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Welches Produkt der Zellatmung bildet in Lösung mit Wasser eine Säure?

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Welches Produkt der Zellatmung bildet in Lösung mit Wasser eine Säure?

Thema Frage wirklich, konnte keine direkte Antwort finden.


Die Zellatmung selbst, definiert als Aktivität der Atmungskettenkomplexe I – V (einschließlich ATP-Synthase), ist nicht säuernd. Im Gegenteil, während der ATP-Synthese werden freie Protonen eingefangen, sodass die Zellatmung den pH-Wert erhöht. Aber dann ist die ATP-Synthese immer mit dem ATP-Abbau in Reaktionen verbunden, die Energie verbrauchen (zum Beispiel Muskelkontraktion), und der ATP-Abbau setzt die eingefangenen Protonen wieder frei. Der gesamte Zyklus des ATP-Umsatzes ist also pH-neutral. (Weitere Informationen finden Sie beispielsweise unter http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/6298937)

Die Aktivität des TCA-Zyklus hingegen produziert CO$_2$ beim Oxidieren von Kohlenhydraten, und in Wasser gelöstes CO$_2$ ist leicht sauer (pK$_a$ = 6,3) und neigt daher dazu, den pH-Wert zu senken. Dies ist die wichtigste säuernde Wirkung des oxidativen Stoffwechsels. Bei Tieren wird das erzeugte CO$_2$ natürlich über die Lunge freigesetzt, so dass die im Körperwasser gelöste Menge an CO$_2$ (mehr oder weniger) konstant und damit der pH-Wert stabil ist.


CO2 ist wahrscheinlich die gesuchte Antwort. Dies gilt insbesondere dann, wenn dies als Antwort auf eine 100- oder 200-stufige Biologiekursfrage erfolgt. Aufgrund der Formulierung der Frage gehe ich davon aus, dass dies der Fall ist.

Wie andere bereits erwähnt haben, gibt es jedoch andere Produkte, die sich qualifizieren würden.


In Gewebe- und Zellkulturen erinnere ich mich, dass, nachdem die vaskuläre glatte Muskelzelllinie, mit der ich arbeitete, die Verbindungen im Puffer verbraucht hatte, der Überstand aufgrund der Anwesenheit von Milchsäure sauer wurde.

Die Zellen produzieren aerob Laktat, das höchstwahrscheinlich mit dem H . in Milchsäure umgewandelt wird2O und andere Nebenprodukte (wie ein H+ ) im Überstand vorhanden.

CO2 Atmung kann auch Kohlensäure (H2CO3) mit Wasser. Dies sind nur ein paar Beispiele.

Ein Proton (das H . bildet3Ö+ mit Wasser) oder eines von vielen Anionen, die von einer Zelle produziert werden könnten oder in einem wässrigen Puffer vorhanden sind, könnte in Lösung mit Wasser eine Säure bilden.

Bedenken Sie, dass es viele verschiedene Zelltypen und Arten der Atmung gibt.


Bromthymolblau & Aerobic Respiration Lab

Dieses Experiment untersuchte, wie sich die aerobe Atmung durch Bewegung auf eine basische Lösung und ihren Übergang zu einer Säure auswirkt. Während des Trainings wird mehr Energie verbraucht, der menschliche Körper benötigt mehr Sauerstoff, um die Zellatmung anzukurbeln. Die Zellatmung produziert Energie in Form von ATP und setzt als Nebenprodukt CO2 frei. Seine Gleichung lautet Glukose + Sauerstoff → Kohlendioxid + Wasser C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O. (Dimand et al, 2002). Dies unterstützt die Vorhersage, dass eine längere Trainingsdauer zu einer höheren Kohlendioxidproduktion führt.


Teil 1: Stärkesynthese und Lagerung

Mithilfe von Sonnenenergie wandeln photosynthetische Organismen Kohlendioxid und Wassermoleküle in Glukose um. Pflanzen speichern diese chemische Energie nicht als Glukose. Mithilfe von Enzymen verknüpfen Pflanzen die Glukosemoleküle miteinander und speichern sie als Polysaccharidstärke. Kartoffeln sind der wichtigste Stärkespeicher der Kartoffelpflanze. Jod reagiert mit Stärke zu einer bläulichen Farbe. Sie können die in einer Kartoffelzelle gespeicherte Stärke sehen, indem Sie die Zellen mit Jod färben.

Materialien

Verfahren

  1. Schneiden Sie eine dünne Scheibe oder kratzen Sie ein paar Zellen von der Oberfläche einer Kartoffel.
  2. Machen Sie eine nasse Halterung der Kartoffelzellen und färben Sie sie mit einem Tropfen Jod.
  3. Beobachten Sie Ihre Zellen unter hoher Leistung.
  4. Zeichne ein paar Zellen und Etikett folgende Strukturen:
    1. Zellenwand
    2. Plastid mit Stärkekörnern (violette Flecken)

    Denk darüber nach

    Woher kommt die Stärke in den Kartoffelzellen?


    NGSS-Ausrichtung

    • MS-LS1-7 . Entwickeln Sie ein Modell, um zu beschreiben, wie Nahrung durch chemische Reaktionen umgeordnet wird, die neue Moleküle bilden, die das Wachstum unterstützen und/oder Energie freisetzen, während sich diese Materie durch einen Organismus bewegt.

    Fragen stellen und Probleme definieren. Stellen Sie Fragen, die im Rahmen des Unterrichts, der Außenumgebung und von Museen und anderen öffentlichen Einrichtungen mit verfügbaren Ressourcen untersucht werden können, und stellen Sie gegebenenfalls eine Hypothese auf der Grundlage von Beobachtungen und wissenschaftlichen Prinzipien auf.

    Analysieren und Interpretieren von Daten. Analysieren und interpretieren Sie Daten, um Beweise für Phänomene zu liefern.

    Innerhalb eines natürlichen oder konstruierten Systems treibt die Übertragung von Energie die Bewegung und/oder den Zyklus von Materie an.

    Ursache und Wirkung. Ursache-Wirkungs-Beziehungen können verwendet werden, um Phänomene in natürlichen oder entworfenen Systemen vorherzusagen.


    In Gegenwart von Sauerstoff nutzen Zellen die aerobe Atmung, um Energie aus Glukosemolekülen zu gewinnen. [1] [2]

    Zellen, die aerobe Atmung durchlaufen, produzieren aus jedem Glukosemolekül in Gegenwart von überschüssigem Sauerstoff 6 Moleküle Kohlendioxid, 6 Moleküle Wasser und bis zu 30 Moleküle ATP (Adenosintriphosphat), das direkt zur Energiegewinnung verwendet wird.

    Bei der aeroben Atmung dient Sauerstoff als Empfänger von Elektronen aus der Elektronentransportkette. Die aerobe Atmung ist daher sehr effizient, da Sauerstoff ein starkes Oxidationsmittel ist. Die aerobe Atmung verläuft in mehreren Schritten, was auch die Effizienz steigert – da Glukose nach und nach abgebaut und ATP nach Bedarf produziert wird, wird weniger Energie als Wärme verschwendet. Diese Strategie führt zu den Abfallprodukten H2O und CO2 in verschiedenen Phasen der Atmung in unterschiedlichen Mengen gebildet werden. CO2 entsteht bei der Pyruvat-Decarboxylierung, H2O wird bei der oxidativen Phosphorylierung gebildet, und beide werden im Zitronensäurezyklus gebildet. [3] Die einfache Natur der Endprodukte zeigt auch die Effizienz dieser Beatmungsmethode. Die gesamte in den Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen von Glukose gespeicherte Energie wird freigesetzt und CO2 und H2O. Obwohl in den Bindungen dieser Moleküle Energie gespeichert ist, ist diese Energie für die Zelle nicht leicht zugänglich. Alle nutzbare Energie wird effizient extrahiert.

    Anaerobe Atmung wird von aeroben Organismen durchgeführt, wenn in einer Zelle nicht genügend Sauerstoff für eine aerobe Atmung vorhanden ist, sowie von Zellen, die als Anaerobier bezeichnet werden, die selbst in Gegenwart von Sauerstoff selektiv anaerobe Atmung durchführen. Bei der anaeroben Atmung dienen schwache Oxidationsmittel wie Sulfat und Nitrat anstelle von Sauerstoff als Oxidationsmittel. [4]

    Im Allgemeinen werden Zucker bei der anaeroben Atmung in Kohlendioxid und andere Abfallprodukte zerlegt, die durch das von der Zelle verwendete Oxidationsmittel bestimmt werden. Während bei der aeroben Atmung das Oxidationsmittel immer Sauerstoff ist, variiert sie bei der anaeroben Atmung. Jedes Oxidationsmittel erzeugt ein anderes Abfallprodukt, wie Nitrit, Succinat, Sulfid, Methan und Acetat. Die anaerobe Atmung ist entsprechend weniger effizient als die aerobe Atmung. In Abwesenheit von Sauerstoff können nicht alle Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen in Glucose aufgebrochen werden, um Energie freizusetzen. In den Abfallprodukten verbleibt viel extrahierbare Energie. Anaerobe Atmung tritt im Allgemeinen bei Prokaryoten in Umgebungen auf, die keinen Sauerstoff enthalten.

    Fermentation ist ein weiterer Prozess, durch den Zellen Energie aus Glukose gewinnen können. Es ist keine Form der Zellatmung, aber es erzeugt ATP, baut Glukose ab und produziert Abfallprodukte. Die Fermentation beginnt wie die aerobe Atmung mit dem Aufspalten von Glukose in zwei Pyruvatmoleküle. Von hier aus erfolgt sie über endogene organische Elektronenrezeptoren, während die Zellatmung exogene Rezeptoren wie Sauerstoff bei der aeroben Atmung und Nitrat bei der anaeroben Atmung verwendet. Diese verschiedenen organischen Rezeptoren erzeugen jeweils unterschiedliche Abfallprodukte. Gängige Produkte sind Milchsäure, Laktose, Wasserstoff und Ethanol. Auch Kohlendioxid wird häufig produziert. [5] Die Fermentation erfolgt hauptsächlich unter anaeroben Bedingungen, obwohl einige Organismen wie Hefe die Fermentation verwenden, selbst wenn reichlich Sauerstoff vorhanden ist.

