Informație

9.3: Fermentarea și regenerarea NAD + - Biologie


Fermentarea și regenerarea NAD +

Rezumatul secțiunii

Această secțiune discută procesul de fermentare. Datorită accentului puternic din acest curs asupra metabolismului central al carbonului, discuția despre fermentație se concentrează în mod înțeles pe fermentarea piruvatului. Cu toate acestea, unele dintre principiile de bază pe care le acoperim în această secțiune se aplică la fel de bine la fermentarea multor alte molecule mici.

„Scopul” fermentației

Oxidarea unei varietăți de compuși organici mici este un proces care este utilizat de multe organisme pentru a obține energie pentru întreținerea și creșterea celulară. Oxidarea glucozei prin glicoliză este una dintre aceste căi. Câțiva pași cheie în oxidarea glucozei în piruvat implică reducerea navetei de electroni / energie NAD+ către NADH. Vi s-a cerut deja să aflați ce opțiuni ar putea avea celula în mod rezonabil pentru a reoxida NADH în NAD+ pentru a evita consumul grupurilor disponibile de NAD+ și pentru a evita astfel oprirea glicolizei. Altfel spus, în timpul glicolizei, celulele pot genera cantități mari de NADH și își pot epuiza încet rezervele de NAD+. Dacă glicoliza va continua, celula trebuie să găsească o modalitate de a regenera NAD+, fie prin sinteză, fie printr-o formă de reciclare.

În absența oricărui alt proces - adică, dacă luăm în considerare numai glicoliza - nu este imediat evident ce ar putea face celula. O alegere este să încercați să puneți electronii care odată au fost scoși din derivații glucozei chiar înapoi pe produsul din aval, piruvat sau unul dintre derivații săi. Putem generaliza procesul descriindu-l ca întoarcerea electronilor la molecula pe care au fost odată îndepărtați, de obicei pentru a restabili bazinele unui agent oxidant. Aceasta, pe scurt, este fermentarea. După cum vom discuta într-o altă secțiune, procesul de respirație poate, de asemenea, să regenereze bazinele NAD+ de la NADH. Celulele lipsite de lanțuri respiratorii sau în condiții în care utilizarea lanțului respirator este nefavorabil pot alege fermentația ca mecanism alternativ pentru obținerea energiei din molecule mici.

Un exemplu: fermentarea acidului lactic

Un exemplu zilnic de reacție de fermentare este reducerea piruvatului la lactat prin reacția de fermentare a acidului lactic. Această reacție ar trebui să vă fie familiară: apare în mușchii noștri atunci când ne exercităm în timpul exercițiului. Când ne exercităm, mușchii noștri necesită cantități mari de ATP pentru a efectua munca pe care o solicităm de la ei. Pe măsură ce se consumă ATP, celulele musculare nu sunt în măsură să țină pasul cu cererea de respirație, O2 devine limitativ, iar NADH se acumulează. Celulele trebuie să scape de exces și să regenereze NAD+, astfel piruvatul servește ca acceptor de electroni, generând lactat și oxidând NADH în NAD+. Multe bacterii folosesc această cale ca o modalitate de a completa NADH / NAD+ ciclu. Este posibil să fiți familiarizați cu acest proces din produse precum varza murată și iaurtul. Reacția chimică a fermentației cu acid lactic este următoarea:

Piruvat + NADH ↔ acid lactic + NAD+

Figura 1. Fermentarea acidului lactic transformă piruvatul (un compus de carbon ușor oxidat) în acid lactic. În acest proces, NADH este oxidat pentru a forma NAD+. Atribuire: Marc T. Facciotti (lucrare originală)

Poveste energetică pentru fermentarea piruvatului în lactat

Un exemplu (dacă este puțin îndelungat) despre povestea energetică pentru fermentarea acidului lactic este următorul:

Reactanții sunt piruvat, NADH și un proton. Produsele sunt lactat și NAD+. Procesul de fermentare are ca rezultat reducerea piruvatului pentru a forma acid lactic și oxidarea NADH pentru a forma NAD+. Electronii de la NADH și un proton sunt folosiți pentru a reduce piruvatul în lactat. Dacă examinăm un tabel al potențialului de reducere standard, vedem în condiții standard că un transfer de electroni de la NADH la piruvat pentru a forma lactat este exergonic și, astfel, termodinamic spontan. Etapele de reducere și oxidare ale reacției sunt cuplate și catalizate de enzima lactat dehidrogenază.

