מֵידָע

7.5A: נשימה תאית אנאירובית - ביולוגיה


חלק מהפרוקריוטים והאיקריוטים משתמשים בנשימה אנאירובית בה הם יכולים ליצור אנרגיה לשימוש בהיעדר חמצן.

מטרות למידה

  • תאר את תהליך הנשימה התאית אנאירובית.

נקודות מפתח

  • נשימה אנאירובית היא סוג של נשימה שבה לא משתמשים בחמצן; במקום זאת, מולקולות אורגניות או אנאורגניות משמשות כקבלני אלקטרונים סופיים.
  • התסיסה כוללת תהליכים המשתמשים במולקולה אורגנית כדי ליצור מחדש NAD+ מ- NADH.
  • סוגי התסיסה כוללים תסיסה של חומצת חלב ותסיסה של אלכוהול, בהם מייצרים אתנול.
  • כל צורות התסיסה למעט תסיסה של חומצה לקטית מייצרות גז, אשר ממלא תפקיד בזיהוי חיידקים במעבדה.
  • סוגים מסוימים של פרוקריוטים הם אנאירוביים פקולטטיביים, מה שאומר שהם יכולים לעבור בין נשימה אירובית לתסיסה, בהתאם לזמינות החמצן.

מושגי מפתח

  • ארכאה: קבוצה של מיקרואורגניזמים חד תאיים. אין להם גרעין תאים או אברונים אחרים הקשורים לממברנה בתוך התאים שלהם.
  • נשימה אנאירובית: צורה של נשימה באמצעות מקבלי אלקטרונים שאינם חמצן.
  • תְסִיסָה: תגובה ביוכימית אנאירובית. כאשר תגובה זו מתרחשת בשמרים, אנזימים מזרזים את הפיכת הסוכרים לאלכוהול או חומצה אצטית עם התפתחות הפחמן הדו חמצני.

נשימה תאית אנאירובית

ייצור האנרגיה דורש חמצן. שרשרת הובלת האלקטרונים, בה נוצר רוב ה- ATP, דורשת קלט חמצן גדול. עם זאת, אורגניזמים רבים פיתחו אסטרטגיות לביצוע חילוף חומרים ללא חמצן, או שהם יכולים לעבור מהנשמת תאים אירוביים לאנאירוביים כאשר החמצן נדיר.

במהלך הנשימה הסלולרית, חלק ממערכות החיים משתמשות במולקולה אורגנית כמקבל האלקטרונים הסופי. תהליכים המשתמשים במולקולה אורגנית ליצירת NAD מחדש+ מ- NADH מכונים יחד תסיסה. לעומת זאת, חלק ממערכות החיים משתמשות במולקולה אנאורגנית כמקבל אלקטרונים סופי. שתי השיטות נקראות נשימה תאית אנאירובית, שבה אורגניזמים ממירים אנרגיה לשימושם בהיעדר חמצן.

פרוקריוטים מסוימים, כולל מינים מסוימים של חיידקים וארכאות, משתמשים בנשימה אנאירובית. לדוגמה, קבוצת הארכאים הנקראים מתנוגנים מפחיתה פחמן דו חמצני למתאן לחמצון NADH. מיקרואורגניזמים אלה נמצאים באדמה ובדרכי העיכול של גורים, כמו פרות וכבשים. באופן דומה, חיידקים והארכאה המפחיתים סולפט, שרובם אנאירוביים, מפחיתים את הסולפט למימן גופרתי כדי ליצור מחדש NAD+ מ- NADH.

אוקריוטים יכולים גם לעבור נשימה אנאירובית. כמה דוגמאות כוללות תסיסה של אלכוהול בשמרים ותסיסה של חומצת חלב אצל יונקים.

תסיסה של חומצה לקטית

שיטת התסיסה בה משתמשים בעלי חיים וחיידקים מסוימים (כמו אלה ביוגורט) נקראת תסיסה של חומצת חלב. תסיסה מסוג זה משמשת באופן שגרתי בתאי דם אדומים של יונקים ובשרירי השלד בעלי אספקת חמצן לא מספקת כדי לאפשר נשימה אירובית להמשיך (כלומר בשרירים המשמשים עד עייפות). כמות עודפת הלקטט בשרירים אלה היא הגורמת לתחושת הצריבה ברגליים בזמן הריצה. כאב זה הוא אות למנוחה של השרירים העומסים מדי כדי שיוכלו להתאושש. בשרירים אלה יש להסיר את הצטברות חומצת החלב על ידי זרימת הדם ולהביא את הלקטט לכבד להמשך חילוף החומרים. התגובות הכימיות של תסיסה של חומצת חלב הן כדלקמן:

חומצה פירובית + NADH ↔ חומצת חלב + NAD+

האנזים המשמש בתגובה זו הוא דהידרוגנאז לקטט (LDH). התגובה יכולה להתקדם לכל כיוון, אך התגובה משמאל לימין מעוכבת על ידי תנאים חומציים. פעם העריכו שהצטברות חומצת חלב כזאת גורמת לנוקשות שרירים, עייפות וכאבים, אם כי מחקר עדכני יותר חולק על השערה זו. לאחר שהסרת חומצת החלב מהשריר והופצה לכבד, ניתן להפוך אותה מחדש לחומצה פירובית ולהתפוגג עוד יותר לאנרגיה.

תסיסה של אלכוהול

תהליך תסיסה מוכר נוסף הוא תסיסת אלכוהול, המייצרת אתנול, אלכוהול. השימוש בתסיסה של אלכוהול ניתן לעקוב אחורה בהיסטוריה במשך אלפי שנים. התגובות הכימיות של התסיסה האלכוהולית הן כדלקמן (הערה: CO2 אינו משתתף בתגובה השנייה):

חומצה פירובית → CO2 + אצטאלדהיד + NADH → אתנול + NAD+

התגובה הראשונה מזרזת על ידי פירוברט דקרבוקסילאז, אנזים ציטופלסמי, עם קואנזים של תיאמין פירופוספט (TPP, שמקורו בוויטמין B1 ונקרא גם תיאמין). קבוצת קרבוקסיל מוסרת מחומצה פירובית, ומשחררת פחמן דו חמצני כגז. אובדן הפחמן הדו חמצני מקטין את גודל המולקולה בפחמן אחד, מה שהופך אצטאלדהיד. התגובה השנייה מזורזת על ידי אלכוהול dehydrogenase לחמצון NADH ל- NAD+ ולהפחית אצטלדהיד לאתנול.

תסיסה של חומצה פירובית על ידי שמרים מייצרת אתנול המצוי במשקאות אלכוהוליים. סובלנות האתנול לשמרים משתנה, ונע בין כ -5 אחוזים ל -21 אחוזים, תלוי בזן השמרים ובתנאי הסביבה.

סוגי תסיסה אחרים

שיטות שונות של תסיסה משמשות אורגניזמים שונים כדי להבטיח אספקה ​​נאותה של NAD+ לשלב השישי בגליקוליזה. ללא מסלולים אלה, שלב זה לא היה מתרחש ואף לא נאסף ATP מפירוק הגלוקוז. שיטות תסיסה אחרות מתרחשות גם בחיידקים. פרוקריוטים רבים הם אנאירוביים מבחינה פקולטטיבית. המשמעות היא שהם יכולים לעבור בין נשימה אירובית לתסיסה, בהתאם לזמינות החמצן. פרוקריוטים מסוימים, כמו קלוסטרידיה, הם אנאירובים מחויבים. אנאירובים מחויבים חיים וצומחים בהיעדר חמצן מולקולרי. חמצן הוא רעל למיקרואורגניזמים אלה, הורג אותם בחשיפה.

יש לציין כי כל צורות התסיסה, למעט תסיסה של חומצת החלב, מייצרות גז. ייצור סוגים מסוימים של גז משמש כאינדיקטור לתסיסה של פחמימות ספציפיות, אשר ממלאות תפקיד בזיהוי המעבדה של החיידקים.


נשימה אנאירובית

פטריק מלמד AP ביולוגיה במשך 14 שנים וזוכה בפרסי הוראה מרובים.

נשימה אנאירובית הוא תהליך ייצור אנרגיה סלולרית ללא חמצן. נשימה אנאירובית היא תגובה מהירה יחסית ומייצרת 2 ATP, שהם הרבה פחות מנשימה אירובית. נשימה אנאירובית קורה בציטופלזמה שבה הגליקוליזה משחררת אנרגיה מהגלוקוז והתסיסה ממחזרת NADH בחזרה ל- NAD+.

התהליך המטבולי של הנשימה שהוא שחרור האנרגיה מהמזון מגיע בשני טעמים מובחנים של נשימה אנאירובית ונשימה אירובית. נשימה אנאירובית היא פירוק מזון שאינו דורש חמצן ולמעשה השם אנאירובי מתייחס לכך שאמצעי ללא אוויר פירושו אוויר ומה חשוב באוויר? גז חמצן, כך שלתהליך זה יש כמה יתרונות על פני הנשימה האירובית שאתה לא צריך חמצן, שניים מהר מאוד. לרוע המזל, המהירות הזו, הפשטות הזו כרוכה בתשלום. זה כרוך בעלות שהיא מייצרת רק מרוויח נטו רווח של 2ATP למולקולת גלוקוז.

בואו נסתכל על התרשים הזה כאן, ונראה איך זה מסתדר. כאן אנו רואים גלוקוז נכנס לתא אך למרבה הצער בשלב ההתחלתי של הגליקוליס אתה בעצם צריך להוציא אנרגיה מהתא, למה לעשות זאת? ובכן גלוקוז הוא מולקולת 6 פחמן על ידי הצבת זוג פוספטים משני קצותיה של אותה מולקולת פחמן 6 היא הופכת אותה ליציבה וקלה יותר לשבירה. בנוסף על ידי הצבת הפוספטים הללו משני קצותיו הוא גורם להטענה שלילית כך שהוא כבר לא יכול לצאת דרך תעלות הגלוקוז שהגלוקוז נכנס דרך התא.

עכשיו בסופו של דבר אתה הופך 4 מהדיפוספטים של האדנוזין שלך ל- 4 ATP כך שזה נותן לך 4 שכבר השקעת 2 רווח או רווח נקי של 2 ATP כעת המולקולה השנייה המיוצרת במהלך הגליקוליזה היא מולקולה הנקראת NADH . מאיפה זה בא? יש סוג מיוחד של מולקולה הנקראת חיובית NAD, חיובית NAD היא מה שמכונה נשאת אלקטרונים. זו מולקולה שיכולה לספוג אלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה ולשאת אותם למקום אחר. כעת עבור יצורים אירוביים ה- NADH היא מולקולה מצוינת מכיוון שאתה יכול להשתמש באנרגיה של האלקטרונים בעלי האנרגיה הגבוהה במיטוכונדריה שלך כדי ליצור המון ATP. אבל עבור יצורים אנאירוביים ש- NADH הוא למעשה בזבוז זה חסר טעם.

ובואו נסתכל מדוע, אם נסתכל עליהם NADH שלהם הוא חסר תועלת הוא לא יכול לשמש לשום דבר ולמעשה זה אומר שכבר אין לך את ה- NAD חיובי להמשיך לעשות גליקוליזה ולכן אנאירובית יצורים המציאו מערכת שנקראת תסיסה. התסיסה אינה מייצרת אנרגיה בלבד הגליקוליזה עושה נשימה אנאירובית אך התסיסה מאפשרת לך למחזר את ה- NAD החיובי ל- NADH יש לה יתרון לוואי נוסף מכיוון שלחומצת הפירובאט המיוצרת בסוף הגליקוליזה שהיא למעשה די רעילה עבור התא. עכשיו יש 2 גרסאות של תסיסה, יש תסיסה נוספת של אלכוהול ותסיסה של לקטט.

עכשיו בואו נסתכל על זה שמייצר לקטט, כי זה זה שהתאים שלכם עושים אם אי פעם תצטרכו לקבל הרבה אנרגיה מהר מאוד מאוד. תן לנו להגיד שאתה רודף על ידי נמר ואתה צריך לרוץ יש לך רק מספיק אנרגיה שמורה בתאי השריר שלך למשך פעולה של 10 עד 15 שניות במהירות מרבית, אבל אתה לא יכול להפסיק לאחר 15 שניות ותגיד בבקשה פסק זמן של מר טייגר. מכיוון שאין פסק זמן בציד נמר אז במקום זאת השרירים שלך יעברו לתסיסה של חומצת חלב על מנת לייצר לפחות כמה ATP כך שתוכל להמשיך. אם אי פעם עשית אימון כבד ידעת שזה גורם לבעיות כי למרות שחומצת לקטט או לקטט פחות רעילים מפירובאט, יש לה כמה בעיות השרירים שלך מתחילים להרגיש כואבים והם מתחילים להיות פחות ופחות יעילים. אז בואו נראה מה קורה, אז אנחנו עושים גליקוליזה ואנו מייצרים את הפירובאט אבל אז עם ה- NADH זרקנו את האלקטרונים באנרגיה גבוהה שנמצאים ב- NADH בחזרה על הפירובאט. הוא עובר כמה שינויים והופך למולקולת פחמן 3 אחרת הנקראת לקטט.

זה נותן לנו את ה- NAD החיובי שלנו כך שנוכל לפחות להמשיך לעשות גליקוליזה. זוהי דרך למיחזור כפי שאתה יכול לראות כאן את NADH בחזרה ב- NAD חיובי. יש כמה תאים כמו שמרים שיעשו תסיסה אחרת הנקראת תסיסה אלכוהולית, עכשיו מה שהם עושים הוא במקום להפוך את הפירובט ללקטט הם ממירים את הפירובאט לאתיל אלכוהול מולקולת 2 פחמן ופחמן דו חמצני גז. וכך בעצם אנשים מכינים אלכוהול, אתה פשוט לוקח צרור מזון שאתה מערבב אותו יחד עם כמה חיידקים או שמרים סוגרים אותו בחבית או בבקבוק כדי שלא ייכנס חמצן וכולם יפנו בשמחה לנשימה אנאירובית ו תסיסה אלכוהולית, יש ללכת, לאכול את כל הגלוקוז ולהשתין חבורה של אלכוהול.

הפחמן הדו חמצני יוצר את הבועות שאולי שמתם לב אליהן בעבר באלכוהול שהוריכם שותים, כך שזוהי נשימה אנאירובית. מתחיל בגליקוליזה ומסתיים בתסיסה.


נשימה סלולרית, נשימה אירובית & אנאירובית

החיים דורשים אנרגיה כדי להמשיך בפעילויות החיים החיוניות שלהם. זה מסופק על ידי נשימה סלולרית. זוהי קבוצה של תגובות מטבוליות להפיכת אנרגיה כימית ממולקולות חמצן או מזון לאדנוזין טריפוספט ולאחר מכן לשחרר מוצרי פסולת. הדלק הטיפוסי ביותר בו משתמש התא כדי להציע אנרגיה על ידי נשימה תאית הוא גלוקוז. אופן חילוף החומרים של הגלוקוז תלוי בזמינות החמצן.

תגובה זו נקראת גליקוליזה. חלקיק ה- ATP משמש את התאים כמקור אנרגיה לתפקודים שונים, למשל סינתזה של חומרים מורכבים יותר, הובלה פעילה על פני קרום התא, התכווצות שרירים והולכה עצבית וכו '. לפעמים חמצון ביולוגי כולל חיסול מימן, התגובה המזרזת על ידי dehydrogenases מחובר לקואנזימים ספציפיים. נשימה סלולרית היא בעצם תגובת חמצון.

נשימה ברמת התא

אורגניזמים חיים דורשים אנרגיה כדי להמשיך בפעילויות החיים החיוניות שלהם. אנרגיה זו ניתנת בתוך התאים על ידי תופעת הנשימה. נשימה היא ההליך האוניברסלי שבאמצעותו אורגניזמים מפרקים תרכובות מורכבות המכילות פחמן באופן שמאפשר לתאים לאסוף מקסימום אנרגיה שניתנת לשימוש.

בביולוגיה משתמשים במונח הנשימה בשתי דרכים. יותר מוכר המונח נשימה פירושו החלפת גזי נשימה (CO2 ו- O.2) בין האורגניזם לסביבתו. חילוף זה נקרא נשימה חיצונית. הנשימה הסלולרית היא התהליך שבאמצעותו ניתנת אנרגיה לתאים בהתפרקות צעד אחר צעד של מולקולות שרשרת C בתאים.

נשימה סלולרית

הנשימה הסלולרית היא מערכת תגובות ותהליכים מטבוליים המתרחשים בתאים של אורגניזמים כדי להפוך אנרגיה כימית ממולקולות חמצן או מזון לאדנוזין טריפוספט ולאחר מכן לשחרר מוצרי פסולת.

סוגי הנשימה הסלולרית

הדלק הטיפוסי ביותר בו משתמש התא כדי להציע אנרגיה על ידי נשימה תאית הוא גלוקוז. אופן חילוף החומרים של הגלוקוז תלוי בזמינות החמצן. לפני הכניסה למיטוכונדריון, מולקולת הגלוקוז מחולקת ליצירת שתי מולקולות של חומצה פירובית (3 מולקולות פחמן). תגובה זו נקראת גליקוליזה (גליקוליזה ממש מציעה פיצול סוכר), ומתרחשת בציטוזול ומיוצגת על ידי המשוואה:

תגובה זו מתרחשת בכל התאים והביולוגים חושבים שתגובה דומה עלולה להתרחש בתא הראשון שהיה מסודר בעולם.

התא מעבד חומצה פירובית בשלוש שיטות משמעותיות, תסיסה אלכוהולית, תסיסה של חומצת חלב ונשימה אירובית. שתי התגובות הראשונות מתרחשות בהיעדר חמצן ומתוארות כאנאירוביות (ללא חמצן). ההתמוטטות הכוללת של מולקולת הגלוקוז מתרחשת רק בנוכחות חמצן, כלומר בנשימה אירובית. לאורך כל הנשימה האירובית הגלוקוז מתחמצן ל- CO2 ומים ואנרגיה משתחררים.

נשימה אירובית

"הנשימה האירובית היא תהליך של ייצור אנרגיה תאית בנוכחות חמצן."

המשוואה הכימית לנשימה אירובית היא:

האנרגיה משתחררת על ידי פיצול מולקולות הגלוקוז בעזרת גז חמצן. בסוף התגובה הכימית משתחררים אנרגיה, מולקולות מים וגז פחמן דו חמצני כתוצרי הלוואי או תוצרי הקצה של התגובות.

2900 קג'י האנרגיה משתחררים במהלך הליך שבירת מולקולת הגלוקוז ובתורו, אנרגיה זו משמשת לייצור מולקולות ATP - אדנוזין טריפוספט המופעלות על ידי הגוף למטרות שונות. הליך הנשימה האירובית קורה בכל האורגניזמים הרב -תאיים המורכבים מבעלי חיים, צמחים ואורגניזמים חיים אחרים.

במהלך תהליך הנשימה בצמחים, גז החמצן חודר לתאי הצמח דרך הגלומה, הנמצאת באפידרמיס (תאי מזופיל) של עלים וגבעול של צמח. בעזרת הליך הפוטוסינתזה, כל הצמחים הירוקים מייצרים את מזונם ובכך משחררים אנרגיה.

תפקיד המיטוכונדריה בנשימה אירובית

מיטוכונדריה הינן אברונים גרגירים או נימיים גדולים המפוזרים ברחבי הציטופלזמה של תאי בעלי חיים וצמחים. כל מיטוכונדריון מורכב מממברנה סגורה חיצונית ומקרום פנימי עם קפלים או קריסטות מורכבים המשתרעים אל פנים האברון.

המיטוכונדריה ממלאות תפקיד בנשימה התאית על ידי העברת האנרגיה של המולקולות האורגניות לקשרים הכימיים של ATP. גדול "סוֹלְלָה"של אנזימים וקואנזימים משחררים בהדרגה אנרגיה ממולקולות הגלוקוז. לפיכך, המיטוכונדריה הן "בתי כוח" המייצרים את האנרגיה הדרושה לתפקודים סלולריים רבים.

אדנוזין טריפוספט ומשמעותו

אדנוזין טריפוספט, המקוצר בדרך כלל 'ATP' הוא תרכובת הנמצאת בכל תא חי והיא אחד הכימיקלים הדרושים לחיים. הוא ממלא תפקיד מכריע ברוב שינויי האנרגיה הביולוגית. באופן מסורתי, 'P' מייצג את כל קבוצת הפוספטים.

הפוספט השני והשלישי מייצגים את הקשרים המכונים "אנרגיה גבוהה". אם אלה נשברים על ידי הידרוליזה, אנרגיה חופשית הרבה יותר משתחררת בהשוואה לקשר האחר במולקולת ATP. שבירת הפוספט הסופי של ATP משחררת בערך 7.3 קק"ל של אנרגיה. קשר ה- 'P' באנרגיה גבוהה מאפשר לתא לאסוף כמות גדולה של אנרגיה בשטח קטן מאוד ושומר אותו מוכן לשימוש ברגע שהוא נחוץ.

חלקיק ה- ATP משמש את התאים כמקור אנרגיה לתפקודים שונים, למשל סינתזה של חומרים מורכבים יותר, הובלה פעילה על פני קרום התא, התכווצות שרירים והולכה עצבית וכו '.

נשימה אנאירובית

הנשימה בהעדר חמצן נקראת נשימה אנאירובית. זה יכול להיות:

  • תסיסה אלכוהולית: בתאים פרימיטיביים ובכמה תאים אוקריוטיים כגון שמרים, חומצה פירובית מתפרקת יותר על ידי תסיסה אלכוהולית לאלכוהול (C2 ח5 OH) ו- CO2.

תסיסה משמשת לרוב לייצור אלכוהול ולחם. כאשר סוכר, שמרים, קמח ומים משולבים ליצירת הבצק, השמרים מפרקים את הסוכר ומייצרים פחמן דו חמצני, מה שגורם ללחם לתפוח.

  • תסיסה של חומצה לקטית: בתסיסה של חומצת חלב, כל מולקולת חומצה פירובית הופכת לחומצה לקטית C3 ח6 או3 בהיעדר גז חמצן:

תסיסה של חומצה לקטית משמשת לריח או שמירה על מוצרי חלב וירקות, למשל יוגורט וחמוצים.

סוג זה של נשימה אנאירובית מתרחש בתאי שריר של בני אדם ובעלי חיים אחרים במהלך פעילויות גופניות קיצוניות ותרגילים כבדים, כגון ריצה כאשר לא ניתן לשאת חמצן לתאים במהירות הנדרשת. תסיסה של אלכוהול וחומצה לקטית מניבה פחות אחוזי אנרגיה ממולקולות הגלוקוז. רק כ -2% מהאנרגיה הקיימת בתוך הקשרים הכימיים של הגלוקוז הופכת לאדנוזין טריפוספט (ATP).

חמצון ביולוגי

תחזוקת מערכת החיים זקוקה לאספקה ​​רציפה של אנרגיה חופשית לחלוטין, אשר בסופו של דבר מקורו בתגובות רבות להפחתת חמצון. פרט לתהליכים כימוסינתטיים פוטוסינתטיים וכמה חיידקים, שהם עצמם תגובות להפחתת חמצון, כל התאים האחרים תלויים בסופו של דבר באספקת האנרגיה החופשית שלהם בתגובות חמצון בתהליכי נשימה.

לפעמים חמצון ביולוגי כולל חיסול מימן, תגובה המזרזת על ידי דהידרוגנאז מחובר לקואנזימים ספציפיים. נשימה סלולרית היא בעצם תגובת חמצון.


7.5A: נשימה תאית אנאירובית - ביולוגיה

בחלק זה תחקור את השאלה הבאה:

  • מה ההבדל המהותי בין נשימה תאית אנאירובית לבין סוגי התסיסה השונים?

חיבור לקורסי AP ®

כפי שצוין קודם לכן, בתנאים אירוביים הנשימה הסלולרית יכולה להניב 36-38 מולקולות ATP. אם אין חמצן, ATP מיוצר רק על ידי זרחון ברמת המצע. ללא חמצן, על האורגניזמים להשתמש בקולט אלקטרונים אחר. רוב האורגניזמים ישתמשו בצורת תסיסה כלשהי לביצוע התחדשות ה- NAD + על מנת להבטיח את המשך הגליקוליזה. בתסיסה של אלכוהול, פירובט מהגליקוליזה הופך לאתיל אלכוהול במהלך תסיסה של חומצה לקטית, פירובט מצטמצם ליצירת לקטט כתוצר סופי. ללא תסיסה ונשימה אנאירובית, לא היה לנו יוגורט או רוטב סויה. גם תאי השריר שלנו לא יתכווצו מהצטברות הלקטט כאשר אנו מתאמנים במרץ וחמצן דל.