    Milchsäuregärung Bearbeiten

    Vereinfachte theoretische Reaktion: C6h12Ö62C3h6Ö3 + 2 ATP (120 kJ) [6] Milchsäurefermentation ist allgemein bekannt als der Prozess, bei dem Muskelzellen von Säugetieren in anaeroben Umgebungen Energie produzieren, wie in Fällen großer körperlicher Anstrengung, und ist die einfachste Art der Fermentation. Es beginnt auf dem gleichen Weg wie die aerobe Atmung, aber sobald Glukose in Pyruvat umgewandelt ist, verläuft einer von zwei Wegen und produziert nur zwei Moleküle ATP aus jedem Glukosemolekül. Auf dem homolaktischen Weg produziert es Milchsäure als Abfall. Auf dem heterolaktischen Weg produziert es Milchsäure sowie Ethanol und Kohlendioxid. [7] Milchsäuregärung ist relativ ineffizient. Die Abfallprodukte Milchsäure und Ethanol sind noch nicht vollständig oxidiert und enthalten noch Energie, aber es bedarf der Zugabe von Sauerstoff, um diese Energie zu gewinnen. [8]

    Im Allgemeinen findet die Milchsäuregärung nur dann statt, wenn aeroben Zellen Sauerstoff fehlt. Einige aerobe Säugerzellen verwenden jedoch vorzugsweise Milchsäurefermentation gegenüber aeroben Atmung. Dieses Phänomen wird Warburg-Effekt genannt und kommt vor allem in Krebszellen vor. [9] Muskelzellen unter großer Anstrengung verwenden auch Milchsäuregärung, um die aerobe Atmung zu ergänzen. Die Milchsäuregärung ist etwas schneller, wenn auch weniger effizient als die aerobe Atmung, so dass sie bei Aktivitäten wie Sprinten helfen kann, den Muskeln schnell die benötigte Energie zuzuführen. [10]

    Die Zellatmung findet in den Cristae der Mitochondrien innerhalb der Zellen statt. Je nach beschrittenem Weg wird mit den Produkten unterschiedlich umgegangen.

    CO2 wird aus der Zelle durch Diffusion in den Blutkreislauf ausgeschieden, wo es auf drei Wegen transportiert wird:

    • Bis zu 7% sind in seiner molekularen Form im Blutplasma gelöst.
    • Etwa 70-80% werden in Hydrokarbonationen umgewandelt,
    • Der Rest bindet an Hämoglobin in roten Blutkörperchen, wird in die Lunge transportiert und ausgeatmet. [11]

    h2O diffundiert auch aus der Zelle in den Blutkreislauf, von wo es in Form von Schweiß, Wasserdampf in der Atemluft oder Urin aus den Nieren ausgeschieden wird. Wasser wird zusammen mit einigen gelösten Stoffen aus dem Blutkreislauf in den Nephronen der Niere entfernt und schließlich als Urin ausgeschieden. [12]

    Die Fermentationsprodukte können je nach zellulären Bedingungen auf unterschiedliche Weise verarbeitet werden.

    Milchsäure neigt dazu, sich in den Muskeln anzusammeln, was Muskel- und Gelenkschmerzen sowie Müdigkeit verursacht. [13] Es erzeugt auch einen Gradienten, der dazu führt, dass Wasser aus den Zellen fließt und den Blutdruck erhöht. [14] Die Forschung legt nahe, dass Milchsäure auch eine Rolle bei der Senkung des Kaliumspiegels im Blut spielen kann. [15] Es kann auch in der Leber wieder in Pyruvat oder wieder in Glukose umgewandelt und durch aerobe Atmung vollständig metabolisiert werden. [16]


    Was sind die Abfallprodukte der Atmung?

    Bei Tieren wie Menschen sind die Abfallprodukte der aeroben Atmung Wasser und Kohlendioxid, und das Abfallprodukt der anaeroben Atmung ist Milchsäure. Aerobe Atmung ist eine Reihe von Reaktionen, bei denen Sauerstoff verbraucht wird, um Energie aus Glukose freizusetzen. Anaerobe Atmung tritt auf, wenn in den Zellen ein Sauerstoffmangel vorliegt.

    Die aerobe Atmung findet hauptsächlich in den Mitochondrien in eukaryotischen Zellen statt und die in diesen Zellen gefundene Energie liegt in Form von Adenosintriphosphat (ATP) vor. Die Atmung ist im Wesentlichen ein Produktionsprozess für ATP. Während des Prozesses durchläuft Glukose die Glykolyse, die Pyruvat und ATP erzeugt. Wenn Sauerstoff verfügbar ist, wird dieses Pyruvat mit Sauerstoff angereichert, wodurch Acetyl-CoA entsteht, und gelangt in das Mitochondrium, wo mehr ATP produziert wird und sowohl Wasser als auch Kohlendioxid zugeführt werden. Sowohl das Wasser als auch das Kohlendioxid verbinden sich zu Karbolsäure, die dazu beiträgt, den pH-Wert des Blutes aufrechtzuerhalten.

    Steht dem Pyruvat nach der Glykolyse kein Sauerstoff zur Verfügung, tritt das Pyruvat in einen Fermentationsprozess ein. Dies wird als anaerobe Atmung bezeichnet und wird verwendet, wenn Muskelzellen ihre Sauerstoffversorgung erschöpft haben. Bei der aeroben Atmung können bis zu 38 ATP produziert werden, bei der anaeroben Atmung werden jedoch nur zwei produziert. Wenn wieder Sauerstoff zur Verfügung steht, bildet sich NAD+ in der Zelle mit dem Wasserstoff der Milchsäure zu mehr ATP.


