Терміни і поняття: клітинне дихання, цикл трикарбонових кислот, окисне фосфорилювання, дихальний ланцюг
Кисневий (аеробний) етап енергетичного обміну. Як уже зазначалося, енергетичний обмін речовин у організмів, що не можуть жити в безкисневих умовах, відбувається у три етапи. Найголовнішим вважають третій етап — окиснення карбоно-вмісних органічних речовин. Саме тоді клітина запасає найбільшу кількість енергії. Така висока ефективність клітинного дихання стала причиною того, що всі еволюційно розвинуті організми (тварини, гриби та рослини) виявилися просто нездатними повноцінно жити в безкисневому середовищі. Таку здатність мають лише примітивні одноклітинні істоти — бактерії, хоча й не всі.
Аеробний етап енергетичного обміну називають клітинним (інколи тканинним) диханням. При цьому спершу відбувається окиснення Оксигеном піровиноградної кислоти, утвореної в результаті гліколізу, до С02 та Н20. Ці дві прості неорганічні речовини є кінцевими продуктами енергетичного обміну. У такий самий спосіб можуть окиснюватися й інші органічні молекули, наприклад амінокислоти.Однак у цьому випадку, крім С02 і Н20 будуть утворюватися прості нітрогенуміснінеорганічні речовини, наприклад амоніак NHV
Клітинне дихання — це сукупність складних хімічних перетворень, що контролюються ферментами. Цей процес в еукаріотних організмів відбувається в мітохондріях, а в бактерій — на внутрішнійповерхні клітинної мембрани (іл. 17.1) Як ігліколіз, клітинне дихання є багатоетапнимпроцесом, і кожна його стадія супроводжується виділенням енергії з наступним накопиченням її під час синтезу молекул АТФ.
Іл. 17.1. Третій етап енергетичного обміну, що відбувається в мітохондріях, завершується синтезом36 молекул АТФ
Цикл трикарбонових кислот — один із двох ключових етапів клітинного дихання. Хімічні перетворення під час клітинного дихання мають вигляд низки окисню-вальних реакцій органічних кислот, щоскладаються з трьох, а інколи й двох атомів Карбону. Процес починається зі сполук,що утворюються з молекул піровиноградної кислоти. Далі хімічні перетворення йдуть циклічно — ніби за колом. Ця сукупність хімічних реакцій отримала назву цикл трикарбонових кислот, або за ім’ям їїпершовідкривача, німецького біохіміка Ханса Кребса (1900-1981) — цикл Кребса(іл. 17.2). Ці послідовні перетворення органічних кислот в еукаріотів відбуваютьсяу матриксі мітохондрій, а в бактерій — у цитоплазмі. Наслідком реакцій є утворення двох молекул карбон(ІУ) оксиду, вивільнення електронів і синтез кількох енер-говмісних речовин, що еквівалентні 12 молекулам АТФ.
Цикл Кребса вважають центральним у метаболізмі будь-якої еукаріотної клітини і не лише тому, що він зв’язує між собою різні етапи енергетичного обміну, а
й тому, що під час цього циклу утворюється ціла низка органічних молекул. Саме з цихмолекул згодом синтезуються важливі дляжиття клітини сполуки — наприклад амінокислоти, а тому цикл також має безпосередній стосунок до пластичного обміну.
Окисне фосфорилювання — ключовий процес енергетичного обміну. Електрони, що вивільняються в хімічних перетвореннях у циклі Кребса, передаються до дихального ланцюга, який є сукупністю ферментів, що розташовані на внутрішній мембрані мітохондрій і транспортують електрони.Під час транспорту електронів вивільняється енергія, яка слугує для синтезу АТФ з молекул АДФ і H3PO4 — відбувається процес,який має назву окисне фосфорилювання. Урезультаті вільний Оксиген, який потрапляєдо мітохондрій ззовні, приєднує до себе подва електрони та два йони Н+ і перетворюється на молекули води.
Іл. 17.2. Спрощена схема циклу Кребса — першого етапу клітинного дихання, що настає після гліколізу та є перетворенням кислот, вуглеводневий ланцюг яких кладається із трьохатомів Карбону
Наслідки енергетичного обміну. Підраховано, що внаслідок окиснення двох молекул піровиноградної кислоти під час клітинного дихання утворюється 36 молекул АТФ (3). Отже, загалом під час розщеплення однієї молекули глюкози (4)утворюється 38 молекул АТФ. З них лише 2 молекули синтезуються під час без-кисневого розщеплення.
Слід зазначити, що енергія для окисного фосфорилювання вивільняється за рахунок розщеплення не лише вуглеводів, але й інших органічних речовин, зокрема різноманітних трикарбонових кислот, амінокислот, жирів. Причому в різних типівтканин джерелом енергії можуть слугувати різні речовини: наприклад, у нервовійтканині — це винятково молекули глюкози.
Отже, клітинне дихання — це дуже енергетично вигідний процес. У цьому нескладно переконатися самому. Якщо вам де-небудь трапиться жаба, то поспостерігайте за нею. Перший стрибок переляканої тварини довгий, другий — відразу після приземлення — майже такий самий, третій — уже через деякий час — коротший. Далі паузи між стрибками стають тривалішими, а самі стрибки коротшають. Тактриватиме доти, доки жаба взагалі не зможе рухатися. Чому? Причиною всього є недосконале легеневе дихання амфібій. Під час інтенсивної роботи м'язам починає невистачати кисню і клітини перемикаються на процес гліколізу. М'язи швидко витрачають свій запас глюкози і втрачають здатність скорочуватися.
Найбільш енергетично вигідним етапом енергетичного обміну є клітинне дихання. яке складається з двох етапів: циклу Кребса та окисного фосфорилюван-
ня. На цих етапах синтезується 36 молекул АТФ із 38, що утворюються за розщеплення однієї молекули глюкози
1. Усі високорозвинені організми не можуть жити в середовищі, позбавленому Оксигену. Чому? 2. Які хімічні процеси відбуваються під час циклу Кребса? 3. Чому цикл Кребса вважають головною ланкою метаболізму будь-якої еука-ріотної клітини? 4. Що таке дихальний ланцюг? 5. На якому етапі енергетичногообімну клітина запасає найбільше енергії?
• Чи правильним буде твердження, що мітохондрії — це теплові станції клітини?
Це матеріал з підручника Біологія 9 клас Межжерін