Informace

9.3: Fermentace a regenerace NAD+ - biologie


Fermentace a regenerace NAD+

Shrnutí sekce

Tato část pojednává o procesu kvašení. Vzhledem k velkému důrazu v tomto kurzu na centrální metabolismus uhlíku se diskuse o fermentaci pochopitelně zaměřuje na fermentaci pyruvátu. Nicméně některé ze základních principů, které pokrýváme v této části, platí stejně dobře pro fermentaci mnoha dalších malých molekul.

„Účel“ fermentace

Oxidace různých malých organických sloučenin je proces, který využívá mnoho organismů k získání energie pro buněčnou údržbu a růst. Jednou z těchto cest je oxidace glukózy glykolýzou. Několik klíčových kroků v oxidaci glukózy na pyruvát zahrnuje snížení NAD elektronového/energetického raketoplánu+ do NADH. Již jste byli požádáni, abyste zjistili, jaké možnosti by buňka mohla přiměřeně reoxidovat NADH na NAD+ aby se zabránilo spotřebě dostupných fondů NAD+ a aby se tak zabránilo zastavení glykolýzy. Jinak řečeno, během glykolýzy mohou buňky generovat velké množství NADH a pomalu vyčerpávat své zásoby NAD+. Pokud má glykolýza pokračovat, musí buňka najít způsob, jak regenerovat NAD+, buď syntézou, nebo nějakou formou recyklace.

Při absenci jakéhokoli jiného procesu - tedy pokud vezmeme v úvahu samotnou glykolýzu - není okamžitě zřejmé, co by buňka mohla udělat. Jednou z možností je zkusit vložit elektrony, které byly jednou zbaveny derivátů glukózy, zpět na následný produkt, pyruvát nebo jeden z jeho derivátů. Proces můžeme zobecnit tak, že ho popíšeme jako návrat elektronů do molekuly, ze které byly jednou odstraněny, obvykle za účelem obnovy zásob oxidačního činidla. To je ve zkratce fermentace. Jak budeme diskutovat v jiné části, proces dýchání může také regenerovat bazény NAD+ z NADH. Buňky postrádající dýchací řetězce nebo v podmínkách, kde je použití dýchacího řetězce nevýhodné, mohou zvolit fermentaci jako alternativní mechanismus pro získávání energie z malých molekul.

Příklad: fermentace kyselinou mléčnou

Každodenním příkladem fermentační reakce je redukce pyruvátu na laktát reakcí fermentace kyseliny mléčné. Tato reakce by vám měla být známá: vyskytuje se v našich svalech, když se během cvičení namáháme. Když se namáháme, naše svaly vyžadují velké množství ATP, aby mohly vykonávat práci, kterou od nich požadujeme. Když je ATP konzumováno, svalové buňky nejsou schopny držet krok s požadavkem na dýchání, O2 se stává omezujícím a NADH se hromadí. Buňky se musí zbavit přebytku a regenerovat NAD+, takže pyruvát slouží jako akceptor elektronů, generuje laktát a oxiduje NADH na NAD+. Mnoho bakterií používá tuto cestu jako způsob, jak dokončit NADH/NAD+ cyklus. Tento proces můžete znát z produktů, jako je kysané zelí a jogurt. Chemická reakce fermentace kyseliny mléčné je následující:

Pyruvát + NADH ↔ kyselina mléčná + NAD+

Obrázek 1. Fermentace kyselinou mléčnou převádí pyruvát (mírně oxidovaná sloučenina uhlíku) na kyselinu mléčnou. Přitom se NADH oxiduje za vzniku NAD+. Uvedení: Marc T. Facciotti (původní dílo)

Energetický příběh pro fermentaci pyruvátu na laktát

Příkladem (i když trochu zdlouhavého) energetického příběhu pro fermentaci kyseliny mléčné je následující:

Reaktanty jsou pyruvát, NADH a proton. Výrobky jsou laktát a NAD+. Výsledkem procesu fermentace je redukce pyruvátu za vzniku kyseliny mléčné a oxidace NADH za vzniku NAD+. K redukci pyruvátu na laktát se používají elektrony z NADH a proton. Pokud prozkoumáme tabulku standardního redukčního potenciálu, uvidíme za standardních podmínek, že přenos elektronů z NADH do pyruvátu za vzniku laktátu je exergonický a tedy termodynamicky spontánní. Redukční a oxidační kroky reakce jsou spojeny a katalyzovány enzymem laktátdehydrogenázou.

Druhý příklad: alkoholové kvašení

Dalším známým fermentačním procesem je alkoholová fermentace, která produkuje ethanol, alkohol. Alkoholová fermentační reakce je následující:

Obrázek 2. Fermentace ethanolu je dvoustupňový proces. Pyruvát (kyselina pyrohroznová) se nejprve převede na oxid uhličitý a acetaldehyd. Druhý krok převádí acetaldehyd na ethanol a oxiduje NADH na NAD+. Facciotti (původní dílo)

V první reakci se z kyseliny pyrohroznové odstraní karboxylová skupina a uvolní se oxid uhličitý jako plyn (někteří z vás to mohou znát jako klíčovou složku různých nápojů). Druhá reakce odstraní elektrony z NADH a vytvoří NAD+ a výroba ethanolu (další známé sloučeniny - obvykle ve stejném nápoji) z acetaldehydu, který přijímá elektrony.

