Підручник Біологія 9 клас - В. І. Соболь - Абетка 2017

Тема 3. ПРИНЦИПИ ФУНКЦІОНУВАННЯ КЛІТИНИ

§ 19. КЛІТИННЕ ДИХАННЯ, ЙОГО БІОХІМІЧНІ МЕХАНІЗМИ

Основне значення дихання - це вивільнення хімічної енергії поживних речовин.

Дитяча енциклопедія «Аванта+»

Основні поняття й ключові терміни: КЛІТИННЕ ДИХАННЯ. АНАЕРОБНЕ ДИХАННЯ. АЕРОБНЕ ДИХАННЯ.

Пригадайте! Що таке дихання?

Вступна вправа

Визначте послідовність процесів травлення в організмі людини після того, як в її ротову порожнину потрапив шматочок шоколадно-бананового торта: г) порожнинне травлення у дванадцятипалій кишці білків, жирів й вуглеводів; е1 повільне подрібнення їжі та їі зволоження; н) розщеплення амілазами слини вуглеводів, що є в торті; е2) склеювання їжі у харчові грудочки та їхнє переміщення стравоходом до шлунка; і) остаточне пристінне травлення складних молекул та всмоктування малих молекул у кров та лімфу; р) розщеплення у шлунку бісквітних білків та жирів молока; я) транспортування амінокислот, жирних кислот і глюкози до клітин, що відбувається за допомогою крові й лімфи. Яке слово отримали?

ЗМІСТ

Яке біологічне значення клітинного дихання?

Основні поживні речовини для клітин - це амінокислоти, жирні кислоти й глюкоза. Дихання є процесом, за якого ці речовини розщеплюються й вивільняють хімічну енергію. Виокремлюють два основні типи клітинного дихання: анаеробний та аеробний.

АНАЕРОБНЕ ДИХАННЯ - сукупність процесів, які здійснюють біологічне окиснення поживних речовин і отримання енергії за відсутності кисню. Характерне для клітин організмів, які живуть в безкисневих умовах (наприклад, молочнокислі бактерії, паразитичні черви, глибоководні безхребетні). У клітинах аеробних організмів цей механізм завжди передує кисневому розщепленню поживних речовин. За анаеробного дихання кінцевим продуктом є органічні молекули молочної кислоти (С3Н6О3). Під час анаеробного дихання виділяється значно менше енергії, ніж під час аеробного.

АЕРОБНЕ ДИХАННЯ - сукупність процесів біологічного окиснення поживних речовин і отримання енергії за участі кисню. Розщеплення органічних речовин відбувається з утворенням кінцевих продуктів окиснення Н2О і СО2. Аеробне дихання характерне для переважної більшості еукаріотичних клітин. Починається гліколізом у цитоплазмі й продовжується в мітохондріях. Аеробне окиснення відбувається з використанням кисню як акцептора (приймача) електронів й протонів Гідрогену з утворенням води. Аеробне дихання - найдосконаліший спосіб отримання енергії. Його енергетичний ефект приблизно в 20 разів більший, ніж під час анаеробного дихання.

Процеси дихання подібні за багатьма ознаками в клітинах організмів різних царств живої природи. Ознаками подібності є утворення таких універсальних речовин, як піровиноградна кислота й АТФ, використання кисню в ролі акцептора електронів й Гідрогену, розщеплення до кінцевих продуктів Н2О і СО2, використання подібних ферментів тощо.

Отже, ДИХАННЯ КЛІТИНИ - це сукупність процесів біологічного окиснення поживних речовин з вивільненням хімічної енергії, що акумулюється в АТФ.

Які процеси є основою анаеробного дихання клітин?

Більшість клітин для вивільнення енергії у процесах дихання передусім використовують глюкозу. Цікаво, що є клітини (наприклад, клітини мозку, скелетних м’язів, зрілі еритроцити), які отримують енергію для життя лише з молекул цього моносахариду.

Чому ж глюкоза є основним джерелом енергії для клітин? Полярні молекули глюкози дуже добре взаємодіють з водою, тому легко й швидко переміщуються в клітині, їхнє транспортування в клітину здійснюється шляхом полегшеної дифузії, що не вимагає затрат енергії. Окрім того, глюкоза може перетворюватися клітинами на резервні вуглеводи: у рослинній клітині - на крохмаль, у клітинах тварин й грибів - на глікоген.

Найдавнішим й універсальним процесом безкисневого розщеплення глюкози є гліколіз (від грец. солодкий і розщеплення), що відбувається у цитоплазмі клітин. Гліколіз - сукупність ферментативних реакцій, які забезпечують безкисневе розщеплення молекул глюкози з утворенням молочної кислоти та АТФ. Гліколіз - це процес, спільний для анаеробного й аеробного дихання. Енергетичний ефект гліколізу - близько 200 кДж (120 кДж - на теплоту, 80 кДж - на АТФ):

С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО43Н6О3 + 2Н2О + 2АТФ.

Енергія гліколізу становить лише 5 - 7 % потенційної енергії глюкози. Незважаючи на низьку ефективність, гліколіз має велике біологічне значення. Цей процес забезпечує організми енергією в умовах дефіциту кисню. Навіть у хребетних тварин й людини гліколіз слугує ефективним способом отримання енергії під час коротких періодів інтенсивної напруги.

Ще одним механізмом анаеробного перетворення глюкози є бродіння. Бродіння - процес розкладу органічних речовин (здебільшого вуглеводів) у безкисневих умовах. Процеси бродіння Луї Пастер назвав «життям без кисню». До бродіння здатні клітини дріжджів, молочнокислих бактерій, мукорових грибів та ін. Крім спиртового і молочнокислого бродіння в організмів є ще масляно-, оцтово-, пропіоновокисле, метанове та ін. Кожен тип бродіння характеризується специфічними кінцевими продуктами.

Отже, основними процесами анаеробного дихання в клітинах є гліколіз та бродіння.

Які основні стадії аеробного дихання клітин?

Процеси життєдіяльності клітин є дуже складними. Але їхнє розуміння є важливим, оскільки саме на клітинному рівні визначаються усі життєві функції організмів. Як ілюстрацію цього твердження розглянемо аеробне дихання клітин.

Кисневий етап дихання відбувається в мітохондріях за участі кисню, і при цьому вивільняється основна частина енергії (понад 90 %) з утворенням Н2О і СО2. Енергетичний ефект такого розщеплення є великим (наприклад, для глюкози - близько 2 600 кДж):

3Н6О3 + 6О2 + З6Н3РО4 + 36АДФ 6СО2 + 42Н2О + 36АТФ.

На цьому етапі катаболізму науковці виокремлюють три стадії: окиснювальне декарбоксилювання, цикл Кребса (або цикл трикарбонових кислот) і окиснювальне фосфорилювання (іл. 48).

■ Перша стадія. Окиснювальне декарбоксилювання - це перетворення піровиноградної кислоти (продукт безкисневого розщеплення малих біомолекул) на ацетилкоензим А (ацетил-КоА).

■ Друга стадія. Цикл Кребса (цикл трикарбонових кислот) - циклічна послідовність ферментативних реакцій у матриксі мітохондрій, у результаті яких ацетил-КоА окиснюється до СО2 з вивільненням енергії й утворенням атомів Гідрогену.

■ Третя стадія. Окиснювальне фосфорилювання - це біосинтез АТФ із АДФ й неорганічного ортофосфату за рахунок енергії, що вивільняється й акумулюється за участі ферментів дихального ланцюга. Цей процес відбувається вже на кристах мітохондрій.

Отже, завдяки реакціям кисневого етапу синтезується в цілому 36 моль АТФ. Сумарним енергетичним результатом повного розщеплення глюкози є 2 800 кДж енергії (200 кДж + 2 600 кДж), з якої в 38 молекулах АТФ акумулюється 55 %о, а 45 %о – розсіюється у вигляді теплоти.

Іл. 48. Клітинне дихання

Повне рівняння розщеплення глюкози має такий вигляд:

С6Н12О6 + 6О2 + 38АДФ + З8Н3РО4 6СО2 + 44Н2О + 38АТФ.

Отже, основну роль у забезпеченні клітин енергією відіграє повне кисневе розщеплення глюкози.

ДІЯЛЬНІСТЬ

Завдання на формування практичних умінь

У процесі катаболізму глюкози в м’язах людини відбулося розщеплення 4 моль глюкози, з яких повного кисневого розщеплення зазнала лише половина. Визначте: а) скільки молочної кислоти (у молях) накопичилось в м’язах; б) скільки всього виділилося енергії; в) скільки АТФ (у молях) утворилося?

Розв'язання

Рівняння неповного розщеплення глюкози:

С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО43Н6О3 + 2Н2О + 2АТФ

Рівняння повного розщеплення глюкози:

С6Н12О6 + 6О6 + 38АДФ + З8Н3РО4 6СО2 + 44Н2О + 38АТФ

1. Скільки молочної кислоти (у молях) накопичилось у м’язах людини?

2. Яка кількість енергії виділилася при неповному розщепленні 2 моль глюкози і повному розщепленні 2 моль глюкози?

3. Скільки АТФ (у молях) утворилося?

СТАВЛЕННЯ

Біологія + Здоров'я

Розщеплення поживних речовин в організмі відбувається в три етапи. З допомогою таблиці порівняйте ці етапи. Доведіть необхідність знань про дихання клітин для здорового способу життя.

ЕТАПИ РОЗЩЕПЛЕННЯ ПОЖИВНИХ РЕЧОВИН НА ПРИКЛАДІ ВУГЛЕВОДІВ

Ознаки

Підготовчий етап

Безкисневий етап

Кисневий етап

Де відбувається?

Вихідні продукти

Кінцеві продукти

Енергетичний ефект, кДж/моль

Кількість енергії на теплоту, кДж/моль

Кількість енергії на АТФ, кДж/моль

РЕЗУЛЬТАТ

Оцінка

Завдання для самоконтролю

1 - 6

1. Що таке дихання клітин? 2. Назвіть основні типи клітинного дихання. 3. Що таке анаеробне дихання? 4. Назвіть основні механізми анаеробного дихання. 5. Що таке аеробне дихання? 6. Назвіть основні процеси аеробного дихання.

7 - 9

7. Яке біологічне значення клітинного дихання? 8. Які процеси є основою анаеробного дихання клітин? 9. Назвіть основні стадії аеробного дихання клітин.

10 - 12

10. Чому кисневе розщеплення органічних сполук виявляється енергетично ефективнішим, ніж безкисневе?


Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити