Informacija

9.3: Kvėpavimas - biologija


Atliekant „skristi“

Šios nuotraukos plaukikė atlieka drugelio potėpį. Kvėpavimas yra procesas, perkeliantis orą į plaučius ir iš jų, kurie yra organai, kuriuose vyksta dujų mainai tarp atmosferos ir kūno. Kvėpavimas taip pat vadinamas ventiliacija, ir tai yra viena iš dviejų gyvybę palaikančio kvėpavimo proceso dalių, kita dalis-dujų mainai. Kad suprastumėte, kaip kontroliuojamas kvėpavimas, turite žinoti, kaip vyksta kvėpavimas.

Kaip vyksta kvėpavimas

Kvėpavimas yra dviejų etapų procesas, apimantis oro įtraukimą į plaučius, įkvėpimą, oro išleidimą iš plaučių arba iškvėpimą. Abu procesai pavaizduoti paveiksle ( PageIndex {2} ).

Įkvėpimas

Įkvėpimas yra aktyvus procesas, daugiausia atsirandantis dėl raumenų, vadinamų diafragma, susitraukimo, parodyta paveikslėlyje ( PageIndex {2} ). The diafragma yra didelis, kupolo formos raumuo po plaučiais, skiriantis krūtinės (krūtinės) ir pilvo ertmes. Kai diafragma susitraukia, krūtinės ertmė išsiplečia ir pilvo turinys stumiamas žemyn. Kiti raumenys, tokie kaip išoriniai tarpšonkauliniai raumenys tarp šonkaulių, taip pat prisideda prie įkvėpimo proceso, ypač kai priverstinis įkvėpimas, pavyzdžiui, giliai įkvėpus. Šie raumenys padeda padidinti krūtinės apimtį, plečiant šonkaulius į išorę. Išsiplėtus krūtinei, plaučių viduje yra mažesnis oro slėgis nei už kūno, todėl išorinis oras į kvėpavimo takus patenka į plaučius.

Iškvėpimas

Iškvėpimas apima priešingą įvykių seką. Diafragma atsipalaiduoja, todėl juda aukštyn ir sumažina krūtinės ląstos tūrį (pav. ( PageIndex {2} ). Oro slėgis plaučiuose padidėja, todėl yra didesnis nei oro slėgis už plaučių ribų. Iškvėpimas, skirtingai nei įkvėpus, paprastai yra pasyvus procesas, atsirandantis daugiausia dėl plaučių elastingumo. Pasikeitus oro slėgiui, plaučiai susitraukia iki iš anksto pripūstų dydžių, išstumdami procese esantį orą. Oras teka iš plaučių, panašus į tai, kaip oras, išleistas iš oro baliono, yra priverstas iškvėpti, vidiniai tarpšonkauliniai ir pilvo raumenys gali padėti išstumti orą iš plaučių.

Kvėpavimo kontrolė

Kvėpavimas yra viena iš nedaugelio gyvybiškai svarbių kūno funkcijų, kurią galima kontroliuoti tiek sąmoningai, tiek nesąmoningai. Pagalvokite, kaip panaudoti kvėpavimą oro balionui susprogdinti. Ilgai ir giliai įkvepiate, o tada kiek įmanoma jėga iškvepiate orą į balioną. Tiek įkvėpimas, tiek iškvėpimas yra sąmoningai kontroliuojami.

Sąmoninga kvėpavimo kontrolė

Galite kontroliuoti savo kvėpavimą sulaikydami kvėpavimą, sulėtindami kvėpavimą arba hiperventiliacija, kuris kvėpuoja greičiau ir negiliau nei būtina. Taip pat galite iškvėpti ar įkvėpti stipriau ar giliau nei įprastai. Sąmoningas kvėpavimo valdymas yra įprastas daugelyje veiklų, išskyrus balionų susprogdinimą, įskaitant plaukimą, kalbos mokymą, dainavimą, grojimą įvairiais muzikos instrumentais (pav. ( PageIndex {3} )) ir jogą, tik keletą.

Sąmoningam kvėpavimo valdymui yra ribų. Pavyzdžiui, sveikam žmogui neįmanoma savanoriškai nustoti kvėpuoti neribotą laiką. Neilgai trukus kyla nenumaldomas noras kvėpuoti. Jei sugebėtumėte pakankamai ilgai nustoti kvėpuoti, prarastumėte sąmonę. Tas pats nutiktų, jei hiperventiliaciją atliktumėte per ilgai. Praradę sąmonę, kad nebegalėtumėte sąmoningai kontroliuoti savo kvėpavimo, ima nevalingas kvėpavimo valdymas.

Nesąmoningas kvėpavimo valdymas

Sąmoningą kvėpavimą kontroliuoja kvėpavimo centrai smegenų kamieno smegenyse ir šonuose ( paveikslėlis ( PageIndex {4} )). Kvėpavimo centrai automatiškai ir nuolat reguliuoja kvėpavimo greitį, priklausomai nuo kūno poreikių. Tai daugiausia lemia kraujo rūgštingumas arba pH. Pavyzdžiui, mankštinantis, padidėja anglies dioksido kiekis kraujyje dėl padidėjusio raumenų ląstelių kvėpavimo. Anglies dioksidas reaguoja su vandeniu kraujyje, kad susidarytų anglies rūgštis, todėl kraujas tampa rūgštesnis, todėl sumažėja pH. PH sumažėjimą nustato chemoreceptoriai smegenyse. Deguonies ir anglies dioksido kiekį kraujyje, be pH, taip pat nustato chemoreceptoriai pagrindinėse arterijose, kurie siunčia „duomenis“ į kvėpavimo centrus. Kvėpavimo centras reaguoja siųsdamas nervinius impulsus į diafragmą, „liepdamas“ jai greičiau susitraukti, kad kvėpavimas pagreitėtų. Greičiau kvėpuojant, į kraują patenka daugiau anglies dioksido, o kraujo pH grįžta į normalią ribą.

Priešingi įvykiai įvyksta, kai anglies dioksido kiekis kraujyje tampa per mažas ir padidėja kraujo pH. Tai gali įvykti netyčia hiperventiliacija, kuri gali įvykti panikos priepuolių, stipraus skausmo epizodų, astmos priepuolių ir daugelio kitų situacijų metu. Kai hiperventiliuojate, išpučiate daug anglies dioksido, todėl sumažėja anglies dioksido kiekis kraujyje. Kraujas tampa šarmingesnis, todėl jo pH pakyla.

Kvėpavimas nosimi prieš burną

Nosies kvėpavimas yra kvėpavimas per nosį, o ne per burną, ir paprastai manoma, kad jis yra pranašesnis už kvėpavimą burnoje. Plaukais išklotos nosies ertmės geriau išfiltruoja daleles iš oro, kol jos juda giliau į kvėpavimo takus. Nosies kanalai taip pat geriau įspėja ir drėkina orą, todėl kvėpavimas nosimi yra ypač naudingas žiemą, kai oras yra šaltas ir sausas. Be to, mažesnis nosies kanalų skersmuo iškvepiant sukuria didesnį spaudimą plaučiuose. Tai lėtina plaučių ištuštinimą, suteikiant jiems daugiau laiko deguoniui išgauti iš oro.

Funkcija: mitas prieš realybę

Skendimas apibrėžiamas kaip kvėpavimo sutrikimas dėl buvimo skystyje arba po juo. Jis taip pat klasifikuojamas pagal jo baigtį į mirtį, nuolatines sveikatos problemas arba nesibaigiančias sveikatos problemas (visiškas pasveikimas). Jungtinėse Valstijose atsitiktinis nuskendimas yra antra pagrindinė 12 metų ir jaunesnių vaikų mirties priežastis (po motorinių transporto priemonių avarijų). Yra keletas potencialiai pavojingų mitų apie skendimą. Žinodami, kokie jie yra, galite išgelbėti jūsų ar mylimo žmogaus, ypač vaiko, gyvybę.

Mitas: Įkvėpus vandens į plaučius, žmonės nuskęsta.

Realybė: Paprastai ankstyvosiose skendimo stadijose į plaučius patenka labai mažai vandens. Nedidelis vandens kiekis, patenkantis į trachėją, sukelia raumenų spazmus gerklose, kurie užsandarina kvėpavimo takus ir neleidžia vandeniui patekti į plaučius. Šis spazmas greičiausiai tęsis tol, kol įvyks sąmonės netekimas.

Mitas: Galite pasakyti, kada kažkas skęsta, nes jie šauksis pagalbos ir mojuos rankomis, kad patrauktų dėmesį.

Realybė: Raumenų spazmas, užsandarinantis kvėpavimo takus, neleidžia patekti orui ir vandeniui, todėl skęstantis žmogus negali šaukti ar kviesti pagalbos. Be to, instinktyvios reakcijos, atsirandančios paskutinę minutę prieš skęstančiojo nuskendimą po vandeniu, gali atrodyti panašiai kaip ramus, saugus elgesys. Galva greičiausiai bus žemai vandenyje, pakreipta atgal, atvėrus burną. Asmuo gali turėti nekontroliuojamus rankų ir kojų judesius, tačiau vargu ar jie bus matomi virš vandens.

Mitas: Jau per vėlu gelbėti be sąmonės žmogų vandenyje.

Realybė: Sąmonės netekęs asmuo, išgelbėtas kvėpavimo takais, vis dar uždarytas nuo gerklų raumenų spazmo, turi gerų šansų visiškai pasveikti, jei pradės gauti CPR per kelias minutes. Jei plaučiuose nėra vandens, CPR yra daug efektyvesnis. Net jei sustojo širdis, todėl širdis nebeplaka, vis tiek yra galimybė pasveikti. Tačiau kuo ilgiau smegenys išgyvena be deguonies, tuo didesnė tikimybė, kad smegenų ląstelės žus. Smegenų mirtis tikėtina praėjus maždaug šešioms minutėms be deguonies, išskyrus išimtines aplinkybes, pvz., Jaunus žmones, skęstančius labai šaltame vandenyje. Yra pavyzdžių, kai vaikai išgyvena, matyt, be ilgalaikio blogo poveikio, net valandą šaltame vandenyje (pavyzdį žr. „Naršyti daugiau“). Todėl gelbėtojai, išgavę vaiką iš šalto vandens, turėtų pabandyti gaivinti net ir po užsitęsusio panardinimo laikotarpio.

Mitas: Jei kas nors skęsta, nedelsdami pradėkite vartoti CPR, dar prieš bandydami ištraukti žmogų iš vandens.

Realybė: Skęstančio žmogaus pašalinimas iš vandens yra pirmasis prioritetas, nes CPR yra neveiksmingas vandenyje. Tikslas turėtų būti kuo greičiau atvesti žmogų į stabilią žemę ir tada pradėti CPR.

Mitas: Vargu ar nuskęsite, nebent būsite vandenyje virš galvos.

Realybė: Atsižvelgiant į aplinkybes, žmonės nuskendo tik 30 mm (apie 1 ½ colio) vandens. Pavyzdžiui, žinoma, kad neblaivūs ar apsvaigę nuo narkotikų žmonės nuskendo balose. Šimtai vaikų nuskendo vandenyje tualetuose, voniose, kriauklėse, dušuose, kibiruose ir kibiruose (žr. Paveikslėlį žemiau).

Apžvalga

  1. Apibrėžkite kvėpavimą.
  2. Koks yra pagrindinis skirtumas tarp įkvėpimo ir iškvėpimo procesų?
  3. Pateikite veiklos, kurioje sąmoningai kontroliuojamas kvėpavimas, pavyzdžius.
  4. Maži vaikai kartais grasina sulaikyti kvėpavimą, kol gaus tai, ko nori. Kodėl tai tuščia grėsmė?
  5. Paaiškinkite, kaip kontroliuojamas nesąmoningas kvėpavimas.
  6. Kodėl kvėpavimas nosimi paprastai laikomas pranašesniu už kvėpavimą per burną?
  7. Kiekvienu iš šių nurodykite, ar tai vyksta įkvėpus (I), ar iškvepiant (E).

    a. Diafragma juda žemyn.

    b. Diafragma atsipalaiduoja.

    c. Krūtinės ertmė tampa mažesnė.

    d. Oro slėgis plaučiuose yra mažesnis nei už kūno.

  8. Pateikite vieną situacijos, dėl kurios kraujo pH gali pakilti, pavyzdį ir paaiškinkite, kodėl taip atsitinka.

  9. Deguonies ir anglies dioksido kiekis kraujyje ir pH nustatomas pagal:

    A. Mechanoreceptoriai

    B. Chemoreceptoriai

    C. Plaučių receptoriai

    D. Anglies receptoriai

  10. Tiesa ar melas. Dėl sąmoningo valdymo diafragma gali susitraukti.

  11. Tiesa ar melas. Hipoventiliacija yra greitas ir paviršutiniškas kvėpavimas.

  12. Kvėpavimo procesas taip pat vadinamas ____________.

Naršyti daugiau

Galbūt girdėjote apie „stebuklus“, kai jaunimas ilgą laiką išgyveno nekvėpavęs po vandeniu ir visiškai pasveiko. Kaip tai atsitinka? Perskaitykite nuostabią italų berniuko, išgyvenusio po vandeniu 42 minutes, istoriją. Straipsnyje paaiškinama „stebuklo“ fiziologija.

Pranešama, kad magas ir nepaprastas kaskadininkas Davidas Blaine'as po vandeniu gali sulaikyti kvėpavimą 17 minučių. Šioje TED kalboje jis paaiškina, kaip jam sekasi atlikti šį žygdarbį:


9.3: Kvėpavimas - biologija

Kodėl turime kvėpuoti?

Mūsų kūnas yra labai sudėtinga sistema. Vienas iš pagrindinių jam reikalingų dalykų yra energija. Kai mes valgome, mūsų kūnas virškina maistą, kad gautų sudėtingas molekules, tokias kaip gliukozė, kurias jis gali panaudoti energijai. Tačiau vien maisto nepakanka. Ląstelėms taip pat reikia deguonies, kad galėtų reaguoti su gliukoze, kad sukurtų energiją. Deguonį į savo ląsteles gauname kvėpavimo sistema ir kvėpuodami.

Įkvepiame raumenis, vadinamus diafragma. Jis išsilygina, todėl mūsų plaučiai išsiplečia ir prisipildo oro. Kai kvėpuojame, oras patenka per nosį ar burną, per kvėpavimo takus ir į bronchų vamzdelius plaučiuose. Šie bronchų vamzdeliai išsišakoja ir tampa vis mažesni, kaip medžio šaknys ar šakos.

Ne, tai ne makaronai! Mažiausių bronchų šakų gale yra maži oro maišeliai, vadinami alveolėmis. Šie oro maišeliai turi labai ploną, vienos ląstelės storio sieną, kuri leidžia deguonį perduoti raudoniesiems kraujo kūneliams, kai jie praeina. Mūsų plaučiuose yra šimtai milijonų šių mažų vaikinų.

Alveolės ne tik perduoda deguonį į mūsų kraują, bet ir padeda išvalyti mūsų kraujo ląsteles. Šios išmetamosios dujos yra anglies dioksidas. Kai mums reikia iškvėpti anglies dioksido iš plaučių, diafragma nusilenkia ir išstumia orą atgal, atsikratydama anglies dioksido. Tai suteikia vietos grynam orui su nauju deguonimi grįžti į mūsų kitą kvėpavimą.


Kvėpavimo sistemos diagrama

Nosis daro daugiau kvėpavimo, o ne tik suteikia orui patekti į mūsų kūną. Tai taip pat padeda filtruoti dulkes ir kitus daiktus. Tai daroma naudojant daug plaukų ir gleivių. Tai taip pat padeda sušildyti orą prieš patekimą į mūsų plaučius.

Kodėl mes iškvepiame?

Kai bėgame ar užsiimame sunkia veikla, mūsų raumenys degina energiją ir sunaudoja raudonųjų kraujo kūnelių deguonį. Siekdama gauti daugiau energijos ir deguonies šioms ląstelėms, mūsų širdis greičiau pumpuos, kad plaučiai gautų daugiau kraujo. Tuo pačiu metu mūsų plaučiai stengsis kvėpuoti sunkiau ir greičiau, kad gautume daugiau deguonies. Galų gale mes jaučiame dusulį ir turime pailsėti, kad mūsų kūnas galėtų atsigauti.

Kvėpavimo sistema taip pat padeda kalbėti. Mes negalėjome kalbėti be oro. Priversdama orą per mūsų balso stygas kvėpavimo sistema padeda jiems vibruoti ir sukurti garsą, pavyzdžiui, kalbėjimą, dainavimą ar riksmą.


