Клеточное или тканевое дыхание — совокупность биохимических реакций, протекающих в клетках живых организмов, в ходе которых происходит окисление углеводов, липидов и аминокислот до углекислого газа и воды. Высвобожденная энергия запасается в химических связях макроэргических соединений (АТФ и др.) и может быть использована по мере необходимости. Входит в группу процессов катаболизма. О физиологических процессах транспортировки к клеткам многоклеточных организмов кислорода и удалению от них углекислого газа см. статью Дыхание.
Использование различных начальных субстратов
В качестве исходных субстратов дыхания могут выступать различные вещества, преобразуемые в ходе специфических метаболических процессов в Ацетил-КоА с высвобождением ряда побочных продуктов. Восстановление НАД (НАДФ) и образование АТФ может происходить уже на этом этапе, однако большая их часть образуется в цикле трикарбоновых кислот при переработке Ацетил-КоА.
Гликолиз
Гликолиз — путь ферментативного расщепления глюкозы — является общим практически для всех живых организмов процессом. У аэробов он предшествует собственно клеточному дыханию, у анаэробов завершается брожением. Сам по себе гликолиз является полностью анаэробным процессом и для осуществления не требует присутствия кислорода.
Первый его этап протекает с расходом энергии 2 молекул АТФ и включает в себя расщепление молекулы глюкозы на 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата. На втором этапе происходит НАД-зависимое окисление глицеральдегид-3-фосфата, сопровождающееся субстратным фосфорилированием, то есть присоединением к молекуле остатка фосфорной кислоты и формированием в ней макроэргической связи, после которого остаток переносится на АДФ с образованием АТФ.
Таким образом, уравнение гликолиза имеет следующий вид:
Сократив АТФ и АДФ из левой и правой частей уравнения реакции, получим:
Окислительное декарбоксилирование пирувата
Образовавшаяся в ходе гликолиза пировиноградная кислота (пируват) под действием пируватдегидрогеназного комплекса (сложная структура из 3 различных ферментов и более 60 субъединиц) распадается на углекислый газ и ацетальдегид, который вместе с Кофермент А образует Ацетил-КоА. Реакция сопровождается восстановлением НАД до НАД∙Н.
У эукариот процесс протекает в матриксе митохондрий.
β-окисление жирных кислот
Деградация жирных кислот (у некоторых организмов также алканов) происходит у эукариот в матриксе митохондрий. Суть этого процесса заключается в следующем. На первой стадии к жирной кислоте присоединяется кофермент А с образованием ацил-KoA. Он дегидрируется с последовательным переносом восстановительных эквивалентов на убихинон дыхательной ЭТЦ. На второй стадии происходит гидратирование по двойной связи С=С, после чего на третьей стадии происходит окисление полученной гидроксильной группы. В ходе этой реакции восстанавливается НАД.
Наконец, на четвёртой стадии образовавшаяся β-кетокислота расщепляется β-кетотиолазой в присутствии кофермента А на ацетил-КоА и новый ацил-КоА, в которой углеродная цепь на 2 атома короче. Цикл β-окисления повторяется до тех пор, пока вся жирная кислота не будет переработана в ацетил-КоА.
Цикл трикарбоновых кислот
Ацетил-КоА под действием цитратсинтазы передаёт ацетильную группу оксалоацетату с образованием лимонной кислоты, которая поcтупает в цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса). В ходе одного оборота цикла лимонная кислота несколько раз дегидрируется и дважды декарбоксилируется с регенерацией оксалоацетата и образованием одной молекулы ГТФ (способом субстратного фосфорилирования), трёх НАДН и ФАДН2.
Суммарное уравнение реакций:
Ацетил-КоА + 3НАД + + ФАД + ГДФ + Фн + 2H2O + КоА-SH = 2КоА-SH + 3НАДH + 3H + + ФАДН2 + ГТФ + 2CO2
У эукариот ферменты цикла находятся в свободном состоянии в матриксе митохондрий, только сукцинатдегидрогеназа встроена во внутреннюю митохондриальную мембрану.
