Сходство фотосинтеза и дыхания Фотосинтез Дыхание Протекают в двухмембранных органеллах хлоропластах митохондриях Происходит превращение энергии световая энергия → химическая энергия питательные вещества → АТФ Наблюдается транспорт электронов от хлорофилла и связан с образованием АТФ и НАДФН протекает на мембранах тилакоидов от дыхательного субстрата к О2 воздуха и сопряжен с образованием АТФ протекает на внутренней мембране митохондрий Вода – обязательный участник донор Н+ (фотоокисление воды) для восстановления НАДФН окисление веществ за счет кислорода воды Одинаковые промежуточные вещества – ФГК, ФГА, РБФ, ПВК, ФЭП, малат Отличия фотосинтеза и дыхания Фотосинтез Дыхание Процесс уникальный (только у растений в зеленых клетках (органах)) Процесс универсальный (во всех живых клетках) В хлоропластах В митохондриях Синтез органического вещества Распад органического вещества Запасание энергии Освобождение энергии Выделение О2 Выделение СО2 Поглощение СО2 Поглощение О2 Протекает на свету Протекает постоянно Световая и темновая (цикл Кальвина) фазы Анаэробная (гликолиз) и аэробная (цикл Кребса) фазы С6Н12О6 + 6 О2 → 6 СО2 + 6 Н2О +2824 кДж источник энергии, источник метаболитов: ► триозофосфаты → глицерин → жиры, ► ацетил-КоА → жирные кислоты, ► α-кетоглютаровая кислота и ЩУК → аминокислоты (глутаминовая и аспарагиновая) → белки, а также пуриновые и пиримидиновые азотистые основания, ► ПВК → аланин → белки, ► янтарная кислота → основа для образования порфиринового ядра хлорофилла, ► пентозы (из ПФП) → РБФ, нуклеотиды, нуклеиновые кислоты и ряд коферментов (НАД, НАДФ, ФАД, ФМН), ► эритрозо-4-фосфат → шикимовая кислота → лигнин, фенольные соединения, ряд ароматических кислот (например, триптофан – источник ауксина). источник воды. Основной субстрат – углеводы Дыхательный коэффициент – отношение СО2, выделившегося в процессе дыхания, к О2, поглощенному за этот период: ДК = 1 → субстрат – углеводы; ДК < 1 → субстрат – жиры (0,3- <0,7), белки (>0,7-0,9); ДК > 1 → субстрат – органические кислоты. Гликолитический путь окисления углеводов Сущность внутриклеточного дыхания: В цитоплазме (гиалоплазме) глюкоза расщепляется до пировиноградной кислоты (ПВК). Дальнейшее расщепление ПВК протекает в митохондриях (в матриксе). Здесь она ступенчато окисляется до углекислого газа и воды, причем одновременно потребляется кислород. Расщепляя и окисляя вещества, клетка производит много энергии (в форме АТФ), которая потом используется для самых разных нужд. АТФ образуется благодаря реакциям, протекающим на внутренних мембранах (кристах) митохондрий. Основной дыхательный субстрат – глюкоза Суммарное уравнение гликолиза: С6Н12О6 + 2 АДФ + 2 Фн + 2 НАД+ → 2 С3Н4О3 + 2 АТФ + 2 НАДН2 + 2Н2О 2ПВК + 502 + 6Н20 → 6С02 + 5Н20 Включает 3 стадии. Внутренняя мембрана содержит 75% белков (транспортные белкипереносчики, ферменты, компоненты дыхательной цепи, АТФ-синтетаза). В матриксе митохондрий: Суммарное уравнение ц.Кребса: ацетил-KoA + 3H20 + ЗНАД + ФАД + АДФ + Фн → 2С02 + KoA-SH+ ЗНАДН2 + ФАДН2 + АТФ Цикл Кребса – это центр, где сходятся все пути окисления ацетильных групп (в виде ацетил-КоА), в которые превращается в процессе диссимиляции большая часть органических молекул углеводов, аминокислот и жирных кислот. В ходе его реакций высвобождается основное количество энергии, содержащейся в окисляемом субстрате, причем большая часть этой энергии используется на заключительном этапе дыхательного процессе при образовании АТФ. Во внутренней мембране митохондрий: Восстановленные ферменты теряют расщепляется на электроны и протоны: Н → ē + Н+ водород, который Н+Н+ переходят из матрикса в межмембранное пространство, а ēē с помощью переносчиков переносятся на О2 воздуха, образуя Н2О: О2 + 4 Н+ + 4 ē → 2 Н2О, называемую метаболической. Цитохромный путь транспорта электронов: –0,32 В → повышение потенциала → +0,82 В Переносчики переносят как ē, так и Н+ (транспорт сопряженный), за исключением комплекса II, который переносит только ē. Во время транспорта одной пары ēē: от НАД к О2 переносится 3 пары Н+ (через комплексы I, III и IV), от ФАД к О2 переносится 2 пары Н+ ( через комплексы III и IV). _________________ на всех этапах перехода электронов с одного ферментного комплекса на другой окислительно-восстановительные процессы сопряжены с образованием молекул АТФ (см. ниже окислительное фосфорилирование); энергия, запасенная в НАД∙Н и ФАД∙Н, служит синтезу АТФ. А – межмебранное пространство, Б- матрикс: 1 – внутренняя мембрана митохондрий, 2 - НАД∙Н-дегидрогеназный комплекс, 3 – убихинон, 4 – комплекс b-с1, 5 – цитохром с, 6 – цитохромосксидазный комплекс, 7 – АТФ-синтаза. Красные стрелки – поток электронов, синие – поток протонов. Альтернативный путь транспорта электронов – ēē передаются от Q на 02 с помощью альтернативной цианидустойчивой оксидазы Активируется при высоком содержании в клетке АТФ и ингибировании работы основной ЭТЦ. Энергия в основном рассеивается в виде тепла. У большинства растений составляет 10-25%. Синтез АТФ Осуществляет фермент АТФ-синтетаза, встроенная во внутреннюю мембрану митохондрий. Структура АТФ-синтазного комплекса Полипептидный комплекс, встроенный во внутреннюю митохондриальную мембрану, обеспечивающий фосфорилирование АДФ Окислительное фосфорилирование – процесс фосфорилирования АДФ с образованием АТФ за счет энергии переноса ēē по ЭТЦ митохондрий. НАДН + Н+ + 3АДФ + 3Фн + О2 → НАД+ + 3АТФ + 4Н2О ФАДН2 + 2АДФ + 2Фн + О2 → ФАД+ + 2АТФ + 4Н2О гликолиз: 8 АТФ = 2 НАДН2 + 2 АТФ ↓ 6 АТФ окислительное декарбоксилирование: 6 АТФ = (НАДН2) • 2 м-лы ↓ 3 АТФ цикл Кребса: 24 АТФ = (3 НАДН2 + ФАДН2 + АТФ) • 2 м-лы ↓ ↓ 9 АТФ 2 АТФ Коэффициент фосфорилирования = Р/О, где Р – число молей неорганического фосфата, используемого для фосфорилирования АДФ, О – количество поглощенного кислорода. Нефосфорилирующее окисление – окисление дыхательных субстратов, не сопровождающееся синтезом АТФ. Рассчитать энергетический выход полного аэробного окисления: 1) 1 молекулы сахарозы, 2) 1 молекулы ПВК, 3) 1 молекулы фруктозы, 4) 1 молекулы ацетил-КоА. Протекает в цитоплазме, пропластидах, хлоропластах (без света). Фосфорилирование глюкозы: глюкоза + АТФ → глюкозо-6-фосфат + АДФ + Фн ↑ субстрат ПФП 1 этап – окисление глюкозы (глюкозо-6-фосфата): глюкозо-6-фосфат (С6) + 2НАДФ + H20 ↓ 6-фосфоглюконовая кислота + НАДФН ↓ рибулозо-5-фосфат (С5) + НАДФН + С02 2 этап – регенерация исходного субстрата: С5 – ксилулозо-5-ф. С5 – рибозо-5-ф. С7 – седогептулозо-7-ф. С3 – ФГА С6 – фруктозо-6-ф. С4 – эритрозо-4-ф. Энергетический выход ПФП – 37 АТФ: