Клітинне дихання — це окислення органічних речовин в клітині, в результаті якого синтезуються молекули АТФ. Вихідною сировиною (субстратом) зазвичай служать вуглеводи, рідше жири і ще рідше білки. Найбільша кількість молекул АТФ дає окислення киснем, менше – окислення іншими речовинами і перенесенням електронів.

Вуглеводи, або полісахариди, перед використанням у якості субстрату клітинного дихання розпадаються до моносахаридів. Так у рослин крохмаль, а у тварин глікоген гідролізуються до глюкози.

Глюкоза є основним джерелом енергії для всіх клітин живих організмів.

Перший етап окислення глюкози — гліколіз. Він не потребує кисню і характерний як при анаеробному, так і аеробному диханні.

Біологічне окислення

Клітинне дихання включає в себе безліч окисно-відновних реакцій, в яких відбувається переміщення водню і електронів від одних сполук (або атомів) до інших. При втрати електрона яким-небудь атомом відбувається його окислення; при приєднанні електрона — відновлення. Окисляється речовина — це донор, а восстанавливаемое — акцептор водню і електронів. Окисно-відновні реакції, що протікають в живих організмах носять назву біологічного окислення, або клітинного дихання.

Зазвичай при окисних реакціях відбувається виділення енергії. Причина цього криється у фізичних законах. Електрони окислюється в органічних молекулах знаходяться на більш високому енергетичному рівні, ніж в продуктах реакції. Електрони, переходячи з вищого на нижчий енергетичний рівень, вивільняють енергію. Клітка уміє фіксувати її в зв’язках молекул АТФ — універсальному «паливі» живого.

Найбільш поширеним в природі кінцевим акцептором електронів є кисень, який відновлюється. При аеробному диханні в результаті повного окислення органічних речовин утворюються вуглекислий газ і вода.

Біологічне окислення протікає поетапно, в ньому беруть участь багато ферментів і з’єднання, які переносять електрони. При ступінчастому окисленні електрони переміщаються по ланцюгу переносників. На певних етапах ланцюга відбувається виділення порції енергії, достатньої для синтезу АТФ з АДФ і фосфорної кислоти.

Біологічне окислення досить ефективно у порівнянні з різними двигунами. Близько половини виділяється енергії в кінцевому підсумку фіксується в макроергічних зв’язках АТФ. Інша частина енергії розсіюється у вигляді тепла. Оскільки процес окислення ступінчастий, то теплова енергія виділяється потроху і не пошкоджує клітини. У той же час вона служить для підтримки постійної температури тіла.

Аеробне дихання

Різні етапи клітинного дихання у аеробних еукаріотів відбуваються

• у цитоплазмі – гліколіз,

• у матриксі мітохондрій – цикл Кребса, або цикл трикарбонових кислот,

• на внутрішній мембрані мітохондрій – окисне фосфорилювання, або дихальна ланцюг.

На кожному з цих етапів з АДФ синтезується АТФ, більше всього на останньому. Кисень в якості окислювача використовується тільки на етапі окисного фосфорилювання.

Сумарні реакції аеробного дихання виглядає наступним чином.

Гліколіз і цикл Кребса: C6H12O6 + 6H2O → 6CO2 + 12H2 + 4АТФ

Дихальна ланцюг: 12H2 + 6O2 → 12H2O + 34АТФ

Таким чином біологічне окислення однієї молекули глюкози дає 38 молекул АТФ. Насправді нерідко буває менше.

Анаеробне дихання

Більшість анаеробів — це мікроорганізми. Однак до організмів, які використовують анаеробне дихання, відносяться також дріжджі, ряд черв’яків-паразитів. Здатністю до анаеробного дихання також мають певні тканини. Наприклад, м’язові клітини, які періодично можуть відчувати брак кисню.

При анаеробному диханні в окисних реакціях акцептор водню НАД не передає водень в кінцевому підсумку на кисень, якого в даному випадку немає.

В якості акцептора водню може бути використана піровиноградна кислота, що утворюється при гліколізі.

У дріжджів піруват зброджується до етанолу (спиртове бродіння). При цьому в процесі реакцій утворюється також вуглекислий газ і використовується НАД:

CH3COCOOH (піруват) → CH3CHO (ацетальдегід) + CO2

CH3CHO + НАД · H 2 → CH3CH2OH (етанол) + НАД

Молочнокисле бродіння відбувається в тваринних клітинах, що зазнають тимчасовий недолік кисню, і у ряду бактерій:

CH3COCOOH + НАД · H 2 → CH3CHOHCOOH (молочна кислота) + НАД

Обидва бродіння не дають виходу АТФ. Енергію в даному випадку дає тільки гліколіз, і становить вона всього дві молекули АТФ. Значна частина енергії глюкози так і не витягується. Тому анаеробне дихання вважається малоефективним.