Dažādu sākuma substrātu izmantošana

Sākotnējie elpošanas substrāti var būt dažādas vielas, kas konkrētos vielmaiņas procesos pārvēršas par acetil-CoA, izdalot vairākus blakusproduktus. Jau šajā posmā var notikt NAD (NADP) reducēšanās un ATP veidošanās, taču lielākā daļa no tām veidojas trikarbonskābes ciklā acetil-CoA apstrādes laikā.

Glikolīze

Glikolīze – glikozes enzīmu sadalīšanās ceļš – ir process, kas raksturīgs gandrīz visiem dzīviem organismiem. Aerobos tas notiek pirms pašas šūnu elpošanas, anaerobos tas beidzas ar fermentāciju. Glikolīze pati par sevi ir pilnīgi anaerobs process, un tam nav nepieciešama skābekļa klātbūtne.

Tās pirmajā posmā tiek patērētas 2 ATP molekulas, un tajā ietilpst glikozes molekulas sadalīšana 2 gliceraldehīda-3-fosfāta molekulās. Otrajā posmā notiek no NAD atkarīga gliceraldehīda-3-fosfāta oksidēšana, ko papildina substrāta fosforilēšana, tas ir, fosforskābes atlikuma pievienošana molekulai un augstas enerģijas saites veidošanās tajā, pēc kuras atlikums tiek pārnests uz ADP, veidojoties ATP.

Tādējādi glikolīzes vienādojums ir šāds:

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

Samazinot ATP un ADP no reakcijas vienādojuma kreisās un labās puses, mēs iegūstam:

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

Piruvāta oksidatīvā dekarboksilēšana

Piruvīnskābe (piruvāts), kas veidojas glikolīzes laikā piruvāta dehidrogenāzes kompleksa (sarežģīta 3 dažādu enzīmu un vairāk nekā 60 apakšvienību struktūra) ietekmē sadalās oglekļa dioksīdā un acetaldehīdā, kas kopā ar koenzīmu A veido acetil- CoA. Reakciju pavada NAD atjaunošana uz NADH.

Eikariotos process notiek mitohondriju matricā.

taukskābju β-oksidācija

Galvenais raksts: β-oksidācija

Visbeidzot, ceturtajā posmā iegūto β-ketoskābi β-ketotiolāze sadala koenzīma A klātbūtnē acetil-CoA un jaunā acil-CoA, kurā oglekļa ķēde ir par 2 atomiem īsāka. β-oksidācijas ciklu atkārto, līdz visas taukskābes tiek pārvērstas par acetil-CoA.

Trikarbonskābes cikls

Kopējais reakcijas vienādojums:

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

Eikariotos cikla enzīmi mitohondriju matricā atrodas brīvā stāvoklī, iekšējā mitohondriju membrānā ir iebūvēta tikai sukcināta dehidrogenāze.

Lielākā daļa ATP molekulu tiek ražotas oksidatīvās fosforilēšanas ceļā šūnu elpošanas pēdējā posmā: elektronu transportēšanas ķēdē. Šeit notiek NADH un FADN 2 oksidēšanās, kas tiek reducēta glikolīzes procesos, β-oksidācijā, Krebsa ciklā uc Šo reakciju laikā izdalītā enerģija ir saistīta ar elektronu nesēju ķēdi, kas lokalizēta iekšējā membrānā. mitohondriji (prokariotos - citoplazmas membrānā), tiek pārveidots par transmembrānu protonu potenciālu. Enzīms ATP sintāze izmanto šo gradientu, lai sintezētu ATP, pārvēršot tā enerģiju ķīmisko saišu enerģijā. Ir aprēķināts, ka NAD∙H molekula šī procesa laikā var radīt 2,5 molekulas ATP, FADH 2 - 1,5 molekulas.

Pēdējais elektronu akceptors aerobajā elpošanas ķēdē ir skābeklis.

Anaerobā elpošana

Vispārējais elpošanas vienādojums, ATP līdzsvars

Skatuves	Koenzīma raža	ATP izvade (GTP)	ATP iegūšanas metode
Glikolīzes pirmā fāze		−2	Glikozes un fruktozes 6-fosfāta fosforilēšana, izmantojot 2 ATP no citoplazmas.
Glikolīzes otrā fāze		4	Substrāta fosforilēšana
Glikolīzes otrā fāze	2 NADH	3 (5)	Oksidatīvā fosforilēšana. No NADH elektronu transportēšanas ķēdē veidojas tikai 2 ATP, jo koenzīms veidojas citoplazmā un ir jātransportē uz mitohondrijiem. Kad malāta-aspartāta transportu izmanto transportēšanai mitohondrijās, no NADH veidojas 3 moli ATP. Lietojot glicerofosfātu, veidojas 2 moli ATP.
Piruvāta dekarboksilēšana	2 NADH	5	Oksidatīvā fosforilēšana
Krebsa cikls		2	Substrāta fosforilēšana
	6 NADH	15	Oksidatīvā fosforilēšana
	2 FADN 2	3	Oksidatīvā fosforilēšana
Vispārējā izvade		30 (32) ATP	Ar pilnīgu glikozes oksidēšanu līdz oglekļa dioksīdam un visu iegūto koenzīmu oksidēšanu.

