Използване на различни изходни субстрати

Първоначалните субстрати за дишане могат да бъдат различни вещества, които се превръщат по време на специфични метаболитни процеси в ацетил-КоА с отделяне на редица странични продукти. Редукцията на NAD (NADP) и образуването на АТФ вече може да се случи на този етап, но повечето от тях се образуват в цикъла на трикарбоксилната киселина по време на обработката на ацетил-КоА.

Гликолиза

Гликолизата - пътят на ензимно разграждане на глюкозата - е процес, общ за почти всички живи организми. При аеробите то предшества самото клетъчно дишане; при анаеробите то завършва с ферментация. Самата гликолиза е напълно анаеробен процес и не изисква наличието на кислород, за да се случи.

Първият му етап протича с изразходването на енергия от 2 молекули АТФ и включва разделянето на молекула глюкоза на 2 молекули глицералдехид-3-фосфат. На втория етап настъпва NAD-зависимо окисление на глицералдехид-3-фосфат, придружено от фосфорилиране на субстрата, тоест добавяне на остатък от фосфорна киселина към молекулата и образуване на високоенергийна връзка в нея, след което остатъкът се прехвърля в ADP с образуването на ATP.

По този начин уравнението на гликолизата е както следва:

Глюкоза + 2NAD + + 4ADP + 2ATP + 2P n = 2PVK + 2NAD∙H + 2 ADP + 4ATP + 2H 2 O + 4H + .

Намалявайки ATP и ADP от лявата и дясната страна на уравнението на реакцията, получаваме:

Глюкоза + 2NAD + + 2ADP + 2P n = 2NAD∙H + 2PVK + 2ATP + 2H 2 O + 4H + .

Окислително декарбоксилиране на пируват

Пирогроздена киселина (пируват), образувана по време на гликолиза, под действието на пируват дехидрогеназния комплекс (сложна структура от 3 различни ензима и повече от 60 субединици), се разпада на въглероден диоксид и ацеталдехид, който заедно с коензим А образува ацетил- CoA. Реакцията е придружена от възстановяване на NAD до NADH.

При еукариотите процесът протича в митохондриалната матрица.

β-окисление на мастни киселини

Основна статия: β-окисление

Накрая, в четвъртия етап, получената β-кето киселина се разцепва от β-кетотиолаза в присъствието на коензим А в ацетил-CoA и нов ацил-CoA, в който въглеродната верига е с 2 атома по-къса. Цикълът на β-окисление се повтаря, докато цялата мастна киселина се превърне в ацетил-КоА.

Цикъл на трикарбоксилната киселина

Общо уравнение на реакцията:

Ацетил-CoA + 3NAD + + FAD + GDP + Pn + 2H 2 O + CoA-SH = 2CoA-SH + 3NADH + 3H + + FADH 2 + GTP + 2CO 2

При еукариотите ензимите на цикъла са в свободно състояние в митохондриалната матрица, само сукцинат дехидрогеназата е вградена във вътрешната митохондриална мембрана.

По-голямата част от молекулите на АТФ се произвеждат чрез окислително фосфорилиране в последния етап от клетъчното дишане: във веригата за транспортиране на електрони. Тук протича окислението на NADH и FADN 2, редуцирани в процесите на гликолиза, β-окисление, цикъл на Кребс и др.. Освободената при тези реакции енергия се дължи на веригата от електронни преносители, локализирани във вътрешната мембрана на митохондриите (при прокариотите - в цитоплазмената мембрана), се трансформира в трансмембранен протонен потенциал. Ензимът АТФ синтаза използва този градиент, за да синтезира АТФ, преобразувайки енергията му в енергията на химичните връзки. Изчислено е, че една молекула NAD∙H може да произведе 2,5 молекули АТФ по време на този процес, FADH 2 - 1,5 молекули.

Крайният акцептор на електрони в аеробната дихателна верига е кислородът.

Анаеробно дишане

Общо уравнение на дишането, АТФ баланс

сцена	Добив на коензим	ATP продукция (GTP)	Метод за получаване на АТФ
Първата фаза на гликолизата		−2	Фосфорилиране на глюкоза и фруктоза 6-фосфат с помощта на 2 ATP от цитоплазмата.
Втора фаза на гликолиза		4	Субстратно фосфорилиране
Втора фаза на гликолиза	2 NADH	3 (5)	Окислително фосфорилиране. Само 2 ATP се образуват от NADH във веригата за транспортиране на електрони, тъй като коензимът се образува в цитоплазмата и трябва да бъде транспортиран до митохондриите. Когато малат-аспартатната совалка се използва за транспортиране в митохондриите, от NADH се образуват 3 мола АТФ. При използване на глицерофосфатна совалка се образуват 2 мола АТФ.
Декарбоксилиране на пируват	2 NADH	5	Окислително фосфорилиране
Цикъл на Кребс		2	Субстратно фосфорилиране
	6 NADH	15	Окислително фосфорилиране
	2 FADN 2	3	Окислително фосфорилиране
Обща продукция		30 (32) ATP	С пълното окисляване на глюкозата до въглероден диоксид и окисляването на всички получени коензими.

Бележки

Вижте също

Фондация Уикимедия. 2010 г.

Дива коза

ДЪХ Съвременна енциклопедия

ДЪХ- набор от процеси, които осигуряват навлизането на кислород в тялото и отстраняването на въглеродния диоксид (външно дишане), както и използването на кислород от клетките и тъканите за окисляване на органични вещества с освобождаване на необходимата енергия. .. ... Голям енциклопедичен речник

Дъх- ДИШАНЕ, набор от процеси, които осигуряват навлизането на кислород в тялото и отстраняването на въглероден диоксид (външно дишане), както и използването на кислород от клетките и тъканите за окисляване на органични вещества с освобождаване на енергия, ..... Илюстрован енциклопедичен речник

ДЪХ- ДИШАНЕ, I, вж. 1. Процесът на усвояване на кислород и отделяне на въглероден диоксид от живите организми. Дихателната система. Клетъчна г. (специална). 2. Вдишване и изпускане на въздух от белите дробове. Гладка г. Ограничаване г. Г. пружина (преведено). Прилив на втори вятър...... Обяснителен речник на Ожегов

дъх- ДИШАНЕ, ДИШАНЕ, I; ср 1. Поглъщането и изпускането на въздух от белите дробове или (при някои животни) от други съответни органи като процес на абсорбция на кислород и освобождаване на въглероден диоксид от живите организми. Дихателната система. Шумно, тежко... енциклопедичен речник

Дъх- в общоприет смисъл, означава поредица от движения на гръдния кош, непрекъснато редуващи се през целия живот под формата на вдишване и издишване и определящи, от една страна, притока на свеж въздух в белите дробове, а от друга, отстраняването на вече разваления въздух от тях... ... Енциклопедичен речник F.A. Brockhaus и I.A. Ефрон

Дъх- I Дишане (дишане) е набор от процеси, които осигуряват доставката на кислород в тялото от атмосферния въздух, използването му при биологичното окисляване на органични вещества и отстраняването на въглероден диоксид от тялото. Като резултат... ... Медицинска енциклопедия

Поток на енергия в клетка

Потокът на енергия в клетката се основава на процесите на хранене на организмите и клетъчното дишане.

1. Храна– процесът на придобиване на материя и енергия от живите организми.

2. Клетъчно дишане- процесът, при който живите организми освобождават енергия от органични вещества, богати на нея, когато те ензимно се разграждат (дисимилират) на по-прости. Клетъчното дишане може да бъде аеробно и анаеробно.

3. Аеробно дишане– енергията се получава с участието на кислород в процеса на разграждане на органичните вещества. Нарича се още кислороден (аеробен) етап на енергийния метаболизъм.

Анаеробно дишане– получаване на енергия от храната без използване на свободен атмосферен кислород. Най-общо потокът от енергия в клетка може да бъде представен по следния начин (фиг. 5.3.)

ХРАНА

ЗАХАР, МАСТНИ КИСЕЛИНИ, АМИНОКИСЕЛИНИ

КЛЕТЪЧНО ДИШАНЕ

АТФ

CO 2, H 2 O, NH 3

ХИМИЧЕСКА, МЕХАНИЧНА, ЕЛЕКТРИЧЕСКА, ОСМОТИЧНА РАБОТА

ADP + H 3 PO 4

Фиг.5.3. Поток на енергия в клетка

Химическа работа: биосинтеза в клетката на протеини, нуклеинови киселини, мазнини, полизахариди.

Механична работа: свиване на мускулните влакна, биене на ресничките, разминаване на хромозомите по време на митоза.

Електрическа работа– поддържане на потенциална разлика през клетъчната мембрана.

Осмотична работа– поддържане на градиенти на веществото в клетката и околната среда.

Процесът на аеробно дишане протича в три етапа: 1) подготвителен; 2) безкислороден; 3) кислород.

Първи етап – подготвителнаили храносмилателен етап, което включва ензимно разграждане на полимери в мономери: протеини в аминокиселини, мазнини в глицерол и мастни киселини, гликоген и нишесте в глюкоза, нуклеинови киселини в нуклеотиди. Възниква в стомашно-чревния тракт с участието на храносмилателни ензими и в цитоплазмата на клетките с участието на лизозомни ензими.

На този етап се отделя малко количество енергия, разсейва се под формата на топлина и получените мономери се подлагат на допълнително разграждане в клетките или се използват като строителен материал.

Втора фаза – анаеробни (безкислородни). Възниква в цитоплазмата на клетките без участието на кислород. Мономерите, образувани в първия етап, се подлагат на допълнително разцепване. Пример за такъв процес е гликолиза – безкислородно непълно разграждане на глюкозата.

При реакции на гликолиза една молекула глюкоза (C 6 H 12 O 6) произвежда две молекули пирогроздена киселина (C 3 H 4 O 3 - PVK). В този случай 4 Н+ атома се отделят от всяка глюкозна молекула и се образуват 2 АТФ молекули. Водородните атоми са прикрепени към NAD + (никотинамид аденин динуклеотид; функцията на NAD и подобни носители е да приемат водород в първата реакция (редуцират) и да го отдават (окисляват) в другата.

Общото уравнение за гликолизата изглежда така:

C 6 H 12 O 6 + 2ADP + 2H 3 PO 4 + 2NAD + → 2C 3 H 4 O 3 + 2ATP + 2H 2 O + 2NAD H 2

По време на гликолизата се освобождават 200 kJ/mol енергия, от които 80 kJ или 40% отиват за синтез на АТФ, а 120 kJ (60%) се разсейват като топлина.

а) в животинските клетки се образуват 2 молекули млечна киселина, които впоследствие се превръщат в гликоген и се отлагат в черния дроб;

б) протича алкохолна ферментация в растителните клетки с отделяне на CO 2. Крайният продукт е етанол.

Анаеробното дишане, в сравнение с дишането с кислород, е еволюционно по-ранна, но по-малко ефективна форма за получаване на енергия от хранителни вещества.

Трети етап – аеробика(кислород, тъканно дишане) се случва в митохондриите и изисква наличието на кислород.

Органичните съединения, образувани на предишния безкислороден етап, се окисляват чрез елиминиране на водорода до CO 2 и H 2 O. Отделените водородни атоми се прехвърлят към кислорода с помощта на носители, взаимодействат с него и образуват вода. Този процес е придружен от освобождаване на значително количество енергия, част от която (55%) отива за образуването на вода. В кислородния стадий могат да се разграничат реакциите на цикъла на Кребс и реакциите на окислително фосфорилиране.

Цикъл на Кребс(цикъл на трикарбоксилната киселина) се среща в митохондриалната матрица. Открит е от английския биохимик Х. Кребс през 1937 г.

Цикълът на Кребс започва от реакцията на пирогроздена киселина с оцетна киселина. В този случай се образува лимонена киселина, която след поредица от последователни трансформации отново се превръща в оцетна киселина и цикълът се повтаря.

По време на реакциите на цикъла на Кребс от една PVC молекула се образуват 4 двойки водородни атоми, две CO 2 молекули и една ATP молекула. Въглеродният диоксид се отстранява от клетката, а водородните атоми се присъединяват към молекулите-носители - NAD и FAD (флавин аденин динуклеотид), което води до образуването на NADH 2 и FADH 2.

Преносът на енергия от NADH 2 и FADH 2, които са се образували в цикъла на Кребс и в предишния анаеробен етап, към АТФ се осъществява върху вътрешната мембрана на митохондриите в дихателната верига.

Дихателна верига или верига за транспортиране на електрони (верига за транспортиране на електрони)открити във вътрешната мембрана на митохондриите. Основава се на електронни носители, които са част от ензимни комплекси, катализиращи окислително-възстановителните реакции.

Водородните двойки се отделят от NADH 2 и FADH 2 под формата на протони и електрони (2H + +2e) и влизат електрон транспортна верига. В дихателната верига те влизат в поредица от биохимични реакции, крайният резултат от които е синтезът на АТФ (фиг. 5.4.)

Ориз. 5.4 Електрон транспортна верига

Електроните и протоните се улавят от молекулите на носителите на дихателната верига и се транспортират: електроните към вътрешната страна на мембраната, а протоните към външната. Електроните се свързват с кислорода. Кислородните атоми стават отрицателно заредени:

O 2 + e - = O 2 -

Протоните (H +) се натрупват от външната страна на мембраната, а анионите (O 2-) се натрупват от вътрешната страна. В резултат на това потенциалната разлика се увеличава.

На някои места от мембраната са вградени молекули на ензима за синтез на АТФ (АТФ синтетаза), който има йонен (протонен) канал. Когато потенциалната разлика през мембраната достигне 200 mV, протоните (H +) се изтласкват през канала от силата на електрическото поле и преминават към вътрешната страна на мембраната, където взаимодействат с O 2 -, образувайки H 2 O

½ O 2 + 2H + = H 2 O

Кислородът, влизащ в митохондриите, е необходим за прикрепването на електрони (e -), а след това и на протони (H+). При липса на O2 процесите, свързани с транспорта на протони и електрони, спират. В тези случаи много клетки синтезират АТФ чрез разграждане на хранителни вещества чрез процеса на ферментация.

Обобщено уравнение на кислородния етап

2C 3 H 4 O 3 + 36 H 3 PO 4 + 6 O 2 + 36 ADP = 6 CO 2 + 42 H 2 O + 36 ATP + 2600 kJ

1440 (40·36) натрупани в ATP

1160 kJ, отделени като топлина

Обобщено уравнение на кислородното дишане, включително безкислородни и кислородни етапи :

C 6 H 12 O 6 + 38ADP + 38H 3 PO 4 + 6O 2 = 38ATP + 6CO 2 + 44H 2 O

Крайните продукти на енергийния метаболизъм (CO 2, H 2 O, NH 3), както и излишната енергия се освобождават от клетката през клетъчната мембрана, чиято структура и функции заслужават специално внимание.

метаболизъм

Метаболизмът е набор от реакции на биосинтеза и разграждане на вещества в клетката. Определена последователност от ензимни трансформации на дадено вещество в клетката се нарича метаболитен път, а получените междинни продукти са метаболити.

Два аспекта на метаболизма, взаимосвързани в пространството и времето, са пластичният и енергийният метаболизъм.

Наборът от реакции на биологичен синтез, когато сложни органични вещества, подобни на съдържанието на клетката, се образуват от прости вещества, влизащи в клетката отвън, се нарича анаболизъм (пластичен метаболизъм). Настъпва асимилация. Тези реакции протичат с помощта на енергията, генерирана в резултат на реакциите на разграждане на органичните вещества, доставени с храната. Най-интензивен е пластичният обмен по време на растежа на организма. Най-важните процеси на анаболизма са фотосинтезата и протеиновият синтез.

Катаболизъм (енергиен метаболизъм) – ензимно разграждане (хидролиза, окисление) на сложни органични съединения до по-прости. Настъпва дисимилация. Тези реакции освобождават енергия.

Етапи на енергийния метаболизъм. Клетъчно дишане.

Процесът, противоположен на биосинтезата, е дисимилация или катаболизъм, набор от реакции на разцепване. Когато високомолекулните съединения се разграждат, се освобождава енергията, необходима за реакциите на биосинтеза. Следователно дисимилацията се нарича още енергиен метаболизъм на клетката. Хетеротрофните организми получават необходимата за живота енергия от храната. Химическата енергия на хранителните вещества се съдържа в различни ковалентни връзки между атомите в молекулата на органичните съединения. Част от енергията, освободена от хранителни вещества, се разсейва под формата на топлина, а част се натрупва, т.е. се натрупва в богати на енергия високоенергийни фосфатни връзки на АТФ. Това е АТФ, който осигурява енергия за всички видове клетъчни функции: биосинтеза, механична работа, активен транспорт на вещества през мембраните и др. Синтезът на АТФ се извършва в митохондриите. Клетъчното дишане е ензимно разграждане на органични вещества (глюкоза) в клетката до въглероден диоксид и вода в присъствието на свободен кислород, свързано със съхранението на освободената енергия.

Енергийният метаболизъм е разделен на поредица от етапи, всеки от които се осъществява с участието на специални ензими в определени области на клетките.

Първият етап е подготвителен. При хората и животните по време на процеса на храносмилане големите хранителни молекули, включително олиго-, полизахариди, липиди, протеини, нуклеинови киселини, се разпадат на по-малки молекули - глюкоза, глицерол, мастни киселини, аминокиселини, нуклеотиди. На този етап малко количество енергия се освобождава и разсейва като топлина. Тези молекули се абсорбират в червата в кръвта и се доставят до различни органи и тъкани, където могат да служат като строителен материал за синтеза на нови вещества, необходими на тялото, и да осигуряват на тялото енергия.

Вторият етап е безкислородно или непълно анаеробно дишане (гликолиза или ферментация). Образуваните на този етап вещества претърпяват по-нататъшно разграждане с участието на ензими.

Гликолизата е един от централните пътища на глюкозния катаболизъм, когато разграждането на въглехидратите с образуването на АТФ се извършва при условия без кислород. При аеробните организми (растения, животни) това е един от етапите на клетъчното дишане, при микроорганизмите ферментацията е основният начин за получаване на енергия. Ензимите на гликолизата са локализирани в цитоплазмата. Процесът протича на два етапа при липса на кислород.

1). Подготвителен етап - активирането на глюкозните молекули възниква в резултат на добавянето на фосфатни групи, което се случва с консумацията на АТФ, с образуването на две 3-въглеродни молекули на глицералдехид фосфат.

2), редокс етап - протичат ензимни реакции на фосфорилиране на субстрата, когато енергията се извлича под формата на АТФ веднага в момента на окисляване на субстрата. По този начин молекулата на глюкозата претърпява по-нататъшно стъпаловидно разцепване и окисление до две 3-въглеродни молекули на пирогроздена киселина. В обобщение процесът на гликолиза изглежда така:

C 6 H 12 O 6 + 2 H 3 PO 4 + 2 ADP → 2 C 3 H 6 O 3 + 2 ATP + 2 H 2 O

По време на окисляването на глюкозата протоните се отстраняват и електроните се съхраняват под формата на NADH. В мускулите анаеробното дишане разгражда глюкозна молекула на две PLA молекули, които след това се редуцират до млечна киселина с помощта на редуциран NADH. В гъбичките от дрожди глюкозната молекула без участието на кислород се превръща в етилов алкохол и въглероден диоксид (алкохолна ферментация):

C 6 H 12 O 6 + 2 H 3 PO 4 + 2 ADP → 2 C 3 H 5 OH + 2 CO 2 + 2 ATP + 2 H 2 O

При други микроорганизми разграждането на глюкозата - гликолиза - може да доведе до образуването на ацетон, оцетна киселина и др.

Във всички случаи разграждането на една молекула глюкоза е придружено от образуването на 4 молекули АТФ. В този случай при реакциите на разграждане на глюкозата се изразходват 2 молекули АТФ. Така при безкислородното разграждане на глюкозата се образуват 2 молекули АТФ. Като цяло енергийната ефективност на гликолизата е ниска, т.к 40% от енергията се съхранява като химическа връзка в молекулата на АТФ, а останалата част от енергията се разсейва като топлина.

Третият етап е етапът на разделяне на кислорода или аеробно дишане. Аеробното дишане възниква в митохондриите на клетката, когато има наличен кислород. Процесът на клетъчното дишане също се състои от 3 етапа.

Окислително декарбоксилиране на PVC, образуван на предишния етап от глюкоза и влизащ в митохондриалната матрица. С участието на сложен ензимен комплекс се отцепва молекула въглероден диоксид и се образува съединение ацетил-коензим А, както и NADH.

Цикъл на трикарбоксилната киселина (цикъл на Кребс). Този етап включва голям брой ензимни реакции. Вътре в митохондриалната матрица ацетил коензим А (който може да се образува от различни вещества) се разгражда, освобождавайки друга молекула въглероден диоксид, както и образуването на ATP, NADH и FADH. Въглеродният диоксид навлиза в кръвта и се отстранява от тялото през дихателната система. Енергията, съхранявана в молекулите NADH и FADH, се използва за синтезиране на АТФ в следващия етап на клетъчното дишане.

Окислителното фосфорилиране е многоетапен трансфер на електрони от редуцирани форми на NADH и FADH по веригата за транспортиране на електрони, вградена във вътрешната мембрана на митохондриите до крайния акцептор на кислорода, съчетан със синтеза на АТФ. Веригата за пренос на електрони включва редица компоненти: убихинон (коензим Q), цитохроми b, c, a, които действат като преносители на електрони. В резултат на функционирането на електронната транспортна верига, водородните атоми от NADH и FADH се разделят на протони и електрони. Електроните постепенно се прехвърлят към кислорода, така че се образува вода и протоните се изпомпват в междумембранното пространство на митохондриите, като се използва енергията на електронния поток. След това протоните се връщат в митохондриалната матрица, преминавайки през специални канали като част от ензима АТФ синтетаза, вграден в мембраната. Това произвежда АТФ от АДФ и фосфат. В електронната транспортна верига има 3 места на конюгиране на окисление и фосфорилиране, т.е. места за образуване на АТФ. Механизмът за образуване на енергия и формата на АТФ в митохондриите се обяснява с хемиосмотичната теория на П. Мичъл. Кислородното дишане се придружава от освобождаване на голямо количество енергия и нейното натрупване в молекулите на АТФ. Общото уравнение за аеробно дишане изглежда така?

