Įvairių pradinių substratų naudojimas

Pradiniai kvėpavimo substratai gali būti įvairios medžiagos, kurios konkrečių medžiagų apykaitos procesų metu paverčiamos acetil-CoA išskiriant daugybę šalutinių produktų. Jau šiame etape gali įvykti NAD (NADP) redukcija ir ATP susidarymas, tačiau dauguma jų susidaro trikarboksirūgšties cikle, apdorojant acetil-CoA.

Glikolizė

Glikolizė – fermentinio gliukozės skilimo kelias – procesas, būdingas beveik visiems gyviems organizmams. Aerobuose jis vyksta prieš patį ląstelių kvėpavimą, anaerobuose jis baigiasi fermentacija. Pati glikolizė yra visiškai anaerobinis procesas ir jai nereikia deguonies.

Pirmajame etape sunaudojamos 2 ATP molekulės ir gliukozės molekulė suskaidoma į 2 gliceraldehido-3-fosfato molekules. Antrame etape įvyksta nuo NAD priklausoma gliceraldehido-3-fosfato oksidacija, kartu su substrato fosforilinimas, tai yra, į molekulę pridedama fosforo rūgšties liekanos ir joje susidaro didelės energijos jungtis, po kurios likutis perkeliamas į ADP, susidarant ATP.

Taigi glikolizės lygtis yra tokia:

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

Sumažinus ATP ir ADP iš kairės ir dešinės reakcijos lygties pusių, gauname:

Gliukozė + 2NAD + + 2ADP + 2P n = 2NAD∙H + 2PVK + 2ATP + 2H2O + 4H+.

Oksidacinis piruvato dekarboksilinimas

Piruvo rūgštis (piruvatas), susidaranti glikolizės metu, veikiant piruvato dehidrogenazės kompleksui (sudėtinga 3 skirtingų fermentų struktūra ir daugiau nei 60 subvienetų), skyla į anglies dioksidą ir acetaldehidą, kuris kartu su kofermentu A sudaro acetil- CoA. Reakciją lydi NAD atkūrimas į NADH.

Eukariotuose procesas vyksta mitochondrijų matricoje.

Riebalų rūgščių β-oksidacija

Pagrindinis straipsnis: β-oksidacija

Galiausiai, ketvirtame etape, gautą β-keto rūgštį skaido β-ketotiolazė, dalyvaujant kofermentui A, į acetil-CoA ir naują acil-CoA, kurioje anglies grandinė yra 2 atomais trumpesnė. β-oksidacijos ciklas kartojamas tol, kol visos riebalų rūgštys virsta acetil-CoA.

Trikarboksirūgšties ciklas

Bendra reakcijos lygtis:

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

Eukariotuose ciklo fermentai yra laisvos būsenos mitochondrijų matricoje, tik sukcinato dehidrogenazė yra įmontuota į vidinę mitochondrijų membraną.

Didžioji dalis ATP molekulių susidaro oksidacinio fosforilinimo būdu paskutiniame ląstelių kvėpavimo etape: elektronų transportavimo grandinėje. Čia vyksta NADH ir FADN 2 oksidacija, redukuota glikolizės, β-oksidacijos, Krebso ciklo procesuose ir kt. Šių reakcijų metu išsiskirianti energija atsiranda dėl elektronų nešėjų grandinės, lokalizuotos vidinėje membranoje. mitochondrijos (prokariotuose – citoplazminėje membranoje), virsta transmembraniniu protonų potencialu. Fermentas ATP sintazė naudoja šį gradientą ATP sintezei, paverčiant jo energiją cheminių ryšių energija. Apskaičiuota, kad NAD∙H molekulė šio proceso metu gali pagaminti 2,5 molekulės ATP, FADH 2 – 1,5 molekulės.

Galutinis elektronų akceptorius aerobinėje kvėpavimo grandinėje yra deguonis.

Anaerobinis kvėpavimas

Bendroji kvėpavimo lygtis, ATP balansas

Scena	Kofermento derlius	ATP išvestis (GTP)	ATP gavimo būdas
Pirmoji glikolizės fazė		−2	Gliukozės ir fruktozės 6-fosfato fosforilinimas naudojant 2 ATP iš citoplazmos.
Antroji glikolizės fazė		4	Substrato fosforilinimas
Antroji glikolizės fazė	2 NADH	3 (5)	Oksidacinis fosforilinimas. Iš NADH elektronų transportavimo grandinėje susidaro tik 2 ATP, nes kofermentas susidaro citoplazmoje ir turi būti transportuojamas į mitochondrijas. Kai malato-aspartato šaulys naudojamas transportavimui į mitochondrijas, iš NADH susidaro 3 moliai ATP. Naudojant glicerofosfato šaudyklą, susidaro 2 moliai ATP.
Piruvato dekarboksilinimas	2 NADH	5	Oksidacinis fosforilinimas
Krebso ciklas		2	Substrato fosforilinimas
	6 NADH	15	Oksidacinis fosforilinimas
	2 FADN 2	3	Oksidacinis fosforilinimas
Bendra produkcija		30 (32) ATP	Visiškai oksiduojant gliukozę į anglies dioksidą ir oksiduojant visus gautus kofermentus.

Pastabos

taip pat žr

Wikimedia fondas. 2010 m.

Zomša

KVĖPAVIMAS Šiuolaikinė enciklopedija

KVĖPAVIMAS- procesų rinkinys, užtikrinantis deguonies patekimą į organizmą ir anglies dioksido pašalinimą (išorinį kvėpavimą), taip pat ląstelių ir audinių deguonies naudojimą organinėms medžiagoms oksiduoti, išskiriant reikalingą energiją. .. ... Didysis enciklopedinis žodynas

Kvėpavimas- KVĖPAVIMAS, procesų rinkinys, užtikrinantis deguonies patekimą į organizmą ir anglies dioksido pašalinimą (išorinis kvėpavimas), taip pat ląstelių ir audinių deguonies panaudojimas organinių medžiagų oksidacijai, išskiriant energiją, ... ... Iliustruotas enciklopedinis žodynas

KVĖPAVIMAS- KVĖPAVIMAS, aš, plg. 1. Gyvų organizmų deguonies absorbcijos ir anglies dioksido išsiskyrimo procesas. Kvėpavimo sistema. Ląstelių d. (specialus). 2. Įkvėpimas ir oro išleidimas per plaučius. Lygus d. Suvaržyti d. D. spyruoklė (išversta). Antras vėjo šuolis...... Ožegovo aiškinamasis žodynas

kvėpavimas- KVĖPAVIMAS, KVĖPAVIMAS, AŠ; trečia 1. Oro paėmimas ir išskyrimas per plaučius arba (kai kuriems gyvūnams) kitus svarbius organus kaip gyvų organizmų deguonies absorbcijos ir anglies dioksido išskyrimo procesas. Kvėpavimo sistema. Triukšmingas, sunkus... enciklopedinis žodynas

Kvėpavimas- paprastai vartojama prasme reiškia krūtinės ląstos judesių seriją, nuolat kintančius visą gyvenimą įkvėpimo ir iškvėpimo forma ir, viena vertus, lemiantį gryno oro patekimą į plaučius, o kita vertus, pašalinimą. iš jų jau sugadinto oro.... Enciklopedinis žodynas F.A. Brockhausas ir I.A. Efronas

Kvėpavimas– I Kvėpavimas (kvėpavimas) – tai visuma procesų, užtikrinančių organizmo aprūpinimą deguonimi iš atmosferos oro, jo panaudojimą organinių medžiagų biologinei oksidacijai ir anglies dvideginio pašalinimui iš organizmo. Kaip rezultatas... ... Medicinos enciklopedija

Energijos srautas ląstelėje

Energijos srautas ląstelėje pagrįstas organizmų mitybos ir ląstelių kvėpavimo procesais.

1. Maistas– gyvų organizmų medžiagos ir energijos įsigijimo procesas.

2. Ląstelinis kvėpavimas- procesas, kurio metu gyvi organizmai išskiria energiją iš jos turtingų organinių medžiagų, kai jos fermentiškai skaidomos (disimiliuojamos) į paprastesnes. Ląstelinis kvėpavimas gali būti aerobinis arba anaerobinis.

3. Aerobinis kvėpavimas– energija gaunama organinių medžiagų irimo procese dalyvaujant deguoniui. Jis taip pat vadinamas deguonies (aerobiniu) energijos apykaitos etapu.

Anaerobinis kvėpavimas– energijos gavimas iš maisto nenaudojant laisvo atmosferos deguonies. Apskritai energijos srautą ląstelėje galima pavaizduoti taip (5.3 pav.)

MAISTAS

CUKRAUS, RIEBALŲ RŪGŠTYS, AMINORŪGŠTYS

LĄSTELINIS KVĖPAVIMAS

ATP

CO 2, H 2 O, NH3

CHEMINIAI, MECHANINIAI, ELEKTROS, OSMOTINIAI DARBAI

ADP + H 3 PO 4

5.3 pav. Energijos srautas ląstelėje

Cheminis darbas: baltymų, nukleorūgščių, riebalų, polisacharidų biosintezė ląstelėje.

Mechaninis darbas: raumenų skaidulų susitraukimas, blakstienų plakimas, chromosomų divergencija mitozės metu.

Elektros darbai– potencialų skirtumo tarp ląstelės membranos palaikymas.

Osmosinis darbas– medžiagų gradientų palaikymas ląstelėje ir jos aplinkoje.

Aerobinio kvėpavimo procesas vyksta trimis etapais: 1) paruošiamasis; 2) be deguonies; 3) deguonis.

Pirmas lygmuo – parengiamieji arba virškinimo stadija, kuris apima fermentinį polimerų skaidymą į monomerus: baltymus į aminorūgštis, riebalus į glicerolį ir riebalų rūgštis, glikogeną ir krakmolą į gliukozę, nukleino rūgštis į nukleotidus. Jis atsiranda virškinimo trakte, dalyvaujant virškinimo fermentams, ir ląstelių citoplazmoje, dalyvaujant lizosomų fermentams.

Šiame etape išsiskiria nedidelis energijos kiekis, išsisklaido šilumos pavidalu, o susidarę monomerai toliau skaidosi ląstelėse arba naudojami kaip statybinė medžiaga.

Antrasis etapas – anaerobinis (be deguonies). Jis atsiranda ląstelių citoplazmoje, nedalyvaujant deguoniui. Pirmajame etape susidarę monomerai toliau skaidomi. Tokio proceso pavyzdys yra glikolizė – be deguonies nepilnas gliukozės skilimas.

Glikolizės reakcijose viena gliukozės molekulė (C 6 H 12 O 6) gamina dvi piruvinės rūgšties (C 3 H 4 O 3 – PVK) molekules. Šiuo atveju nuo kiekvienos gliukozės molekulės atsiskiria 4 H+ atomai ir susidaro 2 ATP molekulės. Vandenilio atomai yra prijungti prie NAD + (nikotinamido adenino dinukleotido; NAD ir panašių nešiklių funkcija yra priimti vandenilį pirmojoje reakcijoje (redukuoti), o kitoje jį atiduoti (oksiduoti).

Bendra glikolizės lygtis atrodo taip:

C6H12O6 + 2ADP + 2H3PO4 + 2NAD + → 2C3H4O3 + 2ATP + 2H2O + 2NAD H2

Glikolizės metu išsiskiria 200 kJ/mol energijos, iš kurios 80 kJ arba 40 % atitenka ATP sintezei, o 120 kJ (60 %) išsisklaido kaip šiluma.

a) gyvūnų ląstelėse susidaro 2 pieno rūgšties molekulės, kurios vėliau virsta glikogenu ir nusėda kepenyse;

b) augalų ląstelėse vyksta alkoholinė fermentacija, išsiskirianti CO 2. Galutinis produktas yra etanolis.

Anaerobinis kvėpavimas, palyginti su deguonies kvėpavimu, yra evoliuciškai ankstesnė, bet mažiau efektyvi energijos gavimo iš maistinių medžiagų forma.

Trečias etapas – aerobinis(deguonis, audinių kvėpavimas) vyksta mitochondrijose ir reikalauja deguonies buvimo.

Ankstesnėje bedeguonies stadijoje susidarę organiniai junginiai, šalinant vandenilį, oksiduojami iki CO 2 ir H 2 O. Atskirti vandenilio atomai nešėjų pagalba perkeliami į deguonį, sąveikauja su juo ir sudaro vandenį. Šį procesą lydi didelis energijos kiekis, kurio dalis (55%) atitenka vandens susidarymui. Deguonies stadijoje galima išskirti Krebso ciklo reakcijas ir oksidacines fosforilinimo reakcijas.

Krebso ciklas(trikarboksirūgšties ciklas) vyksta mitochondrijų matricoje. Jį 1937 metais atrado anglų biochemikas H. Krebsas.

Krebso ciklas prasideda piruvo rūgšties reakcijai su acto rūgštimi. Tokiu atveju susidaro citrinų rūgštis, kuri po nuoseklių transformacijų vėl tampa acto rūgštimi ir ciklas kartojasi.

Krebso ciklo reakcijų metu iš vienos PVC molekulės susidaro 4 poros vandenilio atomų, dvi CO 2 molekulės ir viena ATP molekulė. Anglies dioksidas pašalinamas iš ląstelės, o vandenilio atomai prisijungia prie nešiklio molekulių - NAD ir FAD (flavino adenino dinukleotido), todėl susidaro NADH 2 ir FADH 2.

Energijos perdavimas iš NADH 2 ir FADH 2, kurie susidarė Krebso cikle ir ankstesnėje anaerobinėje stadijoje, į ATP vyksta ant kvėpavimo grandinės mitochondrijų vidinės membranos.

Kvėpavimo grandinė arba elektronų transportavimo grandinė (elektronų transportavimo grandinė) randama vidinėje mitochondrijų membranoje. Jis pagrįstas elektronų nešikliais, kurie yra fermentų kompleksų, katalizuojančių redokso reakcijas, dalis.

Vandenilio poros yra atskirtos nuo NADH 2 ir FADH 2 protonų ir elektronų pavidalu (2H + +2e) ir įeina elektronų transportavimo grandinė. Kvėpavimo grandinėje jie dalyvauja biocheminių reakcijų serijoje, kurių galutinis rezultatas yra ATP sintezė (5.4 pav.).

Ryžiai. 5.4 Elektronų transportavimo grandinė

Elektronus ir protonus pagauna kvėpavimo grandinės nešėjų molekulės ir perneša: elektronai į vidinę membranos pusę, o protonai – į išorinę. Elektronai susijungia su deguonimi. Deguonies atomai tampa neigiamai įkrauti:

O 2 + e - = O 2 -

Protonai (H +) kaupiasi membranos išorėje, o anijonai (O 2-) kaupiasi viduje. Dėl to potencialų skirtumas didėja.

