Informație

9.3: Respirație - Biologie


Făcând „Zbura

Înotătorul din această fotografie face lovitura de fluture. Respirația este procesul de deplasare a aerului în și din plămâni, care sunt organele în care are loc schimbul de gaze între atmosferă și corp. Respirația este, de asemenea, numită ventilare, și este una dintre cele două părți ale procesului de respirație care susține viața, cealaltă parte fiind schimbul de gaze. Înainte de a putea înțelege cum este controlată respirația, trebuie să știți cum are loc respirația.

Cum are loc respirația

Respirația este un proces în doi pași care include aspirarea aerului în plămâni sau inhalarea și lăsarea aerului din plămâni sau expirarea. Ambele procese sunt ilustrate în Figura ( PageIndex {2} ).

Inhalare

Inhalarea este un proces activ care rezultă în principal din contracția unui mușchi numit diafragmă, prezentat în Figura ( PageIndex {2} ). The diafragmă este un mușchi mare, în formă de cupolă, sub plămâni, care separă cavitățile toracice (toracice) și abdominale. Când diafragma se contractă, cavitatea toracică se extinde și conținutul abdomenului este împins în jos. Alți mușchi, cum ar fi mușchii intercostali externi dintre coaste, contribuie, de asemenea, la procesul de inhalare, mai ales atunci când inhalarea este forțată, ca atunci când respirați adânc. Acești mușchi contribuie la creșterea volumului toracic prin extinderea coastelor spre exterior. Cu pieptul extins, există o presiune mai mică a aerului în interiorul plămânilor decât în ​​afara corpului, astfel încât aerul exterior curge în plămâni prin căile respiratorii.

Expirând

Expirarea implică seria opusă de evenimente. Diafragma se relaxează, deci se deplasează în sus și scade volumul toracelui (Figura ( PageIndex {2} ). Presiunea aerului din interiorul plămânilor crește, deci este mai mare decât presiunea aerului din afara plămânilor. Expirarea, spre deosebire de inhalare, este de obicei un proces pasiv care are loc în principal datorită elasticității plămânilor. Odată cu modificarea presiunii aerului, plămânii se contractă la dimensiunea lor pre-umflată, forțând aerul pe care îl conțin în proces. Aerul curge din plămâni, similar cu modul în care aerul iese dintr-un balon când este eliberat. Dacă expirația este forțată, mușchii intercostali și abdominali interni pot ajuta la mișcarea aerului din plămâni.

Controlul respirației

Respirația este una dintre puținele funcții vitale ale corpului care pot fi controlate atât în ​​mod conștient, cât și inconștient. Gândiți-vă să vă folosiți respirația pentru a arunca în aer un balon. Respiri adânc, adânc și apoi expiri aerul cât de forțat poți în balon. Atât inhalarea, cât și expirația sunt controlate în mod conștient.

Controlul conștient al respirației

Vă puteți controla respirația prin reținerea respirației, încetinirea respirației sau hiperventilant, care respiră mai repede și superficial decât este necesar. De asemenea, puteți expira sau inspira mai puternic sau mai profund decât de obicei. Controlul conștient al respirației este obișnuit în multe activități în afară de suflarea baloanelor, inclusiv înot, antrenament de vorbire, cântat, cântând la multe instrumente muzicale diferite (Figura ( PageIndex {3} )) și practicând yoga, pentru a numi doar câteva.

Există limite pentru controlul conștient al respirației. De exemplu, nu este posibil ca o persoană sănătoasă să înceteze voluntar să respire pe termen nelimitat. În scurt timp, există o dorință irepresionabilă de a respira. Dacă ați fi capabil să încetați să respirați suficient de mult timp, ați pierde cunoștința. Același lucru s-ar întâmpla dacă ai hiperventila prea mult timp. Odată ce vă pierdeți cunoștința, astfel încât să nu mai puteți exercita controlul conștient asupra respirației, controlul involuntar al respirației preia controlul.

Control inconștient al respirației

Respirația inconștientă este controlată de centre respiratorii în medulă și pons ale trunchiului cerebral (Figura ( PageIndex {4} )). Centrele respiratorii reglează automat și continuu rata respirației în funcție de nevoile organismului. Acestea sunt determinate în principal de aciditatea sângelui sau de pH. Când faceți mișcare, de exemplu, nivelul de dioxid de carbon crește în sânge din cauza respirației celulare crescute de către celulele musculare. Dioxidul de carbon reacționează cu apa din sânge pentru a produce acid carbonic, făcând sângele mai acid, deci pH-ul scade. Scăderea pH-ului este detectată de chemoreceptori în medulă. Nivelurile de oxigen și dioxid de carbon din sânge, pe lângă pH, sunt de asemenea detectate de chemoreceptori în arterele majore, care trimit „datele” către centrele respiratorii. Centrul respirator răspunde prin trimiterea impulsurilor nervoase către diafragmă, „spunându-i” să se contracte mai repede, astfel încât rata de respirație să se accelereze. Cu o respirație mai rapidă, mai mult dioxid de carbon este eliberat în aer din sânge, iar pH-ul din sânge revine la intervalul normal.

Evenimentele opuse apar atunci când nivelul de dioxid de carbon din sânge devine prea scăzut și pH-ul din sânge crește. Acest lucru poate apărea cu hiperventilație involuntară, care se poate întâmpla în atacuri de panică, episoade de durere severă, atacuri de astm și multe alte situații. Când hiperventilați, aruncați mult dioxid de carbon, ducând la o scădere a nivelurilor de dioxid de carbon din sânge. Sângele devine mai bazic (alcalin), determinând creșterea pH-ului său.

Respirație nazală vs.

Respirația nazală respiră mai degrabă pe nas decât pe gură și, în general, este considerată superioară respirației bucale. Pasajele nazale căptușite cu păr fac o treabă mai bună de filtrare a particulelor din aer înainte ca acestea să se deplaseze mai adânc în căile respiratorii. Pasajele nazale sunt, de asemenea, mai bune la avertizare și umezire a aerului, astfel încât respirația nazală este avantajoasă în special iarna, când aerul este rece și uscat. În plus, diametrul mai mic al căilor nazale creează o presiune mai mare în plămâni în timpul expirației. Acest lucru încetinește golirea plămânilor, oferindu-le mai mult timp pentru a extrage oxigenul din aer.

Caracteristică: Mit vs. Realitate

Înec este definit ca insuficiență respiratorie de la a fi în sau sub un lichid. În continuare, este clasificat în funcție de rezultatul său în deces, probleme de sănătate în curs sau fără probleme de sănătate în curs (recuperare completă). În Statele Unite, înecul accidental este a doua cauză principală de deces (după accidente de autovehicule) la copiii cu vârsta de 12 ani și mai mici. Există câteva mituri potențial periculoase despre înec. Știind care sunt acestea ar putea să vă salveze viața sau viața unei persoane dragi, în special a unui copil.

Mit: Oamenii se îneacă atunci când aspiră apă în plămâni.

Realitate: În general, în stadiile incipiente ale înecului, foarte puțină apă intră în plămâni. O cantitate mică de apă care intră în trahee provoacă un spasm muscular în laringe care sigilează căile respiratorii și împiedică trecerea apei în plămâni. Este posibil ca acest spasm să dureze până când apare inconștiența.

Mit: Vă puteți da seama când cineva se îneacă pentru că va striga după ajutor și își va flutura brațele pentru a atrage atenția.

Realitate: Spasmul muscular care sigilează căile respiratorii împiedică trecerea aerului, precum și a apei, astfel încât o persoană care se îneacă nu poate striga sau chema ajutor. În plus, reacțiile instinctive care apar în ultimul minut sau cam așa ceva înainte ca o persoană care se îneacă să se scufunde sub apă poate arăta similar cu un comportament calm și sigur. Capul este probabil să fie scăzut în apă, înclinat înapoi cu gura deschisă. Persoana poate avea mișcări necontrolate ale brațelor și picioarelor, dar este puțin probabil să fie vizibile deasupra apei.

Mit: Este prea târziu pentru a salva o persoană care este inconștientă în apă.

Realitate: O persoană inconștientă salvată cu o cale respiratorie încă sigilată de spasmul muscular al laringelui are mari șanse de recuperare completă dacă începe să primească RCP în câteva minute. Fără apă în plămâni, RCP este mult mai eficientă. Chiar dacă s-a produs stop cardiac, astfel încât inima să nu mai bată, există încă șanse de recuperare. Cu toate acestea, cu cât creierul rămâne fără oxigen, cu atât celulele creierului vor muri. Moartea cerebrală este probabil după aproximativ șase minute fără oxigen, cu excepția unor circumstanțe excepționale, cum ar fi tinerii care se îneacă în apă foarte rece. Există exemple de copii care au supraviețuit, aparent fără efecte negative durabile, timp de o oră în apă rece (vezi Explorați mai multe mai jos pentru un exemplu). Prin urmare, salvatorii care recuperează un copil din apă rece ar trebui să încerce resuscitarea chiar și după o perioadă prelungită de imersiune.

