13.3: Клітинне дихання
- Page ID
- 6849
Крок 1: гліколіз
Коли глюкоза транспортується в цитоплазму клітин, вона розщеплюється на дві молекули пірувату. Цей процес називається гліколізом (гліко- для глюкози і -лізу, що означає розщеплюватися). Гліколіз передбачає скоординовану дію безлічі різних ферментів. Оскільки ці ферменти починають розщеплювати молекулу глюкози на частини, потрібен початковий вхід енергії. Ця початкова енергія подається молекулами АТФ.
Хоча дві молекули АТФ використовуються для отримання гліколізу, під час реакції виробляються ще чотири молекули АТФ, що призводить до чистого виробництва двох АТФ на молекулу глюкози. Крім АТФ, дві молекули НАД+знижуються з утворенням NADH. Коли молекула зменшується, до неї додаються електрони. Електрони мають негативний заряд, тому це називається «редукція». Коли NAD+знижується до NADH, до нього додаються два електрони високої енергії, отримані від розриву зв'язків глюкози. Один з цих негативно заряджених електронів врівноважений позитивним зарядом (+) на NAD +. Інший врівноважується додаванням протона (\(\ce{H+}\)) до молекули. Оскільки NADH несе два електрони високої енергії, його часто називають носієм електронів.
|
Реагенти (Що пішло?) |
Продукти (Що вийшло?) |
|---|---|
|
1 Глюкоза |
|
|
2 НАД+ |
|
|
2 АДП (нетто) |
Альтернативні шляхи: Бродіння
У цей момент клітини роблять перевірку: присутній кисень чи ні? Якщо ні, деякі організми можуть пройти процес, який називається ферментацією. При ферментації гліколіз - єдина частина розпаду глюкози, яку може зробити клітина. Таким чином, з кожної молекули глюкози можна отримати тільки два чистих АТФ. Щоб продовжувати ферментацію, клітина повинна регенерувати NAD +, необхідний для гліколізу.
Існує два основні шляхи регенерації NAD +. У вашому організмі клітини можуть регенерувати NAD +, виробляючи лактат і\(\ce{H+}\). Це називається ферментацією молочної кислоти, хоча молочна кислота насправді ніколи не виробляється, тому це трохи неправильно. Деякі бактерії, як Lactobacillus, також здатні робити цей вид бродіння.
Приготування йогурту з молочнокислотним бродінням
Покладіть трохи молока в колбу і додайте ложку кефіру. Ретельно перемішайте, накрийте кришкою і поставте в тепле середовище. Протягом наступних 24 годин цукру в молоці будуть ферментовані в лактат і іони H+. Це згущує молоко і додає кислотності, роблячи йогурт.
Чому ви додали ложку йогурту, щоб почати його? Що це додало в молоко, що дозволило б відбутися бродіння?
Навіщо потрібно було поставити його в тепле середовище?
Як ви думаєте, тип молока, яке ви використовуєте, впливає на час, необхідний для отримання йогурту? Поясніть свою відповідь.
Іншим шляхом регенерації NAD + є виробництво\(\ce{CO2}\) етанолу (спирту). Деякі дріжджі, такі як Saccharomyces cerevisea, виконують цей тип спиртового бродіння, коли вони не мають доступу до кисню.
Експериментальна конструкція: Швидкість алкогольного бродіння
Для цього експерименту ви спробуєте відповісти на наступне питання:
«Які фактори впливають на швидкість бродіння дріжджами?»
У вас буде вибір між однією з двох незалежних змінних. Незалежна змінна - це змінна, про яку ви задаєте питання. Це повинно бути єдине, що ви встановлюєте як різні між вашими групами лікування:
- Тип використовуваного соку
- Температура ферментаційної камери
Чому важливо мати лише одну незалежну змінну?
Для залежної змінної ви виміряєте окружність повітряної кулі, яка була розміщена над вашою колбою для бродіння. Залежна змінна - це та, яку ви вимірюєте, щоб визначити вплив незалежної змінної на різні методи лікування.
Чому окружність балона буде хорошим показником для швидкості бродіння? Що буде збирати повітряна куля?
Виберіть незалежну змінну і зробіть прогноз того, як вона вплине на залежну змінну. Це називається вашою гіпотезою.
