H ελευθέρωση της ενέργειας Ανδρονίκη Κλώνη H ελευθέρωση της ενέργειας Κυτταρική αναπνοή

Οι οργανισμοί χρειάζονται ενέργεια για την επιτέλεση διάφορων λειτουργιών. Η ενέργεια εξασφαλίζεται από τη διάσπαση οργανικών ουσιών που ονομάζονται αναπνευστικά υποστρώματα (υδατάνθρακες, λιπαρές ουσίες, πρωτεΐνες). Η απελευθέρωση της ενέργειας γίνεται σε πολλά στάδια, διότι μεγάλο μέρος αυτής της ενέργειας μετατρέπεται σε θερμότητα. Η υπόλοιπη ποσότητα ενέργειας αποθηκεύεται στους δεσμούς ΑΤΡ. Οξειδωτική φωσφορυλίωση είναι ο σχηματισμός μορίων της ΑΤΡ με ενέργεια που προέρχεται από τη βιολογική οξείδωση ουσιών.

Κυτταρική Αναπνοή Είναι η απελευθέρωση της ενέργειας που εγκλείεται στα αναπνευστικά υποστρώματα του κυττάρου με οξείδωση. Υπάρχουν 2 διαδικασίες απελευθέρωσης ενέργειας: Αερόβια αναπνοή (παρουσία οξυγόνου) Αναερόβια αναπνοή (απουσία οξυγόνου) Βασικό αναπνευστικό υπόστρωμα → γλυκόζη

1. Αερόβια αναπνοή Γενική εξίσωση της αερόβιας αναπνοής C6H1206 + 602 → 6CO2 + 6Η2Ο + 36 ΑΤΡ Διακρίνεται σε 2 φάσεις: α) την αναερόβια φάση (γλυκόλυση) β) την αερόβια φάση

α) Αναερόβια φάση - Γλυκόλυση Γίνεται στο κυτταρόπλασμα και το οξυγόνο δεν είναι απαραίτητο. Είναι μια σειρά βιοχημικών αντιδράσεων που οδηγούν στο σχηματισμό 2 μορίων πυροσταφυλικού οξέος από τη διάσπαση ενός μορίου γλυκόζης. Το συνολικό κέρδος από τη διάσπαση ενός μορίου γλυκόζης είναι 2 μόρια ΑΤΡ.

β) Αερόβια φάση Γίνεται σε εξειδικευμένα οργανίδια του κυτταροπλάσματος, τα μιτοχόνδρια. Περιλαμβάνει τα εξής στάδια: Οξειδωτική αποκαρβοξυλίωση του πυροσταφυλικού οξέος Κύκλος του κιτρικού οξέος (Κύκλος του Krebs) Iii. Τελική οξείδωση - Αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων - Χημειόσμωση

i. Oξειδωτική αποκαρβοξυλίωση του πυροσταφυλικού οξέος Τα 2 μόρια πυροσταφυλικού οξέος που παράχθηκαν κατά τη γλυκόλυση στο κυτταρόπλασμα, μεταφέρονται στα μιτοχόνδρια όπου αντιδρούν με 2 μόρια συνένζυμου Α (CoA) στη παρουσία οξυγόνου και σχηματίζονται 2 μόρια ακέτυλο συνένζυμου Α (ακέτυλο CoA ή CH3CO.CoA) Αποκαρβοξυλίωση - η καρβοξυλομάδα (-COOH) του πυροσταφυλικού οξέος απομακρύνεται υπό μορφή CO2. CH3COCOOH + NAD+ + CoA → ακετυλο-CoA + NADH + CO2

ii. Kύκλος του Krebs To οξαλοξκό οξύ δεσμεύει μια ακετυλομάδα από το ακετυλο-CoA και σχηματίζεται το κιτρικό οξύ, το οποίο με πολύπλοκες αντιδράσεις δημιουργεί διάφορα ενδιάμεσα προϊόντα που τελικά καταλήγουν στο οξαλοξικό οξύ.

