Клеточное дыханиеаэробного дыхания а также эффективность производства атф

Введение: на вкус и цвет товарищей нет

Рисунок 1. Рекомендации по питанию, которые направлены на снижение вероятности возникновения онкологических заболеваний. Ежедневный рацион должен включать фрукты, овощи, бобовые культуры, цельнозерновые крупы. По возможности, необходимо ограничивать употребление красного мяса, сахара, сладких газированных напитков и алкоголя. Следование данным советам позволит поддерживать здоровый вес в течение всей жизни и снизить индивидуальный риск развития рака.

Подобного рода советы относятся к здоровым людям, тогда как для людей, страдающих онкологическими заболеваниями, стандартных рекомендаций по питанию не существует. В то же время, питание пациентов может сильно влиять на успешность терапии злокачественных образований . Почему для людей, больных раком, нельзя составить универсальные рекомендации по составу пищи? Ответ на этот вопрос следует из принципов, согласно которым развиваются все опухоли . Изначально клетка, которая в будущем даст начало опухоли, ничем не отличается от своих соседей. По мере накопления мутаций нормальные клетки могут постепенно эволюционировать и приобретать черты раковых клеток , . В 2000 году среди многочисленных особенностей рака, в легендарном обзоре Hallmarks of cancer были обозначены основные признаки, которые определяют биологию опухолевой клетки (рис. 2).

Рисунок 2. Особенности опухолевых клеток (hallmarks of cancer), которые отличают их от нормальных. Были сформулированы в 2000 году и затем дополнены в 2011 .

адаптировано из

Важнейшей особенностью всех раковых клеток является нестабильность генома, которая приводит к огромному генетическому разнообразию опухолей. Несмотря на ряд свойств, присущих всем раковым клеткам, каждая опухоль обладает уникальным набором мутаций, которые и определяют ее агрессивность, скорость роста, эффективность терапии. Генетическое разнообразие опухолей является основной преградой для составления универсальных рекомендаций по питанию для пациентов.

В последнее время исследователи активно изучают влияние питательных веществ на прогрессию опухоли и эффективность лечения. В основном проводятся экспериментальные работы на животных моделях, но есть и немногочисленные клинические исследования. Мы предлагаем читателям познакомиться поближе с особенностями метаболизма опухолевой клетки. Попытаемся разобраться, как вещества, потребляемые с пищей, могут влиять на опухоль и ее окружение. И, наконец, попробуем ответить на вопрос: может ли диета помочь в борьбе с раком?

Что такое дыхание

Каждая клетка нуждается в энергии для жизни. Получение энергии происходит при расщеплении органических веществ в процессе дыхания. Такое расщепление происходит под воздействием кислорода и ещё называется окислением. В результате образуются вода, углекислый газ и свободная энергия.

Необходимая растению энергия содержится в химических связях сложных органических веществ. Изначально это энергия солнца, запасённая в сложных молекулах путём фотосинтеза.

Дыхание у растений принципиально не отличается от дыхания животных, или грибов. Какой газ растения выделяют при дыхании, такой же выделяют любые другие организмы. Это углекислый газ.

Рис. 1. Схема дыхания растений.

Известно, что на свету растения выделяют ещё и кислород, но это происходит в результате другого процесса – фотосинтеза.

Дыхание идёт круглосуточно, поэтому образование углекислого газа происходит постоянно. Также постоянно в клетки растений для их нормальной жизнедеятельности должен поступать кислород.

Это же справедливо и для растения в целом.

Таким образом, дыхание включает два процесса:

клеточное дыхание;
газообмен растения с внешней средой.

Типы клеточного дыхания

Аэробного дыхания

Эукариотические организмы выполняют клеточное дыхание в своих митохондрии – органеллы, которые предназначены для расщепления сахара и очень эффективного производства АТФ. Митохондрии часто называют «электростанцией клетки», потому что они способны вырабатывать так много АТФ!

