Русь. История России. Современная Россия / Русские святые / Что означает аэробное и анаэробное дыхание. Клеточное дыхание. Типы анаэробного дыхания

Что означает аэробное и анаэробное дыхание. Клеточное дыхание. Типы анаэробного дыхания

12.06.2020

(в редких случаях - и эукариотами) в анаэробных условиях. При этом факультативные анаэробы используют акцепторы электронов с высоким окислительно-восстановительным потенциалом (NO 3 − , NO 2 − , Fe 3+ , фумарат , диметилсульфоксид и т. д.), у них это дыхание конкурирует с энергетически более выгодным аэробным и подавляется кислородом. Акцепторы с низким окислительно-восстановительным потенциалом (сера , SO 4 2− , CO 2) применяются только строгими анаэробами, гибнущими при появлении в среде кислорода. В корневых системах многих растений при гипоксии и аноксии, вызванных затоплением посевов в результате длительных дождей или весенних паводков, развивается анаэробное дыхание с использованием в качестве акцепторов электронов альтернативных кислороду соединений, например нитратов. Установлено, что растения, произрастающие на полях, удобренных нитратными соединениями, переносят переувлажнение почвы и сопутствующую ему гипоксию лучше, нежели такие же растения без нитратной подкормки.

Механизмы окисления органических субстратов при анаэробном дыхании, как правило, аналогичны механизмам окисления при аэробном дыхании. Исключением является использование в качестве исходного субстрата ароматических соединений. Обычные пути их катаболизма требуют молекулярного кислорода уже на первых стадиях, в анаэробных условиях осуществляются иные процессы, например, восстановительная деароматизация бензоил-КоА у Thauera aromatica с затратой энергии АТФ. Некоторые субстраты (например, лигнин) при анаэробном дыхании не могут использоваться.

Нитратное и нитритное дыхание

Больше путей переноса протонов через мембрану анаэробная ЭТЦ не содержит (в аэробной же их 3), в связи с чем нитратное дыхание по эффективности в расчёте на 1 моль глюкозы составляет лишь 70 % от аэробного. При поступлении в среду молекулярного кислорода бактерии переключаются на обычное дыхание.

Нитратное дыхание встречается, хотя и редко, и среди эукариот. Так, нитратное дыхание, сопровождающееся денитрификацией и выделением молекулярного азота, недавно открыто у фораминифер . До этого нитратное дыхание с образованием N 2 O было описано у грибов Fusarium и Cylindrocarpon (см. .

Сульфатное дыхание

В настоящее время известен ряд бактерий, способных окислять органические соединения или молекулярный водород в анаэробных условиях, используя в качестве акцепторов электронов в дыхательной цепи сульфаты , тиосульфаты , сульфиты , молекулярную серу . Этот процесс получил название диссимиляционной сульфатредукции, а бактерии, осуществляющие этот процесс - сульфатвосстанавливающих или сульфатредуцирующих.

Все сульфатвосстанавливающие бактерии - облигатные анаэробы.

Сульфатвосстанавливающие бактерии получают энергию в процессе сульфатного дыхания при переносе электронов в электронтранспортной цепи. Перенос электронов от окисляемого субстрата по электронтранспортной цепи сопровождается возникновением электрохимического градиента ионов водорода с последующим синтезом АТФ .

Подавляющее большинство бактерий этой группы хемоорганогетеротрофы. Источником углерода и донором электронов для них являются простые органические вещества - пируват , лактат , сукцинат , малат , а также некоторые спирты . У некоторых сульфатвосстанавливающих бактерий обнаружена способность к хемолитоавтотрофии, когда окисляемым субстратом является молекулярный водород .

Сульфатвосстанавливающие эубактерии широко распространены в анаэробных зонах водоёмов разного типа, в иле , в почвах , в пищеварительном тракте животных . Наиболее интенсивно восстановление сульфатов происходит в соленых озерах и морских лиманах , где почти нет циркуляции воды, и содержится много сульфатов. Сульфатвосстанавливающим эубактериям принадлежит ведущая роль в образовании сероводорода в природе и в отложении сульфидных минералов . Накопление в среде H 2 S часто приводит к отрицательным последствиям - в водоемах к гибели рыбы , в почвах к угнетению растений . С активностью сульфатвосстанавливающих эубактерий связана также коррозия в анаэробных условиях различного металлического оборудования, например, металлических труб.

