معلومة

9.3: تخمر وتجديد NAD + - علم الأحياء


تخمر وتجديد NAD +

ملخص القسم

يناقش هذا القسم عملية التخمير. نظرًا للتركيز الشديد في هذه الدورة على التمثيل الغذائي للكربون المركزي ، فإن مناقشة التخمير تركز بشكل مفهوم على تخمر البيروفات. ومع ذلك ، فإن بعض المبادئ الأساسية التي نغطيها في هذا القسم تنطبق بنفس القدر على تخمير العديد من الجزيئات الصغيرة الأخرى.

"الغرض" من التخمير

أكسدة مجموعة متنوعة من المركبات العضوية الصغيرة هي عملية تستخدمها العديد من الكائنات الحية للحصول على الطاقة من أجل صيانة الخلايا ونموها. أكسدة الجلوكوز عن طريق تحلل السكر هو أحد هذه المسارات. تتضمن عدة خطوات رئيسية في أكسدة الجلوكوز إلى بيروفات تقليل مكوك الإلكترون / الطاقة NAD+ إلى NADH. لقد طُلب منك بالفعل معرفة الخيارات التي قد تضطر الخلية بشكل معقول إلى إعادة أكسدة NADH إلى NAD+ من أجل تجنب استهلاك المسابح المتوفرة في NAD+ وبالتالي تجنب وقف تحلل السكر. بعبارة أخرى ، أثناء تحلل السكر ، يمكن للخلايا أن تولد كميات كبيرة من NADH وتستنفد ببطء إمداداتها من NAD+. إذا استمر تحلل السكر ، يجب أن تجد الخلية طريقة لتجديد NAD+، إما عن طريق التوليف أو عن طريق بعض أشكال إعادة التدوير.

في حالة عدم وجود أي عملية أخرى - أي إذا أخذنا في الاعتبار التحلل السكري وحده - فليس من الواضح على الفور ما يمكن أن تفعله الخلية. يتمثل أحد الخيارات في محاولة إعادة الإلكترونات التي تم تجريدها من مشتقات الجلوكوز إلى المنتج النهائي ، البيروفات ، أو أحد مشتقاته. يمكننا تعميم العملية من خلال وصفها بأنها عودة الإلكترونات إلى الجزيء الذي أزيلت منه ذات مرة ، عادةً لاستعادة تجمعات عامل مؤكسد. هذا باختصار التخمر. كما سنناقش في قسم مختلف ، يمكن لعملية التنفس أيضًا تجديد تجمعات NAD+ من NADH. قد تختار الخلايا التي تفتقر إلى سلاسل الجهاز التنفسي أو في الظروف التي يكون فيها استخدام السلسلة التنفسية غير مواتية التخمر كآلية بديلة للحصول على الطاقة من الجزيئات الصغيرة.

مثال: تخمير حمض اللاكتيك

من الأمثلة اليومية على تفاعل التخمير اختزال البيروفات إلى اللاكتات عن طريق تفاعل تخمير حمض اللاكتيك. يجب أن يكون رد الفعل هذا مألوفًا لك: فهو يحدث في عضلاتنا عندما نجهد أنفسنا أثناء التمرين. عندما نجهد أنفسنا ، تتطلب عضلاتنا كميات كبيرة من ATP لأداء العمل الذي نطلبه منهم. مع استهلاك الـ ATP ، تصبح خلايا العضلات غير قادرة على مواكبة الطلب على التنفس ، O2 يصبح مقيدًا ، ويتراكم NADH. تحتاج الخلايا إلى التخلص من الفائض وتجديد NAD+، لذلك يعمل البيروفات كمستقبل للإلكترون ، ويولد اللاكتات ويؤكسد NADH إلى NAD+. تستخدم العديد من البكتيريا هذا المسار كطريقة لإكمال NADH / NAD+ دورة. قد تكون على دراية بهذه العملية من منتجات مثل مخلل الملفوف والزبادي. التفاعل الكيميائي لتخمير حمض اللاكتيك هو كما يلي:

بيروفات + NADH حمض اللاكتيك + NAD+

شكل 1. يحول تخمير حمض اللاكتيك البيروفات (مركب كربوني مؤكسد قليلاً) إلى حمض اللاكتيك. في هذه العملية ، يتأكسد NADH لتشكيل NAD+. الإسناد: Marc T. Facciotti (العمل الأصلي)

قصة طاقة لتخمير البيروفات إلى اللاكتات

مثال (إذا كانت طويلة قليلاً) قصة الطاقة لتخمير حمض اللاكتيك هو ما يلي:

المتفاعلات هي البيروفات ، NADH ، والبروتون. المنتجات هي اللاكتات و NAD+. تؤدي عملية التخمير إلى تقليل البيروفات لتكوين حمض اللاكتيك وأكسدة NADH لتكوين NAD+. تُستخدم الإلكترونات من NADH والبروتون لتقليل البيروفات إلى اللاكتات. إذا فحصنا جدولًا لإمكانية الاختزال القياسية ، فإننا نرى في ظل الظروف القياسية أن نقل الإلكترونات من NADH إلى البيروفات لتكوين اللاكتات يكون طاردًا للطاقة وبالتالي تلقائيًا حراريًا. تقترن خطوات الاختزال والأكسدة للتفاعل وتحفز بواسطة إنزيم نازعة هيدروجين اللاكتات.

