекули молочної кислоти і виділяється дві молекули АТФ. Молочнокисле бродіння широко використовується для молочних продуктів: сир, кисле молоко, йогурти. Також молочна кислота використовується для виготовлення безалкогольних напоїв.

З кліток складаються всі живі організми, окрім вірусів. Вони забезпечують всі необхідні для життя рослини чи тварини процеси. Клітина сама може бути окремим організмом. І чи може така складна структура жити без енергії? Звичайно, ні. То як відбувається забезпечення клітин енергією? Воно базується на процесах, які ми розглянемо нижче.

Забезпечення клітин енергією: як це відбувається?

Деякі клітини одержують енергію ззовні, вони виробляють її самі. мають своєрідні "станції". І джерелом енергії в клітині є мітохондрія - органоїд, який її виробляє. У ньому відбувається процес клітинного дихання. За рахунок нього відбувається забезпечення клітин енергією. Однак присутні вони тільки у рослин, тварин та грибів. У клітинах бактерій мітохондрії відсутні. Тому забезпечення клітин енергією відбувається переважно з допомогою процесів бродіння, а чи не дихання.

Будова мітохондрії

Це двомембранний органоїд, який з'явився в еукаріотичній клітині в процесі еволюції в результаті поглинання нею дрібнішою.

Внутрішня мембрана має вирости, які називаються кристи, або гребені. На кристах відбувається процес клітинного дихання.

Те, що знаходиться всередині двох мембран, називається матриксом. У ньому розташовані білки, ферменти, необхідні прискорення хімічних реакцій, і навіть молекули РНК, ДНК і рибосоми.

Клітинне дихання - основа життя

Воно проходить у три етапи. Давайте розглянемо кожен із них докладніше.

Перший етап - підготовчий

Під час цієї стадії складні органічні сполуки розщеплюються більш прості. Так, білки розпадаються до амінокислот, жири – до карбонових кислот та гліцерину, нуклеїнові кислоти – до нуклеотидів, а вуглеводи – до глюкози.

Гліколіз

Це безкисневий етап. Він у тому, що речовини, отримані під час першого етапу, розщеплюються далі. Головні джерела енергії, які використовує клітина на цьому етапі, — молекули глюкози. Кожна з них у процесі гліколізу розпадається до двох молекул пірувату. Це відбувається протягом десяти послідовних хімічних реакцій. Внаслідок перших п'яти глюкоза фосфорилюється, а потім розщеплюється на дві фосфотріози. При наступних п'яти реакціях утворюється дві молекули та дві молекули ПВК (піровиноградної кислоти). Енергія клітини і запасається у вигляді АТФ.

Весь процес гліколізу можна спрощено зобразити таким чином:

2НАД+ 2АДФ + 2Н 3 РО 4 + З 6 Н 12 Про 6 → 2Н 2 Про + 2НАД. Н 2 +2С 3 Н 4 Про 3 + 2АТФ

Таким чином, використовуючи одну молекулу глюкози, дві молекули АДФ та дві фосфорної кислоти, клітина отримує дві молекули АТФ (енергія) та дві молекули піровіноградної кислоти, яку вона використовуватиме на наступному етапі.

Третій етап – окислення

Ця стадія відбувається лише за наявності кисню. Хімічні реакції цього етапу відбуваються у мітохондріях. Саме це і є основна частина, під час якої вивільняється найбільше енергії. На цьому етапі вступаючи в реакцію з киснем, розщеплюється до води та вуглекислого газу. Крім того, утворюється 36 молекул АТФ. Отже, можна дійти невтішного висновку, що основні джерела енергії у клітині — глюкоза і піровиноградна кислота.

Підсумовуючи всі хімічні реакції та опускаючи подробиці, можна виразити весь процес клітинного дихання одним спрощеним рівнянням:

6О 2 + З 6 Н 12 О 6 + 38АДФ + 38Н 3 РО 4 → 6СО 2 + 6Н2О + 38АТФ.

Таким чином, у ході дихання з однієї молекули глюкози, шести молекул кисню, тридцяти восьми молекул АДФ та такої ж кількості фосфорної кислоти клітина отримує 38 молекул АТФ, як і запасається енергія.

Різноманітність ферментів мітохондрій

Енергію для життєдіяльності клітина отримує за рахунок дихання - окиснення глюкози, а потім піровиноградної кислоти. Усі ці хімічні реакції не могли б проходити без ферментів – біологічних каталізаторів. Давайте розглянемо ті з них, які знаходяться в мітохондріях - органоїдах, які відповідають за дихання клітин. Всі вони називаються оксидоредуктазами, тому що потрібні для забезпечення перебігу окисно-відновних реакцій.

Усі оксидоредуктази можна розділити на дві групи:

оксидази;
дегідрогенази;

Дегідрогенази, у свою чергу, діляться на аеробні та анаеробні. Аеробні містять у своєму складі кофермент рибофлавіну, який організм отримує з вітаміну В2. Аеробні дегідрогенази містять як коферменти молекули НАД і НАДФ.

Оксидази різноманітніші. Насамперед вони поділяються на дві групи:

ті, що містять мідь;
ті, у складі яких є залізо.

