κεφάλαιο 3 3.4 ΚΥΤΤΑΡΙΚΗ ΑΝΑΠΝΟΗ Ο πίθηκος της εικόνας φαίνεται ευχαριστημένος από το γεύμα του και σίγουρα δεν τον απασχολεί η τύχη της μπουκιάς που καταπίνει. Ίσως δεν έχει άδικο, γιατί η τύχη της είναι έτσι κι αλλιώς προκαθορισμένη. Σε κάθε κύτταρο (φυτικό ή ζωικό) οι απλές ουσίες, που προέρχονται από τη διάσπαση των μεγαλομοριακών ενώσεων, αξιοποιούνται με δύο τρόπους. Είτε χρησιμοποιούνται πάλι για τη σύνθεση νέων μεγαλομοριακών ενώσεων, που είναι απαραίτητες ως δομικά ή λειτουργικά συστατικά του συγκεκριμένου κυττάρου, είτε οξειδώνονται, αποδίδοντας σταδιακά χημική ενέργεια μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται κυτταρική αναπνοή. Συχνά αυτές οι αντιδράσεις οξείδωσης για την παραγωγή ενέργειας τροφοδοτούνται με χημικές ουσίες που προέχονται από συστατικά του κυττάρου, κατά προτίμηση πολύ χρησιμοποιημένα. Όσα δηλαδή από τα μακρομόρια του κυττάρου έχουν χρησιμοποιηθεί επανειλημμένα, για παράδειγμα τα ένζυμα, διασπώνται. Οι απλούστερες ενώσεις, που προκύπτουν από τη διάσπασή τους (στην περίπτωση αυτή τα αμινοξέα), αξιοποιούνται από το κύτταρο, είτε για την παραγωγή ενέργειας είτε για την παραγωγή νέων μακρομορίων. Το κύτταρο δηλαδή «δεν αφήνει να πάει τίποτα χαμένο».... Το κύτταρο παράγει ενέργεια διασπώντας συνήθως υδατάνθρακες ή λίπη. Όταν όμως υπάρχει ανάγκη, μπορεί να παράγει ενέργεια και από τη διάσπαση πρωτεϊνών. Παραγωγή ενέργειας από τη Η διάσπαση της γλυκόζης περιλαμβάνει τρεις διαδικασίες: τη γλυκόλυση, τον κύκλο του κιτρικού οξέος ή κύκλο του Κρεμπς (Krebs) και την οξειδωτική φωσφορυλίωση. Γλυκόλυση Η γλυκόλυση (γλυκός + λύσις) είναι πολύ σημαντική μεταβολική οδός και αποτελεί το πρώτο στάδιο για τη διάσπαση της γλυκόζης. Γίνεται στο κυτταρόπλασμα χωρίς τη χρησιμοποίηση οξυγόνου. Στο στάδιο αυτό ένα μόριο γλυκόζης (3C) διασπάται αρχικά σε δύο μόρια τριοζών (υδατάνθρακες με τρία άτομα άνθρακα). Στη συνέχεια αυτές μετατρέπονται σε δύο μόρια πυροσταφυλικού οξέος (3C). Το κέρδος του κυττάρου σε ενέργεια από τη διαδικασία αυτή είναι δύο μόρια ΑΤΡ.
Αερόβια αναπνοή Στην αερόβια αναπνοή η πλήρης οξείδωση του πυροσταφυλικού οξέος, που έχει παραχθεί κατά τη γλυκόλυση, γίνεται σε δύο στάδια: τον κύκλο του κιτρικού οξέος ή κύκλο του Krebs και την οξειδωτική φωσφορυλίωση.
|
Κύκλος του κιτρικού οξέος: Ο κύκλος του κιτρικού οξέος ή κύκλος του Krebs περιλαμβάνει μια σειρά αντιδράσεων που γίνονται στη μήτρα των μιτοχονδρίων, χωρίς να χρησιμοποιείται οξυγόνο. Οξειδωτική φωσφορυλίωση: Οι αντιδράσεις της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης γίνονται στις αναδιπλώσεις της εσωτερικής μεμβράνης του μιτοχονδρίου και για τη διεξαγωγή τους χρησιμοποιείται οξυγόνο. Κατά την πραγματοποίηση αυτών των αντιδράσεων γίνεται απελευθέρωση ενέργειας, μέρος της οποίας χρησιμοποιείται για την παραγωγή 32 μορίων ΑΤΡ από ADP + Pi. Στα τελικά προϊόντα αυτής της διαδικασίας περιλαμβάνεται και Η2Ο. Τελικά, από την πλήρη οξείδωση ενός μορίου γλυκόζης σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό παράγονται συνολικά 36 μόρια ΑΤΡ. Η γενική εξίσωση της κυτταρικής αναπνοής είναι: C6H12Ο6+6Ο2+6H2Ο →6CΟ2 + 12Η2Ο + Ε
|
Έλεγχος της αερόβιας κυτταρικής αναπνοής Οι αντιδράσεις της κυτταρικής αναπνοής θα μπορούσαν να επαναλαμβάνονται συνεχώς, ώσπου να καταναλωθούν όλα τα μόρια που αποτελούν αποθήκες ενέργειας για τον οργανισμό. Δε συμβαίνει όμως έτσι. Υπάρχει ένας μηχανισμός που ελέγχει τη διεξαγωγή αυτών των αντιδράσεων, ανάλογα με τις ανάγκες του οργανισμού. Για παράδειγμα, όταν από την κυτταρική αναπνοή παραχθούν πολλά ΑΤΡ, χωρίς να χρειάζεται όλη αυτή την ενέργεια το κύτταρο, τότε αναστέλλεται η δράση ενός από τα ένζυμα που εξυπηρετούν τη διαδικασία της γλυκόλυσης. Διακόπτεται έτσι η διάσπαση των σακχάρων. Η διαδικασία επαναλαμβάνεται αμέσως, μόλις ελαττωθεί η συγκέντρωση μορίων ΑΤΡ. θα πρέπει να σημειωθεί επίσης ότι οι αντιδράσεις του κύκλου του κιτρικού οξέος, παρά το ότι δε χρησιμοποιούν οξυγόνο, δε γίνονται σε αναερόβιες συνθήκες. Αυτό συμβαίνει, γιατί διαφορετικά τα προϊόντα τους θα συσσωρεύονταν στο κύτταρο, ενώ πρέπει να καταναλώνονται, και η κατανάλωσή τους γίνεται μόνο μέσω των αντιδράσεων της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης για τις οποίες είναι απαραίτητο το οξυγόνο. Η «ΔΙΑΚΟΠΗ» ΤΗΣ ΑΝΑΠΝΕΥΣΤΙΚΗΣ ΑΛΥΣΙΔΑΣ |
Αναερόβια αναπνοή Μια μεγάλη ποικιλία μικροοργανισμών οξειδώνουν τη γλυκόζη για την παραγωγή ΑΤΡ χωρίς την παρουσία οξυγόνου. Κάνουν δηλαδή αναερόβια αναπνοή. Υπάρχουν βέβαια και κύτταρα πολυκύτταρων οργανισμών, που περιστασιακά, όταν είναι αναγκασμένα να παράγουν ενέργεια και δεν υπάρχει αρκετό οξυγόνο στο περιβάλλον τους, κάνουν επίσης αναερόβια αναπνοή. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελούν τα μυϊκά κύτταρα. Οι πιο γνωστές περιπτώσεις αναερόβιας αναπνοής είναι η αλκοολική και η γαλακτική ζύμωση. Και στις δύο περιπτώσεις ένα μόριο γλυκόζης, μέσω της γλυκόλυσης, διασπάται σε δύο μόρια πυροσταφυλικού οξέος, με απόδοση δύο μορίων ΑΤΡ, όπως γίνεται και κατά την αερόβια αναπνοή. Στη συνέχεια, τα δύο μόρια του πυροσταφυλικού οξέος, μετατρέπονται είτε σε δύο μόρια αιθυλικής αλκοόλης και δύο μόρια διοξειδίου του άνθρακα (αλκοολική ζύμωση), είτε σε δύο μόρια γαλακτικού οξέος (γαλακτική ζύμωση).
|
Η αλκοολική ζύμωση γίνεται κυρίως στις ζύμες (μονοκύτταροι οργανισμοί που ανήκουν στους μύκητες). Γίνεται όμως και σε τμήματα φυτών, όπως στο εσωτερικό των κονδύλων της πατάτας, όπου δε φτάνει οξυγόνο ή αυτό βρίσκεται σε πολύ μικρή συγκέντρωση. Σε εφαρμογές της αλκοολικής ζύμωσης στηρίζεται η παραγωγή μπίρας, κρασιού και άρτου. Για την παραγωγή μπίρας χρησιμοποιούνται τα σπέρματα σιτηρών (π.χ. βύνης), το άμυλο των οποίων υδρολύεται αρχικά προς ζυμώσιμα σάκχαρα, όπως η γλυκόζη. Για την παραγωγή του κρασιού χρησιμοποιούνται σάκχαρα που υπάρχουν στο χυμό των σταφυλιών. Στη συνέχεια ακολουθεί ζύμωση με τη δράση των ζυμών, αποτέλεσμα της οποίας είναι ο σχηματισμός αιθυλικής αλκοόλης. Όταν η συγκέντρωση της αιθυλικής αλκοόλης φτάσει το 12% περίπου, αυτή γίνεται τοξική για τα κύτταρα των ζυμών και τα θανατώνει. Η ζύμωση πλέον σταματά και το κρασί είναι έτοιμο. Για την παρασκευή του ψωμιού το βρεγμένο αλεύρι αναμειγνύεται με ένα υλικό που περιέχει ζυμομύκητες (ονομάζεται ζύμη ή μαγιά) και αφήνεται σε ζεστό μέρος για αρκετές ώρες. Με τη ζύμωση των σακχάρων ελευθερώνεται διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο προσπαθώντας να διαφύγει από την αρτόμαζα προκαλεί το φούσκωμά της. Η γαλακτική ζύμωση γίνεται σε μικροοργανισμούς (βακτήρια) αλλά, όπως ήδη αναφέρθηκε, και σε κύτταρα ανώτερων οργανισμών (π.χ. μυϊκά), όταν η διαθέσιμη ποσότητα οξυγόνου στο περιβάλλον τους είναι περιορισμένη. Η παρασκευή των κυριότερων προϊόντων του γάλακτος, όπως η γιαούρτη και το τυρί, γίνονται με τη συμμετοχή μικροοργανισμών που κάνουν γαλακτική ζύμωση.
|
Η ΠΥΓΟΛΑΜΠΙΔΑ ΚΑΙ Ο ΒΙΟΦΩΤΙΣΜΟΣ
|
Παραγωγή ενέργειας από τη διάσπαση λιπιδίων και πρωτεϊνών Η κυτταρική αναπνοή, όπως ήδη γνωρίζουμε, είναι μία διαδικασία οξείδωσης οργανικών ουσιών, από την οποία το κύτταρο εξασφαλίζει ενέργεια. Αναφερθήκαμε στην παραγωγή ενέργειας από την οξείδωση των υδατανθράκων. Είναι οι ουσίες στις οποίες πρώτα ανατρέχει το κύτταρο, αν υπάρχουν τέτοιες στη διάθεση του. Επόμενα στη σειρά «προτίμησης» του έρχονται τα ουδέτερα λίπη, που αρχικά διασπώνται σε γλυκερόλη και λιπαρά οξέα. Τα λιπαρά οξέα είναι μόρια πλούσια σε ενέργεια και γι' αυτό κάποια κύτταρα, όπως, για παράδειγμα, τα κύτταρα των σκελετικών μυών, εξασφαλίζουν από τα μόρια αυτά - και κάτω από φυσιολογικές συνθήκες - ένα μέρος της ενέργειας που τους είναι απαραίτητη. Οι πρωτεΐνες, από τις οποίες επίσης μπορεί να πάρει ενέργεια το κύτταρο, έχουν έναν πολύ σημαντικό για τη ζωή του κυττάρου, δομικό και λειτουργικό ρόλο. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ενέργειας, μόνο αν δεν υπάρχουν καθόλου σάκχαρα ή λιπίδια, όπως, για παράδειγμα, κατά τη διάρκεια μακρόχρονης ασιτίας. Οι πρωτεΐνες υδρολύονται αρχικά σε αμινοξέα και στη συνέχεια απομακρύνονται οι α- μινομάδες. Το υπόλοιπο μέρος του μορίου μπορεί να εισέλθει στον κύκλο του κιτρικού οξέος (Κρεμπς) ή να μετατραπεί πρώτα σε λιπαρό οξύ ή σε πυροσταφυλικό οξύ ή σε ακετυλο- συνένζυμο Α και στη συνέχεια να ακολουθήσει η οξείδωσή του.