C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 + 38 H 3 PO 4 +38 ADP → 6 CO 2 + 6 H 2 O + 38 ATP

Така при пълното окисляване на една молекула глюкоза до крайните продукти - въглероден диоксид и вода, с достъп на кислород, се образуват 38 молекули АТФ. Следователно аеробното дишане играе основна роля в осигуряването на клетката с енергия.

Прилики между фотосинтезата и аеробното дишане:

Необходим е механизъм за обмен на въглероден диоксид и кислород.

Необходими са специални органели (хлоропласти, митохондрии).

Необходима е електронна транспортна верига, вградена в мембраните.

Възниква преобразуване на енергия (синтез на АТФ в резултат на фосфорилиране).

Възникват циклични реакции (цикъл на Калвин, цикъл на Кребс).

Разлики между фотосинтезата и аеробното дишане:

фотосинтеза	Аеробно дишане
Анаболен процес, в резултат на който се синтезират въглехидратни молекули от прости неорганични съединения.	Процесът на дисимилация, в резултат на който въглехидратните молекули се разграждат до прости неорганични съединения.
АТФ енергията се натрупва и съхранява във въглехидрати.	Енергията се съхранява под формата на АТФ.
Отделя се кислород.	Консумира се кислород.
Консумират се въглероден диоксид и вода.	Отделят се въглероден диоксид и вода.
Има увеличение на органичната маса.	Има намаляване на органичната маса.
При еукариотите процесът протича в хлоропластите.	При еукариотите процесът протича в митохондриите.
Среща се само в клетки, съдържащи хлорофил на светлина.	Среща се непрекъснато във всички клетки през целия живот.

След като сте работили по тези теми, трябва да можете да:

Опишете понятията по-долу и обяснете връзките между тях:
- полимер, мономер;
- въглехидрат, монозахарид, дизахарид, полизахарид;
- липид, мастна киселина, глицерол;
- аминокиселина, пептидна връзка, протеин;
- катализатор, ензим, активен център;
- нуклеинова киселина, нуклеотид.
Избройте 5-6 причини, които правят водата толкова важен компонент на живите системи.
Назовете четирите основни класа органични съединения, открити в живите организми; опишете ролята на всеки от тях.
Обяснете защо ензимно-контролираните реакции зависят от температурата, pH и наличието на коензими.
Обяснете ролята на АТФ в енергийната икономия на клетката.
Назовете изходните материали, основните етапи и крайните продукти на светлинно индуцирани реакции и реакции на въглеродна фиксация.
Дайте кратко описание на общата схема на клетъчното дишане, от която ще стане ясно какво място заемат реакциите на гликолизата, цикъла на Х. Кребс (цикъл на лимонената киселина) и веригата за транспортиране на електрони.
Сравнете дишането и ферментацията.
Опишете структурата на молекулата на ДНК и обяснете защо броят на адениновите остатъци е равен на броя на тиминовите остатъци, а броят на гуаниновите остатъци е равен на броя на цитозиновите остатъци.
Направете кратка схема на синтеза на РНК от ДНК (транскрипция) при прокариоти.
Опишете свойствата на генетичния код и обяснете защо той трябва да бъде триплетен код.
Въз основа на дадената ДНК верига и таблица с кодони определете комплементарната последователност на информационната РНК, посочете кодоните на преносната РНК и аминокиселинната последователност, която се образува в резултат на транслацията.
Избройте етапите на протеиновия синтез на ниво рибозома.

Алгоритъм за решаване на задачи.

Тип 1. Самокопиране на ДНК.

Една от ДНК веригите има следната нуклеотидна последователност:
AGTACCGATACCGATTTACCG...
Каква нуклеотидна последователност има втората верига на същата молекула?

За да напишете нуклеотидната последователност на втората верига на ДНК молекула, когато последователността на първата верига е известна, е достатъчно да замените тимина с аденин, аденина с тимин, гуанина с цитозин и цитозина с гуанин. След като направихме тази замяна, получаваме последователността:
TATTGGGCTATGAGCTAAAATG...

