Химические и биохимические процессы, происходящие при хранении продовольственных товаров Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

ХИМИЧЕСКИЕ И БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ПРОИСХОДЯЩИЕ ПРИ ХРАНЕНИИ ПРОДОВОЛЬСТВЕННЫХ ТОВАРОВ

Г.Я. РЕЗГО, М.А. НИКОЛАЕВА

Химические процессы — процессы, вызывающие изменения химических веществ и их свойств под воздействием внешних факторов (кислорода воздуха, воды, света) и внутренних реакций.

В пищевых продуктах наиболее часто встречаются прогоркание жиров, меланоидинообразование, химическая реакция кислот продуктов с металлами упаковки (металлических банок).

Прогоркание жиров — реакция окисления непредельных жирных кислот кислородом воздуха. Образующиеся при этом перекиси и гидроперекиси содержат свободные радикалы, создающие предрасположенность к канцерогенным заболеваниям. Кроме того, они придают жиросодержащим продуктам неприятный прогорклый запах и вкус.

Прогоркание жиров происходит в продуктах, содержащих значительное количество непредельных жирных кислот. Этот процесс замедляется или совсем прекращается при наличии в продукте антиоксидантов — веществ, задерживающих окисление. Прогоркание усиливается при высоких температурах хранения, интенсивном освещении, особенно солнечном, и наличии солей тяжелых металлов.

В зависимости от способности к прогорканию жиры пищевых продуктов можно подразделить на легкопрогоркающие и труднопрогоркающие. К первой группе относятся жиры пшена, овса, сливочного масла, маргарина, свиного сала; ко второй — гречихи, риса, какао-масла, большинство видов растительных масел. Интенсивность прогоркания жиров можно снизить при хранении продуктов в темноте, непрозрачных или темноокрашенных упаковках, при пониженных температурах.

Меланоидинообразование — процесс взаимодействия редуцирующих сахаров с аминокислотами или белками с образованием полимеров — темноокрашенных соединений меланоидинов.

Процесс начинается при производстве продуктов в условиях повышенных температур (100-120°С и выше), а при хранении продолжается, так как образующиеся при повышенных температурах промежуточные вещества могут полимеризоваться затем и при пониженных. Меланоидины. придают окраску многим пищевым продуктам, при производстве которых используются высокие температуры. К ним относятся все хлебобулочные изделия (хлеб, булки, сухарные и бараночные изделия), пиво, топленое молоко и др.

При хранении меланоидинообразование наиболее свойственно консервам, сушеным плодам и овощам. При этом указанные продукты приобретают несвойственную им темную окраску.

Взаимодействие кислот продуктов с металлами упаковки может происходить у консервов в металлической таре, если нарушено или недостаточно полно защитное покрытие металлической поверхности банки полудой или специальными пищевыми лаками, а также при хранении пищевых продуктов в металлической посуде без защитных покрытий (например, в эмалированной посуде со сколами эмали). В результате указанной реакции образуются соли тяжелых металлов, обладающие токсичным действием. При переходе их в продукт утрачивается его безопасность. К тому же выделяющиеся при реакции газы вызывают вздутие банки. Дефект называется химическим бомбажом и является критическим. Реализация таких консервов запрещена.

Биохимические процессы — процессы, вызывающие изменения химических веществ при участии ферментов. Эти процессы в свою очередь подразделяются на гидролитические, окислительно-восстановительные и синтетические процессы. Наибольшее распространение имеют первые два.

Гидролитические процессы — процессы распада (гидролиза) сложных веществ при участии воды и ферментов гидролаз до простых, что влияет на вкус (например, гидролиз крахмала до простых сахаров приводит к появлению сладкого вкуса) или на консистенцию (при гидролизе протопектина плоды и овощи размягчаются). Кроме того, улучшается

усвояемость пищевых продуктов, поскольку образующиеся простые вещества более легко усваиваются организмом человека. При гидролизе крахмал распадается при участии амилаз до декстринов, а затем мальтозы и глюкозы; сахароза, лактоза и мальтоза — до моносахаров; белки — до протеинов и аминокислот при действии протеиназ; жиры — до жирных кислот и глицерина под действием липаз; протопектин- до пектина под действием протопектиназы и т. п.

Разновидностью этих процессов являются фосфоролитические процессы, протекающие при участии фосфорилаз. Фосфоролиз крахмала при участии фосфорилаз происходит до сахарозы.

Окислительно-восстановительные процессы- процессы окисления или восстановления веществ кислородом воздуха или другими окислителями при участии окислительно-восстановительных ферментов.

