بنابراین، تنفس سلولی در سلول اتفاق می افتد.

اما دقیقا کجا؟ کدام اندامک این فرآیند را انجام می دهد؟

مرحله اصلی تنفس سلولی در. همانطور که می دانید، محصول اصلی میتوکندری - مولکول های ATP - مترادف با مفهوم "انرژی" در زیست شناسی است. در واقع، محصول اصلی این فرآیند، انرژی، مولکول های ATP است.

ATPیک مولکول مترادف با انرژی در زیست شناسی است. مخفف آدنوزین تری فسفات یا آدنوزین تری فسفریک اسید است. همانطور که از شکل فرمول مشخص است، مولکول حاوی:

1. سه پیوند با بقایای اسید فسفریک که گسیختگی آنها مقدار زیادی انرژی آزاد می کند.
2. کربوهیدرات ریبوز (قند پنج اتمی) و
3. پایه نیتروژنی

1 مرحله تنفس سلولی - مقدماتی

چگونه مواد وارد سلول ها می شوند؟ در طول فرآیند هضم بدن. ماهیت فرآیند هضم تجزیه پلیمرهایی است که با غذا وارد بدن می شوند به مونومرها:

• به اسیدهای آمینه تجزیه می شوند؛
• - به گلوکز؛
• به گلیسرول و اسیدهای چرب تجزیه می شوند.

آن ها مونومرها از قبل وارد سلول می شوند.

مرحله 2 هضم سلولی

گلیکولیز- فرآیند آنزیمی تجزیه متوالی گلوکز در سلول ها، همراه با سنتز ATP.

گلیکولیز در شرایط هوازیمنجر به تشکیل اسید پیروویک (PVA) (پیروات)،

گلیکولیز در شرایط بی هوازی(بدون اکسیژن یا کمبود اکسیژن) منجر به تشکیل اسید لاکتیک (لاکتات) می شود.

CH3-CH(OH)-COOH

این فرآیند با مشارکت مولکول های اسید فسفریک اتفاق می افتد، به همین دلیل است که به آن گفته می شود فسفوریلاسیون اکسیداتیو

گلیکولیز مسیر اصلی گلوکز در حیوانات است.

دگرگونی ها در، یعنی. این فرآیند به وضوح بی هوازی خواهد بود: مولکول گلوکز با آزاد شدن 2 مولکول ATP به PVA - اسید پیروویک تجزیه می شود:

3 مرحله هضم سلولی (اکسیژن)

با ورود به میتوکندری، اکسیداسیون رخ می دهد: PVK تحت تأثیر اکسیژن به دی اکسید کربن تجزیه می شود (معادله کل):

ابتدا یک اتم کربن از اسید پیروویک حذف می شود. این دی اکسید کربن، انرژی (در یک مولکول NADP ذخیره می شود) و یک مولکول دو کربنی - یک گروه استیل تولید می کند. سپس زنجیره واکنش وارد مرکز هماهنگی متابولیک سلول می شود - چرخه کربس.

چرخه کربس

(چرخه اسید سیتریک)

چرخه کربس واکنشی است که زمانی شروع می شود که یک مولکول ورودی خاص با مولکول دیگری ترکیب می شود که به عنوان یک "کمک کننده" عمل می کند. این ترکیب یک سری واکنش های شیمیایی دیگر را آغاز می کند که مولکول های محصول را تشکیل می دهد و در نهایت یک مولکول کمکی را دوباره ایجاد می کند که می تواند کل فرآیند را دوباره شروع کند.

برای پردازش انرژی ذخیره شده در یک مولکول گلوکز، چرخه کربس مورد نیاز است دوبار عبور کن

این فرآیند چند مرحله ای است و علاوه بر اسیدهای مختلف با نام های جالب، کوآنزیم ها (CoA) نیز در آن دخالت دارند.

کوآنزیم ها چیست؟

(کوآنزیم ها)

• اینها مواد آلی کوچک هستند
• آنها می توانند با پروتئین ها (یا مستقیماً با آنزیم ها که به هر حال ماهیتی پروتئینی دارند) ترکیب شوند و یک ماده فعال تشکیل دهند ، یک cosplex ، که چیزی شبیه کاتالیزور خواهد بود.

پیشوند "co-" مانند "co-" است - تهیه کننده، هموطن و غیره. آن ها "با هم "

گلیکولیز- مسیر کاتابولیک با اهمیت استثنایی.

انرژی را برای واکنش های سلولی از جمله سنتز پروتئین فراهم می کند.

محصولات واسطه گلیکولیز در سنتز چربی ها استفاده می شود.

از پیرووات می توان برای سنتز سایر ترکیبات نیز استفاده کرد. به لطف گلیکولیز، عملکرد میتوکندری و در دسترس بودن اکسیژن قدرت عضلانی را در طول بارهای شدید کوتاه مدت محدود نمی کند.

