§ 29. Энергетический обмен в клетке. Кислородным этап

Вопрос 1. Какой процесс называют дыханием?

Из окружающей среды организмы постоянно поглощают кислород, а выделяют углекислый газ. Этот процесс постоянного обмена газами (газообмен) между организмом и окружающей средой получил название дыхание.

Вопрос 2. Какое строение имеет биологическая мембрана?

Основу любой биологической мембраны образует двойной слой молекул фосфолипидов, расположенных таким образом, чтобы их нерастворимые в воде (гидрофобные) части были обращены друг к другу и формировали внутренний слой мембраны. Толщина двойного фосфолипидного слоя (бислоя) всего 6— 10 нм. В двойной слой липидов встроено множество молекул белков, которые могут в нём перемещаться. Они выполняют целый ряд важных функций.

Вопрос 3. Какое строение имеют митохондрии?

Митохондрии — это небольшие (1—7 мкм) округлые или вытянутые тельца. Каждая митохондрия образована двумя мембранами: внутренней и наружной. Наружная мембрана митохондрий гладкая, а внутренняя образует множество выступов и перегородок, которые называются кристами (это происходит потому, что площадь внутренней мембраны намного превышает площадь внешней). Внутреннее пространство этих органоидов называется матриксом.

В матриксе митохондрий находятся рибосомы, размер которых соответствует размеру рибосом прокариотов, а также кольцевая молекула ДНК. Поэтому митохондрии способны синтезировать некоторые собственные белки. Но информация о большинстве необходимых этому органоиду белков всё — таки хранится в геноме ядра.

Также в матриксе митохондрий содержится множество ферментов, которые расщепляют различные органические вещества — углеводы, липиды и аминокислоты — до С02 и Н20, а во внутренней мембране, в кристах располагаются компоненты дыхательной цепи, которые окисляют образующиеся при расщеплении органических веществ восстановительные эквиваленты (НАДН и ФАДН2), используя О2. В результате выделяющаяся энергия запасается в виде АТФ.

Вопрос 4. Откуда берётся энергия для синтеза АТФ из АДФ?

В результате работы дыхательной цепи митохондрий концентрация Н+ в межмембранном пространстве существенно превышает их концентрацию в матриксе, что создаёт направленный внутрь митохондрий градиент концентрации протонов. Мембрана митохондрий для них непроницаема. Энергия этого градиента используется ферментом АТФ — синтетазой, которая переносит в матрикс ионы Н+ и синтезирует АТФ из АДФ.

Вопрос 5. Какие этапы выделяют в энергетическом обмене?

I этап, подготовительный.

Сложные органические соединения распадаются на простые под действием пищеварительных ферментов, при этом выделяется только тепловая энергия.

Белки → аминокислоты

Жиры → глицерин и жирные кислоты

Крахмал → глюкоза

II этап, гликолиз (бескислородный).

Осуществляется в цитоплазме, с мембранами не связан. В нём участвуют ферменты; расщеплению подвергается глюкоза. 60 % энергии рассеивается в виде тепла, а 40 % — используется для синтеза АТФ. Кислород не участвует.

III этап, клеточное дыхание (кислородный).

Осуществляется в митохондриях, связан с матриксом митохондрий и внутренней мембраной. В нём участвуют ферменты, кислород. Расщеплению подвергается молочная кислота. СО2 выделяется из митохондрий в окружающую среду. Атом водорода включается в цепь реакций, конечный результат которых — синтез АТФ.

Вопрос 6. В чём различия энергетического обмена аэробов и анаэробов?

Все проявления жизни аэробов нуждаются в затрате энергии, пополнение которой происходит клеточном дыхании — сложном процессе, в который вовлечены многие ферментные системы.

Между тем, его можно представить как ряд последовательных реакций окисления — восстановления, при которых электроны отсоединяются от молекулы какого — либо питательного вещества и переносятся сначала на первичный акцептор, затем на вторичный и далее — до конечного. При этом энергия потока электронов накапливается в макроэргических химических связях (главным образом, фосфатных связях универсального источника энергии — АТФ). Для большинства организмов конечным акцептором электронов служит кислород, который, реагируя с электронами и ионами водорода, образует молекулу воды. Без кислорода обходятся лишь анаэробы, покрывающие свои энергетические потребности за счет брожения. К анаэробам относятся многие бактерии, ресничные инфузории, некоторые черви и несколько видов моллюсков. Эти организмы в качестве конечного акцептора электронов используют этиловый или бутиловый спирт, глицерин и др.

Преимущество кислородного, то есть аэробного типа энергетического обмена над анаэробным очевидно: количество энергии, выделяющееся при окислении питательного вещества кислородом, в несколько раз выше, чем при его окислении, например, пировиноградной кислотой (происходит при таком распространенном типе брожения, как гликолиз). Таким образом, благодаря высокой окислительной способности кислорода, аэробы эффективнее используют потребляемые питательные вещества, чем анаэробы. Вместе с тем, аэробные организмы могут существовать лишь в среде, содержащей свободный молекулярный кислород. В противном случае они погибают.

Вопрос 7. Во сколько раз клеточное дыхание эффективнее гликолиза в энергетическом плане?

В результате гликолиза «энергетическая прибыль» клетки составляет две молекулы АТФ, а в ходе клеточного дыхания образуется 36 молекул АТФ.

36 : 2 = 18.

Таким образом, клеточное дыхание эффективнее гликолиза в энергетическом плане в 18 раз.

Вопрос 8. Сравните процессы аэробного и анаэробного окисления. Ответ представьте в виде таблицы.

Вопрос 9. Почему при интенсивной физической работе появляется одышка? О чём это свидетельствует? Можно ли с этим бороться?

Организм стремится к балансу, а под воздействием физических нагрузок тканями расходуется больше кислорода. Одышка свидетельствует о проявлении дефицита кислорода в тканях тела.

Иногда, одышка — это нормальное явление, возникающее у неактивного или ненатринированного человека. После короткого отдыха все приходит в норму. Данная проблема может быть решена очень легко — Вам необходимо просто увеличить свою активность.

Но иногда одышка может быть симптомом, который характеризует развитие в организме определенной патологии (анемия, болезни легких, заболевания сердца и др.). Следует искать источник, который провоцирует её и бороться с этим заболеванием.

Вопрос 10. Известно, что при биологическом окислении 50 % энергии выделяется в виде теплоты. Почему она не повреждает чувствительные к нагреванию белки и другие вещества клетки? Ответ обоснуйте.

В отличие от горения дыхание представляет собой высокоупорядоченный процесс последовательно идущих реакций биологического окисления, осуществляемых с помощью ферментов. Поскольку ферментативные процессы окисления идут ступенчато, тепловая энергия выделяется не сразу, а постепенно и успевает рассеяться в окружающей среде. По этой причине не повреждаются чувствительные к нагреванию белки и другие вещества клетки.