Kvėpavimo sistema

Įkvėpkite ir sulaikykite. Palaukite kelias sekundes ir tada išleiskite. Žmonės, nesistengdami, vidutiniškai kvėpuoja maždaug 15 kartų per minutę. Tai prilygsta maždaug 900 įkvėpimų per valandą arba 21 600 įkvėpimų per dieną. Kiekvieną kartą įkvėpus oras pripildo plaučius, o kiekvieną kartą iškvėpdamas jis skuba atgal. Šis oras daro daugiau nei tik pripučia ir ištuština plaučius krūtinės ertmėje. Ore yra deguonies, kuris kerta plaučių audinį, patenka į kraują ir keliauja į organus ir audinius. Ten deguonis keičiamas į anglies dioksidą, kuris yra ląstelių atliekos. Anglies dioksidas išeina iš ląstelių, patenka į kraują, keliauja atgal į plaučius ir iškvepiant pasibaigia iš organizmo.

Kvėpavimas yra savanoriškas ir nevalingas įvykis. Kaip dažnai kvėpuojama ir kiek oro įkvepiama ar iškvepiama, reguliuoja smegenų kvėpavimo centras, reaguodamas į gaunamus signalus apie anglies dioksido kiekį kraujyje. Tačiau šį automatinį reguliavimą galima nepaisyti tokioms veikloms kaip kalbėjimas, dainavimas ir plaukimas po vandeniu.

Įkvėpus diafragma nusileidžia sukurdamas neigiamą slėgį aplink plaučius ir jie pradeda pripūsti, pritraukdami orą iš išorės. Oras patenka į kūną per nosies ertmę, esančią nosies viduje (figūra 1). Kai oras praeina per nosies ertmė, oras sušildomas iki kūno temperatūros ir drėkinamas drėgmės iš gleivinės. Šie procesai padeda subalansuoti orą pagal kūno sąlygas ir sumažina žalą, kurią gali sukelti šaltas, sausas oras. Ore sklandančios kietosios dalelės nosies kanaluose pašalinamos plaukeliais, gleivėmis ir blakstienomis. Oras taip pat chemiškai paimamas iš uoslės.

Iš nosies ertmės oras praeina per ryklė (gerklė) ir gerklų (balso dėžutė), kai ji eina į trachėja (figūra 1). Pagrindinė trachėjos funkcija yra įkvėptą orą nukreipti į plaučius, o iškvėptą - iš kūno. Žmogaus trachėja yra maždaug 25–30 cm (9,8–11,8 colio) ilgio cilindras, esantis priešais stemplę ir tęsiasi nuo ryklės iki krūtinės ertmės iki plaučių. Jis pagamintas iš neišsamių kremzlės ir lygiųjų raumenų žiedų. Kremzlė suteikia stiprybės ir atramos trachėjai, kad praėjimas būtų atviras. Trachėja yra padengta ląstelėmis, turinčiomis blakstienas ir išskiriančiomis gleives. Gleivės sulaiko įkvėptas daleles, o blakstienos juda daleles link ryklės.

Trachėjos galas padalijamas į du bronchus, kurie patenka į dešinįjį ir kairįjį plaučius. Oras į plaučius patenka per pirminiai bronchai. Pirminis bronchas dalijasi, sukurdamas vis mažesnį skersmenį bronchų kol praėjimai bus mažesni nei 1 mm (.03 colio) skersmens, kai jie vadinami bronchioles nes jie suskaidomi ir plinta per plaučius. Kaip ir trachėja, bronchai ir bronchioliai yra sudaryti iš kremzlės ir lygiųjų raumenų. Bronchus inervuoja parasimpatinės ir simpatinės nervų sistemos nervai, kurie kontroliuoja raumenų susitraukimą (parasimpatinį) arba atsipalaidavimą (simpatinį) bronchuose ir bronchioliuose, priklausomai nuo nervų sistemos užuominų. Galutiniai bronchioliai yra kvėpavimo takų bronchioliai. Alveoliniai latakai yra pritvirtinti prie kiekvieno kvėpavimo takų bronchiolio galo. Kiekvieno kanalo gale yra alveoliniai maišeliai, kurių kiekviename yra nuo 20 iki 30 alveolės. Dujų mainai vyksta tik alveolėse. Alveolės yra plonasienės ir atrodo kaip maži burbuliukai maišuose. Alveolės tiesiogiai liečiasi su kraujotakos sistemos kapiliarais. Toks intymus kontaktas užtikrina, kad deguonis pasiskirstys iš alveolių į kraują. Be to, anglies dioksidas iš kraujo išsisklaidys į alveoles, kurias reikia iškvėpti. Anatominis kapiliarų ir alveolių išdėstymas pabrėžia kvėpavimo ir kraujotakos sistemų struktūrinius ir funkcinius ryšius. Plaučių alveolių paviršiaus plotas skiriasi maždaug 100 m 2. Šis didelis plotas yra maždaug pusės teniso korto plotas. Šis didelis paviršiaus plotas kartu su alveolių ląstelių plonasieniu pobūdžiu leidžia dujoms lengvai pasklisti ląstelėse.

Figūra 1. Oras į kvėpavimo sistemą patenka per nosies ertmę, o paskui per ryklę ir trachėją patenka į plaučius. (kreditas: NCI pakeistas darbas)

Kuris iš šių teiginių apie žmogaus kvėpavimo sistemą yra klaidingas?


Kerala Slablabus 9th Standard Biology Guide Malayalam Medium

Kerala valstijos mokymo programa 9 -asis standartinis biologijos vadovėlių sprendimas 1 dalis Malajalamo terpė

Keralos valstijos mokymo programa 9 -asis standartinis biologijos vadovėlių sprendimas 2 dalis Malajalamo terpė

Tikimės, kad pateiktas Kerala mokymo programos 9 -asis standartinis biologijos sprendimų vadovas Pdf Nemokamas atsisiuntimas anglų kalba ir malajalių kalbos skyrius Išmintingi klausimai ir atsakymai, pastabos jums padės. Jei turite klausimų apie SCERT Kerala valstijos valdybos 9 klasės biologijos vadovėlių mokymo programos Pdf 1 ir 2 dalis, parašykite komentarą žemiau ir mes su jumis susisieksime.


9.3. Glikolizė

Jūs perskaitėte, kad beveik visa gyvų ląstelių sunaudota energija patenka į jas cukraus, gliukozės, ryšiais. Glikolizė yra pirmasis gliukozės skaidymo žingsnis, siekiant išgauti energiją ląstelių metabolizmui. Beveik visi gyvi organizmai metabolizuoja glikolizę. Procesas nenaudoja deguonies, todėl anaerobinis. Glikolizė vyksta tiek prokariotinių, tiek eukariotinių ląstelių citoplazmoje.

Pirmoji glikolizės pusė (energijos reikalaujantys žingsniai)

1 žingsnis. Pirmąjį glikolizės etapą (9.5 pav.) Katalizuoja heksokinazė-fermentas, fosforilinantis gliukozę, naudojant ATP kaip fosfato šaltinį, gaminantis gliukozės-6-fosfatą, reaktyvesnę gliukozės formą, turinčią didesnę laisvąją energiją nei gliukozė .

2 žingsnis. Antrame glikolizės etape izomerazė gliukozės-6-fosfatą paverčia vienu iš jo izomerų-fruktozės-6-fosfatu. Kaip rodo jo pavadinimas, an izomerazė yra fermentas, sukuriantis kitą substrato struktūros izomerą. (Žr. 4 skyrių)

3 žingsnis. Trečias žingsnis yra fruktozės-6-fosfato, kurį katalizuoja fermentas fosfofruktokinazė, fosforilinimas. Antroji ATP molekulė dovanoja daug energijos turintį fosfatą fruktozės-6-fosfatui, gaminant fruktozės-1,6-bisfosfatą.

4 žingsnis. Naujai pridėti didelio energijos fosfatai dar labiau destabilizuoja fruktozės-1,6-bisfosfatą. Ketvirtajame glikolizės etape naudojamas fermentas aldolazė, skaldanti 1,6-bisfosfatą į du trijų anglies izomerus: dihidroksiacetono fosfatą ir glicerraldehido-3-fosfatą.

5 žingsnis. Penktajame etape izomerazė dihidroksiacetono fosfatą paverčia savo izomeru-glicerraldehido-3-fosfatu. Taigi kelias tęsis su dviem vieno izomero molekulėmis. Šiuo kelio tašku yra grynosios dviejų ATP molekulių energijos investicijos į vienos gliukozės molekulės suskaidymą.

Antroji glikolizės pusė (energiją išlaisvinantys žingsniai)

Iki šiol glikolizė ląstelėje kainavo dvi ATP molekules ir pagamino dvi mažas, tris anglies turinčias cukraus molekules. Abi šios molekulės eis per antrąją kelio pusę, ir bus išgaunama pakankamai energijos, kad būtų galima grąžinti dvi ATP molekules, naudojamas kaip pradinė investicija, ir duoti pelną dviem papildomoms ATP molekulėms ir dviem dar didesnės energijos ląstelėms NADH molekulės.

6 žingsnis. Šeštasis glikolizės etapas (9.6 pav.) Oksiduoja cukrų (glicerraldehido-3-fosfatą), išskirdamas didelės energijos elektronus, kuriuos surenka elektronų nešiklis NAD +, gaminantis NADH. Tada cukrus fosforilinamas pridedant antrą fosfatų grupę, gaminant 1,3-bisfosfogliceratą. Atkreipkite dėmesį, kad antrajai fosfatų grupei nereikia kitos ATP molekulės.

Čia vėl yra galimas šio kelio ribojantis veiksnys. Reakcijos tęstinumas priklauso nuo to, ar yra prieinama oksiduota elektronų nešiklio NAD + forma. Taigi, norint išlaikyti šį žingsnį, NADH turi būti nuolat oksiduojamas atgal į NAD +. Jei NAD + nėra, antroji glikolizės pusė sulėtėja arba sustoja. Jei sistemoje yra deguonies, NADH bus lengvai oksiduojamas, nors ir netiesiogiai, o didelės energijos elektronai iš vandenilio, išsiskiriančio šiame procese, bus naudojami ATP gamybai. Aplinkoje be deguonies alternatyvus būdas (fermentacija) gali užtikrinti NADH oksidaciją iki NAD +, kaip aptarta 9.6 skyriuje.

7 žingsnis. Septintame etape, katalizuojamas fosfoglicerato kinazės (fermento, pavadinto atvirkštinei reakcijai), 1,3-bisfosfogliceratas paaukoja didelės energijos fosfatą ADP, sudarydamas vieną ATP molekulę. 1,3-bisfosfoglicerato karbonilo grupė oksiduojama į karboksilo grupę ir susidaro 3-fosfogliceratas.

8 žingsnis. Aštuntame etape likusi fosfatų grupė 3-fosfoglicerete juda iš trečiosios anglies į antrąją anglį ir susidaro 2-fosfogliceratas (3-fosfoglicerato izomeras). Šį žingsnį katalizuojantis fermentas yra mutazė (izomerazė).

9 žingsnis. Enolase katalizuoja devintąjį žingsnį. Dėl šio fermento 2-fosfogliceratas netenka vandens iš savo struktūros, tai yra dehidratacijos reakcija, dėl kurios susidaro dviguba jungtis, kuri padidina likusios fosfatinės jungties potencialią energiją ir gamina fosfenolpiruvatą (PEP).

10 žingsnis. Paskutinį glikolizės etapą katalizuoja fermentas piruvato kinazė (fermentas šiuo atveju pavadintas dėl atvirkštinės piruvato konversijos į PEP reakcijos) ir dėl to susidaro antroji ATP molekulė substrato lygio fosforilinimo ir junginio piruvinė rūgštis (arba jos druskos forma, piruvatas). Daugelis fermentinių takų fermentų yra pavadinti atvirkštinėmis reakcijomis, nes fermentas gali katalizuoti tiek pirmyn, tiek atvirkštines reakcijas (iš pradžių tai galėjo būti aprašyta atvirkštine reakcija, kuri vyksta in vitro nefiziologinėmis sąlygomis).

Norėdami geriau suprasti gliukozės skilimą glikolizės būdu, apsilankykite šioje svetainėje ir pamatysite, kaip veikia šis procesas.

Glikolizės rezultatai

Glikolizė prasideda gliukoze ir baigiasi dviem piruvato molekulėmis, iš viso keturiomis ATP molekulėmis ir dviem NADH molekulėmis. Pirmoje kelio pusėje buvo naudojamos dvi ATP molekulės, skirtos paruošti šešių anglies žiedą skilimui, todėl ląstelė turi gryną dviejų ATP molekulių ir 2 NADH molekulių naudą. Jei ląstelė negali katabolizuoti piruvato molekulių toliau, ji iš vienos gliukozės molekulės surinks tik dvi ATP molekules. Subrendę žinduolių raudonieji kraujo kūneliai nesugeba aerobinis kvėpavimas- procesas, kurio metu organizmai paverčia energiją esant deguoniui, o glikolizė yra vienintelis jų ATP šaltinis. Nutraukus glikolizę, šios ląstelės praranda gebėjimą išlaikyti natrio-kalio siurblius ir galiausiai miršta.

Paskutinis glikolizės etapas neįvyks, jei nepakanka piruvato kinazės - fermento, katalizuojančio piruvato susidarymą. Esant tokiai situacijai, visas glikolizės kelias tęsis, tačiau antroje pusėje bus pagamintos tik dvi ATP molekulės. Taigi piruvato kinazė yra greitį ribojantis fermentas glikolizei.

Pagrindiniai išsinešimai

  • Atsiranda beveik visų gyvų ląstelių citoplazmoje
  • Jis yra anaerobinis, nes jam nereikia deguonies
  • Pradedama nuo gliukozės, 2 ATP ir 2 NAD.
  • Baigiasi 2 piruvato molekulėmis, 2 ATP ir 2 NADH tinklu.

B9.3 Anaerobinis kvėpavimas

docx, 15,29 KB pptx, 486,93 KB

AQA GCSE mokslai (9-1)
Biologija: B9 Kvėpavimas
3 pamoka: B9.3 Anaerobinis kvėpavimas
Remiantis „Kerboodle“ ištekliais

„AQA Kerboodle“ darbalapis neįtrauktas, kad veiktų pagal TES elgesio kodeksą.

Raktiniai žodžiai: Anaerobinis kvėpavimas, Pieno rūgštis, Deguonies skola

Gaukite šį išteklių kaip paketo dalį ir sutaupykite iki 38%

Rinkinys - tai išteklių paketas, sugrupuotas kartu, kad vienoje vietoje būtų galima dėstyti tam tikrą temą arba pamokų seriją.

B9 Kvėpavimas

Sutaupykite £ 3 (38%) Įskaičiuota: B9.1 Aerobinis kvėpavimas B9.2 Repsensas mankštai B9.3 Anaerobinis kvėpavimas B9.4 Metabolizmas Atkreipkite dėmesį: turėjau pašalinti AQA darbalapius, kad galėčiau laikytis TES elgesio kodekso. Įtraukti tik mano darbalapiai ir PPT.

Atsiliepimai

Reitingas turi atspindėti jūsų laimę.

Gera palikti atsiliepimą.

Kažkas nepavyko. Vėliau bandykite dar kartą.

Šis šaltinis dar nebuvo peržiūrėtas

Norėdami užtikrinti mūsų atsiliepimų kokybę, juos gali peržiūrėti tik klientai, įsigiję šį šaltinį

Praneškite apie šiuos išteklius ir praneškite mums, ar jie pažeidžia mūsų sąlygas.
Mūsų klientų aptarnavimo komanda peržiūrės jūsų pranešimą ir su jumis susisieks.


Sunkių ūminių kvėpavimo takų sindromo koronaviruso E, 3a ir 8a vaidmuo replikacijoje ir patogenezėje

Viroporinai yra virusiniai baltymai, turintys jonų kanalų (IC) aktyvumą, kurie atlieka svarbų vaidmenį keliuose procesuose, įskaitant viruso replikaciją ir patogenezę. Nors daugelis koronavirusų (CoV) koduoja du viroporinus, sunkus ūminis kvėpavimo sindromas CoV (SARS-CoV) koduoja tris: 3a, E ir 8a baltymus. Be to, 3a ir E baltymai turi PDZ surišimo motyvą (PBM), kuris potencialiai gali surišti daugiau nei 400 ląstelių baltymų, kuriuose yra PDZ domenas, todėl jie gali būti svarbūs kontroliuojant ląstelių funkciją. Šiame darbe buvo atliktas lyginamasis SARS-CoV virusoporinų funkcinių motyvų tyrimas, daugiausia dėmesio skiriant E ir 3a baltymų IC ir PBM vaidmenims. Mūsų rezultatai parodė, kad maksimaliam SARS-CoV replikacijai ir virulentiškumui reikalingi viso ilgio E ir 3a baltymai, tuo tarpu viroporinas 8a turėjo tik nedidelį poveikį šiai veiklai. Virusas, kuriame trūksta ir E, ir 3a baltymų, nebuvo gyvybingas, tuo tarpu bet kurio baltymo, turinčio funkcinį PBM, buvimas atkūrė viruso gyvybingumą. E baltymų IC aktyvumas ir jo PBM buvimas buvo būtini pelių virulentiškumui. Priešingai, homologinių motyvų buvimas ar nebuvimas baltyme 3a neturėjo įtakos viruso patogeniškumui. Todėl buvo įrodytas baltymų E IC ir PBM dominavimas, palyginti su 3a baltymu, sukeliant pelių patogenezę.SVARBUMAS Visi šie rezultatai rodo pagrindinį jonų kanalo ir PBM domenų vaidmenį optimalioje viruso replikacijoje ir patogenezėje ir rodo, kad virusiniai viroporinai ir PBM yra tinkami antivirusinio gydymo ir susilpnintų SARS-CoV vakcinų mutacijų tikslai.

Raktažodžiai: PBM PDZ SARS-CoV koronaviruso virusai.

Autorių teisės © 2018 Castaño-Rodriguez ir kt.

Skaičiai

SARS-CoV viruso augimo defektų augimo kinetika ...

SARS-CoV viruso trūkumo turinčių mutantų augimo kinetika. (A) Nepakankami Vero E6 ląstelių viensluoksniai…

SARS-CoV viruso trūkumo turinčių mutantų virulentiškumas.…

SARS-CoV viruso trūkumo turinčių mutantų virulentiškumas. Buvo atliktos penkių 16 savaičių amžiaus BALB/c pelių grupės ...

SARS-CoV 3a apibūdinimas…

SARS-CoV 3a baltymų jonų kanalo apibūdinimas. A) Vieno kanalo įrašymas…

Mutacijų poveikis ...

Mutacijų poveikis SARS-CoV 3a baltymo jonų kanalų aktyvumui. Rekombinantinis…

SARS-CoV mutantų augimo kinetika…

SARS-CoV mutantų, nukreiptų į 3a baltymų jonų kanalų aktyvumą, augimo kinetika. (A) Nepakankamas…

Virusinis SARS-CoV 3a jonas…

SARS-CoV 3a jonų kanalų mutantų virulentiškumas. Penkių 16 savaičių amžiaus BALB/c pelių grupės…

PBM reikalavimas…

SARS-CoV 3a baltymo PBM reikalavimas replikacijai ir virulentiškumui. (A)…

Subcellulinės lokalizacijos analizė ...

SARS-CoV 3a ir E baltymų subcellulinės lokalizacijos analizė naudojant imunofluorescenciją.…

Subcellulinės lokalizacijos analizė ...

SARS-CoV 3a subcellulinės lokalizacijos analizė imunofluorescencijos būdu. „Vero E6“ ląstelės…

E baltymų domeno kartografavimas, reikalingas norint pakeisti 3a…

Rekombinantinio SARS-CoV viruso viruso derinys…

Rekombinantinio SARS-CoV virulentiškumas, apimantis 3a ir E baltymų PBM numušimą.…


9 skyrius – Ląstelinis kvėpavimas

· Norint atlikti daugybę užduočių, gyvoms ląstelėms reikia energijos iš išorinių šaltinių.

· Energija į daugumą ekosistemų patenka kaip saulės šviesa ir išeina kaip šiluma.

· Fotosintezė generuoja deguonį ir organines molekules, kurias eukariotų mitochondrijos naudoja kaip kurą ląstelių kvėpavimui.

· Ląstelės surenka organinėse molekulėse saugomą cheminę energiją ir naudoja ją atkurti ATP - molekulę, kuri skatina daugumą ląstelių darbų.

· Kvėpavimas turi tris pagrindinius kelius: glikolizę, citrinos rūgšties ciklą ir oksidacinį fosforilinimą.

A. Energijos surinkimo principai

1. Ląstelių kvėpavimas ir fermentacija yra kataboliniai, energiją duodantys keliai.

· Organinių molekulių atomų išdėstymas reiškia potencialią energiją.

· Fermentai katalizuoja sistemingą organinių molekulių, kuriose gausu energijos, skaidymą iki paprastesnių atliekų, turinčių mažiau energijos.

· Dalis išleistos energijos naudojama darbui atlikti, likusi dalis išsiskiria kaip šiluma.

· Kataboliniai metabolizmo keliai išskiria sudėtingose ​​organinėse molekulėse kaupiamą energiją.

· Vieno tipo kataboliniai procesai, fermentacija, veda prie dalinio cukrų skilimo, kai nėra deguonies.

· Efektyvesnis ir plačiau paplitęs katabolinis procesas, ląstelinis kvėpavimas, sunaudoja deguonį kaip reagentą, kad užbaigtų įvairių organinių molekulių skilimą.

Eukariotinėse ląstelėse mitochondrijos yra daugelio ląstelių kvėpavimo procesų vieta.

· Ląstelinis kvėpavimas iš esmės panašus į benzino deginimą automobilių variklyje, sumaišius deguonį su angliavandenilių kuru.

° Maistas yra kvėpavimo kuras. Išmetimas yra anglies dioksidas ir vanduo.

° organiniai junginiai + O2 à CO2 + H2O + energija (ATP + šiluma).

· Angliavandeniai, riebalai ir baltymai gali būti naudojami kaip kuras, tačiau labiausiai naudinga atsižvelgti į gliukozę.

° C6H12O6 + 6O2 à 6CO2 + 6H2O + energija (ATP + šiluma)

· Gliukozės katabolizmas yra eksergoniškas, kai D G yra –686 kcal vienam moliui gliukozės.

° Dalis šios energijos sunaudojama ATP, kuris gali atlikti ląstelių darbą.

2. Redokso reakcijos išskiria energiją, kai elektronai priartėja prie elektroneigiamų atomų.

· Kataboliniai keliai perduoda maisto molekulėse saugomus elektronus, išskirdami energiją, kuri naudojama ATP sintezei.

· Reakcijos, dėl kurių vienas ar keli elektronai perkeliami iš vieno reagento į kitą, yra oksidacijos redukcijos reakcijos, arba redokso reakcijos.

° Elektronų praradimas vadinamas oksidacija.

° Elektronų pridėjimas vadinamas sumažinimas.

· Valgomosios druskos susidarymas iš natrio ir chlorido yra redokso reakcija.

° Čia natris oksiduojamas ir chloras sumažėja (jo įkrova sumažėja nuo 0 iki -1).

· Apskritai: Xe− + Y à X + Ye−

° X, the electron donor, is the reduktorius and reduces Y.

° Y, the electron recipient, is the oksiduojanti medžiaga and oxidizes X.

· Redox reactions require both a donor and acceptor.

· Redox reactions also occur when the transfer of electrons is not complete but involves a change in the degree of electron sharing in covalent bonds.

° In the combustion of methane to form water and carbon dioxide, the nonpolar covalent bonds of methane (C—H) and oxygen (O=O) are converted to polar covalent bonds (C=O and O—H).

° When methane reacts with oxygen to form carbon dioxide, electrons end up farther away from the carbon atom and closer to their new covalent partners, the oxygen atoms, which are very electronegative.

° In effect, the carbon atom has partially “lost” its shared electrons. Thus, methane has been oxidized.

· The two atoms of the oxygen molecule share their electrons equally. When oxygen reacts with the hydrogen from methane to form water, the electrons of the covalent bonds are drawn closer to the oxygen.

° In effect, each oxygen atom has partially “gained” electrons, and so the oxygen molecule has been reduced.

° Oxygen is very electronegative, and is one of the most potent of all oxidizing agents.

· Energy must be added to pull an electron away from an atom.

· The more electronegative the atom, the more energy is required to take an electron away from it.

· An electron loses potential energy when it shifts from a less electronegative atom toward a more electronegative one.

· A redox reaction that relocates electrons closer to oxygen, such as the burning of methane, releases chemical energy that can do work.

3. The “fall” of electrons during respiration is stepwise, via NAD+ and an electron transport chain.

· Cellular respiration does not oxidize glucose in a single step that transfers all the hydrogen in the fuel to oxygen at one time.

· Rather, glucose and other fuels are broken down in a series of steps, each catalyzed by a specific enzyme.

° At key steps, electrons are stripped from the glucose.

° In many oxidation reactions, the electron is transferred with a proton, as a hydrogen atom.

· The hydrogen atoms are not transferred directly to oxygen but are passed first to a coenzyme called NAD+ (nicotinamide adenine dinucleotide).

· How does NAD+ trap electrons from glucose?

° Dehydrogenase enzymes strip two hydrogen atoms from the fuel (e.g., glucose), oxidizing it.

° The enzyme passes two electrons and one proton to NAD+.

° The other proton is released as H+ to the surrounding solution.

· By receiving two electrons and only one proton, NAD+ has its charge neutralized when it is reduced to NADH.

° NAD+ functions as the oxidizing agent in many of the redox steps during the catabolism of glucose.

· The electrons carried by NADH have lost very little of their potential energy in this process.

· Each NADH molecule formed during respiration represents stored energy. This energy is tapped to synthesize ATP as electrons “fall” from NADH to oxygen.

· How are electrons extracted from food and stored by NADH finally transferred to oxygen?

° Unlike the explosive release of heat energy that occurs when H2 and O2 are combined (with a spark for activation energy), cellular respiration uses an elektronų transportavimo grandinė to break the fall of electrons to O2 into several steps.

· The electron transport chain consists of several molecules (primarily proteins) built into the inner membrane of a mitochondrion.

· Electrons released from food are shuttled by NADH to the “top” higher-energy end of the chain.

· At the “bottom” lower-energy end, oxygen captures the electrons along with H+ to form water.

· Electron transfer from NADH to oxygen is an exergonic reaction with a free energy change of −53 kcal/mol.

· Electrons are passed to increasingly electronegative molecules in the chain until they reduce oxygen, the most electronegative receptor.

· In summary, during cellular respiration, most electrons travel the following “downhill” route: food à NADH à electron transport chain à oxygen.

B. The Process of Cellular Respiration

1. These are the stages of cellular respiration: a preview.

· Respiration occurs in three metabolic stages: glycolysis, the citric acid cycle, and the electron transport chain and oxidative phosphorylation.

· Glikolizė occurs in the cytoplasm.

° It begins catabolism by breaking glucose into two molecules of pyruvate.

· The citrinos rūgšties ciklas occurs in the mitochondrial matrix.

° It completes the breakdown of glucose by oxidizing a derivative of pyruvate to carbon dioxide.

· Several steps in glycolysis and the citric acid cycle are redox reactions in which dehydrogenase enzymes transfer electrons from substrates to NAD+, forming NADH.

· NADH passes these electrons to the electron transport chain.

· In the electron transport chain, the electrons move from molecule to molecule until they combine with molecular oxygen and hydrogen ions to form water.

· As they are passed along the chain, the energy carried by these electrons is transformed in the mitochondrion into a form that can be used to synthesize ATP via oxidative phosphorylation.

· The inner membrane of the mitochondrion is the site of electron transport and chemiosmosis, processes that together constitute oxidative phosphorylation.

° Oxidative phosphorylation produces almost 90% of the ATP generated by respiration.

· Some ATP is also formed directly during glycolysis and the citric acid cycle by substrate-level phosphorylation.

° Here an enzyme transfers a phosphate group from an organic substrate to ADP, forming ATP.

· For each molecule of glucose degraded to carbon dioxide and water by respiration, the cell makes up to 38 ATP, each with 7.3 kcal/mol of free energy.

· Respiration uses the small steps in the respiratory pathway to break the large denomination of energy contained in glucose into the small change of ATP.

° The quantity of energy in ATP is more appropriate for the level of work required in the cell.

2. Glycolysis harvests chemical energy by oxidizing glucose to pyruvate.

· During glycolysis, glucose, a six carbon-sugar, is split into two three-carbon sugars.

· These smaller sugars are oxidized and rearranged to form two molecules of pyruvate, the ionized form of pyruvic acid.

· Each of the ten steps in glycolysis is catalyzed by a specific enzyme.

· These steps can be divided into two phases: an energy investment phase and an energy payoff phase.

· In the energy investment phase, the cell invests ATP to provide activation energy by phosphorylating glucose.

° This requires 2 ATP per glucose.

· In the energy payoff phase, ATP is produced by substrate-level phosphorylation and NAD+ is reduced to NADH by electrons released by the oxidation of glucose.

· The net yield from glycolysis is 2 ATP and 2 NADH per glucose.

° No CO2 is produced during glycolysis.

· Glycolysis can occur whether O2 is present or not.

3. The citric acid cycle completes the energy-yielding oxidation of organic molecules.

· More than three-quarters of the original energy in glucose is still present in the two molecules of pyruvate.

· If oxygen is present, pyruvate enters the mitochondrion where enzymes of the citric acid cycle complete the oxidation of the organic fuel to carbon dioxide.

· After pyruvate enters the mitochondrion via active transport, it is converted to a compound called acetyl coenzyme A or acetyl CoA.

· This step is accomplished by a multienzyme complex that catalyzes three reactions:

1. A carboxyl group is removed as CO2.

2. The remaining two-carbon fragment is oxidized to form acetate. An enzyme transfers the pair of electrons to NAD+ to form NADH.

3. Acetate combines with coenzyme A to form the very reactive molecule acetyl CoA.

· Acetyl CoA is now ready to feed its acetyl group into the citric acid cycle for further oxidation.

· The citric acid cycle is also called the Krebs cycle in honor of Hans Krebs, who was largely responsible for elucidating its pathways in the 1930s.

· The citric acid cycle oxidizes organic fuel derived from pyruvate.

° The citric acid cycle has eight steps, each catalyzed by a specific enzyme.

° The acetyl group of acetyl CoA joins the cycle by combining with the compound oxaloacetate, forming citrate.

° The next seven steps decompose the citrate back to oxaloacetate. It is the regeneration of oxaloacetate that makes this process a cycle.

° Three CO2 molecules are released, including the one released during the conversion of pyruvate to acetyl CoA.

· The cycle generates one ATP per turn by substrate-level phosphorylation.

° A GTP molecule is formed by substrate-level phosphorylation.

° The GTP is then used to synthesize an ATP, the only ATP generated directly by the citric acid cycle.

· Most of the chemical energy is transferred to NAD+ and FAD during the redox reactions.

· The reduced coenzymes NADH and FADH2 then transfer high-energy electrons to the electron transport chain.

· Each cycle produces one ATP by substrate-level phosphorylation, three NADH, and one FADH2 per acetyl CoA.

4. The inner mitochondrial membrane couples electron transport to ATP synthesis.

· Only 4 of 38 ATP ultimately produced by respiration of glucose are produced by substrate-level phosphorylation.

° Two are produced during glycolysis, and 2 are produced during the citric acid cycle.

· NADH and FADH2 account for the vast majority of the energy extracted from the food.

° These reduced coenzymes link glycolysis and the citric acid cycle to oxidative phosphorylation, which uses energy released by the electron transport chain to power ATP synthesis.

· The electron transport chain is a collection of molecules embedded in the cristae, the folded inner membrane of the mitochondrion.

° The folding of the cristae increases its surface area, providing space for thousands of copies of the chain in each mitochondrion.

° Most components of the chain are proteins bound to prosthetic groups, nonprotein components essential for catalysis.

· Electrons drop in free energy as they pass down the electron transport chain.

· During electron transport along the chain, electron carriers alternate between reduced and oxidized states as they accept and donate electrons.

° Each component of the chain becomes reduced when it accepts electrons from its “uphill” neighbor, which is less electronegative.

° It then returns to its oxidized form as it passes electrons to its more electronegative “downhill” neighbor.

· Electrons carried by NADH are transferred to the first molecule in the electron transport chain, a flavoprotein.

· The electrons continue along the chain that includes several cytochrome proteins and one lipid carrier.

° The prosthetic group of each cytochrome is a heme group with an iron atom that accepts and donates electrons.

· The last cytochrome of the chain, cyt a3, passes its electrons to oxygen, which is very electronegative.

° Each oxygen atom also picks up a pair of hydrogen ions from the aqueous solution to form water.

° For every two electron carriers (four electrons), one O2 molecule is reduced to two molecules of water.

· The electrons carried by FADH2 have lower free energy and are added at a lower energy level than those carried by NADH.

° The electron transport chain provides about one-third less energy for ATP synthesis when the electron donor is FADH2 rather than NADH.

· The electron transport chain generates no ATP directly.