Фумаратное дыхание

В качестве акцептора электронов может использоваться фумарат . Фумаратредуктаза сходна с нитритредуктазой: лишь вместо молибдоптерин содержащей субъединицы в её состав входит ФАД и гистидин содержащая субъединица. Трансмембранный протонный потенциал образуется аналогичным образом: перенос протонов не происходит, однако фумаратредуктаза связывает протоны в цитоплазме, а дегидрогеназы в начале ЭТЦ выделяют протоны в периплазму. Перенос электронов с дегидрогеназ на фумаратредуктазу происходит обычно через мембранный пул менохинонов.

Фумарат, как правило, отсутствует в природных местообитаниях и образуется самими микроорганизмами из аспартата , аспарагина , сахаров , малата и цитрата . В виду этого большинство бактерий, способных к фумаратному дыханию содержат фумаразу, аспартат:аммиак-лиазу и аспарагиназу , синтез которого контролирует чувствительный к молекулярному кислороду белок Fnr.

Фумаратное дыхание достаточно широко распространено среди эукариот, в частности у животных (среди животных, у которых оно описано - пескожил , мидии , аскарида , печеночная двуустка и др .)

Железистое дыхание

Дыхание ацетогенных бактерий

Строго анаэробные ацетогенные бактерии родов Acetobacterium , Clostridium , Peptostreptococcus и др. способны получать энергию, окисляя водород углекислым газом. При этом две молекулы CO 2 образуют ацетат . Энергия при этом запасается в виде трансмембранного градиента протонов (Clostridium sp. ) или ионов натрия (Acetobacterium woodi ). Для перевода его в энергию связей АТФ используется обычная H-транспортирующая АТФ-синтаза или Na-зависимая АТФ-синтаза соответственно.

Анаэробное дыхание у растений

Анаэробное дыхание , в частности нитратное , активируется в корневых системах некоторых растений в условиях аноксии и гипоксии . Однако если у многих бактерий и некоторых протистов и животных оно может быть основным и достаточным для получения энергии процессом (часто наряду с гликолизом), то у растений функционирует почти исключительно в стрессовых условиях. Так или иначе, но на полях, где в качестве удобрений были внесены нитраты , растения лучше переносят гипоксию , вызванную переувлажнением почвы из-за продолжительных дождей .

Анаэробное дыхание у грибов, протистов и животных

Среди животных анаэробное фумаратное дыхание встречается у некоторых паразитических и свободноживущих червей, ракообразных, моллюсков; нитратное дыхание известно среди грибов (например, у Fusarium)

Растения живут благодаря процессу дыхания, но в отсутствие кислорода некоторое время они могут жить за счет анаэробного дыхания. Анаэробное дыхание растений включается, когда необходимый растению кислород потребляется из органических соединений, главным образом из сахара, который обычно и является исходным материалом при нормальном дыхании.

Распределение сахара при анаэробном дыхании

При анаэробном дыхании сахар распадается по схеме: С 6 Н 12 О 6 → 2С 2 Н 5 ОН+2СО 2 + 48ккал Как видно, углерод сахара лишь частично окисляется до углекислого газа, а остальной углерод восстанавливается до этилового спирта, так как кислород извне не поступает, а превращение сахара происходит только за счет перераспределения кислорода, находящегося в его молекуле. Энергии в случае анаэробного дыхания выделяется всего 48 ккал, тогда как при полном окислении - 686 ккал, (подробнее: ). Такая разница объясняется тем, что в спирте остается большое количество потенциальной энергии, поскольку окисление идет не до конца.

Анаэробные условия

Однако растения не могут жить долго в анаэробных условиях . Для того чтобы получить такое же количество энергии, которое оно имеет при дыхании, при анаэробном дыхании растение должно затратить очень большое количество запасного вещества. Поэтому в анаэробных условиях растения быстро погибают от истощения и, кроме того, от отравления спиртом , накапливающимся в тканях. Поэтому процесс анаэробного дыхания для высших растений - только временная замена кислородного дыхания . Анаэробное дыхание наблюдается у растений, длительное время находящихся при избытке влаги в почве, при образовании корки на поверхности почвы и хранении зерна в больших кучах.

