ΑΠ Βιολογία – Κυτταρική αναπνοή και ζύμωση

ΑΠ Βιολογία – Κυτταρική αναπνοή και ζύμωση

Η κυτταρική αναπνοή και ζύμωση απαιτούν πολύπλοκη βιοχημεία. Αυτό Βιολογίας AP μετρά τον τρόπο με τον οποίο η ενέργεια ρέει μέσω της διαδικασίας. Αυτό το θέμα καλύπτεται με περισσότερες λεπτομέρειες στο παρακάτω άρθρο. Θα μάθετε για τους ρόλους των ενζύμων και της μεταφοράς ηλεκτρονίων, την παραγωγή ATP και τη γλυκόλυση. Και αν σας ενδιαφέρει να μάθετε περισσότερα, εδώ είναι μερικοί πόροι για περαιτέρω ανάγνωση. Θα μάθετε επίσης για το ρόλο των μικροβίων σε αυτές τις διαδικασίες.

Παραγωγή

ATP Το ATP είναι μια κρίσιμη πηγή ενέργειας για πολλές διεργασίες, συμπεριλαμβανομένης της κυτταρικής αναπνοής, της ζύμωσης και της αυτοφαγίας. Πολλά κύτταρα αποθηκεύουν επίσης το ATP σε μεγάλα κυστίδια με πυκνό πυρήνα. Μελέτες έχουν δείξει ότι το ATP συν-αποθηκεύεται με πολλούς νευροδιαβιβαστές, συμπεριλαμβανομένης της ακετυλοχολίνης και της νοραδρεναλίνης, στο φλοιό του ινδικού χοιριδίου και στα ανθρώπινα αιμοφόρα αγγεία. Είναι ενδιαφέρον ότι το ATP αποθηκεύτηκε σε μικρά συναπτικά κυστίδια αστροκυττάρων.

Οι κύριες οδοί της κυτταρικής αναπνοής παράγουν ATP από γλυκόζη. Στη ζύμη, οι κυτταρικές οδοί αναπνοής περιλαμβάνουν τον κύκλο του κιτρικού οξέος και τη γλυκόλυση. Ωστόσο, η γλυκόλυση δεν παράγει το μεγαλύτερο μέρος του ATP που παράγεται κατά τον αερόβιο καταβολισμό της γλυκόζης. Αντίθετα, το ATP παράγεται μέσω αντιδράσεων οξειδοαναγωγής που προκαλούν τη συσσώρευση ιόντων υδρογόνου και τη διάχυση έξω από το χώρο της μήτρας. Η συνθάση ATP στη συνέχεια φωσφορυλιώνει την ADP για να παράγει ATP.

Το πρώτο βήμα της κυτταρικής αναπνοής είναι η γλυκόλυση. Η γλυκόλυση είναι μια διαδικασία που δεν απαιτεί οξυγόνο για να συνεχιστεί, αλλά παράγει ένα υποπροϊόν που ονομάζεται CO2. Αυτή η οδός πηγαίνει στον κύκλο του Krebs, οδηγώντας σε οξειδωτική φωσφορυλίωση και παραγωγή ATP. Μερικοί οργανισμοί μπορούν να υποβληθούν σε ζύμωση επ’ αόριστον για να παράγουν ATP. Είναι παρόμοιο με την αναπνοή: η γλυκόζη και το οξυγόνο πηγαίνουν στους πνεύμονες, ενώ το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό παραμένουν.

Μετά τη γλυκόλυση, δύο άτομα άνθρακα απελευθερώνονται από τα μιτοχόνδρια, δημιουργώντας ένα καθαρό κέρδος δύο μορίων ATP. Ωστόσο, τα ηλεκτρόνια FADH 2 παρακάμπτουν την αντλία πρωτονίων κατά το πρώτο σύμπλεγμα. Η ποσότητα του ATP που παράγεται σε αυτή τη διαδικασία είναι ευθέως ανάλογη με τον αριθμό των πρωτονίων που αντλούνται κατά μήκος της εσωτερικής μιτοχονδριακής μεμβράνης. Έτσι, η παραγωγή ATP είναι απαραίτητη για την επιβίωση ενός κυττάρου.