· Its function is to break the large free energy drop from food to oxygen into a series of smaller steps that release energy in manageable amounts.

· How does the mitochondrion couple electron transport and energy release to ATP synthesis?

° The answer is a mechanism called chemiosmosis.

· A protein complex, ATP synthase, in the cristae actually makes ATP from ADP and Pi.

· ATP uses the energy of an existing proton gradient to power ATP synthesis.

° The proton gradient develops between the intermembrane space and the matrix.

· The proton gradient is produced by the movement of electrons along the electron transport chain.

· The chain is an energy converter that uses the exergonic flow of electrons to pump H+ from the matrix into the intermembrane space.

· The protons pass back to the matrix through a channel in ATP synthase, using the exergonic flow of H+ to drive the phosphorylation of ADP.

· Thus, the energy stored in a H+ gradient across a membrane couples the redox reactions of the electron transport chain to ATP synthesis.

· From studying the structure of ATP synthase, scientists have learned how the flow of H+ through this large enzyme powers ATP generation.

· ATP synthase is a multisubunit complex with four main parts, each made up of multiple polypeptides:

1. A rotor in the inner mitochondrial membrane.

2. A knob that protrudes into the mitochondrial matrix.

3. An internal rod extending from the rotor into the knob.

4. A stator, anchored next to the rotor, which holds the knob stationary.

· Protons flow down a narrow space between the stator and rotor, causing the rotor and its attached rod to rotate.

° The spinning rod causes conformational changes in the stationary knob, activating three catalytic sites in the knob where ADP and inorganic phosphate combine to make ATP.

· How does the inner mitochondrial membrane generate and maintain the H+ gradient that drives ATP synthesis in the ATP synthase protein complex?

° Creating the H+ gradient is the function of the electron transport chain.

° The ETC is an energy converter that uses the exergonic flow of electrons to pump H+ across the membrane from the mitochondrial matrix to the intermembrane space.

° The H+ has a tendency to diffuse down its gradient.

· The ATP synthase molecules are the only place that H+ can diffuse back to the matrix.

° The exergonic flow of H+ is used by the enzyme to generate ATP.

° This coupling of the redox reactions of the electron transport chain to ATP synthesis is called chemiosmosis.

· How does the electron transport chain pump protons?

° Certain members of the electron transport chain accept and release H+ along with electrons.

° At certain steps along the chain, electron transfers cause H+ to be taken up and released into the surrounding solution.

· The electron carriers are spatially arranged in the membrane in such a way that protons are accepted from the mitochondrial matrix and deposited in the intermembrane space.

° The H+ gradient that results is the proton-motive force.

° The gradient has the capacity to do work.

· Chemiosmosis is an energy-coupling mechanism that uses energy stored in the form of an H+ gradient across a membrane to drive cellular work.

· In mitochondria, the energy for proton gradient formation comes from exergonic redox reactions, and ATP synthesis is the work performed.

· Chemiosmosis in chloroplasts also generates ATP, but light drives the electron flow down an electron transport chain and H+ gradient formation.

· Prokaryotes generate H+ gradients across their plasma membrane.

° They can use this proton-motive force not only to generate ATP, but also to pump nutrients and waste products across the membrane and to rotate their flagella.

5. Here is an accounting of ATP production by cellular respiration.

· During cellular respiration, most energy flows from glucose à NADH à electron transport chain à proton-motive force à ATP.

· Let’s consider the products generated when cellular respiration oxidizes a molecule of glucose to six CO2 molecules.

· Four ATP molecules are produced by substrate-level phosphorylation during glycolysis and the citric acid cycle.

· Many more ATP molecules are generated by oxidative phosphorylation.

· Each NADH from the citric acid cycle and the conversion of pyruvate contributes enough energy to the proton-motive force to generate a maximum of 3 ATP.

° The NADH from glycolysis may also yield 3 ATP.

· Each FADH2 from the citric acid cycle can be used to generate about 2 ATP.

· Why is our accounting so inexact?

· There are three reasons that we cannot state an exact number of ATP molecules generated by one molecule of glucose.

1. Phosphorylation and the redox reactions are not directly coupled to each other, so the ratio of number of NADH to number of ATP is not a whole number.

° One NADH results in 10 H+ being transported across the inner mitochondrial membrane.

° Between 3 and 4 H+ must reenter the mitochondrial matrix via ATP synthase to generate 1 ATP.

° Therefore, 1 NADH generates enough proton-motive force for synthesis of 2.5 to 3.3 ATP.

° We round off and say that 1 NADH generates 3 ATP.

2. The ATP yield varies slightly depending on the type of shuttle used to transport electrons from the cytosol into the mitochondrion.

° The mitochondrial inner membrane is impermeable to NADH, so the two electrons of the NADH produced in glycolysis must be conveyed into the mitochondrion by one of several electron shuttle systems.

° In some shuttle systems, the electrons are passed to NAD+, which generates 3 ATP. In others, the electrons are passed to FAD, which generates only 2 ATP.

3. The proton-motive force generated by the redox reactions of respiration may drive other kinds of work, such as mitochondrial uptake of pyruvate from the cytosol.

° If all the proton-motive force generated by the electron transport chain were used to drive ATP synthesis, one glucose molecule could generate a maximum of 34 ATP by oxidative phosphorylation plus 4 ATP (net) from substrate-level phosphorylation to give a total yield of 36–38 ATP (depending on the efficiency of the shuttle).

· How efficient is respiration in generating ATP?

° Complete oxidation of glucose releases 686 kcal/mol.

° Phosphorylation of ADP to form ATP requires at least 7.3 kcal/mol.

° Efficiency of respiration is 7.3 kcal/mol times 38 ATP/glucose divided by 686 kcal/mol glucose, which equals 0.4 or 40%.

° Approximately 60% of the energy from glucose is lost as heat.

§ Some of that heat is used to maintain our high body temperature (37°C).

· Cellular respiration is remarkably efficient in energy conversion.

C. Related Metabolic Processes

1. Fermentation enables some cells to produce ATP without the help of oxygen.

· Without electronegative oxygen to pull electrons down the transport chain, oxidative phosphorylation ceases.

· However, fermentation provides a mechanism by which some cells can oxidize organic fuel and generate ATP without the use of oxygen.

° In glycolysis, glucose is oxidized to two pyruvate molecules with NAD+ as the oxidizing agent.

° Glycolysis is exergonic and produces 2 ATP (net).

° If oxygen is present, additional ATP can be generated when NADH delivers its electrons to the electron transport chain.

· Glycolysis generates 2 ATP whether oxygen is present (aerobic) arba ne (anaerobic).

· Anaerobic catabolism of sugars can occur by fermentation.

· Fermentation can generate ATP from glucose by substrate-level phosphorylation as long as there is a supply of NAD+ to accept electrons.

° If the NAD+ pool is exhausted, glycolysis shuts down.

° Under aerobic conditions, NADH transfers its electrons to the electron transfer chain, recycling NAD+.

· Under anaerobic conditions, various fermentation pathways generate ATP by glycolysis and recycle NAD+ by transferring electrons from NADH to pyruvate or derivatives of pyruvate.

· In alcohol fermentation, pyruvate is converted to ethanol in two steps.

° First, pyruvate is converted to a two-carbon compound, acetaldehyde, by the removal of CO2.

° Second, acetaldehyde is reduced by NADH to ethanol.

° Alcohol fermentation by yeast is used in brewing and winemaking.

· During lactic acid fermentation, pyruvate is reduced directly by NADH to form lactate (the ionized form of lactic acid) without release of CO2.

° Lactic acid fermentation by some fungi and bacteria is used to make cheese and yogurt.

° Human muscle cells switch from aerobic respiration to lactic acid fermentation to generate ATP when O2 is scarce.

§ The waste product, lactate, may cause muscle fatigue, but ultimately it is converted back to pyruvate in the liver.

· Fermentation and cellular respiration are anaerobic and aerobic alternatives, respectively, for producing ATP from sugars.

° Both use glycolysis to oxidize sugars to pyruvate with a net production of 2 ATP by substrate-level phosphorylation.

° Both use NAD+ as an oxidizing agent to accept electrons from food during glycolysis.

· The two processes differ in their mechanism for oxidizing NADH to NAD+.

° In fermentation, the electrons of NADH are passed to an organic molecule to regenerate NAD+.

° In respiration, the electrons of NADH are ultimately passed to O2, generating ATP by oxidative phosphorylation.

