Какие продукты реакции образуются при аэробном дыхании
Аэробное дыхание. Особенности аэробного дыхания. Цикл Кребса.
При аэробном дыхании образующаяся в процессе гликолиза пировиноградная кислота в конечном итоге полностью окисляется кислородом до СО2 и воды. В первой фазе пировиноградная кислота расщепляется с образованием СO2 и водорода. Этот процесс протекает в матриксе митохондрий и включает в себя последовательность реакций, называемую циклом Кребса. Во второй фазе отщепившийся водород через ряд окислительно-восстановительных реакций — в так называемой дыхательной цепи — окисляется в конечном счете молекулярным кислородом до воды. Это происходит на так называемых кристах (гребневидных складках внутренней мембраны митохондрий).
Начальные этапы аэробного дыхания представлены на рисунке.
Переходный этап между гликолизом и циклом Кребса
Каждая молекула пировиноградной кислоты поступает в матрикс митохондрий и здесь — в виде ацетильной группы (СН3СОО—) — соединяется с веществом, которое называется коферментом А (или сокращенно КоА), в результате чего образуется ацетилкофермент А (ацетил-КоА). Ацетильная группа содержит два атома углерода (2С), поэтому для того чтобы она могла образоваться, пировиноградная кислота (ЗС) должна угратить атом углерода.
Отщепление атома углерода в виде С02 называется реакцией декарбоксилирования. Это — окислительное декарбоксилирование, поскольку оно сопровождается окислением путем дегидрирования, в результате чего образуется восстановленный НАД.
Цикл Кребса
Этот цикл назван так в честь открывшего его в 1930-х годах исследователя — сэра Ганса Кребса. Его называют также «циклом трикарбоновых кислот» и «циклом лимонной кислоты», поскольку именно эти кислоты в нем участвуют.
Цикл Кребса протекает в матриксе митохондрий. Ацетильные группы (2С) вовлекаются в цикл, присоединяясь к 4С-соединению — щавелевоуксусной кислоте, в результате чего образуется лимонная кислота (6С). Далее следует цикл реакций, в которых поступившие в цикл ацетильные группы декарбоксилируются с образованием двух молекул СO2 и дегидрируются с высвобождением четырех пар атомов водорода, присоединяющихся к переносчикам, в результате чего образуются три молекулы восстановленного НАД и одна молекула восстановленного ФАД. Каждый оборот цикла дает также одну молекулу АТФ. (Напомним, что из одной молекулы глюкозы образуются две ацетильные группы, и значит, для окисления каждой молекулы глюкозы требуются два оборота цикла.) В конце цикла щавеле-воуксусная кислота регенерирует и может теперь присоединить к себе новую ацетильную группу.
Общий баланс аэробного дыхания на этом этапе приведен в таблице.
Суммарное уравнение может быть записано в следующем виде:
Весь водород из молекулы глюкозы оказывается в конечном счете у переносчиков (НАД и ФАД). Весь углерод теряется в виде С02. (Может вызвать удивление присутствие в этом уравнении шести молекул воды. Вода нужна в качестве источника кислорода в реакциях декарбоксили-рования — именно такое происхождение имеет часть кислорода в СO2. Это, впрочем, деталь, которую можно и не учитывать.)
Рекомендуем видео цикл Кребса простым понятным языком
Скачать данное видео и просмотреть с другого видеохостинга можно на странице: Здесь.
– Также рекомендуем “Дыхательная цепь и окислительное фосфорилирование.”
Оглавление темы “Энергообмен клетки.”:
1. Использование энергии. Понятие о дыхании.
2. Структура АТФ. Значение АТФ.
3. Дыхательные субстраты клетки. Основные реакции клеточного дыхания.
4. Гликолиз. Что такое гликолиз?
5. Аэробное дыхание. Особенности аэробного дыхания. Цикл Кребса.
6. Дыхательная цепь и окислительное фосфорилирование.
7. Анаэробное дыхание. Характеристика анаэробного дыхания.
8. Сравнение аэробного и анаэробного дыхания.
9. Кислородная задолженность и непосредственный эффект от мышечной нагрузки.
10. Гликоген и молочная кислота. Система гликоген-молочная кислота.
Источник
Определение
Аэробное дыхание – это процесс, при котором организмы используют кислород для превращения топлива, такого как жиры и сахара, в химическую энергию. По сравнению, анаэробное дыхание не использует кислород.
Дыхание используется всеми клетками для превращения топлива в энергию, которая может использоваться для питания клеточных процессов. Продукт дыхания является молекула называется аденозинтрифосфатом (АТФ), который использует энергию, запасенную в его фосфатных связях, для запуска химических реакций. Его часто называют «валютой» клетка.
Аэробное дыхание намного эффективнее, и вырабатывает АТФ намного быстрее, чем анаэробное дыхание, Это потому, что кислород является отличным акцептором электронов для химических реакций, участвующих в производстве АТФ.
В процессе гликолиза две молекулы АТФ потребляются и четыре производятся. Это приводит к чистому усилению двух молекул АТФ, продуцируемых для каждой молекулы сахара, расщепленной в результате гликолиза. На этом сходство аэробного и анаэробного дыхания заканчивается.
В клетках с кислородом и аэробным дыханием молекула сахара распадается на две молекулы пируват, В клетках, которые не имеют кислорода, молекула сахара расщепляется на другие формы, такие как лактат.
Различия
После гликолиза различные химические процессы дыхания могут идти несколькими путями:
- Клетки, использующие аэробное дыхание, продолжают свою цепочку переноса электронов в высокоэффективном процессе, который в результате дает 38 молекул АТФ из каждой молекулы сахара.
- Клетки, которые лишены кислорода, но обычно не используют анаэробное дыхание, как наши мускул клетки могут оставлять конечные продукты гликолиза сидя, получая только две АТФ на молекулу сахара, которую они расщепляют. Это неэффективный метод получения энергии дыханием.
- Клетки, которые сделаны для анаэробного дыхания, такие как многие типы бактерии, может продолжить цепочку переноса электронов, чтобы извлечь больше энергии из конечных продуктов гликолиза.
После гликолиза клетки, которые не используют кислород для дыхания, но переходят в цепь переноса электронов, могут использовать другой акцептор электронов, такой как сульфат или нитрат, для продвижения своей реакции.
Эти процессы представляют собой тип анаэробного дыхания, называемого «ферментация «. Некоторые типы реакций брожения производят алкоголь и углекислый газ. Вот как алкогольные напитки и хлеб сделаны.
Аэробное дыхание, с другой стороны, отправляет остатки пирувата после гликолиза по совершенно другому химическому пути, этапы которого подробно обсуждаются ниже.
Шаги Аэробного Дыхания
Общее уравнение
Уравнение для аэробного дыхания описывает реагенты и продукты всех его стадий, включая гликолиз. Это уравнение:
1 глюкоза + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 38 АТФ
Таким образом, 1 молекула шестиуглеродной глюкозы и 6 молекул кислорода превращаются в 6 молекул углекислого газа, 6 молекул воды и 38 молекул АТФ. Реакции аэробного дыхания можно разбить на четыре стадии, описанные ниже.
гликолиз
Гликолиз является первой стадией аэробного дыхания и происходит в цитоплазма клетки. Он включает в себя расщепление 1 молекулы сахара с шестью углеродами на две молекулы пирувата с тремя углеродами. Этот процесс создает две молекулы АТФ.
Общее уравнение выглядит следующим образом:
C6H12O6 + 2 ADP + 2 PI + 2 NAD + → 2 Пируват + 2 ATP + 2 NADH + 2 H + + 2 H2O
Этот процесс уменьшает кофактор NAD + до NADH. Это важно, так как позже в процессе клеточное дыхание, NADH будет способствовать формированию гораздо большего количества АТФ через митохондрии «s цепь переноса электронов.
На следующей стадии пируват перерабатывают для превращения его в топливо для цикла лимонной кислоты, используя процесс окислительного декарбоксилирования.
Окислительное декарбоксилирование пирувата
2 (Пируват– + Коэнзим A + NAD + → Ацетил-КоА + CO2 + NADH)
Окислительное декарбоксилирование, иногда называемое реакцией связи или реакцией перехода, является связующим звеном между гликолизом и циклом лимонной кислоты. Это, как и гликолиз, происходит в цитоплазме. В этом процессе пируват объединяется с коферментом А для получения ацетил-КоА.