Navrhovaná diskuse

Napište kompletní energetický příběh pro alkoholové kvašení. Navrhněte možné přínosy tohoto druhu fermentace pro jednobuněčný kvasinkový organismus.

Fermentačních cest je mnoho

Zatímco cesty fermentace kyseliny mléčné a fermentace alkoholu popsané výše jsou příklady, existuje mnoho dalších reakcí (příliš mnoho na to, abychom je mohli projít), které příroda vyvinula k dokončení NADH/NAD+ cyklus. Je důležité, abyste porozuměli obecným konceptům těchto reakcí. Buňky se obecně snaží udržovat rovnováhu nebo konstantní poměr mezi NADH a NAD+; když se tento poměr stane nevyváženým, buňka kompenzuje modulací dalších reakcí ke kompenzaci. Jediným požadavkem fermentační reakce je, že používá malou organickou sloučeninu jako akceptor elektronů pro NADH a regeneruje NAD+. Mezi další známé fermentační reakce patří fermentace ethanolu (jako u piva a chleba), propionová fermentace (to je to, co dělá díry ve švýcarském sýru) a jablečno -mléčné kvašení (to dává Chardonnay jemnější chuť - čím více přeměny malátu na laktát, měkčí víno). Na obrázku 3 můžete vidět širokou škálu fermentačních reakcí, které různé bakterie používají k reoxidaci NADH na NAD+. Všechny tyto reakce začínají pyruvátem nebo derivátem metabolismu pyruvátu, jako je oxaloacetát nebo mravenčan. Pyruvát se vyrábí oxidací cukrů (glukózy nebo ribózy) nebo jiných malých redukovaných organických molekul. Je třeba také poznamenat, že kromě pyruvátu a jeho derivátů lze jako fermentační substráty použít i jiné sloučeniny. Patří sem metanová fermentace, sulfidová fermentace nebo fermentace dusíkatých sloučenin, jako jsou aminokyseliny. Neočekává se, že si budete všechny tyto cesty pamatovat. Očekává se však, že poznáte cestu, která vrací elektrony do produktů sloučenin, které byly původně oxidovány za účelem recyklace NAD+/NADH pool a spojit tento proces s fermentací.

Obrázek 3. Tento obrázek ukazuje různé fermentační cesty využívající pyruvát jako výchozí substrát. Na obrázku je pyruvát redukován na různé produkty prostřednictvím různých a někdy vícestupňových (přerušované šipky představují možné vícestupňové procesy) reakcí. Všechny detaily nejsou záměrně zobrazeny. Klíčovým bodem je pochopit, že fermentace je široký pojem, který není spojen pouze s přeměnou pyruvátu na kyselinu mléčnou nebo ethanol. Zdroj: Marc T. Facciotti (původní dílo)

Poznámka ke spojení mezi fosforylací na úrovni substrátu a fermentací

Ke fermentaci dochází v nepřítomnosti molekulárního kyslíku (O2). Jedná se o anaerobní proces. Všimněte si, že neexistuje O2 při jakékoli z výše uvedených fermentačních reakcí. Mnoho z těchto reakcí je docela starodávných a předpokládá se, že jsou jedny z prvních vyvíjejících se energetických metabolických reakcí. To dává smysl, pokud vezmeme v úvahu následující:

  1. Počáteční atmosféra byla značně redukována a snadno byl k dispozici malý molekulární kyslík.
  2. Relativně byly k dispozici malé, vysoce redukované organické molekuly, které vznikly v důsledku různých chemických reakcí.
  3. Tyto typy reakcí, cest a enzymů se nacházejí v mnoha různých typech organismů, včetně bakterií, archea a eukaryot, což naznačuje, že se jedná o velmi staré reakce.
  4. Proces se vyvinul dlouho před O2 byl nalezen v prostředí.
  5. Substráty, vysoce redukované, malé organické molekuly, jako je glukóza, byly snadno dostupné.
  6. Konečnými produkty mnoha fermentačních reakcí jsou malé organické kyseliny, vyrobené oxidací počátečního substrátu.
  7. Proces je spojen s fosforylačními reakcemi na úrovni substrátu. To znamená, že malé redukované organické molekuly jsou oxidovány a ATP je generován nejprve reakcí red/ox a poté fosforylací na úrovni substrátu.
  8. To naznačuje, že fosforylační a fermentační reakce na úrovni substrátu se vyvíjely současně.

Navrhovaná diskuse

Pokud je hypotéza správná, že se fosforylační a fermentační reakce na úrovni substrátu vyvinuly a byly prvními formami energetického metabolismu, které buňky používaly ke generování ATP, jaké by tedy byly důsledky takových reakcí v průběhu času? Co kdyby to byly jediné formy energetického metabolismu dostupné po stovky tisíc let? Co kdyby byly buňky izolovány v malém uzavřeném prostředí? Co když malé, redukované substráty nebyly během této doby vyráběny se stejnou spotřebou?

