Inligting

8.11: Hoekom dit saak maak - Metaboliese paaie - Biologie

8.11: Hoekom dit saak maak - Metaboliese paaie - Biologie



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Waarom die metaboliese weë wat betrokke is by die vasvang en vrystelling van energie in selle verduidelik?

Elke keer as jy beweeg - of selfs asemhaal - gebruik jy energie. Twee van hierdie maniere is fotosintese en sellulêre respirasie.

Plante (en ander outotrofe) ondergaan fotosintese om energie te skep. Mense (en ander heterotrofe) aan die ander kant moet iets verbruik wat energie het (soos plante of ander diere) - ons neem hierdie energie en skakel dit om in 'n vorm wat ons liggaam kan gebruik. Hierdie proses staan ​​bekend as sellulêre respirasie.

Kyk hierdie 5 minute video vir 'n oorsig van hoekom selfs klein veranderinge in die globale klimaat die potensiaal het vir groot impakte op ons daaglikse lewens deur ons voedselbronne.

'n YouTube-element is uitgesluit van hierdie weergawe van die teks. Jy kan dit aanlyn hier sien: pb.libretexts.org/biom1/?p=238

  • Watter rol speel boerdery om ons energie te gee om elke dag te gebruik?
  • Hoe kry plante energie om te groei, en hoe kry ons dan ons energie daaruit?

Ok, kom ons kyk waar kry ons al die energie om wakker te bly tydens biologie klas!

Leeruitkomste

  • Verstaan ​​die rol wat beweging van elektrone in energie-uitruilings in selle speel
  • Identifiseer die basiese komponente en stappe van fotosintese
  • Identifiseer die reaktante en produkte van sellulêre respirasie en waar hierdie reaksies in 'n sel voorkom
  • Illustreer die basiese komponente en stappe van fermentasie

8.11: Hoekom dit saak maak - Metaboliese paaie - Biologie

Baie selle is nie in staat om asemhaling uit te voer nie as gevolg van een of meer van die volgende omstandighede:

  1. Die sel het nie 'n voldoende hoeveelheid van enige geskikte, anorganiese, finale elektronaanvaarder om sellulêre respirasie uit te voer nie.
  2. Die sel het nie gene om geskikte komplekse en elektrondraers in die elektronvervoerstelsel te maak nie.
  3. Die sel het nie gene om een ​​of meer ensieme in die Krebs-siklus te maak nie.

Terwyl die gebrek aan 'n geskikte anorganiese finale elektronaannemer omgewingsafhanklik is, word die ander twee toestande geneties bepaal. Dus, baie prokariote, insluitend lede van die klinies belangrike genus Streptokokke, is permanent nie in staat om asem te haal nie, selfs in die teenwoordigheid van suurstof. Omgekeerd is baie prokariote fakultatief, wat beteken dat, sou die omgewingstoestande verander om 'n geskikte anorganiese finale elektronaanvaarder vir respirasie te verskaf, organismes wat al die gene bevat wat nodig is om dit te doen sal oorskakel na sellulêre respirasie vir glukosemetabolisme omdat respirasie baie groter ATP moontlik maak. produksie per glukosemolekule.

As respirasie nie plaasvind nie, moet NADH heroksideer word na NAD + vir hergebruik as 'n elektrondraer vir glikolise, die sel se enigste meganisme om enige ATP te produseer, om voort te gaan. Sommige lewende sisteme gebruik 'n organiese molekule (gewoonlik piruvaat) as 'n finale elektronaannemer deur 'n proses genaamd fermentasie. Fermentasie behels nie 'n elektronvervoerstelsel nie en produseer nie direk enige bykomende ATP behalwe dit wat tydens glikolise geproduseer word deur substraatvlakfosforilering nie. Organismes wat fermentasie uitvoer, wat fermenteerders genoem word, produseer 'n maksimum van twee ATP-molekules per glukose tydens glikolise. Tabel 1 vergelyk die finale elektronaanvaarders en metodes van ATP-sintese in aërobiese respirasie, anaërobiese respirasie en fermentasie. Let daarop dat die aantal ATP-molekules wat vir glikolise getoon word die aanneem Embden-Meyerhof-Parnas-pad. Die aantal ATP-molekules wat deur substraatvlakfosforilering (SLP) versus oksidatiewe fosforilering (OP) aangedui word.

