Наведіть способи забезпечення клітини мікроорганізму киснем

Основними процесами, які забезпечують клітину енергією, є фотосинтез, хемосинтез, дихання, бродіння і гліколіз як етап дихання.

З кров'ю кисень проникає в клітку, вірніше в особливі клітинні структури - мітохондрії. Вони є у всіх клітинах, за винятком клітин бактерій, синьо-зелених водоростей і зрілих клітин крові (еритроцитів). У мітохондріях кисень вступає в багатоступеневу реакцію з різними поживними речовинами - білками, вуглеводами, жирами та ін Цей процес називається клітинним диханням. У результаті виділяється хімічна енергія, яку клітина запасає в особливому речовині - аденозинтрифосфорної кислоти, або АТФ. Це універсальний накопичувач енергії, яку організм витрачає на зростання, рух, підтримку своєї життєдіяльності.

Дихання - це окислювальний, за участю кисню розпад органічних поживних речовин, що супроводжується утворенням хімічно активних метаболітів і звільненням енергії, які використовуються клітинами для процесів життєдіяльності.

Загальне рівняння дихання має наступний вигляд:

Дихання может відбуватіся у прісутності кисни (аеробні) i без нього (анаеробного):

Але подих, на відміну від горіння, процес багатоступінчастий. У ньому виділяють дві основні стадії: гліколіз і кисневий етап.

Гліколіз

Дорогоцінна для організму АТФ утворюється не тільки в мітохондріях, а й у цитоплазмі клітини в результаті гліколізу (від грец. «Глікіс» - «солодкий» і «Лісіс» - «розпад»). Гліколіз не є мембранозалежних процесом. Він відбувається в цитоплазмі. Однак ферменти гліколізу пов'язані зі структурами цитоскелету.

Гліколіз - процес дуже складний. Це процес розщеплення глюкози під дією різних ферментів, який не вимагає участі кисню. Для розпаду і часткового окислення молекули глюкози необхідно узгоджене перебіг одинадцяти послідовних реакцій. При гліколізі одна молекула глюкози дає можливість синтезувати дві молекули АТФ. Продукти розщеплення глюкози можуть потім вступати в реакцію бродіння, перетворюючись на етиловий спирт або молочну кислоту. Спиртове бродіння властиво дріжджів, а молочнокисле - властиво клітинам тварин і деяких бактерій. Багатьом аеробним, тобто живуть виключно в біс кисневої середовищі, організмам вистачає енергії, що утворюється в результаті гліколізу і бродіння. Але аеробних організмів необхідно доповнити цей невеликий запас, причому досить суттєво.

Кисневий етап дихання

Продукти розщеплення глюкози потрапляють в мітохондрії. Там від них спочатку відщеплюється молекула вуглекислого газу, який виводиться з організму при виході. «Спалювання» відбувається у так званому циклі Кребса (додаток № 1) (на ім'я описав його англійського біохіміка) - послідовного ланцюга реакцій. Кожен із що у ній ферментів вступає в з'єднання, а після декількох перетворень знову звільняється в первісному вигляді. Біохімічний цикл зовсім не безцільне ходіння по колу. Він більше схожий з поромом, який снує між двома берегами, але в підсумку люди і машини рухаються в потрібному напрямку. У результаті відбуваються в циклі Кребса реакцій синтезуються додаткові молекули АТФ, відщеплюються додаткові молекули вуглекислого газу і атоми водню.

Жири теж беруть участь у цьому ланцюжку, але їх розщеплення вимагає часу, тому якщо енергія потрібна терміново, то організм використовує не жири, а вуглеводи. Зате жири - дуже багате джерело енергії. Можуть окислятся для енергетичних потреб і білки, але лише в крайньому випадку, наприклад при тривалому голодуванні. Білки для клітини - недоторканий запас.

Головний по ефективності процес синтезу АТФ відбувається за участю кисню в багатоступінчастої дихального ланцюга. Кисень здатний окислювати багато органічних сполук і при цьому виділяти багато енергії відразу. Але такий вибух для організму був би згубний. Роль дихальної ланцюга і всього аеробного, тобто пов'язаного з киснем, дихання полягає саме в тому, щоб організм забезпечувався енергією безперервно і невеликими порціями - у тій мірі, в якій мірі це організму потрібно. Можна провести аналогію з бензином: розлитий по землі і підпалений, він миттєво спалахне без будь-якої користі. А в автомобілі, згораючи потроху, бензин буде кілька годин робити корисну роботу. Але для цього такий складний пристрій, як двигун.

Дихальна ланцюг в сукупності з циклом Кребса і гликолизом дозволяє довести «вихід» молекул АТФ з кожної молекули глюкози до 38. Але ж при гліколізі це співвідношення було лише 2:1. Таким чином, коефіцієнт корисної дії аеробного дихання набагато більше.

Як влаштована дихальна ланцюг?

Механізм синтезу АТФ при гліколізі відносно простий і може без зусиль бути відтворений в пробірці. Однак ніколи не вдавалося лабораторно змоделювати дихальний синтез АТФ. У 1961 році англійський біохімік Пітер Мітчел висловив припущення, що ферменти - сусіди по дихальної ланцюга - дотримуються не тільки сувору черговість, а й чіткий порядок у просторі клітини. Дихальна ланцюг, не змінюючи свого порядку, закріплюється у внутрішній оболонці (мембрані) мітохондрії і кілька разів «прошиває» її ніби стібками. Спроби відтворити дихальний синтез АТФ зазнали невдачі, тому що роль мембрани дослідниками недооцінювалися. А адже в реакції беруть участь ще ферменти, зосереджені в грибоподібних наростах на внутрішній стороні мембрани. Якщо ці нарости видалити, то АТФ синтезуватися не буде.

Дихання, що приносить шкоду.

Молекулярний кисень - потужний окислювач. Але як сильнодіючі ліки, він здатний давати і побічні ефекти. Наприклад, пряма взаємодія кисню з ліпідами викликає поява отруйних перекисів і порушує структуру клітин. Активні сполуки кисню можуть пошкоджувати також білки і нуклеїнові кислоти.

Чому ж не відбувається отруєння цими отрутами? Тому, що їм є протиотрута. Життя виникло у відсутність кисню, і перші істоти на Землі були анаеробними. Потім з'явився фотосинтез, а кисень як його побічний продукт почав накопичуватися в атмосфері. У ті часи цей газ був небезпечний для всього живого. Одні анаероби загинули, інші знайшли безкисневі куточки, наприклад, оселившись в грудочках грунту; треті стали пристосовуватися і змінюватися. Тоді-то і з'явилися механізми, що захищають живу клітину від безладного окислення. Це різноманітні речовини: ферменти, у тому числі руйнівник шкідливої ​​перекису водню - каталізу, а також багато інших небілкові з'єднання.

Дихання взагалі спочатку з'явилося, як спосіб видаляти кисень з навколишнього організм атмосфери і лише потім стало джерелом енергії. Пристосувалися до нового середовища анаероби стали аеробами, отримавши величезні переваги. Але прихована небезпека кисню для них все ж збереглася. Потужність антиокислювальних «протиотрут» небезмежна. Ось чому в чистому кисні, та ще й під тиском, все живе досить скоро гине. Якщо ж клітина виявиться пошкоджена будь-яким зовнішнім фактором, то захисні механізми зазвичай відмовляють в першу чергу, і тоді кисень починає шкодити навіть при звичайній атмосферної концентрації