فرآیندهای اصلی که انرژی سلول را تامین می‌کنند عبارتند از فتوسنتز، کموسنتز، تنفس، تخمیر و گلیکولیز به عنوان مرحله‌ای از تنفس.
با خون، اکسیژن به داخل سلول یا به عبارت بهتر به ساختارهای سلولی ویژه - میتوکندری نفوذ می کند. آنها در تمام سلول ها به جز سلول های باکتریایی، جلبک های سبز آبی و سلول های خونی بالغ (گلبول های قرمز) یافت می شوند. در میتوکندری، اکسیژن با مواد مغذی مختلف - پروتئین ها، کربوهیدرات ها، چربی ها و غیره وارد یک واکنش چند مرحله ای می شود که به این فرآیند تنفس سلولی می گویند. در نتیجه، انرژی شیمیایی آزاد می شود که سلول آن را در یک ماده خاص - اسید آدنوزین تری فسفریک یا ATP ذخیره می کند. این یک ذخیره جهانی انرژی است که بدن صرف رشد، حرکت و حفظ عملکردهای حیاتی خود می کند.

تنفس یک تجزیه اکسیداتیو مواد مغذی آلی با مشارکت اکسیژن است که با تشکیل متابولیت های فعال شیمیایی و آزاد شدن انرژی که توسط سلول ها برای فرآیندهای حیاتی استفاده می شود، همراه است.

تنفس برخلاف احتراق یک فرآیند چند مرحله ای است. دو مرحله اصلی در آن وجود دارد: گلیکولیز و مرحله اکسیژن.

گلیکولیز

ATP، با ارزش برای بدن، نه تنها در میتوکندری، بلکه در سیتوپلاسم سلول نیز در نتیجه گلیکولیز تشکیل می شود (از یونانی "glykis" - "شیرین" و "lysis" - "پوسیدگی"). گلیکولیز یک فرآیند وابسته به غشا نیست. در سیتوپلاسم رخ می دهد. با این حال، آنزیم های گلیکولیتیک با ساختارهای اسکلت سلولی مرتبط هستند.
گلیکولیز یک فرآیند بسیار پیچیده است. این فرآیند تجزیه گلوکز تحت تأثیر آنزیم های مختلف است که نیازی به مشارکت اکسیژن ندارد. برای تجزیه و اکسیداسیون جزئی یک مولکول گلوکز، وقوع هماهنگ یازده واکنش متوالی ضروری است. در گلیکولیز، یک مولکول گلوکز سنتز دو مولکول ATP را ممکن می کند. محصولات حاصل از تجزیه گلوکز می توانند وارد یک واکنش تخمیر شوند و به اتیل الکل یا اسید لاکتیک تبدیل شوند. تخمیر الکلی مشخصه مخمر و تخمیر اسید لاکتیک مشخصه سلولهای حیوانی و برخی باکتریها است. بسیاری از آنها هوازی هستند، یعنی. موجودات زنده منحصراً در یک محیط بدون اکسیژن زندگی می کنند، انرژی کافی در نتیجه گلیکولیز و تخمیر تولید می شود. اما موجودات هوازی باید این ذخیره کوچک را تکمیل کنند و به میزان قابل توجهی.

مرحله اکسیژن تنفس

محصولات حاصل از تجزیه گلوکز وارد میتوکندری می شوند. در آنجا ابتدا یک مولکول دی اکسید کربن از آنها جدا می شود که پس از خروج از بدن خارج می شود. "پس از سوختن" در به اصطلاح چرخه کربس (ضمیمه شماره 1) (به نام بیوشیمیدان انگلیسی که آن را توصیف کرد) رخ می دهد - یک زنجیره متوالی از واکنش ها. هر یک از آنزیم های شرکت کننده در آن وارد ترکیبات می شود و پس از چندین تغییر شکل دوباره به شکل اصلی خود آزاد می شود. چرخه بیوشیمیایی اصلاً راه رفتن در دایره بی هدف نیست. این بیشتر شبیه یک کشتی است که بین دو ساحل می چرخد، اما در نهایت مردم و ماشین ها در مسیر درست حرکت می کنند. در نتیجه واکنش هایی که در چرخه کربس رخ می دهد، مولکول های اضافی ATP سنتز می شوند، مولکول های دی اکسید کربن اضافی و اتم های هیدروژن جدا می شوند.
چربی ها نیز در این زنجیره دخیل هستند، اما تجزیه آنها به زمان نیاز دارد، بنابراین اگر نیاز فوری به انرژی باشد، بدن به جای چربی، از کربوهیدرات ها استفاده می کند. اما چربی ها منبع بسیار غنی انرژی هستند. پروتئین ها همچنین می توانند برای نیازهای انرژی اکسید شوند، اما فقط در موارد شدید، به عنوان مثال، در طول روزه داری طولانی مدت. پروتئین ها یک منبع اضطراری برای سلول هستند.
کارآمدترین فرآیند سنتز ATP با مشارکت اکسیژن در زنجیره تنفسی چند مرحله ای اتفاق می افتد. اکسیژن قادر است بسیاری از ترکیبات آلی را اکسید کند و در عین حال انرژی زیادی را به یکباره آزاد کند. اما چنین انفجاری برای بدن فاجعه بار خواهد بود. نقش زنجیره تنفسی و هر چیزی هوازی، یعنی. در ارتباط با اکسیژن، تنفس دقیقاً شامل تأمین انرژی بدن به طور مداوم و در بخش های کوچک است - تا جایی که بدن به آن نیاز دارد. می توان با بنزین قیاس کرد: با ریختن روی زمین و آتش زدن آن، فوراً بدون هیچ سودی شعله ور می شود. و در ماشین کم کم سوختن بنزین برای چندین ساعت کار مفیدی انجام می دهد. اما این به چنین دستگاه پیچیده ای مانند موتور نیاز دارد.