Mikrobiese fermentasieprosesse is deur mense gemanipuleer en word wyd gebruik in die produksie van verskeie voedsel en ander kommersiële produkte, insluitend farmaseutiese produkte. Mikrobiese fermentasie kan ook nuttig wees om mikrobes vir diagnostiese doeleindes te identifiseer.

Fermentasie deur sommige bakterieë, soos dié in jogurt en ander versuurde voedselprodukte, en deur diere in spiere tydens suurstofuitputting, is melksuurfermentasie. Die chemiese reaksie van melksuurfermentasie is soos volg:

Bakterieë van verskeie gram-positiewe genera, insluitend Lactobacillus, Leuconostoc, en Streptokokke, staan ​​gesamentlik bekend as die melksuurbakterieë (LAB), en verskeie stamme is belangrik in voedselproduksie. Tydens jogurt en kaas produksie, die hoogs suur omgewing wat deur melksuurfermentasie gegenereer word, denatureer proteïene wat in melk voorkom, wat veroorsaak dat dit stol. Wanneer melksuur die enigste fermentasieproduk is, word gesê dat die proses dit is homolaktiese fermentasie dit is die geval vir Lactobacillus delbrueckii en S. termofiele gebruik in jogurtproduksie. Baie bakterieë presteer egter heterolaktiese fermentasie, wat 'n mengsel van melksuur, etanol en/of asynsuur produseer, en CO2 as gevolg daarvan, as gevolg van hul gebruik van die vertakte pentosefosfaatweg in plaas van die EMP-weg vir glikolise. Een belangrike heterolaktiese fermenteerder is Leuconostoc mesenteroides, wat gebruik word om groente soos komkommers en kool te versuur, wat onderskeidelik piekels en suurkool produseer.

Melksuurbakterieë is ook medies belangrik. Die produksie van lae pH-omgewings binne die liggaam inhibeer die vestiging en groei van patogene in hierdie gebiede. Byvoorbeeld, die vaginale mikrobiota bestaan ​​hoofsaaklik uit melksuurbakterieë, maar wanneer hierdie bakterieë verminder word, kan gis vermeerder, wat 'n gisinfeksie veroorsaak. Daarbenewens is melksuurbakterieë belangrik om die gesondheid van die spysverteringskanaal te handhaaf en is dit dus die primêre komponent van probiotika.

Nog 'n bekende fermentasieproses is alkohol fermentasie, wat etanol produseer. Die etanolfermentasiereaksie word in Figuur 1 getoon. In die eerste reaksie, die ensiem piruvaat dekarboksilase verwyder 'n karboksielgroep uit piruvaat en stel CO vry2 gas terwyl dit die tweekoolstofmolekule asetaldehied produseer. Die tweede reaksie, gekataliseer deur die ensiem alkohol dehidrogenase, dra 'n elektron oor van NADH na asetaldehied, wat etanol en NAD + produseer. Die etanolfermentasie van piruvaat deur die gis Saccharomyces cerevisiae word gebruik in die produksie van alkoholiese drank en laat broodprodukte ook rys as gevolg van CO2 produksie. Buite die voedselindustrie is etanolfermentasie van plantprodukte belangrik in biobrandstof produksie.

Figuur 1. Die chemiese reaksies van alkoholfermentasie word hier getoon. Etanolfermentasie is belangrik in die produksie van alkoholiese drankies en brood.