Κάθε φορά που γίνεται ο κύκλος του Κrebs: ελευθερώνονται 2 μόρια CO2 παράγεται 1 ATP * Ο κύκλος του Κrebs γίνεται δύο φορές διότι παράγονται 2 μόρια πυροσταφυλικού οξέος κατά τη γλυκόλυση.

iii. Τελική οξείδωση – Οξειδωτική φωσφορύλίωση Γίνεται στην εσωτερική μεμβράνη των μιτοχονδρίων και στο μεσομεμβρανικό χώρο. Χρησιμοποιείται οξυγόνο. Κατά τις αντιδράσεις αυτές παράγονται 32 μόρια ΑΤΡ Παράγεται νερό

Τελική οξείδωση . Σύστηµα µεταφοράς e- . χηµειώσµωση (Q=Ουµπικινόνη, C=Κυτταρόχρωµα c)

Kατά τη μεταφορά e- απελευθερώνεται ενέργεια που χρησιμοποιείται για το σχηματισμό μορίων της ΑΤΡ → οξειδωτική φωσφορυλίωση. ADP + P + ενέργεια → ATP Από 1 μόριο γλυκόζης σχηματίζονται: 2 ΑΤΡ παράγονται στο κυτταρόπλασμα κατά τη γλυκόλυση 2 ΑΤΡ παράγονται στο κύκλο του Krebs 32 ATP παράγονται στα μιτοχόνδρια κατά την τελική οξείδωση → Σύνολο 36 μόρια ΑΤΡ

Φωτοσύνθεση Αερόβια αναπνοή Αναγωγική αντίδραση Σύνθεση οργανικών ουσιών και αποθήκευση ενέργειας Πρώτες ύλες: CO2, H2O Προιόντα: υδατάνθρακες και Ο2 Αύξηση μάζας Στα φυτικά κύτταρα Χλωροπλάστες Παρουσία της χλωροφύλλης και φωτός Φωτοσυνθετική φωσφορυλίωση Αερόβια αναπνοή Οξειδωτική αντίδραση Αποικοδόμηση οργανικών ουσιών και απελευθέρωση ενέργειας Πρώτες ύλες: υδατάνθρακες, λιπαρές ουσίες και πρωτείνες Προιόντα: CO2, H2O Μείωση μάζας Σε όλα τα κύτταρα Μιτοχόνδρια Στην παρουσία ή όχι της χλωροφύλλης και του φωτός Οξειδωτική φωσφορυλίωση

2. Αναερόβια αναπνοή Ζύμωση: είναι η διαδικασία απελευθέρωσης ενέργειας χωρίς την παρουσία οξυγόνου. Διεξάγεται στο κυτταρόπλασμα Γίνεται σε ορισμένα βακτήρια, μύκητες και μερικά φύκη Όταν δεν υπάρχει αρκετό οξυγόνο και χρειάζεται επιπλέον ενέργεια, γίνεται και στα μυϊκά κύτταρα

Οι ζυμώσεις διακρίνονται σε: Αλκοολική ζύμωση (τελικό προϊόν η αιθανόλη) Γαλακτική ζύμωση (τελικό προϊόν το γαλακτικό οξύ) Τα τελικά προϊόντα είναι τοξικά για τα κύτταρα και αποβάλλονται ή μεταποιούνται.

1. Αλκοολική ζύμωση Γίνεται σε σακχαρομύκητες, σε μερικά βακτήρια και φυτικά κύτταρα σε συνθήκες έλλειψης οξυγόνου. Διαθέτουν το ένζυμο πυροσταφυλική καρβοξυλάση Τα 2 μόρια πυροσταφυλικού οξέος μετατρέπονται σε 2 μόρια αιθυλικής αλκοόλης και 2 μόρια διοξειδίου του άνθρακα.