Щоб виміряти вплив незалежної змінної на швидкість бродіння, вам потрібно буде встановити групи обробки та контроль. Ваші групи лікування повинні мати певну модифікацію незалежної змінної (наприклад, різної температури або різних видів соку). Виберіть три різні варіанти незалежної змінної та запишіть їх нижче:
Т1:
Т2:
Т3:
Елементи керування створені для обліку будь-яких додаткових змінних в експерименті, а також для надання вам інформації про те, чи дійсно ваш експеримент працював. Позитивний контроль завжди повинен працювати (давати очікувані результати). У цьому експерименті бродіння обов'язково повинно відбуватися в позитивному контролі для цього експерименту. Якщо ферментація не відбувається в позитивному контролі, ви знаєте, що щось про ваш експеримент вимкнено, і ви можете отримати помилкові негативи. Подумайте про позитивний контроль, який ви могли б використовувати для свого експерименту, і запишіть його нижче:
Позитивний контроль (С+):
Негативний контроль - це якраз навпаки. У негативному контролі ви не хочете бачити змін від початкових умов. Якщо в негативному контролі є зміна залежної змінної, це дає вам базову лінію мінливості, яку ви можете очікувати за відсутності змін незалежної змінної. Наприклад, в цьому експерименті негативний контроль не повинен мати бродіння і, таким чином, не накачування балона. Однак гази можуть розширюватися при більш високих температурах, тому негативний контроль, розміщений у теплішому середовищі, матиме розширення балона. Це дає нам деякі базові дані про те, як температура впливатиме на гази в балоні без впливу бродіння. Подумайте про негативний контроль, який ви могли б використовувати для свого експерименту, і запишіть його нижче (вам може знадобитися більше одного):
Негативний контроль (и) (С-):
Тепер, коли ви розробили експеримент, настав час запустити його і зібрати дані про залежну змінну. Введіть свої результати в таблицю нижче:
|
Лікувальна група |
Початкова окружність (см) |
Остаточна окружність (см) |
Зміна окружності (см) |
|---|---|---|---|
|
Контроль |
Початкова окружність (см) |
Остаточна окружність (см) |
Зміна окружності (см) |
|---|---|---|---|
|
С+ |
|||
|
С- |
Після того, як ви зібрали свої дані, вам потрібно інтерпретувати їх і зробити висновки про свою гіпотезу.
Чи підтверджують дані вашу гіпотезу чи ні? Поясніть свою відповідь.
Чи були змінні, які могли вплинути на ваш експеримент, який ви не контролювали? Якщо так, то як ви могли б налаштувати цей експеримент, щоб врахувати їх у майбутньому випробуванні?
Проконсультуйтеся як клас про свої висновки. Чи всі виконали експеримент однаково? Чи отримали вони однакові результати?
Порівняйте результати класу для двох різних незалежних змінних. Що сильніше вплинуло на швидкість бродіння: тип соку або температура? Спроба пояснення цих висновків.
Підключаючись назад до клітинного дихання, скільки АТФ виробляється з однієї молекули глюкози, якщо клітина проходить лише гліколіз?
Чому організми бродять замість того, щоб проходити процес клітинного дихання?
Ми використовували балон для збору газів, що утворюються під час бродіння. Однак балон був необхідний з іншої причини (підказка: він відноситься до попереднього питання). Чому ще ми накрили колбу балоном?
Крок 2: Реакція посилання
При наявності кисню клітинне дихання може тривати (докладніше про це в наступному розділі). Дві молекули пірувату транспортуються в матрикс мітохондріона. Під час транспортування кожен піруват перетворюється в 2-вуглецеву молекулу під назвою ацетил-\(\ce{CoA}\). Інший атом вуглецю з кожної молекули пірувату виходить з клітини як\(\ce{CO2}\). Електрони з цього зламаного зв'язку захоплюються іншою молекулою NAD +, зменшуючи її до NADH.
Крок 3: Цикл лимонної кислоти (Кребса)
Ацетил-\(\ce{CoA}\) вступає в цикл, який, подібно до гліколізу, передбачає дію багатьох різних ферментів для вивільнення енергії та транспортування її в енергонесучих молекулах: АТФ, НАДГ та інший носій електронів\(\ce{FADH2}\). Цей цикл відбувається всередині матриці мітохондріона.
У просторі нижче намалюйте мітохондріон в клітці. Покажіть, де відбувається гліколіз, реакція зв'язку та цикл лимонної кислоти. Це може допомогти вам включити сполуки, що беруть участь у кожній стадії, такі як глюкоза\(\ce{CO2}\), NAD + та інші.
Крок 4: Окислювальне фосфорилювання
Ця стадія клітинного дихання має два етапи. Під час ланцюга транспорту електронів наші електронні носії живлять серію протонних насосів, які переміщують\(\ce{H+}\) іони з мітохондріальної матриці в простір між внутрішньою та зовнішньою мембранами мітохондрій. Під час хеміосмосу фермент під назвою АТФ-синтаза дозволяє протонам надходити назад в мітохондріальний матрикс, використовуючи фізичний потік протонів для перетворення АДФ в АТФ.
Ланцюг транспорту електронів
NADH і\(\ce{FADH2}\) скидають свої електрони на білковий комплекс всередині внутрішньої мітохондріальної мембрани. Це ефективно «включає» цей білковий комплекс, який перекачує a\(\ce{H+}\) з мітохондріального матриксу в міжмембранний простір. Потім електрони передаються вниз по лінії білкових комплексів, подібно до струму електрики, живлячи ці комплекси до кожного насоса a\(\ce{H+}\) з матриці в міжмембранний простір. Це відповідним чином називається ланцюгом транспорту електронів.
В кінці ланцюга транспорту електронів електрони низької енергії повинні бути підібрані, щоб звільнити простір для більшої кількості електронів. Атом кисню забирає два електрони і, щоб врівноважити заряд, два\(\ce{H+}\) з матриці, утворюючи молекулу води (\(\ce{H2O}\)). У клітинному диханні кисень є кінцевим акцептором електронів, оскільки він вловлює електрони в кінці (кінцевому) ланцюга транспорту електронів. Ця робота настільки важлива, що, як ви бачили вище, якщо кисню немає, ця частина клітинного дихання відбуватися не буде.
На діаграмі вище показано взаємодію між циклом лимонної кислоти і ланцюгом транспорту електронів всередині мітохондріона. Існують два функціонуючих ланцюга транспорту електронів та одна АТФ-синтаза, яка використовує\(\ce{H+}\) градієнт, встановлений цими\(\ce{H+}\) насосами, для виготовлення АТФ.
Хіміосмос
Чому білкові комплекси\(\ce{H+}\) перекачуються в міжмембранний простір? Міжмембранний простір порівняно невелике. Оскільки до цієї області додається більше\(\ce{H+}\), міжмембранний простір стає все більш позитивно зарядженим, тоді як матриця стає все більш негативно зарядженою. Це схоже на те, як акумулятор зберігає енергію - створюючи електрохімічний градієнт. Позитивні заряди відштовхують один одного і «воліють» бути збалансованими по обидва боки мембрани. Однак вони не можуть безпосередньо проходити через мембрану. Незважаючи на те, що вони невеликі,\(\ce{H+}\) іони несуть повний заряд, роблячи їх занадто полярними, щоб проходити через неполярні хвости фосфоліпідного бішару, що складається з мітохондріальних мембран.
Фермент під назвою АТФ-синтаза дозволяє\(\ce{H+}\) рухатися назад в матрицю. Цей фермент структурований так само, як водяне колесо або турбіну - потік протонів через фермент фізично обертає його, перетворюючи потенційну енергію, що зберігається в електрохімічному градієнті, в кінетичну енергію (рух)! Ця кінетична енергія використовується для форсування іншої фосфатної групи на АДФ, перетворюючи кінетичну енергію назад в хімічну енергію, яка зберігається в зв'язках АТФ
Експеримент: Розуміння взаємозв'язку між клітинним диханням та фотосинтезом
- Помістіть 50 мл водопровідної води в колбу (колба А) і додайте індикатор рН, наприклад фенол-червоний. Запишіть початковий колір розчину в таблиці нижче.
- Вийдіть секундомір і знайдіть партнера, готового вчасно вас. Коли кажуть йдуть, використовуйте соломинку, щоб вдути в воду індикатор +. Як тільки він змінить колір, ваш партнер повинен зупинити секундомір, і ви повинні припинити дме через соломинку. Запишіть час нижче.
- Повторіть крок 1, щоб встановити іншу колбу (колба B).
- Цього разу, перш ніж дути в соломинку, зробіть 30 секунд інтенсивних вправ, таких як біг на вулиці, стрибки домкратів, бурпі або щось інше веселе. Як тільки ви закінчите, нехай ваш партнер час вас, коли ви дме через соломинку в нову колбу. Зупиніться, як тільки колір зміниться, і запишіть час нижче.
- Покладіть гілочку Елодеї (або іншої водної рослини) у колбу B, закупорьте обидві колби, щоб гази не могли потрапити або назовні, і встановіть їх обидва під джерелом світла.
- Спостерігайте за цими колбами протягом лабораторії та зверніть увагу на будь-які зміни кольору.
|
Початковий колір |
Час змін |
Зміни під джерелом світла? |
|
|---|---|---|---|
|
Колба A |
|||
|
Колба B |
Чому змінився колір індикатора при вдуванні в рідину? Що спричинило зміни?
Чи пішов рН розчину вгору або вниз?
Чи була різниця у часі зміни кольору між двома вашими випробуваннями? Якщо так, то чим можна пояснити цю різницю?
Поясніть, що ви спостерігали після додавання рослини до Flask B.