Аэробное дыхание настолько эффективно, потому что кислород – самый мощный акцептор электронов, найденный в природе. Кислород «любит» электроны – и его любовь к электронам «вытягивает» их через цепь переноса электронов в митохондриях.

Специализированный анатомия митохондрий, которые объединяют все необходимые реагенты для клеточного дыхания в небольшом мембранном пространстве внутри клетки, также способствует высокой эффективности аэробного дыхания.

В отсутствие кислорода большинство эукариотических клеток могут также выполнять различные виды анаэробного дыхания, такие как ферментация молочной кислоты. Однако эти процессы не дают достаточного количества АТФ для поддержания жизнедеятельности клетки, и без кислорода клетки в конечном итоге погибают или перестают функционировать.

Ферментация

Ферментация – это название, данное многим различным типам анаэробного дыхания, которые выполняются различными вид бактерий и архебактерий, а также некоторыми эукариотическими клетками в отсутствие кислорода.

Эти процессы могут использовать различные акцепторы электронов и производить различные побочные продукты. Несколько видов брожения:

Алкогольная ферментация – Этот тип ферментации, осуществляемый дрожжевыми клетками и некоторыми другими клетками, метаболизирует сахар и производит алкоголь и углекислый газ в качестве побочных продуктов. Вот почему пиво шипучее: во время брожения его дрожжи выделяют как углекислый газ, который образует пузырьки, так и этиловый спирт.
Брожение молочной кислоты – Этот тип брожения осуществляется человеком мускул клетки в отсутствие кислорода, а некоторые бактерии. Ферментация молочной кислоты фактически используется людьми, чтобы сделать йогурт. Для приготовления йогурта в молоке выращиваются безвредные бактерии. Молочная кислота, вырабатываемая этими бактериями, придает йогурту характерный острый кислый вкус, а также реагирует с молочными белками, образуя густую кремообразную текстуру.
Пропионовая кислота – Этот тип ферментации выполняется некоторыми бактериями и используется для приготовления швейцарского сыра. Пропионовая кислота отвечает за характерный острый ореховый вкус швейцарского сыра. Пузырьки газа, созданные этими бактериями, ответственны за отверстия, найденные в сыре.
Acetogenesis – Ацетогенез – это вид ферментации, осуществляемый бактериями, который производит уксусная кислота как его побочный продукт. Уксусная кислота является отличительным ингредиентом в уксусе, который придает ему острый, кислый вкус и запах. Интересно, что бактерии, которые производят уксусную кислоту, используют этиловый спирт в качестве топлива. Это означает, что для производства уксуса сахаросодержащий раствор должен сначала ферментироваться дрожжами для производства спирта, а затем снова ферментироваться бактериями, которые превращают спирт в уксусную кислоту!

Метаногенез

Метаногенез является уникальным типом анаэробного дыхания, которое может быть выполнено только архебактериями. В метаногенезе углевод-источник топлива расщепляется с образованием углекислого газа и метана.

Метаногенез осуществляется некоторыми симбиотическими бактериями в пищеварительном тракте людей, коров и некоторых других животных. Некоторые из этих бактерий способны переваривать целлюлозу, сахар, содержащийся в растениях, который невозможно разрушить при помощи клеточного дыхания. Симбиотические бактерии позволяют коровам и другим животным получать энергию из этих неперевариваемых сахаров!

Что такое энергетический обмен?

Для начала нужно разобраться, что такое энергетический обмен и какие у него есть особенности. Уверена, что вы встречали в тестах слова «катаболизм» и «диссимиляция», эти названия являются синонимами термина «энергетический обмен», советую их запомнить. Что же такое энергетический обмен? Это реакции, при которых органические вещества расщепляются, а энергия запасается клеткой в молекулах АТФ. Эту энергию клетка потом потратит на дальнейшую жизнедеятельность.

