Уравнение химической реакции аэробного дыхания в клетках организма

Уравнение химической реакции аэробного дыхания в клетках организма

При аэробном дыхании образующаяся в процессе гликолиза пировиноградная кислота в конечном итоге полностью окисляется кислородом до СО₂ и воды. В первой фазе пировиноградная кислота расщепляется с образованием СO₂ и водорода. Этот процесс протекает в матриксе митохондрий и включает в себя последовательность реакций, называемую циклом Кребса. Во второй фазе отщепившийся водород через ряд окислительно-восстановительных реакций — в так называемой дыхательной цепи — окисляется в конечном счете молекулярным кислородом до воды. Это происходит на так называемых кристах (гребневидных складках внутренней мембраны митохондрий).

Начальные этапы аэробного дыхания представлены на рисунке.

Переходный этап между гликолизом и циклом Кребса

Каждая молекула пировиноградной кислоты поступает в матрикс митохондрий и здесь — в виде ацетильной группы (СН₃СОО—) — соединяется с веществом, которое называется коферментом А (или сокращенно КоА), в результате чего образуется ацетилкофермент А (ацетил-КоА). Ацетильная группа содержит два атома углерода (2С), поэтому для того чтобы она могла образоваться, пировиноградная кислота (ЗС) должна угратить атом углерода.

Отщепление атома углерода в виде С0₂ называется реакцией декарбоксилирования. Это — окислительное декарбоксилирование, поскольку оно сопровождается окислением путем дегидрирования, в результате чего образуется восстановленный НАД.

Цикл Кребса

Этот цикл назван так в честь открывшего его в 1930-х годах исследователя — сэра Ганса Кребса. Его называют также «циклом трикарбоновых кислот» и «циклом лимонной кислоты», поскольку именно эти кислоты в нем участвуют.

Цикл Кребса протекает в матриксе митохондрий. Ацетильные группы (2С) вовлекаются в цикл, присоединяясь к 4С-соединению — щавелевоуксусной кислоте, в результате чего образуется лимонная кислота (6С). Далее следует цикл реакций, в которых поступившие в цикл ацетильные группы декарбоксилируются с образованием двух молекул СO₂ и дегидрируются с высвобождением четырех пар атомов водорода, присоединяющихся к переносчикам, в результате чего образуются три молекулы восстановленного НАД и одна молекула восстановленного ФАД. Каждый оборот цикла дает также одну молекулу АТФ. (Напомним, что из одной молекулы глюкозы образуются две ацетильные группы, и значит, для окисления каждой молекулы глюкозы требуются два оборота цикла.) В конце цикла щавеле-воуксусная кислота регенерирует и может теперь присоединить к себе новую ацетильную группу.

Общий баланс аэробного дыхания на этом этапе приведен в таблице.

Суммарное уравнение может быть записано в следующем виде:

Весь водород из молекулы глюкозы оказывается в конечном счете у переносчиков (НАД и ФАД). Весь углерод теряется в виде С02. (Может вызвать удивление присутствие в этом уравнении шести молекул воды. Вода нужна в качестве источника кислорода в реакциях декарбоксили-рования — именно такое происхождение имеет часть кислорода в СO₂. Это, впрочем, деталь, которую можно и не учитывать.)

Аэробное дыхание – полное руководство

Определение

Аэробное дыхание – это процесс, при котором организмы используют кислород для превращения топлива, такого как жиры и сахара, в химическую энергию. По сравнению, анаэробное дыхание не использует кислород.

Дыхание используется всеми клетками для превращения топлива в энергию, которая может использоваться для питания клеточных процессов. Продукт дыхания является молекула называется аденозинтрифосфатом (АТФ), который использует энергию, запасенную в его фосфатных связях, для запуска химических реакций. Его часто называют «валютой» клетка.

Аэробное дыхание намного эффективнее, и вырабатывает АТФ намного быстрее, чем анаэробное дыхание, Это потому, что кислород является отличным акцептором электронов для химических реакций, участвующих в производстве АТФ.

В процессе гликолиза две молекулы АТФ потребляются и четыре производятся. Это приводит к чистому усилению двух молекул АТФ, продуцируемых для каждой молекулы сахара, расщепленной в результате гликолиза. На этом сходство аэробного и анаэробного дыхания заканчивается.

В клетках с кислородом и аэробным дыханием молекула сахара распадается на две молекулы пируват, В клетках, которые не имеют кислорода, молекула сахара расщепляется на другие формы, такие как лактат.