Указанные процессы приводят к образованию окисленных веществ, которые могут разрушаться дальше до более простых соединений. Например, окисленая форма витамина С — дегидроаскорбиновая кислота легко разрушается, вследствие чего утрачивается витаминная ценность продукта. Некоторые окисленные вещества могут полимеризоваться с образованием более крупных молекул. Примером может служить окисление дубильных веществ до биофлавоноидов — темноокрашенных соединений, придающих темную окраску черному чаю, сушеным плодам и овощам и т. п. Ферментативное окисление жиров при участии липооксигеназы вызывает образование перекисей и гидроперекисей также, как и при неферментативном прогоркании жиров.

У пищевых продуктов, являющихся живыми объектами (мука, крупы, свежие плоды и овощи, яйцо и т. п.), происходит комплекс окислительно-восстановительных процессов, называемых дыханием. При дыхании расходуются сахара, жиры и органические кислоты. Конечные продукты определяются типом дыхания: аэробное и анаэробное.

Суммарные уравнения этих типов дыхания можно привести в виде следующих реакций:

аэробное дыхание: СбН12Ое + 602 -> 6 С02 + 6 Н20 + 688 ккал;

анаэробное дыхание: СбН12Ое -» 2 С2Н5ОН + 2 С02 + 27 ккал.

Таким образом, при аэробном дыхании поглощается кислород, а выделяется углекислый газ, вода и энергия. Анаэробное дыхание протекает без участия кислорода, в результате чего выделяется углекислый газ, этиловый спирт и энергия, количество которой в 25 раз меньше, чем при аэробном дыхании. Поскольку главное назначение дыхания — обеспечение организма энергией, необходимой для жизнедеятельности, анаэробное дыхание является малоэкономичным типом по сравнению с аэробным. Кроме того, образующийся при анаэробном дыхании этиловый спирт и в качестве промежуточного продукта ацетальдегид могут вызывать отравление тканей организма, приводить к удушью и гибели. В результате этого возрастают актируемые потери от отходов.

Снижение интенсивности дыхания для предупреждения нерационального расхода питательных веществ может быть достигнуто применением пониженных температур, ограничением воздухообмена и доступа к тканям кислорода воздуха в пределах, не превышающих критической концентрации (не ниже 2%), или повышения концентрации С02, но не более 8-10%, чтобы предупредить усиление анаэробного дыхания и всех отрицательных последствий, связанных с ним.

Указанные условия создаются на охлаждаемых складах с регулируемой или модифицированной газовой средой. Последняя обеспечивается применением полиэтиленовых мешков или вкладышей. Повышенная концентрация С02 может накапливаться самопроизвольно за счет дыхания в больших массах продукции с ограниченным доступом кислорода воздуха. Например, в буртах, траншеях, глухих закромах для хранения овощей, в элеваторах для хранения зерна, при бестарном размещении муки и крупы. Поскольку в этом случае процесс дыхания и накопление С02 не регулируется, возможны самосогревание и порча продуктов.

Биохимические процессы при хранении пищевых продуктов носят разрушающий характер, и это не случайно, так как большинство товаров — неживые объекты, неспособные к синтезу новых веществ.

Синтетические процессы — процессы синтеза сложных веществ, предназначенных для

формирования новых тканей или обеспечения жизнедеятельности биосистем. Эти процессы присущи только живым организмам. К их числу относятся ресинтез крахмала в клубнях картофеля при высоких температурах хранения, образование фитонцидов и фитоалексинов — веществ защитного характера в плодах и овощах, накопление суберина и кутина в покровных тканях, синтез белка в тканях живой рыбы, вегетативных овощей при прорастании и т. п.

В большинстве случаев синтетические процессы протекают лишь в определенные периоды хранения (при переходе в состояние покоя или прорастании вегетативных овощей или семян плодов). В остальное время преобладают гидролитические и другие разрушающие процессы. Однако в некоторых случаях действие таких процессов может носить и положительный характер. Например, гидролитические процессы являются преобладающими и участвующими в формировании качества при созревании муки, сыров, дозревании плодов и овощей, при послеубойных изменениях в мясе и рыбе. При выдержке и старении вин решающую роль играют окислительновосстановительные процессы.

Наряду с этим гидролитические и окислительно-восстановительные процессы даже в вышеуказанных ситуациях при их длительном и/или интенсивном протекании могут вызывать нежелательные последствия, связанные с порчей продукции. Так, созревание и дозревание переходит в перезревание, старение и отмирание, вследствие чего качество продуктов ухудшается, а затем и вообще утрачивается, в том числе и безопасность. Биохимические процессы могут происходить под воздействием как собственных ферментов, так и ферментов микроорганизмов, вызывающих микробиологические процессы.

Работает особым образом: какие процессы происходят в мозге счастливого человека

• Здоровье

Сложно измерить счастье. Но тот факт, что у счастливых людей мозг работает иначе, никто не отрицает. Нашими эмоциями управляют гормоны, которые выделяются именно в мозге и управляют телом.

