Клеточное дыхание

Кислородный этап дыхания клетки. Как устроена дыхательная цепь.

ВНИМАНИЕ! Работа на этой странице представлена для Вашего ознакомления в текстовом (сокращенном) виде. Для того, чтобы получить полностью оформленную работу в формате Word, со всеми сносками, таблицами, рисунками (вместо pic), графиками, приложениями, списком литературы и т.д., необходимо скачать работу.

КЛЕТОЧНОЕ ДЫХАНИЕ


Основными процессами, обеспечивающими клетку энергией, являются фотосинтез, хемосинтез,
дыхание, брожение и гликолиз как этап дыхания.


С кровью кислород проникает в клетку, вернее в особые клеточные структуры – митохондрии. Они есть во всех клетках, за исключением клеток бактерий,
сине-зеленых водорослей и зрелых клеток крови (эритроцитов). В митохондриях кислород вступает в многоступенчатую реакцию с различными питательными
веществами – белками, углеводами, жирами и др. Этот процесс называется клеточным дыханием. В результате выделяется химическая энергия, которую клетка
запасает в особом веществе – аденозинтрифосфорной кислоте, или АТФ. Это универсальный накопитель энергии, которую организм тратит на рост, движение,
поддержание своей жизнедеятельности.


Дыхание – это окислительный, с участием кислорода распад органических питательных
веществ, сопровождающийся образованием химически активных метаболитов и освобождением энергии, которые используются клетками для процессов
жизнедеятельности.


Общее уравнение дыхания имеет следующий вид:


Где Q=2878 кДж/моль.


Но дыхание, в отличие от горения, процесс многоступенчатый. В нем выделяют две
основные стадии: гликолиз и кислородный этап.


Гликолиз

Драгоценная для организма АТФ образуется не только в митохондриях, но и в цитоплазме клетки
в результате гликолиза (от греч. «гликис» - «сладкий» и «лисис» – «распад»). Гликолиз не является мембранозависимым процессом.  Он происходит в цитоплазме. Однако ферменты гликолиза связаны со
структурами цитоскелета.


Гликолиз – процесс очень сложный. Это процесс расщепления глюкозы под действием
различных ферментов, который не требует участия кислорода. Для распада и частичного окисления молекулы глюкозы необходимо согласованное протекание
одиннадцати последовательных реакций. При гликолизе одна молекула глюкозы дает возможность синтезировать две молекулы АТФ. Продукты расщепления глюкозы могут
затем вступать в реакцию брожения, превращаясь в этиловый спирт или молочную кислоту. Спиртовое брожение свойственно дрожжам, а молочнокислое – свойственно
клеткам животных и некоторых бактерий. Многим аэробным, т.е. живущим исключительно в бес кислородной среде, организмам хватает энергии, образующейся
в результате гликолиза и брожения. Но аэробным организмам необходимо дополнить этот небольшой запас, причем весьма существенно.


Кислородный этап дыхания

Продукты расщепления глюкозы попадают в митохондрию. Там от них сначала отщепляется
молекула углекислого газа, который выводится из организма при выходе. «Дожигание» происходит в так называемом цикле Кребса (приложение №1) (по имени
описавшего его английского биохимика) – последовательной цепи реакций. Каждый из участвующих в ней ферментов вступает в соединения, а после нескольких
превращений вновь освобождается в первоначальном виде. Биохимический цикл вовсе не бесцельное хождение по кругу. Он больше схож с паромом, который снует между
двумя берегами, но в итоге люди и машины движутся в нужном направлении. В результате совершающихся в цикле Кребса реакций синтезируются дополнительные
молекулы АТФ, отщепляются дополнительные молекулы углекислого газа и атомы водорода.


Жиры тоже участвуют в этой цепочке, но их расщепление требует времени, поэтому если
энергия нужна срочно, то организм использует не жиры, а углеводы. Зато жиры – очень богатый источник энергии. Могут окислятся для энергетических нужд и
белки, но лишь в крайнем случае, например при длительном голодании. Белки для клетки – неприкосновенный запас.