· More ATP is generated from the oxidation of pyruvate in the citric acid cycle.

° Without oxygen, the energy still stored in pyruvate is unavailable to the cell.

° Under aerobic respiration, a molecule of glucose yields 38 ATP, but the same molecule of glucose yields only 2 ATP under anaerobic respiration.

· Yeast and many bacteria are facultative anaerobes that can survive using either fermentation or respiration.

° At a cellular level, human muscle cells can behave as facultative anaerobes.

· For facultative anaerobes, pyruvate is a fork in the metabolic road that leads to two alternative routes.

° Under aerobic conditions, pyruvate is converted to acetyl CoA and oxidation continues in the citric acid cycle.

° Under anaerobic conditions, pyruvate serves as an electron acceptor to recycle NAD+.

· The oldest bacterial fossils are more than 3.5 billion years old, appearing long before appreciable quantities of O2 accumulated in the atmosphere.

° Therefore, the first prokaryotes may have generated ATP exclusively from glycolysis.

· The fact that glycolysis is a ubiquitous metabolic pathway and occurs in the cytosol without membrane-enclosed organelles suggests that glycolysis evolved early in the history of life.

2. Glycolysis and the citric acid cycle connect to many other metabolic pathways.

· Glycolysis can accept a wide range of carbohydrates for catabolism.

° Polysaccharides like starch or glycogen can be hydrolyzed to glucose monomers that enter glycolysis.

° Other hexose sugars, such as galactose and fructose, can also be modified to undergo glycolysis.

· The other two major fuels, proteins and fats, can also enter the respiratory pathways used by carbohydrates.

· Proteins must first be digested to individual amino acids.

° Amino acids that will be catabolized must have their amino groups removed via deamination.

° The nitrogenous waste is excreted as ammonia, urea, or another waste product.

· The carbon skeletons are modified by enzymes and enter as intermediaries into glycolysis or the citric acid cycle, depending on their structure.

· Catabolism can also harvest energy stored in fats.

· Fats must be digested to glycerol and fatty acids.

° Glycerol can be converted to glyceraldehyde phosphate, an intermediate of glycolysis.

° The rich energy of fatty acids is accessed as fatty acids are split into two-carbon fragments via beta oxidation.

° These molecules enter the citric acid cycle as acetyl CoA.

· A gram of fat oxides by respiration generates twice as much ATP as a gram of carbohydrate.

· The metabolic pathways of respiration also play a role in anabolic pathways of the cell.

· Intermediaries in glycolysis and the citric acid cycle can be diverted to anabolic pathways.

° For example, a human cell can synthesize about half the 20 different amino acids by modifying compounds from the citric acid cycle.

° Glucose can be synthesized from pyruvate fatty acids can be synthesized from acetyl CoA.

· Glycolysis and the citric acid cycle function as metabolic interchanges that enable cells to convert one kind of molecule to another as needed.

° For example, excess carbohydrates and proteins can be converted to fats through intermediaries of glycolysis and the citric acid cycle.

· Metabolism is remarkably versatile and adaptable.

3. Feedback mechanisms control cellular respiration.

· Basic principles of supply and demand regulate the metabolic economy.

° If a cell has an excess of a certain amino acid, it typically uses feedback inhibition to prevent the diversion of intermediary molecules from the citric acid cycle to the synthesis pathway of that amino acid.

· The rate of catabolism is also regulated, typically by the level of ATP in the cell.

° If ATP levels drop, catabolism speeds up to produce more ATP.

· Control of catabolism is based mainly on regulating the activity of enzymes at strategic points in the catabolic pathway.

· One strategic point occurs in the third step of glycolysis, catalyzed by phosphofructokinase.

· Allosteric regulation of phosphofructokinase sets the pace of respiration.

° This enzyme catalyzes the earliest step that irreversibly commits the substrate to glycolysis.

° Phosphofructokinase is an allosteric enzyme with receptor sites for specific inhibitors and activators.

° It is inhibited by ATP and stimulated by AMP (derived from ADP).

§ When ATP levels are high, inhibition of this enzyme slows glycolysis.

§ As ATP levels drop and ADP and AMP levels rise, the enzyme becomes active again and glycolysis speeds up.

· Citrate, the first product of the citric acid cycle, is also an inhibitor of phosphofructokinase.

° This synchronizes the rate of glycolysis and the citric acid cycle.

· If intermediaries from the citric acid cycle are diverted to other uses (e.g., amino acid synthesis), glycolysis speeds up to replace these molecules.

· Metabolic balance is augmented by the control of other enzymes at other key locations in glycolysis and the citric acid cycle.


9.3: Breathing - Biology

ATP Synthase (Image from the Nobel Prize Foundation)

Chapter 9
Ląstelinis kvėpavimas

In this chapter, students will read about the process of cellular respiration. They will read about the major steps in this process and how it differs from the anaerobic processes of alcoholic and lactic acid fermentation. The links below lead to additional resources to help you with this chapter. Jie apima Hot Links to Web sites related to the topics in this chapter, the Take It to the Net activities referred to in your textbook, a Self-Test you can use to test your knowledge of this chapter, and Teaching Links that instructors may find useful for their students.

Hot Links Take it to the Net
Chapter Self-Test Teaching Links


What are Web Codes?
Web Codes for Chapter 9:
Active Art: Cellular Respiration
Miller & Levine: Issue: Should Creatine Supplements be Banned?
Data Sharing: Making Kimchi
SciLinks: Cellular Respiration
SciLinks: Krebs Cycle
Self-Test

Section 9-1: Chemical Pathways
Cellular respiration is the process that releases energy by breaking down food molecules in the presence of oxygen.
Glycolysis is the process in which one molecule of glucose is broken in half, producing two molecules of pyruvic acid, a 3-carbon compound.
Glycolysis captures two pairs of high-energy electrons with the carrier NAD+.
Because glycolysis does not require oxygen, it supplies chemical energy to cells when oxygen is not available.
The two main types of fermentation are alcoholic fermentation and lactic acid fermentation.
In the absence of oxygen, yeast and a few other microorganisms use alcoholic fermentation, forming ethyl alcohol and carbon dioxide as wastes.
Animals cannot perform alcoholic fermentation, but some cells, such as human muscle cells, can convert glucose into lactic acid. This is called lactic acid fermentation.

Section 9-2: The Krebs Cycle and Electron Transport
During the Krebs cycle, pyruvic acid is broken down into carbon dioxide in a series of energy-extracting reactions.
The electron transport chain uses the high-energy electrons from the Krebs cycle to convert ADP into ATP.
The products of photosynthesis are similar to the reactants of cellular respiration. The products of cellular respiration are the reactants of photosynthesis.

What's your opinion on the use of Creatine Supplements in sports training? Check out this Issue in Biology on Page 233.


9.3: Breathing - Biology

In order to see how gas exchange occurs we need to look further into the lungs. Firstly we know that air enters the body through the mouth or nose, from here it moves to the pharynx (throat), passes through the larynx (voice box) and enters the trachėja. The trachea splits into two branches, the left and right bronchus, each bronchus divides many times into smaller branches called bronchioles. Each bronchiole finally leads to a bunch of tiny air sacs, called alveolės, which inflate during inhalation, and deflate during exhalation.

It is at the alveoli where gas exchange vyksta.

Gas exchange is the delivery of oxygen from the lungs to the bloodstream, and the elimination of carbon dioxide from the bloodstream to the lungs and out of the body.

Air enters the body through the mouth and nose, from here it moves to the pharynx (throat), passes through the larynx (voice box) and enters the trachea.

The trachea splits into two branches, the left and right bronchus, each bronchus divides many times into smaller branches called bronchioles.

Each bronchiole finally leads to a bunch of tiny air sacs, called alveoli, which inflate during inhalation, and deflate during exhalation.

Gas exchange is the delivery of oxygen from the lungs to the bloodstream, and the elimination of carbon dioxide from the bloodstream to the lungs and out of the body. It takes place in the alveoli.

The walls of the alveoli are surrounded by a network of blood capillaries. In fact the alveoli walls share a membrane with the capillaries which allows for oxygen to diffuse through the alveoli wall and enter the bloodstream and then travel to the heart. At the same time it allows for carbon dioxide to diffuse from the bloodstream into the alveoli and exhaled out of the body. Both oxygen and carbon dioxide move from areas of high concentration to areas of lower concentration.


Žiūrėti video įrašą: Lecture51일반생물2SMWU20202 (Sausis 2022).