زنجیره تنفسی، در ترکیب با چرخه کربس و گلیکولیز، امکان افزایش "بازده" مولکول های ATP از هر مولکول گلوکز را به 38 می دهد. اما در طول گلیکولیز، این نسبت تنها 2:1 بود. بنابراین، کارایی تنفس هوازی بسیار بیشتر است.
مکانیسم سنتز ATP در طی گلیکولیز نسبتا ساده است و به راحتی می توان آن را در شرایط آزمایشگاهی تولید کرد. با این حال، هرگز شبیه سازی سنتز ATP تنفسی در آزمایشگاه امکان پذیر نبوده است. در سال 1961، بیوشیمیدان انگلیسی پیتر میچل پیشنهاد کرد که آنزیم ها - همسایگان در زنجیره تنفسی - نه تنها یک توالی دقیق، بلکه یک نظم واضح را در فضای سلول رعایت می کنند. زنجیره تنفسی، بدون تغییر ترتیب، در پوسته داخلی (غشاء) میتوکندری ثابت می شود و آن را چندین بار مثل بخیه می دوزد. تلاش برای بازتولید سنتز تنفسی ATP شکست خورد زیرا نقش غشاء توسط محققان دست کم گرفته شد. اما این واکنش شامل آنزیم هایی است که در رشد قارچ شکل در سمت داخلی غشاء متمرکز شده اند. اگر این رشد حذف شود، ATP سنتز نخواهد شد.

فرآیند تنفس مقدار زیادی انرژی تولید می کند. اگر همه آن ها به یکباره آزاد شوند، سلول دیگر وجود نخواهد داشت. اما این اتفاق نمی افتد، زیرا انرژی به یکباره آزاد نمی شود، بلکه در مراحل، در بخش های کوچک. آزاد شدن انرژی در دوزهای کم به این دلیل است که تنفس یک فرآیند چند مرحله ای است که در مراحل جداگانه آن محصولات میانی مختلفی (با طول های مختلف زنجیره کربنی) تشکیل می شود و انرژی آزاد می شود. انرژی آزاد شده به شکل گرما مصرف نمی شود، بلکه در یک ترکیب جهانی پر انرژی - ATP ذخیره می شود. هنگامی که ATP تجزیه می شود، انرژی می تواند در هر فرآیند لازم برای حفظ عملکردهای حیاتی بدن استفاده شود: برای سنتز مواد آلی مختلف، کار مکانیکی، حفظ فشار اسمزی پروتوپلاسم و غیره.

تنفس فرآیندی است که انرژی را تامین می کند، اما اهمیت بیولوژیکی آن به این محدود نمی شود. در نتیجه واکنش های شیمیایی که با تنفس همراه است، تعداد زیادی ترکیبات میانی تشکیل می شود. از این ترکیبات که دارای تعداد متفاوتی از اتم‌های کربن هستند، طیف گسترده‌ای از مواد سلولی را می‌توان سنتز کرد: اسیدهای آمینه، اسیدهای چرب، چربی‌ها، پروتئین‌ها، ویتامین‌ها.

بنابراین، متابولیسم کربوهیدرات، متابولیسم های دیگر (پروتئین ها، چربی ها) را تعیین می کند. این اهمیت بزرگ آن است.

یکی از خواص شگفت‌انگیز میکروب‌ها با فرآیند تنفس و واکنش‌های شیمیایی آن - توانایی انتشار نور مرئی - به درخشندگی مرتبط است.

