Роль клітинного дихання. АТФ та її значення. Мітохондрії. Аеробне та анаеробне дихання.

Кліти́нне ди́хання — сукупність біохімічних реакцій живих організмів, що протікають в клітинах, в ході яких відбувається окиснення вуглеводів, ліпідів і амінокислот. Вивільнена енергія запасається в хімічних зв'язках макроенергетичних сполук (АТФ та ін.) і може бути використана в міру необхідності. Реакції клітинного дихання входять до групи процесів катаболізму

Мітохондрія — двомембранна органела, присутня у більшості клітин еукаріот^[1]. Мітохондрії іноді називають «клітинними електростанціями», тому що вони перетворюють молекули поживних речовин на енергію у формі АТФ через процес відомий як окислювальне фосфорилювання. Основна роль мітохондрій — виробництво АТФ, що відображається великим числом білків у внутрішній мембрані призначених для цього завдання. Це робиться за рахунок окислювання основних продуктів гліколізу: пірувату і NADH, які виробляються в цитозолі. Цей процес клітинного дихання, відомого як аеробне дихання, залежить від присутності кисню.

Анаеробне дихання — окислення молекул для отримання енергії за відсутності кисню. Ці процеси вимагають наявності іншого акцептора електронів замість кисню. Термін «анаеробне дихання» часто вживають рівнозначно термінам «бродіння» та «ферментація», особливо, коли мова йде про гліколітичний шлях у клітині. Під час анаеробного дихання піруват може перетворюватися на різні сполуки. Стандартні приклади продуктів анаеробного дихання: етанол, молочна кислота й водень.

Хоча на останньому етапі анаеробного дихання (перетворення пірувата на кінцеві продукти бродіння) не вивільняється енергія, він украй важливий для анаеробної клітини, оскільки на цьому етапі регенерується нікотинамід аденін динуклеотід (NAD⁺), який потрібний для гліколізу. Це важливо для нормальної клітинної діяльності, оскільки гліколіз є зазвичай єдиним джерелом АТФ в анаеробних умовах.Анаеробне отримання АТФ менш ефективне, ніж окислювальне фосфорилування (коли піруват повністю окислюється до двоокису вуглецю). У процесі анаеробного дихання з однієї молекули глюкози утворюється дві молекули АТФ(для порівняння, шляхом аеробного дихання утворюється близько 36 молекул).

Аеробне дихання протікає складним шляхом, починається воно реакціями, що приводять до утворення піровиноградної кислоти, і завершується циклом трикарбонових кислот. В результаті повного окислення піровиноградної кислоти відщеплюютьсявуглекислий газ і водень, який при перенесенні на молекулярний кисень утворює воду.

При аеробному диханні утворюється в процесі гліколізу піровиноградна кислота в кінцевому підсумку повністю окислюється киснем до СО 2 і води. У першій фазі піровиноградна кислота розщеплюється з утворенням СO 2 і водню. Цей процес протікає в матриксі мітохондрій і включає в себе послідовність реакцій, звану циклом Кребса. У другій фазі відщепилися водень через ряд окислювально-відновних реакцій - в так званій дихального ланцюга - окислюється в кінцевому рахунку молекулярним киснем до води. Це відбувається на так званих кристах (гребеневидний складках внутрішньої мембрани мітохондрій).

Кожна молекула піровиноградної кислоти надходить в матрикс мітохондрій і тут - у вигляді ацетильной групи (СН 3 СОО-) - з'єднується з речовиною, яка називається коферментом А (або скорочено КоА), в результаті чого утворюється ацетилкофермента А (ацетил-КоА). Ацетильной група містить два атоми вуглецю (2С), тому для того щоб вона могла утворитися, піровиноградна кислота (ЗС) повинна угратіть атом вуглецю.

Відщеплення атома вуглецю у вигляді С0 2 називається реакцією декарбоксилювання. Це - окислювальне декарбоксилювання, оскільки воно супроводжується окисленням шляхом дегидрирования, в результаті чого утворюється відновлений НАД.
Цикл Кребса протікає в матриксі мітохондрій. Ацетильним групи (2С) залучаються до цикл, приєднуючись до 4С-з'єднанню - щавелевоуксусной кислоті, в результаті чого утворюється лимонна кислота (6С). Далі слід цикл реакцій, в яких надійшли в цикл ацетильним групи декарбоксилируется з утворенням двох молекул СO 2 і дегидрируются з вивільненням чотирьох пар атомів водню, які приєднуються до переносникам, в результаті чого утворюються три молекули відновленого НАД і одна молекула відновленого ФАД. Кожен оборот циклу дає також одну молекулу АТФ. (Нагадаємо, що з однієї молекули глюкози утворюються дві ацетильним групи, і значить, для окислення кожної молекули глюкози потрібні два оберти циклу.) Наприкінці циклу щавлі-воуксусная кислота регенерує і може тепер приєднати до себе нову ацетильную групу.