Behalwe melksuurfermentasie en alkoholfermentasie, kom baie ander fermentasiemetodes in prokariote voor, alles met die doel om 'n voldoende voorraad NAD + vir glikolise te verseker (Tabel 2). Sonder hierdie weë sou glikolise nie plaasvind nie en geen ATP sou geoes word uit die afbreek van glukose nie. Daar moet kennis geneem word dat die meeste vorme van fermentasie behalwe homolaktiese fermentasie produseer gas, gewoonlik CO2 en/of waterstofgas. Baie van hierdie verskillende tipes fermentasiepaaie word ook in voedselproduksie gebruik en elkeen lei tot die produksie van verskillende organiese sure, wat bydra tot die unieke geur van 'n spesifieke gefermenteerde voedselproduk. Die propionzuur wat tydens propionzuur fermentasie dra by tot die kenmerkende geur van byvoorbeeld Switserse kaas.

Verskeie fermentasieprodukte is kommersieel belangrik buite die voedselindustrie. Byvoorbeeld, chemiese oplosmiddels soos asetoon en butanol word geproduseer tydens asetoon-butanol-etanol fermentasie. Komplekse organiese farmaseutiese verbindings wat in antibiotika (bv. penisillien), entstowwe en vitamiene gebruik word, word geproduseer deur middel van gemengde suur fermentasie. Fermentasieprodukte word in die laboratorium gebruik om verskeie bakterieë vir diagnostiese doeleindes te onderskei. Byvoorbeeld, enteriese bakterieë is bekend vir hul vermoë om gemengde suurfermentasie uit te voer, wat die pH verlaag, wat met 'n pH-aanwyser opgespoor kan word. Net so kan die bakteriële produksie van asetoïen tydens butaandiolfermentasie ook opgespoor word. Gasproduksie van fermentasie kan ook gesien word in 'n omgekeerde Durham-buis wat geproduseerde gas in 'n souskultuur vasvang.

Mikrobes kan ook gedifferensieer word volgens die substrate wat hulle kan fermenteer. Byvoorbeeld, E coli kan laktose fermenteer en gas vorm, terwyl sommige van sy nabye gram-negatiewe verwante nie. Die vermoë om die suikeralkoholsorbitol te fermenteer word gebruik om die patogeniese enterohemorragiese O157:H7-stam van E coli want anders as ander E coli stamme, is dit nie in staat om sorbitol te fermenteer nie. Laastens onderskei mannitolfermentasie die mannitol-fermentasie Staphylococcus aureus van ander nie-mannitol-fermenterende stafilokokke.

Tabel 2. Algemene fermentasiepaaie
Pad Eindprodukte Voorbeeld mikrobes Kommersiële produkte
Asetoon-butanol-etanol Asetoon, butanol, etanol, CO2 Clostridium acetobutylicum Kommersiële oplosmiddels, petrol alternatief
Alkohol Etanol, CO2 Candida, Saccharomyces Bier, brood
Butaandiol Miere en melksuur etanol asetoïen 2,3 butaandiol CO2 waterstofgas Klebsiella, Enterobacter Chardonnay wyn
Bottersuur Bottersuur, CO2, waterstofgas Clostridium butyricum Botter
Melksuur Melksuur Streptokokke, Lactobacillus Suurkool, jogurt, kaas
Gemengde suur Asyn-, miere-, melk- en barnsteensuur etanol, CO2, waterstofgas Escherichia, Shigella Asyn, skoonheidsmiddels, farmaseutiese produkte
Propionzuur Asynsuur, propionzuur, CO2 Propionibacterium, Bifidobacterium Switserse kaas

Dink daaroor

  • Wanneer sal 'n metabolies veelsydige mikrobe fermentasie eerder as sellulêre respirasie uitvoer?

