Клетъчно дишане
🔄 През юни 1937 г. младият биохимик Ханс Кребс, избягал от нацистка Германия в Англия, изпраща в списание „Nature“ кратка статия. В нея описва кръг от реакции, в който мускулната на гълъб окислява останките от храната до въглероден диоксид – и накрая възстановява веществото, от което е тръгнала. Редакцията връща статията: нямали място за нея в близките седмици. Кребс я публикува в малко известно холандско списание. Шестнайсет години по-късно получава за този кръг Нобелова награда, а „цикълът на Кребс“ днес е в учебниците по целия свят. Да видим какво се върти в него.
1. Енергията от храната
Всяка клетка има нужда от постоянен приток на енергия – за движение, за транспорт през мембраната, за синтез на нови молекули. Тя я получава като разгражда органични вещества, най-често глюкоза. Енергията не се използва направо, а се запасява в молекули – универсалната „енергийна валута“ на клетката (виж урока Ензими).
Клетъчно дишане
Сумарното уравнение е същото като при горенето на захар. Но ако клетката „изгори“ глюкозата наведнъж, почти цялата енергия ще стане топлина. Вместо това тя я окислява на много малки стъпки, всяка катализирана от свой . Дишането е (виж Окисление-редукция): глюкозата губи водородни атоми (електрони), а кислородът накрая ги приема и става вода.
Преносители на водород: НАД⁺ и ФАД
Повечето етапи на дишането стават в (виж Строеж на клетката). Те имат гладка външна мембрана и нагъната вътрешна – гънките се наричат кристи и увеличават площта ѝ. Пространството вътре е матриксът, а между двете мембрани е междумембранното пространство.
2. Гликолиза
Гликолиза
Гликолизата протича в почти всички живи организми – от до човека. Затова учените смятат, че е много древна и се е появила още преди в атмосферата да има кислород. Мини през всички етапи в лабораторията – с кислород и без кислород.
Стъпка 0 от 4: Глюкоза
Една молекула глюкоза () – 6 въглеродни атома. Натисни „Напред“ и следи къде отиват.
💡 Числата са за една молекула глюкоза. Добивът от дихателната верига е приблизителен: в съвременния модел НАДН дава около 2,5 АТФ, ФАДН₂ – около 1,5, и общо се получават около 30–32 АТФ (по-старите учебници пишат 36–38).
АТФ в гликолизата се получава чрез субстратно фосфорилиране: ензим пренася фосфатна група директно от богата на енергия молекула върху АДФ. Така се получава АТФ и в цикъла на Кребс. Повечето АТФ обаче идват по друг начин – чрез окислително фосфорилиране в дихателната верига.
3. Окисление на пирувата и цикъл на Кребс
Ако има кислород, пируватът влиза в матрикса на митохондрията. Там губи един въглероден атом като CO₂, окислява се (още едно НАДН) и се свързва с А – получава се ацетил-КоА (2 C).
Цикъл на Кребс (цикъл на лимонената киселина)
Пример
Проследете въглеродните атоми на една глюкоза. Колко CO₂ се отделят и на кой етап?
- Гликолиза: 6 C → 2 пирувата по 3 C. Не се отделя CO₂.
- Окисление на пирувата: всеки губи по 1 C – 2 CO₂. Остават 2 ацетила по 2 C.
- Цикъл на Кребс: по 2 CO₂ на оборот, два оборота – 4 CO₂.
- Общо CO₂ – колкото са въглеродните атоми в глюкозата. Кислородът, който дишаме, не отива в CO₂, а във водата.
Цикълът на Кребс почти не дава АТФ директно. Неговата истинска печалба са НАДН и ФАДН₂ – те носят енергията на към следващия етап.
4. Дихателна верига и хемиосмоза
Във вътрешната мембрана на митохондрията има поредица белтъчни комплекси – дихателната (електрон-транспортна) верига. НАДН и ФАДН₂ предават електроните си на първите комплекси, а оттам те „слизат“ по веригата към все по-силни . Последният комплекс ги дава на кислорода: .
Хемиосмоза (Питър Мичъл, 1961)
Идеята на Мичъл изглеждала странна на повечето биохимици – те търсели „високоенергийно“ междинно вещество, което така и не намерили. Опитите постепенно потвърдили хемиосмозата и през 1978 г. Мичъл получава Нобелова награда за химия. АТФ синтазата всъщност е миниатюрен мотор: потокът на H⁺ върти част от нея и всеки оборот прави 3 АТФ. Пробвай какво правят отровите и лекарствата, които пречат на веригата.