Эта реакция перехода важна, потому что ацетил-КоА является идеальным топливом для цикла лимонной кислоты, который, в свою очередь, может привести в действие процесс окислительного фосфорилирования в митохондриях, которые производят огромное количество АТФ.
Больше NADH также создано в этой реакции. Это означает больше топлива для создания большего количества АТФ позже в процессе клеточного дыхания.
Цикл лимонной кислоты
2 (ACETYL COA + 3 NAD + + FAD + ADP + PI → CO2 + 3 NADH + FADH2 + ATP + H + + COENZYME A)
Реакция происходит дважды для каждой молекулы глюкозы, поскольку существует два пирувата и, следовательно, две молекулы ацетил-КоА, генерируемые для входа в цикл лимонной кислоты.
И NADH, и FADH2 – еще один переносчик электронов для цепи переноса электронов – созданы. Все NADH и FADH2, созданные на предыдущих этапах, теперь вступают в игру в процессе окислительного фосфорилирования.
Таким образом, в каждом цикле цикла два атома углерода вступают в реакцию в форме ацетил-КоА. Они производят две молекулы углекислого газа. Реакции генерируют три молекулы NADH и одну молекулу FADH. Одна молекула АТФ производится.
Окислительного фосфорилирования
Окислительное фосфорилирование является основной энергией, обеспечивающей стадию аэробного дыхания. Он использует свернутые мембраны в митохондриях клетки для производства огромного количества АТФ.
34 (ADP + PI + NADH + 1/2 O2 + 2H + → ATP + NAD + + 2 H2O)
В этом процессе NADH и FADH2 отдают электроны, полученные ими из глюкозы на предыдущих этапах клеточного дыхания, в цепь транспорта электронов в мембране митохондрий.
Цепочка переноса электронов состоит из ряда белковые комплексы которые встроены в митохондриальную мембрану, включая комплекс I, Q, комплекс III, цитохром С и комплекс IV.
Все это в конечном итоге служит для передачи электронов с более высоких на более низкие энергетические уровни, собирая энергию, выделяемую в процессе. Эта энергия используется для питания протонных насосов, которые приводят к образованию АТФ.
Так же, как натриево-калиевый насос клеточная мембрана протонные насосы митохондриальной мембраны используются для генерации градиент концентрации которые могут быть использованы для питания других процессов.
Протоны, которые транспортируются через мембрану, используя энергию, собранную от NADH и FADH2, «хотят» проходить через канальные белки из их области высокой концентрации в их область низкой концентрации.
В частности, белки канала представляют собой синтез АТФ, которые являются ферментами, которые производят АТФ. Когда протоны проходят через АТФ-синтаза они управляют образованием АТФ.
Именно поэтому этот процесс называют митохондриями «электростанциями клетки». Цепочка переноса электронов в митохондриях составляет почти 90% всех АТФ, образующихся в клетке, в результате расщепления пищи.
Это также шаг, который требует кислорода. Без молекул кислорода, чтобы принять истощенные электроны в конце цепи переноса электронов, электроны отступили бы, и процесс создания АТФ не мог бы продолжаться.
Аэробное дыхание – вот почему нам нужны и пища, и кислород, поскольку оба они необходимы для выработки АТФ, который позволяет нашим клеткам функционировать. Мы вдыхаем O2 и выдыхаем одинаковое количество молекул CO2. Откуда появился атом углерода? Это происходит от пищи, такой как сахар и жир, которую вы съели.
Именно поэтому вы дышите тяжелее и быстрее, выполняя сжигание калорий. Ваше тело использует кислород и сахар с большей скоростью, чем обычно, и вырабатывает больше АТФ для питания ваших клеток, а также больше отходов CO2.
Хотя наши клетки обычно используют кислород для дыхания, когда мы используем АТФ быстрее, чем доставляем молекулы кислорода в наши клетки, наши клетки могут выполнять анаэробное дыхание, чтобы удовлетворить свои потребности в течение нескольких минут.
Интересный факт: накопление лактата в результате анаэробного дыхания является одной из причин, почему мышцы могут чувствовать боль после интенсивные упражнения!
