Informatie

Hoe worden elektronen die de elektronentransportketen binnenkomen bij cellulaire ademhaling geactiveerd (opgewonden)?


Bij fotosynthese worden elektronen geëxciteerd door lichtenergie van de zon (gefotoactiveerd).

Hoe raken ze opgewonden in de menselijke cellulaire ademhaling?

Ik geloof dat het iets te maken heeft met NADH en FADH2.


Het kan nuttig zijn om te beginnen met een citaat uit de Inleiding tot Ch. 9 van Berg et al. Biochemie (6e) die de vraag beantwoordt, min of meer zoals gevraagd. Ik kan geen link naar de pagina's in de 5e online vinden, dus ik zal het uit mijn tekst transcriberen:

“Een belangrijk verschil tussen oxidatieve fosforylering en fotofosforylering is de bron van de hoogenergetische elektronen. Bij oxidatieve fosforylering zijn deze elektronen afkomstig van de oxidatie van koolstofbrandstoffen tot koolstofdioxide. Bij fotosynthese worden deze elektronen door de energie van fotonen tot een hoger energieniveau aangeslagen.”

Het is belangrijk om na te denken over een van de manieren waarop de aangeslagen elektronen worden gebruikt bij fotosynthese. Om te citeren uit eerder in de inleiding:

“In wezen wordt licht gebruikt om reductiepotentieel te creëren.”

Wat dit chemisch betekent, is dat bij fotosynthese de elektronen voldoende energie hebben om NAD . te verminderen+ naar NADPH. Bij de biosynthetische (donker)reacties van fotosynthese kan de NADPH worden gebruikt om koolstofdioxide te reduceren tot suikers waaruit glucose kan worden geproduceerd.

Glucose is dus een gereduceerde verbinding en kan worden beschouwd als de 'belichaamde' van de geëxciteerde elektronen, omdat de oxidatie ervan tot koolstofdioxide NADH genereert (van NAD+). Vandaar:

Er is geen extra excitatie van elektronen nodig - dat gebeurde oorspronkelijk bij fotosynthese.


Hoe worden elektronen die de elektronentransportketen binnenkomen in cellulaire ademhaling geactiveerd (opgewonden)? - Biologie

Stel je voor dat je een cel bent. Je hebt zojuist een grote, sappige glucosemolecuul gekregen en je wilt graag een deel van de energie in deze glucosemolecuul omzetten in een meer bruikbare vorm, een vorm die je kunt gebruiken om je stofwisselingsreacties te stimuleren. Hoe kun je hier mee om gaan? Wat is voor jou de beste manier om zoveel mogelijk energie uit dat glucosemolecuul te persen, en deze energie in een handige vorm vast te leggen?

Gelukkig voor ons zijn onze cellen - en die van andere levende organismen - uitstekend in het oogsten van energie uit glucose en andere organische moleculen, zoals vetten en aminozuren). Hier zullen we een snel overzicht geven van hoe cellen brandstoffen afbreken en vervolgens kijken naar de elektronenoverdrachtsreacties (redoxreacties) die essentieel zijn voor dit proces.


Biologie 190 Hoofdstuk 10 Antwoorden

CO2 en ATP.
H2O en NADPH.
suiker en O2.
ATP en NADPH.
licht energie.

Welke van de volgende reeksen geeft correct de stroom van elektronen tijdens fotosynthese weer?

NADPH → elektronentransportketen → O2
NADPH → O2 → CO2
H2O → NADPH → Calvin-cyclus
NADPH → chlorofyl → Calvin-cyclus
H2O → fotosysteem I → fotosysteem II

Hoe is fotosynthese vergelijkbaar in C4-planten en CAM-planten?

Beide soorten planten maken het grootste deel van hun suiker in het donker.
In beide gevallen wordt alleen fotosysteem I gebruikt.
In beide gevallen zijn thylakoïden niet betrokken bij fotosynthese.
Beide soorten planten maken suiker zonder de Calvincyclus.
In beide gevallen wordt rubisco in eerste instantie niet gebruikt om koolstof te fixeren.

Welke van de volgende uitspraken is een correct onderscheid tussen autotrofen en heterotrofen?

Alleen heterotrofen hebben zuurstof nodig.
Cellulaire ademhaling is uniek voor heterotrofen.
Autotrofen, maar geen heterotrofen, kunnen zichzelf voeden, te beginnen met CO2 en andere nutriënten die anorganisch zijn.
Alleen heterotrofen hebben chemische verbindingen uit de omgeving nodig.
Alleen heterotrofen hebben mitochondriën.

Welke van de volgende komt niet voor tijdens de Calvincyclus?

verbruik van ATP
Koolstoffixatie
oxidatie van NADPH
regeneratie van de CO2-acceptor
vrijkomen van zuurstof

In mechanisme lijkt fotofosforylering het meest op:

de Calvincyclus.
fosforylering op substraatniveau bij glycolyse.
Koolstoffixatie.
vermindering van NADP+.
oxidatieve fosforylering bij cellulaire ademhaling.

Welk proces wordt het meest direct aangedreven door lichtenergie?

ATP-synthese
koolstoffixatie in het stroma
reductie van NADP+-moleculen
verwijdering van elektronen uit chlorofylmoleculen
creëren van een pH-gradiënt door protonen over het thylakoïde membraan te pompen

Bij fotosynthese gebruiken planten koolstof van __________ om suiker en andere organische moleculen te maken. (eText-overzicht)

water
kooldioxide
chlorofyl
de zon
bodem

Welke van de volgende groepen organismen bevat alleen heterotrofen? (eText-overzicht)

bacteriën
protisten
schimmels
Alle genoemde antwoorden zijn correct.
Geen van de vermelde antwoorden is correct.