28 марта 20231

Источник:

Getty Images

Счастье — это субъективное ощущение, его очень трудно измерить и описать. Но ученые разделяют ощущение счастья на два вполне объективных компонента — эмоциональную составляющую с сочетанием отрицательных и положительных эмоций, а также когнитивный фактор — работу сознания.

Если говорить о счастливой жизни, она складывается из позитивных эмоций и осмысленного отношения к происходящему в окружающем мире и внутри себя. Но что же происходит в мозге счастливых людей? На этот вопрос «Доктору Питеру» ответила врач-невролог Елена Чернова.

Чувства, ощущения и эмоции

Все, что мы видим, слышим, ощущаем и чувствуем, — рождается в мозге. Органы чувств — лишь проводники наших ощущений. Эмоции — это ответ на любые поступающие сигналы от внешней среды или самого организма.

Они обрабатываются в лимбической системе, которая параллельно с этим регулирует и другие функции — сигналы от органов чувств, циркадные ритмы. Таким образом эмоции — это реакции мозга на внешние обстоятельства, влияние окружающего мира или внутренние стимулы: мысли, воспоминания.

Читайте также

Оценить счастье сложнее, чем горе и страх

Развитие отрицательных эмоций — отвращения, страха, агрессии и других — изучено достаточно хорошо. Они формируются в мозжечковой миндалине (или миндалевидном теле). Это базовые эмоции, которые появились благодаря эволюции. Счастье и положительные эмоции формируются гораздо сложнее.

По мнению психологов и нейробиологов, позитивные эмоции завязаны на получении удовольствия. Поэтому исследователями изучаются эмоциональные отклики довольных людей, но пока есть много непонятного. Еще в прошлом веке во время различных экспериментов удалось открыть центр удовольствия. Он включался при поступлении стимулов, которые дают приятные ощущения, повышают настроение.

В этом участвуют различные нейромедиаторы — серотонин, мелатонин, дофамин. По мере исследований удалось определить, что центров удовольствия несколько — это не только уже упомянутая лимбическая система, но и области коры — орбитофронтальная зона и островковая доля.

Счастливые люди живут без стресса

Было доказано, что центры удовольствия работают в тесной взаимосвязи между собой, реагируют на выделение нейромедиаторов и связаны в еще более обширную сеть — систему вознаграждения. Она отвечает за различные аспекты жизни, которые связываются с получением вознаграждения. Сюда относят желание получить приятный стимул, ощущение удовольствия, позитивные эмоции в ответ на положительные стимулы. Все это подталкивает людей к тому, чтобы быть счастливее.

Если же воздействуют стрессы, они за счет выплеска гормонов (кортизола, адреналина, норадреналина) подавляют работу нейромедиаторов радости и удовольствия. Если стресс короткий, быстро разрешимый, в ответ на его влияние активизируется продукция дофамина, серотонина и эндорфинов. Они дают организму последующее ощущение расслабленности, помогают пережить стресс без потерь.

Поэтому людям важно предупреждать стрессы, бороться с ними, чтобы стать счастливее. Но совсем без стресса жить тоже нельзя, физиологические стрессовые раздражители подстегивают и держат в тонусе.

Читайте также

Какие вещества «живут» в счастливом мозге

Поскольку мы уже коснулись нейромедиаторов и гормонов, стоит немного подробнее описать роль тех из соединений, чьи функции уже изучены. Они влияют на общее формирование счастья и позитивного отношения к жизни, нужно знать, как стимулировать их выработку.

Дофамин — один из самых известных медиаторов. Он контролирует моторные функции и когнитивные, а также систему вознаграждений. Он выделяется в ответ на любые приятные стимулы — еду, секс, приятные прикосновения, появление близкого человека. Все, что приятно, дает удовольствие, а само удовольствие несет радость и счастье.

Серотонин — второй медиатор, участвующий в получении положительных эмоций. Дополнительно он влияет на сон и память. При его дефиците возникает депрессия и тревога.

«Искусственное» счастье — недолгое

 Еще одна группа нейромедиаторов, дающих ощущение счастья и удовольствия, — это эндорфины. Они влияют на опиоидные рецепторы мозга. При стрессе они выделяются для нашей защиты, помогают уменьшить боль.

Иногда люди заменяют натуральные гормоны счастья «синтетикой» — психотропными средствами, которые действуют аналогично натуральным веществам. Но опасность всех этих действий в том, что ощущение эйфории возникает только в начале и затем сменяется «ломкой» из-за зависимости от их приема. Подобные вещества не сделают счастливым, а только спровоцируют тяжелую болезнь и гибель.