    35 Oxidation von Pyruvat und Zitronensäurezyklus

    Am Ende dieses Abschnitts können Sie Folgendes tun:

    • Erklären Sie, wie sich ein zirkulärer Stoffwechselweg, wie der Zitronensäurezyklus, grundlegend von einem linearen biochemischen Stoffwechselweg, wie der Glykolyse, unterscheidet
    • Beschreiben Sie, wie Pyruvat, das Produkt der Glykolyse, für den Eintritt in den Zitronensäurezyklus vorbereitet wird

    Wenn Sauerstoff verfügbar ist, wird die aerobe Atmung fortgesetzt. In eukaryontischen Zellen werden die am Ende der Glykolyse produzierten Pyruvatmoleküle in die Mitochondrien transportiert, die Orte der Zellatmung sind. Dort wird Pyruvat in eine Acetylgruppe umgewandelt, die von einer Trägerverbindung namens Coenzym A (CoA) aufgenommen und aktiviert wird. Die resultierende Verbindung wird Acetyl-CoA genannt. CoA wird aus Vitamin B5, Pantothensäure, gewonnen. Acetyl-CoA kann von der Zelle auf verschiedene Weise verwendet werden, seine Hauptfunktion besteht jedoch darin, die vom Pyruvat abgeleitete Acetylgruppe zur nächsten Stufe des Stoffwechselwegs im Glukosekatabolismus zu transportieren.

    Aufschlüsselung von Pyruvat

    Damit Pyruvat, das Produkt der Glykolyse, in den nächsten Stoffwechselweg gelangen kann, muss es mehrere Veränderungen durchlaufen. Die Umwandlung ist ein dreistufiger Prozess ((Abbildung)).

    Schritt 1. Aus Pyruvat wird eine Carboxylgruppe entfernt, wodurch ein Kohlendioxidmolekül in das umgebende Medium freigesetzt wird. Diese Reaktion erzeugt eine an das Enzym gebundene Hydroxyethylgruppe mit zwei Kohlenstoffatomen (Pyruvatdehydrogenase). Wir sollten beachten, dass dies der erste der sechs Kohlenstoffe ist, der aus dem ursprünglichen Glukosemolekül entfernt wird. (Dieser Schritt wird zweimal fortgesetzt, da es zwei Pyruvatmoleküle, die am Ende der Glykolose für jedes anaerob metabolisierte Glukosemolekül produziert werden, so werden am Ende beider Schritte zwei der sechs Kohlenstoffe entfernt.)

    Schritt 2. Die Hydroxyethylgruppe wird zu einer Acetylgruppe oxidiert und die Elektronen werden von NAD + aufgenommen, wodurch NADH entsteht. Die hochenergetischen Elektronen aus NADH werden später zur Erzeugung von ATP verwendet.

    Schritt 3. Die enzymgebundene Acetylgruppe wird auf CoA übertragen, wodurch ein Molekül Acetyl-CoA entsteht.


    Beachten Sie, dass während der zweiten Stufe des Glukosestoffwechsels, wenn ein Kohlenstoffatom entfernt wird, es an zwei Sauerstoffatome gebunden wird, wodurch Kohlendioxid entsteht, eines der wichtigsten Endprodukte der Zellatmung.

    Acetyl-CoA zu CO2

    In Gegenwart von Sauerstoff liefert Acetyl-CoA seine Acetyl-(2C)-Gruppe an ein Vier-Kohlenstoff-Molekül, Oxalacetat, um Citrat zu bilden, ein Sechs-Kohlenstoff-Molekül mit drei Carboxylgruppen als Glukosemolekül und setzen die restlichen vier CO2 Moleküle. Dieser einzelne Weg wird mit verschiedenen Namen bezeichnet: Zitronensäurezyklus (für das erste gebildete Zwischenprodukt – Zitronensäure oder Citrat – wenn Acetat mit Oxalacetat verbunden wird), TCA-Zyklus (weil Zitronensäure oder Citrat und Isocitrat Tricarbonsäuren sind), und der Krebs-Zyklus , nach Hans Krebs, der in den 1930er Jahren erstmals die Schritte des Weges in der Taubenflugmuskulatur identifizierte.

    Zitronensäurezyklus

    Wie die Umwandlung von Pyruvat zu Acetyl-CoA findet der Zitronensäurezyklus in der Matrix der Mitochondrien statt. Fast alle Enzyme des Zitronensäurezyklus sind löslich, mit Ausnahme des Enzyms Succinat-Dehydrogenase, das in die innere Membran des Mitochondriums eingebettet ist. Im Gegensatz zur Glykolyse ist der Zitronensäurezyklus ein geschlossener Kreislauf: Der letzte Teil des Stoffwechselweges regeneriert die im ersten Schritt verwendete Verbindung. Die acht Schritte des Zyklus sind eine Reihe von Redox-, Dehydratisierungs-, Hydratations- und Decarboxylierungsreaktionen, die zwei Kohlendioxidmoleküle, ein GTP/ATP, und die reduzierten Träger NADH und FADH . produzieren2 ((Abbildung)). Dies wird als aerober Weg angesehen, da NADH und FADH2 erzeugt werden, müssen ihre Elektronen auf den nächsten Pfad im System übertragen, der Sauerstoff verwendet. Findet diese Übertragung nicht statt, finden auch die Oxidationsschritte des Zitronensäurezyklus nicht statt. Beachten Sie, dass der Zitronensäurezyklus direkt sehr wenig ATP produziert und keinen direkten Sauerstoff verbraucht.


    Schritte im Zitronensäurezyklus

    Schritt 1. Vor dem ersten Schritt tritt eine Übergangsphase ein, in der Brenztraubensäure in Acetyl-CoA umgewandelt wird. Dann beginnt der erste Schritt des Kreislaufs: Dieser Kondensationsschritt kombiniert die Zwei-Kohlenstoff-Acetylgruppe mit einem Vier-Kohlenstoff-Oxalacetat-Molekül, um ein Sechs-Kohlenstoff-Citrat-Molekül zu bilden. CoA ist an eine Sulfhydrylgruppe (-SH) gebunden und diffundiert weg, um sich schließlich mit einer anderen Acetylgruppe zu verbinden. Dieser Schritt ist irreversibel, da er stark exergonisch ist. Die Geschwindigkeit dieser Reaktion wird durch die negative Rückkopplung und die verfügbare ATP-Menge gesteuert. Wenn der ATP-Spiegel ansteigt, nimmt die Geschwindigkeit dieser Reaktion ab. Wenn ATP knapp ist, erhöht sich die Rate.

    Schritt 2. Im zweiten Schritt verliert Citrat ein Wassermolekül und gewinnt ein weiteres, da Citrat in sein Isomer Isocitrat umgewandelt wird.

    Schritt 3. Im dritten Schritt wird Isocitrat oxidiert, wodurch ein 5-Kohlenstoff-Molekül, α-Ketoglutarat, zusammen mit einem CO .-Molekül entsteht2 und zwei Elektronen, die NAD + zu NADH reduzieren. Auch dieser Schritt wird durch eine negative Rückkopplung von ATP und NADH und eine positive Wirkung von ADP reguliert.

    Schritt 4. Die Schritte drei und vier sind sowohl Oxidations- als auch Decarboxylierungsschritte, die, wie wir gesehen haben, Elektronen freisetzen, die NAD + zu NADH reduzieren und Carboxylgruppen freisetzen, die CO . bilden2 Moleküle. Alpha-Ketoglutarat ist das Produkt von Schritt drei und eine Succinylgruppe ist das Produkt von Schritt vier. CoA bindet mit der Succinylgruppe, um Succinyl-CoA zu bilden. Das Enzym, das den vierten Schritt katalysiert, wird durch die Rückkopplungshemmung von ATP, Succinyl-CoA und NADH reguliert.

    Schritt 5. In Schritt fünf wird Coenzym A durch eine Phosphatgruppe ersetzt und eine hochenergetische Bindung gebildet. Diese Energie wird bei der Phosphorylierung auf Substratebene (während der Umwandlung der Succinylgruppe in Succinat) verwendet, um entweder Guanintriphosphat (GTP) oder ATP zu bilden. Für diesen Schritt gibt es zwei Formen des Enzyms, Isoenzyme genannt, abhängig von der Art des tierischen Gewebes, in dem sie vorkommen. Eine Form findet sich in Geweben, die große Mengen an ATP verbrauchen, wie Herz- und Skelettmuskeln. Diese Form produziert ATP. Die zweite Form des Enzyms kommt in Geweben vor, die eine hohe Anzahl an anabolen Signalwegen aufweisen, wie z. B. in der Leber. Dieses Formular erzeugt GTP. GTP ist energetisch äquivalent zu ATP, jedoch ist seine Verwendung eingeschränkter. Insbesondere die Proteinsynthese verwendet hauptsächlich GTP.

    Schritt 6. Schritt sechs ist ein Dehydratisierungsprozess, der Succinat in Fumarat umwandelt. Zwei Wasserstoffatome werden auf FAD übertragen und zu FADH . reduziert2. (Anmerkung: Die in den Elektronen dieser Wasserstoffe enthaltene Energie reicht nicht aus, um NAD + zu reduzieren, aber ausreichend, um FAD zu reduzieren.) Im Gegensatz zu NADH bleibt dieser Träger an das Enzym gebunden und überträgt die Elektronen direkt auf die Elektronentransportkette. Dieser Prozess wird durch die Lokalisierung des Enzyms, das diesen Schritt katalysiert, innerhalb der inneren Membran des Mitochondriums ermöglicht.

    Schritt 7. Während Schritt sieben wird Wasser durch Hydrolyse zu Fumarat hinzugefügt, und Malat wird hergestellt. Der letzte Schritt im Zitronensäurezyklus regeneriert Oxalacetat durch Oxidation von Malat. Dabei entsteht dann ein weiteres Molekül NADH.

    Klicken Sie sich hier durch jeden Schritt des Zitronensäurezyklus.

