Клеточное дыхание

Overview: Life Is Work

Живые организмы нуждаются в потоке энергии из окружающей

Fig. 9-1

Энергия заходит в экосистему, в виде солнечного света и выходит из

Fig. 9-2

Энергия света

ЭКОСИСТЕМА

Фотосинтез

CO2 + H2O

Дыхание

Органические молекулы

+ O2

АТФ осуществляет работу в клетке

Энергия

Катаболические пути и образование АТФ

Разрушение органических молекул является экзэргонической реакцией
Брожение является

Клеточное дыхание включает в себя как аэробных и анаэробных дыхания, но

Окисление и восстановление молекул

Перенос электронов при химических реакциях высвобождает энергию которая

Принцип окислительно-восстановительных реакции

Химические реакции, которые передают электроны между реактантами называются окислительно-восстановительными

Fig. 9-UN1

окисляется
(теряет электрон)

Восстанавливается
(приобретает электрон)

Fig. 9-UN2

Окисляется

Восстанавливается

Донором электронов называется- восстановитель
Электронный акцептор называется окислителем
Некоторые окислительно-восстановительные реакции, не передавают

Fig. 9-3

Reactants

becomes oxidized

becomes reduced

Products

Methane
(reducing
agent)

Oxygen
(oxidizing
agent)

Carbon dioxide

Water

Окисление органических молекул во время дыхания

Во время клеточного дыхание, топливо (например,

Fig. 9-UN3

окисляется

восстанавливается

Fig. 9-UN4

Дегидрогеназа

Переносчики электронов

В клеточном дыхании, глюкоза и другие органические молекулы расщепляются в

Fig. 9-4

Дегидрогеназа

Восстановление НАД+

Oкисление НАДН

2 e– + 2 H+

2 e– + H+

НАД+

+

2[H]

НАДH

+

H+

H+

Никотинамид
(окисленная

НАДН передает электроны электрон-транспортной цепи
В отличие от неконтролируемого реакции, цепь транспорта

Fig. 9-5

Свободная энергия, G

Free energy, G

(a) Неконтролируемая реакция

H2O

H2 + 1/2 O2

Этапы клеточного дыхания

Клеточное дыхание состоит из трех этапов:
Гликолиз (расщипление глюкозы на

Fig. 9-6-1

Фосфорилирование на уровне субстрата

ATФ

Цитозоль

Глюкоза

Пируват

Гликолиз

Электроны переносятся через НАДН

Fig. 9-6-2

Митохондрия

Substrate-level
phosphorylation

ATP

Cytosol

Glucose

Pyruvate

Glycolysis

Electrons
carried
via NADH

Фосфорилирование на уровне субстрата

ATФ

Электроны переносятся через НАДН и

Fig. 9-6-3

Mitochondrion

Substrate-level
phosphorylation

ATP

Cytosol

Glucose

Pyruvate

Glycolysis

Electrons
carried
via NADH

Substrate-level
phosphorylation

ATP

Electrons carried
via NADH and
FADH2

Окислительное фосфорилирование

ATФ

Citric
acid
cycle

Окислительное фосфорилирование (ЭТЦ), хемоосмос

Процесс, который генерирует большую часть АТФ называют окислительным фосфорилированием, так как

Окислительного фосфорилирования приходится почти 90% от АТФ, порожденные в процессе клеточного

Fig. 9-7

Фермент

AДФ

Ф

Субстрат

Фермент

ATФ

+

Продукт

Гликолиз ("расщепление сахара") расщипление глюкозы на 2 молекулы пирувата
Гликолиза происходит в

Fig. 9-8

Инвестиционная фаза гликолиза

Глюкоза

2 ADP + 2

P

2 ATP

используется

образуется

4 ATP

Фаза выплаты (возврата)

Fig. 9-9-4

Глюкоза

ATP

ADP

Гексокиназа

Глюкоза-6-фосфат

Фосфоглюкоизомераза

Фруктоза-6-фосфат

ATP

ADP

Фосфофруктокиназа

Фруктоза-1,6-бмсфосфат

Альдолаза

Изомераза

Дигидроксиацето-фосфат

Глицеральдегид-3-фосфат

1

2

3

4

5

Альдолаза

Изомераза

Фруктоза-1,6-бисфосфат

Дигидроксиацетон-фосфат

Глицеральдегид-3- фосфат

4

5

Fig. 9-9-9

Триоза-фосфат дегидрогеназа

2 NAD+

NADH

2

2

2

2

2

2

2 ADP

2 ATP

Пируват

Пируват киназа

Фосфоенолпируват

Энолаза

2 H2O

2-Фосфоглицерат

Фосфоглицеромутаза

3-Фосфоглицерат

Фосфоглицерокиназа

2 ATP

2 ADP

1, 3-Бисфосфоглицерат

+

В присутствии О2 пируват заходит в митохондрию
Перед началом цикоа Кребса пируват

Fig. 9-10

Цитоплазма

Митохондрия

НАД+

НАДН

+ H+

2

1

3

Пируват

Транспортный протеин

CO2

Кофермент A

Ацетил КоА

Цикл кребса протекает в матриксе митохондрии
При окислении одного пирувата в процессе

Fig. 9-11

Пируват

НАД+

НАДН

+ H+

Ацетил КоА

CO2

КоA

КоA

КоA

Цикл Кребса

ФАДН2

ФАД

CO2

2

3

3 НАД+

+ 3 H+

ADP +

P

i

ATP

НАДН

Fig. 9-12-8

Acetyl CoA

CoA—SH

Citrate

H2O

Isocitrate

NAD+

NADH

+ H+

CO2

α-Keto-
glutarate

CoA—SH

CO2

NAD+

NADH

+ H+

Succinyl
CoA

CoA—SH

P

i

GTP

GDP

ADP

ATP

Succinate

FAD

FADH2

Fumarate

Citric
acid
cycle

H2O

Malate

Oxaloacetate

NADH

+H+

NAD+

1

2

3

4

5

6

7

8

Fig. 9-13

NADH

NAD+

2

FADH2

2

FAD

Multiprotein
complexes

FAD

Fe•S

FMN

Fe•S

Q

Fe•S

Ι

Cyt b

ΙΙ

ΙΙΙ

Cyt c1

Cyt c

Cyt a

Cyt a3

IV

Free energy (G) relative to

Электроны передаются от НАДН или FADH2 в электрон-транспортную цепь
Электроны проходят через

Перенос электрона в цепи транспорта электронов заставляет белки выкачивать Н +

Fig. 9-14

Мемжмембранное пространсвто

Ротор

H+

Статор

Внутренняя палочка

Каталитическая часть

ADP

+

P

ATP

i

матрикс

Fig. 9-16

Белковый комплекс переносчиков электронов

H+

H+

H+

Cyt c

Q

Ι

ΙΙ

ΙΙΙ

ΙV

ФАДН2

ФАД

НАД+

НАДН

(переносчики электронов)

Электрон-транспортная цепь

2 H+ + 1/2O2

H2O

ADP

Fig. 9-17

Maximum per glucose:

About
36 or 38 ATP

+ 2 ATP

+ 2 ATP

+

Concept 9.5: Fermentation and anaerobic respiration enable cells to produce ATP

Anaerobic respiration uses an electron transport chain with an electron acceptor

Types of Fermentation

Fermentation consists of glycolysis plus reactions that regenerate NAD+,

In alcohol fermentation, pyruvate is converted to ethanol in two steps,

Fig. 9-18

2 ADP + 2

Pi

2 ATP

Glucose

Glycolysis

2 NAD+

2 NADH

2 Pyruvate

+ 2 H+

2

Fig. 9-18a

2 ADP + 2

P

i

2 ATP

Glucose

Glycolysis

2 Pyruvate

2 NADH

2 NAD+

+ 2 H+

CO2

2

In lactic acid fermentation, pyruvate is reduced to NADH, forming lactate

Fig. 9-18b

Glucose

2 ADP + 2

P

i

2 ATP

Glycolysis

2 NAD+

2 NADH

+ 2 H+

2 Pyruvate

2

Fermentation and Aerobic Respiration Compared

Both processes use glycolysis to oxidize glucose

Obligate anaerobes carry out fermentation or anaerobic respiration and cannot survive

Fig. 9-19

Glucose

Glycolysis

Pyruvate

CYTOSOL

No O2 present:
Fermentation

O2 present:
Aerobic cellular
respiration

MITOCHONDRION

Acetyl CoA

Ethanol
or
lactate

Citric
acid
cycle

The Evolutionary Significance of Glycolysis

Glycolysis occurs in nearly all organisms
Glycolysis probably

Concept 9.6: Glycolysis and the citric acid cycle connect to many

The Versatility of Catabolism

Catabolic pathways funnel electrons from many kinds of

Fats are digested to glycerol (used in glycolysis) and fatty acids

Fig. 9-20

Proteins

Carbohydrates

Amino
acids

Sugars

Fats

Glycerol

Fatty
acids

Glycolysis

Glucose

Glyceraldehyde-3-

Pyruvate

P

NH3

Acetyl CoA

Citric
acid
cycle

Oxidative
phosphorylation

Biosynthesis (Anabolic Pathways)

The body uses small molecules to build other substances
These

Regulation of Cellular Respiration via Feedback Mechanisms

Feedback inhibition is the most