Главный по эффективности процесс синтеза АТФ происходит при участии кислорода в
многоступенчатой дыхательной цепи. Кислород способен окислять многие органические соединения и при этом выделять много энергии сразу. Но такой взрыв
для организма был бы губителен. Роль дыхательной цепи и всего аэробного, т.е. связанного с кислородом, дыхания состоит именно в том, чтобы организм
обеспечивался энергией непрерывно и небольшими порциями – в той мере, в какой мере это организму нужно. Можно провести аналогию с бензином: разлитый по земле
и подожженный, он мгновенно вспыхнет без всякой пользы. А в автомобиле, сгорая понемногу, бензин будет несколько часов совершать полезную работу. Но для этого
такое сложное устройство, как двигатель.


Дыхательная цепь в совокупности с циклом Кребса и гликолизом позволяет довести «выход»  молекул АТФ с каждой молекулы глюкозы до 38.
А ведь при гликолизе это соотношение было лишь 2:1. Таким образом, коэффициент полезного действия аэробного дыхания намного больше.


Как устроена дыхательная цепь?

Механизм синтеза АТФ при гликолизе относительно прост и может без труда быть воспроизведен в пробирке. Однако никогда не удавалось лабораторно смоделировать
дыхательный синтез АТФ. В 1961 году английский биохимик Питер Митчел высказал предположение, что ферменты – соседи по дыхательной цепи – соблюдают не
только  строгую очередность, но и четкий порядок в пространстве клетки. Дыхательная цепь, не меняя своего порядка,
закрепляется во внутренней оболочке (мембране) митохондрии и несколько раз «прошивает» ее будто стежками. Попытки воспроизвести дыхательный синтез АТФ
потерпели неудачу, потому что роль мембраны исследователями недооценивались. А ведь в реакции участвуют еще ферменты, сосредоточенные в грибовидных наростах
на внутренней стороне мембраны. Если эти наросты удалить, то АТФ синтезироваться не будет.


Дыхание, приносящее вред.


Молекулярный кислород – мощный окислитель. Но как сильнодействующее лекарство, он способен
давать и побочные эффекты. Например, прямое взаимодействие кислорода с липидами вызывает появление ядовитых перекисей и нарушает структуру клеток. Активные
соединения кислорода могут повреждать также белки и нуклеиновые кислоты.


Почему же не происходит отравления этими ядами? Потому, что им есть противоядие. Жизнь
возникла в отсутствие кислорода, и первые существа на Земле были анаэробными. Потом появился фотосинтез, а кислород как его побочный продукт начал
накапливаться в атмосфере. В те времена этот газ был опасен для всего живого. Одни анаэробы погибли, другие нашли бескислородные уголки, например,
поселившись в комочках почвы; третьи стали приспосабливаться и меняться. Тогда-то и появились механизмы, защищающие живую клетку от беспорядочного
окисления. Это разнообразные вещества: ферменты, в том числе разрушитель вредоносной перекиси водорода – катализа, а также многие другие небелковые
соединения.


Дыхание вообще сначала появилось, как способ удалять кислород из окружающей организм
атмосферы и лишь потом стало источником энергии. Приспособившиеся к новой среде анаэробы стали аэробами, получив огромные преимущества. Но скрытая опасность
кислорода для них все же сохранилась. Мощность антиокислительных «противоядий» небезгранична. Вот почему в чистом кислороде, да еще под давлением, все живое
довольно скоро погибает. Если же клетка окажется повреждена каким-либо внешним фактором, то защитные механизмы обычно отказывают в первую очередь, и тогда кислород
начинает вредить даже при обычной атмосферной концентрации   


Скачиваний: 1
Просмотров: 0
Скачать реферат Заказать реферат