Hoe komt koolstofdioxide in het blad? (eText-concept 10.1)

door de chloroplasten
door de wortels
door de thylakoïden
door de huidmondjes
door het vasculaire systeem

In een rozenstruik bevindt chlorofyl zich in __________. (eText-concept 10.1)

chloroplasten, die zich in mesofylcellen in de thylakoïden van een blad bevinden;
mesofylcellen, gevonden in de thylakoïden van de chloroplasten van een blad
thylakoïden, die zich in mesofylcellen in de chloroplasten van een blad bevinden;
chloroplasten, die zich in thylakoïden in de mesofylcellen van een blad bevinden;
thylakoïden, die zich in chloroplasten in de mesofylcellen van een blad bevinden;

In welk deel van de chloroplast bevinden zich chlorofylmoleculen? (eText-concept 10.1)

thylakoïde membranen
stroma
huidmondjes
plasma membraan
thylakoïde lumen

De bron van de zuurstof geproduceerd door fotosynthese is geïdentificeerd door experimenten met radioactieve tracers. De zuurstof komt van __________. (eText-concept 10.1)

kooldioxide
glucose
radio-isotopen
water
licht

Wat is bij fotosynthese het lot van de zuurstofatomen die aanwezig zijn in CO2? Ze eindigen __________. (eText-concept 10.1)

als moleculaire zuurstof
in suikermoleculen
in water
als moleculaire zuurstof en in suikermoleculen
in suikermoleculen en in water

Open hint voor vraag 8 in een nieuw venster Moleculaire zuurstof wordt geproduceerd tijdens __________. (eText-concept 10.1)

glycolyse
lineaire elektronenstroom tijdens de lichtreacties
de Calvin-cyclus
cyclische elektronenstroom tijdens de lichtreacties
heractivering van elektronen door PSI

Open Hint bij vraag 9 in een nieuw venster De reacties van de Calvincyclus zijn NIET direct afhankelijk van licht, maar vinden meestal NIET 's nachts plaats. Waarom? (eText-concept 10.1)

Het is 's nachts vaak te koud om deze reacties te laten plaatsvinden.
De kooldioxideconcentraties nemen 's nachts af.
De Calvin-cyclus vereist producten die alleen worden geproduceerd wanneer de fotosystemen verlicht zijn.
Planten openen hun huidmondjes meestal 's nachts.
's Nachts is er geen water beschikbaar voor de Calvincyclus.

De Calvincyclus vindt plaats in de __________. (eText-concept 10.1)

thylakoïde membraan
thylakoïde lumen
stroma
huidmondjes
Matrix

Wat is de rol van NADP+ bij fotosynthese? (eText-concept 10.1)

Het helpt bij het produceren van ATP uit de lichtreacties.
Het absorbeert lichtenergie.
Het maakt deel uit van fotosysteem II.
Het is de primaire elektronenacceptor.
Het vormt NADPH voor gebruik in de Calvin-cyclus.

Een foton van welke van deze kleuren zou de meeste energie dragen? (eText-concept 10.2)

groente
geel
blauw
Oranje
rood

Wat is het bereik van de golflengten van licht die worden geabsorbeerd door de pigmenten in de thylakoïde membranen? (eText-concept 10.2)

groen, daarom zijn planten groen
blauwviolet en roodoranje
het hele spectrum van wit licht
het infrarood
het bereik dat door carotenoïden wordt geabsorbeerd

De belangrijkste rol van pigmenten bij fotosynthese is om __________. (eText-concept 10.2)

lichtenergie opvangen
scherm schadelijke ultraviolette stralen af
energie opslaan
katalyseren de hydrolyse van water
katalyseren de synthese van ATP

Op basis van het werk van Engelmann wordt een grafiek van fotosynthetische activiteit versus golflengte van licht __________ genoemd. (eText-concept 10.2)

een effectief spectrum
een absorptiespectrum
een elektromagnetisch spectrum
een zichtbaar lichtspectrum
een actiespectrum

Wanneer chloroplastpigmenten licht absorberen, __________. (eText-concept 10.2)

de pigmenten worden verminderd
de pigmenten verliezen potentiële energie
de elektronen van de pigmenten worden opgewonden
de Calvincyclus wordt geactiveerd
de fotonen van de pigmenten worden opgewonden

Welke structuur wordt gevormd door het reactiecentrum, lichtoogstcomplexen en primaire elektronenacceptoren die clusteren, en bevindt zich in het thylakoïdemembraan? (eText-concept 10.2)

het fluorescentiecentrum
het fotosysteem
de elektronentransportketen
NADP+-reductase
ATP-synthase

Waar komen de elektronen vandaan die fotosysteem II binnenkomen? (eText-concept 10.2)

chlorofylmoleculen in het antennecomplex
ATP
de elektronentransportketen
licht
water

Tijdens fotosynthese in chloroplasten wordt O2 geproduceerd uit __________ via een reeks reacties geassocieerd met __________. (eText-concept 10.2)

CO2 … fotosysteem II
H2O … fotosysteem II
CO2 … de Calvincyclus
H2O … fotosysteem I
CO2 … zowel fotosysteem I als de Calvincyclus

Welke van de volgende wordt gecycleerd in de cyclische variatie van de lichtreacties? (eText-concept 10.2)

elektronen
ATP
NADPH
ribulose bisfosfaat
protonen


Pyruvaatoxidatie

Als er zuurstof beschikbaar is, gaat de aerobe ademhaling vooruit. In eukaryote cellen worden de pyruvaatmoleculen die aan het einde van de glycolyse worden geproduceerd, getransporteerd naar de mitochondriën, de plaatsen van cellulaire ademhaling. Daar zal pyruvaat worden omgezet in een acetylgroep die zal worden opgenomen en geactiveerd door een dragerverbinding die co-enzym A (CoA) wordt genoemd. De resulterende verbinding heet acetyl COA. CoA wordt gemaakt van vitamine B5, pantotheenzuur. Acetyl CoA kan op verschillende manieren door de cel worden gebruikt, maar de belangrijkste functie ervan is om de acetylgroep afgeleid van pyruvaat naar de volgende fase van de route in glucosekatabolisme te brengen.

Afbraak van pyruvaat

Om ervoor te zorgen dat pyruvaat (het product van glycolyse) de citroenzuurcyclus (de volgende route in cellulaire ademhaling) binnengaat, moet het verschillende veranderingen ondergaan. De conversie is een proces in drie stappen (Figuur 5).