Окислительное фосфорилирование
Основное количество молекул АТФ вырабатывается по способу окислительного фосфорилирования на последней стадии клеточного дыхания: в электронтранспортной цепи. Здесь происходит окисление НАД∙Н и ФАДН2, восстановленных в процессах гликолиза, β-окисления, цикла Кребса и т. д.. Энергия, выделяющаяся в ходе этих реакций, благодаря цепи переносчиков электронов, локализованной во внутренней мембране митохондрий (у прокариот — в цитоплазматической мембране), трансформируется в трансмембранный протонный потенциал. Фермент АТФ-синтаза использует этот градиент для синтеза АТФ, преобразуя его энергию в энергию химических связей. Подсчитано, что молекула НАД∙Н может дать в ходе этого процесса 2.5 молекулы АТФ, ФАДН2 — 1.5 молекулы.
Читайте также: Звезды сыплются ткань облаков серебрится при лунных лучах
Конечным акцептором электрона в дыхательной цепи аэробов является кислород.
Анаэробное дыхание
Если в электронтранспортной цепи вместо кислорода используется другой конечный акцептор (трёхвалентное железо, нитрат- или сульфат-анион), дыхание называется анаэробным. Анаэробное дыхание свойственно в основном бактериям, которые благодаря этому играют важную роль в биогеохимическом цикле серы, азота и железа. Денитрификация — один из типов анаэробного дыхания — является одним из источников парниковых газов, железобактерии принимают участие в образовании железомарганцевых конкреций. Среди эукариот анаэробное дыхание встречается у некоторых грибов, морских донных беспозвоночных, паразитических червей [1] и протистов — например, фораминифер [1].
Общее уравнение дыхания, баланс АТФ
| Стадия | Выход кофермента | Выход АТФ (ГТФ) | Способ получения АТФ |
|---|---|---|---|
| Первая фаза гликолиза | −2 | Фосфорилирование глюкозы и фруктозо-6-фосфата с использованием 2 АТФ из цитоплазмы. | |
| Вторая фаза гликолиза | 4 | Субстратное фосфорилирование | |
| 2 НАДН | 3 (5) | Окислительное фосфорилирование. Только 2 АТФ образуется из НАДН в электронтранспортной цепи, поскольку кофермент образуется в цитоплазме и должен быть транспортирован в митохондрии. При использовании малат-аспартатного челнока для транспорта в митохондрии из НАДН образуется 3 моль АТФ. При использовании же глицерофосфатного челнока образуется 2 моль АТФ. | |
| Декарбоксилирование пирувата | 2 НАДН | 5 | Окислительное фосфорилирование |
| Цикл Кребса | 2 | Субстратное фосфорилирование | |
| 6 НАДН | 15 | Окислительное фосфорилирование | |
| 2 ФАДН2 | 3 | Окислительное фосфорилирование | |
| Общий выход | 30 (32) АТФ [2] | При полном окислении глюкозы до углекислого газа и окислении всех образующихся коферментов. | |
Примечания
- ↑ Tielens A.G.M., Rotte C., van Hellemond J.J., Martin W. Mitochondria as we don’t know them (Trends in Biochem.Sci.,2002,27,11,564-572
- ↑David L. Nelson, Michael M. Cox Lehninger Principles of Biochemistry. — 4. — W. H. Freeman, 2004. — 1100 с.
См. также
Wikimedia Foundation . 2010 .