Η παραγωγή ATP στην κυτταρική αναπνοή και μεταβολισμό χωρίζεται σε τρία στάδια: γλυκόλυση, κύκλος Krebs και αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων. Κατά τη διάρκεια της γλυκόλυσης, η γλυκόζη χωρίζεται σε πυροσταφυλικό και πυροσταφυλικό οξύ. Αυτό επιτρέπει στο κύτταρο να παράγει δύο μόρια ATP. Ωστόσο, ο κύκλος του Krebs δεν είναι τόσο αποτελεσματικός όσο η γλυκόλυση στη ζύμωση, παρόλο που η τελευταία περιλαμβάνει μια τρίτη οδό.

Ελέγχεται από ένζυμα

Ο ρυθμός πρωτεϊνοσύνθεσης στο κύτταρο εξαρτάται από τις κυτταρικές απαιτήσεις και τη διαθεσιμότητα των διαθέσιμων ενζύμων. Τα ένζυμα στην κυτταρική αναπνοή και τη ζύμωση διαφέρουν ως προς την καταλυτική τους απόδοση, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να παράγουν περισσότερη ενέργεια ανά μονάδα μάζας. Για παράδειγμα, η αναπνοή μπορεί να χρησιμοποιεί περισσότερη πρωτεΐνη από τη ζύμωση, αλλά η ζύμωση χρησιμοποιεί λιγότερη πρωτεΐνη. Αυτό σημαίνει ότι η ζύμωση είναι πιο ενεργειακά αποδοτική από την αναπνοή. Ωστόσο, αυτό μπορεί να μην είναι απαραίτητα το ζήτημα.

Η οξειδωτική φωσφορυλίωση (OxDP) εξοικονομεί μεγάλη ποσότητα ενέργειας σε ένα ευρύ φάσμα τροφίμων. Η διαδικασία παράγει επίσης ATP από την ενέργεια που αποθηκεύεται στους χημικούς δεσμούς των μορίων των τροφίμων, τα οποία απελευθερώνονται για να τροφοδοτήσουν άλλες κυτταρικές διεργασίες. Σε όλες τις μορφές ζύμωσης, το ATP συντίθεται από ένα εξαιρετικά οργανωμένο διαμέρισμα που ονομάζεται μιτοχόνδρια, το οποίο καταλύει τα διάφορα στάδια της κυτταρικής αναπνοής και ζύμωσης. Τα μιτοχόνδρια βρίσκονται ως μέρος της κυτταρικής μεμβράνης και έχουν έως και χίλια κύτταρα. Ωστόσο, τα μεγάλα ωάρια έχουν έως και 200.000 μιτοχόνδρια.

Ο κρίσιμος ρυθμός ανάπτυξης ενός κυττάρου καθορίζεται από την ποσότητα πρωτεΐνης που παράγεται ανά μονάδα συνολικής κυτταρικής πρωτεΐνης – ο υψηλός ρυθμός παραγωγής ATP προκύπτει από μια ανεπαρκή δεξαμενή ενζύμων. Η αποτελεσματικότητα της κατάλυσης είναι πιο αυξημένη σε κύτταρα που αναπτύσσονται με γλυκόζη, γαλακτόζη ή αιθανόλη. Ένα μοντέλο κυτταρικής αναπνοής έδειξε ότι η συνθάση ΑΤΡ ασκεί έλεγχο ροής στην αναπνοή. Τα ένζυμα που παράγουν ATP διατηρούνται εξελικτικά.

Τα ένζυμα που χρησιμοποιούνται σε μονοπάτια είναι επίσης γνωστά ως αλλοστερικά. Σε αυτόν τον μηχανισμό, ένα μόριο συνδεδεμένο σε μια αλλοστερική θέση σε ένα ένζυμο μπορεί να ελέγξει τη δραστηριότητα του ενζύμου. Οι τελεστές αλλάζουν τη στερική δομή και τη διαμόρφωση της ενεργού θέσης του ενζύμου, προσαρμόζοντας τη συγγένειά του με το υπόστρωμα και τον ρυθμό αντίδρασής του. Επομένως, ο ρυθμός αντίδρασης εξαρτάται από τον αριθμό των ενζύμων σε ένα κύτταρο.