Figuur 5. Bij binnenkomst in de mitochondriale matrix zet een multi-enzymcomplex pyruvaat om in acetyl CoA. Daarbij komt kooldioxide vrij en wordt één molecuul NADH gevormd.

Stap 1. Een carboxylgroep wordt verwijderd uit pyruvaat, waarbij een molecuul koolstofdioxide vrijkomt in het omringende medium. Het resultaat van deze stap is een twee-koolstof hydroxyethylgroep gebonden aan het enzym (pyruvaatdehydrogenase). Dit is de eerste van de zes koolstoffen van het oorspronkelijke glucosemolecuul dat wordt verwijderd. Deze stap gaat twee keer door (onthoud: er zijn twee pyruvaatmoleculen geproduceerd aan het einde van de glycolyse) voor elk glucosemolecuul dat wordt gemetaboliseerd, zullen twee van de zes koolstofatomen aan het einde van beide stappen zijn verwijderd.

Stap 2. NAD+ wordt gereduceerd tot NADH. De hydroxyethylgroep wordt geoxideerd tot een acetylgroep en de elektronen worden opgenomen door NAD+, waardoor NADH wordt gevormd. De hoogenergetische elektronen van NADH zullen later worden gebruikt om ATP te genereren.

Stap 3. Een acetylgroep wordt overgebracht naar conenzym A, wat resulteert in acetyl CoA. De enzymgebonden acetylgroep wordt overgebracht naar CoA, waardoor een molecuul acetyl-CoA wordt geproduceerd.

Merk op dat tijdens de tweede fase van het glucosemetabolisme, wanneer een koolstofatoom wordt verwijderd, het wordt gebonden aan twee zuurstofatomen, waarbij koolstofdioxide wordt geproduceerd, een van de belangrijkste eindproducten van cellulaire ademhaling.

Acetyl CoA naar CO2

In aanwezigheid van zuurstof levert acetyl CoA zijn acetylgroep af aan een vier-koolstofmolecuul, oxaalacetaat, om citraat te vormen, een zes-koolstofmolecuul met drie carboxylgroepen. Deze route zal de rest van de extraheerbare energie oogsten van wat begon als een glucose molecuul. Dit enkele pad wordt met verschillende namen genoemd, maar we zullen het in de eerste plaats de . noemen Citroenzuur cyclus.

Samengevat: Pyruvaatoxidatie

In aanwezigheid van zuurstof wordt pyruvaat omgezet in een acetylgroep die is gehecht aan een dragermolecuul van co-enzym A. Het resulterende acetyl-CoA kan verschillende routes binnengaan, maar meestal wordt de acetylgroep afgegeven aan de citroenzuurcyclus voor verder katabolisme. Tijdens de omzetting van pyruvaat in de acetylgroep worden een molecuul koolstofdioxide en twee hoogenergetische elektronen verwijderd. Het kooldioxide is verantwoordelijk voor twee (omzetting van twee pyruvaatmoleculen) van de zes koolstofatomen van het oorspronkelijke glucosemolecuul. De elektronen worden opgepikt door NAD+ en de NADH voert de elektronen naar een later pad voor ATP-productie. Op dit punt is het glucosemolecuul dat oorspronkelijk de cellulaire ademhaling binnenging volledig geoxideerd. Chemische potentiële energie opgeslagen in het glucosemolecuul is overgebracht naar elektronendragers of is gebruikt om enkele ATP's te synthetiseren.


Cellulaire ademhaling

Cellulaire ademhaling in aanwezigheid van zuurstof (aërobe ademhaling) is het proces waarbij energierijke organische substraten worden afgebroken tot kooldioxide en water, met het vrijkomen van een aanzienlijke hoeveelheid energie in de vorm van adenosine trifosfaat (ATP). anaëroob ademhaling breekt glucose af in afwezigheid van zuurstof en produceert pyruvaat, dat vervolgens wordt gereduceerd tot lactaat of tot ethanol en co2. Bij anaërobe ademhaling komt slechts een kleine hoeveelheid energie (in de vorm van ATP) vrij uit de glucose molecuul.

Ademhaling vindt plaats in drie fasen. De eerste fase is glycolyse, een reeks enzym-gecontroleerde reacties die glucose (een molecuul met 6 koolstofatomen) afbreekt tot pyruvaat (een molecuul met 3 koolstofatomen) dat verder wordt geoxideerd tot acetylco-enzym A (acetyl CoA). Aminozuren en vetzuren kan ook worden geoxideerd tot acetyl CoA en glucose.

In de tweede fase komt acetyl CoA de binnen citroenzuur (Krebs) cyclus, waar het wordt afgebroken tot energierijk waterstof atomen die de geoxideerde vorm van het co-enzym nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ) tot NADH en reduceer het co-enzym flavine-adenine-dinucleotide (FAD) tot FADH2. (Reductie is de toevoeging van elektronen aan een molecuul, of de toename van waterstofatomen, terwijl oxidatie het verlies van elektronen of de toevoeging van zuurstof aan een molecuul is.) Ook in de tweede fase van cellulaire ademhaling, de koolstof atomen van de intermediaire stofwisselingsproducten in de citroenzuurcyclus worden omgezet in koolstofdioxide.

De derde fase van cellulaire ademhaling vindt plaats wanneer de energierijke waterstof atomen zijn gescheiden in protonen [H + ] en energierijke elektronen in de elektron transport keten. Aan het begin van de elektronentransportketen wordt de energierijke waterstof op NADH verwijderd uit NADH, waardoor het geoxideerde co-enzym NAD wordt geproduceerd. + en een proton (H+) en twee elektronen (e-). De elektronen worden overgedragen langs een keten van meer dan 15 verschillende elektronendragermoleculen (bekend als de elektronentransportketen). Deze eiwitten zijn gegroepeerd in drie grote respiratoire enzym complexen, die elk eiwitten bevatten die de mitochondriale overspannen membraan, waardoor de complexen in het binnenmembraan worden vastgezet. Bovendien heeft elk complex in de keten een grotere affiniteit voor elektronen dan het complex ervoor. Deze toenemende affiniteit drijft de elektronen door de keten totdat ze helemaal naar het einde worden overgebracht waar ze het zuurstofmolecuul ontmoeten, dat de grootste affiniteit heeft voor de elektronen. De zuurstof wordt dus gereduceerd tot H2O in aanwezigheid van waterstofionen (protonen), die oorspronkelijk werden verkregen uit voedingsmoleculen door middel van oxidatie.

Tijdens elektronentransport wordt veel van de energie die door de elektronen wordt vertegenwoordigd, behouden tijdens een proces dat oxidatieve fosforylering wordt genoemd. Dit proces gebruikt de energie van de elektronen om te fosforyleren (een fosfaatgroep toevoegen) adenosinedifosfaat (ADP), om het energierijke molecuul ATP te vormen.

Oxidatieve fosforylering wordt aangedreven door de energie die vrijkomt door de elektronen wanneer ze van de waterstofatomen van de co-enzymen door de ademhalingsketen in het binnenmembraan van het mitochondrion gaan. Deze energie wordt gebruikt om protonen (H + ) over het binnenmembraan van de matrix naar het tussenproduct ruimte. Dit zet een concentratie gradiënt waarlangs stoffen van hoge naar lage concentratie stromen, terwijl een gelijktijdige stroom van OH - stroomt in tegengestelde richting over het membraan. De gelijktijdige tegengestelde stroom van positieve en negatief ionen over het mitochondriale membraan zetten een elektrochemische protongradiënt op. De stroom van protonen langs deze gradiënt drijft een membraangebonden enzym aan, ATP-synthetase, dat de fosforylering van ADP naar ATP katalyseert.

Deze zeer efficiënte, energiebesparende reeks reacties zou niet mogelijk zijn in eukaryote cellen zonder de organellen die mitochondriën worden genoemd. Mitochondriën zijn de "krachtcentrales" van de eukaryote cellen en worden begrensd door twee membranen, die twee afzonderlijke compartimenten creëren: een interne ruimte en een smalle intermembraanruimte. De enzymen van de matrix omvatten de enzymen die de omzetting van pyruvaat en vetzuren in acetyl-CoA katalyseren, evenals de enzymen van de Krebs-cyclus. De enzymen van de ademhalingsketen zijn ingebed in het binnenste mitochondriale membraan, de plaats van oxidatieve fosforylering en de productie van ATP.

Bij afwezigheid van mitochondriën, dier cellen zouden worden beperkt tot glycolyse voor hun energiebehoeften, waardoor slechts een klein deel van de energie die mogelijk beschikbaar is uit de glucose vrijkomt.

De reacties van glycolyse vereisen de invoer van twee ATP-moleculen en produceren vier ATP-moleculen voor een nettowinst van slechts twee moleculen per glucosemolecuul. Deze ATP-moleculen worden gevormd wanneer fosfaatgroepen worden verwijderd uit gefosforyleerde tussenproducten van glycolyse en worden overgebracht naar ADP, een proces dat fosforylering op substraatniveau wordt genoemd (synthese van ATP door directe overdracht van een hoogenergetische fosfaatgroep van een molecuul in een metabolische route naar ADP ).

Daarentegen produceren mitochondriën die van zuurstof worden voorzien, ongeveer 36 moleculen ATP voor elk geoxideerd glucosemolecuul. Prokaryote cellen, zoals bacteriën, missen zowel mitochondriën als kernmembranen. Vetzuren en aminozuren worden, wanneer ze naar de mitochondriën worden getransporteerd, afgebroken tot de twee-koolstofacetylgroep op acetyl CoA, die vervolgens de Krebs-cyclus binnengaat. Bij dieren slaat het lichaam vetzuren op in de vorm van vetten en glucose in de vorm van glycogeen om te zorgen voor een constante toevoer van deze voedingsstoffen voor ademhaling.

Hoewel de Krebs-cyclus een integraal onderdeel is van aerobic metabolisme, de productie van NADH en FADH 2 is niet afhankelijk van zuurstof. In plaats daarvan wordt zuurstof aan het einde van de elektronentransportketen gebruikt om te combineren met elektronen die zijn verwijderd uit NADH en FADH2 en met waterstofionen in het cytosol om water te produceren.

Hoewel de productie van water nodig is om het proces van de elektronentransportketen in beweging, is de energie die wordt gebruikt om ATP te maken afgeleid van een ander proces dat chemiosmosis wordt genoemd.

Chemiosmosis is een mechanisme dat de protongradiënt over het membraan gebruikt om ATP te genereren en wordt geïnitieerd door de activiteit van de elektronentransportketen. Chemiosmosis vertegenwoordigt een verband tussen de chemische en osmotische processen in het mitochondrion die optreden tijdens de ademhaling.

De elektronen die door de ademhalingsketen op het binnenmembraan van het mitochondrion worden getransporteerd, geven energie vrij die wordt gebruikt om protonen te pompen (H + ) over het binnenmembraan van de mitochondriale matrix naar de intermembrane ruimte. De resulterende gradiënt van protonen over het mitochondriale binnenmembraan creëert een terugstroom van protonen terug over het membraan. Deze stroom van elektronen over het membraan, zoals een waterval die wordt gebruikt om een ​​elektrische turbine, stuurt een membraangebonden enzym aan, ATP-synthetase. Dit enzym katalyseert de fosforylering van ADP tot ATP, wat het deel van de cellulaire ademhaling dat oxidatieve fosforylering wordt genoemd, voltooit. De protonen neutraliseren op hun beurt de negatieve ladingen die worden gecreëerd door de toevoeging van elektronen aan zuurstofmoleculen, met de resulterende productie van water.

Cellulaire ademhaling produceert drie moleculen ATP per elektronenpaar in NADH, terwijl het elektronenpaar in FADH2 twee moleculen ATP genereren. Dit betekent dat 12 ATP-moleculen worden gevormd voor elk acetyl-CoA-molecuul dat de Krebs-cyclus binnengaat en aangezien twee acetyl-CoA-moleculen worden gevormd uit elk glucosemolecuul, worden in totaal 24 ATP-moleculen geproduceerd uit elk molecuul van deze suiker. Wanneer toegevoegd aan de energie die is behouden door de reacties die plaatsvinden voordat acetyl CoA wordt gevormd, geeft de volledige oxidatie van een glucosemolecuul een netto-opbrengst van ongeveer 36 ATP-moleculen. Wanneer vetten worden verbrand, in plaats van glucose, is de totale opbrengst van één molecuul palmitaat, een vet met 16 koolstofatomen, 129 ATP.


Aërobe ademhaling

Cellulaire ademhaling. De linkerkant is glycolyse (anaëroob). De rechterkant is wat er gebeurt in de aanwezigheid van zuurstof in eukaryoten. De aërobe reacties vinden plaats in de mitochondriën nadat ze Acetyl-CoA-moleculen uit de cytoplasmatische voorbereidende reactie hebben gekregen. Krediet: RegisFrey (CC-BY-SA 3.0)

Close-up van de Elektronen transportketen (ETC) die plaatsvindt op het binnenmembraan van mitochondriën. Dit is waar zuurstof wordt gebruikt als de laatste elektronenacceptor. Reductie van 1/2 O2 resulteert in de vorming van een watermolecuul ( chemomose ). Krediet: Jeremy Seto (CC-BY-NC-SA 3.0)


Anaërobe ademhaling

  • Bij anaërobe ademhaling functioneert nitraat, sulfaat en Co2 als een laatste elektronenacceptor in ATC.
  • Anaërobe ademhaling produceert minder energie of ATP in vergelijking met aerobe ademhaling.
  • De aerobe ademhaling wordt uitgevoerd door enkele bacteriën, archaea en enkele eukaryote microben.
  • Paracoccus denitrificans voert zowel anaërobe ademhaling uit in aanwezigheid van O2 als anaërobe ademhaling in afwezigheid van O2.
  • De anaërobe ademhaling voerde verschillende enzymen uit, zoals nitraatreductase (Nar), nitrietreductase (Nir), stikstofoxidereductase (Nor) en lachgasreductase (Nos) voor de vorming van gasvormig stikstof uit nitraat.
  • Nitriet wordt gereduceerd tot stikstofmonoxide (NO) door het periplasmatische enzym nitrietreductase. Stikstofmonoxidereductase katalyseert de vorming van lachgas (N20) uit NO. Het maakt deel uit van het membraangebonden cytochroom b-complex. Ten slotte katalyseert het periplasmatische enzym lachgasreductase de vorming van N2 uit N20.

Waarom is de energieopbrengst of ATP-opbrengst bij anaërobe ademhaling laag?

De laatste elektronenacceptor van anaërobe ademhaling is nitraat, dat een laag positief reductiepotentieel heeft in vergelijking met zuurstof (elektronenacceptor van aërobe ademhaling). Het verschil in standaard reductiepotentieel van NADH en nitraat is lager dan het verschil in reductiepotentieel tussen NADH en O2.

Daarom is de energieopbrengst van anaërobe ademhaling laag, omdat de energieopbrengst direct gerelateerd is aan de grootte van het reductiepotentiaalverschil.


6.1: Fotosynthese

  • Bijgedragen door EV Wongo
  • Axolotl Academica Publishing (Biologie) bij Axolotl Academica Publishing

Op de een of andere manier wordt de energie van suiker- en vetbrandstofmoleculen afgeleid van fotosynthese - de omzetting van zonnelichtenergie in chemische bindingsenergie, hetzij direct in fotosynthetische plantencellen en bepaalde fotosynthetische bacteriën, of indirect door de inname van die planten en bacteriën. Fotosynthese is een eenvoudig idee: atmosferische kooldioxidemoleculen worden samengevoegd met watermoleculen om suikers en zuurstof te vormen:

De productie van bruikbare energie uit zonlicht en de fixatie van atmosferisch koolstofdioxide zijn twee afzonderlijke reeksen reacties. In planten vindt fotosynthese alleen plaats in cellen die chloroplasten bevatten. Chloroplasten zijn organellen met een evolutionaire oorsprong waarvan wordt vermoed dat ze vergelijkbaar zijn met die van mitochondriën, en net als mitochondriën genereren chloroplasten ATP en gebruiken ze een op nicotinamide gebaseerde hoogenergetische elektronendrager. Er zijn nog meer overeenkomsten: ze hebben allebei sterk gevouwen binnenmembranen, hoewel er in chloroplasten in totaal drie membranen zijn, terwijl mitochondriën er maar twee hebben. Ten slotte is een elektronentransportketen ingebed in het thylakoïde membraan van chloroplasten, die op dezelfde manier werkt als elektronentransport in de mitochondriën. Naast de elektronentransportcomponenten en ATP-synthase (structureel en functioneel bijna identiek aan mitochondriaal ATP-synthase), is het thylakoïde membraan ook rijk aan een reeks moleculen die niet worden gevonden in het binnenste mitochondriale membraan: lichtabsorberende pigmentmoleculen.

In planten vallen deze pigmentmoleculen in twee klassen: de chlorofylen en de carotenoïden (Figuur (PageIndex<1>)), maar alleen de chlorofylen kunnen fotosynthese bemiddelen. Fotosynthetische bacteriën bevatten geen chlorofyl, maar hebben wel carotenoïde pigmenten die fotosynthese kunnen uitvoeren. Beide zijn hydrofobe koolwaterstoffen die door transmembraaneiwitten op hun plaats worden gehouden in het vlak van het membraan. Chlorofylen zijn gemakkelijk te herkennen aan de zeer grote Mg2+-bevattende porfyrinering, terwijl de carotenoïden lange koolwaterstofketens zijn die al dan niet kleine ringstructuren aan de uiteinden hebben (bijv. &bèta-caroteen). Hoewel er variatie is in de chlorofylfamilie, geven ze allemaal een groene kleur aan het blad. Carotenoïden hebben daarentegen een veel breder scala aan kleuren, van geel tot rood. Zowel chlorofylen als carotenoïden zijn in staat om lichtenergie van een bepaalde golflengte/energiebereik te absorberen en in een onstabiele aangeslagen toestand te komen. Wanneer het molecuul terugkeert naar zijn grondtoestand, zou de energie in een geïsoleerde situatie worden uitgestraald als warmte of licht. Binnen de context van de pigmentarrays (antennecomplex) in een levende cel wordt het grootste deel van de energie echter door resonantieoverdracht naar een ander pigmentmolecuul met lagere energie gependeld. Zoals hieronder wordt beschreven, zal slechts één paar chlorofylmoleculen in een antennecomplex daadwerkelijk een elektron uitstoten als het van een aangeslagen toestand terugvalt naar de grondtoestand. Het is de overdracht van dat hoogenergetische elektron dat de fotosynthese aandrijft.

Afbeelding (PageIndex<1>). Chlorofyl (boven) en &beta-caroteen (onder)

Chlorofylmoleculen bestaan ​​uit een fytolkoolwaterstofstaart die het molecuul in een membraan verankert, en een elektronendragende porfyrinering die een magnesiumkation bevat. Merk op dat de fytolstaart niet op schaal is getekend met de porfyrinering in figuur (PageIndex<1>). Onder verschillende soorten chlorofyl kunnen de chemische groepen die aan de ring zijn bevestigd variëren, en deze variatie is verantwoordelijk voor verschillen in het absorptiespectrum van het ene type chlorofyl tot het andere. Zo heeft chlorofyl a absorptiepieken bij ongeveer 430 en 662 nm, terwijl chlorofyl b pieken heeft bij 453 en 642 nm. Het verschil tussen de twee is klein: bij C7 is er een &mdashCH3 groep op chlorofyl a, maar een &mdashCHO groep op chlorofyl b. Momenteel zijn er vijf bekende chlorofylen: chlorofyl a wordt gevonden in alle fotosynthetische organismen, chlorofyl b wordt alleen gevonden in planten, chlorofylen c1 en c2 worden gevonden in fotosynthetische algen en chlorofyl d wordt gevonden in cyanobacteriën.

Carotenoïden hebben twee functies. Zoals opgemerkt in de primaire tekst links, kunnen ze deelnemen aan energieoverdracht naar de chlorofylen van het reactiecentrum. Ze zijn ook een beschermend molecuul en voorkomen auto-oxidatie van het reactiecentrum. Carotenoïden kunnen zeer efficiënte vrije radicalenvangers zijn vanwege de conjugatie van afwisselende enkelvoudige dubbele koolstofbindingsstructuren.

Fotosynthese kan worden onderverdeeld in twee mechanismen: de lichte reacties, die lichtenergie gebruiken om de elektronen van bepaalde chlorofylen te exciteren, en deelnemen aan de elektronentransportketen om ATP en NADPH te genereren, en de donkere reacties, die die ATP en NADPH gebruiken om koolstof uit CO . te fixeren2 omgezet in organische moleculen (koolhydraten). Zoals de naam al aangeeft, hebben de lichtreacties lichtenergie nodig om het chlorofyl te prikkelen en het elektronentransport te starten. Donkere reacties vereisen echter geen duisternis. Ze zijn technisch lichtonafhankelijk, maar in sommige planten verlopen de donkerreacties om nog te bespreken redenen beter in het licht.

De lichtreacties zijn nauw verbonden met de anatomie van het thylakoïdemembraan, specifiek de rangschikking van lichtabsorberende pigmentmoleculen in antennecomplexen, ook wel lichtoogstcomplexen genoemd (soms afgekort als LHC, niet te verwarren met de Large Hadron Collider). Deze pigmenten worden vastgehouden door eiwitten in geordende driedimensionale groepen, zodat de pigmenten die het licht met de hoogste energie absorberen zich naar de periferie bevinden, en de chlorofylen met de laagste energie absorberen in het midden (Figuur (PageIndex<2>) ). Zonlicht bestaat uit een breed scala aan golflengten, waarvan sommige tijdelijk worden geabsorbeerd door de pigmenten. Nadat een pigmentmolecuul een foton heeft geabsorbeerd, wordt de energie vrijgegeven en doorgegeven aan een pigment dat is afgestemd op een iets lager energieniveau (langere golflengte), en van daaruit naar een pigment met nog lagere energie, enzovoort totdat het het reactiecentrum bereikt chlorofylen. Op deze manier kan energie van een breed scala aan lichtgolflengten/-energieën allemaal bijdragen aan de ATP- en NADPH-productie door de lichtreacties. Het antennecomplex is cruciaal omdat het het gebruik van een groter deel van het zonnelichtspectrum mogelijk maakt. En, als een dicht opeengepakte driedimensionale array, kunnen fotonen die het ene pigmentmolecuul passeren, heel goed een andere raken op zijn weg door de array. Al deze kenmerken combineren om de efficiëntie van het lichtgebruik voor fotosynthese te verhogen. De chlorofylen van het reactiecentrum (P680 voor fotosysteem II, P700 voor fotosysteem I) zijn de enige chlorofylen die geëxciteerde elektronen in de elektronentransportketen sturen. De andere chlorofylen en pigmenten werken alleen om de energie naar het reactiecentrum over te dragen.

Afbeelding (PageIndex<2>). Pigmentmoleculen zijn gerangschikt in een antennecomplex in het thylakoïdemembraan.

Wanneer geëxciteerd, begint het reactiecentrum chlorofyl van fotosysteem II (Figuur (PageIndex<3>)) met het proces van elektronentransport. Dit chlorofyl maakt deel uit van een eiwitcomplex dat ook een op Mn gebaseerd zuurstof-evoluerend complex (OEC), feofytine en een aanlegplaats voor plastochinon omvat. Hoewel het chlorofylelektron degene is die wordt opgewekt door de zonne-energie, komt de oorsprong van de elektronen om het chlorofyl bij te vullen van de splitsing (oxidatie) van water tot O2 en 4H+.

Het OEC, of ​​zuurstof-evoluerend complex (ook WOC, water-oxiderend complex) is een metallo-enzym met een Mn4OXCa-katalytische cluster, waarbij X het aantal m-oxo-bruggen is die de metaalatomen verbinden met omringende aminozuren, vooral cruciale tyrosines, ook een rol spelen in de coördinatiesfeer van de actieve site. Het totale complex ondergaat een reeks van 4 veranderingen in de oxidatietoestand wanneer de P680-chlorofylen worden geëxciteerd door de lichtenergie en overdrachtselektronen, maar op dit moment is het niet bekend wat de exacte oxidatietoestand van een bepaald Mn-atoom is door deze reeks toestandsveranderingen. De cruciale reactie is de vorming van de O-O-binding om O . te vormen2. Er zijn twee voorgestelde modellen voor dit mechanisme. Een daarvan is dat de O-O-binding wordt gevormd wanneer de OEC zijn volledig geoxideerde toestand heeft bereikt, en een zuurstof in een m-oxo-brugradicaaltoestand interageert met een watermolecuul. Het andere voorgestelde mechanisme is dat de O-O-binding eerder wordt gevormd als een gecomplexeerd peroxide dat wordt vastgehouden door het OEC-centrum.

Afbeelding (PageIndex<3>). Fotosysteem II (die elektronen in fotosysteem I voedt).

De vraag hoe een cel de energie kon opwekken die nodig is om water te splitsen, was lange tijd een heikele kwestie omdat water een uitzonderlijk stabiel molecuul is. Het huidige model suggereert dat de energie afkomstig is van een extreem sterke oxidator in de vorm van P680+. Nadat P680 is geactiveerd door licht, heeft een aangeslagen elektron genoeg energie om zich los te maken van het chlorofyl en springt naar feofytine. Pheophytine wordt tijdelijk Pheo-, en de ladingsscheiding in het complex tussen P680+ en Pheo- helpt de oxidatieve kracht van P680+ te versterken. Die buitengewoon sterke aantrekkingskracht voor elektronen is wat het P680-chlorofyl in staat stelt ze weg te scheuren van H2O en splits het water. In feite is P680+ een van de sterkste biologische oxidatiemiddelen die bekend is. Omdat er vier elektronen nodig zijn om twee watermoleculen volledig te oxideren en moleculaire zuurstof te genereren, zijn vier foto-excitatiegebeurtenissen nodig. Hoewel het exacte mechanisme nog moet worden opgehelderd, lijkt het erop dat de OEC helpt om het watermolecuul tijdens dit proces te stabiliseren en om elk elektron vast te houden wanneer het loskomt.

Figure (PageIndex<4>). Change in electron energy moving through photosystems II and I. Light energy is needed in both photosystems to boost the electron energy high enough to move to the next electron carrier.

The excited electrons, moving from the OEC to P680 + to pheophytin, next move to the lipid-soluble carrier, plastoquinone. The similarity of the name with the mitochondrial carrier ubiquinone is not a coincidence. They function similarly, and as the plastoquinone takes on the electrons, it also takes on protons from the stromal side of the thylakoid membrane. The PQ moves within the membrane from pheophytin to cytochrome b6F. As the electrons are transferred to cytochrome b6f, the protons are then dropped off on the lumenal side of the membrane, increasing their concentration in the chloroplast lumen, and building a proton gradient to power ATP synthase. cytochroom b6f passes the electrons on to plastocyanin, an aqueous-phase carrier, which shuttles the electrons to the P700 reaction center chlorophyll of photosystem I. However, after all the transfers, the energy level of the electrons is now fairly low (Figure (PageIndex<4>)) and unable to power the upcoming reactions. Since it is now on a reaction center chlorophyll, the obvious answer is to re-energize it with a bit of sunlight. This raises the electron energy sufficiently to reduce ferredoxin. Now things get a little complicated.

This part of photosynthesis can take one of two directions, the linear pathway, which generates both NADPH and ATP, and the cyclic pathway which mostly generates ATP. Most of the time, the linear pathway is taken, with the electrons on ferredoxin transferred via ferredoxin-NADPH reductase (FNR) onto NADPH. However, sometimes the cell requires significantly more ATP than NADPH, in which case, the electrons from ferredoxin are transferred back to plastoquinone via ferredoxin-plastoquinone reductase. This acts just as described above, and pumps more protons across the membrane to power the ATP synthase. ATP synthesis goes up and NADPH synthesis goes down.

Figure (PageIndex<5>). Photosystem I initiates electron movement through two pathways.

The ATP and NADPH generated by the chloroplast are almost exclusively used by the chloroplast itself (and not distributed to the rest of the cell) to power the dark reactions, which are energetically expensive. In fact, when the light reactions are not running due to darkness, some plant cells have mechanisms to prevent the dark reactions from using the limited resources of cellular, non-chloroplastic, respiration. The simplest method of such limitation is the pH sensitivity of rubisco (ribulose bis-phosphate carboxylase), at least in C3 plants (see below). Rubisco has a very sharp pH optimum at about pH 8.0, so while the light reactions are running and the protons are being pumped, the pH rises to about 8 and rubisco works, but in the dark, the pH drops back to its basal level close to 7.0, inhibiting rubisco activity.


Cellular Respiration…I think I’ve got it!

At my previous workplace, we typically devoted about 2 days to cellular respiration and photosynthesis in our freshman biology classes.

Yes, biologists, you read that correctly. Two days.

Clearly, these topics are much more complex than 2 days worth of material. Are they enough for 3 weeks, though, in a high school biology 1 class?

This is what I’ve been struggling with over the past week and a half. Since I’ve never taught this material in more detail than two days worth, it’s been challenging to recall some of the information I haven’t had to think about since I was in college. Even the textbook we use (Biology: Exploring Life), which I really like, seems a little too detailed over this particular unit.