Kai kuriose membranos vietose yra įterptos ATP (ATP sintetazės) sintezės fermento, turinčio jonų (protonų) kanalą, molekulės. Kai potencialų skirtumas per membraną pasiekia 200 mV, protonai (H +) elektrinio lauko jėga stumiami per kanalą ir pereina į vidinę membranos pusę, kur sąveikauja su O 2 -, sudarydami H 2 O.

½ O2 + 2H+ = H2O

Į mitochondrijas patekęs deguonis reikalingas elektronams (e -), o vėliau protonams (H+) prijungti. Trūkstant O2, sustoja procesai, susiję su protonų ir elektronų pernešimu. Tokiais atvejais daugelis ląstelių sintezuoja ATP, skaidydamos maistines medžiagas per fermentacijos procesą.

Suvestinė deguonies stadijos lygtis

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) sukaupta ATP

1160 kJ išsiskiria kaip šiluma

Suvestinė deguonies kvėpavimo lygtis, įskaitant bedeguonies ir deguonies stadijas :

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

Galutiniai energijos apykaitos produktai (CO 2 , H 2 O, NH 3), taip pat energijos perteklius iš ląstelės išsiskiria per ląstelės membraną, kurios struktūra ir funkcijos nusipelno ypatingo dėmesio.

medžiagų apykaitą

Metabolizmas – tai biosintezės ir medžiagų skilimo ląstelėje reakcijų visuma. Tam tikra medžiagos fermentinių transformacijų seka ląstelėje vadinama medžiagų apykaitos keliu, o atsirandantys tarpiniai produktai yra metabolitai.

Du metabolizmo aspektai, tarpusavyje susiję erdvėje ir laike, yra plastinė ir energijos apykaita.

Biologinės sintezės reakcijų visuma, kai iš paprastų medžiagų, patenkančių į ląstelę iš išorės, susidaro sudėtingos organinės medžiagos, panašios į ląstelės turinį, vadinamas anabolizmu (plastine metabolizmu). Vyksta asimiliacija. Šios reakcijos vyksta naudojant energiją, susidarančią dėl su maistu tiekiamų organinių medžiagų irimo reakcijų. Intensyviausi plastiniai mainai vyksta organizmo augimo metu. Svarbiausi anabolizmo procesai yra fotosintezė ir baltymų sintezė.

Katabolizmas (energijos apykaita) – kompleksinių organinių junginių fermentinis skaidymas (hidrolizė, oksidacija) į paprastesnius. Atsiranda disimiliacija. Šios reakcijos išskiria energiją.

Energijos apykaitos etapai. Ląstelinis kvėpavimas.

Procesas, priešingas biosintezei, yra disimiliacija arba katabolizmas, skilimo reakcijų rinkinys. Skilus didelės molekulinės masės junginiams, išsiskiria energija, reikalinga biosintezės reakcijoms. Todėl disimiliacija dar vadinama ląstelės energijos apykaita. Heterotrofiniai organizmai gyvybei reikalingą energiją gauna iš maisto. Maistinių medžiagų cheminė energija yra įvairiuose kovalentiniuose ryšiuose tarp atomų organinių junginių molekulėje. Dalis energijos, išsiskiriančios iš maistinių medžiagų, išsisklaido šilumos pavidalu, o dalis kaupiasi, t.y. kaupiasi daug energijos turinčiose ATP didelės energijos fosfatinėse jungtyse. Būtent ATP suteikia energijos visų tipų ląstelių funkcijoms: biosintezei, mechaniniam darbui, aktyviam medžiagų pernešimui per membranas ir kt. ATP sintezė vyksta mitochondrijose. Ląstelių kvėpavimas – tai fermentinis organinių medžiagų (gliukozės) skaidymas ląstelėje iki anglies dioksido ir vandens, esant laisvam deguoniui, susijęs su išsiskiriančios energijos kaupimu.

Energijos apykaita suskirstyta į eilę etapų, kurių kiekvienas vyksta tam tikrose ląstelių srityse dalyvaujant specialiems fermentams.

Pirmasis etapas yra paruošiamasis. Žmonėms ir gyvūnams virškinimo proceso metu didelės maisto molekulės, įskaitant oligo-, polisacharidus, lipidus, baltymus, nukleino rūgštis, skyla į smulkesnes molekules – gliukozę, glicerolį, riebalų rūgštis, aminorūgštis, nukleotidus. Šiame etape nedidelis energijos kiekis išsiskiria ir išsklaido šilumos pavidalu. Šios molekulės žarnyne absorbuojamos į kraują ir patenka į įvairius organus bei audinius, kur gali pasitarnauti kaip statybinė medžiaga naujų organizmui reikalingų medžiagų sintezei, aprūpinti organizmą energija.

Antrasis etapas yra be deguonies arba nepilnas anaerobinis kvėpavimas (glikolizė arba fermentacija). Šiame etape susidariusios medžiagos toliau skaidomos dalyvaujant fermentams.

Glikolizė yra vienas iš centrinių gliukozės katabolizmo būdų, kai angliavandenių skaidymas ir ATP susidarymas vyksta be deguonies. Aerobiniuose organizmuose (augaluose, gyvūnuose) tai yra vienas iš ląstelių kvėpavimo etapų, mikroorganizmuose fermentacija yra pagrindinis energijos gavimo būdas. Glikolizės fermentai yra lokalizuoti citoplazmoje. Procesas vyksta dviem etapais, kai nėra deguonies.