Identifisering van bakterieë deur API-toetspanele te gebruik

Identifikasie van 'n mikrobiese isolaat is noodsaaklik vir die behoorlike diagnose en toepaslike behandeling van pasiënte. Wetenskaplikes het tegnieke ontwikkel wat bakterieë identifiseer volgens hul biochemiese eienskappe. Tipies ondersoek hulle óf die gebruik van spesifieke koolstofbronne as substrate vir fermentasie of ander metaboliese reaksies, óf hulle identifiseer fermentasieprodukte of spesifieke ensieme wat in reaksies teenwoordig is. In die verlede het mikrobioloë individuele proefbuise en plate gebruik om biochemiese toetse uit te voer. Wetenskaplikes, veral dié in kliniese laboratoriums, gebruik egter nou meer gereeld plastiek, weggooibare multitoetspanele wat 'n aantal miniatuurreaksiebuisies bevat, wat gewoonlik 'n spesifieke substraat en pH-aanwyser insluit. Na inenting van die toetspaneel met 'n klein monster van die betrokke mikrobe en inkubasie, kan wetenskaplikes die resultate vergelyk met 'n databasis wat die verwagte resultate vir spesifieke biochemiese reaksies vir bekende mikrobes insluit, en sodoende vinnige identifikasie van 'n monstermikrobe moontlik maak. Hierdie toetspanele het wetenskaplikes in staat gestel om koste te verminder terwyl hulle doeltreffendheid en reproduseerbaarheid verbeter het deur 'n groter aantal toetse gelyktydig uit te voer.

Baie kommersiële, geminiaturiseerde biochemiese toetspanele dek 'n aantal klinies belangrike groepe bakterieë en giste. Een van die vroegste en gewildste toetspanele is die Analytical Profile Index (API)-paneel wat in die 1970's uitgevind is. Sodra 'n basiese laboratoriumkarakterisering van 'n gegewe stam uitgevoer is, soos die bepaling van die stam se Gram-morfologie, kan 'n toepaslike toetsstrook wat 10 tot 20 verskillende biochemiese toetse bevat om stamme binne daardie mikrobiese groep te onderskei, gebruik word. Tans is die verskillende API-strokies kan gebruik word om vinnig en maklik meer as 600 spesies bakterieë, beide aërobies en anaërobies, en ongeveer 100 verskillende tipes giste te identifiseer. Gebaseer op die kleure van die reaksies wanneer metaboliese eindprodukte teenwoordig is, as gevolg van die teenwoordigheid van pH-aanwysers, word 'n metaboliese profiel uit die resultate geskep (Figuur 2). Mikrobioloë kan dan die monster se profiel met die databasis vergelyk om die spesifieke mikrobe te identifiseer.

Figuur 2. Die API 20NE-toetsstrook word gebruik om spesifieke stamme van gram-negatiewe bakterieë buite die Enterobacteriaceae te identifiseer. Hier is 'n API 20NE-toetsstrookresultaat vir Photobacterium damselae ssp. piscicida.

Kliniese fokus: Alex, Deel 2

Hierdie voorbeeld gaan voort met Alex se storie wat begin het in Energy Matter and Enzymes.

Baie van Alex se simptome stem ooreen met verskeie verskillende infeksies, insluitend griep en longontsteking. Sy trae reflekse saam met sy ligsensitiwiteit en stywe nek dui egter op 'n moontlike betrokkenheid van die sentrale senuweestelsel, wat miskien aandui meningitis. Meningitis is 'n infeksie van die serebrospinale vloeistof (CSF) rondom die brein en rugmurg wat inflammasie van die meninges veroorsaak, die beskermende lae wat die brein bedek. Meningitis kan deur virusse, bakterieë of swamme veroorsaak word. Alhoewel alle vorme van meningitis ernstig is, is bakteriële meningitis besonder ernstig. Bakteriële meningitis kan veroorsaak word deur verskeie verskillende bakterieë, maar die bakterie Neisseria meningitidis, 'n gram-negatiewe, boontjievormige diplococcus, is 'n algemene oorsaak en lei tot die dood binne 1 tot 2 dae in 5% tot 10% van pasiënte.