    Produkte des Zitronensäurezyklus

    Von jeder Acetylgruppe kommen zwei Kohlenstoffatome in den Zitronensäurezyklus, die vier der sechs Kohlenstoffatome eines Glukosemoleküls darstellen. Bei jeder Umdrehung des Zyklus werden zwei Kohlendioxidmoleküle freigesetzt, die jedoch nicht unbedingt die zuletzt hinzugefügten Kohlenstoffatome enthalten. Die beiden Acetyl-Kohlenstoffatome werden schließlich in späteren Zyklen des Zyklus freigesetzt, so dass alle sechs Kohlenstoffatome des ursprünglichen Glucosemoleküls schließlich in Kohlendioxid eingebaut werden. Jede Umdrehung des Zyklus bildet drei NADH-Moleküle und ein FADH2 Molekül. Diese Träger verbinden sich mit dem letzten Teil der aeroben Atmung, der Elektronentransportkette, um ATP-Moleküle zu produzieren. In jedem Zyklus wird auch ein GTP oder ATP hergestellt. Mehrere der Zwischenverbindungen im Zitronensäurezyklus können bei der Synthese nichtessentieller Aminosäuren verwendet werden, daher ist der Zyklus amphibolisch (sowohl katabolisch als auch anabole).

    Abschnittszusammenfassung

    In Gegenwart von Sauerstoff wird Pyruvat in eine Acetylgruppe umgewandelt, die an ein Trägermolekül von Coenzym A gebunden ist. Das resultierende Acetyl-CoA kann auf verschiedene Wege gelangen, aber meistens wird die Acetylgruppe zum weiteren Abbau an den Zitronensäurezyklus abgegeben. Bei der Umwandlung von Pyruvat in die Acetylgruppe werden ein Molekül Kohlendioxid und zwei hochenergetische Elektronen entfernt. Das Kohlendioxid macht zwei (Umwandlung von zwei Pyruvatmolekülen) der sechs Kohlenstoffe des ursprünglichen Glucosemoleküls aus. Die Elektronen werden von NAD + aufgenommen, und das NADH transportiert die Elektronen zu einem späteren Weg zur ATP-Produktion. An diesem Punkt ist das Glucosemolekül, das ursprünglich in die Zellatmung eingetreten ist, vollständig oxidiert. Die im Glucosemolekül gespeicherte chemische potentielle Energie wurde auf Elektronenträger übertragen oder zur Synthese einiger ATPs verwendet.

    Der Zitronensäurezyklus ist eine Reihe von Redox- und Decarboxylierungsreaktionen, bei denen hochenergetische Elektronen und Kohlendioxid entfernt werden. Die Elektronen, temporär in Molekülen von NADH und FADH . gespeichert2, werden verwendet, um in einem nachfolgenden Weg ATP zu erzeugen. Ein Molekül von entweder GTP oder ATP wird durch Phosphorylierung auf Substratebene in jedem Zykluszyklus produziert. Es gibt keinen Vergleich des zyklischen Weges mit einem linearen.

    Rezensionsfragen

    Was wird aus Pyruvat bei seiner Umwandlung in eine Acetylgruppe entfernt?


    Organismen wie Prokaryoten und Eukaryoten verwenden Atmungsmechanismen für den Abbau von Nahrungsmitteln, die möglicherweise Umweltsauerstoff benötigen. Der Prozess, bei dem Mitochondrien die Energie in Lebensmitteln auf ATP übertragen, wird als Zellatmung bezeichnet. Bei diesem Prozess werden Nahrungsmoleküle in Mitochondrien abgebaut, können Sauerstoff verbrauchen und Energie an Zellen (in denen es als ATP-Molekül gespeichert wird) und die Umgebung (in Form von Wärme) übertragen.

    Es gibt zwei Arten der Zellatmung – sie sind die aerobe Atmung und die anaerobe Atmung. Die Zellen von Tieren, Pflanzen und vielen Bakterien benötigen Sauerstoff (O2), um den Energietransfer bei der Zellatmung zu erleichtern. Bei diesen Organismen wird die Art der Zellatmung als aerobe Atmung bezeichnet. Die Bedeutung des Wortes Aerobic ist mit Luft. Bei der anaeroben Atmung hingegen benötigen die Organismen keinen Sauerstoff (O2) für die Zellatmung. Alkoholgärung, Milchsäuregärung etc. sind Beispiele für anaerobe Atmung.


    Zellatmung

    Zellatmung in Gegenwart von Sauerstoff (aerobe Atmung) ist der Prozess, bei dem energiereiche organische Substrate in Kohlendioxid und Wasser, mit der Freisetzung einer beträchtlichen Menge von Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP). anaerob Atmung baut Glukose in Abwesenheit von Sauerstoff ab und produziert Pyruvat, das dann zu Laktat oder zu Ethanol und CO2. Anaerobe Atmung setzt nur wenig Energie (in Form von ATP) aus der Glukose frei Molekül.

    Die Atmung erfolgt in drei Stufen. Die erste Stufe ist Glykolyse, das eine Reihe von enzymkontrollierten Reaktionen ist, die Glucose (ein Molekül mit 6 Kohlenstoffatomen) zu Pyruvat (ein Molekül mit 3 Kohlenstoffatomen) abbauen, das weiter zu Acetylcoenzym A (Acetyl-CoA) oxidiert wird. Aminosäuren und Fettsäuren kann auch zu Acetyl-CoA sowie zu Glucose oxidiert werden.

