КЛЕТОЧНОЕ ДЫХАНИЕОсновнымипроцессами, обеспечивающими клетку энергией, являются фотосинтез, хемосинтез,дыхание, брожение и гликолиз как этап дыхания.Скровью кислород проникает в клетку, вернее в особые клеточные структуры митохондрии.Они есть во всех клетках, за исключением клеток бактерий,сине-зеленых водорослей и зрелых клеток крови эритроцитов . В митохондрияхкислород вступает в многоступенчатую реакцию с различными питательнымивеществами белками, углеводами, жирами и др. Этот процесс называетсяклеточным дыханием.
В результате выделяется химическая энергия, которую клетказапасает в особом веществе аденозинтрифосфорной кислоте, или АТФ. Этоуниверсальный накопитель энергии, которую организм тратит на рост, движение,поддержание своей жизнедеятельности.Дыхание это окислительный, с участием кислорода распад органических питательныхвеществ, сопровождающийся образованием химически активных метаболитов иосвобождением энергии, которые используются клетками для процессов жизнедеятельности.Общееуравнение дыхания имеет следующий вид ГдеQ 2878 кДж моль.Нодыхание, в отличие от горения, процесс многоступенчатый.
В нем выделяют двеосновные стадии гликолиз и кислородный этап.ГликолизДрагоценнаядля организма АТФ образуется не только в митохондриях, но и в цитоплазме клеткив результате гликолиза от греч. гликис - сладкий и лисис распад . Гликолиз не является мембранозависимым процессом. Он происходит в цитоплазме. Однако ферментыгликолиза связаны со структурами цитоскелета.Гликолиз процесс очень сложный.
Это процесс расщепления глюкозы под действиемразличных ферментов, который не требует участия кислорода. Для распада ичастичного окисления молекулы глюкозы необходимо согласованное протеканиеодиннадцати последовательных реакций. При гликолизе одна молекула глюкозы даетвозможность синтезировать две молекулы АТФ. Продукты расщепления глюкозы могутзатем вступать в реакцию брожения, превращаясь в этиловый спирт или молочнуюкислоту.Спиртовое брожение свойственно дрожжам, а молочнокислое свойственноклеткам животных и некоторых бактерий.
Многим аэробным, т.е. живущимисключительно в бес кислородной среде, организмам хватает энергии, образующейсяв результате гликолиза и брожения. Но аэробным организмам необходимо дополнитьэтот небольшой запас, причем весьма существенно.Кислородный этап дыханияПродуктырасщепления глюкозы попадают в митохондрию. Там от них сначала отщепляетсямолекула углекислого газа, который выводится из организма при выходе.Дожигание происходит в так называемом цикле Кребса приложение 1 по имени описавшегоего английского биохимика последовательной цепи реакций.
Каждый изучаствующих в ней ферментов вступает в соединения, а после несколькихпревращений вновь освобождается в первоначальном виде. Биохимический цикл вовсене бесцельное хождение по кругу. Он больше схож с паромом, который снует междудвумя берегами, но в итоге люди и машины движутся в нужном направлении.Врезультате совершающихся в цикле Кребса реакций синтезируются дополнительныемолекулы АТФ, отщепляются дополнительные молекулы углекислого газа и атомыводорода.Жирытоже участвуют в этой цепочке, но их расщепление требует времени, поэтому еслиэнергия нужна срочно, то организм использует не жиры, а углеводы.
Зато жиры очень богатый источник энергии. Могут окислятся для энергетических нужд ибелки, но лишь в крайнем случае, например при длительном голодании.Белки дляклетки неприкосновенный запас.Главныйпо эффективности процесс синтеза АТФ происходит при участии кислорода вмногоступенчатой дыхательной цепи. Кислород способен окислять многиеорганические соединения и при этом выделять много энергии сразу. Но такой взрывдля организма был бы губителен.
Роль дыхательной цепи и всего аэробного, т.е.связанного с кислородом, дыхания состоит именно в том, чтобы организмобеспечивался энергией непрерывно и небольшими порциями в той мере, в какоймере это организму нужно.Можно провести аналогию с бензином разлитый по землеи подожженный, он мгновенно вспыхнет без всякой пользы.
А в автомобиле, сгораяпонемногу, бензин будет несколько часов совершать полезную работу. Но для этоготакое сложное устройство, как двигатель.Дыхательнаяцепь в совокупности с циклом Кребса и гликолизом позволяет довести выход молекул АТФ с каждой молекулы глюкозы до 38.А ведь при гликолизе это соотношение было лишь 1. Таким образом, коэффициентполезного действия аэробного дыхания намного больше.Как устроена дыхательная цепь?Механизмсинтеза АТФ при гликолизе относительно прост и может без труда бытьвоспроизведен в пробирке.
Однако никогда не удавалось лабораторно смоделироватьдыхательный синтез АТФ. В 1961 году английский биохимик Питер Митчел высказалпредположение, что ферменты соседи по дыхательной цепи соблюдают не только строгую очередность, но и четкий порядок впространстве клетки.Дыхательная цепь, не меняя своего порядка, закрепляется вовнутренней оболочке мембране митохондрии и несколько раз прошивает ее будтостежками.
Попытки воспроизвести дыхательный синтез АТФ потерпели неудачу,потому что роль мембраны исследователями недооценивались. А ведь в реакцииучаствуют еще ферменты, сосредоточенные в грибовидных наростах на внутреннейстороне мембраны. Если эти наросты удалить, то АТФ синтезироваться не будет.Дыхание,приносящее вред.Молекулярныйкислород мощный окислитель.Но как сильнодействующее лекарство, он способендавать и побочные эффекты. Например, прямое взаимодействие кислорода с липидамивызывает появление ядовитых перекисей и нарушает структуру клеток.
Активныесоединения кислорода могут повреждать также белки и нуклеиновые кислоты.Почемуже не происходит отравления этими ядами? Потому, что им есть противоядие. Жизньвозникла в отсутствие кислорода, и первые существа на Земле были анаэробными. Потомпоявился фотосинтез, а кислород как его побочный продукт начал накапливаться ватмосфере. В те времена этот газ был опасен для всего живого.Одни анаэробыпогибли, другие нашли бескислородные уголки, например, поселившись в комочкахпочвы третьи стали приспосабливаться и меняться.
Тогда-то и появилисьмеханизмы, защищающие живую клетку от беспорядочного окисления. Эторазнообразные вещества ферменты, в том числе разрушитель вредоносной перекисиводорода катализа, а также многие другие небелковые соединения. Дыханиевообще сначала появилось, как способ удалять кислород из окружающей организматмосферы и лишь потом стало источником энергии.Приспособившиеся к новой средеанаэробы стали аэробами, получив огромные преимущества.
Но скрытая опасностькислорода для них все же сохранилась. Мощность антиокислительных противоядий небезгранична. Вот почему в чистом кислороде, да еще под давлением, все живоедовольно скоро погибает. Если же клетка окажется повреждена каким-либо внешнимфактором, то защитные механизмы обычно отказывают в первую очередь, и тогдакислород начинает вредить даже при обычной атмосферной концентрации.