· Клеточное дыхание
· Тканевое дыхание
· Дыхание и фотосинтез (общее и различия).
Всем живым клеткам постоянно нужна энергия. Она используется для обеспечения различных биологических и химических реакций в клетке. Одни организмы для этих реакций используют энергию солнечного света, другие — энергию химических связей органических веществ, поступающих с пищей. Извлечение энергии из пищевых веществ осуществляется в клетке путем их расщепления и окисления в процессе дыхания. Поэтому такое дыхание называют биологическим окислением или клеточным дыханием.
Клеточное дыхание — это совокупность окислительных процессов в клетке, сопровождающих расщепление молекул органических веществ и образование органических соединений, богатых энергией.
Биологическое окисление с участием кислорода называют аэробным (от греч. aer — «воздух» и bios — «жизнь»), без кислорода — анаэробным (от греч. an — отрицат. частица, aer — «воздух» и bios — «жизнь»). Процесс биологического окисления идет многоступенчато. При этом в клетке происходит накопление энергии в виде молекул АТФ и других органических соединений. В упрощенном виде этот процесс можно представить в виде 
трех последовательных стадий (этапов) (рис.)
Первая и вторая стадии биологического окисления происходят в цитоплазме клетки, а третья — в митохондриях.
I. Первая стадия — подготовительная. Поступившие с пищей или созданные путем фотосинтеза биополимерные молекулы органических веществ распадаются под действием ферментов на мономеры. Например, полисахариды распадаются на молекулы глюкозы, белки — на молекулы аминокислот, а жиры — на глицерин и жирные кислоты. Выделяющееся при этом небольшое количество энергии рассеивается в виде тепла.
|
|
II. На второй стадии образовавшиеся мономеры распадаются на еще более простые молекулы. Например, молекула глюкозы (шестиуглеродное соединение С6Н12Об) сначала распадается на две трехуглеродные молекулы пировиноградной кислоты (С3Н4О3) с образованием четырех молекул АТФ. Затем пировиноградная кислота преобразуется под действием ферментов и энергии в молочную кислоту, а молекул АТФ остается только две. Весь процесс идет безучастия кислорода, поэтому данную стадию называют бескислородной или анаэробной.
Ферментативный и бескислородный (анаэробный) процессы распада органических веществ (главным образом, глюкозы до молочной кислоты) называют гликолизом (от греч. glykys— «сладкий» и lysis — «разложение», «распад»).
Последовательность реакций гликолиза идет одинаково у всех без исключения живых клеток.
Гликолиз — наиболее древний способ расщепления глюкозы, широко распространенный в природе. Он играет важную роль в обмене веществ у живых организмов. Гликолиз одной молекулы глюкозы дает две молекулы АТФ. Это обеспечивает клетку энергией. По типу гликолиза идет обеспечение организма энергией у прокариот, в частности у бактерий. Этот процесс происходит у них в цитоплазме.
В условиях достаточного снабжения клетки кислородом гликолиз выступает анаэробной стадией, предшествующей окислительному распаду углеводов до конечных продуктов — углекислого газа и воды. Для полного расщепления питательных веществ при дыхании необходим кислород.
|
|
III. На третьей стадии происходит дальнейшее окисление веществ с помощью кислорода (02) и ферментов до конечных продуктов — углекислого газа и воды. В результате образуется большое количество энергии — 32 молекулы АТФ. Поскольку эта стадия идет с участием кислорода, ее называют кислородной или аэробной.
Основная функция дыхания — обеспечение клетки (и организма) энергией — осуществляется на этапе кислородного расщепления веществ.
Всего на трех этапах биологического окисления одной молекулы глюкозы образуется 36 молекул АТФ. Часть молекул расходуется на сами процессы окисления, а 21 молекула АТФ передается в цитоплазму для обеспечения работы других клеточных структур.
Дыхание, происходящее в клетке с образованием энергии, нередко сравнивают с горением: в обоих случаях идет поглощение кислорода, выделение энергии и продуктов окисления — углекислого газа и воды. Но, в отличие от горения, дыхание представляет собой высокоупорядоченный процесс последовательно идущих реакций биологического окисления, осуществляемых с помощью ферментов. Образование С02 при горении происходит путем прямого соединения кислорода с углеродом, а при дыхании С02 возникает как конечный продукт биологического окисления (клеточного дыхания).
На все проявления жизни — рост, движение, раздражимость, самовоспроизведение и др. — организм расходует энергию. Формой энергии, пригодной для использования клетками, является энергия химических связей (главным образом фосфатных) в макроэргических соединениях — аденозинтрифосфорной кислоте (АТФ) и др. Для синтеза АТФ необходим приток энергии извне.
|
|
По способам извлечения энергии существует принципиальное различие между автотрофными организмами и гетеротрофными организмами.
Клетки зелёных растений — наиболее типичных автотрофов — в процессе фотосинтеза используют энергию солнечного света для синтеза АТФ и глюкозы. (Образование из глюкозы более сложных молекул происходит в клетках растений также в процессе Т. д.)
В клетках гетеротрофов — животных и человека — единственным источником энергии является энергия химических связей молекул пищевых веществ. Молекулы различных соединений, выполняющие роль биологического «топлива» (глюкоза, жирные кислоты, некоторые аминокислоты), образовавшись в клетках животного организма или поступив в кровь из пищеварительного тракта, претерпевают ряд последовательных химических превращений.
Тканевое дыхание (клеточное дыхание) - совокупность ферментативных процессов, протекающих при участии кислорода воздуха в клетках органов и тканей, в результате чего продукты расщепления углеводов, жиров, белков окисляются до углекислого газа и воды, а значит, часть освобождающейся энергии запасается в форме богатых энергией, или макроэргических соединений. Тканевое дыхание отличают от внешнего дыхания — совокупности физиологических процессов, обеспечивающих поступление в организм кислорода и выведение из него углекислого газа. Многие ферменты, катализирующие эти реакции, находятся в особых клеточных органоидах — митохондриях.
Тканево дыхание обеспечивает образование и постоянное пополнение АТФ в клетках. В случае недостатка в снабжении клеток животных и человека кислородом запасы АТФ не исчерпываются сразу. Их пополнение может происходить в результате включения дополнительных механизмов — систем анаэробного (без участия кислорода) распада углеводов — гликолиза и гликогенолиза. Однако этот путь энергетически во много раз менее эффективен и не может обеспечить функции и целостность структуры органов и тканей.
Биологическая роль Тканевого дыхания не исчерпывается существенным вкладом в энергетический обмен организма. На различных его этапах образуются молекулы органических соединений, используемых клетками в качестве промежуточных продуктов для различных биосинтезов.