    In der zweiten Stufe gelangt Acetyl-CoA in die Zitronensäure (Krebs)-Zyklus, in dem es abgebaut wird, um energiereiches zu ergeben Wasserstoff Atome, die die oxidierte Form des Coenzyms Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (NAD + ) zu NADH und reduzieren das Coenzym Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD) zu FADH2. (Reduktion ist die Anlagerung von Elektronen an ein Molekül oder die Aufnahme von Wasserstoffatomen, während Oxidation der Verlust von Elektronen oder die Anlagerung von Sauerstoff an ein Molekül ist.) Auch in der zweiten Stufe der Zellatmung wird die Kohlenstoff Atome der Stoffwechselzwischenprodukte im Krebs Zyklus werden in Kohlendioxid umgewandelt.

    Die dritte Stufe der Zellatmung tritt ein, wenn der energiereiche Wasserstoff Atome werden in Protonen [H + ] und energiereiche Elektronen im Elektron Transportkette. Am Anfang der Elektronentransportkette wird der energiereiche Wasserstoff von NADH aus NADH entfernt, wodurch das oxidierte Coenzym NAD . entsteht + und ein Proton (H+) und zwei Elektronen (e-). Die Elektronen werden entlang einer Kette von mehr als 15 verschiedenen Elektronenträgermolekülen (sogenannte Elektronentransportkette) übertragen. Diese Proteine sind in drei große respiratorische gruppiert Enzym Komplexe, von denen jeder Proteine ​​enthält, die die mitochondrialen Membran, wodurch die Komplexe in der inneren Membran befestigt werden. Außerdem hat jeder Komplex in der Kette eine größere Affinität für Elektronen als der Komplex davor. Diese zunehmende Affinität treibt die Elektronen die Kette entlang, bis sie bis zum Ende übertragen werden, wo sie auf das Sauerstoffmolekül treffen, das die größte Affinität zu den Elektronen hat. Der Sauerstoff wird somit zu H . reduziert2O in Gegenwart von Wasserstoffionen (Protonen), die ursprünglich durch Oxidation aus Nährstoffmolekülen gewonnen wurden.

    Während des Elektronentransports wird ein Großteil der durch die Elektronen repräsentierten Energie während eines Prozesses, der als oxidative Phosphorylierung bezeichnet wird, konserviert. Dieser Prozess nutzt die Energie der Elektronen, um zu phosphorylieren (eine Phosphatgruppe hinzuzufügen) Adenosindiphosphat (ADP), um das energiereiche Molekül ATP zu bilden.

    Die oxidative Phosphorylierung wird durch die Energie angetrieben, die von den Elektronen freigesetzt wird, wenn sie von den Wasserstoffatomen der Coenzyme durch die Atmungskette in der inneren Membran des Mitochondriums wandern. Diese Energie wird verwendet, um Protonen (H + ) über die innere Membran von der Matrix zum Zwischenprodukt Platz. Dies richtet ein Konzentration Gradient, entlang dem Stoffe von hoher zu niedriger Konzentration fließen, während gleichzeitig ein Strom von OH - strömt in entgegengesetzter Richtung über die Membran. Der gleichzeitige entgegengesetzte Fluss von positiven und Negativ Ionen über die Mitochondrienmembran bauen einen elektrochemischen Protonengradienten auf. Der Fluss von Protonen entlang dieses Gradienten treibt ein membrangebundenes Enzym, die ATP-Synthetase, an, die die Phosphorylierung von ADP zu ATP katalysiert.

    Diese hocheffiziente, energiesparende Abfolge von Reaktionen wäre in eukaryontischen Zellen ohne die Mitochondrien genannten Organellen nicht möglich. Mitochondrien sind die "Kraftwerke" der eukaryontischen Zellen und werden von zwei Membranen begrenzt, die zwei separate Kompartimente bilden: einen Innenraum und einen schmalen Zwischenmembranraum. Zu den Enzymen der Matrix gehören diejenigen, die die Umwandlung von Pyruvat und Fettsäuren zu Acetyl-CoA katalysieren, sowie die Enzyme des Krebs-Zyklus. Die Enzyme der Atmungskette sind in die innere Mitochondrienmembran eingebettet, die der Ort der oxidativen Phosphorylierung und der Produktion von ATP ist.

    In Abwesenheit von Mitochondrien, Tier Zellen wären für ihren Energiebedarf auf die Glykolyse beschränkt, die nur einen kleinen Bruchteil der potenziell aus der Glukose verfügbaren Energie freisetzt.

    Die Reaktionen der Glykolyse erfordern die Zufuhr von zwei ATP-Molekülen und produzieren vier ATP-Moleküle für einen Nettogewinn von nur zwei Molekülen pro Glukosemolekül. Diese ATP-Moleküle werden gebildet, wenn Phosphatgruppen von phosphorylierten Zwischenprodukten der Glykolyse entfernt und auf ADP übertragen werden, ein Prozess, der als Phosphorylierung auf Substratebene bezeichnet wird (Synthese von ATP durch direkte Übertragung einer energiereichen Phosphatgruppe von einem Molekül in einem Stoffwechselweg zu ADP ).

