Курсовая теория на тему Дыхание. Типы жизни, основанные на окислительном фосфорилировании

Содержание:

Введение 3
1. Аэробное и анаэробное дыхание 5
1.1. Участие кислорода в метаболизме прокариот 13
1.2. Защитные механизмы клетки 19
2. Окислительное фосфорилирование. Типы жизни, основанные на нём 22
2.1. Некоторые особенности окислительного фосфорилирования у хемолитотрофов и хемоорганотрофов 26
2.2. Нитрифицирующие и метанобразующие бактерии 29
Заключение 31
Список литературы 33
Приложение 35

Введение:

Живой организм — это открытая система, в которую постоянно поступают вещества и энергия и из которой выделяются продукты обмена. В то же время в клетках происходят сотни реакций, образующих метаболические пути (последовательное превращение одного вещества в другое), совокупность которых называется метаболизмом.
Все метаболические пути могут быть объединены в две взаимосвязанные системы, а именно:
1. Катаболизм, то есть энергетический обмен или диссимиляция, суть которого состоит в разложении питательных веществ на более простые в окислении различные вещества, сопровождающиеся выделением энергии. Конечными продуктами катаболизма у животных и человека являются вода, углекислый газ и мочевина.
2. Анаболизм, то есть пластический обмен или ассимиляция, который представляет собой комбинацию биосинтетических процессов, происходящих с расходом энергии.
При катаболизме происходит разложение полимерных органических веществ (белков, жиров, сложных углеводов) на мономеры и их последующее окисление с выделением энергии, которая накапливается в молекулах АТФ. Один из вариантов образования молекул АТФ, который осуществляется путем переноса протонов и электронов с помощью окислительно-восстановительных ферментов, называется окислительным фосфорилированием.
Окислительное фосфорилирование — это метаболический путь, по которому энергия, вырабатываемая при окислении питательных веществ, накапливается в митохондриях клеток в форме АТФ. Хотя различные формы жизни на Земле используют разные питательные вещества, АТФ является универсальным соединением, которое накапливает энергию, необходимую для других метаболических процессов. Почти все аэробные организмы осуществляют окислительное фосфорилирование. Вероятно, широкому распространению этого метаболического пути способствовала его высокая энергетическая эффективность по сравнению с анаэробной ферментацией.
Актуальность заключается в том, что хотя окислительное фосфорилирование является жизненно важной реакцией фосфорилирования, во время этого процесса также образуются формы активного кислорода, в частности супероксид и пероксид водорода. Они вызывают образование свободных радикалов в клетках, которые вызывают повреждение клеток, что приводит к болезням и старению. Ферменты окислительного фосфорилирования являются мишенями для многих биологически активных веществ и ядов, которые ингибируют их активность.
Целью данной работы является систематизация знаний об окислительном фосфорилировании.
Для достижения этой цели необходимо решить ряд задач, а именно:
1. Рассмотреть аэробное и анаэробное дыхание;
2. Выявить участие кислорода в метаболизме прокариот;
3. Изучить защитные механизмы клетки;
4. Изучить стадии окислительного фосфорилирования;
5. Определить роль и место окислительного фосфорилирования в метаболическом процессе.
Окислительное фосфорилирование следует отличать от фосфорилирования субстрата, при котором АТФ синтезируется не за счет энергии переноса электронов и протонов вдоль цепи-носителя, а когда АДФ фосфорилируется до АТФ, когда фосфат отделяется от соединений с высоким потенциалом переноса фосфата.
Курсовая работа состоит из введения, двух глав, заключения и списка литературы.

Заключение:

Таким образом, окислительное фосфорилирование является катаболическим процессом синтеза АТФ, который является конечной стадией дыхания. В этом случае НАДН и ФАДН2 окисляются молекулярным кислородом с постепенным переносом электронов, который состоит из четырех стадий. Весь процесс в совокупности называется дыхательной цепью переноса электрона.
Процесс окисления связан с процессом фосфорилирования, вероятно, из-за протонного потенциала, возникающего на внутренней мембране митохондрий во время транспорта электронов.
Процесс дыхания в аэробах протекает в соответствии с типом окислительной реакции, отщепляя водород (или электроны) от субстратов. Чаще наблюдается гликолиз — процесс ферментативного расщепления углеводов. Пировиноградная кислота, образующаяся в результате гликолиза, окисляется в цикле трикарбоновых кислот, что обеспечивает аэробам предшественники для реакций биосинтеза.
Атомы водорода передаются по цепочке молекул-носителей, которые образуют цепь переноса электронов или «дыхательную» цепочку. Водород и электроны отщепляются от субстратов с помощью пиридин-дегидрогеназ, связанных с мембранами. Затем поток электронов направляется из системы с более низким (более отрицательным) потенциалом в систему с более высоким (более положительным) потенциалом: ферменты флавопротеина — ферменты цитохрома — цитохромоксидаза.
На последней стадии этой реакции, катализируемой цитохромоксидазой, ионы водорода связываются с молекулярным кислородом, конечным акцептором электронов. Это образует пероксидный радикал — очень сильный окислитель. Фермент супероксиддисмутаза превращает пероксидный радикал в пероксид водорода, который превращается ферментами каталазы или пероксидазы в твердые продукты — воду и кислород. Таким образом, специфические ферменты защищают микробную клетку от токсичных продуктов окисления.
Аэробное дыхание более энергоэффективно. Перенос электрона по дыхательной цепи связан с образованием богатых энергией фосфатных связей в молекулах АТФ. Также образуются многие промежуточные и конечные продукты обмена веществ, которые используются для синтеза белков, углеводов, витаминов. Филогенетическое аэробное дыхание возникло позже.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что окислительное фосфорилирование представляет собой сложный процесс, который включает в себя десятки реакций и включает в себя сотни органических и неорганических веществ.

Фрагмент текста работы:

1. Аэробное и анаэробное дыхание

Дыхание — это окислительно-восстановительный процесс с образованием АТФ: роль доноров водорода (электронов) в нем играют органические или неорганические соединения, в большинстве случаев неорганические соединения служат акцепторами водорода (электронов). Если конечным акцептором электронов является молекулярный кислород, дыхательный процесс называется аэробным дыханием. У некоторых микроорганизмов конечным акцептором электронов является молекулярный кислород и другие соединения, такие как нитраты, сульфаты и карбонаты. В этом случае говорят об анаэробном дыхании.
Аэробное дыхание присуще многим микроорганизмам. Однако существуют как строгие аэробы, так и факультативные анаэробы, способные расти в присутствии и отсутствии кислорода. В факультативных анаэробах синтез АТФ возможен во время ферментации, а в присутствии молекулярного кислорода способ получения в них АТФ меняется — начинается дыхание. Необязательные анаэробы также включают микроорганизмы, у которых происходит анаэробное дыхание, когда нитраты используются в качестве акцепторов электронов [14].
Микроорганизмы, осуществляющие анаэробное дыхание, в которых акцепторами электронов являются сульфаты и карбонаты, являются строгими анаэробами. Считается, что микроорганизмы могут использовать любые природные органические соединения в дыхательном процессе, однако степень окисления этих веществ должна быть меньше степени окисления углекислого газа.
В процессе аэробного дыхания существуют две фазы. Первая включает в себя ряд реакций, в результате которых органический субстрат окисляется до углекислого газа, а высвобожденные атомы водорода смешиваются с акцепторами. Эта фаза состоит из цикла реакций гликолиза, приводящих к образованию пирувата, и цикла реакций, известных как цикл Кребса или цикл трикарбоновых кислот (ЦТК). Вторая фаза — это окисление высвобожденных атомов водорода кислородом с образованием АТФ. Обе фазы вместе приводят к окислению субстрата до углекислого газа и воды и образованию биологически полезной энергии в виде АТФ и других.
В цепочке реакций, включенных в цикл Кребса (приложение 1), первичное расщепление углеводов (гликолиз) происходит так же, как и во время ферментации, но полученный пируват претерпевает другие превращения.
Ацетат сочетается с коферментом одного из окислительных ферментов — коэнзима А (KoA-SH), образуя ацетил-КоА. Под действием фермента цитратсинтазы двухуглеродный ацетил-КоА (СН3-СО-КоА) реагирует с молекулой оксалоацетата, содержащего четыре атома углерода, в результате чего образуется соединение с шестью атомами углерода – цитрат.
Цитрат под действием фермента аконитатгидратазы теряет молекулу воды и превращается в изоцитрат.
При воздействии изоцитратдегидрогеназы, активной группой которой является НАДО, два атома водорода отщепляются от изоцитрата. в результате он превращается в оксалосукцинат [7]. От последнего, в свою очередь, молекула углекислого газа отщепляется под действием фермента декарбоксилазы. В полученном 2-оксоглутарате число атомов углерода равно пяти.
Под влиянием ферментного комплекса а-кетоглутаратдегидрогеназы с активной группой НАД2 оксоглутарат превращается в сукцинат, теряя углекислый газ и два атома водорода. Затем следует окисление сукцината до фумарата с участием фермента сукцинатдегидрогеназы с активной группой ФАД, превращение фумарата в L-малат с участием фумаратгидратазы (фумаразы), окисление L-малата до оксалоацетата катализируется малатдегидрогеназой с активным НАД.
Перечисленные превращения сопровождаются удалением двух пар атомов водорода. Оксалоацетат взаимодействует с коферментом А, и цикл повторяется снова. Каждая из десяти реакций цикла трикарбоновых кислот, за исключением одной, легко обратима. Ацетил-КоА атомы углерода выделяются в виде двух молекул углекислого газа. В реакциях ферментативного дегидрирования атомы водорода удаляются четырьмя различными дегидрогеназами.
Также образуется одна молекула АТФ. Во время описанных реакций вода может быть включена в трансформируемые соединения. Ферменты ЦТК расположены в цитоплазматической мембране микроорганизмов.
В цикле трикарбоновых кислот образуется ряд промежуточных продуктов, которые играют роль предшественников для реакций биосинтеза микробных макромолекул. Следовательно, большинство ферментов цикла Кребса также существуют в облигатных анаэробах (некоторые из них не имеют только фермента, который катализирует превращение). В цикле Кребса также участвуют продукты катаболизма жирных кислот и некоторых аминокислот.
Следовательно, цикл трикарбоновых кислот имеет большое значение не только для дыхания, но и для биосинтеза. В соответствии с этим существуют преобразования, в которых все источники углерода используются для синтеза соединений, необходимых для микроорганизмов. В этом биологический смысл цикла Кребса, продукты превращения которого легко превращаются в аминокислоты, белки, жиры, углеводы и т. д. и становятся частью структуры клетки.