Различия

После гликолиза различные химические процессы дыхания могут идти несколькими путями:

• Клетки, использующие аэробное дыхание, продолжают свою цепочку переноса электронов в высокоэффективном процессе, который в результате дает 38 молекул АТФ из каждой молекулы сахара.
• Клетки, которые лишены кислорода, но обычно не используют анаэробное дыхание, как наши мускул клетки могут оставлять конечные продукты гликолиза сидя, получая только две АТФ на молекулу сахара, которую они расщепляют. Это неэффективный метод получения энергии дыханием.
• Клетки, которые сделаны для анаэробного дыхания, такие как многие типы бактерии, может продолжить цепочку переноса электронов, чтобы извлечь больше энергии из конечных продуктов гликолиза.

После гликолиза клетки, которые не используют кислород для дыхания, но переходят в цепь переноса электронов, могут использовать другой акцептор электронов, такой как сульфат или нитрат, для продвижения своей реакции.

Эти процессы представляют собой тип анаэробного дыхания, называемого «ферментация «. Некоторые типы реакций брожения производят алкоголь и углекислый газ. Вот как алкогольные напитки и хлеб сделаны.

Аэробное дыхание, с другой стороны, отправляет остатки пирувата после гликолиза по совершенно другому химическому пути, этапы которого подробно обсуждаются ниже.

Шаги Аэробного Дыхания

Общее уравнение

Уравнение для аэробного дыхания описывает реагенты и продукты всех его стадий, включая гликолиз. Это уравнение:

1 глюкоза + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 38 АТФ

Таким образом, 1 молекула шестиуглеродной глюкозы и 6 молекул кислорода превращаются в 6 молекул углекислого газа, 6 молекул воды и 38 молекул АТФ. Реакции аэробного дыхания можно разбить на четыре стадии, описанные ниже.

гликолиз

Гликолиз является первой стадией аэробного дыхания и происходит в цитоплазма клетки. Он включает в себя расщепление 1 молекулы сахара с шестью углеродами на две молекулы пирувата с тремя углеродами. Этот процесс создает две молекулы АТФ.

Общее уравнение выглядит следующим образом:

C6H12O6 + 2 ADP + 2 PI + 2 NAD + → 2 Пируват + 2 ATP + 2 NADH + 2 H + + 2 H2O

Этот процесс уменьшает кофактор NAD + до NADH. Это важно, так как позже в процессе клеточное дыхание, NADH будет способствовать формированию гораздо большего количества АТФ через митохондрии «s цепь переноса электронов.

На следующей стадии пируват перерабатывают для превращения его в топливо для цикла лимонной кислоты, используя процесс окислительного декарбоксилирования.

Окислительное декарбоксилирование пирувата

2 (Пируват– + Коэнзим A + NAD + → Ацетил-КоА + CO2 + NADH)

Окислительное декарбоксилирование, иногда называемое реакцией связи или реакцией перехода, является связующим звеном между гликолизом и циклом лимонной кислоты. Это, как и гликолиз, происходит в цитоплазме. В этом процессе пируват объединяется с коферментом А для получения ацетил-КоА.

Эта реакция перехода важна, потому что ацетил-КоА является идеальным топливом для цикла лимонной кислоты, который, в свою очередь, может привести в действие процесс окислительного фосфорилирования в митохондриях, которые производят огромное количество АТФ.

Больше NADH также создано в этой реакции. Это означает больше топлива для создания большего количества АТФ позже в процессе клеточного дыхания.

Цикл лимонной кислоты

2 (ACETYL COA + 3 NAD + + FAD + ADP + PI → CO2 + 3 NADH + FADH2 + ATP + H + + COENZYME A)

Реакция происходит дважды для каждой молекулы глюкозы, поскольку существует два пирувата и, следовательно, две молекулы ацетил-КоА, генерируемые для входа в цикл лимонной кислоты.

И NADH, и FADH2 – еще один переносчик электронов для цепи переноса электронов – созданы. Все NADH и FADH2, созданные на предыдущих этапах, теперь вступают в игру в процессе окислительного фосфорилирования.

Таким образом, в каждом цикле цикла два атома углерода вступают в реакцию в форме ацетил-КоА. Они производят две молекулы углекислого газа. Реакции генерируют три молекулы NADH и одну молекулу FADH. Одна молекула АТФ производится.

Окислительного фосфорилирования

Окислительное фосфорилирование является основной энергией, обеспечивающей стадию аэробного дыхания. Он использует свернутые мембраны в митохондриях клетки для производства огромного количества АТФ.

34 (ADP + PI + NADH + 1/2 O2 + 2H + → ATP + NAD + + 2 H2O)

В этом процессе NADH и FADH2 отдают электроны, полученные ими из глюкозы на предыдущих этапах клеточного дыхания, в цепь транспорта электронов в мембране митохондрий.

Цепочка переноса электронов состоит из ряда белковые комплексы которые встроены в митохондриальную мембрану, включая комплекс I, Q, комплекс III, цитохром С и комплекс IV.

Все это в конечном итоге служит для передачи электронов с более высоких на более низкие энергетические уровни, собирая энергию, выделяемую в процессе. Эта энергия используется для питания протонных насосов, которые приводят к образованию АТФ.

Так же, как натриево-калиевый насос клеточная мембрана протонные насосы митохондриальной мембраны используются для генерации градиент концентрации которые могут быть использованы для питания других процессов.

Протоны, которые транспортируются через мембрану, используя энергию, собранную от NADH и FADH2, «хотят» проходить через канальные белки из их области высокой концентрации в их область низкой концентрации.

В частности, белки канала представляют собой синтез АТФ, которые являются ферментами, которые производят АТФ. Когда протоны проходят через АТФ-синтаза они управляют образованием АТФ.

Именно поэтому этот процесс называют митохондриями «электростанциями клетки». Цепочка переноса электронов в митохондриях составляет почти 90% всех АТФ, образующихся в клетке, в результате расщепления пищи.

Это также шаг, который требует кислорода. Без молекул кислорода, чтобы принять истощенные электроны в конце цепи переноса электронов, электроны отступили бы, и процесс создания АТФ не мог бы продолжаться.

Аэробное дыхание – вот почему нам нужны и пища, и кислород, поскольку оба они необходимы для выработки АТФ, который позволяет нашим клеткам функционировать. Мы вдыхаем O2 и выдыхаем одинаковое количество молекул CO2. Откуда появился атом углерода? Это происходит от пищи, такой как сахар и жир, которую вы съели.

Именно поэтому вы дышите тяжелее и быстрее, выполняя сжигание калорий. Ваше тело использует кислород и сахар с большей скоростью, чем обычно, и вырабатывает больше АТФ для питания ваших клеток, а также больше отходов CO2.

Хотя наши клетки обычно используют кислород для дыхания, когда мы используем АТФ быстрее, чем доставляем молекулы кислорода в наши клетки, наши клетки могут выполнять анаэробное дыхание, чтобы удовлетворить свои потребности в течение нескольких минут.

Интересный факт: накопление лактата в результате анаэробного дыхания является одной из причин, почему мышцы могут чувствовать боль после интенсивные упражнения!

Уравнение химической реакции аэробного дыхания в клетках организма

Весь клеточный метаболизм начинается с молекул глюкозы. Этот шестиуглеродный сахар может быть получен из продуктов всех трех классов питательных микроэлементов (углеводы, белки и жиры), хотя сама глюкоза является простым углеводом. В присутствии кислорода глюкоза трансформируется и расщепляется в цепочке из примерно 20 реакций с образованием углекислого газа, воды, тепла и 36 или 38 молекул аденозинтрифосфата (АТФ), молекулы, наиболее часто используемой клетками во всех живых вещи как прямой источник топлива. Изменение количества АТФ, продуцируемого аэробным дыханием, отражает тот факт, что клетки растений иногда сжимают 38 АТФ из одной молекулы глюкозы, в то время как клетки животных генерируют 36 АТФ на молекулу глюкозы. Этот АТФ происходит от сочетания свободных молекул фосфата (Р) и аденозиндифосфата (АДФ), причем почти все это происходит на самых последних стадиях аэробного дыхания в реакциях цепи переноса электронов.

Полная химическая реакция, описывающая аэробное дыхание:

C6H12O6 + 36 (или 38) АДФ + 36 (или 38) P + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 420 ккал + 36 (или 38) АТФ.

Хотя сама реакция в этой форме кажется достаточно простой, она опровергает множество шагов, необходимых для перехода от левой части уравнения (реагенты) к правой части (продукты, включая 420 килокалорий выделенного тепла). ). По соглашению вся совокупность реакций делится на три части в зависимости от того, где происходит каждая из них: гликолиз (цитоплазма), цикл Кребса (митохондриальный матрикс) и цепь переноса электронов (внутренняя митохондриальная мембрана). Однако, прежде чем подробно исследовать эти процессы, рассмотрим, как аэробное дыхание началось на Земле.