Энергетический обмен. Дыхание

Тема: «Энергетический обмен. Дыхание».

Задачи:

Дать характеристику аэробному этапу окисления – окислению ПВК в митохондриях

Кислородное окисление - дыхание

В результате ферментативного бескислородного расщепления глюкоза распадается не до конечных продуктов (СО 2 и Н 2 О), а до соединений, которые еще богаты энергией и, окисляясь далее, могут дать ее в больших количествах (молочная кислота, этиловый спирт и др.).

Поэтому в аэробных организмах после гликолиза (или спиртового брожения) следует завершающий этап энергетического обмена — полное кислородное расщепление, или клеточное дыхание. В процессе этого третьего этапа органические вещества, образовавшиеся в ходе второго этапа при бескислородном расщеплении и содержащие большие запасы химической энергии, окисляются до конечных продуктов СО 2 и Н 2 О.

Кислородное окисление - дыхание

Третий этап энергетического обмена — кислородное окисление , или дыхание , происходит в митохондриях.

Как устроены митохондрии?

Каковы функции митохондрий?

Каково происхождение митохондрий?

Кислородное окисление - дыхание

Кислородное окисление - дыхание

На первом этапе пировиноградная кислота проникает в митохондрии, где происходит ее дегидрирование (отщепление водорода) и декарбоксилирование (отщепление углекислого газа) с образованием двууглеродной ацетильной группы , которая вступает в цикл реакций, получивших название реакций цикла Кребса.

Кислородное окисление - дыхание

В цикле Кребса происходит дальнейшее окисление, связанное с дегидрированием и декарбоксилированием . В результате на каждую разрушенную моль ПВК из митохондрии удаляется 3 моль СО 2 , образуется 5 пар атомов водорода , связанных с переносчиками (4 НАДН 2 , ФАДН 2 ), а также моль АТФ.

Кислородное окисление - дыхание

Суммарная реакция гликолиза и разрушения ПВК в митохондриях до водорода и углекислого газа выглядит следующим образом:

С 6 Н 12 О 6 + 6Н 2 О  6СО 2 + 4АТФ + 12Н 2

Кислородное окисление - дыхание

Последним этапом является окисление пар атомов водорода с участием О 2 до Н 2 О с одновременным фосфорилированием АДФ до АТФ . Этот процесс называется окислительным фосфорилированием и происходит на внутренней мембране митохондрий. Водород передается по трем большим ферментным комплексам дыхательной цепи (флавопротеин, кофермент Q , цитохромы).

Кислородное окисление - дыхание

У водорода отбираются электроны, а протоны закачиваются в межмембранное пространство митохондрий, в «протонный резервуар». Внутренняя мембрана непроницаема для ионов водорода. Электроны передаются по ферментам дыхательной цепи на цитохромоксидазу .

Кислородное окисление - дыхание

Когда разность потенциалов на внешней и внутренней стороне внутренней мембраны достигает 200 мВ, протоны (24Н + ) проходят через канал фермента АТФ-синтетазы и происходит восстановление кислорода до воды (12Н 2 О) с выделением энергии, часть которой запасается в форме 34 АТФ. Таким образом, в митохондрии образуется всего 36 АТФ – 55%, 45% - рассеивается в форме тепла.

Кислородное окисление - дыхание

Ферменты дыхательной цепи и АТФ-синтетаза на кристах:

24Н + + 6О 2 + 24 е -  12Н 2 О + 34АТФ + Qт

Кислородное окисление - дыхание

Кислородное окисление - дыхание

Гликолиз :

С 6 Н 12 О 6 + 2АДФ + 2Н 3 РО 4 + 2НАД + 

2 С 3 Н 4 О 3 + 2АТФ + 2Н 2 О + 2НАД·Н 2

При этом образуется 200 кДж энергии, 120 рассеивается в форме тепла, 80 кДж запасается в форме 2 моль АТФ

Суммарная реакция гликолиза и разрушения ПВК в митохондриях до водорода и углекислого газа выглядит следующим образом:

С 6 Н 12 О 6 + 6Н 2 О  6СО 2 + 4АТФ + 12Н 2

Ферменты дыхательной цепи и АТФ-синтетаза на кристах:

24Н + + 6О 2 + 12е -  12Н 2 О + 34АТФ + Qт

Суммарная реакция энергетического обмена выглядит так:

С 6 Н 12 О 6 + 6О 2  6СО 2 + 6Н 2 О + 38АТФ + Qт

Если внутренняя мембрана повреждена, то окисление НАД·Н 2 продолжается, но не работает АТФ-синтетаза и образования АТФ не происходит, вся энергия выделяется в форме тепла.

Подведем итоги:

Сколько моль ПВК образуется при гликолизе молекулы глюкозы?

С 6 Н 12 О 6 + 2АДФ + 2Н 3 РО 4 + 2НАД + 

2 С 3 Н 4 О 3 + 2АТФ + 2Н 2 О + 2НАД·Н 2

Сколько при этом образуется энергии? Сколько запасается в форме АТФ?

200 кДж энергии, 120 рассеивается в форме тепла, 80 кДж запасается в форме 2 молекул АТФ.

Что происходит с ПВК сразу после ее поступления в митохондрию?

Дегидрирование, декарбоксилирование и образование ацетил-КоА.

Подведем итоги:

Где происходят реакции третьего этапа энергетического обмена, кислородного окисления?

В митохондриях.

Что образуется при разрушении 2 молекул молочной кислоты в митохондриях?

2С 3 Н 6 О 3 + 6О 2 + 36 АДФ + 36 Н 3 РО 4  6СО 2 + 42Н 2 О + 36АТФ .

Какая часть энергии запасает ся в митохондриях в форме АТФ, какая часть – рассеивается в форме тепла?

55% - в форме АТФ, 45% - в форме тепла.

Сколько всего молекул АТФ образуется в реакциях энергетического обмена при полном разрушении молекулы глюкозы?

38 молекул, 2 – при гликолизе, 36 – в митохондриях.

Какие вещества, кроме углеводов, могут использоваться в энергетическом обмене?

Липиды, белки, однако мономеры белков, т. е. аминокислоты, слишком нужны клетке для синтеза собственных белковых структур. Поэтому белки обычно представляют собой «неприкосновенный запас» клетки и редко расходуются для получения энергии .

Подведем итоги:

Что происходит в цикле Кребса?

Разрушение лимонной кислоты до щавелевоуксусной с образованием молекулы АТФ, 4 пары водорода захватываются переносчиками.

Как выглядит суммарная реакция гликолиза и разрушения ПВК в митохондриях до водорода и углекислого газа?

С 6 Н 12 О 6 + 6Н 2 О  6СО 2 + 4АТФ + 12Н 2

Подведем итоги:

Сколько АТФ образуется АТФ-синтетазой в расчете на 12 пар Н + ?

24Н + + 6О 2 + 12е -  12Н 2 О + 34АТФ +Ет

Сколько всего АТФ образуется всего при полном окислении молекулы глюкозы:

С 6 Н 12 О 6 + 6О 2  6СО 2 + 6Н 2 О + 38АТФ + Ет