Этапы клеточного дыхания таблица 9 класс: Этапы клеточного дыхания (статья) | Академия Хана

2.26: Клеточное дыхание — Biology LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

1. Клеточное дыхание
   1. Этапы клеточного дыхания
   2. Структура митохондрии: ключ к аэробному дыханию
2. Резюме
3. Узнать больше
   1. Узнать больше I
   2. Узнать больше II
4. Обзор

Зачем кушать?

Потому что мы голодны.Не обязательно. Но с биологической точки зрения … мы едим, чтобы получить энергию. Пища, которую мы едим, расщепляется, глюкоза извлекается, и эта энергия превращается в АТФ.

Что происходит с энергией, запасенной в глюкозе во время фотосинтеза? Как живые существа используют эту накопленную энергию? Ответ — клеточного дыхания . Этот процесс высвобождает энергию глюкозы, чтобы произвести АТФ (аденозинтрифосфат), молекулу, которая обеспечивает всю работу клеток.

Введение в клеточное дыхание можно посмотреть на сайте http: // www.youtube.com/watch?v=2f7YwCtHcgk (14:19).

Этапы клеточного дыхания

Клеточное дыхание включает множество химических реакций. Реакции можно суммировать следующим уравнением:

C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6O ₂ → 6CO ₂ + 6H ₂ O + Химическая энергия (в АТФ)

Реакции клеточного дыхания можно разделить на три стадии: гликолиз , (стадия 1), цикл Кребса , , , , также называемый циклом лимонной кислоты , (стадия 2), и цикл переноса электронов , (стадия 3). На рисунке ниже представлен обзор этих трех этапов, которые дополнительно обсуждаются в следующих концепциях. Гликолиз происходит в цитозоле клетки и не требует кислорода, тогда как цикл Кребса и перенос электронов происходят в митохондриях и требуют кислорода.

Клеточное дыхание происходит на этапах, показанных здесь. Процесс начинается с молекулы глюкозы, которая имеет шесть атомов углерода. Что происходит с каждым из этих атомов углерода?

Структура митохондрии: ключ к аэробному дыханию

Структура митохондрии является ключом к процессу аэробного (в присутствии кислорода) клеточного дыхания, особенно цикла Кребса и транспорта электронов.Схема митохондрии показана на рис. ниже.

Строение митохондрии определяется внутренней и внешней мембраной. Эта структура играет важную роль в аэробном дыхании.

Как видно из Рисунок выше, митохондрия имеет внутреннюю и внешнюю мембраны. Пространство между внутренней и внешней мембраной называется межмембранным пространством. Пространство, ограниченное внутренней мембраной, называется матрицей. В матрице происходит второй этап клеточного дыхания — цикл Кребса.Третий этап — транспорт электронов — происходит на внутренней мембране.

Резюме

• Клеточное дыхание забирает энергию, запасенную в глюкозе, и передает ее АТФ.
• Клеточное дыхание состоит из трех стадий: гликолиза, цикла Кребса и транспорта электронов.
• Внутренняя и внешняя мембраны митохондрии играют важную роль в аэробном дыхании.

Узнать больше

Узнать больше I

Используйте этот ресурс, чтобы ответить на следующие вопросы.

1. Какие три стадии клеточного дыхания?
2. Каков результат гликолиза?
3. Что производится во время цикла Кребса?
4. Что происходит в системе транспорта электронов?

Обзор

1. Определите клеточное дыхание.
2. Какие три стадии клеточного дыхания?
3. Опишите структуру митохондрии и обсудите важность этой структуры для клеточного дыхания.
4. Предположим, что обнаружен новый вид организмов. Ученые наблюдали его клетки под микроскопом и определили, что в них отсутствуют митохондрии. Какой тип клеточного дыхания, по вашему мнению, будет использоваться новым видом? Объясните свой прогноз.
5. Когда вы выдыхаете на холодное оконное стекло, водяной пар конденсируется на стекле. Откуда водяной пар?

BSC 2010C Глава 9: Дыхательные заметки

Глюкоза + Кислород ——> Углекислый газ + Вода + Энергия.
C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6 O ₂ ———> 6 CO ₂ + 6 H ₂ O.

Аэробное дыхание : использует кислород .
Анаэробное дыхание : не использует ли кислород.

Аэробное дыхание

Гликолиз:
Глюкоза (6 атомов углерода) расщепляется на 2 молекулы фосфата глицеральдегида (3 атома углерода в каждой), затем они превращаются в пируват (3 атома углерода каждая). Это производит 2 АТФ и 2 НАДН. В цитоплазме происходит гликолиз.

Цикл лимонной кислоты (или цикл Кребса)

Основными химическими веществами являются ацетил-КоА (2 атома углерода), цитрат (6C) и оксалоацетат (4C). Диаграмма. Это производит 2 АТФ, 6 НАДН и 2 ФАДН ₂ .Цикл лимонной кислоты происходит внутри митохондрий, и он производит CO ₂ , который вы выдыхаете.

Цепь переноса электронов

Эта стадия производит большую часть энергии (32 молекулы АТФ, по сравнению только с 2 АТФ для гликолиза и 2 АТФ для цикла лимонной кислоты). На этом этапе NADH и FADH ₂ преобразуются в АТФ. Цепь переноса электронов происходит в митохондриях.

Цепь переноса электронов работает как протонный насос : он качает ионы водорода (протоны) через мембрану и пропускает их обратно только через белок (АТФ-синтазу), который производит АТФ.Цепь переноса электронов использует кислород для приема электронов в конце цепи (электроны соединяются с ионами водорода и кислородом, образуя молекулы воды).

Резюме: три стадии аэробного дыхания

Липиды расщепляются на глицеральдегид, поэтому они проходят часть гликолиза, затем цикл лимонной кислоты и цепь переноса электронов.

Белки дезаминированы (аминогруппа удалена), а затем преобразованы в ацетил КоА, который используется в цикле лимонной кислоты, а затем в цепи переноса электронов (поэтому они пропускают гликолиз).

Анаэробное дыхание

Во время анаэробного дыхания пируват накапливается и превращается у животных в:

• лактат (молочную кислоту).
  
• этанол (спирт) в растениях.

« Пиво — доказательство того, что Бог любит нас и хочет, чтобы мы были счастливы». — Бенджамин Франклин

Клеточное дыхание | Биология для майоров I

Определите реагенты и продукты клеточного дыхания и укажите, где эти реакции происходят в клетке

Теперь, когда мы узнали, как автотрофы, такие как растения, превращают солнечный свет в сахар, давайте посмотрим, как все эукариоты — включая человека! — используют эти сахара.

В процессе фотосинтеза растения и другие производители фотосинтеза создают глюкозу, которая хранит энергию в своих химических связях. Затем и растения, и потребители, например животные, проходят ряд метаболических путей, которые в совокупности называются клеточным дыханием. Клеточное дыхание извлекает энергию из связей в глюкозе и преобразует ее в форму, которую могут использовать все живые существа.

Цели обучения

• Опишите процесс гликолиза и укажите его реагенты и продукты
• Описать процесс окисления пирувата и идентифицировать его реагенты и продукты
• Описать процесс цикла лимонной кислоты (цикл Кребса) и определить его реагенты и продукты
• Опишите дыхательную цепь (цепь переноса электронов) и ее роль в клеточном дыхании

Клеточное дыхание — это процесс, который все живые существа используют для преобразования глюкозы в энергию.Автотрофы (например, растения) производят глюкозу во время фотосинтеза. Гетеротрофы (например, люди) поглощают другие живые существа, чтобы получить глюкозу. Хотя этот процесс может показаться сложным, на этой странице вы познакомитесь с ключевыми элементами каждой части клеточного дыхания.

Гликолиз

Гликолиз — это первый шаг в расщеплении глюкозы для извлечения энергии для клеточного метаболизма. Почти все живые организмы осуществляют гликолиз как часть своего метаболизма. В процессе не используется кислород и, следовательно, анаэробный (процессы, в которых используется кислород, называются аэробными).Гликолиз происходит в цитоплазме как прокариотических, так и эукариотических клеток. Глюкоза попадает в гетеротрофные клетки двумя путями.

1. Через вторичный активный транспорт, при котором транспорт осуществляется против градиента концентрации глюкозы.
2. Через группу интегральных белков, называемых белками GLUT, также известными как белки-переносчики глюкозы. Эти переносчики способствуют облегчению диффузии глюкозы.

Гликолиз начинается с шестиуглеродной кольцевой структуры одной молекулы глюкозы и заканчивается двумя молекулами трехуглеродного сахара, называемого пируватом (рис. 1).

Рисунок 1. Реактивы и продукты гликолиза.

Гликолиз состоит из десяти этапов, разделенных на две отдельные половины. Первая половина гликолиза также известна как требующие энергии этапы . Этот путь улавливает молекулу глюкозы в клетке и использует энергию для ее модификации, так что молекула шестиуглеродного сахара может быть равномерно разделена на две трехуглеродные молекулы. Вторая половина гликолиза (также известная как этапы высвобождения энергии ) извлекает энергию из молекул и сохраняет ее в форме АТФ и НАДН, восстановленной формы НАД.

Первая половина гликолиза (этапы, требующие энергии)

Рис. 2. Первая половина гликолиза использует две молекулы АТФ в фосфорилировании глюкозы, которая затем расщепляется на две трехуглеродные молекулы.

Шаг 1. Первый этап гликолиза катализируется гексокиназой, ферментом с широкой специфичностью, который катализирует фосфорилирование шестиуглеродных сахаров. Гексокиназа фосфорилирует глюкозу, используя АТФ в качестве источника фосфата, производя глюкозо-6-фосфат, более реактивную форму глюкозы.Эта реакция предотвращает дальнейшее взаимодействие фосфорилированной молекулы глюкозы с белками GLUT, и она больше не может покидать клетку, потому что отрицательно заряженный фосфат не позволит ему пересечь гидрофобную внутреннюю часть плазматической мембраны.

Шаг 2. На втором этапе гликолиза изомераза превращает глюкозо-6-фосфат в один из его изомеров, фруктозо-6-фосфат. Изомераза — это фермент, который катализирует превращение молекулы в один из ее изомеров.Этот переход от фосфоглюкозы к фосфофруктозе позволяет в конечном итоге расщепить сахар на две трехуглеродные молекулы.

Шаг 3. Третий шаг — фосфорилирование фруктозо-6-фосфата, катализируемое ферментом фосфофруктокиназой. Вторая молекула АТФ отдает высокоэнергетический фосфат фруктозо-6-фосфату, образуя фруктозо-1,6-бисфосфат. В этом пути фосфофруктокиназа является ферментом, ограничивающим скорость. Активен при высокой концентрации АДФ; он менее активен, когда уровень АДФ низкий, а концентрация АТФ высокая.Таким образом, если в системе «достаточно» АТФ, путь замедляется. Это тип ингибирования конечного продукта, поскольку АТФ является конечным продуктом катаболизма глюкозы.

Шаг 4. Новые высокоэнергетические фосфаты дополнительно дестабилизируют фруктозо-1,6-бисфосфат. На четвертой стадии гликолиза используется фермент альдолаза для расщепления 1,6-бисфосфата на два трехуглеродных изомера: дигидроксиацетонфосфат и глицеральдегид-3-фосфат.