Un al doilea exemplu: fermentarea alcoolului

Un alt proces familiar de fermentare este fermentarea cu alcool, care produce etanol, un alcool. Reacția de fermentare a alcoolului este următoarea:

Figura 2. Fermentarea cu etanol este un proces în doi pași. Piruvatul (acid piruvic) este mai întâi transformat în dioxid de carbon și acetaldehidă. A doua etapă transformă acetaldehida în etanol și oxidează NADH în NAD+. Facciotti (lucrare originală)

În prima reacție, o grupă carboxil este îndepărtată din acidul piruvic, eliberând dioxid de carbon ca gaz (unii dintre voi s-ar putea să fie familiarizați cu acest lucru ca o componentă cheie a diferitelor băuturi). A doua reacție îndepărtează electronii din NADH, formând NAD+ și producerea de etanol (un alt compus familiar - de obicei în aceeași băutură) din acetaldehidă, care acceptă electronii.

Discuție sugerată

Scrieți o poveste energetică completă pentru fermentarea alcoolului. Propuneți posibilele beneficii ale acestui tip de fermentație pentru organismul de drojdie unicelulară.

Căile de fermentație sunt numeroase

În timp ce căile de fermentare a acidului lactic și de fermentare a alcoolului descrise mai sus sunt exemple, există mult mai multe reacții (prea numeroase pentru a fi trecute) pe care Natura le-a evoluat pentru a completa NADH / NAD+ ciclu. Este important să înțelegeți conceptele generale din spatele acestor reacții. În general, celulele încearcă să mențină un echilibru sau un raport constant între NADH și NAD+; când acest raport devine dezechilibrat, celula compensează modulând alte reacții pentru a compensa. Singura cerință pentru o reacție de fermentare este că folosește un compus organic mic ca acceptor de electroni pentru NADH și regenerează NAD+. Alte reacții familiare de fermentație includ fermentația cu etanol (ca la bere și pâine), fermentația propionică (este ceea ce face găurile din brânza elvețiană) și fermentația malolactică (este ceea ce îi conferă lui Chardonnay aroma sa mai moale - cu atât mai multă conversie a malatului în lactat, mai moale vinul). În Figura 3, puteți vedea o mare varietate de reacții de fermentare pe care diverse bacterii le folosesc pentru a reoxida NADH în NAD+. Toate aceste reacții încep cu piruvatul sau un derivat al metabolismului piruvatului, cum ar fi oxaloacetat sau formiat. Piruvatul este produs din oxidarea zaharurilor (glucoză sau riboză) sau a altor molecule organice mici, reduse. De asemenea, trebuie remarcat faptul că alți compuși pot fi folosiți ca substraturi de fermentare în afară de piruvat și derivații săi. Acestea includ fermentarea cu metan, fermentarea cu sulfuri sau fermentarea compușilor azotati, cum ar fi aminoacizii. Nu trebuie să memorați toate aceste căi. Cu toate acestea, vă așteptați să recunoașteți o cale care returnează electronii către produsele compușilor care au fost inițial oxidați pentru a recicla NAD+/ NADH și pentru a asocia acest proces cu fermentarea.

Figura 3. Această figură prezintă diferite căi de fermentare folosind piruvatul ca substrat inițial. În figură, piruvatul este redus la o varietate de produse prin reacții diferite și uneori cu mai multe etape (săgețile punctate reprezintă posibile procese cu mai multe etape). Toate detaliile nu sunt afișate în mod deliberat. Punctul cheie este să apreciem că fermentația este un termen larg care nu este asociat doar cu conversia piruvatului în acid lactic sau etanol. Sursa: Marc T. Facciotti (lucrare originală)

O notă despre legătura dintre fosforilarea la nivel de substrat și fermentare

Fermentarea are loc în absența oxigenului molecular (O2). Este un proces anaerob. Observați că nu există O2 în oricare dintre reacțiile de fermentare prezentate mai sus. Multe dintre aceste reacții sunt destul de vechi, presupuse a fi unele dintre primele reacții metabolice generatoare de energie care au evoluat. Acest lucru are sens dacă luăm în considerare următoarele:

  1. Atmosfera timpurie a fost foarte redusă, cu puțin oxigen molecular ușor disponibil.
  2. Moleculele organice mici, foarte reduse, erau relativ disponibile, rezultând dintr-o varietate de reacții chimice.
  3. Aceste tipuri de reacții, căi și enzime se găsesc în multe tipuri diferite de organisme, inclusiv bacterii, arhee și eucariote, sugerând că acestea sunt reacții foarte vechi.
  4. Procesul a evoluat cu mult înainte de O2 a fost găsit în mediu.
  5. Substraturile, molecule organice mici foarte reduse, cum ar fi glucoza, au fost ușor disponibile.
  6. Produsele finale ale multor reacții de fermentare sunt acizi organici mici, produși de oxidarea substratului inițial.
  7. Procesul este cuplat cu reacții de fosforilare la nivel de substrat. Adică, molecule organice mici, reduse, sunt oxidate, iar ATP este generat mai întâi de o reacție roșu / ox, urmată de fosforilarea la nivel de substrat.
  8. Acest lucru sugerează că reacțiile de fosforilare și fermentare la nivel de substrat au evoluat împreună.

Discuție sugerată

Dacă ipoteza este corectă că reacțiile de fosforilare și fermentare la nivel de substrat au co-evoluat și au fost primele forme de metabolism energetic pe care celulele le-au folosit pentru a genera ATP, atunci care ar fi consecințele acestor reacții în timp? Ce s-ar întâmpla dacă acestea ar fi singurele forme de metabolism energetic disponibile pe parcursul a sute de mii de ani? Ce se întâmplă dacă celulele ar fi izolate într-un mediu mic și închis? Ce se întâmplă dacă substraturile mici și reduse nu ar fi produse la aceeași rată de consum în acest timp?

Consecințele fermentației

Imaginați-vă o lume în care fermentația este modul principal pentru extragerea energiei din molecule mici. Pe măsură ce populațiile prosperă, acestea se reproduc și consumă abundența moleculelor organice mici, reduse din mediu, producând acizi. O consecință este acidificarea (scăderea pH-ului) a mediului, inclusiv mediul celular intern. Acest lucru poate fi perturbator, deoarece modificările pH-ului pot avea o influență profundă asupra funcției și interacțiunilor dintre diferite biomolecule. Prin urmare, mecanismele necesare pentru a evolua care ar putea elimina diferiții acizi. Din fericire, într-un mediu bogat în compuși reduși, fosforilarea și fermentarea la nivel de substrat pot produce cantități mari de ATP.

Se presupune că acest scenariu a fost începutul evoluției F0F1-ATPaza, o mașină moleculară care hidrolizează ATP și translocează protoni peste membrană (vom vedea acest lucru din nou în secțiunea următoare). Cu F0F1-ATPaza, ATP produs din fermentație ar putea permite acum celulei să mențină homeostazia pH-ului prin cuplarea energiei libere a hidrolizei ATP la transportul protonilor din celulă. Dezavantajul este că celulele pompează acum toți acești protoni în mediu, care acum vor începe să se acidifice.

Discuție sugerată

Dacă ipoteza este corectă că F0F1-ATPase a co-evoluat și cu reacții de fosforilare și fermentare la nivel de substrat, atunci ce s-ar întâmpla în timp cu mediul? În timp ce compușii organici mici, reduși, ar fi putut fi inițial abundenți, dacă fermentația „a decolat” la un moment dat, atunci compușii reduși s-ar epuiza, iar ATP ar putea deveni și ei puțini. Asta e o problema. Gândindu-vă la rubrica provocării de proiectare în minte, definiți problemele cu care se confruntă celula în acest mediu ipotezat. Care sunt alte potențiale mecanisme sau modalități prin care Natura ar putea depăși problema (problemele)?


Fermentarea și regenerarea NAD +

Orice discuție care se concentrează pe fermentare ar trebui să se axeze pe fermentarea piruvatului. Cu toate acestea, unele dintre principiile de bază ale fermentației sunt vizibile în multe exemple în activitățile de zi cu zi. Nu contează cât de mică este o moleculă fermentarea și regenerarea NAD + este posibilă.

Rolul Fermentării

Oxidarea compușilor organici mici are loc prin microorganisme care își obțin energia din întreținerea și creșterea celulară. Un exemplu este oxidarea glucozei prin glicoze.

Unii pași esențiali necesari pentru fermentarea glucozei implică reducerea unui electron NAD + la NADH. În timpul glicozei, celulele vor genera cantități mari de NADH și vor epuiza tot aportul de NAD +. Pentru ca glicoza să continue, celula trebuie să găsească o modalitate de a regenera NAD + fie prin sinteză, fie prin reciclare.

Dacă nu există nicio altă opțiune sau proces, nimeni nu poate spune ce ar putea face celula. Putem încerca să readucem electronii care au fost eliminați anterior glucoza în produsul din aval sau într-unul din derivații săi. Fermentarea are loc atunci când încercăm să refacem bazine de agenți oxidanți (electronul eliminat anterior).

Un exemplu de fermentare: acidul lactic

Acesta este un exemplu de zi cu zi în care reducerea compusului la lactat de către acidul lactic are loc prin fermentare.

Această reacție se întâmplă cu mușchii dvs. în timpul exercițiilor. În timpul exercițiului, mușchii necesită cantități mari de adenozin trifosfat (ATP) pentru a efectua activitatea selectată. Odată ce ATP scade, fibrele musculare nu vor ține pasul cu cererea crescândă de respirație, deoarece nivelurile de oxigen devin limitate și se acumulează nicotinamidă adenină dinucleotidă (NADH). Celulele trebuie să scape de exces și să regenereze NAD +, astfel piruvatul își va asuma rolul de acceptor de electroni și va începe să genereze lactat și să oxideze NADH la NAD +. Majoritatea bacteriilor vor folosi această cale pentru finalizarea ciclului NADH / NAD +. Exact asta se întâmplă în iaurt.

De unde vine energia în fermentație?

Agenții care reacționează, în acest caz, sunt Protonul, NADH și Piruvatul. Produsele sunt NAD + și lactat. Întregul proces de fermentare dă piruvat redus prin formarea acidului lactic oxidarea NADH pentru a forma NAD +. Electronii din NADH și proton se combină pentru a reduce piruvatul în lactat. Dacă examinăm această reacție, vom vedea că, în condiții normale, transferul de electroni de la NADH la piruvat pentru a forma lactat este o reacție exogenă și, prin urmare, un rezultat termodinamic. Fazele de reducere și oxidare ale procesului de fermentație sunt legate și catalizate de enzima lactat dehidrogenază.

Natura are mai multe căi de fermentație

Natura, așa cum o știm, a evoluat pentru a finaliza ciclul NADH / NAD +. Este important să înțelegem conceptele generale de fermentare. În general, celulele încearcă să mențină un echilibru sau un raport constant între NADH și NAD + atunci când raportul devine instabil, celulele încearcă să compenseze modulându-și activitățile celulare. Singura cerință care face ca fermentarea să fie o posibilitate este utilizarea unui compus mic (organic) ca acceptor de electroni pentru NADH și se regenerează la NAD +. Citiți mai multe despre sursele naturale de NAD +.


Rezumatul secțiunii

Dacă NADH nu poate fi metabolizat prin respirație aerobă, se folosește un alt acceptor de electroni. Majoritatea organismelor vor folosi o formă de fermentare pentru a realiza regenerarea NAD +, asigurând continuarea glicolizei. Regenerarea NAD + în fermentație nu este însoțită de producția de ATP, prin urmare, potențialul pentru NADH de a produce ATP utilizând un lanț de transport de electroni nu este utilizat.

Întrebări suplimentare de auto-verificare

1. Tremetol, o otravă metabolică găsită în planta rădăcinii de șarpe alb, previne metabolismul lactatului. Când vacile mănâncă această plantă, Tremetol este concentrat în lapte. Oamenii care consumă laptele se îmbolnăvesc. Simptomele acestei boli, care includ vărsături, dureri abdominale și tremurături, se înrăutățesc după efort. De ce crezi că este cazul?

2. Când celulele musculare rămân fără oxigen, ce se întâmplă cu potențialul de extracție a energiei din zaharuri și ce căi folosește celula?

Răspunsuri

Glosar

respirație celulară anaerobă: utilizarea unui alt acceptor de electroni în afară de oxigen pentru a completa metabolismul utilizând chemiosmoza pe bază de transport de electroni

fermentaţie: pașii care urmează oxidarea parțială a glucozei prin glicoliză pentru a regenera NAD + are loc în absența oxigenului și folosește un compus organic ca acceptor final de electroni


Procesul de fermentare ar putea fi definit în moduri diferite. Dacă ne gândim în câmpul biochimic, acesta descompune legăturile chimice din zaharuri și se transformă în energie care nu este posibil să se producă în procesul de glicoliză.

În timpul activităților noastre normale, cantitatea de oxigen pentru respirație este suficientă în corpul nostru, dar când ne implicăm în activități ridicate în viața noastră de zi cu zi, corpul nostru nu poate furniza suficient oxigen pentru celulele corpului, ca urmare, respirăm mai repede.

Deci, în acel moment, modul în care celulele corpului mențin funcția de respirație celulară fără suficient oxigen?

Fără oxigen, procesul de glicoliză poate fi continuat. Dacă este disponibil oxigen, acesta este utilizat în respirația celulară unde oxigenul preia electronii. Dar, dacă nu există electron de oxigen, nu ar fi posibil să se preia și de data aceasta procesele de glicoliză pot continua prin producerea de ATP fără oxigen.

Figura: Procesul de fermentare.

Moleculele de ATP sunt produse în procesul de glicoliză. Cu toate acestea, moleculele ATP nu sunt fabricate în procesul de fermentare, dar permite glicolizei să continue. Fermentarea poate elimina electronul din moleculele NADH și poate regenera moleculele NAD +, care este necesară pentru glicoliză care preia electronul acolo unde nu este nevoie de oxigen pentru a prelua electronii pentru continuarea funcției corpului. Procesul de glicoliză ar fi oprit dacă nu există preluarea electronilor și fără NAD + nu este posibilă preluarea electronilor din divizarea glucozei.

Cum vă poate ajuta NAD + pentru continuarea procesului de glicoliză?

Când oxigenul nu este prezent în celulă, în procesul de glicoliză, glucoza este descompusă în două molecule de piruvat prin producerea a două molecule de ATP și reduce molecula NAD + în NADH, care este un depozit de energie.

Apoi, în timpul procesului de fermentare, două molecule NADH furnizează energie pentru a transforma piruvatul în produse de fermentare. Prin utilizarea NADH, este reabilitat în NAD +. Două molecule de NAD + sunt reciclate înapoi la glicoliză. Apoi, procesul de glicoliză ar putea continua prin NAD + reciclat.

Vă rugăm să faceți comentarii, dacă vă interesează acest articol sau ca orice întrebare.


Ce veți învăța:

Procesul de glicoliză include conversia reactantului, glucozei plus două molecule NAD +, două molecule de ADP plus 2Pi, în produse, adică două molecule de piruvat plus două molecule de NADH plus două molecule H + și două molecule de ATP. Dacă glicoliza s-ar produce în mod continuu, toate moleculele NAD + ar fi fost utilizate în întregime, iar acest lucru ar sfârși prin ciclul glicolizei. Pentru a continua ciclul de glicoliză, trebuie să se producă conversia NADH înapoi în NAD +. Apariția acestui pas se bazează pe acceptorul de electroni extern disponibil. Prima metodă care poate fi utilizată pentru a realiza același lucru este conversia piruvatului în lactat, iar acest proces este denumit fermentație cu acid lactic. În această reacție, piruvatul, NADH și H + este reactantul care se transformă în lactat și NAD +. Acest proces se întâmplă și în cadrul bacteriilor care sunt folosite pentru a produce iaurt. Există organisme individuale, de exemplu, drojdia, care implică conversia NADH în NAD + prin procesul denumit fermentație cu etanol. Se produce conversia piruvatului în acetaldehidă și dioxid de carbon, care la rândul său este transformat în etanol. Atât fermentarea etanolului, cât și fermentarea acidului lactic au loc în absența oxigenului. Prin urmare, o astfel de fermentație anaerobă poate fi utilizată de organismele unicelulare ca sursă de energie a acestora. Regenerarea anoxică NAD + poate fi studiată ca un mijloc eficient pentru producerea de energie într-o perioadă scurtă de timp de la 10 secunde la aproximativ 2 minute. Se produce reaprovizionarea NAD + prin NADH prin furnizarea de electroni piruvatului, care la rândul său duce la producerea de lactat. Aceasta produce în cele din urmă două molecule de ATP care sunt formate dintr-o moleculă de glucoză. Fermentarea piruvatului în lactat poate fi denumită și glicoliză anaerobă. În menționarea a două fermentații, a avut loc oxidarea NADH, ceea ce duce la transferul a doi electroni în piruvat.


Cât de puternic este NAD +

Deschideți orice manual de biologie și veți afla despre NAD +, care înseamnă nicotinamidă adenină dinucleotidă. Este o coenzimă critică care se găsește în fiecare celulă din corpul vostru, implicată în sute de procese metabolice, cum ar fi energia celulară și sănătatea mitocondrială. NAD + lucrează din greu în celulele oamenilor și ale altor mamifere, drojdie și bacterii, chiar și plante.

Oamenii de știință au știut despre NAD + de când a fost descoperit pentru prima dată în 1906 și, de atunci, înțelegerea noastră despre importanța sa a continuat să evolueze. De exemplu, precursorul NAD + niacina a jucat un rol în atenuarea pelagrei, o boală fatală care a afectat sudul american în anii 1900. Oamenii de știință de la acea vreme au identificat că laptele și drojdia, care ambele conțin precursori NAD +, ameliorează simptomele. De-a lungul timpului, oamenii de știință au identificat mai mulți precursori NAD + - inclusiv acid nicotinic, nicotinamidă și nicotinamidă ribozidă, printre altele - care folosesc căi naturale care duc la NAD +. Gândiți-vă la precursorii NAD + ca la diferite rute pe care le puteți lua pentru a ajunge la o destinație. Toate căile vă duc în același loc, dar prin diferite moduri de transport.

Recent, NAD + a devenit o moleculă apreciată în cercetarea științifică datorită rolului său central în funcțiile biologice. Comunitatea științifică a cercetat modul în care NAD + se raportează la beneficii notabile la animale care continuă să inspire cercetătorii să transpună aceste descoperiri la oameni. Deci, cum joacă NAD + un rol atât de important? Pe scurt, este o moleculă de coenzimă sau „ajutor”, care se leagă de alte enzime pentru a ajuta la provocarea reacțiilor la nivel molecular.


Cererea crescută de NAD + în raport cu ATP determină glicoliza aerobă

Glicoliza aerobă sau fermentația preferențială a piruvatului derivat din glucoză în lactat, în ciuda oxigenului disponibil, este asociată cu proliferarea în multe organisme și condiții. Pentru a înțelege mai bine această asociere, am examinat consecința metabolică a activării complexului piruvat dehidrogenazei (PDH) pentru a crește oxidarea piruvatului în detrimentul fermentației. Constatăm că creșterea activității PDH afectează proliferarea celulară prin reducerea raportului NAD + / NADH. Această modificare a NAD + / NADH este cauzată de potențialul crescut al membranei mitocondriale care afectează transportul de electroni mitocondriale și regenerarea NAD +. Decuplarea respirației de la sinteza ATP sau creșterea hidrolizei ATP restabilește homeostazia și proliferarea NAD + / NADH chiar și atunci când oxidarea glucozei este crescută. Aceste date sugerează că atunci când cererea de NAD + pentru a susține reacțiile de oxidare depășește rata de rotire a ATP în celule, regenerarea NAD + prin respirație mitocondrială devine constrânsă, favorizând fermentarea, în ciuda oxigenului disponibil. Acest lucru susține că celulele se angajează în glicoliză aerobă atunci când cererea de NAD + depășește cererea de ATP.

Cuvinte cheie: Fermentare metabolică celulară a glicolizei aerobe NAD + PDK Efect Warburg.

Copyright © 2020 Autorii. Publicat de Elsevier Inc. Toate drepturile rezervate.


Evoluția și fazele de dezvoltare ale vinului

Monica Butnariu, Alina Butu, în Băuturi alcoolice, 2019

10.11 Fermentarea alcoolică

Fermentarea alcoolică a mustului este un proces de oxidoreducție biochimic spontan sau indus prin care, sub acțiunea enzimelor de drojdie, carbohidrații se transformă în alcool etilic și CO 2 ca produse principale însoțite de mai multe subproduse.

Acest proces este exoterm, iar pentru atingerea unui grad de alcool trebuie să se utilizeze între 15,7 și 18 g zahăr / L. Descompunerea carbohidraților în alcool și CO2 are loc în interiorul celulelor de drojdie. Soluția de zahăr pătrunde în membrana celulelor și produsele rezultate (alcool, CO2, etc.) sunt difuzate în mediu. Procesul este determinat de activitatea drojdiei, deoarece acestea conțin enzimele necesare pentru efectuarea fermentației.

Sub acțiunea complexului enzimatic de drojdie, zahărul din must se transformă într-o aldehidă fosfoglicerală, după absorbția în celule și formarea esterilor fosforici. Prin reacții de oxidare-reducere și eliberare cuantificată a energiei potențiale, se formează 2 moli de ATP, un mol de trioză și principalii produse de fermentare. Acestea includ CO2, obținut prin decarboxilarea acidului piruvic și a alcoolului etilic, obținut prin reducerea aldehidei acetice în prezența dehidrogenazei.

10.11.1 Natura enzimatică a procesului de fermentare

Fermentarea alcoolică este un proces complex în care enzimele acționează ca un catalizator pentru reacțiile de descompunere a carbohidraților și formarea compușilor specifici. Clasele de enzime ale drojdiei includ: oxidoreductaze, hidrolaze, transferaze, lizate, izomerase, ligase și sintaze. În procesul de fermentație sunt implicate următoarele enzime: hexokinază, aldolază, dehidrogenază, fosfohexoizomerază, fosfohexokinază, trioză izomerază, piruvat kinază, piruvat decarboxilază, aldohidrogenază, etc. , coenzime.

10.11.2 Coenzime care participă la procesul de fermentare

Nicotinamida-adenina-dinucleotida (NAD +) este coenzima multor enzime din clasa dehidrogenazei, rolul este de a fixa reversibil ionii de hidrogen livrați substratului, iar mecanismul de oxidoreducție are loc la nivelul nucleului piridinei. Este oxidat în prezența unei sarcini pozitive din atomul de azot sau redus dacă nu există o astfel de sarcină de azot. Cocarboxilaza sau tiamina pirofosfat (TPP) este enzima coenzimă din clasa decarboxilază pentru a decarboxilat cetone în aldehide în prezența ionilor Mg 2 +.