    Im Gegensatz dazu produzieren Mitochondrien, die mit Sauerstoff versorgt werden, etwa 36 Moleküle ATP für jedes oxidierte Glucosemolekül. Prokaryontische Zellen, wie z Bakterien, fehlen Mitochondrien sowie Kernmembranen. Fettsäuren und Aminosäuren werden beim Transport in die Mitochondrien in die Zwei-Kohlenstoff-Acetylgruppe von Acetyl-CoA abgebaut, die dann in den Krebs-Zyklus eintritt. Bei Tieren speichert der Körper Fettsäuren in Form von Fetten und Glukose in Form von Glykogen, um eine stetige Versorgung mit diesen zu gewährleisten Nährstoffe zur Atmung.

    Während der Krebs-Zyklus ein wesentlicher Bestandteil von Aerobic ist, Stoffwechsel, die Produktion von NADH und FADH 2 ist nicht auf Sauerstoff angewiesen. Stattdessen wird Sauerstoff am Ende der Elektronentransportkette verwendet, um sich mit Elektronen zu verbinden, die aus NADH und FADH . entfernt wurden2 und mit Wasserstoffionen im Zytosol, um Wasser zu produzieren.

    Obwohl die Produktion von Wasser notwendig ist, um den Prozess der Elektronentransportkette in Gang zu halten Bewegung, die Energie, die zur Herstellung von ATP verwendet wird, stammt aus einem anderen Prozess namens Chemiosmose.

    Chemiosmose ist ein Mechanismus, der den Protonengradienten über die Membran nutzt, um ATP zu erzeugen und durch die Aktivität der Elektronentransportkette initiiert wird. Chemiosmose stellt eine Verbindung zwischen den chemischen und osmotischen Prozessen im Mitochondrium dar, die während der Atmung ablaufen.

    Die Elektronen, die durch die Atmungskette auf der inneren Membran des Mitochondriums transportiert werden, setzen Energie frei, die zum Pumpen von Protonen (H + ) über die innere Membran von der mitochondrialen Matrix in den Intermembranraum. Der resultierende Protonengradient über die mitochondriale innere Membran führt zu einem Rückfluss von Protonen zurück über die Membran. Dieser Elektronenfluss durch die Membran, wie ein Wasserfall, der verwendet wird, um eine elektrische Turbine, treibt ein membrangebundenes Enzym, die ATP-Synthetase, an. Dieses Enzym katalysiert die Phosphorylierung von ADP zu ATP, was den Teil der Zellatmung vervollständigt, der als oxidative Phosphorylierung bezeichnet wird. Die Protonen neutralisieren wiederum die negativen Ladungen, die durch die Addition von Elektronen an Sauerstoffmoleküle entstehen, wodurch Wasser entsteht.

    Die Zellatmung produziert drei Moleküle ATP pro Elektronenpaar in NADH, während das Elektronenpaar in FADH2 erzeugen zwei Moleküle ATP. Dies bedeutet, dass für jedes Acetyl-CoA-Molekül, das in den Krebs-Zyklus eintritt, 12 Moleküle ATP gebildet werden, und da aus jedem Glucosemolekül zwei Acetyl-CoA-Moleküle gebildet werden, werden aus jedem Molekül dieses Zuckers insgesamt 24 Moleküle ATP hergestellt. Addiert man die Energie, die aus den Reaktionen, die vor der Bildung von Acetyl-CoA auftreten, konserviert wird, hinzu, ergibt die vollständige Oxidation eines Glucosemoleküls eine Nettoausbeute von etwa 36 ATP-Molekülen. Wenn Fette anstelle von Glukose verbrannt werden, beträgt die Gesamtausbeute aus einem Molekül Palmitat, einem Fett mit 16 Kohlenstoffatomen, 129 ATP.


    Was passiert bei der Zellatmung?

    Bei der Zellatmung zerfällt Glukose in Kohlendioxid und Wasser. Dieser Prozess setzt einen Energiespeicher (ATP) frei, den die Zellen für ihre Bedürfnisse verwenden können.

    Die Zellatmung ist ein Prozess, bei dem Glukose oder Zucker zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert und dabei Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) freigesetzt wird. Der Prozess findet teilweise im Zytoplasma statt, dem Material innerhalb der lebenden Zelle, und teilweise in den Mitochondrien, einer Organelle, die in den meisten Zellen vorkommt.

    Die Zellatmung beginnt im Zytoplasma mit der Aufspaltung eines Glukosemoleküls in zwei Moleküle Brenztraubensäure, einer organischen Säure, die bei vielen Stoffwechselprozessen auftritt. Die Brenztraubensäure wandert in die Mitochondrien, wo sie in Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA) umgewandelt wird, ein wichtiges biochemisches Molekül, das weiter abgebaut werden kann.

    Während des Zitronensäurezyklus entfernt die Anwesenheit von Sauerstoff die Wasserstoffmoleküle jeweils zwei Mal vom Acetyl-CoA, bis keine mehr übrig sind. Von der Glukose bleibt nur Kohlendioxid, das ein Abfallprodukt ist, und Wasser. Der Zitronensäurezyklus produziert viel Nicotinamidadenindinukleotid (NADH), das Elektronen von den Wasserstoffmolekülen entlang einer Elektronentransportkette transportiert, was zur Produktion von ATP führt.


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