Стадия 5. На пятой стадии изомераза превращает дигидроксиацетонфосфат в его изомер, глицеральдегид-3-фосфат.Таким образом, путь будет продолжен с двумя молекулами одного изомера. На этом этапе пути происходит чистое вложение энергии двух молекул АТФ в расщепление одной молекулы глюкозы.

Вторая половина гликолиза (этапы высвобождения энергии)

До сих пор гликолиз стоил клетке двух молекул АТФ и производил две маленькие молекулы сахара с тремя углеродными атомами. Обе эти молекулы пройдут вторую половину пути, и будет извлечено достаточно энергии, чтобы окупить две молекулы АТФ, использованные в качестве начальных инвестиций, и принести клетке прибыль в виде двух дополнительных молекул АТФ и двух еще более высокоэнергетических. Молекулы НАДН.

Рис. 3. Вторая половина гликолиза включает фосфорилирование без вложений АТФ (этап 6) и производит две молекулы НАДН и четыре молекулы АТФ на глюкозу.

Этап 6. Шестой этап гликолиза (рис. 3) окисляет сахар (глицеральдегид-3-фосфат), извлекая высокоэнергетические электроны, которые захватываются электронным переносчиком NAD ⁺ , производя NADH. Затем сахар фосфорилируется путем добавления второй фосфатной группы с образованием 1,3-бисфосфоглицерата.Обратите внимание, что вторая фосфатная группа не требует другой молекулы АТФ.

Здесь снова потенциальный ограничивающий фактор для этого пути. Продолжение реакции зависит от доступности окисленной формы электронного носителя, NAD ⁺ . Таким образом, НАДН должен непрерывно окисляться обратно до НАД ⁺ , чтобы поддерживать этот этап. Если NAD ⁺ недоступен, вторая половина гликолиза замедляется или прекращается. Если кислород доступен в системе, НАДН будет легко окисляться, хотя и косвенно, и высокоэнергетические электроны из водорода, выделяющегося в этом процессе, будут использоваться для производства АТФ.В среде без кислорода альтернативный путь (ферментация) может обеспечить окисление НАДН до НАД ⁺ .

Шаг 7. На седьмой стадии, катализируемой фосфоглицераткиназой (ферментом, названным в честь обратной реакции), 1,3-бисфосфоглицерат отдает высокоэнергетический фосфат АДФ, образуя одну молекулу АТФ. (Это пример фосфорилирования на уровне субстрата.) Карбонильная группа 1,3-бисфосфоглицерата окисляется до карбоксильной группы, и образуется 3-фосфоглицерат.

Этап 8. На восьмом этапе оставшаяся фосфатная группа в 3-фосфоглицерате перемещается с третьего углерода на второй углерод, образуя 2-фосфоглицерат (изомер 3-фосфоглицерата). Фермент, катализирующий эту стадию, представляет собой мутазу (разновидность изомеразы).

Шаг 9. Энолаза катализирует девятую стадию. Этот фермент заставляет 2-фосфоглицерат терять воду из своей структуры; это реакция дегидратации, приводящая к образованию двойной связи, которая увеличивает потенциальную энергию оставшейся фосфатной связи и дает фосфоенолпируват (PEP).

Шаг 10. Последняя стадия гликолиза катализируется ферментом пируваткиназой (фермент в данном случае назван в честь обратной реакции превращения пирувата в PEP) и приводит к образованию второй молекулы АТФ путем фосфорилирования на уровне субстрата и соединение пировиноградной кислоты (или его солевой формы, пируват). Многие ферменты в ферментативных путях названы в честь обратных реакций, поскольку фермент может катализировать как прямые, так и обратные реакции.

Результаты гликолиза

Гликолиз начинается с глюкозы и заканчивается двумя молекулами пирувата, всего четырьмя молекулами АТФ и двумя молекулами НАДН.Две молекулы АТФ были использованы в первой половине пути для подготовки шестикарбонатного кольца к расщеплению, поэтому клетка имеет чистый прирост в две молекулы АТФ и две молекулы НАДН для его использования.

Если клетка не может катаболизировать молекулы пирувата дальше, она будет собирать только две молекулы АТФ из одной молекулы глюкозы. Зрелые эритроциты млекопитающих не способны к аэробному дыханию — процессу, в котором организмы преобразовывают энергию в присутствии кислорода, — и гликолиз является их единственным источником АТФ.Если гликолиз прерывается, эти клетки теряют способность поддерживать свои натриево-калиевые насосы и в конечном итоге умирают.

Последняя стадия гликолиза не произойдет, если пируваткиназа, фермент, катализирующий образование пирувата, недоступен в достаточных количествах. В этой ситуации будет продолжаться весь путь гликолиза, но во второй половине будут образованы только две молекулы АТФ. Таким образом, пируваткиназа является ферментом, ограничивающим скорость гликолиза.

Вкратце: Гликолиз

Гликолиз — это первый путь, используемый в расщеплении глюкозы для извлечения энергии.Вероятно, это был один из первых метаболических путей развития, который используется почти всеми организмами на Земле. Гликолиз состоит из двух частей: первая часть подготавливает шестиуглеродное кольцо глюкозы для расщепления на два трехуглеродных сахара. В течение этой половины процесса в процесс вкладывается АТФ, чтобы активизировать разделение. Вторая половина гликолиза извлекает АТФ и высокоэнергетические электроны из атомов водорода и присоединяет их к NAD ⁺ . Две молекулы АТФ вкладываются в первую половину, а четыре молекулы АТФ образуются в результате фосфорилирования субстрата во второй половине.Это дает клетке чистый прирост двух молекул АТФ и двух молекул НАДН.

Рисунок 4 показывает весь процесс гликолиза на одном изображении:

Рисунок 4. Гликолиз

Окисление пирувата

Если кислород доступен, аэробное дыхание будет продолжаться. В эукариотических клетках молекулы пирувата, образующиеся в конце гликолиза, транспортируются в митохондрии, которые являются участками клеточного дыхания. Там пируват будет преобразован в ацетильную группу, которая будет захвачена и активирована соединением-носителем, называемым коферментом A (CoA).Полученное соединение называется ацетил-КоА . КоА сделан из витамина B5, пантотеновой кислоты. Ацетил-КоА может использоваться клеткой различными способами, но его основная функция заключается в доставке ацетильной группы, полученной из пирувата, на следующую стадию пути катаболизма глюкозы.

Распад пирувата

Для того, чтобы пируват (продукт гликолиза) вступил в цикл лимонной кислоты (следующий путь клеточного дыхания), он должен претерпеть несколько изменений.Преобразование представляет собой трехэтапный процесс (рис. 5).

Рис. 5. При входе в митохондриальный матрикс, мультиферментный комплекс превращает пируват в ацетил-КоА. При этом выделяется углекислый газ и образуется одна молекула НАДН.

Шаг 1. Карбоксильная группа удаляется из пирувата, высвобождая молекулу диоксида углерода в окружающую среду. Результатом этой стадии является двухуглеродная гидроксиэтильная группа, связанная с ферментом (пируватдегидрогеназа).Это первый из шести атомов углерода, которые нужно удалить из исходной молекулы глюкозы. Этот этап повторяется дважды (помните: в конце гликолиза образуется две молекулы пирувата ) на каждую молекулу метаболизируемой глюкозы; таким образом, два из шести атомов углерода будут удалены в конце обоих этапов.

Шаг 2. NAD ⁺ сокращается до NADH. Гидроксиэтильная группа окисляется до ацетильной группы, и электроны захватываются NAD ⁺ , образуя NADH.Электроны высокой энергии из НАДН будут позже использоваться для генерации АТФ.

Стадия 3. Ацетильная группа переносится на конфермент А, в результате чего получается ацетил-КоА. Связанная с ферментом ацетильная группа переносится на КоА, образуя молекулу ацетил-КоА.

Обратите внимание, что во время второй стадии метаболизма глюкозы всякий раз, когда удаляется атом углерода, он связывается с двумя атомами кислорода, образуя углекислый газ, один из основных конечных продуктов клеточного дыхания.

Ацетил-КоА к CO

В присутствии кислорода ацетил-КоА доставляет свою ацетильную группу к четырехуглеродной молекуле, оксалоацетату, с образованием цитрата, шестиуглеродной молекулы с тремя карбоксильными группами; этот путь будет собирать остаток извлекаемой энергии из того, что начиналось как молекула глюкозы.Этот единственный путь называется по-разному, но в первую очередь мы будем называть его циклом лимонной кислоты .

Вкратце: Окисление пирувата

В присутствии кислорода пируват превращается в ацетильную группу, присоединенную к молекуле-носителю кофермента А. Образующийся ацетил-КоА может вступать в несколько путей, но чаще всего ацетильная группа доставляется в цикл лимонной кислоты для дальнейшего катаболизма. Во время превращения пирувата в ацетильную группу удаляются молекула диоксида углерода и два высокоэнергетических электрона.На углекислый газ приходится два (преобразование двух молекул пирувата) из шести атомов углерода исходной молекулы глюкозы. Электроны улавливаются NAD ⁺ , и NADH переносит электроны на более поздний путь производства АТФ. На этом этапе молекула глюкозы, которая изначально вошла в клеточное дыхание, полностью окислена. Химическая потенциальная энергия, хранящаяся в молекуле глюкозы, была передана переносчикам электронов или использовалась для синтеза нескольких АТФ.

Цикл лимонной кислоты

Подобно превращению пирувата в ацетил-КоА, цикл лимонной кислоты происходит в матрице митохондрий. Этот единственный путь называется разными именами: цикл лимонной кислоты (для первого образовавшегося промежуточного продукта — лимонной кислоты или цитрата — когда ацетат присоединяется к оксалоацетату), циклу ТСА (так как лимонная кислота или цитрат и изоцитрат являются трикарбоновыми кислотами) и циклу Кребса, после Ганса Кребса, который впервые идентифицировал этапы пути в 1930-х годах в мускулах полета голубя.

Почти все ферменты цикла лимонной кислоты растворимы, за единственным исключением фермента сукцинатдегидрогеназы, который встроен во внутреннюю мембрану митохондрии. В отличие от гликолиза, цикл лимонной кислоты является замкнутым циклом: последняя часть пути регенерирует соединение, используемое на первом этапе. Восемь стадий цикла представляют собой серию реакций окислительно-восстановительного восстановления, дегидратации, гидратации и декарбоксилирования, которые производят две молекулы диоксида углерода, одну GTP / ATP и восстановленные формы NADH и FADH ₂ (Рисунок 6).Это считается аэробным путем, потому что продуцируемые НАДН и ФАДН ₂ должны передавать свои электроны на следующий путь в системе, который будет использовать кислород. Если этого переноса не происходит, стадии окисления цикла лимонной кислоты также не происходят. Обратите внимание, что цикл лимонной кислоты напрямую производит очень мало АТФ и напрямую не потребляет кислород.