Такой тип обмена (как и все реакции метаболизма) идет поэтапно. В нем выделяют два или три основных этапа — это зависит от организации клетки и среды, в которой она обитает. Предлагаю рассмотреть каждый из этапов энергетического обмена подробнее.

Если хотите лучше понять не только энергетический обмен, но и другие темы ЕГЭ по биологии, приходите учиться в MAXIMUM! Записывайтесь на консультацию — вы сможете пройти диагностику по выбранным предметам ЕГЭ, поставить цели и составить стратегию подготовки, чтобы получить на экзамене высокие баллы. Все это абсолютно бесплатно!

Анаэробное дыхание

Клеточное дыхание — это процесс, при котором биологическое топливо окисляется в присутствии высокоэнергетического неорганического акцептора электронов (такого как кислород) для производства большого количества энергии, чтобы стимулировать массовое производство АТФ.

Анаэробное дыхание используется некоторыми микроорганизмами, у которых ни кислород (аэробное дыхание), ни производные пирувата (ферментация) не являются конечными акцепторами электронов с высокой энергией. Скорее неорганический акцептор, такой как сульфат (SO42-), нитрат (NO3–), или сера (S) используется.Такие организмы обычно встречаются в необычных местах, таких как подводные пещеры или поблизости от них. гидротермальные источники на дне океана.

В июле 2019 года было проведено научное исследование Кидд Майн в Канаде обнаружил серодышащие организмы которые живут на глубине 7900 футов под поверхностью и дышат серой, чтобы выжить. Эти организмы также примечательны тем, что потребляют такие минералы, как пирит в качестве источника пищи.

Дневное дыхание растений

Дневное дыхание связано с двумя процессами: непосредственно дыханием и фотосинтезом. Процесс дыхания, как и у человека, связан с окислением органических соединений и выделением диоксида углерода, воды и энергии. Вместо человеческих легких выступает вся поверхность растения. Химическая формула, описывающая реакции в процессе дыхания растений:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 674 ккал.

Любое дерево способно дышать всей поверхностью, даже поверхностью плодов. Но наиболее активно процесс дыхания происходит через устья листа, откуда и попадает по межклеточному пространству большая часть необходимых газов.

Если речь идет о дневном времени суток, то дыхание не столь заметно, как ночью. Поскольку работа растения направлена большей частью на постоянное запасание энергии в виде органических соединений (глюкозы). Попадающий в листья газ, при содействии воды и энергии солнечного света в хлоропластах превращается в глюкозу, которую организм запасает для дальнейшего использования. Собственно дыхание и является этим дальнейшим использованием.

Запасенная глюкоза, с помощью воды и кислорода разлагается на молекулы аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), углекислый газ и водород. АТФ – это твердая энергия. Биологический аккумулятор клеток, который обеспечивает энергетическими запасами все живое на планете. Позднее эти запасы будут использованы в жизнедеятельности каждой молекулы организма.

Кажется, что образуется замкнутый круг: фотосинтез происходит с образованием глюкозы и кислорода, но что толку, если потом в результате дыхания растений выделяется диоксид углерода и АТФ. А энергию растения расходуют лично на себя, ничего не оставляя другим. Но весь вопрос в количестве. Далеко не весь кислород, который образуется во время фотосинтеза, поглощается организмом во время дыхания. Растения производят в разы больше, чем поглощают. Может этим они и отличаются от человека. А все энергетические запасы растений рано или поздно переходят в запасы животных или человека. Так растения отдают все свои накопления ради существования экосистемы Земли.

С увеличением процента содержания углекислого газа в атмосфере теоретически можно ускорить рост зеленых насаждений на Земле. Многие исследования показывают, что в условиях теплиц СО₂ можно использовать как «воздушное удобрение», ведь иногда при дыхании кислородом растениями поглощается еще и углекислый газ. Но так происходит это только в условиях экспериментов. На открытых пространствах начавшийся рост активизирует насекомых, которые не позволяют лесам и джунглям разрастись. А культурные растения от таких добавок превращаются в легкую добычу для вредителей. Поэтому, чтобы не говорили скептики, нарушение обмена углеродом это плохо.