Mit: Dacă cineva se îneacă, ar trebui să începeți administrarea RCP imediat, chiar înainte de a încerca să scoateți persoana din apă.

Realitate: Eliminarea unei persoane care se îneacă din apă este prima prioritate, deoarece RCP este ineficient în apă. Scopul ar trebui să fie să aducă persoana pe un teren stabil cât mai repede posibil și apoi să înceapă RCP.

Mit: Este puțin probabil să te îneci dacă nu te afli în apă peste cap.

Realitate: În funcție de circumstanțe, oamenii s-au înecat în doar 30 mm (aproximativ 1 ½ in.) De apă. De exemplu, se știe că persoanele în ebrietate sau cele aflate sub influența drogurilor s-au înecat în bălți. Sute de copii s-au înecat în apă în toalete, căzi, ligheane, dușuri, găleți și găleți (vezi figura de mai jos).

Revizuire

  1. Definiți respirația.
  2. Care este principala diferență între procesele de inhalare și expirare?
  3. Dați exemple de activități în care respirația este controlată în mod conștient.
  4. Copiii mici amenință uneori să-și țină respirația până când obțin ceva ce își doresc. De ce este o amenințare inactivă?
  5. Explicați cum este controlată respirația inconștientă.
  6. De ce respirația nazală este considerată, în general, superioară respirației bucale?
  7. Pentru fiecare dintre următoarele, indicați dacă apare în timpul procesului de inhalare (I) sau de expirație (E).

    A. Diafragma se deplasează în jos.

    b. Diafragma se relaxează.

    c. Cavitatea toracică devine mai mică.

    d. Presiunea aerului din plămâni este mai mică decât în ​​afara corpului.

  8. Dați un exemplu de situație care ar determina creșterea excesivă a pH-ului din sânge și explicați de ce se întâmplă acest lucru.

  9. Nivelurile de oxigen, dioxid de carbon și pH din sânge sunt detectate de:

    A. Mecanoreceptori

    B. Chimioreceptori

    C. Receptorii pulmonari

    D. Receptorii de carbon

  10. Adevărat sau fals. Diafragma se poate contracta datorită controlului conștient.

  11. Adevărat sau fals. Hipoventilarea este respirația rapidă și superficială.

  12. Procesul de respirație se mai numește ____________.

Explorează mai multe

Este posibil să fi auzit de „minuni” în care tinerii au supraviețuit perioade îndelungate de timp fără să respire sub apă și și-au revenit complet. Cum se întâmplă acest lucru? Citiți povestea uimitoare a unui băiat italian care a supraviețuit 42 de minute sub apă. Articolul explică fiziologia din spatele „miracolului”.

Se pare că extraordinarul mag și cascador David Blaine își poate ține respirația timp de 17 minute sub apă. În această discuție TED, el explică modul în care reușește să facă această ispravă:


9.3: Respirație - Biologie

De ce trebuie să respirăm?

Corpul nostru este un sistem foarte complex. Unul dintre principalele lucruri de care are nevoie este energia. Când mâncăm, corpul nostru digeră alimentele pentru a obține molecule complexe, cum ar fi glucoza, pe care o poate folosi pentru energie. Cu toate acestea, mâncarea singură nu este suficientă. De asemenea, celulele au nevoie de oxigen pentru a reacționa cu glucoza pentru a crea energia. Obținem oxigenul către celulele noastre prin sistemul respirator și prin respirație.

Respirăm folosind un mușchi numit diafragmă. Se aplatizează făcând plămânii să se extindă și să se umple cu aer. Când respirăm, aerul este forțat prin nas sau gură, prin trahee și în tuburile bronhiilor din plămâni. Aceste tuburi bronhiile se ramifică și devin din ce în ce mai mici, ca rădăcinile sau ramurile unui copac.

Nu, acestea nu sunt un fel de paste! La capătul celor mai mici ramuri ale bronhiilor sunt mici saci de aer numiți alveole. Aceste saci de aer au un perete foarte subțire, cu o singură celulă, care permite trecerea oxigenului către celulele roșii din sânge pe măsură ce trec. Există sute de milioane de băieți mici în plămânii noștri.

Alveolele nu transmit doar oxigen în sângele nostru, ci ajută și la curățarea gazelor reziduale din celulele sanguine. Acest gaz rezidual este dioxid de carbon. Când trebuie să respirăm dioxidul de carbon din plămâni, diafragma se înclină și împinge aerul înapoi, scăpând de dioxidul de carbon. Acest lucru face loc aerului proaspăt cu oxigen nou pentru a reveni la următoarea noastră respirație.


Diagrama sistemului respirator

Nasul face mai mult pentru respirație decât pentru a oferi un loc în care aerul să pătrundă în corpul nostru. De asemenea, ajută la filtrarea aerului de praf și a altor lucruri. Face acest lucru folosind o mulțime de fire de păr și mucus. De asemenea, ajută la încălzirea aerului înainte de a ajunge la plămânii noștri.

De ce ne iesim din suflare?

Când alergăm sau facem o activitate intensă, mușchii noștri ard energie și consumă oxigenul din celulele roșii din sânge. Pentru a încerca să obținem mai multă energie și oxigen către aceste celule, inima noastră va pompa mai repede pentru a obține mai mult sânge prin plămâni. În același timp, plămânii noștri vor încerca să respire mai tare și mai repede pentru a obține mai mult oxigen. Ajungem să ne simțim fără respirație și trebuie să ne odihnim, astfel încât corpurile noastre să se poată recupera.

Sistemul respirator ajută și la vorbire. Nu am putea vorbi fără aer. Forțând aerul prin corzile noastre vocale, sistemul respirator îi ajută să vibreze și să creeze sunete precum vorbirea, cântatul sau strigătele.


Sistemul respirator

Respirați și țineți-l. Așteptați câteva secunde și apoi lăsați-l să iasă. Oamenii, atunci când nu se exercită, respiră în medie de aproximativ 15 ori pe minut. Acest lucru echivalează cu aproximativ 900 de respirații pe oră sau 21.600 de respirații pe zi. Cu fiecare inhalare, aerul umple plămânii și, cu fiecare expirație, se repede afară. Aerul respectiv face mai mult decât umflarea și dezumflarea plămânilor în cavitatea toracică. Aerul conține oxigen care traversează țesutul pulmonar, pătrunde în fluxul sanguin și se deplasează către organe și țesuturi. Acolo, oxigenul este schimbat cu dioxid de carbon, care este un deșeu celular. Dioxidul de carbon iese din celule, intră în sânge, se deplasează înapoi la plămâni și este expirat din corp în timpul expirației.

Respirația este atât un eveniment voluntar, cât și un eveniment involuntar. Cât de des se respiră respirația și cât de mult aer este inhalat sau expirat este reglementat de centrul respirator din creier ca răspuns la semnale pe care le primește despre conținutul de dioxid de carbon din sânge. Cu toate acestea, este posibil să se anuleze această reglementare automată pentru activități precum vorbirea, cântatul și înotul sub apă.

În timpul inhalării diafragmă coboară creând o presiune negativă în jurul plămânilor și aceștia încep să se umfle, aspirând aerul din afara corpului. Aerul pătrunde în corp prin cavitatea nazală situată chiar în interiorul nasului (figura 1). Pe măsură ce aerul trece prin cavitatea nazală, aerul este încălzit la temperatura corpului și umezit de umezeala din membranele mucoase. Aceste procese ajută la echilibrarea aerului cu condițiile corpului, reducând orice daune pe care le poate provoca aerul rece și uscat. Particulele care plutesc în aer sunt îndepărtate în căile nazale de păr, mucus și cili. Aerul este, de asemenea, eșantionat chimic prin simțul mirosului.

Din cavitatea nazală, aerul trece prin faringe (gât) și laringe (casetă vocală) pe măsură ce se îndreaptă spre trahee (figura 1). Funcția principală a traheei este de a canaliza aerul inhalat către plămâni și aerul expirat înapoi din corp. Traheea umană este un cilindru, lung de aproximativ 25 până la 30 cm (9,8–11,8 in), care stă în fața esofagului și se extinde de la faringe la cavitatea toracică până la plămâni. Este realizat din inele incomplete de cartilaj și mușchi neted. Cartilajul oferă rezistență și sprijin traheei pentru a menține pasajul deschis. Traheea este căptușită cu celule care au cili și secretă mucus. Mucusul prinde particulele care au fost inhalate, iar cilii deplasează particulele spre faringe.

Capătul traheei se împarte în două bronhii care intră în plămânul drept și stâng. Aerul intră în plămâni prin bronhiile primare. Bronhia primară se împarte, creând un diametru din ce în ce mai mic bronhiile până când pasajele au un diametru sub 1 mm (.03 in) când sunt chemate bronhiole pe măsură ce se despart și se răspândesc prin plămâni. La fel ca traheea, bronhia și bronhiolele sunt realizate din cartilaj și mușchi neted. Bronhiile sunt inervate atât de nervii sistemului nervos parasimpatic, cât și de cel simpatic care controlează contracția musculară (parasimpatică) sau relaxarea (simpatică) în bronhii și bronșiole, în funcție de indicii ale sistemului nervos. Bronhiolele finale sunt bronhiolele respiratorii. Canalele alveolare sunt atașate la capătul fiecărei bronșiole respiratorii. La sfârșitul fiecărei conducte sunt saci alveolari, fiecare conținând 20 până la 30 alveole. Schimbul de gaze are loc numai în alveole. Alveolele au pereți subțiri și arată ca niște bule mici în saci. Alveolele sunt în contact direct cu capilarele sistemului circulator. Un astfel de contact intim asigură că oxigenul se va difuza din alveole în sânge. În plus, dioxidul de carbon se va difuza din sânge în alveole pentru a fi expirat. Aranjamentul anatomic al capilarelor și alveolelor subliniază relația structurală și funcțională a sistemelor respiratorii și circulatorii. Estimările pentru suprafața alveolelor din plămâni variază în jur de 100 m 2. Această zonă mare este de aproximativ o jumătate de teren de tenis. Această suprafață mare, combinată cu natura cu pereți subțiri a celulelor alveolare, permite gazelor să difuzeze cu ușurință peste celule.

Figura 1. Aerul intră în sistemul respirator prin cavitatea nazală și apoi trece prin faringe și trahee în plămâni. (credit: modificarea lucrării de către NCI)

Care dintre următoarele afirmații despre sistemul respirator uman este falsă?


Kerala Syllabus 9th Standard Biology Guide Malayalam Medium

Kerala State Syllabus 9th Standard Biology Manual Manual Solutions Part 1 Malayalam Medium

Kerala State Syllabus 9th Standard Biology Manual Manual Solutions Part 2 Malayalam Medium

Sperăm că Kerala Syllabus 9th Standard Biology Solutions Guide Pdf Descărcare gratuită atât în ​​limba engleză, cât și în limba malayalam, din capitolul Întrebări și răspunsuri înțelepte, notele vă vor ajuta. Dacă aveți întrebări cu privire la SCERT Kerala State Board Syllabus Class 9th Biology Manual Răspunsuri Pdf din partea 1 și partea 2, lăsați un comentariu mai jos și vă vom răspunde cel mai devreme.


9.3. Glicoliza

Ați citit că aproape toată energia utilizată de celulele vii vine în legăturile zahărului, glucoza. Glicoliza este primul pas în descompunerea glucozei pentru extragerea energiei pentru metabolismul celular. Aproape toate organismele vii efectuează glicoliza ca parte a metabolismului lor. Procesul nu folosește oxigen și, prin urmare, este anaerob. Glicoliza are loc în citoplasma celulelor procariote și eucariote.

Prima jumătate a glicolizei (pași care necesită energie)

Pasul 1. Primul pas în glicoliză (Figura 9.5) este catalizat de hexokinază, o enzimă care fosforilează glucoza folosind ATP ca sursă de fosfat, producând glucoză-6-fosfat, o formă mai reactivă de glucoză cu energie liberă mai mare decât glucoza .

Pasul 2. În a doua etapă a glicolizei, o izomerază transformă glucoza-6-fosfat într-unul dintre izomerii săi, fructoza-6-fosfatul. După cum sugerează și numele său, un izomeraza este o enzimă care creează o altă structură izomeră a substratului. (Vezi Capitolul 4)

Pasul 3. Al treilea pas este fosforilarea fructozei-6-fosfat, catalizată de enzima fosfofructokinază. O a doua moleculă de ATP donează un fosfat de mare energie la fructoză-6-fosfat, producând fructoză-1,6-bisfosfat.

Pasul 4. Fosfații nou adăugați cu energie ridicată mai destabilizează fructoza-1,6-bisfosfatul. A patra etapă în glicoliză folosește o enzimă, aldolaza, pentru a cliva 1,6-bisfosfatul în doi izomeri cu trei carbon: dihidroxiacetonă-fosfat și gliceraldehidă-3-fosfat.

Etapa 5. În etapa a cincea, o izomerază transformă dihidroxiacetonă-fosfatul în izomerul său, gliceraldehidă-3-fosfat. Astfel, calea va continua cu două molecule ale unui singur izomer. În acest moment al căii, există o investiție netă de energie din două molecule ATP în defalcarea unei molecule de glucoză.

A doua jumătate a glicolizei (pași de eliberare a energiei)

Până în prezent, glicoliza a costat celulei două molecule de ATP și a produs două molecule mici de zahăr cu trei carbon. Ambele molecule vor trece prin a doua jumătate a căii și va fi extrasă suficientă energie pentru a rambursa cele două molecule ATP utilizate ca investiție inițială și pentru a produce un profit pentru celula a două molecule ATP suplimentare și a două energii chiar mai mari Molecule NADH.

Pasul 6. Al șaselea pas al glicolizei (Figura 9.6) oxidează zahărul (gliceraldehidă-3-fosfat), extragând electroni cu energie ridicată, care sunt preluați de purtătorul de electroni NAD +, producând NADH. Zaharul este apoi fosforilat prin adăugarea unei a doua grupări fosfat, producând 1,3-bifosfoglicerat. Rețineți că a doua grupare fosfat nu necesită o altă moleculă de ATP.

Iată din nou un potențial factor limitativ pentru această cale. Continuarea reacției depinde de disponibilitatea formei oxidate a purtătorului de electroni, NAD +. Astfel, NADH trebuie oxidat continuu în NAD + pentru a menține acest pas. Dacă NAD + nu este disponibil, a doua jumătate a glicolizei încetinește sau se oprește. Dacă oxigenul este disponibil în sistem, NADH va fi oxidat ușor, deși indirect, iar electronii cu energie ridicată din hidrogenul eliberat în acest proces vor fi folosiți pentru a produce ATP. Într-un mediu fără oxigen, o cale alternativă (fermentare) poate asigura oxidarea NADH la NAD + așa cum s-a discutat în secțiunea 9.6.

Pasul 7. În cea de-a șaptea etapă, catalizată de fosfoglicerat kinază (o enzimă denumită după reacția inversă), 1,3-bisfosfogliceratul donează un fosfat de mare energie către ADP, formând o moleculă de ATP. O grupare carbonil pe 1,3-bisfosfoglicerat este oxidată la o grupare carboxil și se formează 3-fosfoglicerat.

Pasul 8. În etapa a opta, gruparea fosfat rămasă în 3-fosfoglicerat se deplasează de la al treilea carbon la al doilea carbon, producând 2-fosfoglicerat (un izomer de 3-fosfoglicerat). Enzima care catalizează această etapă este o mutază (izomerază).

Pasul 9. Enolaza catalizează al nouălea pas. Această enzimă face ca 2-fosfogliceratul să piardă apă din structura sa. Aceasta este o reacție de deshidratare, rezultând în formarea unei duble legături care crește energia potențială în legătura fosfat rămasă și produce fosfoenolpiruvat (PEP).

Pasul 10. Ultimul pas în glicoliză este catalizat de enzima piruvat kinază (enzima, în acest caz, este numită pentru reacția inversă a conversiei piruvatului în PEP) și are ca rezultat producerea unei a doua molecule ATP prin fosforilarea la nivel de substrat și acid piruvic compus (sau forma sa de sare, piruvat). Multe enzime din căile enzimatice sunt denumite pentru reacțiile inverse, deoarece enzima poate cataliza atât reacțiile directe, cât și reacțiile inverse (acestea ar fi putut fi descrise inițial prin reacția inversă care are loc in vitro, în condiții non-fiziologice).

Obțineți o mai bună înțelegere a defalcării glucozei prin glicoliză vizitând acest site pentru a vedea procesul în acțiune.

Rezultatele glicolizei

Glicoliza începe cu glucoză și se termină cu două molecule de piruvat, în total patru molecule de ATP și două molecule de NADH. Două molecule de ATP au fost utilizate în prima jumătate a căii pentru a pregăti inelul cu șase carbon pentru clivaj, astfel încât celula are un câștig net de două molecule de ATP și 2 molecule de NADH pentru utilizarea sa. Dacă celula nu poate cataboliza moleculele piruvat în continuare, va recolta doar două molecule ATP dintr-o moleculă de glucoză. Celulele roșii din sânge de mamifere mature nu sunt capabile respirație aerobică—Procesul în care organismele convertesc energia în prezența oxigenului — iar glicoliza este singura lor sursă de ATP. Dacă glicoliza este întreruptă, aceste celule își pierd capacitatea de a-și menține pompele de sodiu-potasiu și, în cele din urmă, mor.

Ultimul pas în glicoliză nu va avea loc dacă piruvat kinaza, enzima care catalizează formarea piruvatului, nu este disponibilă în cantități suficiente. În această situație, întreaga cale de glicoliză va continua, dar numai două molecule de ATP vor fi realizate în a doua jumătate. Astfel, piruvat kinaza este o enzimă care limitează viteza pentru glicoliză.

Chei de luat masa

  • Apare în citoplasma aproape tuturor celulelor vii
  • Este anaerob, deoarece nu necesită oxigen
  • Începe cu glucoză, 2 ATP și 2 NAD.
  • Se termină cu 2 molecule de piruvat, o rețea de 2 ATP și 2 NADH.

B9.3 Respirația anaerobă

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

Științe AQA GCSE (9-1)
Biologie: Respirația B9
Lecția 3: B9.3 Respirația anaerobă
Pe baza resurselor Kerboodle

Foaia de lucru AQA Kerboodle nu este inclusă astfel încât să acționeze în cadrul codului de conduită TES.

Cuvinte cheie: respirație anaerobă, acid lactic, datorie de oxigen

Obțineți această resursă ca parte a unui pachet și economisiți până la 38%

Un pachet este un pachet de resurse grupate împreună pentru a preda un anumit subiect sau o serie de lecții, într-un singur loc.

B9 Respirație

Economisiți 3 GBP (38%) Include: B9.1 Respirație aerobă B9.2 Răspuns la exercițiul B9.3 Respirație anaerobă B9.4 Metabolism Rețineți: a trebuit să îndepărtez fișele de lucru AQA pentru a respecta codul de conduită al TES. Sunt incluse doar foile de lucru și PPT.

Recenzii

Evaluarea dvs. este necesară pentru a reflecta fericirea dvs.

Este bine să lăsați un feedback.

Vă rugăm să încercați din nou mai târziu.

Această resursă nu a fost încă examinată

Pentru a asigura calitatea recenziilor noastre, numai clienții care au achiziționat această resursă o pot examina

Raportați acest resurs pentru a ne anunța dacă încalcă termenii și condițiile noastre.
Echipa noastră de servicii pentru clienți vă va examina raportul și vă va contacta.


Rolul sindromului respirator acut sever Coronavirus Viroporine E, 3a și 8a în replicare și patogenie

Viroporinele sunt proteine ​​virale cu activitate de canal ionic (IC) care joacă un rol important în mai multe procese, inclusiv replicarea virusului și patogeneza. În timp ce multe coronavirusuri (CoV) codifică două viroporine, sindromul respirator acut sever CoV (SARS-CoV) codifică trei: proteinele 3a, E și 8a. În plus, proteinele 3a și E au un motiv de legare PDZ (PBM), care poate lega peste 400 de proteine ​​celulare care conțin un domeniu PDZ, făcându-le potențial importante pentru controlul funcției celulare. În lucrarea de față, a fost efectuat un studiu comparativ al motivelor funcționale incluse în viroporinele SARS-CoV, concentrându-se în principal pe rolurile IC și PBM ale proteinelor E și 3a. Rezultatele noastre au arătat că proteinele E și 3a de lungime completă erau necesare pentru replicarea și virulența maximă a SARS-CoV, în timp ce viroporina 8a a avut doar un impact minor asupra acestor activități. Un virus care lipsește atât proteinele E, cât și proteinele 3a nu a fost viabil, în timp ce prezența oricărei proteine ​​cu un PBM funcțional a restabilit viabilitatea virusului. Activitatea IC a proteinei E și prezența PBM a acesteia au fost necesare pentru virulența la șoareci. În schimb, prezența sau absența motivelor omoloage în proteina 3a nu a influențat patogenitatea virusului. Prin urmare, dominația IC și PBM a proteinei E asupra celor ale proteinei 3a a fost demonstrată în inducerea patogenezei la șoareci.IMPORTANŢĂ În mod colectiv, aceste rezultate demonstrează roluri cheie pentru canalele ionice și domeniile PBM în replicarea și patogeneza optimă a virusului și sugerează că viroporinele virale și PBM sunt ținte adecvate pentru terapia antivirală și pentru mutația în vaccinurile SARS-CoV atenuate.

Cuvinte cheie: PBM PDZ SARS-CoV coronavirus viroporine.

Copyright © 2018 Castaño-Rodriguez și colab.

Cifre

Cinetica de creștere a SARS-CoV viroporină defectă ...

Cinetica de creștere a mutanților cu deficiență de viroporină SARS-CoV. (A) Monostratele subconfluente ale celulelor Vero E6 ...

Virulența mutanților cu deficiență de viroporină SARS-CoV ...

Virulența mutanților deficienți de viroporină SARS-CoV. Grupuri de cinci șoareci BALB / c de 16 săptămâni au fost supuși ...

Caracterizarea SARS-CoV 3a ...

Caracterizarea canalului ionic proteic SARS-CoV 3a. (A) Înregistrarea unui singur canal ...

Efectul mutațiilor asupra ...

Efectul mutațiilor asupra activității canalului ionic a proteinei SARS-CoV 3a. Recombinant ...

Cinetica de creștere a mutanților SARS-CoV ...

Cinetica creșterii mutanților SARS-CoV care vizează activitatea canalului ionic proteic 3a. (A) Subconfluent ...

Virulența ionului SARS-CoV 3a ...

Virulența mutanților canalului ionic SARS-CoV 3a. Grupuri de cinci șoareci BALB / c de 16 săptămâni ...

Cerința PBM din ...

Cerința PBM a proteinei SARS-CoV 3a pentru replicare și virulență. (A)…

Analiza localizării subcelulare ...

Analiza localizării subcelulare a proteinelor SARS-CoV 3a și E prin imunofluorescență ...

Analiza localizării subcelulare ...

Analiza localizării subcelulare a SARS-CoV 3a prin imunofluorescență. Celule Vero E6 ...

Cartarea domeniului proteinei E necesar pentru înlocuirea 3a ...

Virulența SARS-CoV recombinant care combină ...

Virulența SARS-CoV recombinantă combinând eliminarea PBM proteinei 3a și E ...


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.

Fotosinteza generează oxigen și molecule organice pe care mitocondriile eucariotelor le folosesc drept combustibil pentru respirația celulară.

· Celulele recoltează energia chimică stocată în moleculele organice și o utilizează pentru a regenera ATP, molecula care conduce cel mai mult munca celulară.

· Respirația are trei căi cheie: glicoliza, ciclul acidului citric și fosforilarea oxidativă.

A. Principiile recoltării energiei

1. Respirația și fermentația celulară sunt căi catabolice, care produc energie.

· Aranjamentul atomilor moleculelor organice reprezintă energia potențială.

· Enzimele catalizează degradarea sistematică a moleculelor organice care sunt bogate în energie pentru a simplifica deșeurile cu mai puțină energie.

· O parte din energia eliberată este utilizată pentru a lucra, restul este disipat sub formă de căldură.

· Căile metabolice catabolice eliberează energia stocată în molecule organice complexe.

· Un tip de proces catabolic, fermentaţie, duce la degradarea parțială a zaharurilor în absența oxigenului.

· Un proces catabolic mai eficient și mai răspândit, respirație celulară, consumă oxigen ca reactant pentru a finaliza defalcarea unei varietăți de molecule organice.

° În celulele eucariote, mitocondriile sunt locul majorității proceselor de respirație celulară.

· Respirația celulară este similară, în principiu, cu arderea benzinei într-un motor de automobile, după ce oxigenul este amestecat cu combustibilul cu hidrocarburi.

° Mâncarea este combustibilul pentru respirație. Eșapamentul este dioxid de carbon și apă.

° compuși organici + O2 à CO2 + H2O + energie (ATP + căldură).

· Carbohidrații, grăsimile și proteinele pot fi utilizate ca combustibil, dar este cel mai util să luăm în considerare glucoza.

° C6H12O6 + 6O2 à 6CO2 + 6H2O + Energie (ATP + căldură)

· Catabolismul glucozei este exergonic cu un D G de -686 kcal per mol de glucoză.

O parte din această energie este utilizată pentru a produce ATP, care poate efectua lucrări celulare.

2. Reacțiile redox eliberează energie atunci când electronii se apropie de atomii electronegativi.

· Căile catabolice transferă electronii depozitați în moleculele alimentare, eliberând energie care este utilizată pentru a sintetiza ATP.

· Reacțiile care duc la transferul unuia sau mai multor electroni de la un reactant la altul sunt reacții de reducere a oxidării sau reacții redox.

° Se numește pierderea de electroni oxidare.

° Se adaugă adăugarea de electroni reducere.

· Formarea sării de masă din sodiu și clorură este o reacție redox.

° Aici sodiul este oxidat și clorul este redus (sarcina acestuia scade de la 0 la -1).

· Mai general: Xe− + Y à X + Ye−

° X, donatorul de electroni, este agent de reducere și reduce Y.

° Y, destinatarul electronului, este agent oxidant și oxidează 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.

· The 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 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) sau nu (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)

Capitolul 9
Respirație celulară

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. Acestea includ 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 trahee. 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 alveole, which inflate during inhalation, and deflate during exhalation.

It is at the alveoli where gas exchange are loc.

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.


Priveste filmarea: Biologie - Clasa 9 - Celula (Decembrie 2021).