مثال ثانٍ: التخمير الكحولي

عملية التخمير المألوفة الأخرى هي تخمير الكحول ، الذي ينتج الإيثانول ، وهو كحول. تفاعل التخمير الكحولي هو كالتالي:

الشكل 2. يتألف تخمير الإيثانول من خطوتين. يتم تحويل البيروفات (حمض البيروفيك) أولاً إلى ثاني أكسيد الكربون وأسيتالديهيد. تقوم الخطوة الثانية بتحويل الأسيتالديهيد إلى إيثانول ويؤكسد NADH إلى NAD+. Facciotti (عمل أصلي)

في التفاعل الأول ، تتم إزالة مجموعة الكربوكسيل من حمض البيروفيك ، مما يؤدي إلى إطلاق ثاني أكسيد الكربون كغاز (قد يكون البعض منكم على دراية بهذا باعتباره مكونًا رئيسيًا للعديد من المشروبات). يزيل التفاعل الثاني الإلكترونات من NADH ، مكونًا NAD+ وإنتاج الإيثانول (مركب مألوف آخر - عادة في نفس المشروب) من الأسيتالديهيد ، الذي يقبل الإلكترونات.

اقترح مناقشة

اكتب قصة طاقة كاملة لتخمير الكحول. اقترح الفوائد المحتملة لهذا النوع من التخمير لكائن الخميرة وحيدة الخلية.

مسارات التخمير عديدة

في حين أن مسارات تخمير حمض اللاكتيك والتخمير الكحولي الموصوفة أعلاه هي أمثلة ، إلا أن هناك العديد من التفاعلات (عدد كبير جدًا بحيث لا يمكن تجاوزها) التي تطورت الطبيعة لإكمال NADH / NAD+ دورة. من المهم أن تفهم المفاهيم العامة وراء ردود الفعل هذه. بشكل عام ، تحاول الخلايا الحفاظ على توازن أو نسبة ثابتة بين NADH و NAD+؛ عندما تصبح هذه النسبة غير متوازنة ، تعوض الخلية عن طريق تعديل ردود الفعل الأخرى للتعويض. المطلب الوحيد لتفاعل التخمير هو أنه يستخدم مركبًا عضويًا صغيرًا كمستقبل إلكتروني لـ NADH ويجدد NAD+. تشمل تفاعلات التخمير المألوفة الأخرى تخمر الإيثانول (كما في الجعة والخبز) ، والتخمير البروبيوني (وهو ما يصنع الثقوب في الجبن السويسري) ، والتخمير مالولاكتيك (وهو ما يعطي Chardonnay نكهته الأكثر نعومة - وكلما زاد تحويل malate إلى lactate ، ليونة النبيذ). في الشكل 3 ، يمكنك رؤية مجموعة كبيرة ومتنوعة من تفاعلات التخمير التي تستخدمها البكتيريا المختلفة لإعادة أكسدة NADH إلى NAD+. تبدأ كل هذه التفاعلات مع البيروفات أو أحد مشتقات استقلاب البيروفات ، مثل أوكسالأسيتات أو فورمات. يتم إنتاج البيروفات من أكسدة السكريات (الجلوكوز أو الريبوز) أو غيرها من الجزيئات العضوية الصغيرة المختزلة. وتجدر الإشارة أيضًا إلى أنه يمكن استخدام مركبات أخرى كركائز تخمير إلى جانب البيروفات ومشتقاته. وتشمل هذه تخمير الميثان ، تخمير الكبريتيد ، أو تخمير المركبات النيتروجينية مثل الأحماض الأمينية. لا يُتوقع منك حفظ كل هذه المسارات. ومع ذلك ، من المتوقع أن تتعرف على مسار يعيد الإلكترونات إلى منتجات المركبات التي تأكسد في الأصل لإعادة تدوير NAD+/ تجمع NADH وربط هذه العملية بالتخمير.

الشكل 3. يوضح هذا الشكل مسارات تخمير مختلفة باستخدام البيروفات كركيزة أولية. في الشكل ، يتم تقليل البيروفات إلى مجموعة متنوعة من المنتجات عبر تفاعلات مختلفة وأحيانًا متعددة الخطوات (تمثل الأسهم المتقطعة عمليات متعددة الخطوات محتملة). لم يتم عرض جميع التفاصيل عمدا. النقطة الأساسية هي إدراك أن التخمير مصطلح واسع لا يرتبط فقط بتحويل البيروفات إلى حمض اللاكتيك أو الإيثانول. المصدر: Marc T. Facciotti (عمل أصلي)

ملاحظة على الرابط بين الفسفرة على مستوى الركيزة والتخمير

يحدث التخمر في حالة عدم وجود الأكسجين الجزيئي (O2). إنها عملية لا هوائية. لاحظ عدم وجود O2 في أي من تفاعلات التخمير الموضحة أعلاه. العديد من هذه التفاعلات قديمة جدًا ، ويُفترض أنها من أوائل التفاعلات الأيضية لتوليد الطاقة التي تتطور. هذا منطقي إذا أخذنا في الاعتبار ما يلي:

