Заняття №15

Тема. Двомембранні органели. Мітохондрії та клітинне дихання.

Мета: вивчити будову мітохондрій, ознайомити студентів з механізмами процесу дихання.

Література: Загальна біологія: (Підруч. для учнів 10-11 кл. серед. загальноосвіт. шк.) М.Є.Кучеренко та інш. – К.: Генеза, 2000. – 464с. § 14, 20.

л.2. Тагліна О.В. Біологія. 10 кл. (рівень стандарту, академічний рівень). Підруч. для загальноосв. навч. закл. – Х.: Вид-во «Ранок», 2010. – 256с.: іл. §25

План

1.Будова мітохондрій

2. Функції мітохондрій в клітині.

3. Клітинне дихання.

Двомембранні органели: мітохондрії і пластиди.

1. Мітохондрії – це двомембранні органели, які є в усіх типах клітин. Мітохондрії бувають різними за формою і розмірами. Їх розміри від 0, 2 до 1мкм. Кількість мітохондрій у різних тканинах неоднакова і залежить від функціональної активності клітин. Число мітохондрій може швидко збільшуватись шляхом поділу, що зумовлено наявністю у їхньому складі молекули ДНК. Стінка мітохондрій складається з двох мембран – зовнішньої і внутрішньої. Зовнішня мембрана – гладка, а від внутрішньої в глиб відходять перегородки – кристи. На мембранах крист розташовані ферменти, що беруть участь в енергетичному обміні. Основна функція мітохондрій – синтез універсального джерела енергії – АТФ.

2. Основна функція мітохондрій – участь в енергетичному обміні клітини, здійсненні клітинного дихання. Енергія в мітохондріях виробляється в результаті процесу біологічного окиснення.у мітохондріях рослин окислюються органічні речовини, які синтезуються самою рослиною. Мітохондрії тварин і грибів окислюють органічні речовини, які організм отримує в результаті живлення

3. Клітинне дихання – це сукупність біохімічних реакцій, у ході яких від-бувається окиснення вуглеводів, ліпідів, амінокислот до вуглекислого газу і води. Вивільнена енергія запасається в хімічних зв’язках молекул АТФ та інших енергетичних молекул. Далі ця енергія використовується для різних потреб клітини. Клітинне дихання є останнім етапом енергетичного обміну.

Етапи енергетичного обміну:

Енергетичний обмін організмів здійснюється у три послідовних етапи: підготовчий, безкисневий та кисневий.

Підготовчий етап енергетичного обміну у багатьох організмів відбувається у шлунково- кишковому тракті, а також у цитоплазмі клітин. На цьому етапі великі молекули під дією ферментів розщеплюються до мономерів. Ці процеси перебігають з вивільненням незначної кількості енергії, яка розсіюється у вигляді теплоти.

Безкисневий етап (анаеробне розщеплення)– це найпростіша форма утво-рення та акумулювання енергії в макроенергічних зв’язках молекул

АТФ. Деякі організми (безхребетні, мікроорганізми) не можуть викорис-товувати кисень, тому їм властивий лише анаеробний енергетичний обмін.

Найважливішим на без кисневому етапі енергетичного обміну є розщеплення молекул глюкози переважно шляхом гліколізу. Його суть полягає в тому, що молекула глюкози розщеплюється на дві молекули піровиноградної ( С3Н4О3) або молочної кислоти (С3Н6О3). Сумарне рівняння гліколізу має такий вигляд:

С2Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 = 2С3Н6О3 + 2АТФ + 2Н2О

Під час гліколізу виділяється близько 200 кДж енергії. Частина (84 кДж витрачається на синтез двох молекул АТФ, а решта (116кДж – розсіюється у вигляді тепла). Таким чином, процес гліколізу енергетично малоефективний, лише 35 % енергії акумулюється у макроергічних зв’язках АТФ. Це поясню-ється тим, що кінцеві продукти гліколізу все ще містять у собі багато зв’яза-ної енергії.

Кисневий етап енергетичного обміну, або клітинне дихання, відбувається в матриксі і на кристах мітохондрій в присутності кисню.

Цей етап може відбуватись лише в аеробних умовах (за наявності кисню). Коли органічні сполуки, які утворились на безкисневому етапі, окислюються в клітинах до кінцевих продуктів СО2 і Н2О. Окиснення сполук пов’язане з відщепленням від них водню і перенесенням його за допомогою особливих речовин – переносників до молекулярного кисню, утворюючи молекулу води.

Аеробне дихання відбувається в мітохондріях і супроводжується виді-ленням великої кількості енергії та акумуляцією її в макроергічних зв’язках молекул АТФ. У внутрішній мембрані мітохондрій розміщений дихальний ланцюг. Його основу утворюють переносники електронів, які входять до складу ферментних комплексів, що каталізують окислювально - відновні реакції.

Процес клітинного дихання можна поділити на три стадії:

1)окисне декарбоксилювання;

2)цикл трикарбонових кислот (цикл Кребса);

3)електронно-транспортний ланцюг.

На першій стадії піровиноградна кислота взаємодіє з коензімом А (КоА), у результаті чого утворюється ацетилкоензим А (ацетил-КоА) з високоенергетичним зв’язком.

Друга стадія - цикл Кребса. Цей процес відкрив англійський біохімік Ганс Кребс у 1937 році. Він відбувається в матриксі мітохондрій і становить собою послідовне перетворення органічних кислот. На початку циклу піровиноградна кислота (продукт гліколізу) реагує з щавлево - оцтовою кислотою, утворюючи лимонну кислоту. Остання проходить ряд послідовних реакцій, перетворюючись на інші кислоти. В результаті цих перетворень виникає щавлево - оцтова кислота, яка знову реагує з піровиноградною кислотою, і цикл повторюється. В ході циклу від кислот відщеплюється чотири пари атомів водню і дві молекули вуглекислого газу, який залишає мітохондрії і виходить з клітини.

Третя стадія (дихальний ланцюг) починається в мітохондріях з того, що вільний водень (з циклу Кребса) з’єднується з особливою речовиною – НАД (нікотинамідаденіндинуклеотидом), утворюючи сполуку НАД Н (віднов-лена форма). НАД Н згодом окислюються до НАД⁺, Н⁺ та електрона. За допомогою послідовного ряду різних речовин – переносників електронів - вони транспортуються на внутрішню поверхню мембрани мітохондрій, у той час як іони водню накопичуються на зовнішній поверхні. Водночас на внут-рішній поверхні мембрани зменшується концентрація Н. У загальному вигляді рівняння утворення води в останній ланці дихального ланцюга має такий вигляд:

4Н⁺ + 4е^- + О2 = 2Н2О

Окиснення двох молекул молочної кислоти до СО2 і Н2О супровождується виділенням такої кількості енергії, яка забезпечує синтез 36 молекулАТФ. В ході анаеробного етапу енергетичного обміну при розчепленні однієї молекули глюкози утворюються дві молекули АТФ. Таким чином, під час анаеробного і аеробного процесів утворюються 38 молекул АТФ. У ході цих процесів виділяється 2800кДж енергії, з якої 55% запасається у вигляді АТФ, а 45% - розсіюється у вигляді теплоти. Сумарне рівняння цих етапів енергетичного обміну має такий вигляд:

С₆Н₁₂О₆+38АДФ+38Н₃РО₄+6О₂=38АТФ+6СО₂+44Н₂О

Отже, основну роль у забезпеченні клітин енергією відіграє аеробний етап енергетичного обміну.