Какие продукты реакции образуются при аэробном дыхании вода углекислый
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
Преимущества аэробного метаболизма перед анаэробным
Все организмы можно разделить на аэробные (способные жить при высоких концентрациях кислорода) и анаэробные (живут в бескислородных условиях, для них кислород является ядом). Для облигатных анаэробов кислород смертелен даже в очень низких концентрациях, а факультативные анаэробы способны жить как в присутствии, так и в отсутствие кислорода, переключаясь между двумя разными типами метаболизма.
Молекулярный кислород — очень активный окислитель, способный повреждать практически все биомолекулы — ДНК, РНК, белки, липиды мембран и т.д. Поэтому клетки аэробов и факультативных анаэробов имеют специальные системы защиты от токсического действия кислорода (особые ферменты, а также вещества-антиоксиданты, “принимающие на себя удар” кислородного окисления). Клетки облигатных анаэробов таких систем лишены.
Почему же, несмотря на токсическое действие кислорода, аэробный метаболизм выгоден и дает эволюционные преимущества?
В процессах анаэробного метаболизма полное окисление органики до СО2 и Н2О невозможно, так как для этого нет достаточно хорошего окислителя. Поэтому в результате анаэробных процессов катаболизма — брожений — всегда получаются какие-то недоокисленные органические продукты (молочная кислота, масляная кислота, этиловый спирт и т.д.). Наличие же в окружающей среде кислорода позволяет разорвать все С-С-связи в органическом субстрате, окислить его до СО2 и Н2О и получить максимальное количество энергии.
В присутствии кислорода НАД∙Н не отдаёт атомы водорода на продукты гликолиза, как это происходит при брожении. Вместо этого имеет место дальнейшее окисление пировиноградной кислоты до СО2 и Н2О (полное окисление органики). При этом выделяется гораздо больше энергии, чем в процессе анаэробного (бескислородного) окисления. Так происходит потому, что молекулярный кислород является хорошим окислителем, поэтому в реакциях кислородного окисления выделяется много энергии. Это известно вам из бытового опыта — реакцией кислородного окисления органики является и реакция горения. При этом выделяется энергия в виде тепла и света.
Суммарная реакция кислородного дыхания и горения одинакова.
Пример реакции окисления глюкозы при горении и дыхании:
$C_{6}H_{12}O_{6} + 6O_{2} Rightarrow 6CO_{2} + 6H_{2}O + Q$
Разница между дыханием и горением в том, что окисление органики в клетках осуществляется постадийно и выделение энергии происходит порциями, для того чтобы можно было запасти существенную часть ее в виде АТФ. Тепло также выделяется, но живые организмы не могут использовать тепло для совершения полезной работы и процессов анаболизма (синтеза), поэтому тепло рассеивается, а основной полезной формой запасания выделившейся энергии является АТФ.
В эукариотических клетках процесс аэробного (кислородного) окисления происходит в митохондриях. У аэробных прокариот это происходит на мембране клетки.
1. ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ ПИРУВАТА
На первом этапе в матриксе митохондрий от пировиноградной кислоты (С3) отщепляется молекула $CO_2$, при этом образуется остаток уксусной кислоты (ацетил), который присоединяется к специальной молекуле-переносчику — коферменту А (КоА). Образуется ацетил-КоА. Он несет два атома С в виде ацетильного остатка, так как один из атомов С3-соединения — пирувата — уже ушёл в виде $CO_2$. В ацетил-КоА превращаются при окислении в митохондриях и жирные кислоты, и ряд аминокислот. Это окислительный процесс, при этом образуется 1 молекула восстановленного НАДН.
$С_{3}Н_{4}О_{3} + КоА + НАД^{+} Rightarrow СО_{2} + Ацетил-КоА + НАД*Н + Н^{+}$
2. ЦИКЛ КРЕБСА
Дальнейший путь окисления является общим практически для всех энергетических субстратов, а не только для углеводов. Он носит название цикл ди- и трикарбоновых кислот или, по имени его открывателя, цикл Кребса.
Первоначально двухуглеродный (С2) ацетильный остаток из ацетил-КоА переносится на щавелевоуксусную кислоту (С4) с образованием 6-углеродной (С6) лимонной кислоты. Она окисляется в ряде последовательных реакций путём переноса её водородов на молекулы $НАД^+$ или других переносчиков и отщепления окисленных атомов углерода в виде 2 молекул СО2. В ходе этого процесса синтезируется ещё 1 молекула АТФ или ГТФ. В конце этого процесса образуется молекула щавелевоуксусной кислоты, которая снова вступает в цикл.
Таким образом, продуктами цикла Кребса являются:
2 молекулы углекислого газа,
3 молекулы НАД∙Н и
1 молекула восстановленного переносчика, называемого ФАД∙Н2.
Кроме того, по одной молекуле НАД∙Н образовалось при окислении в гликолизе и при окислении пировиноградной кислоты в ацетил-КоА. Так как при окислении 1 молекулы глюкозы образовалось две молекулы пирувата, это количество надо умножить на два.
Таким образом, полное аэробное окисление 1 молекулы глюкозы приводит к образованию:10 молекул НАД∙Н,
2 молекул ФАД∙Н2 и
4 молекул АТФ.
Результатом цикла Кребса является полное окисление углеродного скелета пищевого субстрата до $CO_2$ и $H_{2}O$. Катаболизм органических соединений на этом завершён. Однако остается задача окисления переносчиков водорода (НАДН), накопивших водород, и получения энергии в виде АТФ.
ТРАНСПОРТ ЭЛЕКТРОНОВ И СИНТЕЗ АТФ
1. ЭЛЕКТРОНТРАНСПОРТНАЯ (ДЫХАТЕЛЬНАЯ) ЦЕПЬ
На внутренней мембране митохондрии атомы водорода, накопившиеся в процессе биологического окисления на молекулах переносчиков, отдают свои электроны, превращаясь в протоны. Электроны через цепь специальных белков переносятся на молекулярный кислород, в результате чего образуется вода.
Система белков-переносчиков электронов называется электронтранспортной цепью, а сами такие белки — цитохромами. Присоединяя электроны из электронтранспортной цепи и ионы водорода из среды, молекулярный кислород превращается в воду.
Перенос электронов по электронтранспортной цепи сопровождается переносом ионов водорода через внутреннюю мембрану митохондрии из матрикса в межмембранное пространство. Окисление одной молекулы НАД∙Н приводит к переносу 10 ионов водорода.
В результате на внутренней мембране митохондрий формируется разность потенциалов (протоны скопились в межмембранном пространстве). Таким образом энергия восстановленных переносчиков превращается в электрическую энергию — энергию мембранного потенциала. Это важнейшая форма существования энергии в клетке, наряду с энергией химических связей и тепловой энергией.
2. СИНТЕЗ АТФ
Превращение энергии мембранного потенциала в энергию АТФ осуществляет сложный белковый комплекс, называемый АТФ-синтазой. На электронных микрофотографиях высокого разрешения АТФ-синтаза видна на кристах митохондрий в виде грибовидных тел. 
В этом комплексе есть канал, по которому ионы водорода по электрическому потенциалу проходят внутрь (в матрикс) митохондрии из межмембранного пространства, а энергия их потока используется для обеспечения реакции присоединения фосфата к АДФ с образованием АТФ (фосфорилирование АТФ). Это происходит подобно тому, как на гидроэлектростанциях энергия пассивно падающей с высоты плотины воды, которая движет лопасти турбин, превращается в электрическую энергию.
Для синтеза одной молекулы АТФ необходимо перенести три протона, поэтому окисление 1 молекулы НАД∙Н даёт три молекулы АТФ, одной молекулы ФАД∙Н2 – 2 молекулы АТФ. Суммарно окисление одной молекулы глюкозы может дать 38 молекул АТФ. Часть высвобожденной энергии выделяется в виде тепла.
Источник
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