مشخص است که تعدادی از موجودات زنده، از جمله باکتری ها، می توانند نور مرئی ساطع کنند. لومینسانس ناشی از میکروارگانیسم ها قرن هاست که شناخته شده است. تجمع باکتری های درخشان در همزیستی با حیوانات کوچک دریایی گاهی منجر به درخشش در دریا می شود. لومینسانس نیز در طول رشد باکتری های خاصی روی گوشت و غیره مشاهده شد.

اجزای اصلی، که تعامل بین آنها منجر به انتشار نور می شود، شامل اشکال کاهش یافته FMN یا NAD، اکسیژن مولکولی، آنزیم luciferae و ترکیب قابل اکسیداسیون - لوسیفرین است. فرض بر این است که NAD یا FMN کاهش یافته با لوسیفراز، اکسیژن و لوسیفرین واکنش می دهد، در نتیجه الکترون های برخی از مولکول ها به حالت برانگیخته می روند و بازگشت این الکترون ها به سطح زمین با انتشار نور همراه است. لومینسانس در میکروب ها یک "فرآیند بیهوده" در نظر گرفته می شود، زیرا بازده انرژی تنفس را کاهش می دهد.



تنفس سلولی

فرآیندهای اصلی که انرژی سلول را تامین می کنند عبارتند از فتوسنتز، کموسنتز، تنفس، تخمیر و گلیکولیز به عنوان مرحله ای از تنفس.

با خون، اکسیژن به داخل سلول یا به عبارت بهتر به ساختارهای سلولی ویژه میتوکندری نفوذ می کند. آنها در همه سلول ها به جز سلول های باکتریایی، جلبک های سبز آبی و سلول های خونی بالغ (گلبول های قرمز) یافت می شوند. در میتوکندری، اکسیژن با مواد مغذی مختلف وارد یک واکنش چند مرحله‌ای می‌شود: پروتئین‌ها، کربوهیدرات‌ها، چربی‌ها و غیره که به این فرآیند تنفس سلولی می‌گویند. در نتیجه انرژی شیمیایی آزاد می شود که سلول آن را در یک ماده خاص، اسید آدنوزین تری فسفریک یا ATP ذخیره می کند. این یک ذخیره جهانی انرژی است که بدن صرف رشد، حرکت و حفظ عملکردهای حیاتی خود می کند.

تنفس تجزیه اکسیداتیو مواد مغذی آلی با مشارکت اکسیژن است که با تشکیل متابولیت های فعال شیمیایی و آزاد شدن انرژی که توسط سلول ها برای فرآیندهای حیاتی استفاده می شود، همراه است.

معادله کلی تنفس به شرح زیر است:

جایی که Q=2878 کیلوژول بر مول.

اما تنفس برخلاف احتراق یک فرآیند چند مرحله ای است. دو مرحله اصلی در آن وجود دارد: گلیکولیز و مرحله اکسیژن.

گلیکولیز

ATP، ارزشمند برای بدن، نه تنها در میتوکندری، بلکه در سیتوپلاسم سلول نیز در نتیجه گلیکولیز (از یونانی glycis - پوسیدگی شیرین و لیزیک) تشکیل می شود. گلیکولیز فرآیندی وابسته به غشا نیست. در سیتوپلاسم رخ می دهد. با این حال، آنزیم های گلیکولیتیک با ساختارهای اسکلت سلولی مرتبط هستند.

گلیکولیز یک فرآیند بسیار پیچیده است. این فرآیند تجزیه گلوکز تحت تأثیر آنزیم های مختلف است که نیازی به مشارکت اکسیژن ندارد. برای تجزیه و اکسیداسیون جزئی یک مولکول گلوکز، وقوع هماهنگ یازده واکنش متوالی ضروری است. در گلیکولیز، یک مولکول گلوکز سنتز دو مولکول ATP را ممکن می کند. محصولات حاصل از تجزیه گلوکز می توانند وارد یک واکنش تخمیر شوند و به اتیل الکل یا اسید لاکتیک تبدیل شوند. تخمیر الکلی مشخصه مخمر و تخمیر اسید لاکتیک مشخصه سلولهای حیوانی و برخی باکتریها است. بسیاری از آنها هوازی هستند، یعنی. موجودات زنده منحصراً در یک محیط بدون اکسیژن زندگی می کنند، انرژی کافی در نتیجه گلیکولیز و تخمیر تولید می شود. اما موجودات هوازی باید این ذخیره کوچک را تکمیل کنند و به میزان قابل توجهی.