Piezīmes

Skatīt arī

Wikimedia fonds. 2010. gads.

Zamzālīte

ELPA Mūsdienu enciklopēdija

ELPA- procesu kopums, kas nodrošina skābekļa iekļūšanu organismā un oglekļa dioksīda izvadīšanu (ārējo elpošanu), kā arī skābekļa izmantošanu šūnās un audos organisko vielu oksidēšanai ar nepieciešamās enerģijas izdalīšanos. .. ... Lielā enciklopēdiskā vārdnīca

Elpa- ELPOŠANA, procesu kopums, kas nodrošina skābekļa iekļūšanu organismā un oglekļa dioksīda izvadīšanu (ārējo elpošanu), kā arī šūnu un audu skābekļa izmantošanu organisko vielu oksidēšanai ar enerģijas izdalīšanos, ... ... Ilustrētā enciklopēdiskā vārdnīca

ELPA- ELPOŠANA, es, sk. 1. Dzīvo organismu skābekļa absorbcijas un oglekļa dioksīda izdalīšanās process. Elpošanas sistēmas. Šūnu d. (īpaša). 2. Ieelpošana un gaisa izdalīšana caur plaušām. Gluda d. Atturēt d. D. atspere (tulk.). Otrais vējš...... Ožegova skaidrojošā vārdnīca

elpa- ELPOŠANA, ELPOŠANA, es; Trešd 1. Gaisa uzņemšana un izdalīšanās caur plaušām vai (dažiem dzīvniekiem) citiem attiecīgiem orgāniem kā skābekļa absorbcijas un oglekļa dioksīda izdalīšanās process, ko veic dzīvi organismi. Elpošanas sistēmas. Smagi, trokšņaini... enciklopēdiskā vārdnīca

Elpa- plaši lietotā nozīmē apzīmē krūškurvja kustību sēriju, kas dzīves laikā nepārtraukti mainās ieelpas un izelpas veidā un, no vienas puses, nosaka svaiga gaisa ieplūšanu plaušās un, no otras puses, izvadīšanu. no viņiem jau sabojātā gaisa...... Enciklopēdiskā vārdnīca F.A. Brokhauss un I.A. Efrons

Elpa- I Elpošana (elpošana) ir procesu kopums, kas nodrošina organisma apgādi ar skābekli no atmosfēras gaisa, tā izmantošanu organisko vielu bioloģiskajā oksidēšanā un ogļskābās gāzes izvadīšanu no organisma. Rezultātā... ... Medicīnas enciklopēdija

Enerģijas plūsma šūnā

Enerģijas plūsma šūnā balstās uz organismu uztura un šūnu elpošanas procesiem.

1. Ēdiens– matērijas un enerģijas iegūšanas process, ko veic dzīvie organismi.

2. Šūnu elpošana- process, kurā dzīvie organismi atbrīvo enerģiju no ar to bagātām organiskām vielām, kad tās fermentatīvi sadalās (disimilējas) vienkāršākos. Šūnu elpošana var būt aeroba vai anaeroba.

3. Aerobā elpošana– enerģija tiek iegūta, skābeklim piedaloties organisko vielu sadalīšanās procesā. To sauc arī par enerģijas metabolisma skābekļa (aerobo) posmu.

Anaerobā elpošana– enerģijas iegūšana no pārtikas, neizmantojot brīvo atmosfēras skābekli. Kopumā enerģijas plūsmu šūnā var attēlot šādi (5.3. att.)

ĒDIENS

CUKURS, TAUKSKĀBES, AMINOKĀBES

ŠŪNU ELPOŠANA

ATP

CO 2, H 2 O, NH 3

ĶĪMISKAIS, MEHĀNISKAIS, ELEKTRO, OSMOTISKAIS DARBS

ADP + H3PO 4

5.3.att. Enerģijas plūsma šūnā

Ķīmiskais darbs: proteīnu, nukleīnskābju, tauku, polisaharīdu biosintēze šūnā.

Mehāniskais darbs: muskuļu šķiedru kontrakcija, skropstu pukstēšana, hromosomu diverģence mitozes laikā.

Elektrisko darbu veikšana- saglabājot potenciālu starpību starp šūnu membrānu.

Osmotiskais darbs– vielu gradientu uzturēšana šūnā un tās vidē.

Aerobās elpošanas process notiek trīs posmos: 1) sagatavošanās; 2) bez skābekļa; 3) skābeklis.

Pirmais posms – sagatavošanās vai gremošanas stadija, kas ietver polimēru fermentatīvu sadalīšanos monomēros: olbaltumvielas aminoskābēs, taukus glicerīnā un taukskābēs, glikogēnu un cieti glikozē, nukleīnskābes nukleotīdos. Tas notiek kuņģa-zarnu traktā, piedaloties gremošanas enzīmiem, un šūnu citoplazmā, piedaloties lizosomu enzīmiem.

Šajā posmā tiek atbrīvots neliels enerģijas daudzums, kas izkliedējas siltuma veidā, un iegūtie monomēri tiek tālāk sadalīti šūnās vai tiek izmantoti kā celtniecības materiāls.