Анаэробное дыхание для микроорганизмов

Для многих низших растений (микроорганизмов ) анаэробное дыхание служит основным процессом добывания необходимой для жизни энергии и может поддерживать их жизнь неограниченное время. В этом случае анаэробное дыхание называется брожением . Микроорганизмы используют для брожения не собственные запасы питательных веществ, как это имеет место у , а питательные вещества из окружающей их среды. Анаэробное дыхание у растений сходно со спиртовым брожением . В анаэробных условиях под воздействием ряда ферментов образуются промежуточные продукты те же, что и при брожении, в частности пировиноградная кислота . В аэробных условиях пировиноградная кислота полностью окисляется до углекислоты и воды, а в анаэробных условиях при спиртовом брожении она распадается до С0 2 и спирта. На схеме показано взаимоотношение между нормальным дыханием - аэробным и анаэробным - спиртовым брожением.

Аэробное и анаэробное дыхание. Как видно из схемы, процессы дыхания и брожения одинаковы до образования пировиноградной кислоты. При дыхании для образования пировиноградной кислоты не требуется участия кислорода, т.е. эта фаза дыхания является анаэробной. При доступе кислорода и наличии системы окислительных ферментов пировиноградная кислота окисляется до конца. При спиртовом брожении с участием фермента карбоксилазы карбоксил пировиноградной кислоты разрушается, выделяется углекислота и образуется уксусный альдегид , которому при участии фермента дегидрогеназы передаются 2 атома водорода и он восстанавливается в этиловый спирт. Таким образом, конечными продуктами спиртового брожения являются спирт и углекислота.

Выделяющаяся в ходе реакции свободная энергия запасается в виде трансмембранного протонного потенциала, использующегося АТФ-синтазой для синтеза АТФ .

Сульфатное дыхание

В настоящее время известен ряд бактерий, способных окислять органические соединения или молекулярный водород в анаэробных условиях, используя в качестве акцепторов электронов в дыхательной цепи сульфаты , неорганические тиосульфаты , сульфиты , молекулярную серу . Этот процесс получил название диссимиляционной сульфатредукции, а бактерии, осуществляющие этот процесс - сульфатвосстанавливающих или сульфатредуцирующих.

Все сульфатвосстанавливающие бактерии - облигатные анаэробы.

Фумаратное дыхание

Фумарат, как правило, отсутствует в природных местообитаниях и образуется самими микроорганизмами из аспартата , аспарагина , сахаров , малата и цитрата . В виду этого большинство бактерий, способных к фумаратному дыханию содержат фумаразу, аспартат: аммиак-лиазу и аспарагиназу , синтез которого контролирует чувствительный к молекулярному кислороду белок Fnr.

Дыхание - Это ступенчатый, ферментативный, окислительно-восстановительный процесс расщепления углеводов, окислителем которых является свободный или связанный кислород. Если в качестве окислителя выступает молекулярный кислород воздуха, дыхание называется аэробным.

Выделяют аЭробное дыхание: с полным окислением с неполным окислением

Органических субстратов органических субстратов

Процесс аэробного дыхания протекает по схеме:

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 38AT Ф

Характеристика аэробного дыхания с полным окисление органических субстратов:

1.Субстраты дыхания – органические вещества (углеводы, кислоты, жиры);

2.Продукты дыхания – минеральные вещества (Н2О, CO2);

3.Биологический смысл – получение энергии;

4.Условия – аэробные (наличие молекулярного) кислорода

5.Механизм аэробного дыхания. Выделяют три основных этапа дыхания:

I ) Универсальный (гликолиз ):

С6Н12О6 → 2СН3СОСООН + 2НАД Н2 + 2АТФ

II ) Цикл Кребса . На этом этапе происходит последовательное отщепление трех углеродных атомов от пировиноградной кислоты. В результате ферментативного декарбоксилирования образутся три молекулы СО2 и восстанавливаются пять дегидрогеназ (на каждую триозу). При распаде одной молекулы глюкозы в гликолизе образуется 2 молекулы ПВК, следовательно все коэффициенты уравнения умножаются на два. Суммарное уравнение цикла кребса выглядит так:

2 х (СН3СОСООН + 3Н2О → 3СО2 + 4НАД Н2 + 1ФАД Н2 + 1АТФ)

III ) Собственная аэробная фаза – проходит в ЭТЦ (электронтранспортная цепь) по схеме:

10 НАД Н2 + 2ФАД Н2 + О2 ® 10 НАД + 2ФАД + 12Н2О+ Е

Суть третьей фазы дыхания сводится к передаче водорода дегидрогеназ (НАД и ФАД) на кислород (О2) по дыхательной (электротранспортной) цепи - ЭТЦ. Компоненты ЭТЦ располагаются в мембранах в порядке увеличения окислительного потенциала (рис. 16).