1). Parengiamasis etapas - gliukozės molekulių aktyvacija įvyksta dėl fosfatų grupių pridėjimo, kuris atsiranda vartojant ATP, susidarant dviem 3 anglies gliceraldehido fosfato molekulėms.

2), redokso stadija - vyksta substrato fosforilinimo fermentinės reakcijos, kai energija išgaunama ATP pavidalu iš karto substrato oksidacijos momentu. Taigi, gliukozės molekulė toliau laipsniškai skaidoma ir oksiduojama iki dviejų 3 anglies piruvo rūgšties molekulių. Apibendrinant, glikolizės procesas atrodo taip:

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

Gliukozės oksidacijos metu protonai pašalinami, o elektronai saugomi NADH pavidalu. Raumenyse anaerobinis kvėpavimas suskaido gliukozės molekulę į dvi PLA molekules, kurios vėliau redukuojamos į pieno rūgštį naudojant sumažintą NADH. Mielių grybuose gliukozės molekulė, nedalyvaujant deguoniui, paverčiama etilo alkoholiu ir anglies dioksidu (alkoholinė fermentacija):

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

Kituose mikroorganizmuose skaidant gliukozę – glikolizę – gali susidaryti acetonas, acto rūgštis ir kt.

Visais atvejais vienos gliukozės molekulės irimą lydi 4 ATP molekulių susidarymas. Šiuo atveju gliukozės skilimo reakcijose sunaudojamos 2 ATP molekulės. Taigi be deguonies skaidant gliukozę susidaro 2 ATP molekulės. Apskritai glikolizės energetinis efektyvumas yra mažas, nes 40% energijos yra saugoma kaip cheminis ryšys ATP molekulėje, o likusi energijos dalis yra išsklaidoma kaip šiluma.

Trečiasis etapas yra deguonies padalijimo, arba aerobinio kvėpavimo, etapas. Aerobinis kvėpavimas vyksta ląstelės mitochondrijose, kai yra deguonies. Ląstelių kvėpavimo procesas taip pat susideda iš 3 etapų.

Oksidacinis PVC dekarboksilinimas, susidaręs ankstesniame etape iš gliukozės ir patenkantis į mitochondrijų matricą. Dalyvaujant sudėtingam fermentų kompleksui, anglies dioksido molekulė suskaidoma ir susidaro acetilkofermento A junginys, taip pat NADH.

Trikarboksirūgšties ciklas (Krebso ciklas). Šis etapas apima daugybę fermentinių reakcijų. Mitochondrijų matricos viduje suskaidomas acetilkofermentas A (kuris gali susidaryti iš įvairių medžiagų), išsiskiria dar viena anglies dioksido molekulė, taip pat susidaro ATP, NADH ir FADH. Anglies dioksidas patenka į kraują ir pašalinamas iš organizmo per kvėpavimo sistemą. Energija, sukaupta NADH ir FADH molekulėse, naudojama ATP sintezei kitame ląstelių kvėpavimo etape.

Oksidacinis fosforilinimas yra daugiapakopis elektronų perkėlimas iš redukuotų NADH ir FADH formų išilgai elektronų transportavimo grandinės, įmontuotos į vidinę mitochondrijų membraną, iki galutinio akceptoriaus deguonies, kartu su ATP sinteze. Elektronų pernešimo grandinę sudaro keletas komponentų: ubichinonas (kofermentas Q), citochromai b, c, a, kurie veikia kaip elektronų nešėjai. Dėl elektronų transportavimo grandinės veikimo vandenilio atomai iš NADH ir FADH yra atskiriami į protonus ir elektronus. Elektronai palaipsniui pereina į deguonį, todėl susidaro vanduo, o protonai, panaudojant elektronų srauto energiją, pumpuojami į tarpmembraninę mitochondrijų erdvę. Tada protonai grįžta į mitochondrijų matricą, pereidami specialiais kanalais kaip ATP sintetazės fermento, įmontuoto į membraną, dalis. Tai gamina ATP iš ADP ir fosfato. Elektronų pernešimo grandinėje yra 3 oksidacijos ir fosforilinimo konjugacijos vietos, t.y. ATP susidarymo vietos. Energijos susidarymo ir ATP formos mitochondrijose mechanizmas paaiškinamas P. Mitchell chemiosmotikos teorija. Deguonies kvėpavimą lydi didelio energijos kiekio išsiskyrimas ir jos kaupimasis ATP molekulėse. Bendra aerobinio kvėpavimo lygtis atrodo taip?

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

Taigi, visiškai oksidavus vienai gliukozės molekulei iki galutinių produktų – anglies dioksido ir vandens, priėjus deguoniui, susidaro 38 ATP molekulės. Vadinasi, aerobinis kvėpavimas atlieka pagrindinį vaidmenį aprūpinant ląstelę energija.