I think I’ve managed, though, to get it narrowed down to where I want it. Here’s what we covered for cellular respiration (we haven’t finished photosynthesis yet, so more on that later):

  • The overall equation for cellular respiration (and recognizing that the reactants in cellular respiration are the products in photosynthesis, and vice versa)
  • Glycolysis summary
  • Krebs Cycle summary
  • Electron Transport Chain and ATP Synthase summary

Here’s how we summarized each stage:

  • takes place in cytoplasm
  • splits glucose in half, forming 2 pyruvic acid molecules—-these go into the Krebs Cycle
  • also forms 2 NADH (we had to discuss what an electron carrier was, of course)—-these go to the ETC
  • net gain of 2 ATP
  • takes place in matrix of mitochondria
  • “strips off” carbons from the pyruvic acids, which become part of CO2 molecules
  • forms many more electron carriers (NADH and FADH2)—-go to the ETC
  • gain 2 more ATP

  • found on the inner membrane of the mitochondria
  • electron carriers (NADH and FADH2) give up their electrons to the ETC, creating a H+ gradient
  • gradient powers the enzyme ATP Synthase, making 34 ATP
  • oxygen accepts the electrons and hydrogen from the electron carriers, forming H2O

We didn’t name all of the other enzymes involved, and we didn’t really mention acetyl coA (even though it was in the textbook). It’s not perfect, but I think it makes a decent mix between only 2 days of coverage versus college-level detail. We also discussed fermentation (what happens when there is little/no oxygen present), and I stressed the fact that plants, too, do cellular respiration (some students get confused and think that autotrophs do photosynthesis, making glucose, and therefore they don’t need to do respiration–they fail to see that the glucose still needs to be broken down to make ATP).

We also did a little dance with hand motions. I’ll need to get the exact words later.


Electron Transport Chain Steps Explained with Diagram

The electron transport chain is an essential metabolic pathway that produces energy by carrying out a series of redox reactions. This BiologyWise article provides a simple explanation of this pathway.

The electron transport chain is an essential metabolic pathway that produces energy by carrying out a series of redox reactions. This BiologyWise article provides a simple explanation of this pathway.

Wist u?

One cycle of the electron transport chain yields about 30 molecules of ATP (Adenosine triphosphate) as compared to the 2 molecules produced each via glycolysis and the citric acid cycle.

Wil je voor ons schrijven? Nou, we zijn op zoek naar goede schrijvers die het woord willen verspreiden. Neem contact met ons op, dan praten we verder.

The electron transport chain is made up of a series of spatially separated enzyme complexes that transfer electrons from electron donors to electron receptors via sets of redox reactions. This is also accompanied by a transfer of protons (H + ions) across the membrane. This leads to the development of an electrochemical proton gradient across the membrane that activates the ATP synthase proton pump, thereby, driving the generation of ATP molecules (energy). The cycle ends by the absorption of electrons by oxygen molecules.

In eukaryotic organisms, the electron transport chain is found embedded in the inner membrane of the mitochondria, in bacteria it is found in the cell membrane, and in case of plant cells, it is present in the thylakoid membrane of the chloroplasts.

In chloroplasts, photons from light are used produce the proton gradient whereas, in the mitochondria and bacterial cells, the conversions occurring in the enzyme complexes, generate the proton gradient.

Overview of Electron Transport Chain

This pathway is the most efficient method of producing energy. The initial substrates for this cycle are the end products obtained from other pathways. Pyruvate, obtained from glycolysis, is taken up by the mitochondria, where it is oxidized via the Krebs/citric acid cycle. The substrates required for the pathway are NADH (nicotinamide adenine dinucleotide), succinate, and molecular oxygen.

NADH acts as the first electron donor, and gets oxidized to NAD + by enzyme complex I, accompanied by the release of a proton out of the matrix. The electron is then transported to complex II, which brings about the conversion of succinate to fumarate. Moleculaire zuurstof (O2) acts as an electron acceptor in complex IV, and gets converted to a water molecule (H2O). Each enzyme complex carries out the transport of electrons accompanied by the release of protons in the intermembrane space.

The accumulation of protons outside the membrane gives rise to a proton gradient. This high concentration of protons initiates the process of chemiosmosis, and activates the ATP synthase complex. Chemiosmosis refers to the generation of an electrical as well as a pH potential across a membrane due to large difference in proton concentrations. The activated ATP synthase utilizes this potential, and acts as a proton pump to restore concentration balance. While pumping the proton back into the matrix, it also conducts the phosphorylation of ADP (Adenosine Diphosphate) to yield ATP molecules.

Enzyme Complexes of Electron Transport Chain

Complex I – NADH-coenzyme Q oxidoreductase
The reduced coenzyme NADH binds to this complex, and functions to reduce coenzyme Q10. This reaction donates electrons, which are then transferred through this complex using FMN (Flavin mononucleotide) and a series of Fe-S (Iron-sulpur) clusters. The transport of these electrons brings about the transfer of protons across the membrane into the intermembrane space.

Complex II – Succinate-Q oxidoreductase
This complex acts on the succinate produced by the citric acid cycle, and converts it to fumarate. This reaction is driven by the reduction and oxidation of FAD (Flavin adenine dinucleotide) along with the help of a series of Fe-S clusters. These reactions also drive the redox reactions of quinone. These sets of reactions help in transporting the electrons to the third enzyme complex.

Wil je voor ons schrijven? Nou, we zijn op zoek naar goede schrijvers die het woord willen verspreiden. Neem contact met ons op, dan praten we verder.

Complex III – Q-cytochrome c oxidoreductase
This complex oxidizes ubiquinol and also reduces two molecules of cytochrome-c. The electron is transported via these reactions onto complex IV accompanied by the release of protons.

Complex IV – ytochrome c oxidase
The received electron is received by a molecular oxygen to yield a water molecule. This conversion occurs in the presence of Copper (Cu) ions, and drives the oxidation of the reduced cytochrome-c. Protons are pumped out during the course of this reaction.

ATP Synthase
The protons produced from the initial oxidation of the NADH molecule, and their presence in the intermembrane space gives rise to a potential gradient. It is utilized by this complex to transport the protons back into the matrix. The transport itself also generates energy that is used to achieve phosphorylation of the ADP molecules to form ATP.

Any anomalies or defects in any of the components that constitute the electron transport chain leads to the development of a vast array of developmental, neurological, and physical disorders.

Gerelateerde berichten

It is extremely important to know the meaning and process of photosynthesis, irrespective of the fact that whether it the part of one's curriculum or not. The diagram given in&hellip

What is the difference between passive and active transport? How are these two mechanisms executed? Which process requires energy and which doesn't? Read on to know the answer to all&hellip

Haploid number is the number of chromosomes that are half the diploid number of chromosomes. This article will tell you more.


Bekijk de video: ATP en dissimilatie (December 2021).