Σχέση φωτοσύνθεσης και κυτταρικής αναπνοής Όπως είδαμε, σε ότι αφορά τους υδατάνθρακες, η κυτταρική αναπνοή ως μεταβολική πορεία είναι αντίστροφη της φωτοσύνθεσης. Η ισορροπία ανάμεσα σ' αυτές τις δύο διαδικασίες διατηρεί την ισορροπία ανάμεσα στο διοξείδιο του άνθρακα και στο οξυγόνο
|
ΟΤΑΝ ΤΡΩΣ ΕΝΑ ΚΟΜΜΑΤΙ ΣΟΚΟΛΑΤΑΣ
|
ΠΕΡΙΛΗΨΗΓια την παραγωγή ενέργειας οι οργανισμοί διασπούν αρχικά τα βιολογικά μακρομόρια στις απλούστερες ουσίες από τις οποίες αποτελούνται. Στη συνέχεια οι απλούστερες ουσίες οξειδώνονται αποδίδοντας ενέργεια με τη μορφή ΑΤΡ. Στην περίπτωση των υδατανθράκων ο καταβολισμός τους περιλαμβάνει τη γλυκόλυση, τον κύκλο του κιτρικού οξέος και την οξειδωτική φωσφορυλίωση. Κατά τη γλυκόλυση, που γίνεται στο κυτταρόπλασμα, ένα μόριο γλυκόζης διασπάται σε δύο μόρια πυροσταφυλικού οξέος, με ενεργειακό κέρδος 2 ΑΤΡ. Το επόμενο στάδιο, ο κύκλος του κιτρικού οξέος, γίνεται στο εσωτερικό του μιτοχονδρίου με παραγωγή ΑΤΡ και CΟ2. Το τελευταίο στάδιο, δηλαδή η οξειδωτική φωσφορυλίωση, γίνεται στις αναδιπλώσεις της εσωτερικής μεμβράνης του μιτοχονδρίου. Σ' αυτό το στάδιο, παράγονται 32 ΑΤΡ ανά μόριο γλυκόζης και Η2Ο. Ο συνολικός δηλαδή αριθμός παραγόμενων ΑΤΡ από τη διάσπαση ενός μορίου γλυκόζης είναι 36. Στους αναερόβιους μικροοργανισμούς, που διαθέτουν τα κατάλληλα ένζυμα και σε ορισμένα ευκαρυωτικά κύτταρα σε αναερόβιες συνθήκες, το πυροσταφυλικό οξύ μπορεί να μετατραπεί είτε σε αιθυλική αλκοόλη (αλκοολική ζύμωση) είτε σε γαλακτικό οξύ (γαλακτική ζύμωση). Η τελευταία γίνεται και στα μυϊκά κύτταρα κατά την έντονη μυϊκή συστολή. |
ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ
ΑΣΚΗΣΕΙΣ
ΠΡΟΒΛHΜΑΤΑ
1.Ο χώρος μέσα από την εσωτερική μεμβράνη του μιτοχονδρίου είναι αντίστοιχος με του χλωροπλάστη.
2. Περιγράψτε τη διαδικασία της οποίας στοιχεία αναφέρονται στην εικόνα που ακολουθεί: 3. Ποιος είναι ο ρόλος της γλυκόλυσης, του κύκλου του κιτρικού οξέος και της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης στη διαδικασία της κυτταρικής αναπνοής; |
4. Βάλτε τις κατάλληλες ενδείξεις, π.χ. «οξειδωτική φωαφορυλίωση», «κύκλος του κιτρικού οξέος» κτλ., στο διάγραμμα που ακολουθεί. Συμπληρώστε τα κενά με το σωστό αριθμό μορίων ΑΤΡ. 5. Συμπληρώστε τα κενά στο παρακάτω κείμενο:
6. Στο παρακάτω διάγραμμα περιγράφονται τα διάφορα στάδια του καταβολισμού της γλυκόζης:
α. Να ονομάσετε τα στάδια Α, Δ, Ε και τις διαδικασίες Β και Γ. |
7. Δύο γυναίκες έχουν το ίδιο βάρος (65 κιλά). Η μία έχει ύψος 1.70 m και κανονικό σώμα, ενώ η άλλη έχει ύψος 1.60 m και είναι παχιά. Ποιούς επιπλέον παράγοντες πρέπει να λάβουμε υπόψη μας προκειμένου να εκτιμήσουμε ποια από τις δύο έχει υψηλότερο επίπεδο μεταβολισμού; Προσπαθήστε να δικαιολογήσετε την απάντηση σας. ΑΣ ΕΡΕΥΝΗΣΟΥΜΕ...
|