Аэробные и анаэробные процессы

Аэробные процессы клеточного дыхания могут происходить только при наличии кислорода. Когда клетке необходимо высвободить энергию, цитоплазма (вещество между ядром клетки и ее мембраной) и митохондрии (органеллы в цитоплазме, которые помогают в метаболических процессах) инициируют химические обмены, которые запускают распад глюкозы. Этот сахар разносится по крови и хранится в организме как быстрый источник энергии. При расщеплении глюкозы на аденозинтрифосфат (АТФ) выделяется углекислый газ (CO2), побочный продукт, который необходимо удалить из организма. У растений в процессе высвобождения энергии при фотосинтезе используется CO2 и выделяется кислород в качестве побочного продукта.

В анаэробных процессах кислород не используется, поэтому продукт пирувата — АТФ — это один из видов пирувата — остается на месте, чтобы расщепляться или катализироваться другими реакциями, такими как то, что происходит в мышечной ткани или при ферментации. Молочная кислота, которая накапливается в мышечных клетках, когда аэробные процессы не справляются с потребностями в энергии, является побочным продуктом анаэробного процесса. Такие анаэробные разрушения обеспечивают дополнительную энергию, но накопление молочной кислоты снижает способность клетки к дальнейшей переработке отходов; в больших масштабах, скажем, в организме человека это приводит к усталости и болезненности мышц. Клетки восстанавливаются, вдыхая больше кислорода и за счет циркуляции крови — процессов, которые помогают уносить молочную кислоту.

В следующем 13-минутном видео обсуждается роль АТФ в организме человека. Чтобы перейти к информации об анаэробном дыхании, щелкните здесь (5:33); для аэробного дыхания щелкните здесь (6:45).

Ферментация

Когда молекулы сахара (в первую очередь глюкоза, фруктоза и сахароза) расщепляются при анаэробном дыхании, производимый ими пируват остается в клетке. Без кислорода пируват не полностью катализирует выделение энергии. Вместо этого ячейка использует более медленный процесс удаления носителей водорода, создавая различные отходы. Этот более медленный процесс называется брожением. Когда дрожжи используются для анаэробного расщепления сахаров, отходами являются спирт и CO2. В результате удаления CO2 остается этанол — основа для алкогольных напитков и топлива. Фрукты, сахарные растения (например, сахарный тростник) и зерно используются для ферментации с дрожжами или бактериями в качестве анаэробных процессоров. При выпечке выбросы CO2 в результате ферментации вызывают рост хлеба и других хлебобулочных изделий.

Цикл Кребса

Цикл Кребса также известен как цикл лимонной кислоты и цикл трикарбоновой кислоты (ТСА). Цикл Кребса — ключевой процесс производства энергии в большинстве многоклеточных организмов. Наиболее распространенная форма этого цикла использует глюкозу в качестве источника энергии.

Во время процесса, известного как гликолиз, клетка превращает глюкозу, молекулу с 6 атомами углерода, в две молекулы с 3 атомами углерода, называемые пируватами.Эти два пирувата выделяют электроны, которые затем объединяются с молекулой, называемой НАД +, с образованием НАДН и двух молекул аденозинтрифосфата (АТФ).

Эти молекулы АТФ являются настоящим «топливом» для организма и преобразуются в энергию, в то время как молекулы пирувата и НАДН проникают в митохондрии. Именно здесь 3-углеродные молекулы распадаются на 2-углеродные молекулы, называемые ацетил-КоА и CO2. В каждом цикле Ацетил-КоА расщепляется и используется для восстановления углеродных цепей, высвобождения электронов и, таким образом, образования большего количества АТФ. Этот цикл более сложен, чем гликолиз, и он также может расщеплять жиры и белки для получения энергии.

Как только доступные свободные молекулы сахара истощаются, цикл Кребса в мышечной ткани может начать расщеплять молекулы жира и белковые цепи, чтобы питать организм. В то время как расщепление молекул жира может быть положительным (снижение веса и холестерина), чрезмерное его использование может нанести вред организму (организму нужен жир для защиты и химических процессов). Напротив, расщепление белков организма часто является признаком голода.

Анаэробное дыхание

Какие условия необходимы для дыхания растений?

Дыхание состоит из ряда реакций, которые происходят главным образом в митохондриях растительных клеток. В дополнение к типу растений, несколько факторов окружающей среды влияют на скорость дыхания растительной клетки.

Возраст ткани / Стадия жизни

У более молодой ткани частота дыхания выше, чем у более старой. Таким образом, верхушка корня и молодые листья имеют более высокую частоту дыхания, чем более старые корневые сегменты и листья.

Когда семя впервые впитывает воду, частота дыхания клеток быстро возрастает, но выравнивается примерно через 20 минут.

Созревшие плоды вызывают всплеск дыхательной активности, который достигает кульминации, когда плоды достигают максимальной зрелости.

Температура

Частота дыхания в растительной клетке уменьшается при понижении температуры до тех пор, пока дыхание почти или полностью не остановится при низких температурах. Дыхание увеличивается с ростом температуры, пока не будут достигнуты очень высокие температуры, что приведет к ухудшению состояния тканей.

Температура сильно влияет на дыхание для поддержания (гораздо больше, чем клетки, предназначенные для роста растений). У растений в умеренном климате частота дыхания зимой значительно ниже, чем в теплое лето.

Частоту дыхания фруктов можно контролировать, храня фрукты в прохладных, сухих местах. Более низкие температуры хранения могут замедлить дыхание и созревание фруктов.

Кислород

Дыхание замедляется с уменьшением доступного кислорода. В условиях, когда кислорода нет, как, например, в плохо дренируемой почве, происходит анаэробное дыхание (брожение). Анаэробное дыхание приводит к образованию углекислого газа, некоторого количества энергии и этанола. Этот тип дыхания также используется для создания спиртов.

Частота дыхания для большинства растений достигает пика при нормальном уровне кислорода в атмосфере.

Если, например, корни дерева затоплены в течение длительных периодов времени, они не могут поглощать кислород и преобразовывать глюкозу для поддержания клеточных метаболических процессов. В результате заболачивание и чрезмерное орошение могут лишить корни кислорода, убить корневую ткань, повредить деревья и снизить урожайность.

Углекислый газ

Двуокись углерода, один из отходов дыхания, также влияетелен. Чем выше концентрация углекислого газа, тем ниже частота дыхания.

Повреждения

Дыхание усиливается как непосредственно зараженными, так и окружающими клетками, когда ткань растения повреждена или заражена. Часто, когда в яблоке есть червячная дыра, маленький коричневый синяк окружает его – это указывает на усиление дыхания в области вокруг поврежденных клеток.

Недостаток воды

Сухая ткань имеет более низкую частоту дыхания, чем гидратированная. Хотя засуха оказывает гораздо большее влияние на процесс фотосинтеза в растительных клетках, недостаток доступной воды также отрицательно влияет на дыхание.

Доступные сахара

Листья верхнего купола часто видят более высокие частоты дыхания.

Увеличение доступных сахаров в результате фотосинтеза обычно приводит к увеличению частоты дыхания. Частота дыхания в листьях верхнего купола будет выше, чем в листьях нижнего купола, потому что верхушки производят больше сахара.

Аэробное дыхание

Различные этапы клеточного дыхания у аэробных эукариот происходят

в цитоплазме – гликолиз,
в матриксе митохондрий – цикл Кребса, или цикл трикарбоновых кислот,
на внутренней мембране митохондрий – окислительное фосфорилирование, или дыхательная цепь.

