клітинного дихання

Основними процесами, які забезпечують клітину енергією, є фотосинтез, хемосинтез, дихання, бродіння і гліколіз як етап дихання.

З кров'ю кисень проникає в клітину, вірніше в особливі клітинні структури - мітохондрії. Вони є у всіх клітинах, за винятком клітин бактерій, синьо-зелених водоростей і зрілих клітин крові (еритроцитів). У мітохондріях кисень вступає в багатоступеневу реакцію з різними поживними речовинами - білками, вуглеводами, жирами та ін Цей процес називається клітинним диханням. У результаті виділяється хімічна енергія, яку клітина запасає в особливому речовині - аденозинтрифосфорной кислоті, або АТФ. Це універсальний накопичувач енергії, яку організм витрачає на ріст, рух, підтримку своєї життєдіяльності.

Дихання - це окислювальний, за участю кисню розпад органічних поживних речовин, що супроводжується утворенням хімічно активних метаболітів і звільненням енергії, які використовуються клітинами для процесів життєдіяльності.

Загальне рівняння дихання має такий вигляд:

Де Q = 2878 кДж/моль.

Але подих, на відміну від горіння, процес багатоступінчастий. У ньому виділяють два основні стадії: гліколіз і кисневий етап. Гліколіз

Дорогоцінна для організму АТФ утворюється не тільки в мітохондріях, але і в цитоплазмі клітини в результаті гліколізу (від грец. «глікіс» - «солодкий» і «лісіс» - «розпад»). Гліколіз не є мембранозавісімим процесом. Він відбувається в цитоплазмі. Однак ферменти гліколізу пов'язані з структурами цитоскелету.

гліколіз - процес дуже складний. Це процес розщеплення глюкози під дією різних ферментів, що не вимагає участі кисню. Для розпаду і часткового окислення молекули глюкози необхідно узгоджене протікання одинадцяти послідовних реакцій. При гліколізу одна молекула глюкози дає можливість синтезувати дві молекули АТФ. Продукти розщеплення глюкози можуть потім вступати в реакцію бродіння, перетворюючись на етиловий спирт або молочну кислоту. Спиртове бродіння властиво дріжджів, а молочнокисле - властиво клітинам тварин і деяких бактерій. Багатьом аеробних, тобто живуть виключно в біс кисневої середовищі, організмам вистачає енергії, що утворюється в результаті гліколізу і бродіння. Але аеробних організмів необхідно доповнити цей невеликий запас, причому досить істотно. Дихання Кисневий етап

Продукти розщеплення глюкози потрапляють в мітохондрії. Там від них спочатку відщеплюється молекула вуглекислого газу, який виводиться з організму при виході. «Дожиганяя» відбувається у так званому циклі Кребса (додаток № 1) (на ім'я описав його англійської біохіміка) - послідовного ланцюга реакцій. Кожен з беруть участь у ній ферментів вступає в з'єднання, а після декількох перетворень знову звільняється в первинному вигляді. Біохімічний цикл зовсім не безцільне ходіння по колу. Він більше схожий з поромом, який снує між двома берегами, але у результаті люди і машини рухаються в потрібному напрямку. У результаті відбуваються в циклі Кребса реакцій синтезуються додаткові молекули АТФ, відщеплюються додаткові молекули вуглекислого газу і атоми водню.

Жири теж беруть участь у цьому ланцюжку, але їх розщеплення вимагає часу, тому якщо енергія потрібна терміново, то організм використовує не жири, а вуглеводи. Зате жири - дуже багате джерело енергії. Можуть окислиться для енергетичних потреб і білки, але лише в крайньому випадку, наприклад при тривалому голодуванні. Білки для клітини - недоторканий запас.

Головний по ефективності процес синтезу АТФ відбувається за участю кисню в багатоступеневою дихального ланцюга. Кисень здатний окисляти багато органічні сполуки і при цьому виділяти багато енергії одразу. Але такий вибух для організму був би згубний. Роль дихального ланцюга і всього аеробного, тобто пов'язаного з киснем, дихання полягає саме в тому, щоб організм забезпечувався енергією безперервно і невеликими порціями - у тій мірі, в якій мірі це організму потрібно. Можна провести аналогію з бензином: розлитий по землі і підпалений, він миттєво спалахне без будь-якої користі. А в автомобілі, згораючи потроху, бензин буде кілька годин здійснювати корисну роботу. Але для цього такий складний пристрій, як двигун.

ланцюг в сукупності з циклом Кребса і гліколізу дозволяє довести «вихід» молекул АТФ з кожної молекули глюкози до 38. Але ж при гліколізу це співвідношення було лише 2:1. Таким чином, коефіцієнт корисної дії аеробного дихання набагато більше. Як влаштована дихальна ланцюг?

Механізм синтезу АТФ при гліколізу відносно простий і може легко бути відтворений в пробірці. Однак ніколи не вдавалося лабораторно змоделювати дихальний синтез АТФ. У 1961 році англійський біохімік Пітер Мітчел висловив припущення, що ферменти - сусіди по дихального ланцюга - дотримують не тільки сувору черговість, а й чіткий порядок в просторі клітини. Ланцюг, не змінюючи свого порядку, закріплюється у внутрішній оболонці (мембрані) мітохондрії і кілька разів «прошиває» її ніби стежками. Спроби відтворити дихальний синтез АТФ зазнали невдачі, тому що роль мембрани дослідниками недооцінювалися. Але ж в реакції беруть участь ще ферменти, зосереджені в грибоподібний наростах на внутрішній стороні мембрани. Якщо ці нарости видалити, то АТФ синтезуватися не буде.

Подих, що приносить шкоду.

Молекулярний кисень - потужний окислювач. Але як сильнодіючі ліки, він здатний давати і побічні ефекти. Наприклад, пряма взаємодія кисню з ліпідами викликає поява отруйних перекисів і порушує структуру клітин. Активні з'єднання кисню можуть пошкоджувати також білки і нуклеїнові кислоти.

Чому ж не відбувається отруєння цими отрутами? Тому, що їм є протиотруту. Життя виникла під час відсутності кисню, і перші істоти на Землі були анаеробними. Потім з'явився фотосинтез, а кисень як його побічний продукт почав накопичуватися в атмосфері. У ті часи цей газ був небезпечним для всього живого. Одні анаероби загинули, інші знайшли безкисневі куточки, наприклад, оселившись в грудочках грунту; третім стали пристосовуватися і мінятися. Тоді-то і з'явилися механізми, що захищають живу клітину від безладного окислення. Це різноманітні речовини: ферменти, в тому числі руйнівник шкідливої перекису водню - каталізу, а також багато інших небілкових з'єднання.

Дихання взагалі спочатку з'явилося, як спосіб видаляти кисень з навколишнього організм атмосфери і лише потім стало джерелом енергії. Пристосувалися до нового середовища анаероби стали аеробами, отримавши величезні переваги. Але прихована небезпека кисню для них все ж таки збереглася. Потужність антиокислювальних «протиотрут» небезмежна. Ось чому в чистому кисні, та ще й під тиском, все живе незабаром гине. Якщо ж клітина опиниться пошкоджена будь-яким зовнішнім фактором, то захисні механізми зазвичай відмовляють в першу чергу, і тоді кисень починає шкодити навіть при звичайній атмосферної концентрації