Тип 2. Кодиране на протеини.

Веригата от аминокиселини на протеина рибонуклеаза има следното начало: лизин-глутамин-треонин-аланин-аланин-аланин-лизин...
С каква нуклеотидна последователност започва генът, съответстващ на този протеин?

За да направите това, използвайте таблицата с генетичен код. За всяка аминокиселина намираме нейното кодово обозначение под формата на съответната тройка нуклеотиди и го записваме. Подреждайки тези триплети един след друг в същия ред като съответните аминокиселини, получаваме формулата за структурата на част от информационната РНК. По правило има няколко такива тройки, изборът се прави според вашето решение (но се взема само една от тройките). Съответно може да има няколко решения.
ААААААААЦУГЦГГЦУГЦГААГ

С каква последователност от аминокиселини започва протеинът, ако е кодиран от следната последователност от нуклеотиди:
ACCTTCCATGGCCGGT...

Използвайки принципа на комплементарността, намираме структурата на част от информационна РНК, образувана върху даден сегмент от ДНК молекула:
UGCGGGGUACCGGCCCA...

След това се обръщаме към таблицата на генетичния код и за всяка тройка нуклеотиди, започвайки от първия, намираме и изписваме съответната аминокиселина:
Цистеин-глицин-тирозин-аргинин-пролин-...

Иванова Т.В., Калинова Г.С., Мягкова А.Н. „Обща биология”. Москва, "Просвещение", 2000 г

Тема 4. "Химичен състав на клетката." §2-§7 стр. 7-21
Тема 5. "Фотосинтеза." §16-17 стр. 44-48
Тема 6. "Клетъчно дишане." §12-13 стр. 34-38
Тема 7. "Генетична информация." §14-15 стр. 39-44

КЛЕТЪЧНО ДИШАНЕ

Основните процеси, които осигуряват енергията на клетката са фотосинтеза, хемосинтеза, дишане, ферментация и гликолиза като етап от дишането.

С кръвта кислородът прониква в клетката или по-скоро в специални клетъчни структури - митохондрии. Те се намират във всички клетки, с изключение на бактериални клетки, синьо-зелени водорасли и зрели кръвни клетки (червени кръвни клетки). В митохондриите кислородът влиза в многоетапна реакция с различни хранителни вещества - протеини, въглехидрати, мазнини и др. Този процес се нарича клетъчно дишане. В резултат на това се освобождава химическа енергия, която клетката съхранява в специално вещество - аденозинтрифосфорна киселина или АТФ. Това е универсален запас от енергия, който тялото изразходва за растеж, движение и поддържане на жизнените си функции.

Дишането е окислително разграждане на органични хранителни вещества с участието на кислород, придружено от образуването на химически активни метаболити и освобождаване на енергия, която се използва от клетките за жизненоважни процеси.

Общото уравнение на дишането е както следва:

Където Q=2878 kJ/mol.

Но дишането, за разлика от горенето, е многоетапен процес. В него има два основни етапа: гликолиза и кислороден етап.

Гликолиза

Ценният за организма АТФ се образува не само в митохондриите, но и в цитоплазмата на клетката в резултат на гликолиза (от гръцки “glykis” - “сладък” и “lysis” - “разпад”). Гликолизата не е процес, зависим от мембраната. Среща се в цитоплазмата. Въпреки това, гликолитичните ензими са свързани с цитоскелетните структури.

Гликолизата е много сложен процес. Това е процес на разграждане на глюкозата под действието на различни ензими, който не изисква участието на кислород. За разграждането и частичното окисление на глюкозна молекула е необходимо координирано протичане на единадесет последователни реакции. При гликолизата една молекула глюкоза прави възможно синтезирането на две молекули АТФ. След това продуктите от разграждането на глюкозата могат да влязат в реакция на ферментация, превръщайки се в етилов алкохол или млечна киселина. Алкохолната ферментация е характерна за дрождите, а млечнокиселата – за животинските клетки и някои бактерии. Много от тях са аеробни, т.е. Живеейки изключително в безкислородна среда, организмите имат достатъчно енергия, генерирана в резултат на гликолиза и ферментация. Но аеробните организми трябва да допълнят този малък резерв и то доста значително.

Кислороден етап на дишане

Продуктите от разграждането на глюкозата навлизат в митохондриите. Там от тях първо се отделя молекула въглероден диоксид, която се отстранява от тялото при излизане. „Доизгарянето“ се случва в така наречения цикъл на Кребс (Приложение № 1) (наречен на английския биохимик, който го описва) - последователна верига от реакции. Всеки от ензимите, участващи в него, влиза в съединения и след няколко трансформации отново се освобождава в първоначалната си форма. Биохимичният цикъл съвсем не е безцелно ходене в кръг. По-скоро е ферибот, който се движи между два бряга, но в крайна сметка хората и колите се движат в правилната посока. В резултат на реакциите, протичащи в цикъла на Кребс, се синтезират допълнителни ATP молекули, допълнителни молекули въглероден диоксид и водородни атоми се отделят.

Мазнините също участват в тази верига, но тяхното разграждане отнема време, така че ако енергията е необходима спешно, тялото използва въглехидрати, а не мазнини. Но мазнините са много богат източник на енергия. Протеините също могат да се окисляват за енергийни нужди, но само в крайни случаи, например при продължително гладуване. Протеините са спешен запас за клетката.

Най-ефективният процес на синтез на АТФ се осъществява с участието на кислород в многостепенната дихателна верига. Кислородът е способен да окислява много органични съединения и в същото време да освобождава много енергия наведнъж. Но такава експлозия би била пагубна за тялото. Ролята на дихателната верига и всичко аеробно, т.е. свързано с кислорода, дишането се състои именно в осигуряването на тялото с енергия непрекъснато и на малки порции - дотолкова, доколкото тялото има нужда от нея. Може да се направи аналогия с бензина: разлят на земята и запален, той незабавно ще пламне без никаква полза. И в кола, изгаряйки малко по малко, бензинът ще върши полезна работа за няколко часа. Но това изисква такова сложно устройство като двигател.

Дихателната верига, в комбинация с цикъла на Кребс и гликолизата, позволява да се увеличи "добивът" на ATP молекули от всяка глюкозна молекула до 38. Но по време на гликолизата това съотношение е само 2:1. Така ефективността на аеробното дишане е много по-голяма.

Как работи дихателната верига?

Механизмът на синтеза на АТФ по време на гликолиза е относително прост и може лесно да бъде възпроизведен in vitro. Никога обаче не е било възможно да се симулира респираторен синтез на АТФ в лабораторията. През 1961 г. английският биохимик Питър Мичъл предполага, че ензимите - съседи в дихателната верига - спазват не само строга последователност, но и ясен ред в пространството на клетката. Дихателната верига, без да променя реда си, е фиксирана във вътрешната обвивка (мембрана) на митохондриите и я "зашива" няколко пъти като с шевове. Опитите за възпроизвеждане на дихателния синтез на АТФ се провалиха, тъй като ролята на мембраната беше подценена от изследователите. Но реакцията включва и ензими, концентрирани в израстъци с форма на гъба от вътрешната страна на мембраната. Ако тези израстъци бъдат отстранени, тогава АТФ няма да се синтезира.

Дишането е вредно.

Молекулярният кислород е мощен окислител. Но като силно лекарство, той може да има и странични ефекти. Например, директното взаимодействие на кислорода с липидите причинява образуването на токсични пероксиди и нарушава структурата на клетките. Реактивните кислородни съединения могат също да увредят протеини и нуклеинови киселини.

Защо не се получава отравяне с тези отрови? Защото имат противоотрова. Животът е възникнал в отсъствието на кислород и първите същества на Земята са били анаеробни. Тогава се появи фотосинтезата и кислородът като неин страничен продукт започна да се натрупва в атмосферата. В онези дни този газ беше опасен за всички живи същества. Някои анаероби умряха, други намериха ъгли без кислород, например, утаявайки се в буци почва; други започнаха да се адаптират и променят. Тогава се появиха механизми, които предпазваха живата клетка от случайно окисление. Това са различни вещества: ензими, включително разрушителя на вредния водороден прекис - катализа, както и много други непротеинови съединения.

Дишането като цяло първо се появи като начин за отстраняване на кислорода от атмосферата около тялото и едва след това се превърна в източник на енергия. Анаеробите, които се адаптираха към новата среда, станаха аероби, придобивайки огромни предимства. Но скритата опасност от кислорода остава за тях. Силата на антиоксидантните „антидоти“ не е неограничена. Ето защо в чист кислород и дори под налягане всички живи същества умират доста бързо. Ако клетката е повредена от някакъв външен фактор, тогава защитните механизми обикновено първо се провалят, а след това кислородът започва да вреди дори при нормални атмосферни концентрации