  1. انخفض الغلاف الجوي المبكر بدرجة كبيرة ، مع توفر القليل من الأكسجين الجزيئي بسهولة.
  2. كانت الجزيئات العضوية الصغيرة شديدة الاختزال متاحة نسبيًا ، ناشئة عن مجموعة متنوعة من التفاعلات الكيميائية.
  3. توجد هذه الأنواع من التفاعلات والمسارات والإنزيمات في العديد من الأنواع المختلفة من الكائنات الحية ، بما في ذلك البكتيريا والعتائق وحقيقيات النوى ، مما يشير إلى أن هذه التفاعلات قديمة جدًا.
  4. تطورت العملية قبل وقت طويل من O2 تم العثور عليه في البيئة.
  5. كانت الركائز ، شديدة الاختزال ، جزيئات عضوية صغيرة ، مثل الجلوكوز ، متاحة بسهولة.
  6. المنتجات النهائية للعديد من تفاعلات التخمير هي أحماض عضوية صغيرة تنتج عن أكسدة الركيزة الأولية.
  7. تقترن العملية بتفاعلات الفسفرة على مستوى الركيزة. أي أن الجزيئات العضوية الصغيرة المختزلة تتأكسد ، ويتم إنشاء ATP أولاً عن طريق تفاعل أحمر / ثور متبوعًا بفسفرة مستوى الركيزة.
  8. يشير هذا إلى أن تفاعلات الفسفرة والتخمير على مستوى الركيزة قد تطورت معًا.

اقترح مناقشة

إذا كانت الفرضية صحيحة وهي أن تفاعلات الفسفرة والتخمير على مستوى الركيزة قد تطورت معًا وكانت أول أشكال استقلاب الطاقة التي استخدمتها الخلايا لتوليد ATP ، فماذا ستكون عواقب مثل هذه التفاعلات بمرور الوقت؟ ماذا لو كانت هذه هي الأشكال الوحيدة لاستقلاب الطاقة المتوفرة على مدى مئات الآلاف من السنين؟ ماذا لو تم عزل الخلايا في بيئة صغيرة مغلقة؟ ماذا لو لم يتم إنتاج الركائز الصغيرة والمختصرة بنفس معدل الاستهلاك خلال هذا الوقت؟

عواقب التخمير

تخيل عالماً يكون فيه التخمير هو الطريقة الأساسية لاستخراج الطاقة من الجزيئات الصغيرة. مع ازدهار السكان ، يتكاثرون ويستهلكون وفرة من الجزيئات العضوية الصغيرة المختزلة في البيئة ، مما ينتج الأحماض. إحدى النتائج هي تحمض (انخفاض درجة الحموضة) في البيئة ، بما في ذلك البيئة الخلوية الداخلية. يمكن أن يكون هذا معطلاً ، لأن التغيرات في الأس الهيدروجيني يمكن أن يكون لها تأثير عميق على الوظيفة والتفاعلات بين الجزيئات الحيوية المختلفة. لذلك ، هناك حاجة إلى تطوير الآليات التي يمكن أن تزيل الأحماض المختلفة. لحسن الحظ ، في بيئة غنية بالمركبات المخفضة ، يمكن أن تنتج الفسفرة على مستوى الركيزة والتخمير كميات كبيرة من ATP.

من المفترض أن هذا السيناريو كان بداية تطور F0F1-ATPase ، آلة جزيئية تحلل جزيء ATP وتنقل البروتونات عبر الغشاء (سنرى هذا مرة أخرى في القسم التالي). مع F0F1-ATPase ، يمكن لـ ATP المنتج من التخمير الآن أن يسمح للخلية بالحفاظ على توازن الأس الهيدروجيني عن طريق اقتران الطاقة الحرة للتحلل المائي لـ ATP بنقل البروتونات خارج الخلية. الجانب السلبي هو أن الخلايا تضخ الآن كل هذه البروتونات في البيئة ، والتي ستبدأ الآن في التحمض.

اقترح مناقشة

إذا كانت الفرضية صحيحة ، فإن F0F1-ATPase أيضًا تطورت بشكل مشترك مع تفاعلات الفسفرة والتخمير على مستوى الركيزة ، فماذا سيحدث مع مرور الوقت للبيئة؟ في حين أن المركبات العضوية الصغيرة والمختصرة قد تكون وفيرة في البداية ، إذا "تقلع" التخمير في مرحلة ما ، فإن المركبات المختزلة قد تنفد وقد يصبح ATP نادرًا أيضًا. هذه مشكلة. بالتفكير مع وضع نموذج تقييم تحدي التصميم في الاعتبار ، حدد المشكلة (المشكلات) التي تواجه الخلية في هذه البيئة المفترضة. ما هي الآليات أو الطرق المحتملة الأخرى التي يمكن أن تتغلب بها الطبيعة على المشكلة (المشكلات)؟


التخمير وتجديد NAD +

أي مناقشة تركز على التخمير يجب أن تركز على تخمر البيروفات. ومع ذلك ، تظهر بعض المبادئ الأساسية للتخمير في العديد من الأمثلة في الأنشطة اليومية. لا يهم مدى صغر حجم التخمر وتجديد NAD +.

دور التخمير

تحدث أكسدة المركبات العضوية الصغيرة من خلال الكائنات الحية الدقيقة التي تحصل على طاقتها من صيانة الخلايا ونموها. مثال على ذلك هو أكسدة الجلوكوز من خلال الجليكوز.

تتضمن بعض الخطوات الأساسية اللازمة لتخمر الجلوكوز تقليل الإلكترون NAD + إلى NADH. أثناء الإصابة بالجليكوز ، تولد الخلايا كميات كبيرة من NADH وتستنفد كل إمدادات NAD +. لكي يستمر السكر ، يجب أن تجد الخلية طريقة لتجديد NAD + إما من خلال التوليف أو إعادة التدوير.