Otrā fāze – anaerobs (bez skābekļa). Tas notiek šūnu citoplazmā bez skābekļa līdzdalības. Pirmajā posmā izveidotie monomēri tiek tālāk šķelti. Šāda procesa piemērs ir glikolīze – bezskābekļa nepilnīga glikozes sadalīšanās.

Glikolīzes reakcijās viena glikozes molekula (C 6 H 12 O 6) rada divas pirovīnskābes (C 3 H 4 O 3 - PVK) molekulas. Šajā gadījumā no katras glikozes molekulas tiek atdalīti 4 H+ atomi un veidojas 2 ATP molekulas. Ūdeņraža atomi ir piesaistīti NAD + (nikotīnamīda adenīna dinukleotīds; NAD un līdzīgu nesēju funkcija ir pieņemt ūdeņradi pirmajā reakcijā (reducēt), bet otrā reakcijā to atdot (oksidēt).

Kopējais glikolīzes vienādojums izskatās šādi:

C6H12O6 + 2ADP + 2H3PO4 + 2NAD + → 2C 3H4O3 + 2ATP + 2H2O + 2NAD H2

Glikolīzes laikā izdalās 200 kJ/mol enerģijas, no kuras 80 kJ jeb 40% nonāk ATP sintēzē, bet 120 kJ (60%) izkliedējas kā siltums.

a) dzīvnieku šūnās veidojas 2 pienskābes molekulas, kuras pēc tam pārvēršas par glikogēnu un nogulsnējas aknās;

b) augu šūnās notiek alkoholiskā fermentācija ar CO 2 izdalīšanos. Gala produkts ir etanols.

Anaerobā elpošana, salīdzinot ar skābekļa elpošanu, ir evolucionāli agrāks, bet mazāk efektīvs veids, kā iegūt enerģiju no barības vielām.

Trešais posms – aerobikas(skābeklis, audu elpošana) notiek mitohondrijās un prasa skābekļa klātbūtni.

Organiskie savienojumi, kas radušies iepriekšējā bezskābekļa stadijā, tiek oksidēti, likvidējot ūdeņradi līdz CO 2 un H 2 O. Atdalītie ūdeņraža atomi ar nesēju palīdzību tiek pārnesti uz skābekli, mijiedarbojas ar to un veido ūdeni. Šo procesu pavada ievērojama enerģijas daudzuma izdalīšanās, no kuras daļa (55%) nonāk ūdens veidošanā. Skābekļa stadijā var izšķirt Krebsa cikla reakcijas un oksidatīvās fosforilēšanās reakcijas.

Krebsa cikls(trikarbonskābes cikls) notiek mitohondriju matricā. To 1937. gadā atklāja angļu bioķīmiķis H. Krebs.

Krebsa cikls sākas ar pirovīnskābes reakciju ar etiķskābi. Šajā gadījumā veidojas citronskābe, kas pēc virknes secīgu pārvērtību atkal kļūst par etiķskābi un cikls atkārtojas.

Krebsa cikla reakciju laikā no vienas PVC molekulas veidojas 4 ūdeņraža atomu pāri, divas CO 2 molekulas un viena ATP molekula. Oglekļa dioksīds tiek noņemts no šūnas, un ūdeņraža atomi pievienojas nesējmolekulām - NAD un FAD (flavīna adenīna dinukleotīds), kā rezultātā veidojas NADH 2 un FADH 2.

Enerģijas pārnešana no NADH 2 un FADH 2, kas veidojās Krebsa ciklā un iepriekšējā anaerobajā stadijā, uz ATP notiek uz mitohondriju iekšējās membrānas elpošanas ķēdē.

Elpošanas ķēde vai elektronu transportēšanas ķēde (elektronu transportēšanas ķēde) atrodams mitohondriju iekšējā membrānā. Tā pamatā ir elektronu nesēji, kas ir daļa no enzīmu kompleksiem, kas katalizē redoksreakcijas.

Ūdeņraža pāri tiek atdalīti no NADH 2 un FADH 2 protonu un elektronu veidā (2H + +2e) un tiek ievadīti elektronu transportēšanas ķēde. Elpošanas ķēdē tie nonāk virknē bioķīmisku reakciju, kuru galarezultāts ir ATP sintēze (5.4. att.).

Rīsi. 5.4. Elektronu transportēšanas ķēde

Elektronus un protonus uztver elpošanas ķēdes nesēju molekulas un transportē: elektroni uz membrānas iekšējo pusi, bet protoni uz ārējo. Elektroni savienojas ar skābekli. Skābekļa atomi kļūst negatīvi uzlādēti:

O 2 + e - = O 2 -

Protoni (H +) uzkrājas membrānas ārpusē, bet anjoni (O 2-) uzkrājas iekšpusē. Rezultātā potenciālā starpība palielinās.

Dažās membrānas vietās ir iestrādātas ATP sintēzes enzīma (ATP sintetāzes) molekulas, kurām ir jonu (protonu) kanāls. Kad potenciālu starpība membrānā sasniedz 200 mV, protoni (H +) ar elektriskā lauka spēku tiek izspiesti caur kanālu un nonāk membrānas iekšpusē, kur tie mijiedarbojas ar O 2 -, veidojot H 2 O.

½ O2 + 2H+ = H2O

Skābeklis, kas nonāk mitohondrijās, ir nepieciešams elektronu (e -) un pēc tam protonu (H+) piesaistei. Ja nav O2, procesi, kas saistīti ar protonu un elektronu transportēšanu, apstājas. Šādos gadījumos daudzas šūnas sintezē ATP, fermentācijas procesā sadalot barības vielas.

Skābekļa stadijas kopsavilkuma vienādojums

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) uzkrāti ATP

1160 kJ izdalās kā siltums

Skābekļa elpošanas kopsavilkuma vienādojums, ieskaitot bezskābekļa un skābekļa stadijas :

C6H12O6+38ADP+38H3PO4+6O2=38ATP+6CO2+44H2O

Enerģijas vielmaiņas galaprodukti (CO 2 , H 2 O, NH 3), kā arī liekā enerģija no šūnas izdalās caur šūnas membrānu, kuras uzbūvei un funkcijām jāpievērš īpaša uzmanība.

vielmaiņa

Metabolisms ir biosintēzes un vielu sadalīšanās reakciju kopums šūnā. Noteiktu vielas fermentatīvo transformāciju secību šūnā sauc par vielmaiņas ceļu, un iegūtie starpprodukti ir metabolīti.

Divi vielmaiņas aspekti, kas ir savstarpēji saistīti telpā un laikā, ir plastmasas un enerģijas metabolisms.

Bioloģiskās sintēzes reakciju kopumu, kad no vienkāršām vielām, kas šūnā nonāk no ārpuses, veidojas sarežģītas, šūnas saturam līdzīgas organiskas vielas, sauc par anabolismu (plastisko vielmaiņu). Notiek asimilācija. Šīs reakcijas notiek, izmantojot enerģiju, kas rodas ar pārtiku piegādāto organisko vielu sadalīšanās reakciju rezultātā. Visintensīvākā plastiskā apmaiņa notiek organisma augšanas laikā. Svarīgākie anabolisma procesi ir fotosintēze un olbaltumvielu sintēze.

Katabolisms (enerģijas metabolisms) – komplekso organisko savienojumu fermentatīvā sadalīšanās (hidrolīze, oksidēšana) vienkāršākos. Notiek disimilācija. Šīs reakcijas atbrīvo enerģiju.

Enerģijas metabolisma stadijas. Šūnu elpošana.

Process, kas ir pretējs biosintēzei, ir disimilācija jeb katabolisms, šķelšanās reakciju kopums. Sadalot lielmolekulārus savienojumus, tiek atbrīvota enerģija, kas nepieciešama biosintēzes reakcijām. Tāpēc disimilāciju sauc arī par šūnas enerģijas metabolismu. Heterotrofie organismi dzīvībai nepieciešamo enerģiju iegūst no pārtikas. Barības vielu ķīmisko enerģiju satur dažādas kovalentās saites starp atomiem organisko savienojumu molekulā. Daļa no barības vielām izdalītās enerģijas tiek izkliedēta siltuma veidā, bet daļa tiek uzkrāta, t.i. uzkrājas ar enerģiju bagātās ATP augstas enerģijas fosfātu saitēs. Tieši ATP nodrošina enerģiju visu veidu šūnu funkcijām: biosintēzei, mehāniskajam darbam, aktīvai vielu transportēšanai pa membrānām utt. ATP sintēze notiek mitohondrijās. Šūnu elpošana ir organisko vielu (glikozes) fermentatīvā sadalīšanās šūnā līdz oglekļa dioksīdam un ūdenim brīva skābekļa klātbūtnē, kas saistīta ar atbrīvotās enerģijas uzglabāšanu.

Enerģijas vielmaiņa ir sadalīta vairākos posmos, no kuriem katrs tiek veikts, piedaloties īpašiem fermentiem noteiktos šūnu apgabalos.

Pirmais posms ir sagatavošanās. Cilvēkiem un dzīvniekiem gremošanas procesā lielas pārtikas molekulas, tajā skaitā oligo-, polisaharīdi, lipīdi, olbaltumvielas, nukleīnskābes, sadalās mazākās molekulās – glikozē, glicerīnā, taukskābēs, aminoskābēs, nukleotīdos. Šajā posmā neliels enerģijas daudzums tiek atbrīvots un izkliedēts kā siltums. Šīs molekulas zarnās uzsūcas asinīs un tiek nogādātas dažādos orgānos un audos, kur tās var kalpot kā būvmateriāls jaunu organismam nepieciešamo vielu sintēzei un organismam nodrošināt enerģiju.

Otrais posms ir bezskābekļa vai nepilnīga anaerobā elpošana (glikolīze vai fermentācija). Šajā posmā izveidotās vielas tiek tālāk sadalītas, piedaloties fermentiem.

Glikolīze ir viens no centrālajiem glikozes katabolisma ceļiem, kad bezskābekļa apstākļos notiek ogļhidrātu sadalīšanās, veidojot ATP. Aerobos organismos (augos, dzīvniekos) tas ir viens no šūnu elpošanas posmiem, mikroorganismos fermentācija ir galvenais enerģijas iegūšanas veids. Glikolīzes fermenti ir lokalizēti citoplazmā. Process notiek divos posmos bez skābekļa.

1). Sagatavošanas posms - glikozes molekulu aktivācija notiek fosfātu grupu pievienošanas rezultātā, kas notiek ar ATP patēriņu, veidojot divas gliceraldehīda fosfāta 3 oglekļa molekulas.

2), redoks stadija - notiek substrāta fosforilēšanās fermentatīvās reakcijas, kad enerģija tiek iegūta ATP veidā uzreiz substrāta oksidēšanās brīdī. Tādējādi glikozes molekula tiek pakāpeniski sadalīta un oksidēta līdz divām pirovīnskābes 3 oglekļa molekulām. Kopumā glikolīzes process izskatās šādi:

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

Glikozes oksidēšanas laikā protoni tiek noņemti un elektroni tiek uzglabāti NADH formā. Muskuļos anaerobā elpošana sadala glikozes molekulu divās PLA molekulās, kuras pēc tam tiek reducētas līdz pienskābei, izmantojot samazinātu NADH. Rauga sēnēs glikozes molekula bez skābekļa līdzdalības tiek pārvērsta etilspirtā un oglekļa dioksīdā (alkoholiskā fermentācija):

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

Citos mikroorganismos glikozes sadalīšanās – glikolīze – rezultātā var veidoties acetons, etiķskābe utt.

Visos gadījumos vienas glikozes molekulas sadalīšanās notiek kopā ar 4 ATP molekulu veidošanos. Šajā gadījumā glikozes sadalīšanās reakcijās tiek patērētas 2 ATP molekulas. Tādējādi bezskābekļa glikozes sadalīšanās laikā veidojas 2 ATP molekulas. Kopumā glikolīzes energoefektivitāte ir zema, jo 40% enerģijas tiek uzglabāti kā ķīmiskā saite ATP molekulā, un pārējā enerģija tiek izkliedēta kā siltums.

Trešais posms ir skābekļa sadalīšanas posms jeb aerobā elpošana. Aerobā elpošana notiek šūnas mitohondrijās, kad ir pieejams skābeklis. Arī šūnu elpošanas process sastāv no 3 posmiem.

PVC oksidatīvā dekarboksilēšana, kas iepriekšējā posmā veidojās no glikozes un nonāk mitohondriju matricā. Piedaloties kompleksam enzīmu kompleksam, tiek atdalīta oglekļa dioksīda molekula un veidojas acetilkoenzīma A savienojums, kā arī NADH.

Trikarbonskābes cikls (Krebsa cikls). Šis posms ietver lielu skaitu fermentatīvu reakciju. Mitohondriju matricas iekšpusē tiek sadalīts acetilkoenzīms A (kas var veidoties no dažādām vielām), izdalot vēl vienu oglekļa dioksīda molekulu, kā arī veidojas ATP, NADH un FADH. Oglekļa dioksīds nonāk asinīs un tiek izvadīts no organisma caur elpošanas sistēmu. NADH un FADH molekulās uzkrātā enerģija tiek izmantota ATP sintezēšanai nākamajā šūnu elpošanas posmā.

Oksidatīvā fosforilēšana ir daudzpakāpju elektronu pārnešana no reducētām NADH un FADH formām pa elektronu transportēšanas ķēdi, kas iebūvēta mitohondriju iekšējā membrānā, uz galīgo akceptora skābekli kopā ar ATP sintēzi. Elektronu transportēšanas ķēdē ietilpst vairākas sastāvdaļas: ubihinons (koenzīms Q), citohromi b, c, a, kas darbojas kā elektronu nesēji. Elektronu transportēšanas ķēdes darbības rezultātā ūdeņraža atomi no NADH un FADH tiek atdalīti protonos un elektronos. Elektroni pamazām tiek pārnesti uz skābekli, tāpēc veidojas ūdens, un protoni tiek iesūknēti mitohondriju starpmembrānu telpā, izmantojot elektronu plūsmas enerģiju. Pēc tam protoni atgriežas mitohondriju matricā, izejot caur īpašiem kanāliem kā daļa no membrānā iebūvētā ATP sintetāzes enzīma. Tas ražo ATP no ADP un fosfāta. Elektronu transportēšanas ķēdē ir 3 oksidācijas un fosforilēšanās konjugācijas vietas, t.i. ATP veidošanās vietas. Enerģijas veidošanās un ATP formas mehānisms mitohondrijās tiek skaidrots ar P. Mičela ķīmijas teoriju. Skābekļa elpošanu pavada liela enerģijas daudzuma izdalīšanās un tā uzkrāšanās ATP molekulās. Kopējais aerobās elpošanas vienādojums izskatās šādi?

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

Tādējādi, pilnībā oksidējoties vienai glikozes molekulai līdz galaproduktiem - oglekļa dioksīdam un ūdenim, ar skābekļa piekļuvi veidojas 38 ATP molekulas. Līdz ar to aerobā elpošana spēlē galveno lomu šūnas nodrošināšanā ar enerģiju.

Līdzības starp fotosintēzi un aerobo elpošanu:

Nepieciešams oglekļa dioksīda un skābekļa apmaiņas mehānisms.

Nepieciešamas īpašas organellas (hloroplasti, mitohondriji).

Nepieciešama elektronu transportēšanas ķēde, kas iestrādāta membrānās.

Notiek enerģijas pārveide (ATP sintēze fosforilēšanās rezultātā).

Notiek cikliskas reakcijas (Kalvina cikls, Krebsa cikls).

Atšķirības starp fotosintēzi un aerobo elpošanu:

Fotosintēze	Aerobā elpošana
Anabolisks process, kura rezultātā no vienkāršiem neorganiskiem savienojumiem tiek sintezētas ogļhidrātu molekulas.	Disimilācijas process, kura rezultātā ogļhidrātu molekulas tiek sadalītas vienkāršos neorganiskos savienojumos.
ATP enerģija tiek uzkrāta un uzglabāta ogļhidrātos.	Enerģija tiek uzkrāta ATP formā.
Izdalās skābeklis.	Skābeklis tiek patērēts.
Tiek patērēts oglekļa dioksīds un ūdens.	Izdalās oglekļa dioksīds un ūdens.
Notiek organiskās masas palielināšanās.	Ir organiskās masas samazināšanās.
Eikariotos process notiek hloroplastos.	Eikariotos process notiek mitohondrijās.
Rodas tikai šūnās, kas satur hlorofilu gaismā.	Nepārtraukti notiek visās šūnās visu mūžu.

Izstrādājot šīs tēmas, jums vajadzētu būt iespējai:

Aprakstiet tālāk minētos jēdzienus un izskaidrojiet to savstarpējās attiecības:
- polimērs, monomērs;
- ogļhidrāti, monosaharīds, disaharīds, polisaharīds;
- lipīds, taukskābes, glicerīns;
- aminoskābe, peptīdu saite, proteīns;
- katalizators, ferments, aktīvā vieta;
- nukleīnskābe, nukleotīds.
Uzskaitiet 5–6 iemeslus, kuru dēļ ūdens ir tik svarīga dzīvo sistēmu sastāvdaļa.
Nosauciet četras galvenās dzīvajos organismos sastopamo organisko savienojumu klases; aprakstiet katra no tām lomu.
Paskaidrojiet, kāpēc fermentu kontrolētas reakcijas ir atkarīgas no temperatūras, pH un koenzīmu klātbūtnes.
Izskaidrojiet ATP lomu šūnas enerģijas ekonomikā.
Nosauciet gaismas izraisīto reakciju un oglekļa fiksācijas reakciju izejmateriālus, galvenos posmus un galaproduktus.
Sniedziet īsu aprakstu par vispārējo šūnu elpošanas shēmu, no kuras būtu skaidrs, kādu vietu ieņem glikolīzes reakcijas, H. Krebsa cikls (citronskābes cikls) un elektronu transportēšanas ķēde.
Salīdziniet elpošanu un fermentāciju.
Aprakstiet DNS molekulas uzbūvi un paskaidrojiet, kāpēc adenīna atlieku skaits ir vienāds ar timīna atlikumu skaitu, bet guanīna atlikumu skaits ir vienāds ar citozīna atlikumu skaitu.
Izveidojiet īsu diagrammu par RNS sintēzi no DNS (transkripcijas) prokariotos.
Aprakstiet ģenētiskā koda īpašības un paskaidrojiet, kāpēc tam vajadzētu būt tripleta kodam.
Pamatojoties uz doto DNS ķēdes un kodonu tabulu, nosakiet ziņneša RNS komplementāro secību, norādiet pārneses RNS kodonus un aminoskābju secību, kas veidojas translācijas rezultātā.
Uzskaitiet olbaltumvielu sintēzes posmus ribosomu līmenī.

Algoritms problēmu risināšanai.

1. veids. DNS paškopēšana.

Vienai no DNS ķēdēm ir šāda nukleotīdu secība:
AGTACCGATACCGATTTACCG...
Kāda nukleotīdu secība ir tās pašas molekulas otrajai ķēdei?

Lai uzrakstītu DNS molekulas otrās virknes nukleotīdu secību, kad ir zināma pirmās virknes secība, pietiek timīnu aizstāt ar adenīnu, adenīnu ar timīnu, guanīnu ar citozīnu un citozīnu ar guanīnu. Pēc šīs nomaiņas mēs iegūstam secību:
TATTGGGCTATGAGCTAAAATG...

2. veids. Olbaltumvielu kodēšana.

Ribonukleāzes proteīna aminoskābju ķēdei ir šāds sākums: lizīns-glutamīns-treonīns-alanīns-alanīns-alanīns-lizīns...
Ar kādu nukleotīdu secību sākas šim proteīnam atbilstošais gēns?

Lai to izdarītu, izmantojiet ģenētiskā koda tabulu. Katrai aminoskābei mēs atrodam tās koda apzīmējumu atbilstošā nukleotīdu trīskārša formā un pierakstām. Sakārtojot šos tripletus vienu pēc otra tādā pašā secībā kā atbilstošās aminoskābes, iegūstam ziņneša RNS sekcijas struktūras formulu. Parasti ir vairāki šādi trīnīši, izvēle tiek veikta pēc jūsu lēmuma (bet tiek ņemts tikai viens no trīnīšiem). Attiecīgi var būt vairāki risinājumi.
ААААААААЦУГЦГГЦУГЦГАAG

Ar kādu aminoskābju secību sākas proteīns, ja to kodē šāda nukleotīdu secība:
ACCTTCCATGGCCGGT...

Izmantojot komplementaritātes principu, mēs atrodam kurjera RNS sekcijas struktūru, kas izveidota noteiktā DNS molekulas segmentā:
UGCGGGGUACCGGCCCA...

Tad mēs pievēršamies ģenētiskā koda tabulai un katram nukleotīdu trīskāršam, sākot no pirmā, atrodam un izrakstām atbilstošo aminoskābi:
Cisteīns-glicīns-tirozīns-arginīns-prolīns-...

Ivanova T.V., Kalinova G.S., Mjagkova A.N. "Vispārīgā bioloģija". Maskava, "Apgaismība", 2000

4. tēma "Šūnas ķīmiskais sastāvs." §2-§7 7.-21. lpp
5. tēma. "Fotosintēze". §16-17 44.-48.lpp
6. tēma "Šūnu elpošana". §12-13 34.-38.lpp
7. tēma. "Ģenētiskā informācija". §14-15 39.-44.lpp

ŠŪNU ELPOŠANA

Galvenie procesi, kas nodrošina šūnu ar enerģiju, ir fotosintēze, ķīmiskā sintēze, elpošana, fermentācija un glikolīze kā elpošanas stadija.

Ar asinīm skābeklis iekļūst šūnā vai, drīzāk, īpašās šūnu struktūrās - mitohondrijās. Tie ir atrodami visās šūnās, izņemot baktēriju šūnas, zilaļģes un nobriedušas asins šūnas (sarkanās asins šūnas). Mitohondrijās skābeklis nonāk daudzpakāpju reakcijā ar dažādām uzturvielām – olbaltumvielām, ogļhidrātiem, taukiem utt. Šo procesu sauc par šūnu elpošanu. Rezultātā izdalās ķīmiskā enerģija, ko šūna uzglabā īpašā vielā – adenozīntrifosforskābē jeb ATP. Šis ir universāls enerģijas krājums, ko ķermenis tērē augšanai, kustībām un savu vitālo funkciju uzturēšanai.

Elpošana ir organisko barības vielu oksidatīvā sadalīšanās ar skābekļa piedalīšanos, ko pavada ķīmiski aktīvu metabolītu veidošanās un enerģijas izdalīšanās, ko šūnas izmanto dzīvībai svarīgos procesos.

Vispārējais elpošanas vienādojums ir šāds:

Kur Q = 2878 kJ/mol.

Bet elpošana, atšķirībā no degšanas, ir daudzpakāpju process. Tajā ir divi galvenie posmi: glikolīze un skābekļa stadija.

Glikolīze

Ķermenim vērtīgais ATP veidojas ne tikai mitohondrijās, bet arī šūnas citoplazmā glikolīzes rezultātā (no grieķu “glykis” - “salds” un “līze” - “sabrukšana”). Glikolīze nav no membrānas atkarīgs process. Tas notiek citoplazmā. Tomēr glikolītiskie enzīmi ir saistīti ar citoskeleta struktūrām.

Glikolīze ir ļoti sarežģīts process. Tas ir glikozes sadalīšanās process dažādu enzīmu ietekmē, kam nav nepieciešama skābekļa līdzdalība. Glikozes molekulas sadalīšanai un daļējai oksidēšanai ir jānotiek vienpadsmit secīgām reakcijām saskaņotā veidā. Glikolīzē viena glikozes molekula ļauj sintezēt divas ATP molekulas. Glikozes sadalīšanās produkti pēc tam var nonākt fermentācijas reakcijā, pārvēršoties etilspirtā vai pienskābē. Alkoholiskā fermentācija ir raksturīga raugam, un pienskābes fermentācija ir raksturīga dzīvnieku šūnām un dažām baktērijām. Daudzi ir aerobikas, t.i. Dzīvojot tikai vidē, kurā nav skābekļa, organismiem ir pietiekami daudz enerģijas, kas rodas glikolīzes un fermentācijas rezultātā. Bet aerobajiem organismiem šī nelielā rezerve ir jāpapildina, turklāt diezgan būtiski.

Elpošanas skābekļa stadija

Glikozes sadalīšanās produkti nonāk mitohondrijās. Tur no tiem vispirms tiek atdalīta oglekļa dioksīda molekula, kas, izejot, tiek izņemta no ķermeņa. “Pēcdedzināšana” notiek tā sauktajā Krebsa ciklā (pielikums Nr. 1) (nosaukts angļu bioķīmiķa vārdā, kurš to aprakstīja) - secīgu reakciju ķēdē. Katrs no tajā iesaistītajiem fermentiem nonāk savienojumos un pēc vairākām pārvērtībām atkal tiek atbrīvots sākotnējā formā. Bioķīmiskais cikls nepavisam nav bezmērķīga staigāšana pa apļiem. Tas vairāk atgādina prāmi, kas skraida starp diviem krastiem, bet galu galā cilvēki un mašīnas pārvietojas pareizajā virzienā. Krebsa ciklā notiekošo reakciju rezultātā tiek sintezētas papildu ATP molekulas, tiek atdalītas papildu oglekļa dioksīda molekulas un ūdeņraža atomi.

