Клітинне дихання і фотосинтез. Клітинне дихання аеробне

Фотосинтез і дихання – два процеси, що лежать в основі життя. Вони обидва відбуваються в клітині. Перший – в рослинних і деяких бактеріальних, другий – і у тварин, і рослинних, і грибних, і бактеріальних.

Можна сказати, що клітинне дихання і фотосинтез – процеси, протилежні один одному. Частково це правильно, так як при першому поглинається кисень та виділяється вуглекислий газ, а при другому – навпаки. Однак ці два процеси некоректно навіть порівнювати, оскільки вони відбуваються в різних органоидах 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 наявність сонячного світла, так як його енергія виступає в ролі каталізатора.

Фотосинтез, характерний для рослин, можна виразити таким рівнянням:

• 6СО₂ + 6Н₂О = С₆Н₁₂О₆ + 6О₂.

Тобто з шести молекул діоксиду карбону і стільки ж 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 і інші, більш складні вуглеводи, а також органічні речовини з інших класів.

Ось приклад вироблення амінокислоти з неорганічних сполук:

• 6СО₂ + 4Н₂О + 2 SO₄^2- + 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 органоидах – хлоропластах. В них міститься пігмент хлорофіл, який виступає в ролі каталізатора для хімічних реакцій. Такі всіх органел є тільки в рослинних клітинах.

Будова хлоропласта

Це органоид, який має форму витягнутого кулі. Розмір хлоропласта зазвичай становить 4-6 мкм, однак у деяких клітинах водоростей можна виявити гігантські пластиды – хроматофоры, розмір яких досягає 50 мкм.

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

Внутрішнє середовище хлоропласта називається “строма”. В ній знаходяться тилакоиды і ламеллы.

Тилакоиды – це плоскі дископодібні мішечки з мембран, у яких міститься хлорофіл. Саме тут і відбувається фотосинтез. Збираючись в стопки, тилакоиды утворюють грани. Кількість тилакоидов в межі може варіюватися від 3 до 50.

Ламеллы – це структури, утворені мембранами. Вони являють собою мережу розгалужених каналів, основна функція яких – забезпечити зв’язок між гранами.

У хлоропластах також свої містяться рибосоми, необхідні для синтезу білків, і власні ДНК і РНК. Крім того, тут можуть перебувати включення, що складаються з 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, сульфатное, сірчане, залізне, карбонатное, фумаратное. Такі процеси дозволяють бактеріям отримати енергію без використання кисню.

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

У представників фауни клітинне дихання відбувається в спеціальних органоидах. 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 утворюються амінокислоти, ліпідів – жирні кислоти і гліцерин, з 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:

• З₆Н₁₂О₆ = 2С₃Н₃О₃ + 4Н + 2АТФ.

Таким чином, у 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, у результаті чого утворюється вуглекислий газ і атоми водню. Ці атоми потім транспортуються на крісти, де окислюється, утворюючи воду і 36 молекул АТФ.

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

Структура мітохондрій

Всіх органел, в яких відбувається дихання, є й у тварин, і рослинних, і грибних клітинах. Вони мають кулястої формою і розміром близько 1 мікрона.

Мітохондрії, як і хлоропласти, мають дві мембрани, розділені межмембранным простором. Те, що знаходиться всередині оболонок цього органоида, називається матриксом. У ньому знаходяться рибосоми, мітохондріальна ДНК (мтДНК) і мтРНК. У матриксі проходить гліколіз та 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 більше всього молекул АТФ.

Походження двухмембранных органоїдів

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