המידע המוצג והדוגמאות המודגשות בסעיף תומכות במושגים ויעדי למידה המתוארים ברעיון גדול 2 של מסגרת הלימודים לביולוגיה של AP ®, כפי שמוצג בטבלה. מטרות הלמידה המפורטות במסגרת תכנית הלימודים מהוות בסיס שקוף לקורס AP ® ביולוגיה, ניסיון מעבדה מבוסס חקירה, פעילויות הדרכה ושאלות בחינת AP ®. מטרת למידה ממזגת את התוכן הנדרש עם אחד או יותר משבעת תרגולי המדע.

רעיון גדול 2 מערכות ביולוגיות מנצלות אנרגיה חופשית ואבני בניין מולקולריות כדי לצמוח, להתרבות ולשמור על הומאוסטזיס דינאמי.
הבנה מתמשכת 2. א צמיחה, רבייה ותחזוקה של מערכות חיים דורשות אנרגיה וחומר חופשיים.
ידע חיוני 2. א .2 אורגניזמים לוכדים ומאחסנים אנרגיה חופשית לשימוש בתהליכים ביולוגיים.
תרגול מדעי 1.4 התלמיד יכול להשתמש בייצוגים ובמודלים כדי לנתח מצבים או לפתור בעיות איכותית וכמותית.
תרגול מדעי 3.1 התלמיד יכול להעלות שאלות מדעיות.
מטרת למידה 2.4 התלמיד מסוגל להשתמש בייצוגים כדי להציג שאלות מדעיות לגבי אילו מנגנונים ותכונות מבניות מאפשרות לאורגניזמים ללכוד, לאחסן ולהשתמש באנרגיה חופשית.
ידע חיוני 2. א .2 אורגניזמים לוכדים ומאחסנים אנרגיה חופשית לשימוש בתהליכים ביולוגיים.
תרגול מדעי 6.2 התלמיד יכול לבנות הסברים על תופעות המבוססות על ראיות שהופקו באמצעות שיטות מדעיות.
מטרת למידה 2.5 התלמיד מסוגל לבנות הסברים על המנגנונים והתכונות המבניות של תאים המאפשרים לאורגניזמים ללכוד, לאחסן או להשתמש באנרגיה חופשית.

שאלות האתגר לתרגול המדעי מכילות שאלות מבחן נוספות לפרק זה שיעזרו לך להתכונן לבחינת AP. שאלות אלו מתייחסות לסטנדרטים הבאים:
[APLO 2.21] [APLO 2.24] [APLO 4.14] [APLO 4.26]

בנשימה אירובית, מקבל האלקטרונים הסופי הוא מולקולת חמצן, O2. אם מתרחשת נשימה אירובית, אז ATP ייוצר באמצעות אנרגיה של אלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה הנישאים על ידי NADH או FADH2 לשרשרת הובלת האלקטרונים. אם הנשימה האירובית אינה מתרחשת, יש לחמצן מחדש את NADH ל- NAD + לשימוש חוזר כמוביל אלקטרונים כדי שהמסלול הגליקוליטי ימשיך. כיצד הדבר מתבצע? חלק ממערכות החיים משתמשות במולקולה אורגנית כמקבל האלקטרונים הסופי. תהליכים המשתמשים במולקולה אורגנית כדי ליצור מחדש NAD + מ- NADH מכונים ביחד תסיסה. לעומת זאת, חלק ממערכות החיים משתמשות במולקולה אנאורגנית כמקבל אלקטרונים סופי. שתי השיטות נקראות נשימה תאית אנאירובית בה אורגניזמים ממירים אנרגיה לשימושם בהיעדר חמצן.

נשימה תאית אנאירובית

פרוקריוטים מסוימים, כולל מינים מסוימים של חיידקים וארכאה, משתמשים בנשימה אנאירובית. לדוגמה, קבוצת ארכאה הנקראת מתנוגנים מפחיתה פחמן דו חמצני למתאן לחמצון NADH. מיקרואורגניזמים אלה נמצאים באדמה ובדרכי העיכול של גורים, כמו פרות וכבשים. באופן דומה, חיידקים מפחיתים סולפט וארכאה, שרובם אנאירוביים (איור 7.14), מפחיתים את הסולפט למימן גופריתי כדי ליצור מחדש NAD + מ- NADH.

קישור למידה

בקר באתר זה כדי לראות נשימה תאית אנאירובית בפעולה.

  1. NAD+ נוצר בנשימה אירובית על ידי תהליך תסיסה ונוצר בנשימה אנאירובית על ידי חמצון של NADH.
  2. NAD+ נוצר על ידי תהליך תסיסה בתנאים אנאירוביים על ידי הפיכת פירובאט ללקטט ועל ידי חמצון פשוט של NADH בנשימה אירובית.
  3. בתנאים אירוביים, מקבל אלקטרונים הוא מולקולה שאינה חמצן לייצור NAD+, בעוד שבתנאים אנאירוביים מקבל האלקטרונים הוא חמצן.
  4. NAD+ נוצר על ידי תהליך תסיסה בתנאים אנאירוביים ואילו בנשימה אירובית הוא נוצר על ידי פירוק פירובט לחומצה לקטית או אלכוהול.

תסיסה של חומצה לקטית

שיטת התסיסה בה משתמשים בעלי חיים וחיידקים מסוימים, כמו אלה שביוגורט, היא תסיסה של חומצת חלב (איור 7.15). סוג זה של תסיסה משמש באופן שגרתי בתאי דם אדומים של יונקים ובשרירי השלד בעלי אספקת חמצן לא מספקת כדי לאפשר נשימה אירובית להמשיך (כלומר בשרירים המשמשים עד כדי עייפות). בשרירים, יש להסיר את הצטברות חומצת החלב על ידי זרימת הדם ולהביא את הלקטט לכבד להמשך חילוף החומרים. התגובות הכימיות של תסיסת חומצת החלב הן כדלקמן:

האנזים המשמש בתגובה זו הוא דהידרוגנאז לקטט (LDH). התגובה יכולה להתקדם לכל כיוון, אך התגובה משמאל לימין מעוכבת על ידי תנאים חומציים. פעם האמינו שהצטברות חומצת חלב כזו גורמת לנוקשות שרירים, עייפות וכאבים, אם כי מחקרים עדכניים יותר חולקים על השערה זו. לאחר שהסרת חומצת החלב מהשריר והופצה לכבד, ניתן להפוך אותה מחדש לחומצה פירובית ולהתפוגג עוד יותר לאנרגיה.

חיבור ויזואלי

טרמטול, רעל מטבולי המצוי בצמח שורש הנחש הלבן, מונע את חילוף החומרים של לקטט. כאשר הפרות אוכלות את הצמח הזה, הוא מרוכז בחלב שהן מייצרות. בני אדם שצורכים את החלב חולים. סימפטומים של מחלה זו, הכוללים הקאות, כאבי בטן ורעד, מחמירים לאחר פעילות גופנית. למה אתה חושב שזה המצב?

  1. טרמטול מעכב אנזימים שהופכים לקטט לתרכובות פחות מזיקות. פעילות גופנית מחמירה זאת על ידי ייצור יותר לקטט.
  2. טרמטול מגביר את הייצור של דהידרוגנאז לקטט, וגורם להצטברות חומצה לקטית בגוף.
  3. טרמטול מעכב את ייצור NAD + לאחר פעילות גופנית. מחסור בחמצן גורם לחומצה לקטית להצטבר בגוף.
  4. טרמטול נקשר לחומצה לקטית, מעכב את התפרקותו לתרכובות אחרות וגורם לה להצטבר לאחר פעילות גופנית.

תהליך תסיסה מוכר נוסף הוא תסיסת אלכוהול (איור 7.16) המייצר אתנול, אלכוהול. התגובה הכימית הראשונה של תסיסת אלכוהול היא הבאה (CO2 אינו משתתף בתגובה השנייה):

התגובה הראשונה מזרזת על ידי פירוברט דקרבוקסילאז, אנזים ציטופלסמי, עם קואנזים של תיאמין פירופוספט (TPP, שמקורו בוויטמין B1 ונקרא גם תיאמין). קבוצת קרבוקסיל מוסרת מחומצה פירובית, ומשחררת פחמן דו חמצני כגז. אובדן הפחמן הדו חמצני מקטין את גודל המולקולה בפחמן אחד, מה שהופך אצטאלדהיד. התגובה השנייה מזורזת על ידי אלכוהול דהידרוגנאז לחמצון NADH ל- NAD + ולהפחית אצטאלדהיד לאתנול. תסיסה של חומצה פירובית על ידי שמרים מייצרת אתנול. סובלנות האתנול לשמרים משתנה, ונע בין כ -5 אחוזים ל -21 אחוזים, תלוי בזן השמרים ובתנאי הסביבה.

סוגי תסיסה אחרים

שיטות תסיסה אחרות מתרחשות בחיידקים. פרוקריוטים רבים הם אנאירוביים מבחינה פקולטטיבית. המשמעות היא שהם יכולים לעבור בין נשימה אירובית לתסיסה, בהתאם לזמינות החמצן. פרוקריוטים מסוימים, כמו קלוסטרידיה, הם אנאירובים מחויבים. אנאירובים מחויבים חיים וצומחים בהיעדר חמצן מולקולרי. חמצן הוא רעל למיקרואורגניזמים אלה והורג אותם בחשיפה. יש לציין כי כל צורות התסיסה, למעט תסיסה של חומצת החלב, מייצרות גז. ייצור סוגים מסוימים של גז משמש כאינדיקטור לתסיסה של פחמימות ספציפיות, אשר ממלאות תפקיד בזיהוי המעבדה של החיידקים. שיטות שונות של תסיסה משמשות אורגניזמים שונים כדי להבטיח אספקה ​​נאותה של NAD + לשלב השישי בגליקוליזה. ללא מסלולים אלה, שלב זה לא היה מתרחש ואף לא נאסף ATP מפירוק הגלוקוז.

חיבור תרגול מדעי לקורסי AP®

חקירת מעבדה: נשימת סוכרים על ידי שמרים. ניתנת לך ההזדמנות לתכנן ולערוך ניסויים כדי לבדוק אם שמרים מסוגלים לעכל מגוון סוכרים באמצעות חיישני לחץ גז או אמצעים אחרים למדידת CO2 הפקה.

תחשוב על זה

טרמטול, רעל מטבולי המצוי בשורש צמח הנחש הלבן, מונע את חילוף החומרים של לקטט. כאשר פרות נקבות אוכלות את הצמח הזה, טרמטול הופך מרוכז בחלב שלהן. בני אדם שצורכים את החלב חולים. הסבר מדוע הסימפטומים של מחלה זו, הכוללים הקאות, כאבי בטן ורעידות, מחמירים לאחר פעילות גופנית.


כאבי שרירים וחומצה לקטית

במהלך פעילות גופנית אינטנסיבית, השרירים שלנו משתמשים בחמצן כדי לייצר ATP מהר יותר ממה שאנחנו יכולים לספק לו.

כאשר זה קורה, תאי השריר יכולים לבצע גליקוליזה מהר יותר מכפי שהם יכולים לספק חמצן לשרשרת הובלת האלקטרונים המיטוכונדריאלית.

התוצאה היא שנשימה אנאירובית ותסיסה של חומצת חלב מתרחשת בתוך התאים שלנו-ואחרי פעילות ממושכת, חומצת החלב הלקויה יכולה לגרום לכאבי השרירים שלנו!

שמרים ומשקאות אלכוהוליים

משקאות אלכוהוליים כגון יין וויסקי מיוצרים בדרך כלל מבקבוק שמרים - המבצעים תסיסה אלכוהולית - עם תמיסה של סוכר ותרכובות טעם אחרות.

שמרים יכולים להשתמש בפחמימות מורכבות, כולל אלה המצויות בתפוחי אדמה, ענבים, תירס ודגנים רבים אחרים, כמקורות סוכר לביצוע הנשימה התאית.

הכנסת השמרים ומקור הדלק שלה לבקבוק אטום מבטיחה שלא יהיה מספיק חמצן מסביב, וכך השמרים יועברו לנשימה אנאירובית. זה מייצר אלכוהול.

אלכוהול הוא למעשה רעיל לשמרים המייצרים אותו - כאשר ריכוזי האלכוהול הופכים גבוהים מספיק, השמרים יתחילו למות.

מסיבה זו, לא ניתן לבשל יין או בירה שיש בה יותר מ -30% אחוז אלכוהול. עם זאת, תהליך הזיקוק, המפריד בין אלכוהול למרכיבים אחרים של החליטה, יכול לשמש לריכוז האלכוהול ולייצור משקאות חריפים כגון וודקה.

מתנוגנזה וחומרי בית מסוכנים

לרוע המזל, התסיסה האלכוהולית אינה סוג התסיסה היחיד שיכול לקרות בחומרים צמחיים. ניתן לייצר אלכוהול אחר, הנקרא מתנול, מתסיסה של תאית. זה יכול לגרום להרעלת מתנול.

הסכנות של "אלמוג" ואלכוהול זול מתוצרת בית המכיל לעתים קרובות כמויות גדולות של מתנול עקב תהליכי בישול וזיקוק לקויים - פורסמו במאה ה -20 במהלך האיסור.

מוות ופגיעה עצבית כתוצאה מהרעלת מתנול הם עדיין נושא באזורים שבהם אנשים מנסים לבשל אלכוהול בזול. לכן, אם אתה עומד להפוך למבשלת בירה, הקפד לבצע שיעורי בית!

גבינה שוויצרית וחומצה פרופיונית

תסיסת חומצה פרופיונית מעניקה לגבינה השוויצרית את טעמה הייחודי. החורים בגבינה השוויצרית נוצרים למעשה על ידי בועות של גז פחמן דו חמצני המשתחרר כתוצר פסולת של חיידק המשתמש בתסיסה של חומצה פרופיונית.

לאחר יישום תקני התברואה המחמירים במאה ה -20, יצרנים רבים של גבינה שוויצרית נדהמו לגלות שהגבינה שלהם מאבדת את חוריה - ואת טעמה.

האשם התגלה כמחסור בחיידק ספציפי המייצר חומצה פרופיונית. לאורך הדורות, החיידק הזה הוכנס כמזהם מהתבן שהפרות אכלו. אבל לאחר שהונהגו תקני היגיינה מחמירים יותר, זה כבר לא קרה!

חיידק זה מתווסף כעת בכוונה במהלך הייצור על מנת להבטיח שהגבינה השוויצרית תישאר בטעם ותשמור על המראה החורני המזוהה באופן מיידי.

חומץ ואצטוגנזה

חיידקים המבצעים אצטוגנזה אחראים לייצור חומץ, המורכב בעיקר מחומצה אצטית.

חומץ דורש למעשה שני תהליכי תסיסה, מכיוון שהחיידקים היוצרים חומצה אצטית דורשים אלכוהול כדלק!

ככזה, חומץ מותסס לראשונה לתכשיר אלכוהולי, כגון יין. התערובת האלכוהולית מותססת שוב באמצעות החיידקים האצטוגניים.


7.5 חילוף חומרים ללא חמצן

בחלק זה תחקור את השאלה הבאה:

  • מה ההבדל המהותי בין נשימה תאית אנאירובית לבין סוגי התסיסה השונים?

חיבור לקורסי AP ®

כפי שצוין קודם לכן, בתנאים אירוביים הנשימה הסלולרית יכולה להניב 36-38 מולקולות ATP. אם אין חמצן, ATP מיוצר רק על ידי זרחון ברמת המצע. ללא חמצן, על האורגניזמים להשתמש בקולט אלקטרונים אחר. רוב האורגניזמים ישתמשו בצורת תסיסה כלשהי לביצוע התחדשות ה- NAD + על מנת להבטיח את המשך הגליקוליזה. בתסיסה של אלכוהול, פירובט מהגליקוליזה הופך לאתיל אלכוהול במהלך תסיסה של חומצה לקטית, פירובט מצטמצם ליצירת לקטט כתוצר סופי. ללא תסיסה ונשימה אנאירובית, לא היה לנו יוגורט או רוטב סויה. גם תאי השריר שלנו לא יתכווצו מהצטברות הלקטט כאשר אנו מתאמנים במרץ וחמצן דל.

המידע המוצג והדוגמאות המודגשות בסעיף תומכות במושגים ויעדי למידה המתוארים ברעיון גדול 2 של מסגרת הלימודים לביולוגיה של AP ®, כפי שמוצג בטבלה. מטרות הלמידה המפורטות במסגרת תכנית הלימודים מהוות בסיס שקוף לקורס AP ® ביולוגיה, ניסיון מעבדה מבוסס חקירה, פעילויות הדרכה ושאלות בחינת AP ®. מטרת למידה ממזגת את התוכן הנדרש עם אחד או יותר משבעת תרגולי המדע.

רעיון גדול 2 מערכות ביולוגיות מנצלות אנרגיה חופשית ואבני בניין מולקולריות כדי לצמוח, להתרבות ולשמור על הומאוסטזיס דינאמי.
הבנה מתמשכת 2. א צמיחה, רבייה ותחזוקה של מערכות חיים דורשות אנרגיה וחומר חופשיים.
ידע חיוני 2. א .2 אורגניזמים לוכדים ומאחסנים אנרגיה חופשית לשימוש בתהליכים ביולוגיים.
תרגול מדעי 1.4 התלמיד יכול להשתמש בייצוגים ובמודלים כדי לנתח מצבים או לפתור בעיות איכותית וכמותית.
תרגול מדעי 3.1 התלמיד יכול להעלות שאלות מדעיות.
מטרת למידה 2.4 התלמיד מסוגל להשתמש בייצוגים כדי להציג שאלות מדעיות לגבי אילו מנגנונים ותכונות מבניות מאפשרות לאורגניזמים ללכוד, לאחסן ולהשתמש באנרגיה חופשית.
ידע חיוני 2. א .2 אורגניזמים לוכדים ומאחסנים אנרגיה חופשית לשימוש בתהליכים ביולוגיים.
תרגול מדעי 6.2 התלמיד יכול לבנות הסברים על תופעות המבוססות על ראיות שהופקו באמצעות שיטות מדעיות.
מטרת למידה 2.5 התלמיד מסוגל לבנות הסברים על המנגנונים והתכונות המבניות של תאים המאפשרים לאורגניזמים ללכוד, לאחסן או להשתמש באנרגיה חופשית.

תמיכה במורים

Discuss with students the role of fermentation in processes such as the production of bread, yogurt, alcohol, and fuels. For example as discussed in this video.

Students may not realize that fermentation functions to regenerate NAD + students may think that fermentation only functions to produce additional ATP. Fermentation can produce ATP as long as there is enough NAD + to accept electrons. Without NAD + regeneration from NADH, glycolysis will deplete NAD + and come to a stop.

שאלות האתגר לתרגול המדעי מכילות שאלות מבחן נוספות לפרק זה שיעזרו לך להתכונן לבחינת AP. שאלות אלו מתייחסות לסטנדרטים הבאים:
[APLO 2.21][APLO 2.24][APLO 4.14][APLO 4.26]

In aerobic respiration, the final electron acceptor is an oxygen molecule, O2. If aerobic respiration occurs, then ATP will be produced using the energy of high-energy electrons carried by NADH or FADH2 to the electron transport chain. If aerobic respiration does not occur, NADH must be reoxidized to NAD + for reuse as an electron carrier for the glycolytic pathway to continue. How is this done? Some living systems use an organic molecule as the final electron acceptor. Processes that use an organic molecule to regenerate NAD + from NADH are collectively referred to as fermentation . In contrast, some living systems use an inorganic molecule as a final electron acceptor. Both methods are called anaerobic cellular respiration in which organisms convert energy for their use in the absence of oxygen.

Anaerobic Cellular Respiration

Certain prokaryotes, including some species of bacteria and Archaea, use anaerobic respiration. For example, the group of Archaea called methanogens reduces carbon dioxide to methane to oxidize NADH. These microorganisms are found in soil and in the digestive tracts of ruminants, such as cows and sheep. Similarly, sulfate-reducing bacteria and Archaea, most of which are anaerobic (Figure 7.14), reduce sulfate to hydrogen sulfide to regenerate NAD + from NADH.

קישור ללמידה

Visit this site to see anaerobic cellular respiration in action.

  1. ext^ <+>is formed in aerobic respiration by a fermentation process and formed in anaerobic respiration by oxidation of ext .
  2. ext^ <+>is formed by a fermentation process in anaerobic conditions by the conversion of pyruvate into lactate and by simple oxidation of ext in aerobic respiration.
  3. Under aerobic conditions, the electron acceptor is a molecule other than oxygen for ext^ <+>production, whereas under anaerobic conditions the electron acceptor is oxygen.
  4. ext^ <+>is formed by a fermentation process in anaerobic conditions whereas in aerobic respiration it is formed by the breakdown of pyruvate into lactic acid or alcohol.

Lactic Acid Fermentation

The fermentation method used by animals and certain bacteria, like those in yogurt, is lactic acid fermentation (Figure 7.15). This type of fermentation is used routinely in mammalian red blood cells and in skeletal muscle that has an insufficient oxygen supply to allow aerobic respiration to continue (that is, in muscles used to the point of fatigue). In muscles, lactic acid accumulation must be removed by the blood circulation and the lactate brought to the liver for further metabolism. The chemical reactions of lactic acid fermentation are the following:

The enzyme used in this reaction is lactate dehydrogenase (LDH). The reaction can proceed in either direction, but the reaction from left to right is inhibited by acidic conditions. Such lactic acid accumulation was once believed to cause muscle stiffness, fatigue, and soreness, although more recent research disputes this hypothesis. Once the lactic acid has been removed from the muscle and circulated to the liver, it can be reconverted into pyruvic acid and further catabolized for energy.

חיבור חזותי

Tremetol, a metabolic poison found in the white snake root plant, prevents the metabolism of lactate. When cows eat this plant, it is concentrated in the milk they produce. Humans who consume the milk become ill. Symptoms of this disease, which include vomiting, abdominal pain, and tremors, become worse after exercise. למה אתה חושב שזה המצב?

  1. Tremetol inhibits enzymes that convert lactate into less harmful compounds. Exercise worsens this by producing more lactate.
  2. Tremetol increases the production of lactate dehydrogenase, causing lactic acid to accumulate in the body.
  3. Tremetol inhibits the production of NAD + after exercise. The lack of oxygen causes lactic acid to accumulate in the body.
  4. Tremetol binds to lactic acid, inhibiting its breakdown into other compounds and causing it to accumulate after exercising.

תסיסה של אלכוהול

Another familiar fermentation process is alcohol fermentation (Figure 7.16) that produces ethanol, an alcohol. The first chemical reaction of alcohol fermentation is the following (CO2 does not participate in the second reaction):

The first reaction is catalyzed by pyruvate decarboxylase, a cytoplasmic enzyme, with a coenzyme of thiamine pyrophosphate (TPP, derived from vitamin B1 and also called thiamine). קבוצת קרבוקסיל מוסרת מחומצה פירובית, ומשחררת פחמן דו חמצני כגז. אובדן הפחמן הדו חמצני מקטין את גודל המולקולה בפחמן אחד, מה שהופך אצטאלדהיד. התגובה השנייה מזורזת על ידי אלכוהול דהידרוגנאז לחמצון NADH ל- NAD + ולהפחית אצטאלדהיד לאתנול. The fermentation of pyruvic acid by yeast produces the ethanol. סובלנות האתנול לשמרים משתנה, ונע בין כ -5 אחוזים ל -21 אחוזים, תלוי בזן השמרים ובתנאי הסביבה.

Other Types of Fermentation

Other fermentation methods occur in bacteria. Many prokaryotes are facultatively anaerobic. This means that they can switch between aerobic respiration and fermentation, depending on the availability of oxygen. Certain prokaryotes, like קלוסטרידיה, are obligate anaerobes. Obligate anaerobes live and grow in the absence of molecular oxygen. Oxygen is a poison to these microorganisms and kills them on exposure. It should be noted that all forms of fermentation, except lactic acid fermentation, produce gas. The production of particular types of gas is used as an indicator of the fermentation of specific carbohydrates, which plays a role in the laboratory identification of the bacteria. Various methods of fermentation are used by assorted organisms to ensure an adequate supply of NAD + for the sixth step in glycolysis. Without these pathways, that step would not occur and no ATP would be harvested from the breakdown of glucose.

חיבור תרגול מדע לקורסי AP®

Lab Investigation: Respiration of Sugars by Yeast. You are given the opportunity to design and conduct experiments to investigate whether yeasts are able to metabolize a variety of sugars, using gas pressure sensors or other means to measure CO2 production.

תחשוב על זה

Tremetol, a metabolic poison found in the white snake plant root, prevents the metabolism of lactate. When female cows eat this plant, tremetol becomes concentrated in their milk. Humans who consume the milk become ill. Explain why the symptoms of this disease, which include vomiting, abdominal pain, and tremors, becomes worse after exercise.

תמיכה במורים

This investigation is an application of Learning Objective 2.5 and Science Practice 6.2 because in the course of their investigation, students will collect data and based on the results explain if different sugars can be metabolized in fermentation.

Lab investigation: This lab can be done in one of several ways. A common one involves attaching a balloon to a chamber in which fermentation is occurring, allowing the carbon dioxide to gradually fill up the balloon. Please see this detailed lab description.

The Think About It question is an application of Learning Objective 2.5 and Science Practice 6.2 because students are asked to explain how an environmental variable can interfere with the fermentation pathway.

Possible answer:

בתור עמית אמזון אנו מרוויחים מרכישות מתאימות.

רוצה לצטט, לשתף או לשנות את הספר הזה? ספר זה הינו רישיון ייחוס Creative Commons 4.0 ועליך לייחס את OpenStax.

    אם אתה מפיץ מחדש את כל הספר או חלקו בתבנית הדפסה, עליך לכלול בכל דף פיזי את הייחוס הבא:

  • השתמש במידע שלהלן כדי ליצור ציטוט. אנו ממליצים להשתמש בכלי ציטוט כגון זה.
    • מחברים: ג'וליאן זדאליס, ג'ון אגרברכט
    • מוציא לאור/אתר: OpenStax
    • שם הספר: ביולוגיה לקורסי AP®
    • תאריך פרסום: 8 במרץ 2018
    • מיקום: יוסטון, טקסס
    • כתובת אתר הספר: https://openstax.org/books/biology-ap-courses/pages/1-introduction
    • Section URL: https://openstax.org/books/biology-ap-courses/pages/7-5-metabolism-without-oxygen

    © 12 בינואר 2021 OpenStax. תוכן ספרי לימוד המיוצר על ידי OpenStax מורשה ברישיון Creative Commons Attribution 4.0. השם של OpenStax, הלוגו של OpenStax, כריכות הספרים של OpenStax, שם OpenXX CNX ולוגו של OpenStax CNX אינם כפופים לרישיון Creative Commons ואסור לשכפל אותם ללא הסכמה מראש ובכתב של אוניברסיטת רייס.


    7.5 Metabolism without Oxygen

    בסוף פרק זה תוכל לבצע את הפעולות הבאות:

    • Discuss the fundamental difference between anaerobic cellular respiration and fermentation
    • Describe the type of fermentation that readily occurs in animal cells and the conditions that initiate that fermentation

    In aerobic respiration, the final electron acceptor is an oxygen molecule, O2. If aerobic respiration occurs, then ATP will be produced using the energy of high-energy electrons carried by NADH or FADH2 to the electron transport chain. If aerobic respiration does not occur, NADH must be reoxidized to NAD + for reuse as an electron carrier for the glycolytic pathway to continue. How is this done? Some living systems use an organic molecule as the final electron acceptor. Processes that use an organic molecule to regenerate NAD + from NADH are collectively referred to as fermentation . In contrast, some living systems use an inorganic molecule as a final electron acceptor. Both methods are called anaerobic cellular respiration , in which organisms convert energy for their use in the absence of oxygen.

    Anaerobic Cellular Respiration

    Certain prokaryotes, including some species in the domains Bacteria and Archaea, use anaerobic respiration. For example, a group of archaeans called methanogens reduces carbon dioxide to methane to oxidize NADH. These microorganisms are found in soil and in the digestive tracts of ruminants, such as cows and sheep. Similarly, sulfate-reducing bacteria, most of which are anaerobic (Figure 7.13), reduce sulfate to hydrogen sulfide to regenerate NAD + from NADH.

    קישור ללמידה

    Visit this site to see anaerobic cellular respiration in action.

    Lactic Acid Fermentation

    The fermentation method used by animals and certain bacteria, such as those in yogurt, is lactic acid fermentation (Figure 7.14). This type of fermentation is used routinely in mammalian red blood cells, which do not have mitochondria, and in skeletal muscle that has an insufficient oxygen supply to allow aerobic respiration to continue (that is, in muscles used to the point of fatigue). In muscles, lactic acid accumulation must be removed by the blood circulation, and when the lactic acid loses a hydrogen, the resulting lactate is brought to the liver for further metabolism. The chemical reactions of lactic acid fermentation are the following:

    The enzyme used in this reaction is lactate dehydrogenase (LDH). The reaction can proceed in either direction, but the reaction from left to right is inhibited by acidic conditions. Such lactic acid accumulation was once believed to cause muscle stiffness, fatigue, and soreness, although more recent research disputes this hypothesis. Once the lactic acid has been removed from the muscle and circulated to the liver, it can be reconverted into pyruvic acid and further catabolized for energy.

    חיבור חזותי

    Tremetol, a metabolic poison found in the white snakeroot plant, prevents the metabolism of lactate. When cows eat this plant, tremetol is concentrated in the milk they produce. Humans who consume the milk can become seriously ill. Symptoms of this disease, which include vomiting, abdominal pain, and tremors, become worse after exercise. למה אתה חושב שזה המצב?

    תסיסה של אלכוהול

    Another familiar fermentation process is alcohol fermentation (Figure 7.15), which produces ethanol. The first chemical reaction of alcohol fermentation is the following (CO2 does not participate in the second reaction):

    The first reaction is catalyzed by pyruvate decarboxylase, a cytoplasmic enzyme, with a coenzyme of thiamine pyrophosphate (TPP, derived from vitamin B1 and also called thiamine). קבוצת קרבוקסיל מוסרת מחומצה פירובית, ומשחררת פחמן דו חמצני כגז. The loss of carbon dioxide reduces the size of the molecule by one carbon, producing acetaldehyde. התגובה השנייה מזורזת על ידי אלכוהול דהידרוגנאז לחמצון NADH ל- NAD + ולהפחית אצטאלדהיד לאתנול. תסיסה של חומצה פירובית על ידי שמרים מייצרת אתנול המצוי במשקאות אלכוהוליים. סובלנות האתנול לשמרים משתנה, ונע בין כ -5 אחוזים ל -21 אחוזים, תלוי בזן השמרים ובתנאי הסביבה.

    Other Types of Fermentation

    Other fermentation methods take place in bacteria. We should note that many prokaryotes are facultatively anaerobic. This means that they can switch between aerobic respiration and fermentation, depending on the availability of free oxygen. Certain prokaryotes, such as קלוסטרידיה, are obligate anaerobes. Obligate anaerobes live and grow in the absence of molecular oxygen. Oxygen is a poison to these microorganisms and kills them on exposure. We should also note that all forms of fermentation, except lactic acid fermentation, produce gas. The production of particular types of gas is used as an indicator of the fermentation of specific carbohydrates, which plays a role in the laboratory identification of the bacteria. Various methods of fermentation are used by assorted organisms to ensure an adequate supply of NAD + for the sixth step in glycolysis. Without these pathways, this step would not occur, and ATP could not be harvested from the breakdown of glucose.


    Other Types of Fermentation

    Other fermentation methods occur in bacteria. Many prokaryotes are facultatively anaerobic. This means that they can switch between aerobic respiration and fermentation, depending on the availability of oxygen. Certain prokaryotes, like קלוסטרידיה, are obligate anaerobes. Obligate anaerobes live and grow in the absence of molecular oxygen. Oxygen is a poison to these microorganisms and kills them on exposure. It should be noted that all forms of fermentation, except lactic acid fermentation, produce gas. The production of particular types of gas is used as an indicator of the fermentation of specific carbohydrates, which plays a role in the laboratory identification of the bacteria. Various methods of fermentation are used by assorted organisms to ensure an adequate supply of NAD + for the sixth step in glycolysis. Without these pathways, that step would not occur and no ATP would be harvested from the breakdown of glucose.


    ביולוגיה 171

    בסוף פרק זה תוכל לבצע את הפעולות הבאות:

    • Discuss the fundamental difference between anaerobic cellular respiration and fermentation
    • Describe the type of fermentation that readily occurs in animal cells and the conditions that initiate that fermentation

    In aerobic respiration, the final electron acceptor is an oxygen molecule, O2. If aerobic respiration occurs, then ATP will be produced using the energy of high-energy electrons carried by NADH or FADH2 to the electron transport chain. If aerobic respiration does not occur, NADH must be reoxidized to NAD + for reuse as an electron carrier for the glycolytic pathway to continue. How is this done? Some living systems use an organic molecule as the final electron acceptor. Processes that use an organic molecule to regenerate NAD + from NADH are collectively referred to as fermentation . In contrast, some living systems use an inorganic molecule as a final electron acceptor. Both methods are called anaerobic cellular respiration , in which organisms convert energy for their use in the absence of oxygen.

    Anaerobic Cellular Respiration

    Certain prokaryotes, including some species in the domains Bacteria and Archaea, use anaerobic respiration. For example, a group of archaeans called methanogens reduces carbon dioxide to methane to oxidize NADH. These microorganisms are found in soil and in the digestive tracts of ruminants, such as cows and sheep. Similarly, sulfate-reducing bacteria, most of which are anaerobic ((Figure)), reduce sulfate to hydrogen sulfide to regenerate NAD + from NADH.

    View Science – Yeast Experiment: Measuring Respiration in Yeast (video) to see anaerobic cellular respiration in action.

    Lactic Acid Fermentation

    The fermentation method used by animals and certain bacteria, such as those in yogurt, is lactic acid fermentation ((Figure)). This type of fermentation is used routinely in mammalian red blood cells, which do not have mitochondria, and in skeletal muscle that has an insufficient oxygen supply to allow aerobic respiration to continue (that is, in muscles used to the point of fatigue). In muscles, lactic acid accumulation must be removed by the blood circulation, and when the lactic acid loses a hydrogen, the resulting lactate is brought to the liver for further metabolism. The chemical reactions of lactic acid fermentation are the following:

    The enzyme used in this reaction is lactate dehydrogenase (LDH). The reaction can proceed in either direction, but the reaction from left to right is inhibited by acidic conditions. Such lactic acid accumulation was once believed to cause muscle stiffness, fatigue, and soreness, although more recent research disputes this hypothesis. Once the lactic acid has been removed from the muscle and circulated to the liver, it can be reconverted into pyruvic acid and further catabolized for energy.

    Tremetol, a metabolic poison found in the white snakeroot plant, prevents the metabolism of lactate. When cows eat this plant, tremetol is concentrated in the milk they produce. Humans who consume the milk can become seriously ill. Symptoms of this disease, which include vomiting, abdominal pain, and tremors, become worse after exercise. למה אתה חושב שזה המצב?

    תסיסה של אלכוהול

    Another familiar fermentation process is alcohol fermentation ((Figure)), which produces ethanol. The first chemical reaction of alcohol fermentation is the following (CO2 does not participate in the second reaction):

    The first reaction is catalyzed by pyruvate decarboxylase, a cytoplasmic enzyme, with a coenzyme of thiamine pyrophosphate (TPP, derived from vitamin B1 and also called thiamine). קבוצת קרבוקסיל מוסרת מחומצה פירובית, ומשחררת פחמן דו חמצני כגז. The loss of carbon dioxide reduces the size of the molecule by one carbon, producing acetaldehyde. התגובה השנייה מזורזת על ידי אלכוהול דהידרוגנאז לחמצון NADH ל- NAD + ולהפחית אצטאלדהיד לאתנול. תסיסה של חומצה פירובית על ידי שמרים מייצרת אתנול המצוי במשקאות אלכוהוליים. סובלנות האתנול לשמרים משתנה, ונע בין כ -5 אחוזים ל -21 אחוזים, תלוי בזן השמרים ובתנאי הסביבה.

    Other Types of Fermentation

    Other fermentation methods take place in bacteria. We should note that many prokaryotes are facultatively anaerobic. This means that they can switch between aerobic respiration and fermentation, depending on the availability of free oxygen. Certain prokaryotes, such as קלוסטרידיה, are obligate anaerobes. Obligate anaerobes live and grow in the absence of molecular oxygen. Oxygen is a poison to these microorganisms and kills them on exposure. We should also note that all forms of fermentation, except lactic acid fermentation, produce gas. The production of particular types of gas is used as an indicator of the fermentation of specific carbohydrates, which plays a role in the laboratory identification of the bacteria. Various methods of fermentation are used by assorted organisms to ensure an adequate supply of NAD + for the sixth step in glycolysis. Without these pathways, this step would not occur, and ATP could not be harvested from the breakdown of glucose.

    סיכום סעיף

    If NADH cannot be oxidized through aerobic respiration, another electron acceptor is used. Most organisms will use some form of fermentation to accomplish the regeneration of NAD + , ensuring the continuation of glycolysis. The regeneration of NAD + in fermentation is not accompanied by ATP production therefore, the potential of NADH to produce ATP using an electron transport chain is not utilized.

    חיבורי אמנות

    ((Figure)) Tremetol, a metabolic poison found in the white snake root plant, prevents the metabolism of lactate. When cows eat this plant, tremetol is concentrated in the milk they produce. Humans who consume the milk can become seriously ill. Symptoms of this disease, which include vomiting, abdominal pain, and tremors, become worse after exercise. למה אתה חושב שזה המצב?

    (Figure) The illness is caused by lactate accumulation. Lactate levels rise after exercise, making the symptoms worse. Milk sickness is rare today but was common in the midwestern United States in the early 1800s.

    תגובה חופשית

    What is the primary difference between fermentation and anaerobic respiration?

    Fermentation uses glycolysis only. Anaerobic respiration uses all three parts of cellular respiration, including the parts in the mitochondria like the citric acid cycle and electron transport it also uses a different final electron acceptor instead of oxygen gas.

    מילון מונחים


    7.5A: Anaerobic Cellular Respiration - Biology

    S4. C1.PO(1,3,4) C5.PO(1-2) S1.C3.PO(3)

    Cellular Respiration:
    the release of chemical energy for cellular use.


    What is the chemical formula for glucose?

    ג6ח12או6 + 6O2 6CO2 + 6H2או

    גלוקוז stores the sun's energy in chemical form.
    Adenosine triphosphate - ATP the molecule organisms can actually use for energy.
    נשימה the breaking down of pyruvic acid using molecular oxygen.
    גליקוליזה

    At this point, there are three possibilities:

  • Aerobic respiration -
    1. ה Krebs Cycle, also known as the Citric Acid Cycle , produces 2 ATP molecules, 10 carrier molecules, and CO2 from each glucose molecule.
    2. ה Electron Transport Chain then produces 34 ATP molecules and H2O from the carrier molecules.

    • Aerobic respiration (with oxygen) can produce 36 to 38 ATP molecules from each glucose molecule.
    • Anaerobic respiration (without oxygen) only allows glycolysis to continue which produces 2 ATP molecules from each glucose molecule.
    • Therefore, aerobic respiration is some 19 times as efficient as anaerobic respiration.
    1. Study this website about ATP. Write a paragraph explaining why the three phosphate groups in an ATP molecule are the key to ATP being used for cellular energy.
    2. Write a paragraph explaining what happens when lactic acid builds up in muscles?
    3. How many carbon atoms are in a molecule of pyruvic acid?
    4. What does the term "anaerobic" mean?
    5. What does the term "aerobic" mean?
    6. How many ATP are produced during Glycolysis?
    7. How many ATP are produced during the Krebs Cycle?
    8. How many ATP are produced in the electron transport chain located in the Mitochondria?
    9. How many ATP are produced during Aerobic respiration?
    10. How many ATP are produced during Anaerobic respiration?
    11. Draw a diagram showing the process of cellular respiration in a cell (identify locations & label all parts).
    12. In your words discuss why cellular respiration is so important to living organisms.
    1. Review concept 1 and complete the review (A - H) listing your answer here.
    2. Review concept 2 glycolysis and complete practice 2, listing the 8 output molecules (1-8) in order from start to finish.
    3. Review concept 3 Krebs cycle and complete practice 3.
      1. How many ATP molecules does the Krebs cycle produce in one cycle?
      2. How many CO2 molecules does the Krebs cycle produce in one cycle?
      3. How many electron carrier molecules does the Krebs cycle produce in one cycle?
      4. Where will all of the electron carrier molecules take their electrons?
      1. List all of the items that you must use in order to complete the ETC and chemeosmosis for the blue electron carrier NADH (only do NADN).
      2. Give a short description of what each item does.
      3. Example number one would be: NADN donates electron to the complex one protein
      4. Do this for the remaining 5 steps.
      1. Only complete A, B, C, F

      Part 3 : Honors biology online text book

      1. Complete this assignment using the Honors biology online text book, chapter 6, on, how cells harvest energy.

        - Web MD - University of Minnesota - Carroll College - Carroll College - University of Arizona - sclinks from NSTA - The Biology Corner
    4. Cellular respiration animations - North Harris college biology dept.
    5. Oxidative phosphorylation animation - Wiley publishing
    6. The chemical formula for a glucose molecule is C6ח12או6