Рис. 6. В цикле лимонной кислоты ацетильная группа ацетил-КоА присоединяется к молекуле оксалоацетата с четырьмя атомами углерода с образованием молекулы цитрата с шестью атомами углерода.Цитрат окисляется в несколько этапов, высвобождая две молекулы диоксида углерода для каждой ацетильной группы, подаваемой в цикл. В процессе три молекулы NAD ⁺ восстанавливаются до NADH, одна молекула FAD восстанавливается до FADH ₂ , и одна ATP или GTP (в зависимости от типа клетки) продуцируется (фосфорилированием на уровне субстрата). Поскольку конечный продукт цикла лимонной кислоты также является первым реагентом, цикл протекает непрерывно в присутствии достаточного количества реагентов. (кредит: модификация работы «Yikrazuul» / Wikimedia Commons)

Этапы цикла лимонной кислоты

Шаг 1.Перед началом первой стадии должно произойти окисление пирувата. Затем начинается первая стадия цикла: это стадия конденсации, объединяющая двухуглеродную ацетильную группу с четырехуглеродной молекулой оксалоацетата с образованием шестиуглеродной молекулы цитрата . КоА связывается с сульфгидрильной группой (-SH) и диффундирует, чтобы в конечном итоге соединиться с другой ацетильной группой. Этот шаг необратим, потому что он очень эксергоничен. Скорость этой реакции контролируется отрицательной обратной связью и количеством доступного АТФ.Если уровень АТФ увеличивается, скорость этой реакции снижается. При дефиците АТФ ставка увеличивается.

Этап 2. На втором этапе цитрат теряет одну молекулу воды и приобретает другую, поскольку цитрат превращается в его изомер, , изоцитрат .

Этап 3. На третьем этапе изоцитрат окисляется, образуя пятиуглеродную молекулу, α-кетоглутарат , вместе с молекулой CO ₂ и двумя электронами, которые восстанавливают NAD ⁺ до NADH. Этот шаг также регулируется отрицательной обратной связью со стороны АТФ и НАДН и положительным эффектом АДФ.

Этапы 3 и 4. Этапы 3 и 4 представляют собой этапы окисления и декарбоксилирования, которые высвобождают электроны, восстанавливающие NAD ⁺ до NADH, и высвобождают карбоксильные группы, которые образуют молекулы CO ₂ . α-Кетоглутарат является продуктом третьей стадии, а сукцинильная группа является продуктом четвертой стадии. КоА связывает сукцинильную группу с образованием сукцинил-КоА. Фермент, катализирующий четвертую стадию, регулируется путем ингибирования по обратной связи АТФ, сукцинил-КоА и НАДН.

Шаг 5.На пятом этапе фосфатная группа заменяется коферментом А, и образуется высокоэнергетическая связь. Эта энергия используется при фосфорилировании на уровне субстрата (во время преобразования сукцинильной группы в сукцинат) с образованием гуанинтрифосфата (GTP) или АТФ. Для этого этапа существуют две формы фермента, называемые изоферментами, в зависимости от типа животной ткани, в которой они обнаружены. Одна форма обнаруживается в тканях, которые используют большое количество АТФ, таких как сердце и скелетные мышцы. Эта форма производит АТФ.Вторая форма фермента содержится в тканях, которые имеют большое количество анаболических путей, таких как печень. Эта форма производит GTP. GTP энергетически эквивалентен АТФ; однако его использование более ограничено. В частности, для синтеза белка в первую очередь используется GTP.

Этап 6. Этап 6 представляет собой процесс дегидратации, в ходе которого сукцинат превращается в фумарат . Два атома водорода переносятся в FAD, образуя FADH ₂ . Энергия, содержащаяся в электронах этих атомов, недостаточна для восстановления NAD ⁺ , но достаточна для уменьшения FAD.В отличие от НАДН, этот носитель остается прикрепленным к ферменту и напрямую передает электроны в цепь переноса электронов. Этот процесс стал возможным благодаря локализации фермента, катализирующего этот этап, внутри внутренней мембраны митохондрии.

Этап 7. На седьмом этапе к фумарату добавляют воду и получают малат . На последней стадии цикла лимонной кислоты восстанавливается оксалоацетат путем окисления малата. При этом образуется еще одна молекула НАДН.

Продукты цикла лимонной кислоты

Два атома углерода входят в цикл лимонной кислоты от каждой ацетильной группы, представляя четыре из шести атомов углерода одной молекулы глюкозы. Две молекулы углекислого газа высвобождаются на каждом витке цикла; однако они не обязательно содержат атомы углерода, добавленные в последний раз. Два ацетильных атома углерода в конечном итоге будут высвобождаться на более поздних этапах цикла; таким образом, все шесть атомов углерода исходной молекулы глюкозы в конечном итоге превращаются в диоксид углерода.Каждый виток цикла формирует три молекулы НАДН и одну молекулу FADH ₂ . Эти носители будут связываться с последней частью аэробного дыхания, чтобы производить молекулы АТФ. Один GTP или ATP также производится в каждом цикле. Некоторые промежуточные соединения в цикле лимонной кислоты можно использовать для синтеза заменимых аминокислот; следовательно, цикл амфиболический (как катаболический, так и анаболический).

Вкратце: Цикл лимонной кислоты

Цикл лимонной кислоты представляет собой серию реакций окислительно-восстановительного окисления и декарбоксилирования, которые удаляют высокоэнергетические электроны и диоксид углерода.Электроны, временно хранящиеся в молекулах NADH и FADH ₂ , используются для генерации АТФ в последующем пути. Одна молекула ГТФ или АТФ продуцируется фосфорилированием на уровне субстрата на каждом витке цикла. Нет никакого сравнения циклического пути с линейным.

Цепь транспортировки электронов

Вы только что прочитали о двух путях клеточного дыхания — гликолизе и цикле лимонной кислоты — которые генерируют АТФ. Однако большая часть АТФ, образующегося при аэробном катаболизме глюкозы, не образуется непосредственно этими путями.Скорее, это происходит из процесса, который начинается с перемещения электронов через ряд переносчиков электронов, которые претерпевают окислительно-восстановительные реакции: цепь переноса электронов . Это заставляет ионы водорода накапливаться в матричном пространстве. Следовательно, образуется градиент концентрации, при котором ионы водорода диффундируют из матричного пространства, проходя через АТФ-синтазу. Ток ионов водорода обеспечивает каталитическое действие АТФ-синтазы, которая фосфорилирует АДФ, производя АТФ.

Цепь транспортировки электронов

Рисунок 7.Цепь переноса электронов представляет собой серию переносчиков электронов, встроенных во внутреннюю митохондриальную мембрану, которая перемещает электроны от NADH и FADH ₂ к молекулярному кислороду. В процессе протоны перекачиваются из митохондриальной матрицы в межмембранное пространство, и кислород восстанавливается с образованием воды.

Цепь переноса электронов (рис. 7) является последним компонентом аэробного дыхания и единственной частью метаболизма глюкозы, в которой используется атмосферный кислород. Кислород постоянно проникает в растения; у животных он попадает в организм через дыхательную систему.Электронный транспорт представляет собой серию окислительно-восстановительных реакций, которые напоминают эстафету или бригаду, в которой электроны быстро передаются от одного компонента к другому, к конечной точке цепи, где электроны восстанавливают молекулярный кислород, производя воду. Есть четыре комплекса, состоящие из белков, обозначенных I — IV на рисунке 7, и агрегация этих четырех комплексов вместе со связанными мобильными дополнительными переносчиками электронов называется цепью переноса электронов. Цепь переноса электронов присутствует в множестве копий во внутренней митохондриальной мембране эукариот и плазматической мембране прокариот.Обратите внимание, однако, что электронно-транспортная цепь прокариот может не нуждаться в кислороде, поскольку некоторые из них живут в анаэробных условиях. Общей чертой всех цепей переноса электронов является наличие протонного насоса для создания градиента протонов через мембрану.

Комплекс I

Для начала, два электрона переносятся к первому комплексу на борту НАДН. Этот комплекс, обозначенный I, состоит из флавинмононуклеотида (FMN) и белка, содержащего железо-серу (Fe-S). FMN, который является производным витамина B ₂ , также называемого рибофлавином, является одной из нескольких простетических групп или кофакторов в цепи переноса электронов.Простетическая группа представляет собой небелковую молекулу, необходимую для активности белка. Протезные группы представляют собой органические или неорганические непептидные молекулы, связанные с белком, которые облегчают его функцию; Простетические группы включают коферменты, которые представляют собой простетические группы ферментов. Фермент в комплексе I представляет собой НАДН-дегидрогеназу и представляет собой очень большой белок, содержащий 45 аминокислотных цепей. Комплекс I может перекачивать четыре иона водорода через мембрану из матрицы в межмембранное пространство, и именно таким образом устанавливается и поддерживается градиент ионов водорода между двумя отсеками, разделенными внутренней митохондриальной мембраной.

Q и Комплекс II

Комплекс II напрямую получает FADH ₂ , который не проходит через комплекс I. Соединение, соединяющее первый и второй комплексы с третьим, представляет собой убихинон (Q). Молекула Q жирорастворима и свободно перемещается через гидрофобное ядро ​​мембраны. После восстановления (QH ₂ ) убихинон доставляет свои электроны к следующему комплексу в цепи переноса электронов. Q принимает электроны, полученные из NADH из комплекса I, и электроны, полученные из FADH ₂ из комплекса II, включая сукцинатдегидрогеназу.Этот фермент и FADH ₂ образуют небольшой комплекс, который доставляет электроны непосредственно в цепь переноса электронов, минуя первый комплекс. Поскольку эти электроны обходят и, таким образом, не активируют протонную помпу в первом комплексе, меньше молекул АТФ производится из электронов FADH ₂ . Количество полученных в конечном итоге молекул АТФ прямо пропорционально количеству протонов, прокачиваемых через внутреннюю митохондриальную мембрану.

Комплекс III

Третий комплекс состоит из цитохрома b, другого белка Fe-S, центра Риске (центр 2Fe-2S) и белков цитохрома с; этот комплекс также называют цитохром-оксидоредуктазой.Белки цитохрома имеют простетическую группу гема. Молекула гема похожа на гем в гемоглобине, но несет электроны, а не кислород. В результате ион железа в его ядре восстанавливается и окисляется по мере прохождения электронов, колеблясь между различными степенями окисления: Fe ^{+ +} (восстановленный) и Fe ^{+ + +} (окисленный). . Молекулы гема в цитохромах имеют немного разные характеристики из-за эффектов связывания разных белков, что придает немного разные характеристики каждому комплексу.Комплекс III качает протоны через мембрану и передает свои электроны цитохрому с для транспорта к четвертому комплексу белков и ферментов (цитохром с является акцептором электронов от Q; однако, в то время как Q несет пары электронов, цитохром с может принимать только один вовремя).

Комплекс IV

Четвертый комплекс состоит из белков цитохрома с, а и а. ₃ . Этот комплекс содержит две гемовые группы (по одной в каждом из двух цитохромов, а и а ₃ ) и три иона меди (пару Cu _A и одну Cu _B в цитохроме а ₃ ).Цитохромы очень плотно удерживают молекулу кислорода между ионами железа и меди до полного восстановления кислорода. Восстановленный кислород затем захватывает два иона водорода из окружающей среды, чтобы произвести воду (H ₂ O). Удаление ионов водорода из системы способствует ионному градиенту, используемому в процессе хемиосмоса.

Хемиосмос

При хемиосмосе свободная энергия от серии только что описанных окислительно-восстановительных реакций используется для перекачки ионов водорода (протонов) через мембрану.Неравномерное распределение ионов H ⁺ по мембране создает как концентрацию, так и электрические градиенты (таким образом, электрохимический градиент) из-за положительного заряда ионов водорода и их агрегации на одной стороне мембраны.

Если бы мембрана была открыта для диффузии ионов водорода, ионы имели бы тенденцию диффундировать обратно в матрицу под действием их электрохимического градиента. Напомним, что многие ионы не могут диффундировать через неполярные области фосфолипидных мембран без помощи ионных каналов.Точно так же ионы водорода в матричном пространстве могут проходить через внутреннюю митохондриальную мембрану только через интегральный мембранный белок, называемый АТФ-синтазой (рис. 8). Этот сложный белок действует как крошечный генератор, вращаемый силой диффундирующих через него ионов водорода вниз по их электрохимическому градиенту. Вращение частей этой молекулярной машины облегчает добавление фосфата к АДФ, образуя АТФ, используя потенциальную энергию градиента ионов водорода.

Практический вопрос

Рисунок 8.АТФ-синтаза — это сложная молекулярная машина, которая использует протонный (H ⁺ ) градиент для образования АТФ из АДФ и неорганического фосфата (Pi). (Кредит: модификация работы Клауса Хоффмайера)

Динитрофенол (DNP) — это разобщитель, который делает внутреннюю митохондриальную мембрану проницаемой для протонов. Он использовался до 1938 года как средство для похудания. Как вы ожидаете, что DNP окажет влияние на изменение pH через внутреннюю митохондриальную мембрану? Как вы думаете, почему это может быть эффективным лекарством для похудания?

После отравления DNP электронная транспортная цепь больше не может образовывать протонный градиент, и АТФ-синтаза больше не может производить АТФ.DNP является эффективным диетическим препаратом, поскольку он расщепляет синтез АТФ; Другими словами, после приема пищи человек получает меньше энергии из пищи, которую он ест. Интересно, что одним из худших побочных эффектов этого препарата является гипертермия или перегрев тела. Поскольку АТФ не может образоваться, энергия от переноса электронов теряется в виде тепла.

Хемиосмос (рис. 9) используется для выработки 90 процентов АТФ, вырабатываемого во время аэробного катаболизма глюкозы; это также метод, используемый в световых реакциях фотосинтеза, чтобы использовать энергию солнечного света в процессе фотофосфорилирования.Напомним, что производство АТФ с помощью процесса хемиосмоса в митохондриях называется окислительным фосфорилированием. Общий результат этих реакций — производство АТФ из энергии электронов, удаленных от атомов водорода. Эти атомы изначально были частью молекулы глюкозы. В конце пути электроны используются для восстановления молекулы кислорода до ионов кислорода. Дополнительные электроны кислорода притягивают ионы водорода (протоны) из окружающей среды, в результате чего образуется вода.

Практический вопрос

Рис. 9. При окислительном фосфорилировании градиент pH, образованный цепью переноса электронов, используется АТФ-синтазой для образования АТФ.

Цианид ингибирует цитохром с оксидазу, компонент цепи переноса электронов. Если произойдет отравление цианидом, ожидаете ли вы, что pH межмембранного пространства увеличится или уменьшится? Какое влияние будет иметь цианид на синтез АТФ?

После отравления цианидом цепь переноса электронов больше не может перекачивать электроны в межмембранное пространство.PH межмембранного пространства увеличится, градиент pH уменьшится, и синтез АТФ остановится.

Выход ATP

Количество молекул АТФ, образующихся в результате катаболизма глюкозы, варьируется. Например, количество ионов водорода, которые комплексы цепи переноса электронов могут перекачивать через мембрану, варьируется между видами. Другой источник дисперсии связан с перемещением электронов через мембраны митохондрий. (НАДН, образующийся в результате гликолиза, не может легко попасть в митохондрии.Таким образом, электроны улавливаются внутри митохондрий либо NAD ⁺ , либо FAD ⁺ . Как вы узнали ранее, эти молекулы FAD ⁺ могут переносить меньше ионов; следовательно, меньше молекул АТФ генерируется, когда FAD ⁺ действует как носитель. NAD ⁺ используется в качестве переносчика электронов в печени, а FAD ⁺ действует в головном мозге.

Еще одним фактором, влияющим на выход молекул АТФ, генерируемых из глюкозы, является тот факт, что промежуточные соединения в этих путях используются для других целей.Катаболизм глюкозы связан с путями, которые создают или разрушают все другие биохимические соединения в клетках, и результат несколько хуже, чем идеальные ситуации, описанные до сих пор. Например, другие сахара, кроме глюкозы, попадают в гликолитический путь для извлечения энергии. Более того, пятиуглеродные сахара, образующие нуклеиновые кислоты, производятся из промежуточных продуктов гликолиза. Некоторые заменимые аминокислоты могут быть получены из промежуточных продуктов как гликолиза, так и цикла лимонной кислоты.Липиды, такие как холестерин и триглицериды, также производятся из промежуточных продуктов в этих путях, и как аминокислоты, так и триглицериды расщепляются для получения энергии через эти пути. В целом в живых системах эти пути катаболизма глюкозы извлекают около 34 процентов энергии, содержащейся в глюкозе.

Вкратце: Электронная транспортная цепь

Цепь переноса электронов — это часть аэробного дыхания, в которой свободный кислород используется в качестве конечного акцептора электронов для электронов, удаляемых из промежуточных соединений при катаболизме глюкозы.Цепь переноса электронов состоит из четырех больших мультибелковых комплексов, встроенных во внутреннюю митохондриальную мембрану, и двух небольших диффундирующих электронных носителей, перемещающих электроны между ними. Электроны проходят через серию окислительно-восстановительных реакций, при этом небольшое количество свободной энергии используется в трех точках для переноса ионов водорода через мембрану. Этот процесс способствует градиенту, используемому при хемиосмосе. Электроны, проходящие через цепь переноса электронов, постепенно теряют энергию. Электроны с высокой энергией, переданные цепи NADH или FADH ₂ , завершают цепочку, поскольку электроны с низкой энергией восстанавливают молекулы кислорода и образуют воду.Уровень свободной энергии электронов падает с примерно 60 ккал / моль в НАДН или 45 ккал / моль в FADH ₂ до примерно 0 ккал / моль в воде. Конечными продуктами цепи переноса электронов являются вода и АТФ. Ряд промежуточных соединений цикла лимонной кислоты может быть вовлечен в анаболизм других биохимических молекул, таких как заменимые аминокислоты, сахара и липиды. Эти же молекулы могут служить источниками энергии для путей глюкозы.

Давайте рассмотрим

Клеточное дыхание — это совокупность трех уникальных метаболических путей: гликолиза, цикла лимонной кислоты и цепи переноса электронов.Гликолиз — анаэробный процесс, а два других пути — аэробные. Чтобы перейти от гликолиза к циклу лимонной кислоты, молекулы пирувата (продукт гликолиза) должны быть окислены в процессе, называемом окислением пирувата.

Гликолиз

Гликолиз — это первый путь клеточного дыхания. Этот путь является анаэробным и проходит в цитоплазме клетки. Этот путь расщепляет 1 молекулу глюкозы и производит 2 молекулы пирувата. Есть две половины гликолиза, по пять шагов в каждой половине.Первая половина известна как «энергозатратные» шаги. Эта половина расщепляет глюкозу и расходует 2 АТФ. Если концентрация пируваткиназы достаточно высока, вторая половина гликолиза может продолжаться. Во второй половине «высвобождение энергии: ступеньки» высвобождаются 4 молекулы АТФ и 2 НАДН. Гликолиз имеет чистую прибыль 2 молекулы АТФ и 2 НАДН.

Некоторые клетки (например, зрелые эритроциты млекопитающих) не могут подвергаться аэробному дыханию, поэтому гликолиз является для них только источником АТФ.Однако большинство клеток подвергаются окислению пирувата и переходят к другим путям клеточного дыхания.

Окисление пирувата

У эукариот окисление пирувата происходит в митохондриях. Окисление пирувата может происходить только при наличии кислорода. В этом процессе окисляется пируват, образовавшийся в результате гликолиза. В этом процессе окисления карбоксильная группа удаляется из пирувата, образуя ацетильные группы, которые соединяются с коферментом A (CoA) с образованием ацетил-CoA. Этот процесс также высвобождает CO ₂ .

Цикл лимонной кислоты

Цикл лимонной кислоты (также известный как цикл Кребса) — это второй путь клеточного дыхания, который также происходит в митохондриях. Скорость цикла контролируется концентрацией АТФ. Когда доступно больше АТФ, скорость замедляется; когда АТФ меньше, скорость увеличивается. Этот путь представляет собой замкнутый цикл: на последнем этапе производится соединение, необходимое для первого этапа.

Цикл лимонной кислоты считается аэробным путем, потому что NADH и FADH ₂ , которые он производит, действуют как соединения временного хранения электронов, передавая свои электроны на следующий путь (цепь переноса электронов), в котором используется кислород воздуха.Каждый поворот цикла лимонной кислоты обеспечивает чистый прирост CO, ₂ , 1 GTP или ATP и 3 NADH и 1 FADH ₂ .

Цепь транспортировки электронов

Большая часть АТФ из глюкозы вырабатывается в цепи переноса электронов. Это единственная часть клеточного дыхания, которая напрямую потребляет кислород; однако у некоторых прокариот это анаэробный путь. У эукариот этот путь проходит во внутренней митохондриальной мембране. У прокариот это происходит в плазматической мембране.

Цепь переноса электронов состоит из 4 белков, расположенных вдоль мембраны, и протонного насоса. Кофактор перемещает электроны между белками I – III. Если NAD закончился, пропустите I: FADH ₂ запускается на II. При хемиосмосе протонная помпа забирает водород из митохондрий наружу; это вращает «мотор», и к нему присоединяются фосфатные группы. Движение меняется с АДФ на АТФ, создавая 90% АТФ, полученного в результате аэробного катаболизма глюкозы.

Давайте попрактикуемся

Теперь, когда вы рассмотрели клеточное дыхание, это практическое задание поможет вам увидеть, насколько хорошо вы знаете клеточное дыхание:

Щелкните здесь, чтобы просмотреть текстовую версию задания.

Ответьте на вопросы ниже, чтобы увидеть, насколько хорошо вы понимаете темы, затронутые в предыдущем разделе. В этой короткой викторине , а не засчитываются в вашу оценку в классе, и вы можете пересдавать ее неограниченное количество раз.

Используйте этот тест, чтобы проверить свое понимание и решить, следует ли (1) изучить предыдущий раздел дальше или (2) перейти к следующему разделу.

Клеточное дыхание — определение и примеры

Клеточное дыхание
n.
ˈsɛljʊlə ɹɛspɪˈɹeɪʃən
Определение: Ряд метаболических процессов, происходящих в клетке, в которых биохимическая энергия собирается из органического вещества (например, глюкозы), а затем сохраняется в биомолекуле, несущей энергию (например, АТФ), для использования в энергии. требует активности клетки

Определение клеточного дыхания

Основная функция клеточного дыхания — расщепление глюкозы с образованием энергии. Простыми словами, что такое клеточное дыхание? Клеточное дыхание можно определить просто как серию метаболических процессов, которые происходят внутри клетки .Биохимическая энергия собирается из органических веществ (например, глюкозы), а затем сохраняется в биомолекулах, несущих энергию (например, аденозинтрифосфате или АТФ), для использования в энергозатратной деятельности клетки.

Обзор клеточного дыхания

Клеточное дыхание происходит в клетках всех живых организмов. Что производит клеточное дыхание? Клеточное дыхание производит энергию, которая жизненно важна, потому что энергия используется для поддержания жизни . Процесс осуществляется как прокариотическими, так и эукариотическими клетками.

Место клеточного дыхания

Где происходит клеточное дыхание? В прокариотических клетках он осуществляется в цитоплазме клетки , в эукариотических клетках он начинается в цитозоле, а затем осуществляется в митохондриях.У эукариот 4 стадии клеточного дыхания включают гликолиз , реакцию перехода (окисление пирувата), цикл Кребса (также известный как цикл лимонной кислоты) и окислительное фосфорилирование через цепь переноса электронов .

Как работает клеточное дыхание?

Клеточное дыхание работает как в присутствии, так и в отсутствие кислорода . Но по сути, этот процесс называется клеточным дыханием, потому что клетка, кажется, « дышит » таким образом, что она принимает молекулярный кислород (в качестве акцептора электронов) и выделяет углекислый газ (в качестве конечного продукта).Следовательно, процесс описывается как аэробный .

Когда конечным акцептором электронов не является кислород, он описывается как анаэробный . Анаэробный тип дыхания осуществляется в основном анаэробными организмами (например, анаэробными бактериями), которые используют определенные молекулы в качестве акцепторов электронов вместо кислорода.

В другом анаэробном процессе, таком как ферментация , пируват не метаболизируется так же, как при аэробном типе дыхания.Пируват не переносится в митохондрии. Скорее, он остается в цитоплазме, где может превращаться в ненужный продукт, который удаляется из клетки.

Почему важно клеточное дыхание?

Основная функция клеточного дыхания — синтез биохимической энергии. Клеточное дыхание важно как для эукариотических, так и для прокариотических клеток, потому что эта биохимическая энергия вырабатывается для подпитки многих метаболических процессов, таких как биосинтез, перемещение и транспортировка молекул через мембраны.

Для конкретных продуктов клеточного дыхания: перейдите в раздел — Какие продукты клеточного дыхания? Диаграмму клеточного дыхания см. В следующем разделе.

Местоположение клеточного дыхания

Клеточное дыхание происходит как в цитозоле, так и в митохондриях клеток. Гликолиз происходит в цитозоле, тогда как окисление пирувата, цикл Кребса и окислительное фосфорилирование происходят в митохондриях.На рисунке 1 показано расположение основных биохимических реакций, участвующих в клеточном дыхании.

Энергия, производимая митохондриями, хранится в виде потенциальной энергии в молекулах, называемых аденозинтрифосфатом (АТФ). Основным химическим веществом, вырабатываемым при клеточном дыхании, является АТФ. АТФ — это стандартная единица, в которой хранится энергия, выделяемая при дыхании. Митохондрия может быть признана « электростанцией » клетки из-за ее главной роли в клеточном дыхании.Митохондрии содержат ряд ферментов, помогающих в этом процессе. Эти органеллы содержат 2 мембраны — внешнюю мембрану и внутреннюю мембрану . Пространство между этими мембранами известно как межмембранное пространство . Наружная мембрана содержит множество белков, известных как поринов , и проницаема для молекул и ионов (например, АТФ). Внутренняя мембрана содержит комплексы, участвующие в стадии электронно-транспортной цепи клеточного дыхания, что будет более подробно описано ниже.

Если клеточное дыхание происходит в присутствии кислорода, оно известно как аэробное дыхание . Если это происходит в отсутствие кислорода, это называется анаэробным дыханием .

Катализируемые ферментами реакции несут ответственность за разрушение органических молекул (обычно углеводов или жиров). Во время этих ферментативных реакций небольшое количество энергии передается молекулам АТФ.

АТФ находится в каждой живой клетке и может перемещать энергию туда, где это необходимо.Энергия может высвобождаться из АТФ путем его дефосфорилирования до аденозиндифосфата (АДФ). См. Рисунок 2 для структуры АТФ.

Какова роль кислорода в клеточном дыхании?

Кислород используется в клеточном дыхании. Это двухатомная молекула (то есть она образована из двух молекул кислорода, соединенных ковалентной связью), и она электроотрицательна, то есть притягивает связывающие пары электронов. Когда он притягивает к себе электроны, он высвобождает энергию из химических связей.Потенциальная энергия нашей пищи объединяется с кислородом и создает продукты из углекислого газа (CO ₂ ) и воды (H ₂ O), которая выделяет энергию для образования молекулы АТФ. Например, моносахарид глюкоза (самая основная форма углеводов) может сочетаться с кислородом. Электроны с высокой энергией, которые находятся в глюкозе, передаются кислороду, и высвобождается потенциальная энергия. Энергия хранится в форме АТФ. Этот последний процесс клеточного дыхания происходит на внутренней мембране митохондрий.Вместо того, чтобы высвобождать всю энергию сразу, электроны идут вниз по цепи переноса электронов. Энергия выделяется небольшими частями, и эта энергия используется для образования АТФ. См. Ниже, чтобы узнать больше об этапах клеточного дыхания, включая цепь переноса электронов.

Уравнения клеточного дыхания

Клеточное дыхание можно записать в виде химических уравнений. Пример уравнения аэробного дыхания приведен на рисунке 3.

Что касается химических уравнений для анаэробного клеточного дыхания , см. Диаграммы ниже:

• Уравнение молочнокислого брожения

• Уравнение спиртовой ферментации

Типы клеточного дыхания

Ниже приведены примеры аэробного дыхания и анаэробного клеточного дыхания : молочно-кислотного брожения и спиртового брожения .

Аэробное дыхание

Большинство прокариот и эукариот используют процесс аэробного дыхания. Как уже упоминалось выше, это процесс клеточного дыхания в присутствии кислорода. Вода и углекислый газ являются конечными продуктами этой реакции наряду с энергией. (См. Рис. 3)

Молочная ферментация

При молочнокислой ферментации 6 углеродных сахаров, таких как глюкоза, преобразуются в энергию в форме АТФ. Однако во время этого процесса также выделяется лактат, который в растворе становится молочной кислотой.На рисунке 4 приведен пример уравнения молочнокислого брожения. Это может произойти в клетках животных (таких как мышечные клетки), а также у некоторых прокариот. У людей накопление молочной кислоты в мышцах может происходить во время интенсивных упражнений, когда кислород недоступен. Путь аэробного дыхания переключается на путь молочнокислого брожения в митохондриях, который, хотя и производит АТФ; оно не так эффективно, как аэробное дыхание. Накопление молочной кислоты в мышцах также может быть болезненным.

Алкогольная ферментация

Алкогольная ферментация (также известная как ферментация этанола) — это процесс, при котором сахар превращается в этиловый спирт и диоксид углерода.Это осуществляется дрожжами и некоторыми бактериями. Алкогольное брожение используется людьми в процессе изготовления алкогольных напитков, таких как вино и пиво. Во время спиртовой ферментации сахара расщепляются с образованием молекул пирувата в процессе, известном как гликолиз. Две молекулы пировиноградной кислоты образуются при гликолизе одной молекулы глюкозы. Эти молекулы пировиноградной кислоты затем восстанавливаются до двух молекул этанола и двух молекул диоксида углерода. Пируват можно превратить в этанол в анаэробных условиях, где он начинается с превращения в ацетальдегид, который выделяет диоксид углерода, а ацетальдегид превращается в этанол.При спиртовой ферментации акцептор электронов НАД + восстанавливается с образованием НАДН, и этот обмен электронами помогает генерировать АТФ. На рисунке 5 показано уравнение спиртовой ферментации.

Метаногенез

Метаногенез — это процесс, осуществляемый только анаэробными бактериями. Эти бактерии принадлежат к типу Euryarchaeota и включают Methanobacteriales, Methanococcales, Methanomicrobiales, Methanopyrales и Methanosarcinales. Метаногены встречаются только в обедненных кислородом средах, таких как отложения, водная среда и в кишечных трактах млекопитающих.Есть 3 пути метаногенеза:

(1) Ацетокластический метаногенез. Этот процесс включает активацию ацетата в ацетил-кофермент А (ацетил-КоА), из которого метильная группа затем передается в центральный метаногенный путь. Ацетокластические метаногены расщепляют ацетат следующим образом:

CH ₃ COOH (Ацетат) -> CO ₂ (Углекислый газ) + CH ₄ (метан)

Ацетокластический метаногенез осуществляется Methanosarcina и Methanosarcinales и чаще всего встречается в пресноводных отложениях.Здесь считается, что ацетат ежегодно составляет около двух третей общего образования метана на Земле.

(2) Метилотрофный метаногенез. В метилотрофном метаногенезе метанол или метиламины служат субстратом вместо ацетата. Этот процесс можно наблюдать в морских отложениях, где встречаются метилированные субстраты. Некоторые acetoclastic methanosarcinales и по крайней мере один член Methanomicrobiales также могут использовать этот второй путь.

(3) Гидрогенотрофный метаногенез. Наконец, гидрогенотрофный метаногенез — это процесс, который используют Methanobacteriales, Methanococcales, Methanomicrobiales, Methanopyrales и Methanosarcinales (то есть все пять порядков). В этой реакции гидрогенотрофные метаногены используют водород для восстановления диоксида углерода, оксида углерода или формиата в соответствии со следующим:

4H ₂ (водород) + CO ₂ (диоксид углерода) -> CH ₄ (Метан) + 2H ₂ O (Вода)

Хотя метаногенез — это тип дыхания, обычная цепь переноса электронов не используется.Вместо этого метаногены полагаются на несколько коферментов, включая кофермент F420, который участвует в активации водорода, и кофермент M, который участвует в окончательном восстановлении групп Ch4 до метана (рис. 6).

Этапы клеточного дыхания

Каковы 4 стадии клеточного дыхания? Есть 4 стадии процесса клеточного дыхания. Это гликолиз, реакция перехода, цикл Кребса (также известный как цикл лимонной кислоты) и цепь переноса электронов с хемиосмосом. Что производит клеточное дыхание? Давайте выясним на каждом этапе клеточного дыхания.

Гликолиз

Буквальное значение гликолиза — «расщепление сахара». Glykos происходит от греческого слова «сладкий», а лизис означает «расщеплять». Гликолиз — это серия реакций, которые извлекают энергию из глюкозы, расщепляя ее на 2 молекулы пирувата. Гликолиз — это давно развившийся биохимический путь, который встречается у большинства организмов. У организмов, которые осуществляют клеточное дыхание, гликолиз является первой стадией этого процесса.Однако для гликолиза не требуется кислород, и многие анаэробные организмы также имеют этот путь.

Прежде чем начнется гликолиз, глюкоза должна транспортироваться в клетку и фосфорилироваться. У большинства организмов это происходит в цитозоле. Наиболее распространенный тип гликолиза — это процесс Эмбден-Мейерхоф-Парнас (путь ЭМП), открытый Густавом Эмбденом, Отто Мейерхоф и Якубом Каролем Парнасом. Гликолиз действительно относится к другим путям, одним из описанных путей является путь Энтнера-Дудорова. В этой статье основное внимание уделяется пути ЭМИ.