Нормално: комплексите I, III и IV изпомпват H⁺ навън с енергията на електроните, а H⁺ се връщат през АТФ синтазата и тя прави АТФ.
💡 Моделът е опростен и в условни единици: веригата изпомпва H⁺ толкова по-бавно, колкото по-голям е градиентът, а H⁺ се връщат през синтазата (→ АТФ) и през мембраната (→ топлина). Стрелките показват потока на H⁺; топлината е от изтичането на H⁺, в % от нормалната консумация на O₂. Опитай олигомицин и след това DNP – това е класически опит с изолирани митохондрии, в който консумацията на кислород се мери с кислороден електрод.
Разпрягащите вещества (като DNP) пускат H⁺ обратно през мембраната покрай синтазата. През 30-те години на XX век DNP се продава в САЩ като хапче за отслабване – тялото гори повече мазнини, за да покрие загубената енергия. Но разликата между „полезна“ и смъртоносна доза е малка: има случаи на прегряване и смърт, и през 1938 г. продажбата му е забранена.
5. Колко АТФ дава една глюкоза?
| етап | къде | АТФ | НАДН | ФАДН₂ | CO₂ |
|---|---|---|---|---|---|
| гликолиза | цитоплазма | 2 | 2 | – | – |
| окисление на пирувата | матрикс | – | 2 | – | 2 |
| цикъл на Кребс (×2) | матрикс | 2 | 6 | 2 | 4 |
| дихателна верига | вътрешна мембрана | ≈ 28 | −10 | −2 | – |
| общо | ≈ 32 | 0 | 0 | 6 |
Добив на АТФ
В по-старите учебници ще срещнеш 36 или 38 АТФ – там се приема, че НАДН дава 3, а ФАДН₂ – 2 АТФ. По-новите измервания показват, че за един АТФ през мембраната трябва да минат около 4 H⁺, и дават по-малки числа. Точният добив не е постоянен – зависи от вида на клетката и от това колко H⁺ „изтичат“ през мембраната. Сравни: ферментацията дава само 2 АТФ.
6. Без кислород: ферментация
Без кислород дихателната верига спира, НАДН не може да се окисли и НАД⁺ свършва – а без НАД⁺ спира и гликолизата. Клетката намира изход: пируватът сам приема водорода от НАДН. Така НАД⁺ се връща и гликолизата продължава, макар и само с 2 АТФ на глюкоза.
Ферментация
При усилено натоварване мускулите правят лактат. След това дишаме учестено още известно време – тялото доплаща „кислородния дълг“: превръща голяма част от лактата обратно в глюкоза, а мускулите възстановяват запасите си. На ферментацията дължим хляба, киселото мляко, виното и бирата. Някои бактерии пък дишат анаеробно – с дихателна верига, но с друг краен приемник на електроните вместо кислород (нитрат, сулфат).
7. Други горива и дихателен коефициент
Клетката гори не само глюкоза. Мазнините се разграждат до глицерол и мастни ; мастните киселини се нарязват на парчета по 2 C (ацетил-КоА) и влизат в цикъла на Кребс. от губят азота си (той се изхвърля като ), а въглеродната им част също влиза в цикъла. Цикълът на Кребс е „кръстопът“ на обмяната.
Дихателен коефициент
Пример
Пресметнете дихателния коефициент при окисление на трипалмитин: .
- Обемите на газовете са пропорционални на броя молове.
- Мазнините имат малко кислород в молекулата си, затова за окисляването им трябва повече O₂ и RQ е под 1.
Как се мери RQ? С респирометър: или малки животни в затворена епруветка, свързана с капиляр с оцветена капка. Когато газът в епруветката намалява, капката се придвижва към нея.
Семената на граха са богати на нишесте – дишат въглехидрати, RQ ≈ 1.
💡 Радиусът на капиляра е 0,5 mm. Положително x – капката се е придвижила към епруветката (газът в нея е намалял). KOH поглъща отделения CO₂, затова в А намалява само кислородът. Скоростта на дишането се удвоява при +10 °C (Q₁₀ ≈ 2) – колкото и при много ензимни реакции. Числата са от модел, не от истински опит.
8. Тренажор
АТФ при дишане и ферментация, дихателен коефициент, респирометър и маси на веществата.
Колко молекули глюкоза трябва да ферментира мускулът, за да получи толкова АТФ, колкото дават 10 при аеробно дишане (32 АТФ)?
9. Дишането в числа
🫁 Кислородът за едно денонощие
Човек в покой поема около 250 mL кислород в минута. Колко литра O₂ поема за денонощие? Колко грама глюкоза би окислил с него, ако гори само глюкоза (1 mol газ ≈ 24 L)?
🍞 Защо тестото втасва
В тестото дрождите ферментират 9 g глюкоза. Колко литра CO₂ се отделят (1 mol газ ≈ 24 L)?
🏃 Спринт без кислород
При спринт мускулите получават АТФ главно от гликолизата и ферментацията. Колко пъти повече глюкоза изразходват за същото количество АТФ, отколкото при аеробно дишане (32 АТФ на глюкоза)?
🌻 Какво гори кълнът
В респирометър прорастващи семена поемат 12 mL O₂ и отделят 8,4 mL CO₂ за 2 часа. Колко е дихателният коефициент и какво дишат семената?
🔥 Колко е ефективно дишането
Пълното окисление на 1 mol глюкоза освобождава около 2870 kJ. Хидролизата на 1 mol АТФ при стандартни условия дава около 30,5 kJ. Каква част от енергията (в %) се запасява в АТФ, ако се получават 32 АТФ?
Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.
10. ⚠️ Чести грешки
Дишане = вдишване
✗ Клетъчното дишане е вдишването и издишването.
✓ Белите дробове само доставят O₂ и изнасят CO₂. Клетъчното дишане е химичен процес във всяка клетка.
Растенията
✗ Растенията само фотосинтезират, а не дишат.
✓ Растенията дишат денем и нощем, както животните. Денем фотосинтезата е по-силна и затова отделят повече O₂, отколкото поемат.
Откъде е CO₂
✗ Кислородът, който вдишваме, излиза като CO₂.
✓ CO₂ се отделя в цикъла на Кребс и при окислението на пирувата от въглерода на храната. Кислородът става вода.
Цикълът на Кребс
✗ Цикълът на Кребс дава повечето АТФ.
✓ Директно дава само 2 АТФ на глюкоза. Повечето АТФ се правят от АТФ синтазата.
Мускулната треска
✗ Мускулите болят на следващия ден заради млечната киселина.
✓ Лактатът се изчиства от мускулите за час-два след усилието. Болката след ден-два идва от микроскопични увреждания на мускулните влакна.
Ферментацията
✗ При ферментацията се получава АТФ от превръщането на пирувата в лактат.
✓ Тази реакция не дава АТФ. Тя само връща НАД⁺, за да продължи гликолизата – АТФ идват оттам.
11. 🎯 Бърз тест
Къде протича гликолизата?
12. 📝 Задачи за упражнение
Ниво А· Областен кръг
Ниво В· Национален кръг
Ниво С· Международна олимпиада
13. Обобщение
- ✓ Аеробно дишане: – окисление на стъпки, енергията отива в АТФ
- ✓ НАД⁺ и ФАД пренасят водород (електрони) до дихателната верига
- ✓ Гликолиза (): глюкоза → 2 пируват, 2 АТФ, 2 НАДН, без кислород
- ✓ Окисление на пирувата и цикъл на Кребс (матрикс): отделя се целият CO₂, получават се НАДН и ФАДН₂
- ✓ Дихателна верига и хемиосмоза (вътрешна мембрана): градиент на H⁺ → АТФ синтаза → около 28 АТФ; O₂ е краен приемник
- ✓ Общо около 30–32 АТФ на глюкоза; ферментацията дава само 2 АТФ и връща НАД⁺
- ✓ Дихателен коефициент: 1,0, белтъци ≈ 0,8–0,9, мазнини ≈ 0,7; мери се с респирометър
💡 Интересен факт
Новородените бебета и много гризачи, които спят зимен сън, имат „естествен DNP“. В митохондриите на има белтък термогенин, който пуска H⁺ обратно през мембраната покрай АТФ синтазата. Дихателната верига работи с пълна сила, но вместо АТФ произвежда топлина. Така бебето се стопля, без да трепери, а лалугерът се затопля за няколко часа, когато се събужда от зимния сън.