Клітинне дихання і фотосинтез. Аеробне клітинне дихання

Фотосинтез і дихання - два процеси, що лежать в основі життя. Вони обидва походять в клітці. Перший - в рослинних і деяких бактеріальних, другий - і в тварин, і в рослинних, і в грибних, і в бактеріальних.

Можна сказати, що клітинне дихання і фотосинтез - процеси, протилежні один одному. Частково це правильно, так як при першому поглинається кисень і виділяється вуглекислий газ, а при другому - навпаки. Однак ці два процеси некоректно навіть порівнювати, оскільки вони відбуваються в різних органелах з використанням різних речовин. Цілі, для яких вони потрібні, теж різні: фотосинтез необхідний для отримання поживних речовин, а клітинне дихання - для вироблення енергії.

Фотосинтез: де і як це відбувається?

Це хімічна реакція, спрямована на отримання органічних речовин з неорганічних. Обов'язковою умовою протікання фотосинтезу є присутність сонячного світла, так як його енергія виступає в ролі каталізатора.

Фотосинтез, характерний для рослин, можна виразити таким рівнянням:

• 6СО₂ + 6Н₂О = С₆Н₁₂Про₆ + 6О₂.

Тобто з шести молекул діоксиду карбону і стількох же молекул води в присутності сонячного світла рослина може отримати одну молекулу глюкози і шість кисню.

Це найпростіший приклад фотосинтезу. Крім глюкози в рослинах можуть синтезуватися й інші, більш складні вуглеводи, а також органічні речовини з інших класів.

Ось приклад вироблення амінокислоти з неорганічних сполук:

• 6СО₂ + 4Н₂О + 2SO₄^2- + 2NO₃^- + 6Н⁺ = 2C₃H₇O₂NS + 13О₂.

Як бачимо, з шести молекул діоксиду вуглецю, чотирьох молекул води, двох сульфат-іонів, двох нітрат-іонів і шести іонів водню з використанням сонячної енергії можна отримати дві молекули цистеїну і тринадцять - кисню.

Процес фотосинтезу відбувається в спеціальних органелах - хлоропластах. У них міститься пігмент хлорофіл, який виступає в ролі каталізатора для хімічних реакцій. Такі органели є тільки в рослинних клітинах.

Будова хлоропласта

Це органоид, який володіє формою витягнутої кулі. Розмір хлоропласта зазвичай складає 4-6 мкм, проте в клітинах деяких водоростей можна виявити гігантські пластиди - хроматофори, розмір яких досягає 50 мкм.

Цей органоид відноситься до двухмембранной. Він оточений зовнішньої і внутрішньої оболонками. Вони відокремлені один від одного межмембранное простором.

Внутрішня середа хлоропласта називається "строма". У ній знаходяться тилакоїди і ламелли.

Тилакоїди - це плоскі дископодібні мішечки з мембран, в яких знаходиться хлорофіл. Саме тут і відбувається фотосинтез. Збираючись у стопки, тилакоїди утворюють грани. Кількість тилакоїдів в грані може варіюватися від 3 до 50.

Ламелли - це структури, утворені мембранами. Вони являють собою мережу розгалужених каналів, основна функція яких - забезпечити зв'язок між гранами.

У хлоропластах також містяться свої рибосоми, необхідні для синтезу білків, і власні ДНК і РНК. Крім того, тут можуть перебувати включення, що складаються із запасних поживних речовин, в основному крохмалю.

Клітинне дихання

Існує кілька видів даного процесу. Буває анаеробне і аеробне клітинне дихання. Перше характерно для бактерій. Анаеробне дихання буває декількох типів: нітратне, сульфатне, сірчане, залізне, карбонатное, фумаратное. Такі процеси дозволяють бактеріям отримати енергію без використання кисню.

Аеробне клітинне дихання характерно для всіх інших організмів, у тому числі тварин і рослин. Воно відбувається за участю кисню.

У представників фауни клітинне дихання відбувається в спеціальних органелах. Вони називаються мітохондріями. У рослин також клітинне дихання відбувається в мітохондріях.

Етапи

Клітинне дихання проходить в три стадії:

1. Підготовчий етап.
2. Гліколіз (анаеробний процес, не вимагає кисню).
3. Окислення (аеробний етап).

Підготовчий етап

Перший етап полягає в тому, що складні речовини в травній системі розщеплюються на більш прості. Таким чином, з білків виходять амінокислоти, з ліпідів - жирні кислоти і гліцерин, зі складних вуглеводів - глюкоза. Ці сполуки транспортуються в клітку, а потім - безпосередньо в мітохондрії.

Гліколіз

Він полягає в тому, що під дією ферментів глюкоза розщеплюється до піровиноградної кислоти і атомів водню. При цьому утворюється АТФ (аденозинтрифосфорная кислота). Цей процес можна виразити таким рівнянням:

• З₆Н₁₂Про₆ = 2С₃Н₃Про₃ + 4Н + 2АТФ.

Таким чином, в процесі гліколізу з однієї молекули глюкози організм може отримати дві молекули АТФ.

Окислення

На даному етапі утворилася під час гліколізу піровиноградна кислота під дією ферментів реагує з киснем, в результаті чого утворюється вуглекислий газ і атоми водню. Ці атоми потім транспортуються на крісти, де окислюються, утворюючи воду і 36 молекул АТФ.

Отже, в процесі клітинного дихання в цілому утворюється 38 молекул АТФ: 2 на другому етапі і 36 - на третьому. Аденозинтрифосфорная кислота і є основне джерело енергії, яким мітохондрії постачають клітку.

Структура мітохондрій

Органела, в яких відбувається дихання, є і в тварин, і в рослинних, і в грибних клітинах. Вони володіють кулястою формою і розміром близько 1 мікрона.

Мітохондрії, як і хлоропласти, мають дві мембрани, розділені межмембранное простором. Те, що знаходиться всередині оболонок цього органоида, називається матриксом. У ньому знаходяться рибосоми, мітохондріальна ДНК (мтДНК) і мтРНК. У матриксі проходить гліколіз і перша стадія окислення.

З внутрішньої мембрани формуються складки, схожі на гребені. Вони називаються кристами. Тут проходить друга стадія третього етапу клітинного дихання. Під час неї утворюється найбільше молекул АТФ.

Походження двухмембранной органоїдів

Вченими доведено, що структури, які забезпечують фотосинтез і дихання, з'явилися в клітці шляхом симбиогенеза. Тобто колись це були окремі організми. Цим пояснюється те, що і в мітохондріях, і в хлоропластах є свої рибосоми, ДНК і РНК.