Gegewe die potensiële erns van Alex se toestande, het sy dokter sy ouers aangeraai om hom na die hospitaal in die Gambiese hoofstad Banjul te neem en hom daar te laat toets en vir moontlike breinvliesontsteking te laat behandel. Na 'n 3-uur se ry na die hospitaal, is Alex dadelik opgeneem. Dokters het 'n bloedmonster geneem en 'n lumbale punksie uitgevoer om sy CSF te toets. Hulle het hom ook dadelik begin op 'n kursus van die antibiotika ceftriaxone, die middel van keuse vir die behandeling van meningitis wat veroorsaak word deur N. meningitidis, sonder om te wag vir laboratoriumtoetsresultate.

  • Hoe kan biochemiese toetsing gebruik word om die identiteit van N. meningitidis?
  • Hoekom het Alex se dokters besluit om antibiotika toe te dien sonder om vir die toetsuitslae te wag?

Ons sal op latere bladsye terugkeer na Alex se voorbeeld.

Sleutelbegrippe en opsomming

  • Fermentasie gebruik 'n organiese molekule as 'n finale elektronaannemer om NAD + van NADH te regenereer sodat glikolise kan voortgaan.
  • Fermentasie behels nie 'n elektronvervoerstelsel nie, en geen ATP word direk deur die fermentasieproses gemaak nie. Fermenteerders maak baie min ATP—slegs twee ATP-molekules per glukosemolekule tydens glikolise.
  • Mikrobiese fermentasieprosesse is gebruik vir die produksie van voedsel en farmaseutiese produkte, en vir die identifikasie van mikrobes.
  • Tydens melksuurfermentasie aanvaar piruvaat elektrone van NADH en word tot melksuur gereduseer. Mikrobes wat optree homolaktiese fermentasie produseer slegs melksuur as die fermentasie produk mikrobes presteer heterolaktiese fermentasie produseer 'n mengsel van melksuur, etanol en/of asynsuur, en CO2.
  • Melksuurproduksie deur die normale mikrobiota verhoed groei van patogene in sekere liggaamstreke en is belangrik vir die gesondheid van die spysverteringskanaal.
  • Tydens etanolfermentasie word piruvaat eers gedekarboksileer (wat CO vrystel2) na asetaldehied, wat dan elektrone van NADH aanvaar, wat asetaldehied tot etanol reduseer. Etanolfermentasie word gebruik vir die produksie van alkoholiese drankies, om broodprodukte te laat rys en vir biobrandstofproduksie.
  • Fermentasieprodukte van weë (bv. propionzuurfermentasie) verskaf kenmerkende geure aan voedselprodukte. Fermentasie word gebruik om chemiese oplosmiddels (asetoon-butanol-etanol-fermentasie) en farmaseutiese produkte (gemengde suurfermentasie) te produseer.
  • Spesifieke tipes mikrobes kan onderskei word deur hul fermentasieweë en produkte. Mikrobes kan ook gedifferensieer word volgens die substrate wat hulle in staat is om te fermenteer.

Meervoudige keuse

Watter van die volgende is die doel van fermentasie?

  1. ATP te maak
  2. om koolstofmolekule-tussenprodukte vir anabolisme te maak
  3. NADH te maak
  4. om NAD + te maak

Watter molekule dien tipies as die finale elektronaanvaarder tydens fermentasie?

Watter fermentasieproduk is belangrik om brood te laat rys?

Watter van die volgende is nie 'n kommersieel belangrike fermentasieproduk nie?

Vul die spasie in

Die mikrobe wat verantwoordelik is vir etanolfermentasie met die doel om alkoholiese drankies te produseer, is ________.

________ lei tot die produksie van 'n mengsel van fermentasieprodukte, insluitend melksuur, etanol en/of asynsuur, en CO2.

Fermenterende organismes maak ATP deur die proses van ________.

Ooreenstemmende

Pas die fermentasiepad by die korrekte kommersiële produk wat dit gebruik word om te produseer:


Dresden-bioloë laat lewende sperm gloei

Hoe kry vroulike insekte dit reg om die sperm vir maande ná paring vars te hou? Dit is 'n sentrale vraag van die spermbioloë van die Leerstoel vir Toegepaste Dierkunde onder leiding van prof. dr. Klaus Reinhardt. Nou het die wetenskaplikes hul eerste belowende resultate in die joernaal aangebied Wetenskaplike verslae.