Η ενέργεια που απαιτείται στις χημικές αντιδράσεις μέσα σε ένα κύτταρο σχετίζεται κυρίως με το χειρισμό των χημικών δεσμών. Τα ένζυμα βοηθούν στη μείωση της ενέργειας ενεργοποίησης καταλύοντας κάθε βήμα μιας απόκρισης. Τα ένζυμα παίζουν καθοριστικό ρόλο στις μεταβολικές οδούς. Είτε απαιτούν δύναμη για να σπάσουν είτε να σχηματίσουν μόρια, τα ένζυμα παίζουν ρόλο σε κάθε αντίδραση. Και οι δύο τύποι μεταβολικών οδών διατηρούν την ενεργειακή ισορροπία του οργανισμού.

Μεταφορά ηλεκτρονίων

Το οξυγόνο είναι ένα κρίσιμο συστατικό της αερόβιας κυτταρικής αναπνοής. Χωρίς αυτό, το ATP δεν μπορεί να παραχθεί. Αυτό συμβαίνει επειδή η οξείδωση των υδατανθράκων απαιτεί δότες ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας. Αυτά βρίσκονται με τη μορφή ισχυρών αναγωγικών παραγόντων. Όσο περισσότερο ATP παράγεται, τόσο περισσότερη ενέργεια αποθηκεύεται στο κύτταρο. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το οξυγόνο παίζει καθοριστικό ρόλο στη διαδικασία. Χωρίς οξυγόνο, τα ηλεκτρόνια δεν θα είχαν πού να πάνε και η αερόβια κυτταρική αναπνοή θα ήταν αδύνατη.

Το πρώτο βήμα σε αυτή τη διαδικασία είναι η διάσπαση της γλυκόζης. Οι φωσφορικές ομάδες δύο μορίων ΑΤΡ συνδέονται με τη γλυκόζη. Η γλυκόζη στη συνέχεια διασπάται σε δύο ξεχωριστά μόρια PGAL τριών άνθρακα. Τα μόρια PGAL απελευθερώνουν ιόντα υδρογόνου και ηλεκτρόνια στο αζωτούχο ιόν NADP+. Στο δεύτερο βήμα, τα μόρια ATP συνδέουν φωσφορικές ομάδες στο ADP, απελευθερώνοντας οξυγόνο.

Η διαδικασία της ζύμωσης είναι ζωτικής σημασίας για την αερόβια κυτταρική αναπνοή. Η οξείδωση των οργανικών μορίων αποδίδει NAD+, το οποίο είναι απαραίτητο για το τελευταίο στάδιο της γλυκόλυσης. Το ATP προέρχεται από οξειδωμένους υδατάνθρακες μέσω φωσφορυλίωσης, αξιοποιώντας ενέργεια από οργανικά μόρια πλούσια σε υδρογόνο. Χωρίς αυτή τη διαδικασία, το κύτταρο δεν θα ήταν σε θέση να παράγει ATP, την ενέργεια που απαιτείται για τη διατήρηση της ζωής.

Σε έναν βιοχημικό κύκλο, η ενέργεια παράγεται από την κίνηση των ηλεκτρονίων στις αντιδράσεις οξειδοαναγωγής. Η οξείδωση της γλυκόζης αφαιρεί τα ηλεκτρόνια από το NAD+ και συνδυάζεται με το υδρογόνο για να σχηματίσει NADH. Αυτό το πολύπλοκο μόριο είναι σαν ένα φορτωμένο ελατήριο και έχει αποθηκεύσει ενέργεια σε απλούς δεσμούς υδρογόνου. Έχει γίνει η κύρια πηγή δύναμης στο κελί. Η ενέργεια στα μόρια της τροφής απελευθερώνεται σταδιακά.

Η αντίστροφη μεταφορά ηλεκτρονίων είναι επίσης απαραίτητη για την παραγωγή ATP. Η οξειδωτική φωσφορυλίωση συμβαίνει στα μιτοχόνδρια αφού τα ένζυμα που παράγουν οξυγόνο διασπούν τη γλυκόζη σε νερό και διοξείδιο του άνθρακα. Η κίνηση των ηλεκτρονίων ενεργοποιεί την οξειδωτική φωσφορυλίωση μέσω της μιτοχονδριακής αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων. Αυτή η μεταφορά ηλεκτρονίων είναι απαραίτητη για την παραγωγή ATP και την κυτταρική αναπνοή. Βοηθά επίσης το κύτταρο να παράγει ATP, την ουσία που παράγει ενέργεια.

Γλυκόλυση

Η κυτταρική αναπνοή και η ζύμωση είναι δύο διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα στους οργανισμούς. Κατά τη διάρκεια της αναπνοής, το κυτταρικό οργανίδιο προσθέτει ηλεκτρόνια σε μόρια που έχουν ήδη σχηματιστεί μέσω της γλυκόλυσης. Τα υπόλοιπα μόρια, το πυροσταφυλικό, ανακυκλώνονται μέσω ζύμωσης για τη δημιουργία γαλακτικού οξέος. Ενώ η ζύμωση δεν παράγει ATP, παράγει μια μικρή ποσότητα ATP. Είναι σημαντικό να κατανοήσουμε τη διαφορά μεταξύ των δύο μεθόδων.

Η γλυκόλυση συμβαίνει στο κυτταρόπλασμα του κυττάρου. Τα μόρια μεταφέρονται στα μιτοχόνδρια. Εκεί, υφίστανται μετασχηματισμό που απελευθερώνει δύο μόρια διοξειδίου του άνθρακα. Το προκύπτον ακετυλο-CoA εισέρχεται στον κύκλο του κιτρικού οξέος, στον κύκλο του Krebs. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας, το κύτταρο οξειδώνει ένα μόνο μόριο γλυκόζης σε έξι μόρια διοξειδίου του άνθρακα και δύο μόρια ATP. Η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας μεταφέρεται στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων, η οποία χρησιμοποιείται για περαιτέρω αντιδράσεις.

Η γλυκόλυση δημιουργεί τέσσερα μόρια ATP και γεμίζει δύο φορείς ηλεκτρονίων NAD+. Η διαδικασία χρησιμοποιεί οξυγόνο ως αρχικό δέκτη ηλεκτρονίων. Η γλυκόλυση δημιουργεί περίπου δέκα τοις εκατό του ATP κατά τη διάρκεια της ζύμωσης. Είναι ένας τύπος Χημειόσμωσης. Εάν το επίπεδο οξυγόνου στο κύτταρο είναι χαμηλό, η γλυκόζη μπορεί να μετατραπεί σε πυροσταφυλικό. Το τελευταίο χρησιμοποιείται ως καύσιμο από προαιρετικά αναερόβια.

Η βιοχημική διαδικασία που επιτρέπει στα κύτταρα να παράγουν ενέργεια ονομάζεται κυτταρική αναπνοή. Περιλαμβάνει μια σειρά αντιδράσεων που καταλύονται από ένζυμα. Το ATP ενεργοποιεί τις βασικές αντιδράσεις στο κύτταρο. Βοηθά τα κύτταρα να διατηρήσουν την ομοιόσταση, να αναπτυχθούν και να αναπαραχθούν. Όταν τα κύτταρα αφαιρούνται από οξυγόνο, δεν μπορούν να παράγουν ATP. Η κυτταρική αναπνοή είναι ένα κρίσιμο βήμα σε αυτή τη διαδικασία. Με την κατάλληλη γνώση και κατανόηση, μπορεί να βελτιώσει την ανθρώπινη υγεία και ευημερία.

Ο κύκλος του Krebs είναι ένας άλλος τύπος κυτταρικής αναπνοής. Η γλυκόλυση παράγει περισσότερο ATP από τη ζύμωση. Και οι δύο διαδικασίες παίζουν ουσιαστικό ρόλο στο σώμα και είναι πιθανώς οι πιο αρχαίες. Αυτή είναι μια εξαιρετική στιγμή για να μελετήσετε την κυτταρική αναπνοή και τη ζύμωση. Τα ονόματα των φορέων ηλεκτρονίων είναι εκτός του πεδίου εφαρμογής της εξέτασης AP. Είναι το κλειδί για την κατανόηση του κυτταρικού ενεργειακού συστήματος. Ετοιμαστείτε λοιπόν για τις παρακάτω εξετάσεις AP Biology!

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *