дыхание.ppt
- Количество слайдов: 61
Chapter 9 Клеточное дыхание Power. Point® Lecture Presentations for Biology Eighth Edition Neil Campbell and Jane Reece Lectures by Chris Romero, updated by Erin Barley with contributions from Joan Sharp Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings
Overview: Life Is Work • Живые организмы нуждаются в потоке энергии из окружающей среды Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings
Fig. 9 -1
• Энергия заходит в экосистему, в виде солнечного света и выходит из него в виде тепла • Фотосинтез образует O 2 и органические молекулы, которые используются в клеточном дыхании • Клетки используют химическую энергию, запасенную в органических молекулах, чтобы восстановить АТФ, которые работают как переносчики энергии Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings
Fig. 9 -2 Энергия света ЭКОСИСТЕМА Фотосинтез Органические + O 2 молекулы CO 2 + H 2 O Дыхание ATФ АТФ осуществляет работу в клетке Энергия тепла
Катаболические пути и образование АТФ • Разрушение органических молекул является экзэргонической реакцией • Брожение является частичной деградации сахара, которые происходит без O 2 • Аэробные дыхания потребляет органические молекулы и O 2 и дает АТФ • Анаэробного дыхания похож на аэробного дыхания, но не использует O 2 Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings
• Клеточное дыхание включает в себя как аэробных и анаэробных дыхания, но часто используется для обозначения аэробное дыхание • Хотя углеводы, жиры и белки, все потребляется в качестве топлива, полезно, проследить клеточное дыхание с глюкозы: • C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 6 CO 2 + 6 H 2 O + Энергия (ATФ + тепло) Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings
Окисление и восстановление молекул • Перенос электронов при химических реакциях высвобождает энергию которая хранится в органических молекулах • Это выделяемая энергия в конечном счете, используется для синтеза АТФ Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings
Принцип окислительно-восстановительных реакции • Химические реакции, которые передают электроны между реактантами называются окислительно-восстановительными реакциями • В окислении, вещество теряет электроны, или окисляется • В восстановлении, вещество приобретает электроны, или уменьшается (величина положительного заряда уменьшается) Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings
Fig. 9 -UN 1 окисляется (теряет электрон) Восстанавливается (приобретает электрон)
Fig. 9 -UN 2 Окисляется Восстанавливает ся
• Донором электронов называетсявосстановитель • Электронный акцептор называется окислителем • Некоторые окислительновосстановительные реакции, не передавают электроны, но изменяют обмен электронов в ковалентных связей • Примером может служить реакция между метаном и O 2 Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings
Fig. 9 -3 Reactants Products becomes oxidized becomes reduced Methane (reducing agent) Oxygen (oxidizing agent) Carbon dioxide Water
Окисление органических молекул во время дыхания • Во время клеточного дыхание, топливо (например, глюкозы) окисляется, и O 2 восстанавливается: Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings
Fig. 9 -UN 3 окисляется восстанавливае тся
Fig. 9 -UN 4 Дегидрогеназа
Переносчики электронов • В клеточном дыхании, глюкоза и другие органические молекулы расщепляются в несколько этапов • Электроны из органических соединений, как правило, в первую очередь передаются к НАД +, кофермента • В качестве акцептора электронов, НАД + функционирует в качестве окислителя в процессе клеточного дыхания • Каждый НАДН (восстановленная форма НАД +) представляет собой переносчик электронов, который используется для синтеза АТФ Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings
Fig. 9 -4 2 e– + 2 H+ 2 e– + H+ НАДH НАД+ + 2[H] Дегидрогеназа Восстановление НАД+ + H+ Oкисление НАДН Никотинамид (восстановленная форма) Никотинамид (окисленная форма) H+
• НАДН передает электроны электронтранспортной цепи • В отличие от неконтролируемого реакции, цепь транспорта электронов передает электроны в несколько этапов вместо одной взрывной реакции • О 2 тянет электроны по цепи в энергетическо уступающему механизму • Образованная энергия используется для регенерации АТФ Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings
Fig. 9 -5 Free energy, G Выделение энергии в виде тепла + 2 H (из пищи через НАДН) Контролир ованное + + 2 e– 2 H высвобожд ение энергии ATP ЭТЦ Свободная энергия, G H 2 + 1 / 2 O 2 ATP 2 e– 2 1/ H+ H 2 O (a) Неконтролируемая реакция 1/ H 2 O (b) Клеточное дыхание 2 O 2
Этапы клеточного дыхания • Клеточное дыхание состоит из трех этапов: – Гликолиз (расщипление глюкозы на две молекулы пирувата) – Цикл Кребса (полное расщипление глюкозы) – Окислительное фосфорилирование (место где образуется основная масса АТФ) Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings
Fig. 9 -6 -1 Электрон ы переносят ся через НАДН Гликолиз Пируват Глюкоза Цитозоль ATФ Фосфорилирование на уровне субстрата
Fig. 9 -6 -2 Электроны переносятся через НАДН и ФАДН 2 Electrons carried via NADH Цикл Кребса Glycolysis Pyruvate Glucose Митохондрия Cytosol ATP Substrate-level phosphorylation ATФ Фосфорилирование на уровне субстрата
Fig. 9 -6 -3 Electrons carried via NADH and FADH 2 Electrons carried via NADH Citric acid cycle Glycolysis Pyruvate Glucose Окислительное фосфорилирован ие (ЭТЦ), хемоосмос Mitochondrion Cytosol ATP Substrate-level phosphorylation ATФ Окислительное фосфорилирование
• Процесс, который генерирует большую часть АТФ называют окислительным фосфорилированием, так как это происходит в окислительновосстановительных реакциях Bio. Flix: Cellular Respiration Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings
• Окислительного фосфорилирования приходится почти 90% от АТФ, порожденные в процессе клеточного дыхания • Меньшее количество АТФ образуется в гликолизе и цикле Кребса на уровне субстратного фосфорилирования Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings
Fig. 9 -7 Фермент AДФ Ф Субстрат + Продукт ATФ
• Гликолиз ("расщепление сахара") расщипление глюкозы на 2 молекулы пирувата • Гликолиза происходит в цитоплазме и имеет два основных этапа: • Инвестиционная фаза энергии • Фаза выплаты энергии Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings
Fig. 9 -8 Инвестиционная фаза гликолиза Глюкоза 2 ADP + 2 P 2 ATP используется Фаза выплаты (возврата) энергии 4 ADP + 4 P 4 ATP образуется 2 НАД+ + 4 e– + 4 H+ 2 НАДН + 2 H+ 2 Пируват + 2 H 2 O Итого Глюкоза 4 ATP образование – 2 ATP использывание 2 НАД+ + 4 e– + 4 H+ 2 Пируват + 2 H 2 O 2 ATP 2 НАДН + 2 H+
Fig. 9 -9 -4 Глюкоза ATP 1 Гексокиназа AD P Глюкоза-6 -фосфат 2 Фосфоглюкоизомераза Фруктоза-1, 6 бисфосфат 4 Фруктоза-6 -фосфат ATP Альдолаза 3 Фосфофруктокиназа AD P 5 Изомераза Фруктоза-1, 6 бмсфосфат 4 Альдолаза 5 Изомераза Дигидроксиацетофосфат Дигидроксиацетонфосфат Глицеральдегид-3 фосфат Глицеральдегид -3 - фосфат
Fig. 9 -9 -9 2 NAD+ 2 NADH + 2 H+ 6 Триоза-фосфат дегидрогеназа 2 Pi 2 1, 3 -Бисфосфоглицерат 2 ADP 7 Фосфоглицерокиназа 2 ATP 2 Фосфоенолпируват 2 ADP 2 3 -Фосфоглицерат 8 10 Пируват киназа Фосфоглицеромутаза 2 ATP 2 2 -Фосфоглицерат 9 2 H 2 O Энолаз а 2 Фосфоенолпируват 2 ADP 10 Пируват киназа 2 ATP 2 2 Пируват
Цикл Кребса • В присутствии О 2 пируват заходит в митохондрию • Перед началом цикоа Кребса пируват должен превратиться в Ацетил Ко. А Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings
Fig. 9 -10 Цитоплазма Митохондрия НАД+ НАДН + H+ 2 1 Пируват Транспортный протеин 3 CO 2 Кофермент A Ацетил Ко. А
• Цикл кребса протекает в матриксе митохондрии • При окислении одного пирувата в процессе цикла Кребса образуется 1 АТФ, 3 НАДН и 1 ФАДН 2 Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings
Fig. 9 -11 Пируват CO 2 НАД+ Ко. A НАДН + H+ Ацетил Ко. А Ко. A Цикл Кребса ФАДН 2 2 CO 2 3 НАД+ 3 НАДН ФАД + 3 H+ ADP + P i ATP
Fig. 9 -12 -8 Acetyl Co. A—SH NADH +H+ H 2 O 1 NAD+ 8 Oxaloacetate 2 Malate Citrate Isocitrate NAD+ H 2 O Citric acid cycle 7 Fumarate NADH + H+ 3 CO 2 Co. A—SH 6 -Ketoglutarate 4 Co. A—SH 5 FADH 2 NAD+ FAD Succinate GTP GDP ATP Pi Succinyl Co. A NADH + H+ CO 2
Fig. 9 -13 NADH 50 2 e– NAD+ FADH 2 2 e– Free energy (G) relative to O 2 (kcal/mol) 40 FMN FAD Multiprotein complexes FAD Fe • S Q Cyt b 30 Fe • S Cyt c 1 IV Cyt c Cyt a 20 10 0 Cyt a 3 2 e– (from NADH or FADH 2) 2 H+ + 1/2 O 2 H 2 O
• Электроны передаются от НАДН или FADH 2 в электрон-транспортную цепь • Электроны проходят через ряд белков, включая цитохромов (каждый с атомом железа) к О 2 • Электрон-транспортной цепи не генерирует АТФ • Функция цепи является разбить большую спад свободной энергии из пищи в O 2 на более мелкие шаги, которые высвобождают Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings
Хемоосмотическая теория • Перенос электрона в цепи транспорта электронов заставляет белки выкачивать Н + из митохондриального матрикса в межмембранное пространства • Н +, возвращается через мембрану в матрикс, проходя через каналы в АТФ-синтазы • АТФ-синтаза использует экзэргонических поток H + и запускает фосфорилирования АТФ • Это является примером хемиосмоса, использование энергии в Н + градиента для управления работой клетки Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings
Fig. 9 -14 Мемжмембранное пространсвто H+ Статор Ротор Внутренняя палочка Каталитическая часть ADP + P i матрикс ATP
Fig. 9 -16 H+ H+ H+ Белковый комплекс переносчиков электронов H+ Cyt c V Q ФАДН 2 НАДН АТФ синтетаза ФАД 2 H+ + 1/2 O 2 НАД+ H 2 O ADP + P i (переносчики электронов) ATP H+ 1 Электрон-транспортная цепь Oкислительное фосфорилирование 2 Хемоосмос
Fig. 9 -17 Electron shuttles span membrane CYTOSOL 2 NADH Glycolysis Glucose 2 Pyruvate MITOCHONDRION 2 NADH or 2 FADH 2 6 NADH 2 Acetyl Co. A + 2 ATP Citric acid cycle + 2 ATP Maximum per glucose: About 36 or 38 ATP 2 FADH 2 Oxidative phosphorylation: electron transport and chemiosmosis + about 32 or 34 ATP
Concept 9. 5: Fermentation and anaerobic respiration enable cells to produce ATP without the use of oxygen • Most cellular respiration requires O 2 to produce ATP • Glycolysis can produce ATP with or without O 2 (in aerobic or anaerobic conditions) • In the absence of O 2, glycolysis couples with fermentation or anaerobic respiration to produce ATP Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings
• Anaerobic respiration uses an electron transport chain with an electron acceptor other than O 2, for example sulfate • Fermentation uses phosphorylation instead of an electron transport chain to generate ATP Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings
Types of Fermentation • Fermentation consists of glycolysis plus reactions that regenerate NAD+, which can be reused by glycolysis • Two common types are alcohol fermentation and lactic acid fermentation Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings
• In alcohol fermentation, pyruvate is converted to ethanol in two steps, with the first releasing CO 2 • Alcohol fermentation by yeast is used in brewing, winemaking, and baking Animation: Fermentation Overview Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings
Fig. 9 -18 2 ADP + 2 Pi Glucose 2 ATP Glycolysis 2 Pyruvate 2 NAD+ 2 NADH + 2 H+ 2 CO 2 2 Acetaldehyde 2 Ethanol (a) Alcohol fermentation 2 ADP + 2 Pi Glucose 2 ATP Glycolysis 2 NAD+ 2 Lactate (b) Lactic acid fermentation 2 NADH + 2 H+ 2 Pyruvate
Fig. 9 -18 a 2 ADP + 2 P i Glucose 2 ATP Glycolysis 2 Pyruvate 2 NAD+ 2 Ethanol (a) Alcohol fermentation 2 NADH + 2 H+ 2 CO 2 2 Acetaldehyde
• In lactic acid fermentation, pyruvate is reduced to NADH, forming lactate as an end product, with no release of CO 2 • Lactic acid fermentation by some fungi and bacteria is used to make cheese and yogurt • Human muscle cells use lactic acid fermentation to generate ATP when O 2 is scarce Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings
Fig. 9 -18 b 2 ADP + 2 P i Glucose 2 ATP Glycolysis 2 NAD+ 2 Lactate (b) Lactic acid fermentation 2 NADH + 2 H+ 2 Pyruvate
Fermentation and Aerobic Respiration Compared • Both processes use glycolysis to oxidize glucose and other organic fuels to pyruvate • The processes have different final electron acceptors: an organic molecule (such as pyruvate or acetaldehyde) in fermentation and O 2 in cellular respiration • Cellular respiration produces 38 ATP per glucose molecule; fermentation produces 2 ATP per glucose molecule Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings
• Obligate anaerobes carry out fermentation or anaerobic respiration and cannot survive in the presence of O 2 • Yeast and many bacteria are facultative anaerobes, meaning that they can survive using either fermentation or cellular respiration • In a facultative anaerobe, pyruvate is a fork in the metabolic road that leads to two alternative catabolic routes Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings
Fig. 9 -19 Glucose CYTOSOL Glycolysis Pyruvate No O 2 present: Fermentation O 2 present: Aerobic cellular respiration MITOCHONDRION Ethanol or lactate Acetyl Co. A Citric acid cycle
The Evolutionary Significance of Glycolysis • Glycolysis occurs in nearly all organisms • Glycolysis probably evolved in ancient prokaryotes before there was oxygen in the atmosphere Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings
Concept 9. 6: Glycolysis and the citric acid cycle connect to many other metabolic pathways • Gycolysis and the citric acid cycle are major intersections to various catabolic and anabolic pathways Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings
The Versatility of Catabolism • Catabolic pathways funnel electrons from many kinds of organic molecules into cellular respiration • Glycolysis accepts a wide range of carbohydrates • Proteins must be digested to amino acids; amino groups can feed glycolysis or the citric acid cycle Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings
• Fats are digested to glycerol (used in glycolysis) and fatty acids (used in generating acetyl Co. A) • Fatty acids are broken down by beta oxidation and yield acetyl Co. A • An oxidized gram of fat produces more than twice as much ATP as an oxidized gram of carbohydrate Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings
Fig. 9 -20 Proteins Amino acids Carbohydrates Sugars Glycolysis Glucose Glyceraldehyde-3 - P NH 3 Pyruvate Acetyl Co. A Citric acid cycle Oxidative phosphorylation Fats Glycerol Fatty acids
Biosynthesis (Anabolic Pathways) • The body uses small molecules to build other substances • These small molecules may come directly from food, from glycolysis, or from the citric acid cycle Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings
Regulation of Cellular Respiration via Feedback Mechanisms • Feedback inhibition is the most common mechanism for control • If ATP concentration begins to drop, respiration speeds up; when there is plenty of ATP, respiration slows down • Control of catabolism is based mainly on regulating the activity of enzymes at strategic points in the catabolic pathway Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings
Fig. 9 -21 Glucose Glycolysis Fructose-6 -phosphate – AMP Stimulates + Phosphofructokinase – Fructose-1, 6 -bisphosphate Inhibits Pyruvate ATP Citrate Acetyl Co. A Citric acid cycle Oxidative phosphorylation


