§ 21. Клеточное дыхание. Брожение

1. Клеточное дыхание и брожение относятся к процессам катаболизма или анаболизма? Почему?

Клеточное дыхание и брожение относятся к процессам катаболизма. Катаболизм – процесс расщепления сложных органических соединений до более простых веществ, который сопровождается выделением (высвобождением) энергии химических связей расщепляемых соединений.

2. Что представляет собой процесс клеточного дыхания? Охарактеризуйте этапы клеточного дыхания по плану: 1) название этапа; 2) место протекания; 3) исходные вещества; 4) конечные продукты; 5) энергетический выход (количество молекул АТФ, которые синтезируются в ходе этапа).

Клеточное дыхание – сложный многостадийный процесс, в ходе которого происходит расщепление органических веществ (в конечном итоге – до простейших неорганических соединений), а высвобождающаяся энергия их химических связей запасается и затем используется клеткой.

1) подготовительный
2) пищеварительный тракт (у животных), вторичные лизосомы и гиалоплазма клеток
3) полисахариды, жиры, белки, нуклеиновые кислоты
4) моносахариды, глицерин, жирные кислоты, аминокислоты, нуклеотиды
5) АТФ не синтезируется

1) бескислородный (гликолиз, если расщепляется глюкоза)
2) гиалоплазма клеток
3) одна молекула глюкозы
4) 2 молекулы пировиноградной кислоты и 4 атома водорода (присоединенные к переносчику)
5) 2 молекулы АТФ

1) кислородный (аэробный)
2) митохондрии
3) пировиноградная кислота, атомы водорода, молекулярный кислород
4) СО₂ и Н₂О
5) 36 молекул АТФ

3. Как протекает процесс молочнокислого брожения? Спиртового? Назовите конечные продукты этих видов брожения. Сколько молекул АТФ синтезируется в ходе брожения при расщеплении одной молекулы глюкозы?

Первый этап молочнокислого брожения фактически представляет собой гликолиз. Молекула глюкозы расщепляется и окисляется с образованием 2 молекул ПВК и 4 атомов водорода. Энергетический выход этого процесса составляет 2 молекулы АТФ. На втором этапе за счет атомов водорода ПВК восстанавливается до молочной кислоты (С₃Н₆О₃), АТФ при этом не синтезируется.

Спиртовое брожение на первом этапе протекает аналогично молочнокислому. Глюкоза расщепляется и окисляется до ПВК и атомов водорода, что сопровождается синтезом 2 молекул АТФ. На втором этапе ПВК расщепляется и восстанавливается атомами водорода. При этом образуются конечные продукты — этиловый спирт (С2Н5ОН) и углекислый газ.

В ходе брожения при расщеплении одной молекулы глюкозы синтезируются 2 молекулы АТФ.

4. Охарактеризуйте практическое значение различных видов брожения.

Молочнокислое брожение используется для получения различных кисломолочных продуктов, при солении и квашении овощей, силосовании кормов и т. д.

Спиртовое брожение лежит в основе промышленного получения спиртов (прежде всего – этилового), а также вина и пива. Этот тип брожения вызывают дрожжи (поэтому их используют для изготовления вина и пива), а также некоторые анаэробные бактерии. Использование дрожжей в хлебопечении связано с тем, что пузырьки углекислого газа, образующегося в процессе спиртового брожения, разрыхляют тесто, делая его пышным.

Продуктом совместной деятельности молочнокислых бактерий и дрожжей является кефир. Известно множество национальных кисломолочных продуктов (кумыс, айран, йогурт и др.), для изготовления которых используют коровье, кобылье, верблюжье, овечье, козье молоко, а в качестве заквасок – естественно возникшие и сохраняемые комплексы молочнокислых бактерий и дрожжей.

Уксуснокислое брожение лежит в основе получения пищевого уксуса.

5. Почему при брожении высвобождается меньше энергии, чем при клеточном дыхании?

Потому что при клеточном дыхании (аэробном) происходит полное окисление питательных веществ и их расщепление до углекислого газа и воды. Брожение не сопровождается полным окислением глюкозы и её расщеплением до неорганических веществ, поэтому значительная часть энергии остаётся заключённой в химических связях конечных продуктов брожения (молочной кислоты, этилового спирта и др.)

6. В чем заключается сходство брожения и клеточного дыхания? Чем брожение отличается от клеточного дыхания?

Сходство:
1. Относятся к процессам энергетического обмена: расщепляются сложные органические вещества, высвобождается заключённая в них энергия и происходит синтез АТФ.
2. Представляют собой многостадийные ферментативные процессы.
3. Это окислительно-восстановительные процессы (сопровождаются окислением ПВК, восстановлением и окислением НАД и т.д.)
4. До момента образования ПВК процессы брожения и клеточного дыхания протекают одинаково.

Отличия:
1. Разный энергетический выход. Из расчёта на 1 моль глюкозы: 2 моль АТФ в результате брожения и 38 моль АТФ в результате полного расщепления глюкозы при клеточном дыхании.
2. Конечные продукты брожения – различные органические вещества (за исключением СО₂), в которых заключён значительный запас энергии. Продукты аэробного расщепления глюкозы – Н₂О и СО₂.
3. Для клеточного дыхания (аэробного) необходим О₂, а для брожения – нет.
4. У эукариот заключительный (кислородный) этап клеточного дыхания протекает в митохондриях. Брожение осуществляется в цитоплазме клеток.

7. В подготовительный этап клеточного дыхания вступает 81 г гликогена. Какое максимальное количество АТФ (моль) может синтезироваться в результате последующего гликолиза? В ходе кислородного этапа дыхания?

В ходе подготовительного этапа происходит гидролиз гликогена с образованием глюкозы:
(С₆Н₁₀О₅)_n + nH₂O → nC₆H₁₂O₆

Найдём молярную массу остатка глюкозы в составе гликогена:
М(С₆Н₁₀О₅) = 12 × 6 + 1 × 10 + 16 × 5 = 162 г/моль.

Найдём химическое количество остатков глюкозы в составе гликогена массой 81 г:
n(С₆Н₁₀О₅) = m : М = 81 г : 162 г/моль = 0,5 моль.
Следовательно, в результате подготовительного этапа образовалось 0,5 моль глюкозы.

Суммарное уравнение гликолиза:
C₆H₁₂O₆ + 2НАД⁺ + 2АДФ + 2H₃PO₄ → 2C₃H₄O₃ + 2НАД•Н+Н⁺ + 2АТФ

При гликолизе расщепление 1 моль глюкозы сопровождается образованием 2 моль ПВК и синтезом 2 моль АТФ. Значит, при расщеплении 0,5 моль глюкозы образуется 1 моль ПВК и может синтезироваться 1 моль АТФ.

Суммарное уравнение кислородного этапа дыхания:
2С₃Н₄О₃ + 6О₂ + 2НАД•Н+Н⁺ + 36АДФ + 36Н₃РО₄ → 6СО₂ + 6Н₂О + 2НАД⁺ + 36АТФ

Аэробное расщепление 2 моль ПВК приводит к синтезу 36 моль АТФ. Поэтому при расщеплении 1 моль ПВК может синтезироваться 18 моль АТФ.

Ответ: в результате гликолиза может синтезироваться 1 моль АТФ, а в результате последующего аэробного этапа дыхания – ещё 18 моль АТФ.