مرحله اکسیژن تنفس

محصولات حاصل از تجزیه گلوکز وارد میتوکندری می شوند. در آنجا ابتدا یک مولکول دی اکسید کربن از آنها جدا می شود که پس از خروج از بدن خارج می شود. پس‌سوختن در چرخه کربس (پیوست شماره 1) (به نام بیوشیمی‌دان انگلیسی که آن را توصیف کرده است) در زنجیره‌ای متوالی از واکنش‌ها رخ می‌دهد. هر یک از آنزیم های شرکت کننده در آن وارد ترکیبات می شود و پس از چندین تغییر شکل دوباره به شکل اصلی خود آزاد می شود. چرخه بیوشیمیایی اصلاً راه رفتن در دایره بی هدف نیست. بیشتر شبیه یک کشتی است که بین دو ساحل می چرخد، اما در نهایت مردم و ماشین ها در مسیر درست حرکت می کنند. در نتیجه واکنش هایی که در چرخه کربس رخ می دهد، مولکول های اضافی ATP سنتز می شوند، مولکول های دی اکسید کربن اضافی و اتم های هیدروژن جدا می شوند.

چربی ها نیز در این زنجیره دخیل هستند، اما تجزیه آنها زمان می برد، بنابراین اگر نیاز فوری به انرژی باشد، بدن به جای چربی، از کربوهیدرات ها استفاده می کند. اما چربی ها منبع بسیار غنی انرژی هستند. پروتئین ها همچنین می توانند برای نیازهای انرژی اکسید شوند، اما فقط در موارد شدید، به عنوان مثال، در طول روزه داری طولانی مدت. پروتئین ها یک منبع اضطراری برای سلول هستند.

کارآمدترین فرآیند سنتز ATP با مشارکت اکسیژن در زنجیره تنفسی چند مرحله ای اتفاق می افتد. اکسیژن قادر است بسیاری از ترکیبات آلی را اکسید کند و در عین حال انرژی زیادی را به یکباره آزاد کند. اما چنین انفجاری برای بدن فاجعه بار خواهد بود. نقش زنجیره تنفسی و هر چیزی هوازی، یعنی. در ارتباط با اکسیژن، تنفس دقیقاً عبارت است از اطمینان از تأمین انرژی بدن به طور مداوم و در بخش های کوچک به میزانی که بدن به آن نیاز دارد. می توان با بنزین قیاس کرد: با ریختن روی زمین و آتش زدن آن، فوراً بدون هیچ سودی شعله ور می شود. و در ماشین کم کم سوختن بنزین برای چندین ساعت کار مفیدی انجام می دهد. اما این به چنین دستگاه پیچیده ای مانند موتور نیاز دارد.

زنجیره تنفسی، در ترکیب با چرخه کربس و گلیکولیز، افزایش بازده مولکول‌های ATP از هر مولکول گلوکز را به 38 ممکن می‌سازد. اما در طول گلیکولیز این نسبت تنها 2:1 بود. بنابراین، کارایی تنفس هوازی بسیار بیشتر است.

زنجیره تنفسی چگونه کار می کند؟

مکانیسم سنتز ATP در طی گلیکولیز نسبتا ساده است و به راحتی می توان آن را در شرایط آزمایشگاهی تولید کرد. با این حال، هرگز شبیه سازی سنتز ATP تنفسی در آزمایشگاه امکان پذیر نبوده است. در سال 1961، بیوشیمیدان انگلیسی پیتر میچل پیشنهاد کرد که آنزیم های همسایه در زنجیره تنفسی نه تنها یک توالی دقیق، بلکه یک نظم واضح را در فضای سلول مشاهده کنند. زنجیر تنفسی بدون تغییر ترتیب در پوسته داخلی (غشاء) میتوکندری ثابت می شود و آن را چندین بار مثل بخیه می دوزد. تلاش برای بازتولید سنتز تنفسی ATP با شکست مواجه شد زیرا نقش غشاء توسط محققان دست کم گرفته شد. اما این واکنش همچنین شامل آنزیم هایی است که در رشد قارچ شکل در سمت داخلی غشاء متمرکز شده اند. اگر این رشد حذف شود، ATP سنتز نخواهد شد.

تنفسی که مضر است.

اکسیژن مولکولی یک عامل اکسید کننده قوی است. اما به عنوان یک داروی قوی، می تواند عوارض جانبی نیز داشته باشد. به عنوان مثال، برهمکنش مستقیم اکسیژن با لیپیدها باعث تشکیل پراکسیدهای سمی و اختلال در ساختار سلول ها می شود. ترکیبات اکسیژن فعال همچنین می توانند به پروتئین ها و اسیدهای نوکلئیک آسیب برسانند.

چرا مسمومیت با این سموم اتفاق نمی افتد؟ چون پادزهر دارند. زندگی در غیاب اکسیژن به وجود آمد و اولین موجودات روی زمین بی هوازی بودند. سپس فتوسنتز ظاهر شد و اکسیژن به عنوان محصول جانبی آن شروع به تجمع در جو کرد. آن روزها این گاز برای همه جانداران خطرناک بود. برخی از بی‌هوازی‌ها مردند، برخی دیگر گوشه‌هایی بدون اکسیژن یافتند، برای مثال، در توده‌های خاک مستقر شدند. دیگران شروع به تطبیق و تغییر کردند. پس از آن بود که مکانیسم هایی ظاهر شد که سلول زنده را از اکسیداسیون تصادفی محافظت می کرد. اینها مواد مختلفی هستند: آنزیم ها، از جمله تخریب کننده کاتالیز مضر پراکسید هیدروژن، و همچنین بسیاری از ترکیبات غیر پروتئینی دیگر.

تنفس به طور کلی ابتدا به عنوان راهی برای حذف اکسیژن از جو اطراف بدن ظاهر شد و تنها پس از آن به منبع انرژی تبدیل شد. بی هوازی هایی که با محیط جدید سازگار شده بودند به هوازی تبدیل شدند و مزایای زیادی به دست آوردند. اما خطر پنهان اکسیژن هنوز برای آنها باقی است. قدرت پادزهرهای آنتی اکسیدانی نامحدود نیست. به همین دلیل است که در اکسیژن خالص و حتی تحت فشار، همه موجودات زنده به سرعت می میرند. اگر سلول توسط هر عامل خارجی آسیب ببیند، مکانیسم‌های محافظتی معمولاً ابتدا از کار می‌افتند و سپس اکسیژن حتی در غلظت‌های معمولی جو شروع به آسیب می‌کند.

تنفس سلولی اکسیداسیون مواد آلی در سلول است که در نتیجه آن مولکول های ATP سنتز می شوند. مواد اولیه اولیه (سوبسترا) معمولاً کربوهیدرات ها، کمتر چربی ها و حتی کمتر پروتئین ها هستند. بیشترین تعداد مولکول های ATP توسط اکسیداسیون با اکسیژن تولید می شود، تعداد کمتری از اکسیداسیون توسط مواد دیگر و انتقال الکترون تولید می شود.

کربوهیدرات ها یا پلی ساکاریدها قبل از استفاده به عنوان بستری برای تنفس سلولی به مونوساکاریدها تجزیه می شوند. بنابراین در گیاهان، نشاسته و در حیوانات، گلیکوژن به گلوکز هیدرولیز می شود.

گلوکز منبع اصلی انرژی برای تقریبا تمام سلول های موجودات زنده است.

مرحله اول اکسیداسیون گلوکز، گلیکولیز است. نیازی به اکسیژن ندارد و مشخصه تنفس بی هوازی و هوازی است.

اکسیداسیون بیولوژیکی

تنفس سلولی شامل انواع واکنش های ردوکس است که در آن هیدروژن و الکترون ها از یک ترکیب (یا اتم) به ترکیب دیگر حرکت می کنند. هنگامی که یک اتم یک الکترون را از دست می دهد، اکسید می شود. هنگامی که یک الکترون اضافه می شود - کاهش. ماده اکسید شده یک دهنده است و ماده احیا شده پذیرنده هیدروژن و الکترون است. واکنش های ردوکس که در موجودات زنده رخ می دهد، اکسیداسیون بیولوژیکی یا تنفس سلولی نامیده می شود.

به طور معمول، واکنش های اکسیداتیو انرژی آزاد می کنند. دلیل این امر در قوانین فیزیکی نهفته است. الکترون های موجود در مولکول های آلی اکسید شده در سطح انرژی بالاتری نسبت به محصولات واکنش قرار دارند. الکترون ها که از سطح انرژی بالاتر به سطح پایین تر حرکت می کنند، انرژی آزاد می کنند. سلول می داند که چگونه آن را در پیوندهای مولکول ها - "سوخت" جهانی موجودات زنده - ثابت کند.

رایج ترین گیرنده الکترون انتهایی در طبیعت، اکسیژن است که کاهش می یابد. در طی تنفس هوازی، دی اکسید کربن و آب در نتیجه اکسیداسیون کامل مواد آلی تشکیل می شود.

اکسیداسیون بیولوژیکی در مراحلی اتفاق می افتد که شامل بسیاری از آنزیم ها و ترکیبات انتقال دهنده الکترون می شود. در اکسیداسیون گام به گام، الکترون ها در امتداد زنجیره ای از حامل ها حرکت می کنند. در مراحل خاصی از زنجیره، بخشی از انرژی برای سنتز ATP از ADP و اسید فسفریک آزاد می شود.

اکسیداسیون بیولوژیکی در مقایسه با موتورهای مختلف بسیار موثر است. حدود نیمی از انرژی آزاد شده در نهایت در پیوندهای پرانرژی ATP ثابت می شود. بخش دیگر انرژی به صورت گرما دفع می شود. از آنجایی که فرآیند اکسیداسیون مرحله ای است، انرژی حرارتی کم کم آزاد می شود و به سلول ها آسیب نمی رساند. در عین حال، برای حفظ دمای بدن ثابت است.