Путь гликолиза Эмбден-Мейерхоф-Парнас (EMP)

Путь гликолиза можно разделить на две фазы:

1. Инвестиционная фаза — расходуется АТФ.
2. Фаза окупаемости — выпуск АТФ.

Гликолиз проходит в 10 этапов. См. Рисунок 7. схематическое изображение гликолиза.

Шаг 1.

Фермент гексокиназа фосфорилирует глюкозу с помощью АТФ для передачи фосфата молекуле глюкозы с образованием глюкозо-6-фосфата.Эта реакция удерживает глюкозу внутри клетки.

Шаг 2.

Глюкозо-6-фосфат изомеризуется во фруктозо-6-фосфат. Это включает в себя превращение альдозы в кетозу. Фермент фосфоглюкозоизомераза катализирует эту реакцию. Молекула АТФ обеспечивает фосфатную группу.

Шаг 3.

Фосфофруктокиназа (PFK) с магнием в качестве кофактора фосфорилирует глюкозо-6-киназу до фруктозо-1,6-бисфосфата. Этот фермент катализирует перенос фосфорильной группы от АТФ на фруктозо-6-фосфат.Эта реакция дает АДФ и 1,6-бисфосфат фруктозы.

Важность фосфофруктокиназы (PFK)

PFK — важный фермент в регуляции гликолиза. Высокое соотношение АДФ к АТФ приведет к ингибированию PFK и, следовательно, ингибирует гликолиз. Аденозинмонофосфат (АМФ) является положительным регулятором ПФК. Когда уровни АТФ низкие, больше АТФ вырабатывается за счет замены молекул АДФ на АТФ и АМФ. Когда уровни АТФ высоки, PFK подавляется, тем самым замедляя процесс гликолиза.Также известно, что лимонная кислота подавляет действие ПФК.

Эти первые 3 стадии гликолиза израсходовали в общей сложности 2 молекулы АТФ; следовательно, он известен как инвестиционная фаза.

Шаг 4.

Фермент альдолаза используется для расщепления фруктозы 1,6-бисфосфата на глицеральдегид-3-фосфат (GAP) и дигидроксиацетонфосфат (DHAP).

Шаг 5.

Триозофосфат-изомераза реорганизует DHAP в GAP. GAP — единственная молекула, которая продолжает гликолитический путь.На данный момент есть две молекулы GAP, следующие шаги — полное преобразование в пируват.

Шаг 6.

Сначала GAP окисляется коферментом никотинамидадениндинуклеотидом (NAD), а затем фосфорилируется добавлением свободной фосфатной группы ферментом глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназой (GAPDH). GAPDH имеет форму, которая позволяет ему удерживать GAP в конформации, позволяющей молекуле NAD отводить от него водород. Это приводит к превращению НАД в НАДН.Затем фосфатная группа атакует молекулу GAP и высвобождает ее из фермента с образованием 1,3-бисфосфоглицерата, NADH и атома водорода.

Шаг 7.

Фосфоглицераткиназа (PGK) с помощью магния превращает 1,3-бисфосфоглицерат в 3-фосфоглицерат путем удаления фосфатной группы. Фосфат передается молекуле АДФ, которая дает молекулу АТФ.

Шаг 8.

Фосфоглицератмутаза изменяет положение фосфатной группы на 3-фосфоглицерате, позволяя ему стать 2-фосфоглицератом.

Шаг 9.

2-фосфоглицерат превращается в фосфоенолпируват (PEP) ферментом енолазой. Энолаза обезвоживает 2 молекулы фосфоглицерата, удаляя воду.

Шаг 10.

Наконец, пируваткиназа переносит фосфат от PEP к ADP, давая ATP и пируват.

Переходная реакция

При аэробном дыхании переходная реакция происходит в митохондриях.Пируват выходит из цитоплазмы в митохондриальный матрикс. В анаэробных условиях пируват остается в цитоплазме и вместо этого будет использоваться при ферментации молочной кислоты. Целью реакции перехода является перенос пирувата в ацетил-КоА с образованием диоксида углерода и НАДН. Для каждой отдельной молекулы глюкозы генерируются 2 молекулы CO2 и НАДН (рис. 8).

Что такое цикл Кребса?

Цикл Кребса, также известный как цикл лимонной кислоты, был открыт Гансом Адольфом Кребсом в 1937 году. Его можно описать как метаболический путь, который генерирует энергию. Этот процесс происходит в митохондриальном матриксе, куда пируват был импортирован после гликолиза. Конечные продукты цикла Кребса включают 2 молекулы CO ₂ , 3 молекулы NADH, 1 молекулу FADH ₂ и 1 молекулу GTP. Эти продукты образуются из расчета на одну молекулу пирувата.Продукты цикла Кребса приводят в действие цепь переноса электронов и окислительное фосфорилирование. Ацетил-КоА входит в цикл Кребса после того, как произошла реакция перехода (превращение пирувата в ацетил-КоА). См. Рисунок 9. схематическую схему цикла Кребса.

В цикле Кребса 8 шагов. Ниже рассматриваются некоторые из основных частей этих стадий и продуктов цикла Кребса:

Шаг 1.

Ацетил-КоА соединяется с оксалоацетатом, высвобождая группу КоА и производя цитрат, шестиуглеродную молекулу.Фермент, участвующий в этом процессе, — цитрат-синтаза.

Шаг 2.

Цитрат превращается в изоцитрат под действием фермента аконитазы. Это включает удаление, а затем добавление воды.

Шаг 3.

Во-первых, вторичная ОН-группа изоцитрата окисляется коферментом НАД + и образуется кетон. Затем кетон декарбоксилируется (т.е. удаляется CO ₂ ) изоцитратдегидрогеназой, оставляя после себя альфа-кетоглутарат, который представляет собой молекулу с 5 атомами углерода.Изоцитратдегидрогеназа играет центральную роль в регулировании скорости цикла лимонной кислоты цикла Кребса.

Шаг 4.

Окислительное декарбоксилирование происходит под действием альфа-кетоглутаратдегидрогеназы. Этот фермент катализирует превращение α-кетоглутарата в сукцинил-КоА и производит НАДН, доставляющий электроны в дыхательную цепь.

Шаг 5.

Сукцинил-КоА превращается в сукцинилфосфат, а затем в сукцинат. Сукцинаттиокиназа (другие названия включают сукцинатсинтазу и сукцинил-кофермент А-синтетазу) превращает сукцинил-КоА в сукцинат и свободный кофермент А.Он также превращает АДФ в АТФ или гуанозиндифосфат (GDP) в гуанозинтрифосфат (GTP). Во-первых, кофермент А в сукцинильной группе замещен гидрофосфатным ионом. Затем сукцинилфосфат переносит остаток фосфорной кислоты в гуанозиндифосфат (GDP), в результате чего образуются GTP и сукцинат.

Шаг 6

Сукцинат окисляется до фумарата сукцинатдегидрогеназой. Флавинадениндинуклеотид (FAD) представляет собой кофермент, связанный с сукцинатдегидрогеназой.FADH ₂ образуется при удалении 2 атомов водорода из сукцината. Это высвобождает энергию, достаточную для уменьшения FAD. FADH остается связанным с сукцинатдегидрогеназой и переносит электроны непосредственно в цепь переноса электронов. Сукцинатдегидрогеназа выполняет этот процесс внутри митохондриальной внутренней мембраны, что обеспечивает прямую передачу электронов.

Стадия 7

L-малат образуется в результате гидратации фумарата. Фермент, участвующий в этой реакции, — фумараза.

Этап 8

На последней стадии L-малат окисляется с образованием оксалоацетата под действием малатдегидрогеназы. Другая молекула НАД + восстанавливается до НАДН во время этого процесса.

Цепь переноса электронов и хемиосмос

Где кислород используется в клеточном дыхании? Он находится на стадии, связанной с цепью переноса электронов. Цепь переноса электронов — заключительный этап клеточного дыхания.Он находится на внутренней митохондриальной мембране и состоит из нескольких переносчиков электронов. Целью цепи переноса электронов является формирование градиента протонов, производящих АТФ. Он перемещает электроны от НАДН к ФАДН ₂ к молекулярному кислороду, перекачивая протоны из митохондриальной матрицы в межмембранное пространство, что приводит к восстановлению кислорода до воды. Следовательно, роль кислорода в клеточном дыхании является конечным акцептором электронов. Стоит отметить, что электронно-транспортная цепь прокариот может не нуждаться в кислороде.Другие химические вещества, включая сульфат, могут использоваться в качестве акцепторов электронов при замене кислорода.

Четыре белковых комплекса участвуют в цепи переноса электронов. Комплекс I или НАДН-убихинон оксидоредуктаза переносит электроны от НАДН к коэнзиму Q (убихинону). Комплекс II или сукцинатдегидрогеназа получает FADH ₂ , который также находится в цикле Кребса. FADH ₂ передает свои электроны железо-серным белкам в составе комплекса II, которые затем передают электроны коэнзиму Q, как и в случае комплекса I.Затем эти электроны выводятся из оставшихся комплексов и белков. К ним относятся комплексы II, III, IV, цитохром с и кофермент Q. Они проходят во внутреннюю митохондриальную мембрану, которая медленно выделяет энергию. Цепь переноса электронов использует уменьшение свободной энергии для перекачки ионов водорода из матрицы в межмембранное пространство митохондриальных мембран. Это создает электрохимический градиент для ионов водорода. Энергия в этом градиенте используется для генерации АТФ из АДФ и неорганического фосфата (Pi) через комплекс АТФ-синтазы.В целом, конечными продуктами цепи переноса электронов являются АТФ и вода. См. Рисунок 10. для обзора цепи переноса электронов.

Процесс, описанный выше в цепи переноса электронов, в котором градиент ионов водорода формируется цепочкой переноса электронов, известен как хемиосмос . После установления градиента протоны диффундируют вниз по градиенту через АТФ-синтазу. Поток водорода катализирует спаривание фосфата с АДФ, образуя АТФ (Рисунок 11).Хемиосмос открыл британский биохимик Питер Митчелл. Фактически, он был удостоен Нобелевской премии по химии в 1978 году за свои работы в этой области и синтез АТФ.

Производство АТФ в клеточном дыхании

Сколько АТФ вырабатывается при аэробном дыхании? Каковы продукты цепи переноса электронов? Гликолиз обеспечивает 4 молекулы АТФ на молекулу глюкозы; однако 2 используются в фазе паковки, в результате чего получается 2 молекулы АТФ.2 молекулы АТФ производятся в цикле Кребса. Наконец, в цепи переноса электронов вырабатываются 34 молекулы АТФ (рис. 12).

Сколько АТФ производится при ферментации?

Только 2 молекулы АТФ производятся при ферментации. Это происходит в фазе гликолиза дыхания. Следовательно, оно намного менее эффективно, чем аэробное дыхание; однако это гораздо более быстрый процесс.

Итак, по сути, вот как в клеточном дыхании энергия преобразуется из глюкозы в АТФ.А за счет окисления глюкозы по аэробному пути относительно вырабатывается больше АТФ.

Продукты клеточного дыхания

Какие продукты клеточного дыхания? Биохимические процессы клеточного дыхания могут быть рассмотрены для обобщения конечных продуктов на каждой стадии.