إذا لم يكن هناك خيار أو عملية أخرى ، فلا يمكن لأحد أن يعرف ما يمكن أن تفعله الخلية. يمكننا محاولة إعادة الإلكترونات التي تم تجريدها سابقًا من الجلوكوز إلى المنتج النهائي أو أحد مشتقاته. التخمر هو عندما نحاول استعادة تجمعات من العوامل المؤكسدة (الإلكترون الذي تمت إزالته سابقًا).

مثال على التخمير: حمض اللاكتيك

هذا مثال يومي حيث يتم اختزال مركب اللاكتات بواسطة حمض اللاكتيك من خلال التخمير.

رد الفعل هذا هو ما يحدث لعضلاتك أثناء التمارين. أثناء التمرين ، تتطلب عضلاتك كميات كبيرة من الأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP) لأداء النشاط المحدد. بمجرد أن ينخفض ​​ATP ، فإن ألياف العضلات لن تواكب الطلب المتزايد على التنفس لأن مستويات الأكسجين أصبحت محدودة ويتراكم نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد (NADH). تحتاج الخلايا إلى التخلص من الفائض وتجديد NAD + ، وبالتالي سوف يتولى البيروفات دور متقبل الإلكترون ويبدأ في إنتاج اللاكتات وأكسدة NADH إلى NAD +. ستستخدم معظم البكتيريا هذا المسار لإكمال دورة NADH / NAD +. هذا بالضبط ما يحدث في الزبادي.

من أين تأتي الطاقة في التخمير؟

العوامل المتفاعلة ، في هذه الحالة ، هي البروتون ، NADH ، والبيروفات. المنتجات هي NAD + واللاكتات. تعطي عملية التخمير بأكملها بيروفات مخفضة عن طريق تكوين حمض اللاكتيك وأكسدة NADH لتشكيل NAD +. تتحد الإلكترونات من NADH والبروتون لتقليل البيروفات إلى اللاكتات. إذا فحصنا هذا التفاعل ، فسنرى أنه في الظروف العادية ، فإن انتقال الإلكترونات من NADH إلى البيروفات لتكوين اللاكتات هو تفاعل خارجي وبالتالي نتيجة ديناميكية حرارية. ترتبط مراحل الاختزال والأكسدة لعملية التخمير وتحفزها إنزيم اللاكتات ديهيدروجينيز.

الطبيعة لديها العديد من مسارات التخمير

تطورت الطبيعة كما نعرفها لتكمل دورة NADH / NAD +. من المهم أن نفهم المفاهيم العامة للتخمير. بشكل عام ، تحاول الخلايا الحفاظ على توازن أو نسبة ثابتة بين NADH و NAD + عندما تصبح النسبة غير مستقرة ، تحاول الخلايا التعويض عن طريق تعديل أنشطتها الخلوية. الشرط الوحيد الذي يجعل التخمير ممكنًا هو استخدام مركب صغير (عضوي) كمستقبل إلكتروني لـ NADH ويتجدد إلى NAD +. اقرأ المزيد عن المصادر الطبيعية لـ NAD +.


ملخص القسم

إذا تعذر استقلاب NADH من خلال التنفس الهوائي ، فسيتم استخدام متقبل إلكترون آخر. ستستخدم معظم الكائنات الحية شكلاً من أشكال التخمير لإنجاز تجديد NAD + ، مما يضمن استمرار تحلل السكر. لا يترافق تجديد NAD + في التخمير مع إنتاج ATP ، وبالتالي ، لا يتم استخدام إمكانية NADH لإنتاج ATP باستخدام سلسلة نقل الإلكترون.

أسئلة إضافية للتحقق الذاتي

1. Tremetol ، السم الأيضي الموجود في نبات جذر الثعبان الأبيض ، يمنع استقلاب اللاكتات. عندما تأكل الأبقار هذا النبات ، يتركز Tremetol في الحليب. يمرض البشر الذين يستهلكون الحليب. تتفاقم أعراض هذا المرض ، والتي تشمل القيء وآلام البطن والرعشة ، بعد التمرين. لماذا تظن أن هذه هي القضية؟

2. عندما ينفد الأكسجين من خلايا العضلات ، ماذا يحدث لإمكانية استخلاص الطاقة من السكريات وما هي المسارات التي تستخدمها الخلية؟

الإجابات

قائمة المصطلحات

التنفس الخلوي اللاهوائي: استخدام متقبل الإلكترون بخلاف الأكسجين لإكمال التمثيل الغذائي باستخدام التناضح الكيميائي القائم على النقل الإلكتروني

التخمير: تحدث الخطوات التي تتبع الأكسدة الجزئية للجلوكوز عبر تحلل السكر لتجديد NAD + في غياب الأكسجين وتستخدم مركبًا عضويًا كمستقبل نهائي للإلكترون


يمكن تعريف عملية التخمير بطرق مختلفة. إذا فكرنا في المجال الكيميائي الحيوي ، فإنه يكسر الروابط الكيميائية في السكريات ويتحول إلى طاقة لا يمكن إنتاجها في عملية تحلل السكر.

خلال أنشطتنا العادية ، تكون كمية الأكسجين اللازمة للتنفس كافية في أجسامنا ، ولكن عندما ننخرط في أنشطة عالية في حياتنا اليومية ، لا يستطيع جسمنا توفير ما يكفي من الأكسجين لخلايا الجسم ، ونتيجة لذلك ، نتنفس بشكل أسرع.

