Реферат: Клеточное дыхание

КЛЕТОЧНОЕ ДЫХАНИЕ

Основными процессами, обеспечивающими клеткуэнергией, являются фотосинтез, хемосинтез, дыхание, брожение и гликолиз какэтап дыхания.

С кровью кислород проникает в клетку, вернее вособые клеточные структуры – митохондрии. Они есть во всех клетках, заисключением клеток бактерий, сине-зеленых водорослей и зрелых клеток крови(эритроцитов). В митохондриях кислород вступает в многоступенчатую реакцию сразличными питательными веществами – белками, углеводами, жирами и др. Этотпроцесс называется клеточным дыханием. В результате выделяется химическаяэнергия, которую клетка запасает в особом веществе – аденозинтрифосфорнойкислоте, или АТФ. Это универсальный накопитель энергии, которую организм тратитна рост, движение, поддержание своей жизнедеятельности.

Дыхание – это окислительный, с участием кислородараспад органических питательных веществ, сопровождающийся образованиемхимически активных метаболитов и освобождением энергии, которые используютсяклетками для процессов жизнедеятельности.

Общее уравнение дыхания имеет следующий вид:

Где Q=2878 кДж/моль.

Но дыхание, в отличие от горения, процессмногоступенчатый. В нем выделяют две основные стадии: гликолиз и кислородныйэтап.

Драгоценная для организма АТФ образуется не только вмитохондриях, но и в цитоплазме клетки в результате гликолиза (от греч.«гликис» — «сладкий» и «лисис» – «распад»). Гликолиз не являетсямембранозависимым процессом.  Онпроисходит в цитоплазме. Однако ферменты гликолиза связаны со структурамицитоскелета.

Гликолиз – процесс очень сложный. Это процессрасщепления глюкозы под действием различных ферментов, который не требуетучастия кислорода. Для распада и частичного окисления молекулы глюкозынеобходимо согласованное протекание одиннадцати последовательных реакций. Пригликолизе одна молекула глюкозы дает возможность синтезировать две молекулыАТФ. Продукты расщепления глюкозы могут затем вступать в реакцию брожения,превращаясь в этиловый спирт или молочную кислоту. Спиртовое брожениесвойственно дрожжам, а молочнокислое – свойственно клеткам животных и некоторыхбактерий. Многим аэробным, т.е. живущим исключительно в бес кислородной среде,организмам хватает энергии, образующейся в результате гликолиза и брожения. Ноаэробным организмам необходимо дополнить этот небольшой запас, причем весьмасущественно.

Продукты расщепления глюкозы попадают в митохондрию.Там от них сначала отщепляется молекула углекислого газа, который выводится изорганизма при выходе. «Дожигание» происходит в так называемом цикле Кребса(приложение №1) (по имени описавшего его английского биохимика) –последовательной цепи реакций. Каждый из участвующих в ней ферментов вступает всоединения, а после нескольких превращений вновь освобождается в первоначальномвиде. Биохимический цикл вовсе не бесцельное хождение по кругу. Он больше схожс паромом, который снует между двумя берегами, но в итоге люди и машиныдвижутся в нужном направлении. В результате совершающихся в цикле Кребсареакций синтезируются дополнительные молекулы АТФ, отщепляются дополнительныемолекулы углекислого газа и атомы водорода.

Жиры тоже участвуют в этой цепочке, но ихрасщепление требует времени, поэтому если энергия нужна срочно, то организмиспользует не жиры, а углеводы. Зато жиры – очень богатый источник энергии.Могут окислятся для энергетических нужд и белки, но лишь в крайнем случае,например при длительном голодании. Белки для клетки – неприкосновенный запас.

Главный по эффективности процесс синтеза АТФпроисходит при участии кислорода в многоступенчатой дыхательной цепи. Кислородспособен окислять многие органические соединения и при этом выделять многоэнергии сразу. Но такой взрыв для организма был бы губителен. Роль дыхательнойцепи и всего аэробного, т.е. связанного с кислородом, дыхания состоит именно втом, чтобы организм обеспечивался энергией непрерывно и небольшими порциями – втой мере, в какой мере это организму нужно. Можно провести аналогию с бензином:разлитый по земле и подожженный, он мгновенно вспыхнет без всякой пользы. А вавтомобиле, сгорая понемногу, бензин будет несколько часов совершать полезнуюработу. Но для этого такое сложное устройство, как двигатель.

Дыхательная цепь в совокупности с циклом Кребса игликолизом позволяет довести «выход» молекул АТФ с каждой молекулы глюкозы до 38. А ведь при гликолизе этосоотношение было лишь 2:1. Таким образом, коэффициент полезного действияаэробного дыхания намного больше.

Механизм синтеза АТФ при гликолизе относительнопрост и может без труда быть воспроизведен в пробирке. Однако никогда неудавалось лабораторно смоделировать дыхательный синтез АТФ. В 1961 годуанглийский биохимик Питер Митчел высказал предположение, что ферменты – соседипо дыхательной цепи – соблюдают не только строгую очередность, но и четкий порядок в пространстве клетки.Дыхательная цепь, не меняя своего порядка, закрепляется во внутренней оболочке(мембране) митохондрии и несколько раз «прошивает» ее будто стежками. Попыткивоспроизвести дыхательный синтез АТФ потерпели неудачу, потому что рольмембраны исследователями недооценивались. А ведь в реакции участвуют ещеферменты, сосредоточенные в грибовидных наростах на внутренней сторонемембраны. Если эти наросты удалить, то АТФ синтезироваться не будет.

Дыхание, приносящее вред.

Молекулярный кислород – мощный окислитель. Но каксильнодействующее лекарство, он способен давать и побочные эффекты. Например,прямое взаимодействие кислорода с липидами вызывает появление ядовитыхперекисей и нарушает структуру клеток. Активные соединения кислорода могутповреждать также белки и нуклеиновые кислоты.

Почему же не происходит отравления этими ядами?Потому, что им есть противоядие. Жизнь возникла в отсутствие кислорода, ипервые существа на Земле были анаэробными. Потом появился фотосинтез, акислород как его побочный продукт начал накапливаться в атмосфере. В те временаэтот газ был опасен для всего живого. Одни анаэробы погибли, другие нашлибескислородные уголки, например, поселившись в комочках почвы; третьи сталиприспосабливаться и меняться. Тогда-то и появились механизмы, защищающие живуюклетку от беспорядочного окисления. Это разнообразные вещества: ферменты, в томчисле разрушитель вредоносной перекиси водорода – катализа, а также многиедругие небелковые соединения.

Дыхание вообще сначала появилось, как способ удалятькислород из окружающей организм атмосферы и лишь потом стало источникомэнергии. Приспособившиеся к новой среде анаэробы стали аэробами, получивогромные преимущества. Но скрытая опасность кислорода для них все жесохранилась. Мощность антиокислительных «противоядий» небезгранична. Вот почемув чистом кислороде, да еще под давлением, все живое довольно скоро погибает.Если же клетка окажется повреждена каким-либо внешним фактором, то защитныемеханизмы обычно отказывают в первую очередь, и тогда кислород начинает вредитьдаже при обычной атмосферной концентрации