В трех местах этой цепи выделяется энергии столько, что становится возможным синтез макроэргической связи АТФ. При полном окислении НАД Н2 образуется 3 молекулы АТФ. При полном окислении ФАД Н2 - 2 молекулы АТФ.

К моменту завершения второй фазы дыхания в наличии имеется 10 молекул НАД Н2 (8 образовались на этапе цикла Кребса, 2 – из гликолиза), 2 молекулы ФАД Н2 (образовались в цикле Кребса). Произведем простой расчет энергетического выхода аэробной фазы дыхания:

1 моль НАД Н2 эквивалентен 3 моль АТФ, следовательно при полном окислении 10 НАД Н2 х 3 АТФ образуется 30 АТФ;

При полном окислении 1 моль ФАД Н2 образуется 2 моль АТФ, отсюда получается: 2 ФАД Н2 х 2 АТФ = 4 АТФ. Всего в ЭТЦ образуется 34 моль АТФ. К ним следует прибавить 2 молекулы АТФ из цикла Кребса и 2 молекулы - из гликолиза. Итого – 38 АТФ – результат полного окисления одной молекулы глюкозы.

Типы анаэробного дыхания (нитратное, сульфатное)

Для процессов дыхания необходим в качестве окислителя кислород. Если присутствует молекулярный кислород - дыхание называется Аэробным. Если окислителем является связанный кислород - дыхание называется Анаэробным. Конечным акцептором водорода и электронов может быть кислород нитратов или сульфатов (NO3 или SO4 ). В качестве энергетических субстратов бактерии могут использовать углеводы, спирты, органические кислоты и др. Выделяют два основных типа анаэробного дыхания:

1) Нитратное дыхание (окислителем является кислород нитратов) – проходит по схеме:

С6Н12О6 + 4 NO 3 - → 6СО3 + 6Н2О +2 N 2 + E

Процесс носит название денитрификации. Возбудителями являются факультативно-анаэробные бактерии такие как Pseudomonas aeruginosae , Paracoc С Us Denitrific А Ns .

2) Сульфатное дыхание (окислителем является кислород сульфатов) – проходит по схеме:

C6H12O6 + 3H2SO4→6CO2 + 6H2O + 3H2S + E

Процесс носит название десульфофикации. Возбудителями являются облигатные анаэробы вида Desulfovibrio Desulfuricans .

Аэробное дыхание - это окислительный процесс, в ходе которого расходуется кислород . При дыхании субстрат без остатка расщепляется до бедных энергией неорганических веществ с высоким выходом энергии. Важнейшими субстратами для дыхания служат углеводы. Кроме того, при дыхании могут расходоваться жиры и белки.

Аэробное дыхание включает два основных этапа:

бескислородный , в процессе которого происходит постепенное расщепление субстрата с высвобождением атомов водорода и связыванием с коферментами (переносчиками типа НАД и ФАД);
кислородный , в ходе которого происходит дальнейшее отщепление атомов водорода от производных дыхательного субстрата и постепенное окисление атомов водорода в результате переноса их электронов на кислород.

На первом этапе вначале высокомолекулярные органические вещества (полисахариды, липиды, белки, нуклеиновые кислоты и др.) под действием ферментов расщепляются на более простые соединения (глюкозу, высшие карбоновые кислоты, глицерол, аминокислоты, нуклеотиды и т. п). Этот процесс происходит в цитоплазме клеток и сопровождается выделением небольшого количества энергии, которая рассеивается в виде тепла. Далее происходит ферментативное расщепление простых органических соединений.