إذن ، في ذلك الوقت ، كيف تحافظ خلايا الجسم على وظيفة التنفس الخلوي بدون أكسجين كافٍ؟

بدون الأكسجين ، يمكن أن تستمر عملية تحلل السكر. في حالة توفر الأكسجين ، يتم استخدامه في التنفس الخلوي حيث يلتقط الأكسجين الإلكترونات. ولكن إذا لم يكن هناك أكسجين ، فلن يكون بالإمكان التقاط الإلكترون وهذه المرة يمكن أن تستمر عمليات تحلل السكر عن طريق إنتاج ATP بدون أكسجين.

الشكل: عملية التخمير.

يتم تصنيع جزيئات ATP في عملية تحلل السكر. ومع ذلك ، لا يتم تصنيع جزيئات ATP في عملية التخمير ، ولكنها تسمح باستمرار تحلل السكر. يمكن للتخمير إزالة الإلكترون من جزيئات NADH وتجديد جزيئات NAD + التي تحتاج إلى تحلل السكر الذي يلتقط الإلكترون حيث لا يحتاج إلى أكسجين لالتقاط الإلكترونات لمواصلة وظيفة الجسم. سيتم إيقاف عملية تحلل السكر إذا لم يكن هناك التقاط إلكترون وبدون NAD + لا يمكن التقاط الإلكترونات من انقسام الجلوكوز.

كيف يمكن أن يساعد NAD + في استمرار عملية تحلل السكر؟

عندما لا يكون الأكسجين موجودًا في الخلية ، في عملية تحلل السكر ، يتم تقسيم الجلوكوز إلى جزيئين من البيروفات عن طريق إنتاج جزيئين من ATP ويقلل جزيء NAD + إلى NADH وهو مخزن للطاقة.

بعد ذلك ، أثناء عملية التخمير ، يوفر جزيئان من NADH الطاقة لتحويل البيروفات إلى منتجات تخمير. عن طريق استخدام NADH ، يتم إعادة تأهيله مرة أخرى إلى NAD +. يتم إعادة تدوير جزيئين من NAD + إلى تحلل السكر. ثم يمكن أن تستمر عملية تحلل السكر بواسطة NAD + المعاد تدويره.

يرجى إبداء تعليق ، إذا كنت تشعر بالاهتمام بهذه المقالة أو إذا كان لديك أي أسئلة.


ما تعلمته & # x27ll:

تتضمن عملية تحلل السكر تحويل المادة المتفاعلة ، الجلوكوز بالإضافة إلى جزيئين NAD + ، جزيئين من ADP بالإضافة إلى 2Pi ، إلى المنتجات ، أي جزيئين من البيروفات بالإضافة إلى جزيئين من NADH بالإضافة إلى جزيئين H + وجزيئين من ATP. إذا حدث التحلل الجلدي بشكل مستمر ، فسيتم استخدام جميع جزيئات NAD + بالكامل ، وهذا سينتهي بدورة تحلل السكر. لمواصلة دورة تحلل السكر ، يجب أن يحدث تحويل NADH مرة أخرى إلى NAD +. يعتمد حدوث هذه الخطوة على متقبل الإلكترون الخارجي المتاح. الطريقة الأولى التي يمكن استخدامها لتنفيذ الأمر نفسه هي تحويل البيروفات إلى اللاكتات ، وتسمى هذه العملية تخمير حمض اللاكتيك. في هذا التفاعل ، البيروفات ، NADH ، و H + هو المتفاعل الذي يتحول إلى لاكتات و NAD +. تحدث هذه العملية أيضًا داخل البكتيريا المستخدمة في صنع الزبادي. هناك كائنات حية فردية ، على سبيل المثال ، الخميرة ، والتي تتضمن تحويل NADH إلى NAD + من خلال عملية تسمى تخمير الإيثانول. يحدث تحويل البيروفات إلى أسيتالديهيد وثاني أكسيد الكربون ، والذي بدوره يتحول إلى إيثانول. يحدث كل من تخمير الإيثانول وتخمير حمض اللاكتيك في غياب الأكسجين. لذلك يمكن استخدام هذا التخمير اللاهوائي بواسطة الكائنات وحيدة الخلية كمصدر للطاقة. يمكن دراسة تجديد الأكسجين NAD + كوسيلة فعالة لإنتاج الطاقة خلال فترة قصيرة تتراوح من 10 ثوانٍ إلى حوالي دقيقتين. يحدث تجديد NAD + من خلال NADH عن طريق إعطاء الإلكترونات إلى البيروفات ، مما يؤدي بدوره إلى إنتاج اللاكتات. ينتج عن هذا في النهاية جزيئين ATP يتكونان من جزيء جلوكوز واحد. يمكن أيضًا تسمية تخمر البيروفات إلى اللاكتات باسم تحلل السكر اللاهوائي. عند ذكر اثنين من التخمير ، حدثت أكسدة NADH ، مما أدى إلى انتقال إلكترونين إلى البيروفات.


كيف NAD + قوي

افتح أي كتاب في علم الأحياء وستتعرف على NAD + ، والذي يرمز إلى نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد. إنه أنزيم مهم موجود في كل خلية في جسمك يشارك في مئات من عمليات التمثيل الغذائي مثل الطاقة الخلوية وصحة الميتوكوندريا. يعمل NAD + بجد في خلايا البشر والثدييات الأخرى والخميرة والبكتيريا ، وحتى النباتات.

لقد عرف العلماء عن NAD + منذ اكتشافه لأول مرة في عام 1906 ، ومنذ ذلك الحين استمر فهمنا لأهميته في التطور. على سبيل المثال ، لعبت سلائف النياسين NAD + دورًا في التخفيف من مرض البلاجرا ، وهو مرض قاتل أصاب الجنوب الأمريكي في القرن العشرين. حدد العلماء في ذلك الوقت أن الحليب والخميرة ، وكلاهما يحتوي على سلائف NAD + ، يخفف الأعراض. بمرور الوقت ، حدد العلماء العديد من سلائف NAD + - بما في ذلك حمض النيكوتينيك والنيكوتيناميد والنيكوتيناميد ريبوسيد ، من بين أمور أخرى - التي تستخدم المسارات الطبيعية التي تؤدي إلى NAD +. فكر في سلائف NAD + كطرق مختلفة يمكنك اتباعها للوصول إلى وجهة. تنقلك جميع المسارات إلى نفس المكان ولكن بوسائل نقل مختلفة.

في الآونة الأخيرة ، أصبح NAD + جزيءًا ثمينًا في البحث العلمي بسبب دوره المركزي في الوظائف البيولوجية. كان المجتمع العلمي يبحث في كيفية ارتباط NAD + بالفوائد الملحوظة في الحيوانات التي تستمر في إلهام الباحثين لترجمة هذه النتائج إلى البشر. فكيف بالضبط يلعب NAD + مثل هذا الدور المهم؟ باختصار ، إنه أنزيم أو جزيء "مساعد" ، يرتبط بالإنزيمات الأخرى للمساعدة في إحداث تفاعلات على المستوى الجزيئي.


تؤدي زيادة الطلب على NAD + بالنسبة إلى ATP إلى تحلل السكر الهوائي

يرتبط التحلل الهوائي للجلوكوز ، أو التخمير التفضيلي للبيروفات المشتق من الجلوكوز إلى اللاكتات على الرغم من الأكسجين المتاح ، بالانتشار عبر العديد من الكائنات الحية والظروف. لفهم هذه العلاقة بشكل أفضل ، قمنا بفحص النتيجة الأيضية لتنشيط مركب نازعة هيدروجين البيروفات (PDH) لزيادة أكسدة البيروفات على حساب التخمير. نجد أن زيادة نشاط PDH يضعف تكاثر الخلايا عن طريق تقليل نسبة NAD + / NADH. هذا التغيير في NAD + / NADH ناتج عن زيادة إمكانات غشاء الميتوكوندريا التي تضعف نقل الإلكترون للميتوكوندريا وتجديد NAD +. يؤدي فصل التنفس عن تخليق ATP أو زيادة التحلل المائي لـ ATP إلى استعادة توازن NAD + / NADH وانتشاره حتى عند زيادة أكسدة الجلوكوز. تشير هذه البيانات إلى أنه عندما يتجاوز الطلب على NAD + لدعم تفاعلات الأكسدة معدل دوران ATP في الخلايا ، يصبح تجديد NAD + عن طريق تنفس الميتوكوندريا مقيدًا ، مما يعزز التخمير ، على الرغم من توفر الأكسجين. يجادل هذا بأن الخلايا تنخرط في تحلل السكر الهوائي عندما يزيد الطلب على NAD + عن الطلب على ATP.

الكلمات الدالة: تخمير استقلاب الخلية الهوائية لتحلل السكر الهوائي NAD + PDK Warburg Effect.

حقوق النشر © 2020 المؤلفون. تم النشر بواسطة Elsevier Inc. جميع الحقوق محفوظة.


مراحل تطور وتطور النبيذ

مونيكا بوتناريو ، ألينا بوتو ، في المشروبات الكحولية ، 2019

10.11 التخمر الكحولي

التخمير الكحولي للشيء الضروري هو عملية أكسدة كيميائية حيوية تلقائية أو مستحثة يتم من خلالها ، تحت تأثير إنزيمات الخميرة ، تحويل الكربوهيدرات إلى كحول إيثيلي وثاني أكسيد الكربون 2 كمنتجات رئيسية مصحوبة بالعديد من المنتجات الثانوية.

هذه العملية طاردة للحرارة ، ولتحقيق درجة واحدة من الكحول يجب استخدام ما بين 15.7 و 18 جم من السكر / لتر. تحلل الكربوهيدرات إلى كحول وثاني أكسيد الكربون2 يحدث داخل خلايا الخميرة. يخترق محلول السكر غشاء الخلايا ، والمنتجات الناتجة (كحول ، أول أكسيد الكربون2, إلخ) منتشرة في البيئة. يتم تحديد العملية من خلال نشاط الخميرة لأنها تحتوي على الإنزيمات اللازمة لإجراء التخمير.

تحت تأثير مركب إنزيم الخميرة ، يجب أن يتحول السكر الموجود في ألدهيد الفوسفوجليسرال ، بعد امتصاصه في الخلايا وتشكيل استرات الفوسفوريك. عن طريق تفاعلات الأكسدة والاختزال والإطلاق الكمي للطاقة الكامنة ، يتم تكوين 2 مول من ATP ، ومول واحد من ثلاثي ، والمنتجات الرئيسية للتخمير. وتشمل هذه ثاني أكسيد الكربون2، التي تم الحصول عليها عن طريق نزع الكربوكسيل من حمض البيروفيك وكحول الإيثيل ، الذي تم الحصول عليه عن طريق تقليل ألدهيد الخل في وجود نازعة الهيدروجين.

10.11.1 الطبيعة الأنزيمية لعملية التخمير

التخمير الكحولي هو عملية معقدة تعمل فيها الإنزيمات كمحفز لتفاعلات تحلل الكربوهيدرات وتشكيل مركبات معينة. تشمل فئات إنزيمات الخميرة: أكسدة الأكسدة ، هيدرولاز ، ترانسفرازات ، ليسات ، إيزوميراز ، ليجاسيس ، وتركيبات. في عملية التخمير ، تشارك الإنزيمات التالية: هيكسوكيناز ، ألدولاز ، نازعة هيدروجين ، فسفوهكسوكيناز ، ثلاثي إيزوميراز ، بيروفات كيناز ، بيروفات ديكاربوكسيلاز ، ألدوهيدروجينيز ، إلخ. ، الإنزيمات.

10.11.2 المشاركة في الإنزيمات المساعدة في عملية التخمير

النيكوتيناميد - الأدينين - ثنائي النوكليوتيد (NAD +) هو الإنزيم المساعد للعديد من الإنزيمات في فئة نازعة الهيدروجين ، ويتمثل الدور في الإصلاح العكسي لأيونات الهيدروجين التي يتم تسليمها إلى الركيزة ، وتحدث آلية الأكسدة على مستوى نواة بيريدين. يتأكسد في وجود شحنة موجبة من ذرة النيتروجين ، أو ينخفض ​​في حالة عدم وجود مثل هذا الحمل النيتروجين. Cocarboxylase أو ثيامين بيروفوسفات (TPP) هو الإنزيم المساعد في فئة ديكاربوكسيلاز لنزع الكربوكسيل من الكيتونات إلى الألدهيدات في وجود أيونات Mg 2 +.

يشارك الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) في نقل أيونات الفوسفات ، أي في فسفرة الكربوهيدرات ، مع دور في توازن الطاقة للتخمير.

يشارك ثنائي فوسفات الأدينوزين (ADP) في نقل أيونات الفوسفات ، أي فسفرة الكربوهيدرات. إنزيم A (CoA-SH) هو مركب أميد لحمض البانتوثنيك. يتم طباعة نشاطها بواسطة مجموعة SH المرتبطة بالأسيتيل في شكل thioester (acetyl coenzyme A). التفاعل غني بالطاقة ويقترن بتكوين جزيء ATP الغني بالطاقة.

10.11.3 آلية الكيمياء الحيوية للتخمير الكحولي

عملية التخمير هي عملية تحلل كيميائي تحت تأثير الإنزيمات ، للمنتجات الطبيعية ذات الهياكل المعقدة في المنتجات ذات البنية البسيطة. تولد هذه العملية الطاقة (الطاقة الحرارية). هذه هي خطوات دورة التخمير الكاملة:

مرحلة تراكم الكتلة الحيوية ، عندما يتم تقليل التخمير

التخمير الرئيسي ، حوالي 80٪ من السكر الأولي يتم تخميره و

التخمير الثانوي عند تكوين الكحوليات.

يحدث التخمير الكحولي بعد الآلية البيوكيميائية لتحلل السكر في الخميرة والتي يتم من خلالها تحويل السداسيات إلى حمض البيروفيك ومن ثم إلى كحول إيثيلي وثاني أكسيد الكربون. 2.

تتشكل الكحوليات الأعلى (كحول البروبيل ، كحول الأيزوبروبيل ، كحول الأيزوبوتيل ، كحول الأميل ، كحول الأيزو أميل) في النبيذ وتشكل الباقة أثناء تخصيب النبيذ ، مما يحسن صفات حاسة الشم من خلال ظهور الإسترات. الجلسرين (الجلسرين) هو منتج ثانوي للتخمير الكحولي الذي يتكون في بداية العملية. تعتمد نسبة الجلسرين في النبيذ على:

التركيز الأولي للضرورة في الكربوهيدرات

كمية SO2 تستخدم لحماية الضرورة

يتم الحفاظ على درجة الحرارة أثناء التخمير

مدة عملية التخمير الكحولي و

الخمائر التي نفذت التخمير الكحولي ، وما إلى ذلك (Springer et al. ، 2016).

بعد هذه الحالات ، يوجد الجلسرين بنسبة 6-10 جم لكل 100 جم من الكحول الإيثيلي. الخمور التي تكون نسبة الجلسرين / الكحول فيها أقل من 6.5٪ كانت مدمنة بالكحول سابقًا وعندما تتجاوز هذه النسبة 10٪ ، قد يُشتبه في إضافة الجلسرين إلى الخمور. النبيذ الطبيعي يحتوي على نسبة الجلسرين بين 5 و 15 جم / لتر. يتراكم ألدهيد الخليك في أول 2-3 أيام من التخمر ، ويتراوح التركيز بين 40 و 50 مجم / لتر. تتشكل الألدهيدات العطرية (ألدهيد بنزويك ، فانيلين ، ألدهيد سيناميك ، أسيتون ، ثنائي أسيتيل). وهي ضرورية في تركيب النكهة والباقة المميزة للنبيذ. في النبيذ ، تتكون الأحماض المتطايرة ، التي تعتمد على أنواع الخميرة السائدة ، بين 10 و 280 مجم / لتر. بالإضافة إلى حمض الماليك وحمض الطرطريك وحمض الستريك ، يتراكم 10-16 مجم / لتر من حمض البيروجينيك عن طريق التخمير ، حمض ألفا كيتوجلوتاريك ، 90-119 مجم / لتر ، حمض الخليك ، حمض اللاكتيك ، إلخ. تتشكل أثناء التخمير من استقلاب نترات الخميرة وهي نتيجة للتنسيق غير الكامل لنشاط الإنزيم المتضمن في هذه العمليات الكيميائية الحيوية (Goold et al. ، 2017).

10.11.4 استقلاب الكبريت بالخميرة

إن نمو وتكاثر الخمائر مشروط بوجود مصادر الكبريت القابلة للاستيعاب مثل الكبريتات وكميات صغيرة من البيوتين والثيامين. جزء من الخميرة يستهلك الكبريت من الميثيونين ، لأن السيستين والسيستين يتحللان بشدة ويصعب استيعابهما. من التركيب الكيميائي للخميرة ، 0.2٪ - 0.8٪ من المادة الجافة عبارة عن كبريت يدخل في بنية البروتينات والعوامل المساعدة الأنزيمية (البيوتين ، الثيامين ، حمض ليبويك ، إلخ). تعمل خلايا الخميرة على تقليل الكبريتات إلى كبريتات و H2S ، يستخدم في التخليق الحيوي للكبريت. أثناء تخزين نبيذ الخميرة ، بعد التحلل الذاتي ، H2يتشكل S بفعل عمل سيستين سلفهيدريلاز على مركبات غير متكافئة مع مجموعات –SH. إنه يؤثر سلبًا على جودة النبيذ ، مكونًا إيثيل مركابتان ، الذي يضفي طعمًا ورائحة غير مرغوب فيها. عن طريق التمثيل الغذائي لمركبات الكبريت ، يمكن أن تنتج الخميرة 10-80 مجم SO2/ لتر في نهاية فترة التخمير. لتحقيق الاستقرار في النبيذ الصغير ، مزارع الخميرة الخاصة ، والتي تنتج ما يصل إلى 80 مجم من ثاني أكسيد الكبريت2/ لتر أثناء التخمير ، لمنع التحلل التأكسدي.

10.11.5 يجب أن تكون تكنولوجيا التخمير

العمليات المطلوبة هي تحضير مزارع الخميرة البادئة المختارة لملء حاويات التخمير مع التلقيح مع الخمائر المختارة بالإضافة إلى منشطات التخمير التي تدير عملية التخمير وانقطاع التخمير للنبيذ الحلو.

10.11.6 تحضير مستنبتات الخميرة البادئة

للحصول على أنواع مختلفة من النبيذ عالي الجودة ، يتم التخمير عن طريق الحصول على ثقافات مختارة من سلالات الجنس Saccharomyces ellipsoideus و Saccharomyces oviformis. هذه الخمائر تخلق ظروفًا مواتية لتخمير الخمائر الضرورية ونشاط الخمائر الأخرى.

تتراوح درجة الحرارة المثلى للتخمير بين 22 درجة مئوية و 27 درجة مئوية. من أجل تنمية مواتية ، يجب أن تعتمد الخميرة على: درجة الحرارة التي تزداد مع زيادة كمية الكحول الإيثيلي وثاني أكسيد الكربون.2 زيادات تصل إلى 35 درجة مئوية من الضغط الاسموزي لإمكانية تقليل الأكسدة الضرورية لمستوى النيتروجين في تركيز ثاني أكسيد الكربون الضروري2 وأحماض الأكسجين المتطايرة (الفورميك ، الخليك ، البروبيونيك ، اللبنيك) مواد الدباغة والأملاح المعدنية والفيتامينات الضرورية. يتم تحضير مزارع الخميرة المختارة على شكل خميرة نشطة في نباتات خاصة.

The operation is done 1 week prior to the beginning of the grape vinification campaign, first at laboratory level, and then going through production stage. The laboratory stage is more important because the quality of the wine will depend on the yeast strain used. The yeast is selected, preserved, and multiplied in optimum conditions. In the production stage the selected yeast culture will be transformed to leaven ( Ciani et al., 2016 ).


Chapter 9 – Cellular Respiration

· To perform their many tasks, living cells require energy from outside sources.

· Energy enters most ecosystems as sunlight and leaves as heat.

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

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

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

A. The Principles of Energy Harvest

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

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

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

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

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

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

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

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

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

° Food is the fuel for respiration. The exhaust is carbon dioxide and water.

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

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

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

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

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

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

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

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

° The loss of electrons is called oxidation.

° The addition of electrons is called reduction.

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

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

· More generally: Xe− + Y à X + Ye−

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

° Y, the electron recipient, is the oxidizing agent and oxidizes X.

· Redox reactions require both a donor and acceptor.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

· How does NAD+ trap electrons from glucose?

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

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

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

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

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

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

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

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

° Unlike the explosive release of heat energy that occurs when H2 and O2 are combined (with a spark for activation energy), cellular respiration uses an electron transport chain 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.

· Glycolysis occurs in the cytoplasm.

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

· The citric acid cycle 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) or not (anaerobic).

· Anaerobic catabolism of sugars can occur by fermentation.

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

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

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

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

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

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

° Second, acetaldehyde is reduced by NADH to ethanol.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

· Yeast and many bacteria are 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.


شاهد الفيديو: التخمر اللبني و التخمر الكحولي (كانون الثاني 2022).