На каждом из этих этапов из АДФ синтезируется АТФ, больше всего на последнем. Кислород в качестве окислителя используется только на этапе окислительного фосфорилирования.

Суммарные реакции аэробного дыхания выглядит следующим образом.

Гликолиз и цикл Кребса: C₆H₁₂O₆ + 6H₂O → 6CO₂ + 12H₂ + 4АТФ

Дыхательная цепь: 12H₂ + 6O₂ → 12H₂O + 34АТФ

Таким образом биологическое окисление одной молекулы глюкозы дает 38 молекул АТФ. На самом деле нередко бывает меньше.

Ферментация

Без кислорода пируват (пировиноградная кислота) не метаболизируется посредством клеточного дыхания, но подвергается процессу ферментации. Пируват не транспортируется в митохондрии, но остается в цитоплазме, где превращается в отходы который может быть удален из камеры. Это служит цели окисления переносчиков электронов, чтобы они могли снова выполнять гликолиз и удалять избыток пирувата. Ферментация окисляет НАДН до НАД+ поэтому его можно повторно использовать при гликолизе. В отсутствие кислорода ферментация предотвращает накопление НАДН в цитоплазме и обеспечивает НАД+ для гликолиза. Эти отходы различаются в зависимости от организма. В скелетных мышцах отходы молочная кислота. Этот вид брожения называется молочнокислое брожение. При напряженных упражнениях, когда потребность в энергии превышает запас энергии, дыхательная цепь не может обработать все атомы водорода, к которым присоединен NADH. Во время анаэробного гликолиза НАД+ восстанавливается, когда пары водорода соединяются с пируватом с образованием лактата. Образование лактата катализируется лактатдегидрогеназой в обратимой реакции. Лактат также может использоваться в качестве косвенного предшественника гликогена печени. Во время восстановления, когда становится доступным кислород, НАД+ присоединяется к водороду из лактата с образованием АТФ. В дрожжах отходы этиловый спирт и углекислый газ. Этот тип ферментации известен как алкогольный или ферментация этанола. АТФ, генерируемый в этом процессе, производится фосфорилирование на уровне субстрата, не требующий кислорода.

Ферментация менее эффективно использует энергию глюкозы: на глюкозу вырабатывается только 2 АТФ, по сравнению с 38 АТФ на глюкозу, которые номинально производятся аэробным дыханием. Это потому, что большая часть энергии аэробного дыхания происходит от O₂ с его относительно слабой высокоэнергетической двойной связью. Однако гликолитический АТФ создается быстрее. Чтобы прокариоты продолжали быстро расти, когда они переходят из аэробной среды в анаэробную, они должны увеличивать скорость гликолитических реакций. Для многоклеточных организмов во время коротких всплесков напряженной активности мышечные клетки используют ферментацию, чтобы дополнить выработку АТФ из-за более медленного аэробного дыхания, поэтому ферментация может использоваться клеткой даже до того, как уровень кислорода истощится, как это имеет место в спорте. не требовать от спортсменов темпов, например спринт.

Подведение итогов

Живые существа могут находить довольно удивительные способы выжить, и анаэробное дыхание является одним из примеров этого. Анаэробное дыхание – это метаболический процесс, в котором кислород отсутствует, и завершается только стадия гликолиза. Это происходит у микроорганизмов, но также является временной реакцией на отсутствие кислорода в клетках многоклеточных организмов, таких как человек. Некоторые примеры анаэробного дыхания включают спиртовое брожение, молочнокислое брожение и разложение органических веществ. Уравнение: глюкоза + ферменты = диоксид углерода + этанол / молочная кислота.

Хотя анаэробное дыхание не производит столько энергии, сколько аэробное, он выполняет свою работу. В следующий раз, когда вы получите пользу от короткого всплеска энергии, которую ваши мышцы дают вам во время бега, вы можете поблагодарить альтернативный путь анаэробного дыхания, на который способны многие клетки.

Мне нравитсяНе нравится