Adenozin trifosfatul (ATP) este implicat în transportul ionilor fosfat, adică în fosforilarea glucidelor, cu rol în echilibrul energetic al fermentației.

Adenozin difosfatul (ADP) este implicat în transportul ionilor fosfat, adică fosforilarea glucidelor. Coenzima A (CoA-SH) este un compus amidic al acidului pantotenic. Activitatea sa este imprimată de grupul SH legat de acetil sub formă de tioester (acetil coenzima A). Reacția este bogată în energie și este cuplată cu formarea moleculei ATP bogate în energie.

10.11.3 Mecanismul biochimic al fermentației alcoolice

Procesul de fermentare este un proces de degradare chimică sub acțiunea enzimelor, a produselor naturale cu structuri complexe în produse cu structură simplă. Acest proces generează energie (energie calorică). Acestea sunt etapele unui ciclu complet de fermentare:

stadiul de acumulare a biomasei, când fermentația este redusă

fermentația principală, aproximativ 80% din zahărul inițial este fermentat și

fermentare secundară când se formează alcooli.

Fermentarea alcoolică are loc după mecanismul biochimic al glicolizei drojdiei prin care hexozele sunt transformate în acid piruvic și ulterior în alcool etilic și CO 2.

Alcoolii superiori (alcool propilic, alcool izopropilic, alcool izobutilic, alcool amilic, alcool izoamilic) se formează în vin și formează buchetul în timpul îmbogățirii vinului, îmbunătățind calitățile gustului olfactiv prin apariția esterilor. Glicerina (glicerina) este un produs secundar al fermentației alcoolice care se formează la începutul procesului. Proporția de glicerol din vin depinde de:

concentrația inițială a mustului în carbohidrați

cantitatea de SO2 folosit pentru protejarea mustului

temperatura menținută în timpul fermentării

durata procesului de fermentație alcoolică și

drojdii care au efectuat fermentație alcoolică etc. (Springer și colab., 2016).

După aceste condiții, glicerolul se găsește în proporție de 6-10 g pentru fiecare 100 g de alcool etilic. Vinurile în care raportul glicerol / alcool este sub 6,5% au fost alcoolizate anterior și atunci când acest raport depășește 10%, vinurile pot fi suspectate că li s-a adăugat glicerol. Vinurile naturale au un conținut de glicerol între 5 și 15 g / L. Aldehida acetică se acumulează în primele 2-3 zile de fermentare, iar concentrația variază între 40 și 50 mg / l. Se formează aldehide aromatice (aldehidă benzoică, vanilină, aldehidă cinamică, acetonă, diacetil). Sunt necesare în sinteza gustului și a buchetului caracteristic vinurilor. În vin, se formează acizi volatili, dependenți de speciile predominante de drojdie, între 10 și 280 mg / L. În plus față de acidul malic, acidul tartric și acidul citric, se acumulează 10-16 mg / L acid pirogenic prin fermentare, acid α-ketoglutaric, 90-119 mg / L, acid acetic, acid lactic, etc. Majoritatea aromelor care sunt formate în timpul fermentației sunt produse din metabolismul nitraților de drojdie și sunt o consecință a coordonării imperfecte a activității enzimatice implicate în aceste procese biochimice (Goold și colab., 2017).

10.11.4 Metabolizarea sulfului prin drojdie

Creșterea și multiplicarea drojdiilor este condiționată de prezența în must a unor surse asimilabile de sulf, cum ar fi sulfați și cantități mici de biotină și tiamină. O parte din drojdie consumă sulf din metionină, deoarece cistina și cisteina sunt degradate greu și sunt greu de asimilat. Din compoziția chimică a drojdiei, 0,2% –0,8% din substanța uscată este sulf, intră în structura proteinelor și a cofactorilor enzimatici (biotină, tiamină, acid lipoic etc.). Celulele de drojdie reduc sulfații în sulfiți și H2S, utilizat pentru biosinteza sulfului. În timpul depozitării vinului de drojdie, după autoliză, H2S se formează prin acțiunea cisteinei sulfhidrilazei care acționează asupra compușilor nevalenți cu grupări –SH. Influențează negativ calitatea vinului, formând etil mercaptani, care conferă gust și miros nedorit. Prin metabolizarea compușilor de sulf, drojdia poate produce 10-80 mg SO2/ L la sfârșitul perioadei de fermentare. Pentru stabilizarea vinurilor tinere, culturi speciale de drojdie, care produc până la 80 mg SO2/ L în timpul fermentației, sunt utilizate pentru a preveni descompunerea oxidativă.

10.11.5 Tehnologia de fermentare obligatorie

Operațiunile necesare sunt pregătirea unor culturi de start drojdie selectate care umplu recipientele de fermentare cu inoculare de must cu drojdii selectate adăugarea de activatori de fermentare care gestionează procesul de fermentare și întreruperea fermentației pentru vinurile dulci.

10.11.6 Pregătirea culturilor inițiale de drojdie

Pentru a obține diferite tipuri de vinuri de înaltă calitate, fermentarea se realizează prin obținerea unor culturi selectate de tulpini din gen Saccharomyces ellipsoideus și Saccharomyces oviformis. Aceste drojdii creează condiții favorabile fermentării mustului și activității altor drojdii.

Temperatura optimă de fermentare este cuprinsă între 22 ° C și 27 ° C. Pentru o dezvoltare favorabilă, drojdia mustului depinde de: temperatura care crește odată cu cantitatea de alcool etilic și CO2 crește, ajungând până la 35 ° C presiunea osmotică a mustului potențial de oxidare-reducere a mustului nivelul de azot din must concentrația de CO2 și acizi volatili cu oxigen (formici, acetici, propionici, lactici), substanțe de bronzare și săruri minerale și vitamine din must. Pregătirea culturilor selectate de start drojdie sub formă de dosp activ se efectuează în plante speciale.

Operațiunea se face cu o săptămână înainte de începerea campaniei de vinificație a strugurilor, mai întâi la nivel de laborator și apoi trece prin etapa de producție. Etapa de laborator este mai importantă, deoarece calitatea vinului va depinde de tulpina de drojdie utilizată. Drojdia este selectată, conservată și înmulțită în condiții optime. În etapa de producție, cultura de drojdie selectată va fi transformată în dosp (Ciani și colab., 2016).


Capitolul 9 & # 8211 Respirația celulară

· Pentru a-și îndeplini numeroasele sarcini, celulele vii necesită energie din surse exterioare.

· Energia pătrunde în majoritatea ecosistemelor ca lumina soarelui și pleacă ca căldură.

· Photosynthesis generates oxygen and organic molecules that the mitochondria of eukaryotes use as fuel for cellular respiration.

· Cells harvest the chemical energy stored in organic molecules and use it to regenerate ATP, the molecule that drives most cellular work.

· Respiration has three key pathways: glycolysis, the citric acid cycle, and oxidative phosphorylation.

A. The Principles of Energy Harvest

1. Cellular respiration and fermentation are catabolic, energy-yielding pathways.

· The arrangement of atoms of organic molecules represents potential energy.

· Enzymes catalyze the systematic degradation of organic molecules that are rich in energy to simpler waste products with less energy.

· Some of the released energy is used to do work the rest is dissipated as heat.

· Catabolic metabolic pathways release the energy stored in complex organic molecules.

· One type of catabolic process, fermentation, leads to the partial degradation of sugars in the absence of oxygen.

· A more efficient and widespread catabolic process, cellular respiration, consumes oxygen as a reactant to complete the breakdown of a variety of organic molecules.

° In eukaryotic cells, mitochondria are the site of most of the processes of cellular respiration.

· Cellular respiration is similar in broad principle to the combustion of gasoline in an automobile engine after oxygen is mixed with hydrocarbon fuel.

° Food is the fuel for respiration. Eșapamentul este dioxid de carbon și apă.

° organic compounds + O2 à CO2 + H2O + energy (ATP + heat).

· Carbohydrates, fats, and proteins can all be used as the fuel, but it is most useful to consider glucose.

° C6H12O6 + 6O2 à 6CO2 + 6H2O + Energy (ATP + heat)

· The catabolism of glucose is exergonic with a D G of −686 kcal per mole of glucose.

° Some of this energy is used to produce ATP, which can perform cellular work.

2. Redox reactions release energy when electrons move closer to electronegative atoms.

· Catabolic pathways transfer the electrons stored in food molecules, releasing energy that is used to synthesize ATP.

· Reactions that result in the transfer of one or more electrons from one reactant to another are oxidation-reduction reactions, or redox reactions.

° The loss of electrons is called oxidation.

° The addition of electrons is called reduction.

· The formation of table salt from sodium and chloride is a redox reaction.

° Here sodium is oxidized and chlorine is reduced (its charge drops from 0 to −1).

· More generally: Xe− + Y à X + Ye−

° X, the electron donor, is the agent de reducere and reduces Y.

° Y, the electron recipient, is the agent oxidant 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 lanțul de transport al electronilor 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.

· Glicoliza occurs in the cytoplasm.

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

· ciclul acidului citric 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 fosforilarea oxidativă.

· 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 acetil 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 sintază, 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 (aerob) or not (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 anaerobe facultative 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.


Priveste filmarea: Ora de Biologie - clasa X - lectia 9 - Circulatia la om si animale (Ianuarie 2022).