• Во время гликолиза исходными реагентами являются глюкоза и 2 молекулы АТФ, в результате чего образуются конечные продукты — пируват, АТФ и НАДН.
• Во время реакции перехода субстрат пируват приводит к образованию продуктов CoA, NADH и CO ₂ .
• В цикле Кребса ацетил-КоА и оксалоацетат приводят к конечным продуктам оксалоацетату, NADH, ATP, FADH ₂ и CO ₂ .
• Наконец, на стадии электронно-транспортной цепи клеточного дыхания, НАДН, ФАДН ₂ , АДФ и фосфат являются субстратами, и образующимися продуктами являются НАД, ФАД и АТФ.

Нарушения клеточного дыхания

Митохондриальная дисфункция может привести к проблемам во время реакций окислительного фосфорилирования.Это может быть связано с мутациями митохондриальной ДНК или ядерной ДНК. Эти мутации могут привести к дефициту белка. Например, митохондриальная болезнь , комплекс I, , характеризуется нехваткой комплекса I во внутренней митохондриальной мембране. Это приводит к проблемам с функцией мозга и движением пострадавшего. Люди с этим заболеванием также склонны к накоплению в крови высокого уровня молочной кислоты, что может быть опасно для жизни. Митохондриальное заболевание комплекса I — наиболее частое митохондриальное заболевание у детей.На сегодняшний день описано более 150 различных синдромов митохондриальной дисфункции, связанных с проблемами процесса окислительного фосфорилирования. Кроме того, было зарегистрировано более 600 различных точечных мутаций в митохондриальной ДНК, а также перестройки ДНК, которые, как считается, участвуют в различных заболеваниях человека. Различные исследовательские группы по всему миру проводят множество различных исследований, изучающих различные мутации митохондриальных генов, чтобы лучше понять состояния, связанные с дисфункциональными митохондриями.[a] [b]

Цель клеточного дыхания

Какова цель клеточного дыхания? Различные организмы адаптировали свои биологические процессы для осуществления процесса клеточного дыхания либо аэробно, либо анаэробно в зависимости от условий окружающей среды. Реакции клеточного дыхания невероятно сложны и включают сложный набор биохимических реакций внутри клеток организмов. Все организмы начинают процесс гликолиза в цитоплазме клетки, затем либо перемещаются в митохондрии в аэробном метаболизме, чтобы продолжить цикл Кребса и цепь переноса электронов, либо остаются в цитоплазме в условиях анаэробного дыхания, чтобы продолжить ферментацию (рис. 13).Клеточное дыхание — это процесс, который позволяет живым организмам производить энергию для выживания.

Попробуйте ответить на викторину ниже и узнайте, что вы узнали о клеточном дыхании.

Клеточное дыхание — Простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия

Клеточное дыхание — это то, что клетки делают для расщепления сахаров с целью получения энергии, которую они могут использовать.Клеточное дыхание принимает пищу и использует ее для создания АТФ, химического вещества, которое клетка использует для получения энергии.

Обычно этот процесс использует кислород и называется аэробным дыханием . Он состоит из четырех стадий, известных как гликолиз, реакция ссылки, цикл Кребса и цепь переноса электронов. Это производит АТФ, который поставляет энергию, необходимую клеткам для работы.

Когда клетки не получают достаточно кислорода, они используют анаэробное дыхание, при котором кислород не используется. Однако этот процесс производит молочную кислоту, и он не так эффективен, как при использовании кислорода.

Аэробное дыхание, процесс, в котором действительно используется кислород, производит гораздо больше энергии и не производит молочную кислоту. Он также производит углекислый газ в качестве побочного продукта, который затем попадает в систему кровообращения. Углекислый газ попадает в легкие, где обменивается на кислород.

Упрощенная формула аэробного клеточного дыхания:

Словесное уравнение для этого:

Аэробное клеточное дыхание состоит из четырех стадий.Каждое из них важно и не могло бы произойти без предыдущего. Шаги аэробного клеточного дыхания:

При гликолизе глюкоза в цитоплазме расщепляется на две молекулы пирувата. Десять ферментов необходимы для десяти промежуточных соединений в этом процессе.

1. Два энергоемких АТФ запускают процесс.
2. В конце две молекулы пирувата плюс
3. Уровень субстрата — четыре молекулы АТФ образуются в реакции номер 7 и 10
4. В клетках, которые используют кислород, пируват используется во втором процессе, цикле Кребса, который производит больше молекул АТФ.

Производительность цикла [изменить | изменить источник]

Учебники биологии часто заявляют, что 38 молекул АТФ могут быть образованы на одну окисленную молекулу глюкозы во время клеточного дыхания (две из гликолиза, две из цикла Кребса и около 34 из цепи переноса электронов). ^[1] Однако процесс фактически производит меньше энергии (АТФ) из-за потерь через протекающие мембраны. Оценки составляют от 29 до 30 АТФ на глюкозу. ^[1]

Аэробный метаболизм примерно (см. Предложение выше) в 15 раз эффективнее анаэробного метаболизма.Анаэробный метаболизм дает 2 моль АТФ на 1 моль глюкозы. Они разделяют начальный путь гликолиза, но аэробный метаболизм продолжается с циклом Кребса и окислительным фосфорилированием. Постгликолитические реакции происходят в митохондриях эукариотических клеток и в цитоплазме прокариотических клеток.

Пируват от гликолиза активно перекачивается в митохондрии. Одна молекула углекислого газа и одна молекула водорода удаляются из пирувата (так называемое окислительное декарбоксилирование) с образованием ацетильной группы, которая присоединяется к ферменту, называемому КоА, с образованием ацетил-КоА.Это важно для цикла Кребса.

Ацетил-КоА соединяется с оксалоацетатом с образованием соединения с шестью атомами углерода. Это первый шаг в постоянно повторяющемся цикле Кребса. Поскольку две молекулы ацетил-КоА производятся из каждой молекулы глюкозы, требуется два цикла на одну молекулу глюкозы . Следовательно, в конце двух циклов продуктами являются: два АТФ, шесть НАДН, два ФАДН и четыре СО2. АТФ — это молекула, несущая энергию в химической форме для использования в других клеточных процессах.Этот процесс также известен как цикл TCA (цикл трикарбоновой кислоты (try-car-box-ILL-ick)), цикл лимонной кислоты или цикл Кребса по имени биохимика, который объяснил его реакции.

Здесь производится большая часть АТФ. Все молекулы водорода, которые были удалены на предыдущих этапах (цикл Кребса, реакция Линка), закачиваются внутрь митохондрий с использованием энергии, выделяемой электронами. В конце концов, электроны, обеспечивающие перекачку водорода в митохондрии, смешиваются с некоторым количеством водорода и кислорода, образуя воду, и молекулы водорода перестают перекачиваться.

В конце концов, водород возвращается в цитоплазму митохондрий через белковые каналы. По мере того как водород течет, АТФ образуется из АДФ и ионов фосфата. ^[1]

1. ↑ ^{1.0 1.1 1.2} Rich P.R. 2003. Молекулярный механизм дыхательной цепи Кейлина. Biochemical Society Transactions 31 (pt 6): 1095–1105. DOI: 10.1042 / BST0311095 PMID 14641005

Клеточное дыхание — определение, уравнение и шаги

Определение клеточного дыхания

Клеточное дыхание — это процесс, посредством которого клетки превращают сахар в энергию.Для создания АТФ и других форм энергии, необходимых для клеточных реакций, клеткам требуется топливо и акцептор электронов, который управляет химическим процессом превращения энергии в пригодную для использования форму.

Обзор клеточного дыхания

Эукариоты, включая все многоклеточные и некоторые одноклеточные организмы, используют аэробное дыхание для выработки энергии. При аэробном дыхании используется кислород — самый мощный из доступных в природе акцепторов электронов.

Аэробное дыхание — чрезвычайно эффективный процесс, позволяющий эукариотам выполнять сложные жизненные функции и вести активный образ жизни.Однако это также означает, что им требуется постоянный приток кислорода, иначе они не смогут получать энергию, чтобы оставаться в живых.

Прокариотические организмы, такие как бактерии и архебактерии, могут использовать другие формы дыхания, которые несколько менее эффективны. Это позволяет им жить в среде, недоступной для эукариотических организмов, поскольку они не нуждаются в кислороде.

Примеры различных путей расщепления сахара организмами показаны ниже:

Более подробные статьи об аэробном и анаэробном дыхании можно найти на этом сайте.Здесь мы дадим обзор различных типов клеточного дыхания.

Уравнение клеточного дыхания

Уравнение аэробного дыхания

Уравнение аэробного дыхания показывает, что глюкоза объединяется с кислородом и АДФ с образованием диоксида углерода, воды и АТФ:

C ₆ H ₁₂ O ₆ ( глюкоза) + 6O ₂ + 36 ADP (обедненный АТФ) + 36 P _i (фосфатные группы) → 6CO ₂ + 6H ₂ O + 36 ATP

Вы можете видеть, что когда он полностью распадается , углеродных молекул глюкозы выдыхается как шесть молекул углекислого газа.

Уравнение молочнокислого брожения

При молочно-кислотном брожении одна молекула глюкозы распадается на две молекулы молочной кислоты. Химическая энергия, которая была сохранена в разорванных связях глюкозы, перемещается в связи между АДФ и фосфатной группой.

C ₆ H ₁₂ O ₆ (глюкоза) + 2 ADP (обедненный АТФ) + 2 P _i (фосфатные группы) → 2 CH ₃ CHOHCOOH (молочная кислота) + 2 ATP

Уравнение спиртовой ферментации

Спиртовая ферментация похожа на молочно-кислотную ферментацию в том смысле, что кислород не является конечным акцептором электронов. Здесь вместо кислорода в ячейке используется преобразованная форма пирувата для приема конечных электронов. При этом образуется этиловый спирт, который содержится в алкогольных напитках. Пивовары и дистилляторы используют дрожжевые клетки для создания этого спирта, которые очень хорошо подходят для такой формы брожения.

C ₆ H ₁₂ O ₆ (глюкоза) + 2 АДФ (обедненный АТФ) + 2 P _i (фосфатные группы) → 2 C ₂ H ₅ OH (этиловый спирт) + 2 CO ₂ + 2 ATP

Этапы клеточного дыхания

Этап 1

Гликолиз — единственный этап, который характерен для всех типов дыхания. При гликолизе молекула сахара, такая как глюкоза, расщепляется пополам, образуя две молекулы АТФ.

Уравнение гликолиза:

C ₆ H ₁₂ O ₆ (глюкоза) + 2 NAD + + 2 ADP + 2 P _i → 2 CH ₃ COCOO- + 2 NADH + 2 ATP + 2 H ₂ O + 2H ⁺

Название «гликолиз» происходит от греческого «глико» — «сахар» и «лизис» — «расщеплять». Это может помочь вам вспомнить, что гликолиз — это процесс расщепления сахара.

В большинстве случаев гликолиз начинается с глюкозы, которая затем расщепляется на две молекулы пировиноградной кислоты. Эти две молекулы пировиноградной кислоты затем перерабатываются с образованием различных конечных продуктов, таких как этиловый спирт или молочная кислота.

Шаг 2

Сокращение — следующая часть процесса. С химической точки зрения «уменьшить» молекулу означает добавить к ней электроны.

В случае молочнокислого брожения НАДН отдает электрон пировиноградной кислоте, что приводит к конечным продуктам молочной кислоты и НАД +. Это полезно для клетки, потому что NAD + необходим для гликолиза. В случае спиртовой ферментации пировиноградная кислота подвергается дополнительной стадии, на которой она теряет атом углерода в виде CO ₂ . Образовавшаяся промежуточная молекула, называемая ацетальдегидом, затем восстанавливается с образованием НАД + плюс этиловый спирт.

Step 3

Аэробное дыхание переводит эти процессы на новый уровень. Вместо прямого восстановления промежуточных звеньев цикла Кребса аэробное дыхание использует кислород в качестве конечного электронного рецептора. Но сначала электроны и протоны, связанные с электронными носителями (такими как НАДН), обрабатываются через цепь переноса электронов . Эта цепочка белков внутри митохондриальной мембраны использует энергию этих электронов для перекачки протонов на одну сторону мембраны. Это создает электродвижущую силу, которая используется белковым комплексом АТФ-синтаза, фосфорилирующим большое количество молекул ATD, создавая АТФ.

Продукты клеточного дыхания

АТФ

Основным продуктом любого клеточного дыхания является молекула аденозинтрифосфата (АТФ). Эта молекула накапливает энергию, выделяемую при дыхании, и позволяет клетке передавать эту энергию различным частям клетки. АТФ используется рядом клеточных компонентов в качестве источника энергии. Например, ферменту может потребоваться энергия АТФ для объединения двух молекул. АТФ также обычно используется на транспортерах , которые представляют собой белки, которые перемещают молекулы через клеточную мембрану.

Двуокись углерода

Двуокись углерода — универсальный продукт, создаваемый клеточным дыханием.Обычно углекислый газ считается отходом, и его необходимо удалять. В водном растворе диоксид углерода образует кислые ионы. Это может резко снизить pH клетки и в конечном итоге привести к прекращению нормальных клеточных функций. Чтобы этого избежать, клетки должны активно выводить углекислый газ.

Другие продукты

В то время как АТФ и углекислый газ регулярно вырабатываются всеми формами клеточного дыхания, различные типы дыхания полагаются на разные молекулы как на конечные акцепторы электронов, используемых в процессе.

Цель клеточного дыхания

Все клетки должны иметь возможность получать и транспортировать энергию для обеспечения своих жизненных функций. Для того, чтобы клетки продолжали жить, они должны быть в состоянии управлять основными механизмами, такими как насосы в их клеточных мембранах, которые поддерживают внутреннюю среду клетки таким образом, чтобы это было приемлемо для жизни.

Наиболее распространенной «энергетической валютой» клеток является АТФ — молекула, которая хранит много энергии в своих фосфатных связях. Эти связи могут быть разорваны, чтобы высвободить эту энергию и вызвать изменения в других молекулах, например, те, которые необходимы для питания насосов клеточной мембраны.

Поскольку АТФ нестабилен в течение длительного времени, он не используется для длительного хранения энергии. Вместо этого сахара и жиры используются в качестве долгосрочной формы хранения, и клетки должны постоянно обрабатывать эти молекулы для производства нового АТФ. Это процесс дыхания.

В процессе аэробного дыхания из каждой молекулы сахара образуется огромное количество АТФ. Фактически, каждая молекула сахара, перевариваемая растительной или животной клеткой, дает 36 молекул АТФ! Для сравнения, ферментация обычно производит только 2-4 молекулы АТФ.

Анаэробные процессы дыхания, используемые бактериями и архебактериями, производят меньшее количество АТФ, но они могут происходить без кислорода. Ниже мы обсудим, как различные типы клеточного дыхания производят АТФ.

Типы клеточного дыхания

Аэробное дыхание

Эукариотические организмы осуществляют клеточное дыхание в своих митохондриях — органеллах, которые предназначены для расщепления сахаров и очень эффективного производства АТФ. Митохондрии часто называют «электростанцией клетки», потому что они способны производить так много АТФ!

Аэробное дыхание настолько эффективно, потому что кислород является самым мощным акцептором электронов в природе. Кислород «любит» электроны — и его любовь к электронам «тянет» их через цепь переноса электронов митохондрий.

Специализированная анатомия митохондрий, которые объединяют все необходимые реагенты для клеточного дыхания в небольшом мембраносвязанном пространстве внутри клетки, также способствует высокой эффективности аэробного дыхания.

В отсутствие кислорода большинство эукариотических клеток могут также выполнять различные типы анаэробного дыхания, такие как ферментация молочной кислоты.Однако эти процессы не производят достаточно АТФ для поддержания жизненных функций клетки, а без кислорода клетки в конечном итоге погибнут или перестанут функционировать.

Ферментация

Ферментация — это название, данное множеству различных типов анаэробного дыхания, которые выполняются разными видами бактерий и архебактерий, а также некоторыми эукариотическими клетками в отсутствие кислорода.

В этих процессах могут использоваться различные акцепторы электронов и производиться множество побочных продуктов.Вот несколько типов ферментации:

• Алкогольная ферментация — Этот тип ферментации, выполняемый дрожжевыми и некоторыми другими клетками, метаболизирует сахар и производит спирт и углекислый газ в качестве побочных продуктов. Вот почему пиво получается газированным: во время брожения дрожжи выделяют как углекислый газ, который образует пузырьки, так и этиловый спирт.
• Молочная ферментация — Этот тип ферментации выполняется мышечными клетками человека в отсутствие кислорода и некоторыми бактериями.Люди на самом деле используют молочнокислое брожение для производства йогурта. Для приготовления йогурта в молоке выращивают безвредные бактерии. Вырабатываемая этими бактериями молочная кислота придает йогурту характерный кисло-острый вкус, а также вступает в реакцию с молочными белками, создавая густую кремообразную консистенцию.
• Ферментация пропионовой кислоты — Этот тип ферментации осуществляется некоторыми бактериями и используется для производства швейцарского сыра. Пропионовая кислота придает швейцарскому сыру характерный острый ореховый вкус.Пузырьки газа, создаваемые этими бактериями, образуют дыры в сыре.
• Ацетогенез — Ацетогенез — это тип ферментации, осуществляемой бактериями, в результате которых образуется уксусная кислота в качестве побочного продукта. Уксусная кислота — отличительный ингредиент уксуса, который придает ему острый кислый вкус и запах. Интересно, что бактерии, вырабатывающие уксусную кислоту, используют этиловый спирт в качестве топлива. Это означает, что для производства уксуса сахаросодержащий раствор необходимо сначала ферментировать дрожжами для получения спирта, а затем снова ферментировать бактериями, которые превращают спирт в уксусную кислоту!

Метаногенез

Метаногенез — уникальный тип анаэробного дыхания, который может выполняться только архебактериями.В метаногенезе углевод источника топлива расщепляется с образованием диоксида углерода и метана.

Метаногенез осуществляется некоторыми симбиотическими бактериями в пищеварительном тракте человека, коров и некоторых других животных. Некоторые из этих бактерий способны переваривать целлюлозу — сахар, содержащийся в растениях, который не может быть расщеплен посредством клеточного дыхания. Симбиотические бактерии позволяют коровам и другим животным получать энергию из этих неперевариваемых сахаров!

Тест

Продукты клеточного дыхания | Какие продукты клеточного дыхания? — Видео и стенограмма урока

Какие продукты клеточного дыхания?

Продуктами клеточного дыхания являются углекислый газ, АТФ и вода.Во время производства ацетил-КоА из пирувата образуются два диоксида углерода. Еще четыре диоксида углерода образуются во время цикла Кребса. Этот углекислый газ попадает в кровь, а затем попадает в легкие. В легких углекислый газ диффундирует из крови в альвеолы, откуда он может выдыхаться. Углекислый газ — это токсин, который не может удерживаться в организме. В крови он превращается в угольную кислоту, и, если ее не выдыхать, она создает в крови кислый pH, который может быть фатальным.

АТФ образуется на всех трех этапах клеточного дыхания. Во время гликолиза на одну молекулу глюкозы образуется два АТФ. Всего образуется четыре АТФ, но два АТФ также расходуются во время этого процесса для чистого прироста двух молекул АТФ. Во время цикла Кребса производятся два дополнительных АТФ для каждой исходной молекулы глюкозы. Наконец, окислительное фосфорилирование производит больше всего АТФ. Во время этого процесса электрохимический градиент ионов водорода заставляет АТФ-синтазу производить 32 АТФ на молекулу глюкозы, что является большей частью любого этапа клеточного дыхания.

Сравнение аэробного и анаэробного дыхания

Клеточное дыхание может выполняться с кислородом или без него. Во время аэробного клеточного дыхания используется кислород. Во время анаэробного дыхания кислород не используется.

При аэробном дыхании клетки проходят гликолиз, цикл Кребса и окислительное фосфорилирование, как описано выше. Кислород используется в качестве конечного акцептора электронов в транспортной цепи электронов и принимает два электрона и два иона водорода для образования воды.Это образует наибольшее количество АТФ из одной молекулы глюкозы.

При анаэробном дыхании клетки проходят гликолиз, но не проходят цикл Кребса, потому что у них нет кислорода, который мог бы выступать в качестве конечного акцептора окислительного фосфорилирования. Вместо этого после гликолиза клетки переходят либо на молочнокислую ферментацию, либо на спиртовую ферментацию, чтобы регенерировать электронный переносчик НАД +. Весь этот процесс происходит в цитоплазме, в отличие от аэробного дыхания, которое происходит как в цитоплазме, так и в митохондриях.

Продукты анаэробного дыхания

Существует два основных типа анаэробного дыхания: молочнокислое брожение и спиртовое брожение. При ферментации молочной кислоты пируват превращается в молочную кислоту, АТФ не образуется, а NAD + регенерируется.

При спиртовой ферментации пируват превращается в ацетальдегид, затем в этанол. Как и при молочнокислом брожении, АТФ не образуется, но NAD + регенерируется для использования в гликолизе.

Основная цель ферментации — регенерировать электронный носитель NAD +, чтобы можно было продолжить гликолиз и выработать АТФ для клетки.

Ключевые различия

Как показано в таблице, существует несколько ключевых различий между аэробным и анаэробным дыханием.

Уравнение ферментации

Анаэробное дыхание также иногда называют ферментацией.Два разных уравнения для ферментации выглядят следующим образом:

• Молочная ферментация: глюкоза = молочная кислота + 2 АТФ
• Спиртовое брожение: глюкоза = этанол + 2 АТФ + диоксид углерода

Краткое содержание урока

Клеточное дыхание — это процесс, который клетки используют для производства энергии. Клеточное дыхание использует глюкозу (сахар) и кислород для создания углекислого газа, АТФ и воды. АТФ — это клеточная энергия, которая используется в организме в качестве энергетической валюты.Двуокись углерода токсична и должна выводиться из организма через выдох.

Есть три этапа аэробного клеточного дыхания или клеточного дыхания, в котором используется кислород: гликолиз, цикл Кребса и окислительное фосфорилирование. Аэробное клеточное дыхание производит намного больше АТФ по сравнению с анаэробным клеточным дыханием , которое не использует кислород. Анаэробное клеточное дыхание иногда называют ферментацией, при этом в качестве продукта может образовываться молочная кислота или алкоголь.