викторина
Список используемой литературы
Показать спрятать
Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S.L., et al. Молекулярно-клеточная биология. 4-е издание. Нью-Йорк: У. Х. Фриман; 2000. Доступно по адресу: //www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21475/
Источник
Сравнение аэробного и анаэробного дыхания.
При аэробном дыхании на каждую окисленную молекулу глюкозы образуется 38 молекул АТФ.
С6Н1206 + 602———–> 6С02 + 6Н20 + 38АТФ
Общее количество энергии, высвобождаемой при полном окислении глюкозы, составляет 2880 кДж на 1 моль.
В одном моле АТФ заключено 30,6 кДж.
В 38 молях АТФ заключено 30,6 х38 = 1162,8 кДж.
Таким образом, эффективность превращения энергии при аэробном дыхании составляет: 1162,8/2880 = 40,4%.
Анаэробное дыхание
1. ДРОЖЖИ (СПИРТОВОЕ БРОЖЕНИЕ). При спиртовом брожении на каждую молекулу глюкозы образуются две молекулы АТФ.
Глюкоза————> 2Этанол + 2С02 + 2АТФ
Общее количество энергии, высвобождаемой из глюкозы при ее превращении в этанол, составляет 210 кДж на 1 моль.
В двух молях АТФ заключено 2 х30,6 = 61,2 кДж.
Следовательно, эффективность превращения энергии при спиртовом брожении составляет 61,2/210 = 29,1%.
2. МЫШЦЫ (МОЛОЧНОКИСЛОЕ БРОЖЕНИЕ). При молочнокислом брожении на каждую молекулу глюкозы образуются две молекулы АТФ.
Глюкоза———–> 2Молочная кислота + 2АТФ
Общее количество энергии, высвобождаемой из глюкозы при ее превращении в молочную кислоту, составляет 150 кДж на 1 моль.
Таким образом, эффективность превращения энергии при молочнокислом брожении составляет 61,2/150 = 40,8%.
Приведенные цифры показывают, что эффективность превращения энергии в каждой из этих систем довольно высокая по сравнению с бензиновым (25-30%) или паровым (8-12%) двигателями. Количество же энергии, запасаемое в виде АТФ при аэробном дыхании, в 19 раз больше, чем при анаэробном (38 молекул АТФ на одну молекулу глюкозы в первом случае и 2 молекулы АТФ — во втором). С этой точки зрения аэробное дыхание значительно эффективнее анаэробного. Связано это с тем, что при анаэробном дыхании значительная часть энергии остается «запертой» в этаноле или молочной кислоте. Энергия, заключенная в этаноле, так и остается для дрожжей навсегда недоступной и, значит, спиртовое брожение в смысле получения энергии — малоэффективный процесс. Из молочной же кислоты позднее может быть извлечено довольно большое количество энергии, если появится кислород. В присутствии кислорода молочная кислота превращается в печени в пировиноградную кислоту. Последняя поступает затем в цикл Кребса и полностью окисляется до С02 и Н2О, в результате чего дополнительно образуется большое количество молекул АТФ. Возможен и другой путь — за счет энергии АТФ из пировиноградной кислоты может вновь образоваться глюкоза в процессе, который представляет собой обращение гликолиза.
– Также рекомендуем “Кислородная задолженность и непосредственный эффект от мышечной нагрузки.”
Оглавление темы “Энергообмен клетки.”:
1. Использование энергии. Понятие о дыхании.
2. Структура АТФ. Значение АТФ.
3. Дыхательные субстраты клетки. Основные реакции клеточного дыхания.
4. Гликолиз. Что такое гликолиз?
5. Аэробное дыхание. Особенности аэробного дыхания. Цикл Кребса.
6. Дыхательная цепь и окислительное фосфорилирование.
7. Анаэробное дыхание. Характеристика анаэробного дыхания.
8. Сравнение аэробного и анаэробного дыхания.
9. Кислородная задолженность и непосредственный эффект от мышечной нагрузки.
10. Гликоген и молочная кислота. Система гликоген-молочная кислота.
Источник
Анаэробное дыхание. Характеристика анаэробного дыхания.