Примером такого процесса является гликолиз - многоступенчатое бескислородное расщепление глюкозы. В реакциях гликолиза шестиуглеродная молекула глюкозы (C 6) расщепляется на две трехуглеродные молекулы пировиноградной кислоты (C 3). При этом образуются две молекулы АТФ, и выделяются атомы водорода. Последние присоединяются к переносчику НАД + (никотинамидадениндинуклеотид), который переходит в свою восстановленную форму НАД ∙ H + H + . НАД - кофермент, близкий по своей структуре к НАДФ. Оба они представляют собой производные никотиновой кислоты - одного из витаминов группы В. Молекулы обоих коферментов электроположительны (у них отсутствует один электрон) и могут играть роль переносчика как электронов, так и атомов водорода. Когда акцептируется пара атомов водорода, один из атомов диссоциирует на протон и электрон:

H → H + + e - ,

а второй присоединяется к НАД или НАДФ целиком:

НАД + + H + → НАД ∙ H + Н + .

Свободный протон позднее используется для обратного окисления кофермента.

Суммарно реакция гликолиза имеет вид:

C 6 H 12 O 6 + 2АДФ + 2Н 3 РO 4 + 2НАД + → 2C 3 H 4 O 3 + 2АТФ + 2НАД ∙ H + H + + 2Н 2 O.

Продукт гликолиза - пировиноградная кислота (C 3 H 4 O 3) - заключает в себе значительную часть энергии, и дальнейшее ее высвобождение осуществляется в митохондриях. Здесь происходит полное окисление пировиноградной кислоты до CO 2 и H 2 O. Этот процесс можно разделить на три основные стадии:

окислительное декарбоксилирование пировинофадной кислоты;
цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса);
заключительная стадия окисления - электронтранспортная цепь.

На первой стадии пировиноградная кислота взаимодействует с веществом, которое называют коферментом А (сокращенно его обозначают КоА), в результате чего образуется адетилкофермент А с высокоэнергетической связью. При этом от молекулы пировиноградной кислоты отщепляется молекула CO 2 (первая) и атомы водорода, которые запасаются в форме НАД ∙ H + H + .

Вторая стадия - цикл Кребса (названный так в честь открывшего его английского ученого Ганса Кребса).

В цикл Кребса вступает ацетил-КоА, образованный на предыдущей стадии. Ацетил-КоА взаимодействует со щавелево-уксусной кислотой (четырехутлеродное соединение), в результате образуется шестиуглеродная лимонная кислота. Для этой реакции требуется энергия; ее поставляет высокоэнергетическая связь ацетил-КоА. Далее превращение идет через образование ряда органических кислот, в результате чего ацетильные группы, поступающие в цикл при гидролизе ацетил-КоА, дегидрируются с высвобождением четырех пар атомов водорода и декарбоксилируются с образованием двух молекул CO 2 . При декарбоксилировании для окисления атомов углерода до CO 2 используется кислород, отщепляемый от молекул воды. В конце цикла щавелево-уксусная кислота регенерируется в прежнем виде. Теперь она способна вступить в реакцию с новой молекулой ацетил-КоА, и цикл повторяется. В процессе цикла используются три молекулы воды, выделяются две молекулы СO 2 и четыре пары атомов водорода, которые восстанавливают соответствующие коферменты (ФАД - флавина-дениндинуклеотид и НАД). Суммарно реакция цикла может быть выражена следующим уравнением:

ацетил-КоА + ЗH 2 O + ЗНАД + + ФАД + АДФ + H 3 PO 4 → КоА + 2CO 2 + ЗНАД ∙ H + H + + ФАД ∙ H 2 + АТФ.

Таким образом, в результате распада одной молекулы пировиноградной кислоты в аэробной фазе (декарбоксилирование ПВК и цикла Кребса) выделяется ЗCO 2 , 4НАД ∙ H + H + , ФАД ∙ H 2 .

Суммарно реакцию гликолиза, окислительного декарбоксилирования и цикла Кребса можно записать в следующем виде:

C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O + 10НАД + + 2ФАД → 6CO 2 + 4АТФ + 10НАД ∙ H + H + + 2ФАД ∙ H 2 .

Третья стадия - электронтранспортная цепь.

Пары водородных атомов, отщепляемые от промежуточных продуктов в реакциях дегидрирования при гликолизе и в цикле Кребса, в конце концов окисляются молекулярным кислородом до H 2 O с одновременным фосфорилированием АДФ в АТФ. Происходит это тогда, когда водород, отделившийся от НАД ∙ H 2 и ФАД ∙ H 2 , передается по цепи переносчиков, встроенных во внутреннюю мембрану митохондрий. Пары атомов водорода 2H можно рассматривать как 2H + + 2e - . Именно в таком виде они и передаются по цепи переносчиков. Путь переноса водорода и электронов от одной молекулы переносчика к другой представляет собой окислительно-восстановительный процесс. При этом молекула, отдающая электрон или атом водорода, окисляется, а молекула, воспринимающая электрон или атом водорода, восстанавливается. Движущей силой транспорта атомов водорода в дыхательной цели является разность потенциалов.

С помощью переносчиков ионы водорода H + переносятся с внутренней стороны мембраны на ее внешнюю сторону, иначе говоря, из матрикса митохондрии в межмембранное пространство.

При переносе пары электронов от НАД на кислород они пересекают мембрану три раза, и этот процесс сопровождается выделением на внешнюю сторону мембраны шести протонов. На заключительном этапе электроны переносятся на внутреннюю сторону мембраны и акцептируются кислородом.

½O 2 + 2e - → O 2- .

В результате такого переноса ионов H + на внешнюю сторону мембраны митохондрий в перимитохондриальном пространстве создается повышенная концентрация их, т. е. возникает электрохимический градиент протонов (ΔμH +).

Протонный градиент представляет собой как бы резервуар свободной энергии. Эта энергия используется при обратном потоке протонов через мембрану для синтеза АТФ. В ряде случаев может наблюдаться непосредственное использование энергии протонного градиента (ΔμH +). Она может обеспечивать осмотическую работу и транспорт веществ через мембрану против градиента их концентрации, использоваться на механическую работу и др. Таким образом, клетка располагает двумя формами энергии - АТФ и ΔμH + . Первая форма - химическая. АТФ растворяется в воде и легко используется в водной фазе. Вторая (ΔμH +) - электрохимическая - неразрывно связана с мембранами. Эти две формы энергии могут переходить друг в друга. При образовании АТФ используется энергия ΔμH + , при распаде АТФ энергия может аккумулироваться в виде ΔμH + .

Когда протонный градиент достигает определенной величины, ионы водорода из H + -резервуара движутся по специальным каналам в мембране, и их запас энергии используется для синтеза АТФ. В матриксе они соединяются с заряженными частичками O 2- , и образуется вода: 2H + + O 2- → H2O.

Процесс образования АТФ в результате переноса ионов H + через мембрану митохондрии получил название окислительного фосфорилирования . Он осуществляется при участии фермента АТФ-синтетазы. Молекулы АТФ-синтетазы располагаются в виде сферических гранул на внутренней стороне внутренней мембраны митохондрий.

В результате расщепления двух молекул пировиноградной кислоты и переноса ионов водорода через мембрану по специальным каналам синтезируется в целом 36 молекул АТФ (2 молекулы в цикле Кребса и 34 молекулы в результате переноса ионов H + через мембрану).

Следует обратить внимание на то, что ферментные системы ориентированы в митохондриях противоположно тому, как это имеет место в хлоропластах: в хлоропластах H + -резервуар находится с внутренней стороны внутренней мембраны, а в митохондриях - с ее наружной стороны; при фотосинтезе электроны движутся в основном от воды к переносчикам атомов водорода, при дыхании же переносчики водорода, передающие электроны в электронтранспортную цепь, находятся с внутренней стороны мембраны, а электроны в конечном счете включаются в образующиеся молекулы воды.

Кислородный этап, таким образом, дает энергии в 18 раз больше, чем ее запасается в результате гликолиза. Суммарное уравнение аэробного дыхания можно выразить следующим образом:

C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O + 38АДФ + З8H 3 PO 4 → 6CO 2 + 12H 2 O + 38АТФ.

Совершенно очевидно, что аэробное дыхание прекратится в отсутствие кислорода, поскольку именно кислород служит конечным акцептором водорода. Если клетки не получают достаточного количества кислорода, все переносчики водорода вскоре полностью насытятся и не смогут передавать его дальше. В результате основной источник энергии для образования АТФ окажется блокированным.

Материалы по теме: