Дыхательные метаболические пути и их взаимосвязи с другими процессами клетки

Подготовила студентка 4 курса Козлюк Елена, Б – 401

Вопросы

1. Характеристика основных и альтернативных путей окисления при дыхании

2. Соотношение дыхания и фотосинтеза.

Дыхание - центральное звено метаболизма растительной клетки. Дыхание – процесс универсальный. Оно является неотъемлемым свойством всех организмов, населяющих нашу планету и присуще каждому органу, любой ткани, каждой клетке, которые дышат на протяжении всей своей жизнедеятельности. Жизнь организма в целом, как и каждое проявление жизнедеятельности, необходимо связаны с расходованием энергии. Клеточное деление, рост, развитие и размножение, поглощение и передвижение воды и питательных веществ, разнообразные синтезы и все другие процессы и функции осуществимы лишь при постоянном удовлетворении обусловленных ими потребностей в энергии и пластических веществах, которые служат клетке строительным материалом.

Источником энергии для живой клетке служит химическая (свободная) энергия потребляемых ею питательных веществ. Распад этих веществ, происходящий в акте дыхания, сопровождается освобождением энергии, которая и обеспечивает удовлетворение жизненных потребностей организма.

Сам же процесс дыхания представляет собой сложную многозвенную систему сопряженных окислительно-восстановительных процессов, в ходе которых имеет место изменение химической природы органических соединений и использование содержащейся в них энергии.

Основные функции дыхания: энергетическая, трофическая, терморегуляторная.

Вопрос первый Пути превращения дыхательного материала или пути окисления органических веществ в клетке.

1.Гликолиз. 

2.Окислительный пентозофосфатный цикл. 

3.Пируватдегидрогеназный комплекс. 

4.Цикл трикарбоновых кислот. 

5.Глиоксилатный цикл. 

Гликолиз

В процессе фотосинтеза солнечная энергия запасается в химических связях углеводных молекул, из которых наиболее важную роль играет шестиуглеродный сахар глюкоза. После того как другие живые организмы используют эти молекулы в пищу, запасенная энергия выделяется и используется для метаболизма. Это происходит во время процессов гликолиза и дыхания. Весь химический процесс можно коротко описать так:

    глюкоза + кислород → углекислый газ + вода + энергия

Гликолиз — это катаболический путь обмена веществ в цитоплазме; он, протекает почти во всех организмах и клетках независимо от того, живут они в аэробных или анаэробных условиях. Баланс гликолиза простой: в аэробных условиях молекула глюкозы деградирует до двух молекул пирувата. Кроме того, образуются по две молекулы АТФ и НАДН + H⁺ (аэробный гликолиз). В анаэробных условиях пируват претерпевает дальнейшие превращения, обеспечивая при этом регенерацию НАД⁺ . При этом образуются продукты брожения, такие, как лактат или этанол (анаэробный гликолиз). В этих условиях гликолиз является единственным способом получения энергии для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата.

Б. Реакции гликолиза

Сахара подвергаются метаболическим превращениям преимущественно в виде сложных эфиров фосфорной кислоты. Глюкоза в клетке также предварительно активируется путем фосфорилирования. В АТФ-зависимой реакции, катализируемой гексокиназой  глюкоза превращается в глюкозо-6-фосфат. После изомеризации глюкозо-6-фосфата в фруктозо-6-фосфат  последний вновь фосфорилируется с образованием фруктозо-1,6-дифосфата. Фосфофруктокиназа, катализирующая эту стадию, является важным ключевым ферментом гликолиза. До этого момента на одну молекулу глюкозы расходуются две молекулы АТФ. фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется далее альдолазой  на два фосфорилированных С₃-фрагмента. Эти фрагменты — глицеральдегид-3-фосфат и дигидроксиацетонфосфат — превращаются один в другой триозофосфатизомеразой. Глицеральдегид-3-фосфат затем окисляется глицеральдегид-З-фосфатдегидрогеназой  с образованием НАДН + Н⁺. В этой реакции в молекулу включается неорганический фосфат («субстратноефосфорилирование») с образованием 1,3-дифосфоглицерата.

Следующий промежуточный продукт, гидролиз которого может быть сопряжен с синтезом АТФ, образуется в реакции изомеризации 3-фосфоглицерата, полученного в результате реакции, в 2-фосфоглицерат (фермент: фосфоглицератмутаза ) и последующего отщепления воды (фермент: енолаза). Продукт представляет собой сложный эфир фосфорной кислоты и енольной формы пирувата и потому называется фосфоенолпируватом (PEP). На последней стадии, которая катализируется пируваткиназой , образуются пируват и АТФ. Наряду со стадией и тиокиназной реакцией в цитратном цикле это третья реакция, позволяющая клеткам синтезировать АТФ независимо от дыхательной цепи. Несмотря на образование АТФ она высоко экзоэргична и потому необратима.

При гликолизе на активацию одной молекулы глюкозы потребляется 2 молекулы АТФ. В то же время при метаболическом превращении каждого С₃-фрагмента образуются 2 молекулы АТФ. В результате выигрыш энергии составляет 2 моля АТФ на моль глюкозы.

В. Изменение свободной энергии

Энергетика метаболических процессов зависит не только от изменения стандартной свободной энергии ΔG^o', но и от концентрации метаболита. На схеме представлены фактические изменения свободной энергии ΔG на отдельных стадиях гликолиза в эритроцитах.

Видно, что только три реакции протекают с высоким изменением свободной энергии, причем равновесие сильно смещено в сторону образования конечных продуктов . Другие реакции легко обратимы. Они могут идти в противоположном направлении при биосинтезе глюкозы (глюконеогенезе), причем с участием тех же ферментов, что и при деградации глюкозы. Для необратимых стадий 1, 3 и 10 в глюконеогенезе используются обходные пути.