Анаэробное дыхание часто называют брожением. Многие микроорганизмы получают большую часть своего АТФ за счет анаэробного дыхания. Для некоторых бактерий кислород, даже в обычных присутствующих в атмосфере количествах, вообще губителен, так что они вынуждены жить там, где нет кислорода. Такие организмы называют облигатными анаэробами (пример — Clostridium tetani, возбудитель столбняка).
Известны и другие организмы, например дрожжи и паразиты кишечного тракта (ленточные черви и др.), которые могут существовать как без кислорода, так и и его присутствии. Их называют факультативными анаэробами: при необходимости они переходят на анаэробное дыхание, однако в присутствии кислорода используют аэробный путь. Некоторые клетки, временно испытывающие недостаток кислорода (в частности, мышечные клетки), также обладают способностью к анаэробному дыханию.
Первой фазой анаэробного дыхания тоже является гликолиз. Он дает в результате на каждую молекулу глюкозы две молекулы пировиноградной кислоты, две молекулы АТФ и две молекулы восстановленного НАД (см. табл. 9.1). При аэробном дыхании присоединившийся к НАД водород после ряда реакций, идущих с высвобождением энергии, передается в конце концов кислороду и окисляется до воды. При анаэробном дыхании это оказывается невозможным, поскольку кислорода нет. Вместо этого водород вновь присоединяется к пировиноградной кислоте, так что часть энергии, заключенной в молекуле глюкозы, так и не извлекается (остается в конечном продукте брожения). Ниже мы подробнее рассмотрим, как это происходит у грибов и в животных клетках.
Анаэробное дыхание у грибов, например у дрожжей
Пировиноградная кислота———> Ацетальдегид + СО2
Фермент: пируватдекарбоксилаза
Ацетальдегид + НАД • Н + Н+———> Этанол + НАД+
Фермент: алкогольдегидрогеназа
Итого: Пировиноградная кислота———> Этанол + СO2
Здесь приведены конечные этапы процесса, который носит название спиртового брожения. АТФ при спиртовом брожении образуется только на ранних его этапах — при расщеплении глюкозы до пировиноградной кислоты. Спиртовое брожение используется в производстве пива, вина и других спиртных напитков. В производстве хлебобулочных изделий используют выделяемый дрожжами в процессе спиртового брожения СОг — пузырьки этого газа заставляют подниматься тесто. Конечный продукт спиртового брожения — этанол — содержит еще довольно много энергии (в Бразилии, например, из него делают газохол, на котором ездят автомобили). Однако в отсутствие кислорода энергию из этанола извлечь нельзя.
Общий выход АТФ при спиртовом брожении составляет две молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы.
Анаэробное дыхание в животных клетках, например в мышечной ткани
Пировиноградная кислота + НАД * Н + Н+ —————-> Молочная кислота + НАД*
Фермент: лактатдегидрогеназа
В отличие от спиртового брожения ни СО2, ни этанол при молочнокислом брожении не образуются. Конечным продуктом в данном случае является молочная кислота, накопление которой в мышцах вызывает чувство усталости, а иногда и судороги. О кислородной задолженности, возникающей при усиленной мышечной работе, мы будем говорить в следующих статьях.
При молочнокислом брожении, так же как и при спиртовом, на одну молекулу глюкозы образуются две молекулы АТФ. В конечном его продукте — молочной кислоте — сохраняется еще много энергии.
Общая схема анаэробного дыхания приведена на рисунке.
– Также рекомендуем “Сравнение аэробного и анаэробного дыхания.”
Оглавление темы “Энергообмен клетки.”:
1. Использование энергии. Понятие о дыхании.
2. Структура АТФ. Значение АТФ.
3. Дыхательные субстраты клетки. Основные реакции клеточного дыхания.
4. Гликолиз. Что такое гликолиз?
5. Аэробное дыхание. Особенности аэробного дыхания. Цикл Кребса.
6. Дыхательная цепь и окислительное фосфорилирование.
7. Анаэробное дыхание. Характеристика анаэробного дыхания.
8. Сравнение аэробного и анаэробного дыхания.
9. Кислородная задолженность и непосредственный эффект от мышечной нагрузки.
10. Гликоген и молочная кислота. Система гликоген-молочная кислота.
Источник