В биологии слово «дыхание» употребляют в двух смыслах, поэтому и списков этапов два.
- Физиология — дыхание — это путь кислорода от вдоха до клетки. В школьной классификации в нём пять этапов: внешнее дыхание (вентиляция лёгких), газообмен в лёгких, транспорт газов кровью, газообмен в тканях и клеточное дыхание.
- Клеточное дыхание — второй смысл, часть энергетического обмена: в школьных учебниках так называют его кислородный этап.
- Энергетический обмен — у него три этапа: подготовительный, бескислородный (гликолиз) и кислородный.
- Выход АТФ — если нужно посчитать его в расчётной задаче, а условие не задаёт другие значения, используй школьную норму: 2 АТФ на гликолизе + 36 АТФ на кислородном этапе = 38 АТФ на одну молекулу глюкозы.
Как это спрашивают на экзамене
Прежде чем учить теорию, посмотри, в каких формулировках она встречается: так понятнее, что запоминать. Например:
«Образовалось N молекул ПВК: сколько глюкозы расщепилось и сколько АТФ образовалось при полном окислении?»
«Расположите этапы энергетического обмена в правильной последовательности».
«Установите соответствие между характеристикой и этапом энергетического обмена: где протекает процесс, что образуется, сколько АТФ синтезируется».
«Выберите верные суждения о газообмене в лёгких и тканях».
Первые три формата относятся к клеточному дыханию, последний — к физиологии. Ниже обе линии по порядку.
Пять этапов дыхания в физиологии: от вдоха до клетки
Кислород проходит путь: лёгкие → кровь → ткани → клетка → митохондрия. Каждый участок этого пути — отдельный этап.
| Этап | Что происходит | Где |
|---|---|---|
| Внешнее дыхание | Вентиляция лёгких за счёт работы дыхательных мышц; дыхательный центр расположен в продолговатом мозге | Лёгкие, дыхательные мышцы; регуляция: продолговатый мозг |
| Газообмен в лёгких | Диффузия газов между альвеолами и капиллярами: O₂ переходит в кровь, CO₂ — в альвеолы | Альвеолы лёгких и лёгочные капилляры |
| Транспорт газов кровью | Гемоглобин эритроцитов переносит O₂, образуется оксигемоглобин; CO₂ переносится в основном в виде гидрокарбонат-ионов, частично в связи с гемоглобином и в растворённом виде | Кровь, эритроциты и плазма |
| Газообмен в тканях | Обмен газов между кровью капилляров и тканями: O₂ переходит в клетки, CO₂ — в кровь | Тканевые капилляры и ткани |
| Клеточное дыхание | Окисление органических веществ до CO₂ и H₂O | Клетки: гликолиз в цитоплазме, кислородный этап в митохондриях |
В части учебников термин «внешнее дыхание» шире: он охватывает и вентиляцию, и газообмен между альвеолами и кровью. Здесь используется классификация, где эти процессы разделены на два этапа, поэтому противоречия между первой и второй строкой нет.
Механизм вдоха и выдоха объясняет, как идёт вентиляция.
- Вдох: сокращаются диафрагма и наружные межрёберные мышцы, объём грудной полости увеличивается, давление в лёгких становится ниже атмосферного, и воздух поступает внутрь.
- Спокойный выдох: идёт пассивно. Мышцы расслабляются, объём грудной полости уменьшается, давление в лёгких растёт, и воздух выходит.
Запомни числа для заданий на верные суждения.
- Дыхательный объём — 400–500 мл (допустимо писать «около 500 мл»).
- Жизненная ёмкость лёгких — 3–5 л.
- Частота дыхания в покое — 16–20 в минуту.
- Кислород — во вдыхаемом воздухе около 21 %, в выдыхаемом — около 16 %.
- Углекислый газ — около 0,03 % на вдохе и около 4 % на выдохе; значения приблизительные и в разных учебниках могут быть округлены по-разному.
Пример: суждение «в выдыхаемом воздухе кислорода нет» неверно: лёгкие извлекают лишь часть O₂, и около 16 % выходит обратно. На таких формулировках и строятся ловушки.
Три этапа клеточного дыхания: таблица
Теперь второй смысл: этапы дыхания как этапы энергетического обмена. Тебе нужно знать, где идёт каждый этап и сколько АТФ он даёт.
| Этап | Где в клетке | Что входит/выходит | Сколько АТФ |
|---|---|---|---|
| Подготовительный этап | Пищеварительный тракт и лизосомы | Полимеры → мономеры; энергия рассеивается в виде тепла | 0 АТФ |
| Бескислородный этап: гликолиз | Цитоплазма | 1 глюкоза → 2 ПВК + 2 НАД·Н; образуется 4 АТФ, тратится 2 АТФ | 2 АТФ |
| Кислородный этап: клеточное дыхание, биологическое окисление | Митохондрии: окислительное декарбоксилирование ПВК и цикл Кребса в матриксе; дыхательная цепь и АТФ-синтаза на внутренней мембране, кристах | 2 ПВК окисляются до 6 CO₂ и H₂O, поглощается 6 O₂ (перечень веществ этапа, а не уравнение реакции) | 36 АТФ |
Клеточное дыхание — это окисление органических веществ до CO₂ и H₂O.
Уравнение гликолиза выучи целиком:
C₆H₁₂O₆ + 2H₃PO₄ + 2АДФ + 2НАД⁺ → 2C₃H₄O₃ + 2H₂O + 2АТФ + 2НАД·Н + 2H⁺
Кислородный этап состоит из трёх процессов, и у каждого своё место в митохондрии.
- Окислительное декарбоксилирование ПВК идёт в матриксе: пируват + НАД⁺ + КоА → ацетил-КоА + CO₂ + НАД·Н.
- Цикл Кребса тоже протекает в матриксе. За один оборот образуются 3 НАД·Н, 1 ФАД·Н₂, 1 ГТФ (АТФ) и 2 CO₂.
- Дыхательная цепь и АТФ-синтаза расположены на внутренней мембране митохондрий, на кристах. O₂ служит конечным акцептором электронов и восстанавливается до воды.
Следи за парой «матрикс — кристы»: если в задании на соответствие цикл Кребса отнесён к кристам, это неверная характеристика.
Сколько АТФ на самом деле и что без кислорода
Главное: для расчётов используй школьную норму, если условие не задаёт другие значения: 2 АТФ при гликолизе + 36 АТФ на кислородном этапе = 38 АТФ на молекулу глюкозы.
Современная биохимическая оценка ниже — примерно 30–32 АТФ, потому что:
- 1 НАД·Н даёт около 2,5 АТФ;
- 1 ФАД·Н₂ — около 1,5 АТФ.
В школьной задаче опирайся на модель, которая дана в условии или принята в твоём учебнике.
Что происходит, если кислорода нет?
- ПВК не окисляется, кислородный этап не идёт.
- У животных ПВК превращается в молочную кислоту, у дрожжей и растений — в этиловый спирт и CO₂.
- При брожении АТФ сверх гликолиза не образуется: клетка получает те же 2 АТФ.
Пример: мышца при интенсивной нагрузке переходит на молочнокислое брожение и получает с одной молекулы глюкозы в 19 раз меньше АТФ, чем при полном окислении.
Переносчик водорода в дыхании — НАД·Н. НАДФ·Н участвует в фотосинтезе, в схемы клеточного дыхания его не пиши.
Разбор задания
Допустим, тебе дано: «В результате гликолиза образовалось 68 молекул ПВК. Сколько молекул глюкозы расщепилось и сколько молекул АТФ образуется при полном окислении этой глюкозы?»
Решаем по шагам.
- Одна молекула глюкозы даёт 2 молекулы ПВК. Глюкозы расщепилось 68 : 2 = 34 молекулы.
- Полное окисление одной молекулы глюкозы даёт 38 АТФ (2 на гликолизе + 36 на кислородном этапе). Всего: 34 × 38 = 1292 молекулы АТФ.
Если просят выход АТФ по этапам, распиши отдельно:
- гликолиз — 34 × 2 = 68 АТФ;
- кислородный этап — 34 × 36 = 1224 АТФ.
Проверь себя сложением: 68 + 1224 = 1292 — ответ сходится.
Ошибки, за которые снимают баллы
Список собран из типичных неверных ответов. Проверь себя по каждому пункту.
- Гликолиз «в митохондриях». Он протекает в цитоплазме, а в митохондриях идёт кислородный этап.
- НАДФ·Н вместо НАД·Н. НАДФ·Н переносит водород при фотосинтезе, в клеточном дыхании работает НАД·Н.
- Потерянная двойка. Из одной глюкозы образуются две ПВК: 68 ПВК соответствуют 34 молекулам глюкозы, а не 68. Если забыть разделить или умножить на 2, расчёт неверен целиком.
- АТФ на подготовительном этапе. Энергия здесь рассеивается в виде тепла, выход — 0 АТФ.
- «Дополнительная» АТФ при брожении. Брожение не даёт АТФ сверх 2 молекул гликолиза.
- 30–32 АТФ в школьной расчётной задаче. Биохимически оценка верна, но задачу решают по модели из условия; если условие её не задаёт — по школьной норме 38.
- Цикл Кребса «на кристах». Цикл Кребса и окислительное декарбоксилирование идут в матриксе, на кристах находятся дыхательная цепь и АТФ-синтаза.
Шпаргалка
Если перед экзаменом мало времени, повтори хотя бы этот список.
- Физиология, 5 этапов: внешнее дыхание → газообмен в лёгких → транспорт газов кровью → газообмен в тканях → клеточное дыхание.
- Вдох: сокращаются диафрагма и наружные межрёберные мышцы, объём грудной полости растёт, давление в лёгких падает.
- Транспорт CO₂: в основном в виде гидрокарбонат-ионов, частично с гемоглобином и в растворённом виде.
- Числа: дыхательный объём 400–500 мл; ЖЕЛ 3–5 л; 16–20 дыханий в минуту; O₂: около 21 % → около 16 %; CO₂: около 0,03 % → около 4 %.
- Энергетический обмен, 3 этапа: подготовительный (0 АТФ, ЖКТ и лизосомы) → гликолиз (2 АТФ, цитоплазма) → кислородный (36 АТФ, митохондрии).
- Итог по школьной норме: 38 АТФ на молекулу глюкозы; например, 34 молекулы глюкозы дают 1292 АТФ.
- Без кислорода: у животных образуется молочная кислота, у дрожжей и растений — этиловый спирт и CO₂; всего 2 АТФ.
- Переносчик водорода в дыхании — НАД·Н; O₂ служит конечным акцептором электронов и восстанавливается до воды.
Проверь себя
Ответь, не подглядывая в таблицы, потом сверься.
Где расположен дыхательный центр?
В продолговатом мозге.
Сколько АТФ образуется на подготовительном этапе?
0: энергия рассеивается в виде тепла.
Образовалось 10 молекул ПВК. Сколько глюкозы расщепилось?
5 молекул.
Где протекает цикл Кребса, а где работает дыхательная цепь?
Цикл Кребса идёт в матриксе, дыхательная цепь и АТФ-синтаза находятся на кристах внутренней мембраны.
Во что превращается ПВК у животных без кислорода?
В молочную кислоту.