تنفس هوازی

مراحل مختلف تنفس سلولی در یوکاریوت های هوازی رخ می دهد

در ماتریکس میتوکندری - یا چرخه اسید تری کربوکسیلیک،

روی غشای داخلی میتوکندری - یا زنجیره تنفسی.

در هر یک از این مراحل، ATP از ADP سنتز می شود، بیشتر از همه در آخر. اکسیژن به عنوان یک عامل اکسید کننده فقط در مرحله فسفوریلاسیون اکسیداتیو استفاده می شود.

کل واکنش های تنفس هوازی به شرح زیر است.

گلیکولیز و چرخه کربس: C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O → 6CO 2 + 12H 2 + 4ATP

زنجیره تنفسی: 12H 2 + 6O 2 → 12H 2 O + 34ATP

بنابراین، اکسیداسیون بیولوژیکی یک مولکول گلوکز، 38 مولکول ATP تولید می کند. در واقع، اغلب کمتر است.

تنفس بی هوازی

در طی تنفس بی هوازی در واکنش های اکسیداتیو، گیرنده هیدروژن NAD در نهایت هیدروژن را به اکسیژن منتقل نمی کند که در این مورد وجود ندارد.

اسید پیروویک که در طی گلیکولیز تشکیل می شود، می تواند به عنوان گیرنده هیدروژن استفاده شود.

در مخمر، پیروات به اتانول (تخمیر الکلی) تخمیر می شود. در این حالت در طی واکنش ها دی اکسید کربن نیز تشکیل می شود و از NAD استفاده می شود:

CH 3 COCOOH (پیروات) → CH 3 CHO (استالدهید) + CO 2

CH 3 CHO + NAD H 2 → CH 3 CH 2 OH (اتانول) + NAD

تخمیر اسید لاکتیک در سلول های حیوانی که کمبود موقت اکسیژن را تجربه می کنند و در تعدادی از باکتری ها رخ می دهد:

CH 3 COCOOH + NAD H 2 → CH 3 CHOHCOOH (اسید لاکتیک) + NAD

هر دو تخمیر ATP تولید نمی کنند. انرژی در این مورد فقط از طریق گلیکولیز تامین می شود و تنها به دو مولکول ATP می رسد. بیشتر انرژی حاصل از گلوکز هرگز بازیابی نمی شود. بنابراین تنفس بی هوازی بی اثر تلقی می شود.

تنفس سلولی مجموعه ای از فرآیندهای آنزیمی است که در هر سلول اتفاق می افتد، در نتیجه مولکول های کربوهیدرات، اسیدهای چرب و اسیدهای آمینه در نهایت به دی اکسید کربن و آب تجزیه می شوند و انرژی مفید بیولوژیکی آزاد شده برای زندگی استفاده می شود. سلول. انرژی مفید بیولوژیکی جریان الکترون ها از سطوح انرژی بالاتر به سطوح پایین تر است. این اتفاق می افتد: تحت عمل یک آنزیم، پروتون ها (یعنی اتم های هیدروژن) و همراه با آنها الکترون ها از یک مولکول مغذی (کربوهیدرات، چربی، پروتئین) حذف می شوند. این فرآیند به عنوان dehydrogenation شناخته می شود *< Передача электронов через систему переноса электронов происходит путем ряда последовательных реакций окисления - восстановления, которые в совокупности носят название «биологического окисления «.>. الکترون های گرفته شده به ماده خاصی به نام گیرنده منتقل می شوند**<Специфические соединения, которые образуют систему переноса электронов и которые попеременно окисляются и восстанавливаются, называются "цитохромами ".> . سپس آنزیم های دیگر الکترون ها را از گیرنده اولیه گرفته و به دیگری منتقل می کنند و به همین ترتیب تا زمانی که انرژی الکترون به طور کامل مصرف شود یا به شکل انرژی پیوند شیمیایی (آدنوزین تری فسفات) ذخیره شود. در نهایت، اکسیژن با یون‌های هیدروژن و الکترون‌ها واکنش می‌دهد که انرژی را از دست می‌دهند و به آب تبدیل می‌شود که از بدن دفع می‌شود. این جریان الکترون ها "آبشار الکترون" نامیده می شود. برای وضوح بیشتر، می‌توان آن را به صورت مجموعه‌ای از آبشارها نشان داد، هر آبشار یک توربین را می‌چرخاند - تا زمانی که به طور کامل به آن انرژی بدهد. در بالا "آب" یک ماده غذایی است که از آن الکترون ها و پروتون ها گرفته می شود (زیر لایه) و در پایین "آب زائد" وجود دارد - الکترون ها و پروتون ها با انرژی کاهش یافته که به اکسیژن (آب) متصل می شوند. باقی مانده از بستر، - اختصاص داده شود. حال بیایید همین فرآیند را از منظر تخریب (آنتروپی، یعنی فروپاشی) بررسی کنیم. هر مولکول ماده مغذی ساختار فضایی خاص خود را دارد. در طول هیدروژن زدایی، یک آنزیم خاص می تواند تنها اتم های هیدروژن خاصی را که موقعیت مکانی خاصی را در مولکول اشغال می کنند، حذف کند. در نتیجه یک سری از چنین حذف های متوالی، یک ماده با ساختار پیچیده به اجزای ساده از بین می رود. انرژی اتصال، هنگامی که آزاد می شود، توسط بدن ما برای تقویت خود استفاده می شود - از ساختارهای پروتئین، چربی، کربوهیدرات و غیره خود پشتیبانی می کند. بنابراین، بدن با تخریب مواد غذایی، ساختار بدن خود را در سطح ثابتی حفظ می کند. اگر مواد غذایی قبلاً تخریب شده باشند (عملیات حرارتی، نمک زدن، خشک کردن، تصفیه، آسیاب کردن، و غیره)، بدن ما انرژی بسیار کمتری را در اتصالات فضایی باقیمانده دریافت خواهد کرد. بنابراین، قدرت تغذیه در کالری نیست، بلکه در ساختار غذا نهفته است. امید به زندگی به غذای با تغذیه خوب بستگی ندارد، بلکه به غذای ساختاریافته بستگی دارد. بنابراین، تنفس سلولی فرآیند تولید الکترون، یعنی الکتریسیته است. E. بال محاسباتی را انجام داده است که نشان می دهد وقتی بسترها به آب و دی اکسید کربن تجزیه می شوند، چه مقدار انرژی الکتریکی در بدن تولید می شود. بر اساس مصرف اکسیژن بدن انسان بالغ در حالت استراحت (264 سانتی متر مکعب در دقیقه) و این واقعیت که هر اتم اکسیژن برای تشکیل یک مولکول آب به دو اتم هیدروژن و دو الکترون نیاز دارد، بال محاسبه کرد که در هر دقیقه در تمام سلول های بدن 2.86 از مولکول های مواد مغذی جذب شده در فرآیند اکسیداسیون بیولوژیکی به اکسیژن منتقل می شود. 10.22 الکترون، یعنی جریان کل به 76 آمپر (A) می رسد. این یک مقدار قابل توجه است: به هر حال، تنها حدود 1 آمپر جریان از یک لامپ معمولی 100 وات عبور می کند.
انتقال الکترون ها از بستر به اکسیژن با اختلاف پتانسیل 1.13 ولت (V) مطابقت دارد. ولت بار آمپر وات می دهد، بنابراین 1.13 x 76 = 85.9 وات. بنابراین، توان مصرفی بدن انسان تقریباً برابر با توان مصرفی یک لامپ الکتریکی صد واتی است، اما در عین حال بدن از جریان های بسیار بالاتری در ولتاژهای بسیار پایین تر استفاده می کند. با توجه به موارد فوق، اجازه دهید نقش هر ماده را در فرآیند زندگی درک کنیم. مواد مغذی برای ساختن ساختارهای بدن ما کار می کنند و وقتی تخریب شوند، انرژی را به شکل الکترون در اختیار ما قرار می دهند. محصولات نهایی تخریب مواد مغذی: آب محیطی را برای انجام فرآیندهای زندگی در اختیار ما قرار می دهد. دی اکسید کربن یک تنظیم کننده به شکل فرآیندهای زندگی است (ACR را تغییر می دهد، دستگاه ژنتیکی سلول را فعال می کند، بر جذب اکسیژن توسط بدن تأثیر می گذارد). اکسیژن مصرف شده در طول تنفس نقش متوسطی در حذف الکترون های با پتانسیل انرژی کاهش یافته از بدن به شکل محصولات مرحله نهایی تخریب - دی اکسید کربن و آب دارد.
از موقعیت عناصر بیوژنیک، کربن (18٪) یک اتصال دهنده است که اکسیژن (70٪) و هیدروژن (10٪) را به هم متصل می کند. نه نیتروژن، بلکه کربن پایه زندگی است، بنابراین بدن به هر طریقی برای حفظ آن تلاش می کند و کل فرآیند تنفسی را به سمت حفظ پایدار کربن به شکل دی اکسید کربن و سایر ترکیبات آن سوق می دهد. کاهش کربن و ترکیبات آن در بدن بلافاصله بر تمام فرآیندهای حیاتی تأثیر می گذارد و باعث بسیاری از بیماری ها می شود.
به این ترتیب مرحله سوم تنفس رخ می دهد - تنفس سلولی. علاوه بر این، بیشترین میزان دی اکسید کربن از خوردن غذاهای کربوهیدراتی و کمترین آن از غذاهای چرب و پروتئینی به دست می آید.