Читайте также

«Родовый» гормон и счастье

В гипоталамусе выделяется особый гормон — окситоцин. Он формирует привязанность к другим людям. В особенно больших количествах он выделяется при родах и во время лактации, формируя тесную связь между мамой и малышом. Небольшое количество окситоцина выделяется при интимной близости, он формирует ощущение удовольствия при сексе.

Автор текста:Алена Парецкая

Энергия клетки, Функции клетки | Изучайте науку в Scitable

Конкретный энергетический путь, который использует клетка, во многом зависит от того, является ли эта клетка эукариотной или прокариотической. Эукариотические клетки используют три основных процесса для преобразования энергии, содержащейся в химических связях пищевых молекул, в более удобные для использования формы — часто богатые энергией молекулы-носители. Аденозин 5′-трифосфат, или АТФ, является наиболее распространенной молекулой переносчика энергии в клетках. Эта молекула состоит из
азотистое основание (аденин), сахар рибозы и три фосфатные группы. Слово аденозин
относится к аденину плюс сахару рибозе. Связь между вторым и
третий фосфат представляет собой высокоэнергетическую связь (рис. 5).

Первым процессом эукариотического энергетического пути является гликолиз , что буквально означает «расщепление сахара». Во время гликолиза отдельные молекулы глюкозы расщепляются и в конечном итоге превращаются в две молекулы вещества, называемого пируватом ; поскольку каждая глюкоза содержит шесть атомов углерода, каждый образующийся пируват содержит всего три атома углерода. Гликолиз на самом деле представляет собой серию из десяти химических реакций, которые требуют ввода двух молекул АТФ. Этот вход используется для создания четырех новых молекул АТФ, что означает, что гликолиз приводит к чистому приросту двух АТФ. Также образуются две молекулы НАДН; эти молекулы служат переносчиками электронов для других биохимических реакций в клетке.

Гликолиз — это древний основной путь образования АТФ, который встречается почти во всех клетках, как у эукариот, так и у прокариот. Этот процесс, также известный как ферментация , происходит в цитоплазме и не требует кислорода. Однако судьба пирувата, образующегося во время гликолиза, зависит от того, присутствует ли кислород. В отсутствие кислорода пируват не может полностью окислиться до углекислого газа, поэтому образуются различные промежуточные продукты. Например, когда уровень кислорода низкий, клетки скелетных мышц полагаются на гликолиз для удовлетворения своих интенсивных энергетических потребностей. Эта зависимость от гликолиза приводит к накоплению промежуточного продукта, известного как молочная кислота, из-за которого мышцы человека могут чувствовать себя «в огне». Точно так же дрожжи, одноклеточные эукариоты, производят спирт (вместо углекислого газа) в условиях дефицита кислорода.

Напротив, при наличии кислорода пируваты, образующиеся в результате гликолиза, становятся исходными веществами для следующей части энергетического пути эукариот. На этом этапе каждая молекула пирувата в цитоплазме попадает в митохондрию, где превращается в ацетил-КоА , двухуглеродный энергоноситель, а его третий углерод соединяется с кислородом и высвобождается в виде углекислого газа. В то же время также образуется переносчик NADH. Затем ацетил-КоА поступает в путь, называемый 9-й.0005 цикл лимонной кислоты , который является вторым основным энергетическим процессом, используемым клетками. Восьмистадийный цикл лимонной кислоты генерирует еще три молекулы НАДН и две другие молекулы-носители: ФАДН ₂ и ГТФ (рис. 6, в середине).

Третий основной процесс эукариотического энергетического пути включает электрон-транспортную цепь , катализируемую несколькими белковыми комплексами, расположенными во внутренней мембране митохондрий. Этот процесс, называемый окислительным фосфорилированием, переносит электроны от NADH и FADH ₂ через мембранные белковые комплексы и, в конечном счете, к кислороду, где они соединяются с образованием воды. Когда электроны проходят через белковые комплексы в цепи, через митохондриальную мембрану формируется градиент ионов водорода или протонов. Клетки используют энергию этого протонного градиента для создания трех дополнительных молекул АТФ на каждый электрон, перемещающийся по цепи. В целом, комбинация цикла лимонной кислоты и окислительного фосфорилирования дает гораздо больше энергии, чем ферментация — в 15 раз больше энергии на молекулу глюкозы! Вместе эти процессы, протекающие внутри митохондиона, цикл лимонной кислоты и окислительное фосфорилирование, обозначаются как дыхание , термин, используемый для обозначения процессов, связанных с поглощением кислорода и образованием углекислого газа (рис. 6).

Цепь переноса электронов в митохондриальной мембране не единственная, которая генерирует энергию в живых клетках. В растительных и других фотосинтезирующих клетках хлоропласты также имеют цепь переноса электронов, которая собирает солнечную энергию. Несмотря на то, что они не содержат митохондрии или хлоропласты, прокариоты имеют другие виды электрон-транспортных цепей в своих плазматических мембранах, которые также генерируют энергию.

5.9: Клеточное дыхание — Биология LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

• Сюзанна Ваким и Мандип Грюал
• Колледж Бьютт

Принеси вкусняшки!

Этот уютный костер можно использовать как для обогрева, так и для освещения. Тепло и свет — это две формы энергии, которые высвобождаются при сжигании такого топлива, как древесина. Клетки живых существ также получают энергию путем «сжигания». Они «сжигают» глюкозу в процессе, называемом клеточным дыханием.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Сжигание дров, при котором углерод в древесине преобразуется в двуокись углерода и значительное количество тепловой энергии.

Внутри каждой клетки всех живых существ энергия необходима для осуществления жизненных процессов. Энергия требуется для разрушения и создания молекул, а также для переноса многих молекул через плазматические мембраны. Вся работа в жизни требует энергии. Много энергии также просто теряется в окружающей среде в виде тепла. История жизни — это история потока энергии — ее улавливания, изменения формы, использования для работы и потери в виде тепла. Энергия, в отличие от материи, не может быть переработана, поэтому организмы требуют постоянного поступления энергии. Жизнь работает на химической энергии. Откуда живые организмы получают эту химическую энергию?

Откуда организмы получают энергию?

Химическая энергия, в которой нуждаются организмы, поступает из пищи. Пища состоит из органических молекул, запасающих энергию в своих химических связях. Глюкоза — это простой углевод с химической формулой \(\mathrm{C_6H_{12}O_6}\). Он хранит химическую энергию в концентрированной, стабильной форме. В вашем теле глюкоза — это форма энергии, которая переносится кровью и поглощается каждой из ваших триллионов клеток. Клетки осуществляют клеточное дыхание, чтобы извлечь энергию из связей глюкозы и других пищевых молекул. Клетки могут запасать извлеченную энергию в виде АТФ (аденозинтрифосфата).

Что такое АТФ?

Давайте подробнее рассмотрим молекулу АТФ, показанную на рисунке \(\PageIndex{2}\). Хотя он несет меньше энергии, чем глюкоза, его структура более сложная. «А» в АТФ относится к большей части молекулы — аденозину — комбинации азотистого основания и пятиуглеродного сахара. «Т» и «Р» обозначают три фосфата, связанных связями, которые удерживают энергию, фактически используемую клетками. Обычно только самая внешняя связь разрывается, чтобы высвободить или потратить энергию на клеточную работу.

Молекула АТФ подобна перезаряжаемой батарее: ее энергия может быть использована клеткой, когда она распадается на АДФ (аденозиндифосфат) и фосфат, а затем «изношенная батарея» АДФ может быть перезаряжена с использованием новой энергии для присоединения новый фосфат и восстановить АТФ. Материалы пригодны для повторного использования, но помните, что энергия — нет! АДФ может быть дополнительно восстановлен до АМФ (аденозинмонофосфат и фосфат, высвобождая дополнительную энергию. Как и в случае с АДТ, «перезаряжаемым» до АТФ, АМФ может перезаряжаться до АДФ.

Сколько энергии тратит ваше тело на работу? Одна клетка использует около 10 миллионов молекул АТФ в секунду и перерабатывает все свои молекулы АТФ примерно каждые 20-30 секунд.

Рисунок \(\PageIndex{2}\): Химическая структура АТФ состоит из 5-углеродного сахара (рибозы), присоединенного к азотистому основанию (аденину) и трех фосфатов. Когда ковалентная связь между концевой фосфатной группой и средней фосфатной группой разрывается, высвобождается энергия, которая используется клетками для выполнения работы.

Что такое клеточное дыхание?

Некоторые организмы могут производить себе пищу, а другие нет. Автотроф — это организм, который может производить себе пищу. Греческие корни слова autotroph означают «самостоятельный» ( auto ) «кормящий» ( troph ). Растения являются наиболее известными автотрофами, но существуют и другие, в том числе определенные виды бактерий и водорослей. Океанические водоросли вносят огромное количество пищи и кислорода в глобальные пищевые цепи. Растения тоже фотоавтотрофы , тип автотрофов, которые используют солнечный свет и углерод из углекислого газа для синтеза химической энергии в виде углеводов. Гетеротрофы — это организмы, неспособные к фотосинтезу, поэтому они должны получать энергию и углерод из пищи, потребляя другие организмы. Греческие корни слова гетеротроф означают «другой» ( гетеро ) «кормящий» ( троф ), имея в виду, что их пища поступает от других организмов. Даже если пищевым организмом является другое животное, эта пища ведет свое происхождение от автотрофов и процесса фотосинтеза. Люди гетеротрофы, как и все животные. Гетеротрофы зависят от автотрофов прямо или косвенно.

Клеточное дыхание — это процесс, при котором отдельные клетки расщепляют молекулы пищи, такие как глюкоза, и выделяют энергию. Этот процесс похож на горение, хотя он не дает света или сильного тепла, как у костра. Это связано с тем, что клеточное дыхание высвобождает энергию в глюкозе медленно, в виде множества маленьких шагов. Он использует энергию, которая высвобождается, для формирования молекул АТФ, молекул-носителей энергии, которые клетки используют для питания биохимических процессов. Клеточное дыхание включает в себя множество химических реакций, но все они могут быть выражены следующим химическим уравнением:

\[\ce{C6h22O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6h3O + Energy} \nonumber\]

где высвобождаемая энергия выражается в виде химической энергии в АТФ (по сравнению с тепловой энергией в виде тепла). Уравнение выше показывает, что глюкоза (\(\ce{C6h22O6}\)) и кислород (\(\ce{O_2}\)) реагируют с образованием углекислого газа (\(\ce{CO_2}\)) и воды \( \ce{H_2O}\), высвобождая при этом энергию. Поскольку кислород необходим для клеточного дыхания, это аэробный процесс.

Клеточное дыхание происходит в клетках всех живых существ, как автотрофов, так и гетеротрофов. Все они катаболизируют глюкозу с образованием АТФ. Реакции клеточного дыхания можно разделить на три основные стадии и промежуточную стадию: гликолиз , Превращение пирувата , цикл Кребса (также называемый циклом лимонной кислоты) и окислительное фосфорилирование . На рисунке \(\PageIndex{3}\) представлен обзор этих трех этапов, которые также подробно описаны ниже.

Рисунок \(\PageIndex{3}\): Клеточное дыхание протекает на стадиях, показанных здесь. Процесс начинается с гликолиза. На этом первом этапе молекула глюкозы, состоящая из шести атомов углерода, расщепляется на две трехуглеродные молекулы. Трехуглеродная молекула называется пируватом. Пируват окисляется и превращается в ацетил-КоА. Эти две стадии происходят в цитоплазме клетки. Ацетил-КоА поступает в матрикс митохондрий, где полностью окисляется до углекислого газа по циклу Кребса. Наконец, в процессе окислительного фосфорилирования электроны, извлеченные из пищи, движутся по электрон-транспортной цепи во внутренней мембране митохондрии. По мере того, как электроны движутся вниз по ВТЦ и, наконец, к кислороду, они теряют энергию. Эта энергия используется для фосфорилирования АМФ с образованием АТФ.

Гликолиз

Первой стадией клеточного дыхания является гликолиз . Этот процесс показан в верхней части рисунка \(\PageIndex{3}\), показывающего расщепление 6-углеродной молекулы на две 3-углеродные молекулы пирувата. АТФ производится в этом процессе, который происходит в цитозоле цитоплазмы.

Расщепление глюкозы

Слово гликолиз означает «расщепление глюкозы», что и происходит на этом этапе. Ферменты расщепляют молекулу глюкозы на две молекулы пирувата (также известного как пировиноградная кислота). Это происходит в несколько этапов, как показано на рисунке \(\PageIndex{4}\). Глюкоза сначала расщепляется на глицеральдегид-3-фосфат (молекула, содержащая 3 атома углерода и фосфатную группу). Этот процесс использует 2 АТФ. Затем каждый глицеральдегид-3-фосфат превращается в пируват (молекула с 3 атомами углерода). это производит два 4 АТФ и 2 НАДН.

Рисунок \(\PageIndex{4}\): При гликолизе молекула глюкозы превращается в две молекулы пирувата.

Результаты гликолиза

Энергия необходима в начале гликолиза для расщепления молекулы глюкозы на две молекулы пирувата. Эти две молекулы переходят на II стадию клеточного дыхания. Энергия для расщепления глюкозы обеспечивается двумя молекулами АТФ. В ходе гликолиза высвобождается энергия, которая используется для образования четырех молекул АТФ. В результате получается чистый прирост двух молекул АТФ во время гликолиза. высокоэнергетические электроны также передаются энергонесущим молекулам, называемым переносчиками электронов, посредством процесса
, известного как восстановление. Электронный переносчик гликолиза – НАД+(никотинамидадениндифосфат) . Электроны переносятся на 2 НАД+ с образованием двух молекул НАДН. Энергия, запасенная в НАДН, используется на стадии III клеточного дыхания для производства большего количества АТФ. В конце гликолиза образуется:
• 2 молекулы NADH
• 2 чистые молекулы АТФ

Превращение пирувата в ацетил-КоА

В эукариотических клетках молекулы пирувата, образующиеся в конце гликолиза, транспортируются в митохондрии, которые являются местами клеточного дыхания. Если кислород доступен, аэробное дыхание пойдет вперед. В митохондриях пируват трансформируется в двухуглеродную ацетильную группу (путем удаления молекулы углекислого газа), которая подхватывается соединением-носителем, называемым коферментом А (КоА), который производится из витамина В9.0021 5 . Полученное соединение называется ацетил-КоА, а его производство часто называют окислением или превращением пирувата (см. рисунок \(\PageIndex{5}\). Ацетил-КоА может использоваться клеткой различными способами, но его основная Функция состоит в том, чтобы доставить ацетильную группу, полученную из пирувата, на следующую стадию пути, цикл лимонной кислоты.

Цикл лимонной кислоты

Прежде чем читать о последних двух стадиях клеточного дыхания, вам необходимо рассмотреть структуру митохондрии, в которой эти две стадии происходят. Как видно из рисунка \(\PageIndex{6}\), митохондрия имеет внутреннюю и внешнюю мембраны. Пространство между внутренней и внешней мембранами называется межмембранным пространством. Пространство, ограниченное внутренней мембраной, называется матриксом. В матриксе протекает вторая стадия клеточного дыхания, цикл Кребса. Третий этап, транспорт электронов, происходит на внутренней мембране.

Рисунок \(\PageIndex{6}\): Структура митохондрии определяется внутренней и внешней мембранами. Пространство внутри внутренней мембраны заполнено жидкостью, ферментами, рибосомами и митохондриальной ДНК. Это пространство называется матрицей. Внутренняя мембрана имеет большую площадь поверхности по сравнению с внешней мембраной. Поэтому сминается. Расширения складок называются кристами. Пространство между наружной и внутренней мембранами называется межмембранным пространством.

Напомним, что при гликолизе образуются две молекулы пирувата (пировиноградной кислоты). Пируват, имеющий три атома углерода, расщепляется и соединяется с КоА, что означает кофермент А. Продуктом этой реакции является ацетил-КоА. Эти молекулы входят в матрикс митохондрии, где они запускают цикл лимонной кислоты. Третий углерод из пирувата соединяется с кислородом с образованием углекислого газа, который выделяется как побочный продукт. Высокоэнергетические электроны также высвобождаются и захватываются НАДН. Следующие реакции показаны на рисунке \(\PageIndex{7}\).

Стадии цикла лимонной кислоты (Кребса)

Цикл лимонной кислоты начинается, когда ацетил-КоА соединяется с четырехуглеродной молекулой, называемой ОАА (оксалоацетат; см. нижнюю часть рисунка \(\PageIndex{7}\)) . Это производит лимонную кислоту, которая имеет шесть атомов углерода. Вот почему цикл Кребса также называют циклом лимонной кислоты. После образования лимонной кислоты она проходит ряд реакций, в результате которых выделяется энергия. Эта энергия захватывается молекулами АТФ и переносчиками электронов. Цикл Кребса имеет два типа переносчиков электронов: НАД+ и ФАД. Перенос электронов на ФАД во время цикла Кребса приводит к образованию молекулы ФАДН 9.0021 2 . Углекислый газ также выделяется как побочный продукт этих реакций. Заключительный этап цикла Кребса регенерирует OAA, молекулу, с которой начался цикл Кребса. Эта молекула необходима для следующего оборота цикла. Два оборота необходимы, потому что гликолиз производит две молекулы пирувата, когда он расщепляет глюкозу.

Рисунок \(\PageIndex{7}\): В цикле лимонной кислоты ацетильная группа ацетил-КоА присоединяется к четырехуглеродной молекуле оксалоацетата с образованием шестиуглеродной молекулы цитрата. Через ряд стадий цитрат окисляется, высвобождая две молекулы углекислого газа на каждую ацетильную группу, подаваемую в цикл. В процессе три NAD 9Молекулы 0170 + восстанавливаются до НАДН, одна молекула ФАД восстанавливается до ФАДН ₂ и образуется одна молекула АТФ или ГТФ (в зависимости от типа клетки) (путем фосфорилирования на уровне субстрата). Поскольку конечный продукт цикла лимонной кислоты также является первым реагентом, цикл протекает непрерывно в присутствии достаточного количества реагентов.

Результаты цикла лимонной кислоты

После второго цикла цикла лимонной кислоты исходная молекула глюкозы полностью расщепляется. Все шесть его атомов углерода соединились с кислородом с образованием углекислого газа. Энергия его химических связей хранится в общей сложности в 16 молекулах-носителях энергии. Эти молекулы:

• 2 ДПС
• 8 НАДН
• 2 ФАДХ\(_2\)
• 6 CO\(_2\): 2 CO\(_2\) от превращения ацетил-КоА и 4 CO\(_2\) от цикла лимонной кислоты.

Окислительное фосфорилирование

Окислительное фосфорилирование является завершающей стадией аэробного клеточного дыхания. Есть две подстадии окислительного фосфорилирования, цепь переноса электронов и хемиосмос. На этих стадиях энергия НАДН и ФАДН ₂ , образующихся в результате предыдущих стадий клеточного дыхания, используется для создания АТФ.

Рисунок \(\PageIndex{8}\): Окислительное фосфорилирование: электрон-транспортная цепь и хемиосмос.

Цепь переноса электронов (ETC)

На этом этапе высокоэнергетические электроны высвобождаются из NADH и FADH ₂ и движутся по цепям переноса электронов, обнаруженным во внутренней мембране митохондрии. Цепь переноса электронов представляет собой ряд молекул, которые переносят электроны от молекулы к молекуле в результате химических реакций. Эти молекулы входят в состав трех комплексов цепи переноса электронов (красные структуры во внутренней мембране на рисунке \(\PageIndex{8}\)). Когда электроны проходят через эти молекулы, часть энергии электронов используется для перекачки ионов водорода (H+) через внутреннюю мембрану из матрикса в межмембранное пространство. Этот перенос ионов создает электрохимический градиент, который стимулирует синтез АТФ. Электроны от конечного белка ЭТЦ присоединяются к молекуле кислорода, и он восстанавливается до воды в матриксе митохондрии.

Хемиосмос

Прокачка ионов водорода через внутреннюю мембрану создает большую концентрацию этих ионов в межмембранном пространстве, чем в матрице, создавая электрохимический градиент. Этот градиент заставляет ионы течь обратно через мембрану в матрицу, где их концентрация ниже. Поток этих ионов происходит через белковый комплекс, известный как комплекс АТФ-синтазы (см. синюю структуру внутренней мембраны на рисунке \(\PageIndex{8}\). АТФ-синтаза действует как канальный белок, помогая ионам водорода через мембрану. Поток протонов через АТФ-синтазу считается хемиосмосом. АТФ-синтаза также действует как фермент, образуя АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Именно поток ионов водорода через АТФ-синтазу дает энергию для синтеза АТФ. проходя по цепи переноса электронов, низкоэнергетические электроны соединяются с кислородом, образуя воду.

Сколько АТФ?

Вы видели, как три стадии аэробного дыхания используют энергию глюкозы для производства АТФ. Сколько АТФ образуется на всех трех стадиях вместе взятых? При гликолизе образуется 2 молекулы АТФ, а в цикле Кребса — еще 2. Электронный транспорт от молекул НАДН и ФАДН ₂ производится в результате гликолиза, превращения пирувата и цикла Кребса, создавая еще 32 молекулы АТФ. Таким образом, всего из одной молекулы глюкозы в процессе клеточного дыхания может образоваться до 36 молекул АТФ.

Обзор

1. Какова цель клеточного дыхания? Дайте краткое описание процесса.
2. Изобразите и объясните структуру АТФ (аденозинтрифосфата).
3. Укажите, что происходит при гликолизе.
4. Опишите строение митохондрии.
5. Опишите этапы цикла Кребса.
6. Что происходит на стадии переноса электронов клеточного дыхания?
7. Сколько молекул АТФ может образоваться из одной молекулы глюкозы во время всех трех стадий клеточного дыхания вместе взятых?
8. Подвергаются ли растения клеточному дыханию? Почему или почему нет?
9. Объясните, почему описанный в этом разделе процесс клеточного дыхания считается аэробным.
10. Назовите три молекулы-носители энергии, участвующие в клеточном дыхании.
11. Энергия хранится в химическом _________ в молекуле глюкозы.
12. Правда или Ложь . Во время клеточного дыхания НАДН и АТФ используются для производства глюкозы.
13. Правда или Ложь . АТФ-синтаза действует как фермент и канальный белок.
14. Правда или Ложь . В конце клеточного дыхания углероды глюкозы попадают в молекулы АТФ.
15. На каком этапе аэробного клеточного дыхания образуется больше всего АТФ?

Attributions

1. Campfire Джона Салливана, общественное достояние через Wikimedia Commons
2. Структура ATP от Mysid, общественное достояние через Wikimedia Commons
3. Клеточное дыхание от OpenStax College, лицензия CC BY 4.0 через Wikimedia Commons
4. Гликолиз от Lumen Learning, CC BY 4.0
5. Цикл лимонной кислоты от Lumen Learning, CC BY 4.