Клітинне дихання

Клітинним диханням називають сукупність процесів одержання клітиною енергії за рахунок окиснення органічних речовин. Воно може здійснюватися як за відсутності, так і за наявності кисню. Реакції окиснення відбуваються в цитоплазмі та мітохондріях клітин.

Результатом клітинного дихання є запасання клітиною енергії у вигляді макроергічних зв’язків молекул АТФ. У процесі клітинного дихання виділяють два етапи: безкисневий (перший) і кисневий (другий) (мал. 17.1). На безкисневому етапі відбувається розщеплення складних органічних речовин на більш прості. А на кисневому — розщеплення цих більш простих речовин до вуглекислого газу й води. Кисневий етап може відбуватися не завжди і не в усіх живих організмах (не відбувається, наприклад, у анаеробів).

Перший етап клітинного дихання

Перший етап клітинного дихання є безкисневим. Він відбувається в цитозолі клітин. Його основою є процес гліколізу. Гліколіз — це біохімічний процес, який зазвичай відбувається в усіх клітинах організму і є одним із джерел постачання АТФ для клітини. У результаті гліколізу з однієї молекули глюкози утворюється дві молекули пірувату (піровиноградної кислоти) та дві молекули АТФ:

Якщо клітина не має можливості здійснювати другий етап клітинного дихання (наприклад, за нестачі кисню), то перший етап завершується процесом бродіння, у якому проміжні сполуки перетворюються на певні органічні речовини.

Мал. 17.1. Схема процесу клітинного дихання

Бродіння — це процес окиснення вуглеводів, який відбувається без участі кисню й дає змогу клітинам отримувати енергію у вигляді молекул АТФ. Першим етапом бродіння є гліколіз. А на наступному етапі бродіння, залежно від його типу, піруват перетворюється на інші речовини. Ці речовини виводяться з клітини як уже не потрібні продукти обміну речовин.

У результаті спиртового бродіння утворюються молекули етилового спирту, води й вуглекислого газу, молочнокислого — молочна кислота, оцтовокислого — оцтова кислота (мал. 17.2). Існують й інші типи бродіння.

Мал. 17.2. Приклади використання людиною різних типів бродіння

Мал. 17.3. Схема етапів клітинного дихання

Другий етап клітинного дихання

Це кисневий етап розщеплення простих органічних речовин, які утворилися з більш складних під час безкисневого етапу клітинного дихання або у результаті інших біохімічних реакцій.

У результаті першого етапу клітинного дихання, який відбувається в цитозолі, як ви вже знаєте, утворюється піруват (піровиноградна кислота). Під час другого етапу клітинного дихання піруват транспортується з цитозолю в матрикс мітохондрії, де відбувається спочатку його окисне декарбоксилювання (з перетворенням на ацетил-КоА), а потім його подальше окиснення до вуглекислого газу та води (мал. 17.3).

Ключовою ланкою процесу клітинного дихання, яка відбувається під час його другого етапу, є цикл Кребса (цикл трикарбонових кислот). Саме в реакціях цього циклу утворюються сполуки, які є джерелом протонів і електронів для процесу окиснення. Ці сполуки надходять у дихальний ланцюг (складний комплекс білків, які вбудовано у внутрішню мембрану мітохондрії), де і завершується процес окиснення. До циклу Кребса можуть потрапляти не тільки продукти першого етапу клітинного дихання, але й речовини з інших біохімічних процесів (наприклад, продукти бета-окиснення жирних кислот).

Ефективність процесу клітинного дихання

Клітинне дихання є надзвичайно ефективним процесом. Іще під час першого його етапу — гліколізу — з однієї молекули глюкози клітина отримує 2 молекули АТФ, а на наступних етапах клітинного дихання до цих молекул додається ще 36 молекул.

Загальна формула біологічного окиснення:

Окиснення відбувається в кілька етапів, на кожному з яких виділяється енергія. Частина енергії виділяється у вигляді тепла (45 % ) і може використовуватися для підтримання оптимальної температури організму, а частина (55 %) запасається в АТФ.

Біологічне окиснення є найбільш ефективним механізмом живих організмів для забезпечення їхніх клітин енергією.

• Маса всіх молекул АТФ, які утворюються в клітинах організму людини за добу, дорівнює масі самої людини.

• Предок усіх еукаріотів мав мітохондрії, жив у кисневому середовищі, і в його клітині відбувалися обидва етапи процесу клітинного дихання. У деяких сучасних еукаріотів мітохондрій немає, тому в їхніх клітинах другий етап клітинного дихання не відбувається. Свої мітохондрії вони втратили у процесі пристосування до анаеробних умов життя.

Отже, тепер ви знаєте

1. Що таке клітинне дихання, на які етапи воно поділяється? 2. Що відбувається під час кожного з етапів клітинного дихання? 3. Що таке бродіння? У якому випадку воно відбувається? 4. Які існують типи бродіння? Наведіть приклади. 5. Коли під час клітинного дихання утворюються СO2 і Н20?

Запитання та завдання

6. Після тривалих фізичних навантажень у людини можуть боліти м’язи через накопичення у них молочної кислоти, яка утворюється з пірувату після першого етапу клітинного дихання. Але в клітинах людини відбувається і другий етап цього процесу. Чому ж тоді накопичується молочна кислота? 7*. Знайдіть приклади, коли процеси бродіння в продуктах харчування погіршують їхній смак. 8*. Відома отрута калій ціанід блокує лише одну молекулу (цитохром С) у дихальному ланцюгу. Але це стає причиною дуже швидкої загибелі людини від дуже маленької дози цієї речовини. Чому?