Χρήση αλκοολικής ζύμωσης Για την παραγωγή της μπύρας χρησιμοποιούνται τα σπέρματα σιτηρών (π.χ. βύνης) Για την παραγωγή του κρασιού χρησιμοποιούνται σάκχαρα που υπάρχουν στο χυμό σταφυλιών. Για την Παρασκευή του ψωμιού χρησιμοποιούνται ζυμομύκητες (ζύμη ή μαγιά) όπου ελευθερώνεται διοξείδιο του άνθρακα το οποίο προκαλεί το φούσκωμα του.

2. Γαλακτική ζύμωση Γίνεται σε ζωικά κύτταρα και σε μερικά βακτήρια σε συνθήκες έλλειψης οξυγόνου. Το NADH μεταφέρει το Η+ του απευθείας στο πυροσταφυλικό οξύ και το ανάγει σε γαλακτικό οξύ. Διάφορα γαλακτοκομικά προϊόντα (γιαούρτι, τυρί κ.α.)

Στην έντονη άσκηση το σώμα χρειάζεται μεγάλα ποσά ενέργειας αλλά το οξυγόνο που υπάρχει στο αίμα δεν καλύπτει τις ανάγκες των μυϊκών κυττάρων. Τα μυϊκά κύτταρα παράλληλα με την αερόβια αναπνοή κάνουν και γαλακτική ζύμωση για να πάρουν την ενέργεια που χρειάζονται. Το γαλακτικό οξύ που παράγεται είναι τοξικό για τα κύτταρα (καματογόνος ουσία). Μετά από την άσκηση το λαχάνιασμα συνεχίζεται για να προσλάβει ο οργανισμός περισσότερο Ο2 για να εξουδετερωθεί πιο γρήγορα το γαλακτικό οξύ στον κύκλο του Κrebs.

Ένα μέρος του γαλακτικού οξέος (~ 80 %) αποβάλλεται από τα κύτταρα και μέσω της κυκλοφορίας φτάνει στο συκώτι όπου μετασχηματίζεται σε γλυκόζη (γλυκονεογένεση) η οποία πολυμερίζεται σε γλυκογόνο. Η υπόλοιπη ποσότητα του γαλακτικού οξέος (20 %) διασπάται στο κύκλο του Krebs σε CO2 και H20.

Αλκοολική ζύμωση Γαλακτική ζύμωση Παραγωγή CO2 Δεν παράγεται CO2 Κέρδος 2 ΑΤΡ από γλυκόλυση Σε φυτικά κύτταρα, σακχαρομύκητες και μερικά βακτήρια Συμμετέχει το ένζυμο πυροσταφυλική καρβοξυλάση Μπύρα, κρασί, ψωμί Γαλακτική ζύμωση Δεν παράγεται CO2 Κέρδος 2 ΑΤΡ από γλυκόλυση Σε ζωικά κύτταρα, ορισμένα βακτήρια και μύκητες Δε συμμετέχει το ένζυμο πυροσταφυλική καρβοξυλάση Γαλακτοκομικά προϊόντα

Αερόβια αναπνοή Αναερόβια αναπνοή Αρχίζει στο κυτταρόπλασμα αλλά γίνεται κυρίως στα μιτοχόνδρια Το Ο2 είναι απαραίτητο Τελικό προϊόν το CO2 και το H2O Παράγονται 36 μόρια ΑΤΡ από τη διάσπαση ενός μορίου γλυκόζης Αναερόβια αναπνοή Πραγματοποιείται στο κυτταρόπλασμα Δεν χρειάζεται Ο2 Τελικό προϊόν η αιθανόλη και το CO2 ή γαλακτικό οξύ Παράγονται 2 ΑΤΡ από τη διάσπαση ενός μορίου γλυκόζης

Οι τρεις πιο γνωστές πορείες της κυτταρικής αναπνοής από το πυροσταφυλικό οξύ