Fotosintezės ir aerobinio kvėpavimo panašumai:

Reikalingas anglies dioksido ir deguonies mainų mechanizmas.

Reikalingi specialūs organeliai (chloroplastai, mitochondrijos).

Reikalinga elektronų transportavimo grandinė, įterpta į membranas.

Vyksta energijos konversija (ATP sintezė dėl fosforilinimo).

Atsiranda ciklinės reakcijos (Kalvino ciklas, Krebso ciklas).

Fotosintezės ir aerobinio kvėpavimo skirtumai:

Fotosintezė	Aerobinis kvėpavimas
Anabolinis procesas, kurio metu iš paprastų neorganinių junginių sintetinamos angliavandenių molekulės.	Disimiliacijos procesas, kurio metu angliavandenių molekulės suskaidomos į paprastus neorganinius junginius.
ATP energija kaupiama ir saugoma angliavandeniuose.	Energija kaupiama ATP pavidalu.
Išsiskiria deguonis.	Sunaudojamas deguonis.
Sunaudojamas anglies dioksidas ir vanduo.	Išsiskiria anglies dioksidas ir vanduo.
Didėja organinė masė.	Sumažėja organinė masė.
Eukariotuose procesas vyksta chloroplastuose.	Eukariotuose procesas vyksta mitochondrijose.
Atsiranda tik ląstelėse, kuriose šviesoje yra chlorofilo.	Visą gyvenimą nenutrūkstamai atsiranda visose ląstelėse.

Išnagrinėję šias temas, turėtumėte sugebėti:

Apibūdinkite toliau pateiktas sąvokas ir paaiškinkite jų tarpusavio ryšius:
- polimeras, monomeras;
- angliavandeniai, monosacharidai, disacharidai, polisacharidai;
- lipidai, riebalų rūgštys, glicerolis;
- aminorūgštis, peptidinė jungtis, baltymas;
- katalizatorius, fermentas, aktyvi vieta;
- nukleino rūgštis, nukleotidas.
Išvardykite 5–6 priežastis, dėl kurių vanduo yra toks svarbus gyvų sistemų komponentas.
Išvardykite keturias pagrindines gyvuose organizmuose randamų organinių junginių klases; apibūdinkite kiekvieno iš jų vaidmenį.
Paaiškinkite, kodėl fermentų kontroliuojamos reakcijos priklauso nuo temperatūros, pH ir kofermentų buvimo.
Paaiškinkite ATP vaidmenį ląstelės energijos ekonomikoje.
Nurodykite šviesos sukeltų reakcijų ir anglies fiksavimo reakcijų pradines medžiagas, pagrindinius etapus ir galutinius produktus.
Trumpai apibūdinkite bendrą ląstelių kvėpavimo schemą, iš kurios būtų aišku, kokią vietą užima glikolizės reakcijos, H. Krebso ciklas (citrinos rūgšties ciklas) ir elektronų pernešimo grandinė.
Palyginkite kvėpavimą ir fermentaciją.
Apibūdinkite DNR molekulės struktūrą ir paaiškinkite, kodėl adenino liekanų skaičius lygus timino likučių skaičiui, o guanino liekanų skaičius lygus citozino likučių skaičiui.
Padarykite trumpą RNR sintezės iš DNR (transkripcijos) prokariotuose diagramą.
Apibūdinkite genetinio kodo savybes ir paaiškinkite, kodėl tai turėtų būti tripleto kodas.
Remdamiesi pateikta DNR grandinės ir kodonų lentele, nustatykite RNR pasiuntinio komplementariąją seką, nurodykite pernešančios RNR kodonus ir aminorūgščių seką, kuri susidaro dėl transliacijos.
Išvardykite baltymų sintezės etapus ribosomų lygyje.

Problemų sprendimo algoritmas.

1 tipas. Savarankiškas DNR kopijavimas.

Viena iš DNR grandinių turi tokią nukleotidų seką:
AGTACCGATACCGATTTACCG...
Kokią nukleotidų seką turi antroji tos pačios molekulės grandinė?

Norint parašyti antrosios DNR molekulės grandinės nukleotidų seką, kai žinoma pirmosios grandinės seka, pakanka timiną pakeisti adeninu, adeniną timinu, guaniną citozinu, citoziną guaninu. Atlikę šį pakeitimą, gauname seką:
TATTGGGCTATGAGCTAAAATG...

2 tipas. Baltymų kodavimas.

Ribonukleazės baltymo aminorūgščių grandinė turi tokią pradžią: lizinas-glutaminas-treoninas-alaninas-alaninas-alaninas-lizinas...
Kokia nukleotidų seka prasideda šį baltymą atitinkantis genas?

Norėdami tai padaryti, naudokite genetinio kodo lentelę. Kiekvienai aminorūgščiai randame jos kodo pavadinimą atitinkamo nukleotidų trigubo pavidalu ir užrašome. Išdėstę šiuos tripletus vieną po kito ta pačia tvarka kaip ir atitinkamas aminorūgštis, gauname pasiuntinio RNR dalies struktūros formulę. Paprastai tokių trynukų yra keli, pasirinkimas daromas pagal jūsų sprendimą (bet paimamas tik vienas iš trynukų). Atitinkamai, gali būti keli sprendimai.
ААААААААЦУГЦГГЦУГЦГАAG

Kokia aminorūgščių seka prasideda baltymas, jei jį koduoja tokia nukleotidų seka:
ACCTTCCATGGCCGGT...