Dr. Cornelia Wetzker het 'n innoverende etiketvrye tegniek van kankernavorsing geleen om die metabolisme van lewende biologiese weefsels te ondersoek. Dit behels die meting van die verval van die intrinsieke fluoressensie van die metaboliese koënsiem NADH - 'n kwessie van nanosekondes, wat 'n gespesialiseerde mikroskoop vereis. Hierdie maatstaf, ook bekend as fluoressensieleeftyd, dien as 'n selspesifieke handtekening en kenmerk die spesifieke metaboliese weë van die weefsel. Kankerselle het 'n korter NADH-fluoressensieleeftyd, is dus meer glikolities en kan dus van gesonde selle onderskei word.

Met hierdie metode het dr Cornelia Wetzker nou daarin geslaag om die metabolisme van ongeskonde weefsels van die vrugtevlieg buite die liggaam te ondersoek. Sy het die metabolisme van sperm in die stoororgane van manlike en vroulike diere asook ander weefsels van die insek ontleed. Die sperm is ondersoek in nog ongeskonde geslote organe, wat by die mannetjie dien vir berging voor en by die wyfies na paring. Die span het dus bevind die sperm het 'n hoogs glikolitiese metabolisme soortgelyk aan dié van kankerselle. Ander selle, soos derm-, klier- en vetselle, was in 'n baie meer oksidatiewe toestand.

Deur hierdie metode te gebruik, het die bioloë 'n eerste leidraad gevind vir hul aanvanklike vraag oor hoe die sperm vars in die liggaam van die insekwyfies bly. Hulle het ontdek dat die fluoressensie-leeftyd van 'n ander outofluoresserende metaboliese koënsiem genaamd FAD verskil tussen die sperm in die manlike en in die vroulike liggaam.

Met betrekking tot die kliniese toepassing van hierdie tegniek, blyk fluoressensie-lewenslange beeldmikroskopie (FLIM) hoogs belowend te wees. "Die fluoressensie-leeftyd-handtekeninganalise kan selfs geoutomatiseer word met behulp van neurale netwerke", vermoed dr. Cornelia Wetzker. “En aangesien die metode nie gevaarlik is nie, is daar geen rede waarom dit nie op lewende mense of diere gebruik moet word nie,” voeg professor Klaus Reinhardt by.

Vrywaring: AAAS en EurekAlert! is nie verantwoordelik vir die akkuraatheid van nuusvrystellings wat op EurekAlert geplaas is nie! deur bydraende instellings of vir die gebruik van enige inligting deur die EurekAlert-stelsel.


Afsluiting

Tydens evolusie het bruinbere aangepas by 'n lewenstyl wat hiperfagie en vetsug in die herfs en immobilisasie gedurende tot 'n halwe jaar van winterslaap in die winter insluit. Bere het 'n sirkulêre metaboliese plastisiteit ontwikkel wat hierdie diere in staat stel om nie-oordraagbare siektes soos metaboliese sindroom, diabetes en kardiovaskulêre siektes te vermy, en hulle is nie geneig tot osteoporose of sarkopenie nie. Dit is waarskynlik dat bere sleutels hou om insig te kry in en dalk lewenstylverwante siektes by mense te behandel. Omdat winterslaap nie geneties gedefinieer is nie, maar waarskynlik beperk is tot proteïene wat anders uitgedruk word, is 'n pad vorentoe om te kyk vir op- en afgereguleerde peptiede en proteïene om biomerkers te identifiseer wat verantwoordelik is vir die indusering en instandhouding van 'n gesonde fisiologie tydens hibernasie.


Kyk die video: Waarom u tijd besteedt aan dingen waar u niet om geeft (September 2022).