До перших відносяться поліфенолоксидази, аскорбатоксидаза, до других - каталаза, пероксидаза, цитохроми. Останні, у свою чергу, поділяються на чотири групи:

цитохроми a;
цитохроми b;
цитохроми c;
цитохроми d.

Цитохроми містять у своєму складі залізоформілпорфірин, цитохроми b - залізопротопорфірин, c - заміщений залізомезопорфірин, d - залізодигідропорфірин.

Чи можливі інші шляхи отримання енергії?

Незважаючи на те, що більшість клітин отримують її в результаті клітинного дихання, існують також анаеробні бактерії, для існування яких не потрібен кисень. Вони виробляють необхідну енергію шляхом бродіння. Це процес, в ході якого за допомогою ферментів вуглеводи розщеплюються без участі кисню, внаслідок чого клітина отримує енергію. Розрізняють кілька видів бродіння залежно від кінцевого продукту хімічних реакцій. Воно буває молочнокисле, спиртове, маслянокисле, ацетон-бутанове, лимоннокисле.

Наприклад розглянемо Його можна висловити ось таким рівнянням:

З 6 Н 12 Про 6 → З 2 Н 5 ВІН + 2СО 2

Тобто одну молекулу глюкози бактерія розщеплює до однієї молекули етилового спирту та двох молекул оксиду (IV) карбону.

Енергія необхідна всім живим клітинам - вона використовується для різних біологічних та хімічних реакцій, що протікають у клітині. Одні організми використовують енергію сонячного світла для біохімічних процесів, - це рослини (Рис. 1), інші використовують енергію хімічних зв'язків у речовинах, одержуваних у процесі харчування, - це тваринні організми. Вилучення енергії здійснюється шляхом розщеплення та окислення цих речовин, у процесі дихання, це дихання називається біологічним окисленням,або клітинним диханням.

Мал. 1. Енергія сонячного світла

Клітинне дихання- Це біохімічний процес у клітині, що протікає за участю ферментів, в результаті якого виділяється вода та вуглекислий газ, енергія запасається у вигляді макроергічних зв'язків молекул АТФ. Якщо цей процес протікає у присутності кисню, він носить назву аеробний, якщо він відбувається без кисню, він називається анаеробним.

Біологічне окислення включає три основні стадії:

1. Підготовчу.

2. Безкисневу (гліколіз).

3. Повне розщеплення органічних речовин (у присутності кисню).

Речовини, що надійшли з їжею, розщеплюються до мономерів. Цей етап починається в шлунково-кишковому тракті або лізосомах клітини. Полісахариди розпадаються на моносахариди, білки – на амінокислоти, жири – на гліцерин та жирні кислоти. Енергія, що виділяється на цій стадії, розсіюється у вигляді тепла. Слід зазначити, що з енергетичних процесів клітини використовують саме вуглеводи, а краще - моносахариды, а мозок може використовуватиме своєї роботи лише моносахарид - глюкозу (Рис. 2).

Мал. 2. Підготовчий етап

Глюкоза в процесі гліколізу розпадається на дві тривуглецеві молекули піровиноградної кислоти. Подальша доля піровиноградної кислоти залежить від присутності у клітці кисню. Якщо в клітині є кисень, то піровиноградна кислота переходить у мітохондрії для повного окислення до вуглекислого газу і води (аеробне дихання). Якщо кисню немає, то в тваринних тканинах піровиноградна кислота перетворюється на молочну кислоту. Ця стадія проходить у цитоплазмі клітини.

Гліколіз- це послідовність реакцій, у яких одна молекула глюкози розщеплюється на дві молекули піровиноградної кислоти, у своїй виділяється енергія, якої достатньо перетворення двох молекул АДФ на дві молекули АТФ (Рис. 3).

Мал. 3. Безкисневий етап

Для повного окислення глюкози обов'язково потрібний кисень. На третьому етапі в мітохондріях відбувається повне окислення піровиноградної кислоти до вуглекислого газу та води, в результаті утворюється ще 36 молекул АТФ, так як ця стадія відбувається за участю кисню, її називають кисневою або аеробною (Рис. 4).

Мал. 4. Повне розщеплення органічних речовин

Отже, ми розглянули енергетичні процеси, які у клітинах, охарактеризували етапи біологічного окислення.

Дихання, що відбувається в клітині з виділенням енергії, нерідко порівнюють із процесом горіння. Обидва процеси відбуваються в присутності кисню, виділення енергії та продуктів окислення – вуглекислого газу та води. Але, на відміну горіння, дихання - це упорядкований процес біохімічних реакцій, що у присутності ферментів. При диханні вуглекислий газ виникає як кінцевий продукт біологічного окислення, а процесі горіння утворення вуглекислого газу відбувається шляхом прямого з'єднання водню з вуглецем. Також під час дихання, крім води та вуглекислого газу, утворюється певна кількість молекул АТФ, тобто дихання та горіння – це принципово різні процеси (Рис. 5).