Полезное
Смотреть что такое «Клеточное дыхание» в других словарях:
клеточное дыхание — — [http://www.dunwoodypress.com/148/PDF/Biotech Eng Rus.pdf] Тематики биотехнологии EN cell respiration … Справочник технического переводчика
Дыхание — Диафрагмальный (брюшной) тип дыхания у человека У этого термина существуют и другие значения, см. Клеточное дыхание … Википедия
ДЫХАНИЕ — Обычно дыхание ассоциируется с вдохом и выдохом, т.е. дыхательными движениями, необходимыми для вентиляции легких у наземных позвоночных. Однако у большинства организмов ни этих движений, ни самих легких нет, поэтому более общее определение… … Энциклопедия Кольера
ДЫХАНИЕ — ДЫХАНИЕ, совокупность процессов, обеспечивающих поступление в организм кислорода и удаление диоксида углерода (внешнее дыхание), а также использование кислорода клетками и тканями для окисления органических веществ с освобождением энергии,… … Современная энциклопедия
ДЫХАНИЕ — совокупность процессов, обеспечивающих поступление в организм кислорода и удаление углекислого газа (внешнее дыхание), а также использование кислорода клетками и тканями для окисления органических веществ с освобождением энергии, необходимой для… … Большой Энциклопедический словарь
Дыхание — ДЫХАНИЕ, совокупность процессов, обеспечивающих поступление в организм кислорода и удаление диоксида углерода (внешнее дыхание), а также использование кислорода клетками и тканями для окисления органических веществ с освобождением энергии,… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
Читайте также: Воздухопроницаемость ткани единицы измерения
ДЫХАНИЕ — ДЫХАНИЕ, я, ср. 1. Процесс поглощения кислорода и выделения углекислого газа живыми организмами. Органы дыхания. Клеточное д. (спец.). 2. Втягивание и выпускание воздуха лёгкими. Ровное д. Сдерживать д. Д. весны (перен.). • Второе дыхание прилив… … Толковый словарь Ожегова
дыхание — ДЫХАНИЕ, ДЫХАНЬЕ, я; ср. 1. Вбирание и выпускание воздуха лёгкими или (у некоторых животных) иными соответствующими органами как процесс поглощения кислорода и выделения углекислого газа живыми организмами. Органы дыхания. Шумное, тяжёлое,… … Энциклопедический словарь
Дыхание — в общеупотребительном смысле обозначает ряд беспрерывно чередующихся во время жизни движений грудной клетки в форме вдоха и выдоха и обусловливающих, с одной стороны, прилив свежого воздуха в легкие, а с другой выведение из них уже испорченного… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
Дыхание — I Дыхание (respiratio) совокупность процессов, обеспечивающих поступление из атмосферного воздуха в организм кислорода, использование его в биологическом окислении органических веществ и удаление из организма углекислого газа. В результате… … Медицинская энциклопедия
Процесс клеточное дыхание его этапы кратко (Таблица)
Клеточное дыхание — это окислительный, с участием кислорода, распад органических питательных веществ, сопровождающийся образованием химически активных метаболитов и освобождением энергии, которые используются клетками для процессов жизнедеятельности.
Общее уравнение процесса дыхания имеет следующий вид:
Схема процесс клеточное дыхание
Дыхание — процесс многоступенчатый, в нем выделяют две основные стадии: гликолиз и кислородный этап (состоит из 3х подэтапов).
Таблица клеточное дыхание этапы
ATP (АТФ) — это аденозинтрифосфорная кислота, универсальный источник и переносчик энергии
NAD (НАД) — никотинамидадениндинуклеотидфосфата, кофермент
Ацетил-КоА — сложное органическое вещество ацетил-коэнзим А (СН3СО—S)
Пируват — это соли пировиноградной кислоты
Первый этап: процесс гликолиза
Процесс гликолиза сложный и состоит примерно из десяти этапов. Глюкоза расщепляется («лизируется») на две молекулы пирувата. При этом образуются две молекулы АТР и две молекулы восстановленного кофермента. Эта стадия может протекать анаэробно, в анаэробных условиях (без кислорода или его недостатке) в результате гликолиза образуется молочная кислота (лактат), его еще называют брожение.
Второй этап: превращение пирувата в ацетил-КоА
Превращение пирувата в ацетил-КоА под действием пируватдегидрогеназного комплекса и направляет молекулу пирувата в цикл Кребса. Образуются две молекулы восстановленного кофермента. У эукариот процесс протекает в матриксе митохондрий.
Третий этап: цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот)
Цикл Кребса (трикарбоновых кислот или лимонной кислоты) представляет собой серию окислительных реакций. На каждом витке цикла образуется одна молекула АТР и четыре молекулы восстановленного кофермента. (На каждую молекулу глюкозы приходится два «оборота» цикла.) Это аэробная стадия.
Ацетил-КоА + 3NAD + + PAD + GDP + Фн + 2H2O + КоА-SH = 2КоА-SH + 3NADH + 3H + + PADН2 + GTP + 2CO2 (общее суммарное уравнение цикла)
Четвертый этап: окислительное фосфорилирование
Основное количество молекул АТP вырабатывается на этом этапе. Генерируется градиент протонов и его электрохимический потенциал используется для синтеза 32 молекул АТР. Аэробная стадия.
Кислород — это конечный акцептор восстановительного потенциала, возникающего при окислении органических молекул.
_______________
Источник информации:
1. Биология человека в диаграммах / В.Р. Пикеринг — 2003.
2. Биология для поступающих в вузы / Г.Л. Билич, В.А. Крыжановский. — 2008.