Naudodami komplementarumo principą, randame tam tikrame DNR molekulės segmente susidariusios pasiuntinio RNR sekcijos struktūrą:
UGCGGGGUACCGGCCCA...

Tada kreipiamės į genetinio kodo lentelę ir kiekvienam nukleotidų trigubui, pradedant nuo pirmojo, randame ir užrašome atitinkamą aminorūgštį:
Cisteinas-glicinas-tirozinas-argininas-prolinas-...

Ivanova T.V., Kalinova G.S., Myagkova A.N. „Bendroji biologija“. Maskva, „Švietimas“, 2000 m

4 tema. „Cheminė ląstelės sudėtis“. §2-§7 p. 7-21
5 tema. "Fotosintezė". §16-17 p. 44-48
6 tema. „Ląstelinis kvėpavimas“. §12-13 34-38 p
7 tema. "Genetinė informacija". §14-15 39-44 p

LĄSTELINIS KVĖPAVIMAS

Pagrindiniai procesai, aprūpinantys ląstelę energija, yra fotosintezė, chemosintezė, kvėpavimas, fermentacija ir glikolizė kaip kvėpavimo stadija.

Su krauju deguonis prasiskverbia į ląstelę, tiksliau, į specialias ląstelių struktūras – mitochondrijas. Jų yra visose ląstelėse, išskyrus bakterijų ląsteles, melsvadumblius ir brandžius kraujo kūnelius (raudonuosius kraujo kūnelius). Mitochondrijose deguonis pradeda daugiapakopę reakciją su įvairiomis maistinėmis medžiagomis – baltymais, angliavandeniais, riebalais ir kt. Šis procesas vadinamas ląstelių kvėpavimu. Dėl to išsiskiria cheminė energija, kurią ląstelė kaupia specialioje medžiagoje – adenozino trifosforo rūgštyje, arba ATP. Tai universali energijos saugykla, kurią kūnas išleidžia augimui, judėjimui ir gyvybinėms funkcijoms palaikyti.

Kvėpavimas yra oksidacinis organinių maistinių medžiagų skaidymas, dalyvaujant deguoniui, kartu susidaro chemiškai aktyvūs metabolitai ir išsiskiria energija, kurią ląstelės naudoja gyvybiniams procesams.

Bendra kvėpavimo lygtis yra tokia:

Kur Q = 2878 kJ/mol.

Tačiau kvėpavimas, skirtingai nei degimas, yra kelių etapų procesas. Jame yra du pagrindiniai etapai: glikolizė ir deguonies stadija.

Glikolizė

ATP, brangus organizmui, susidaro ne tik mitochondrijose, bet ir ląstelės citoplazmoje dėl glikolizės (iš graikų „glykis“ - „saldus“ ir „lizė“ - „skilimas“). Glikolizė nėra nuo membranos priklausomas procesas. Jis atsiranda citoplazmoje. Tačiau glikolitiniai fermentai yra susiję su citoskeleto struktūromis.

Glikolizė yra labai sudėtingas procesas. Tai yra gliukozės skilimo procesas veikiant įvairiems fermentams, kuriam nereikia deguonies. Kad gliukozės molekulė suirtų ir iš dalies oksiduotųsi, vienuolika iš eilės reakcijų turi vykti koordinuotai. Glikolizės metu viena gliukozės molekulė leidžia susintetinti dvi ATP molekules. Gliukozės skilimo produktai gali patekti į fermentacijos reakciją, virsdami etilo alkoholiu arba pieno rūgštimi. Alkoholinė fermentacija būdinga mielėms, o pieno rūgštinė – gyvūnų ląstelėms ir kai kurioms bakterijoms. Daugelis yra aerobikos, t.y. Gyvendami išskirtinai deguonies neturinčioje aplinkoje, organizmai turi pakankamai energijos, susidarančios glikolizės ir fermentacijos metu. Tačiau aerobiniai organizmai turi papildyti šį nedidelį rezervą ir gana reikšmingai.

Kvėpavimo deguonies stadija

Gliukozės skilimo produktai patenka į mitochondrijas. Ten nuo jų pirmiausiai atsiskiria anglies dioksido molekulė, kuri pasišalina iš organizmo išėjus. „Afterburning“ vyksta vadinamajame Krebso cikle (priedas Nr. 1) (pavadintas jį aprašiusio anglų biochemiko vardu) – nuoseklioje reakcijų grandinėje. Kiekvienas jame dalyvaujantis fermentas patenka į junginius ir po kelių transformacijų vėl išsiskiria pradine forma. Biocheminis ciklas visai nėra betikslis vaikščiojimas ratu. Tai daugiau kaip keltas, kuris slenka tarp dviejų krantų, bet galiausiai žmonės ir automobiliai juda teisinga kryptimi. Dėl Krebso cikle vykstančių reakcijų sintetinamos papildomos ATP molekulės, atskiriamos papildomos anglies dioksido molekulės ir vandenilio atomai.

Riebalai taip pat dalyvauja šioje grandinėje, tačiau jų skaidymas užtrunka, todėl jei energijos reikia skubiai, organizmas naudoja ne riebalus, o angliavandenius. Tačiau riebalai yra labai turtingas energijos šaltinis. Baltymai taip pat gali būti oksiduojami dėl energijos poreikių, tačiau tik kraštutiniais atvejais, pavyzdžiui, ilgo badavimo metu. Baltymai yra neatidėliotinas ląstelės tiekimas.

Veiksmingiausias ATP sintezės procesas vyksta dalyvaujant deguoniui daugiapakopėje kvėpavimo grandinėje. Deguonis gali oksiduoti daug organinių junginių ir tuo pačiu iš karto išskirti daug energijos. Tačiau toks sprogimas būtų pražūtingas kūnui. Kvėpavimo grandinės vaidmuo ir viskas, kas aerobiška, t.y. susijęs su deguonimi, kvėpavimas yra būtent nuolatinis energijos tiekimas kūnui mažomis porcijomis – tiek, kiek kūnui jos reikia. Galima daryti analogiją su benzinu: išpylus ant žemės ir padegus jis akimirksniu užsidegs be jokios naudos. O automobilyje po truputį degdamas benzinas keletą valandų dirbs naudingą darbą. Tačiau tam reikia tokio sudėtingo įrenginio kaip variklis.

Kvėpavimo grandinė, kartu su Krebso ciklu ir glikolize, leidžia padidinti ATP molekulių „išeigą“ iš kiekvienos gliukozės molekulės iki 38. Tačiau glikolizės metu šis santykis buvo tik 2:1. Taigi aerobinio kvėpavimo efektyvumas yra daug didesnis.

Kaip veikia kvėpavimo grandinė?

ATP sintezės mechanizmas glikolizės metu yra gana paprastas ir gali būti lengvai atkuriamas in vitro. Tačiau laboratorijoje niekada nebuvo įmanoma imituoti kvėpavimo ATP sintezės. 1961 metais anglų biochemikas Peteris Mitchellas pasiūlė fermentams – kaimynams kvėpavimo grandinėje – stebėti ne tik griežtą seką, bet ir aiškią tvarką ląstelės erdvėje. Kvėpavimo grandinė, nekeisdama savo tvarkos, fiksuojama vidiniame mitochondrijų apvalkale (membranoje) ir kelis kartus tarsi dygsniais „susiuva“ ją. Bandymai atkurti kvėpavimo takų ATP sintezę žlugo, nes mokslininkai neįvertino membranos vaidmens. Tačiau reakcijoje taip pat dalyvauja fermentai, susitelkę grybo formos ataugose vidinėje membranos pusėje. Jei šios išaugos pašalinamos, ATP nebus sintetinamas.

Kvėpavimas kenkia.

Molekulinis deguonis yra galingas oksidatorius. Tačiau kaip stiprus vaistas, jis taip pat gali turėti šalutinį poveikį. Pavyzdžiui, tiesioginė deguonies sąveika su lipidais sukelia toksiškų peroksidų susidarymą ir sutrikdo ląstelių struktūrą. Reaktyvūs deguonies junginiai taip pat gali pažeisti baltymus ir nukleino rūgštis.

Kodėl neapsinuodijama šiais nuodais? Nes jie turi priešnuodį. Gyvybė atsirado nesant deguonies, o pirmieji tvariniai Žemėje buvo anaerobiniai. Tada atsirado fotosintezė ir atmosferoje pradėjo kauptis deguonis, kaip jo šalutinis produktas. Tais laikais šios dujos buvo pavojingos visoms gyvoms būtybėms. Vieni anaerobai žuvo, kiti rado bedeguonies kampelius, pavyzdžiui, nusėdusius dirvos luituose; dar kiti pradėjo prisitaikyti ir keistis. Būtent tada atsirado mechanizmai, apsaugantys gyvą ląstelę nuo atsitiktinės oksidacijos. Tai įvairios medžiagos: fermentai, tarp jų ir kenksmingo vandenilio peroksido naikintojas – katalizė, taip pat daugelis kitų nebaltyminių junginių.

Kvėpavimas apskritai pirmiausia pasirodė kaip būdas pašalinti deguonį iš kūną supančios atmosferos ir tik tada tapo energijos šaltiniu. Anaerobai, prisitaikę prie naujos aplinkos, tapo aerobais, įgavę milžiniškų pranašumų. Tačiau paslėptas deguonies pavojus jiems vis tiek išlieka. Antioksidantų „priešnuodžių“ galia neribota. Štai kodėl gryname deguonyje ir net esant slėgiui visi gyvi daiktai gana greitai miršta. Jei ląstelę pažeidžia koks nors išorinis veiksnys, tada dažniausiai pirmiausia sugenda apsauginiai mechanizmai, o tada deguonis pradeda kenkti net esant normaliai atmosferos koncentracijai.