Мал. 5. Відмінність дихання від горіння

Гліколіз - це не лише головний шлях метаболізму глюкози, але й головний шлях метаболізму фруктози та галактози, що надходять із їжею. Особливо важлива в медицині здатність гліколізу до утворення АТФ без кисню. Це дозволяє підтримувати інтенсивну роботу кістякового м'яза в умовах недостатньої ефективності аеробного окиснення. Тканини з підвищеною гліколітичною активністю здатні зберігати активність у періоди кисневого голодування. У серцевому м'язі можливості здійснення гліколізу обмежені. Вона тяжко переносить порушення кровопостачання, що може призвести до ішемії. Відомо кілька хвороб, обумовлених недостатньою активністю ферментів гліколізу, однією з яких є гемолітична анемія (у ракових клітинах, що швидко ростуть, гліколіз йде зі швидкістю, що перевищує можливості циклу лимонної кислоти), що сприяє підвищеному синтезу молочної кислоти в органах і тканинах (Рис. 6).

Мал. 6. Гемолітична анемія

Підвищений вміст молочної кислоти в організмі може бути ознакою раку. Ця особливість метаболізму іноді використовується для терапії деяких форм пухлини.

Мікроби здатні отримувати енергію у процесі бродіння. Бродіння відоме людям з незапам'ятних часів, наприклад при виготовленні вина, ще раніше було відомо про молочнокисле бродіння (Рис. 7).

Мал. 7. Виготовлення вина та сиру

Люди споживали молочні продукти, не підозрюючи, що це процеси пов'язані з діяльністю мікроорганізмів. Термін «бродіння» був запроваджений голландцем Ван Хельмонтом для процесів, що йдуть із виділенням газу. Це вперше довів Луї Пастер. Причому різні мікроорганізми виділяють різні продукти бродіння. Ми поговоримо про спиртове та молочнокисле бродіння. Спиртове бродіння- це процес окислення вуглеводів, у результаті якого утворюється етиловий спирт, вуглекислота та виділяється енергія. Пивовари та винороби використовували здатність деяких видів дріжджів для стимуляції бродіння, внаслідок якого цукру перетворюються на спирт. Бродіння виробляють головним чином дріжджі, а також деякі бактерії та гриби (Рис. 8).

Мал. 8. Дріжджі, мукорові гриби, продукти бродіння - квас та оцет

У нашій країні традиційно використовуються дріжджі цукроміцети, в Америці – бактерії з роду Псевдомонас, у Мексиці використовуються бактерії «рухливі палички», в Азії використовують мукорові гриби. Наші дріжджі зазвичай зброджують гексози (шестивуглецеві моносахариди), такі як глюкоза або фруктоза. Процес утворення спирту можна так: з однієї молекули глюкози утворюється дві молекули спирту, дві молекули вуглекислого газу і виділяються дві молекули АТФ.

C 6 H 12 O 6 → 2C 2 H 5 OH +2CO 2 + 2АТФ

Якщо порівнювати з диханням, такий процес менш вигідний в енергетичному відношенні, ніж аеробні процеси, але дозволяє підтримувати життя за умов відсутності кисню. При молочнокислому бродінніодна молекула глюкози утворює дві молекули молочної кислоти, і при цьому виділяється дві молекули АТФ, це можна описати рівнянням:

C 6 H 12 O 6 → 2C 3 H 6 O 3 + 2АТФ

Процес утворення молочної кислоти дуже близький до процесу спиртового бродіння, глюкоза так само, як і при спиртовому бродінні, розщеплюється до піровиноградної кислоти, потім вона переходить не спирт, а молочну кислоту. Молочнокисле бродіння широко використовується для молочних продуктів: сир, сир, кисле молоко, йогурти (Рис. 9).

Мал. 9. Молочнокислі бактерії та продукти молочнокислого бродіння

У процесі утворення сирів спочатку беруть участь молочнокислі бактерії, які виробляють молочну кислоту, потім пропіоновокислі бактерії переводять молочну кислоту в пропіонову, за рахунок цього сири мають досить специфічний гострий смак. Молочнокислі бактерії використовуються при консервуванні плодів та овочів, молочна кислота використовується у кондитерській промисловості та виготовленні безалкогольних напоїв.

Список літератури

1. Мамонтов С.Г., Захаров В.Б., Агафонова І.Б., Сонін Н.І. Біологія Загальні закономірності. – Дрофа, 2009.

2. Пономарьова І.М., Корнілова О.А., Чернова Н.М. Основи загальної біології. 9 клас: Підручник для учнів 9 класу загальноосвітніх установ/Под ред. проф. І.М. Пономарьової. - 2-ге вид., перераб. - М: Вентана-Граф, 2005.

3. Пасічник В.В., Кам'янський А.А., Криксунов Є.А. Біологія Введення в загальну біологію та екологію: Підручник для 9 класу, 3-тє вид., Стереотип. - М: Дрофа, 2002.

1. Інтернет-сайт «Біологія та медицина» ()

3. Інтернет-сайт "Медична енциклопедія" ()

Домашнє завдання

1. Що таке біологічне окислення та його етапи?

2. Що таке гліколіз?

3. У чому подібність та відмінність спиртового та молочнокислого бродіння?