Яке біологічне значення клітинного дихання?

Основні поживні речовини для клітин - це амінокислоти, жирні кислоти й глюкоза. Дихання є процесом, за якого ці речовини розщеплюються й вивільняють хімічну енергію. Виокремлюють два основні типи клітинного дихання: анаеробний та аеробний.

АНАЕРОБНЕ ДИХАННЯ - сукупність процесів, які здійснюють біологічне окиснення поживних речовин і отримання енергії за відсутності кисню. Характерне для клітин організмів, які живуть в безкисневих умовах (наприклад, молочнокислі бактерії, паразитичні черви, глибоководні безхребетні). У клітинах аеробних організмів цей механізм завжди передує кисневому розщепленню поживних речовин. За анаеробного дихання кінцевим продуктом є органічні молекули молочної кислоти (C₃H₆O₃). Під час анаеробного дихання виділяється значно менше енергії, ніж під час аеробного.

АЕРОБНЕ ДИХАННЯ - сукупність процесів біологічного окиснення поживних речовин і отримання енергії за участі кисню. Розщеплення органічних речовин відбувається з утворенням кінцевих продуктів окиснення Н₂О і СО₂. Аеробне дихання характерне для переважної більшості еукаріотичних клітин. Починається гліколізом у цитоплазмі й продовжується в мітохондріях. Аеробне окиснення відбувається з використанням кисню як акцептора (приймача) електронів й протонів Гідрогену з утворенням води. Аеробне дихання - найдосконаліший спосіб отримання енергії. Його енергетичний ефект приблизно в 20 разів більший, ніж під час анаеробного дихання.

Процеси дихання подібні за багатьма ознаками в клітинах організмів різних царств живої природи. Ознаками подібності є утворення таких універсальних речовин, як піровиноградна кислота й АТФ, використання кисню в ролі акцептора електронів й Гідрогену, розщеплення до кінцевих продуктів Н₂О і СО₂, використання подібних ферментів тощо.

Отже, ДИХАННЯ КЛІТИНИ - це сукупність процесів біологічного окиснення поживних речовин з вивільненням хімічної енергії, що акумулюється в АТФ.

Які процеси є основою анаеробного дихання клітин?

Більшість клітин для вивільнення енергії у процесах дихання передусім використовують глюкозу. Цікаво, що є клітини (наприклад, клітини мозку, скелетних м’язів, зрілі еритроцити), які отримують енергію для життя лише з молекул цього моносахариду.

Чому ж глюкоза є основним джерелом енергії для клітин? Полярні молекули глюкози дуже добре взаємодіють з водою, тому легко й швидко переміщуються в клітині, їхнє транспортування в клітину здійснюється шляхом полегшеної дифузії, що не вимагає затрат енергії. Окрім того, глюкоза може перетворюватися клітинами на резервні вуглеводи: у рослинній клітині - на крохмаль, у клітинах тварин й грибів - на глікоген.

Найдавнішим й універсальним процесом безкисневого розщеплення глюкози є гліколіз (від грец. солодкий і розщеплення), що відбувається у цитоплазмі клітин. Гліколіз - сукупність ферментативних реакцій, які забезпечують безкисневе розщеплення молекул глюкози з утворенням молочної кислоти та АТФ. Гліколіз - це процес, спільний для анаеробного й аеробного дихання. Енергетичний ефект гліколізу - близько 200 кДж (120 кДж - на теплоту, 80 кДж - на АТФ):

С₆Н₁₂О₆ + 2АДФ + 2Н₃РО₄ —> 2С₃Н₆О₃ + 2Н₂О + 2АТФ.

Енергія гліколізу становить лише 5-7 % потенційної енергії глюкози. Незважаючи на низьку ефективність, гліколіз має велике біологічне значення. Цей процес забезпечує організми енергією в умовах дефіциту кисню. Навіть у хребетних тварин й людини гліколіз слугує ефективним способом отримання енергії під час коротких періодів інтенсивної напруги.

Ще одним механізмом анаеробного перетворення глюкози є бродіння. Бродіння - процес розкладу органічних речовин (здебільшого вуглеводів) у безкисневих умовах. Процеси бродіння Луї Пастер назвав «життям без кисню». До бродіння здатні клітини дріжджів, молочнокислих бактерій, мукорових грибів та ін. Крім спиртового і молочнокислого бродіння в організмів є ще масляно-, оцтово-, пропіоновокисле, метанове та ін. Кожен тип бродіння характеризується специфічними кінцевими продуктами.

Отже, основними процесами анаеробного дихання в клітинах є гліколіз та бродіння.

Які основні стадії аеробного дихання клітин?

Процеси життєдіяльності клітин є дуже складними. Але їхнє розуміння є важливим, оскільки саме на клітинному рівні визначаються усі життєві функції організмів. Як ілюстрацію цього твердження розглянемо аеробне дихання клітин.

Кисневий етап дихання відбувається в мітохондріях за участі кисню, і при цьому вивільняється основна частина енергії (понад 90 %) з утворенням Н₂О і СО₂. Енергетичний ефект такого розщеплення є великим (наприклад, для глюкози - близько 2 600 кДж):

2С₃Н₆О₃ + 6О₂ + 36Н₃РО₄ + 36АДФ —> 6СО₂ + 42Н₂О + 36АТФ.

На цьому етапі катаболізму науковці виокремлюють три стадії: окиснювальне декарбоксилювання, цикл Кребса (або цикл трикарбонових кислот) і окиснювальне фосфорилювання (іл. 48).

Іл. 48. Клітинне дихання

• Перша стадія. Окиснювальне декарбоксилювання - це перетворення піровиноградної кислоти (продукт безкисневого розщеплення малих біомолекул) на ацетилкоензим А (ацетил-КоА).

• Друга стадія. Цикл Кребса (цикл трикарбонових кислот) - циклічна послідовність ферментативних реакцій у матриксі мітохондрій, у результаті яких ацетил-КоА окиснюється до СО₂ з вивільненням енергії й утворенням атомів Гідрогену.

• Третя стадія. Окиснювальне фосфорилювання - це біосинтез АТФ із АДФ й неорганічного ортофосфату за рахунок енергії, що вивільняється й акумулюється за участі ферментів дихального ланцюга. Цей процес відбувається вже на кристах мітохондрій.

Отже, завдяки реакціям кисневого етапу синтезується в цілому 36 моль АТФ. Сумарним енергетичним результатом повного розщеплення глюкози є 2 800 кДж енергії (200 кДж + 2 600 кДж), з якої в 38 молекулах АТФ акумулюється 55 %, а 45 % - розсіюється у вигляді теплоти. Повне рівняння розщеплення глюкози має такий вигляд:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ + 38АДФ + З8Н₃РО₄ —> 6СО₂ + 44Н₂О + 38АТФ.

Отже, основну роль у забезпеченні клітин енергією відіграє повне кисневе розщеплення глюкози.