Arī tauki ir iesaistīti šajā ķēdē, taču to sadalīšana prasa laiku, tāpēc, ja enerģija nepieciešama steidzami, organisms izmanto ogļhidrātus, nevis taukus. Bet tauki ir ļoti bagāts enerģijas avots. Olbaltumvielas var oksidēt arī enerģijas vajadzībām, taču tikai ārkārtējos gadījumos, piemēram, ilgstošas badošanās laikā. Olbaltumvielas ir šūnas avārijas avots.

Visefektīvākais ATP sintēzes process notiek ar skābekļa piedalīšanos daudzpakāpju elpošanas ķēdē. Skābeklis spēj oksidēt daudzus organiskos savienojumus un tajā pašā laikā vienlaikus atbrīvot daudz enerģijas. Bet šāds sprādziens būtu postošs ķermenim. Elpošanas ķēdes loma un viss aerobais, t.i. Saistīta ar skābekli, elpošana sastāv tieši no organisma nepārtrauktas un mazās porcijās apgādāšanas ar enerģiju – tādā apjomā, kādā organismam tā ir nepieciešama. Var vilkt analoģiju ar benzīnu: izlijis zemē un aizdedzināts, tas uzreiz uzliesmos bez nekāda labuma. Un automašīnā, pamazām degot, benzīns darīs lietderīgu darbu vairākas stundas. Bet tam ir nepieciešama tik sarežģīta ierīce kā dzinējs.

Elpošanas ķēde apvienojumā ar Krebsa ciklu un glikolīzi ļauj palielināt ATP molekulu “ražu” no katras glikozes molekulas līdz 38. Taču glikolīzes laikā šī attiecība bija tikai 2:1. Tādējādi aerobās elpošanas efektivitāte ir daudz lielāka.

Kā darbojas elpošanas ķēde?

ATP sintēzes mehānisms glikolīzes laikā ir salīdzinoši vienkāršs un to var viegli reproducēt in vitro. Tomēr laboratorijā nekad nav bijis iespējams simulēt elpceļu ATP sintēzi. 1961. gadā angļu bioķīmiķis Pīters Mičels ierosināja fermentiem – kaimiņiem elpošanas ķēdē – ievērot ne tikai stingru secību, bet arī skaidru kārtību šūnas telpā. Elpošanas ķēde, nemainot savu secību, tiek fiksēta mitohondriju iekšējā čaulā (membrānā) un vairākas reizes it kā ar šuvēm “iešuj” to. Mēģinājumi reproducēt ATP elpceļu sintēzi neizdevās, jo pētnieki nepietiekami novērtēja membrānas lomu. Bet reakcijā ir iesaistīti arī fermenti, kas koncentrēti sēņu formas veidojumos membrānas iekšējā pusē. Ja šie izaugumi tiek noņemti, ATP netiks sintezēts.

Elpošana ir kaitīga.

Molekulārais skābeklis ir spēcīgs oksidētājs. Bet kā spēcīgas zāles tam var būt arī blakusparādības. Piemēram, skābekļa tieša mijiedarbība ar lipīdiem izraisa toksisku peroksīdu veidošanos un izjauc šūnu struktūru. Reaktīvie skābekļa savienojumi var arī bojāt olbaltumvielas un nukleīnskābes.

Kāpēc nenotiek saindēšanās ar šīm indēm? Jo viņiem ir pretlīdzeklis. Dzīvība radās bez skābekļa, un pirmās radības uz Zemes bija anaerobas. Tad parādījās fotosintēze, un skābeklis kā blakusprodukts sāka uzkrāties atmosfērā. Tajos laikos šī gāze bija bīstama visam dzīvajam. Daži anaerobi gāja bojā, citi atrada bezskābekļa stūrus, piemēram, nosēdās augsnes gabalos; vēl citi sāka pielāgoties un mainīties. Toreiz parādījās mehānismi, kas aizsargāja dzīvo šūnu no nejaušas oksidācijas. Tās ir dažādas vielas: enzīmi, tostarp kaitīgā ūdeņraža peroksīda iznīcinātājs – katalīze, kā arī daudzi citi neolbaltumvielu savienojumi.

Elpošana kopumā vispirms parādījās kā veids, kā noņemt skābekli no ķermeņa apkārtējās atmosfēras, un tikai pēc tam kļuva par enerģijas avotu. Anaerobi, kas pielāgojās jaunajai videi, kļuva par aerobiem, iegūstot milzīgas priekšrocības. Bet slēptās skābekļa briesmas viņiem joprojām saglabājas. Antioksidantu “pretindes” spēks nav neierobežots. Tāpēc tīrā skābeklī un pat zem spiediena visas dzīvās būtnes mirst diezgan ātri. Ja šūnu bojā kāds ārējs faktors, tad parasti vispirms neizdodas aizsargmehānismi, un tad skābeklis sāk kaitēt pat normālā atmosfēras koncentrācijā.