Důsledky kvašení

Představte si svět, kde je kvašení primárním způsobem získávání energie z malých molekul. Jak se populacím daří, množí se a konzumují množství malých, redukovaných organických molekul v prostředí a produkují kyseliny. Jedním z důsledků je okyselení (snížení pH) prostředí, včetně vnitřního buněčného prostředí. To může být rušivé, protože změny pH mohou mít zásadní vliv na funkci a interakce mezi různými biomolekulami. Proto se vyvinuly mechanismy, které by mohly odstranit různé kyseliny. Naštěstí v prostředí bohatém na redukované sloučeniny může fosforylace a fermentace na úrovni substrátu produkovat velké množství ATP.

Předpokládá se, že tento scénář byl počátkem evoluce F0F1-ATPase, molekulární stroj, který hydrolyzuje ATP a translokuje protony přes membránu (uvidíme to znovu v další části). S F.0F1-ATPáza, ATP produkovaný fermentací by nyní mohl buňce umožnit udržovat homeostázu pH spojením volné energie hydrolýzy ATP s transportem protonů z buňky. Temnější stránkou je, že buňky nyní pumpují všechny tyto protony do prostředí, které nyní začne okyselovat.

Navrhovaná diskuse

Pokud je hypotéza správná, pak F0F1-ATPase se také vyvinula společně s fosforylačními a fermentačními reakcemi na úrovni substrátu, co by se tedy časem stalo s prostředím? Ačkoli malé, redukované organické sloučeniny mohly být zpočátku hojné, pokud by fermentace v určitém okamžiku „odstartovala“, redukované sloučeniny by došly a ATP by se pak mohl také stát vzácným. To je problém. Při myšlení s ohledem na rubriku výzvy k návrhu definujte problém (y), kterým buňka čelí v tomto hypotetickém prostředí. Jaké jsou další potenciální mechanismy nebo způsoby, jak by příroda mohla problém (y) překonat?


Fermentace a regenerace NAD+

Jakákoli diskuse, která se zaměřuje na fermentaci, by se měla zabývat fermentací pyruvátu. Některé základní principy fermentace jsou však v mnoha příkladech viditelné při každodenních činnostech. Nezáleží na tom, jak malá molekula je fermentace a regenerace NAD+ je možná.

Role kvašení

Oxidace malých organických sloučenin probíhá prostřednictvím mikroorganismu, který získává energii z buněčné údržby a růstu. Příkladem je oxidace glukózy glykosy.

Některé zásadní kroky potřebné k fermentaci glukózy zahrnují redukci elektronového NAD+ na NADH. Během glykózy budou buňky generovat velké množství NADH a vyčerpají veškeré zásoby NAD+. Aby glykóza pokračovala, musí buňka najít způsob, jak regenerovat NAD+ buď syntézou, nebo recyklací.

Pokud neexistuje žádná jiná možnost nebo proces, nikdo nemůže říci, co by buňka mohla udělat. Můžeme zkusit vrátit zpět elektrony, které byly dříve zbaveny glukózy, do následného produktu nebo jednoho z jeho derivátů. Fermentace je, když se pokoušíme obnovit zásoby oxidačních činidel (dříve odstraněný elektron).

Příklad kvašení: kyselina mléčná

Toto je každodenní příklad, kdy redukce sloučeniny na laktát kyselinou mléčnou probíhá fermentací.

Tato reakce se stane vašim svalům během cvičení. Během cvičení vaše svaly vyžadují velké množství adenosintrifosfátu (ATP) k provedení vybrané činnosti. Jakmile dojde k poklesu ATP, svalová vlákna neudrží krok s rostoucí potřebou dýchání, protože hladiny kyslíku se stávají omezenými a hromadí se nikotinamidadenin dinukleotid (NADH). Buňky se musí zbavit přebytku a regenerovat NAD+, a tak pyruvát převezme roli akceptoru elektronů a začne generovat laktát a oxidovat NADH na NAD+. Většina bakterií použije tuto cestu k dokončení cyklu NADH /NAD+. Přesně to se děje v jogurtu.

Odkud pochází energie při fermentaci?

Reagujícími činidly jsou v tomto případě Proton, NADH a Pyruvate. Výrobky jsou NAD+ a laktát. Celý proces fermentace poskytuje redukovaný pyruvát vytvořením kyseliny mléčné oxidací NADH za vzniku NAD+. Elektrony z NADH a proton se spojují a redukují pyruvát na laktát. Pokud tuto reakci prozkoumáme, uvidíme, že za normálních podmínek je přenos elektronů z NADH na pyruvát za vzniku laktátu exogenní reakcí, a tedy termodynamickým výsledkem. Redukční a oxidační fáze fermentačního procesu jsou spojeny a katalyzovány enzymem laktátdehydrogenázou.

Příroda má několik cest kvašení

Příroda, jak ji známe, se vyvinula tak, aby dokončila cyklus NADH / NAD+. Je důležité, abychom porozuměli obecným konceptům fermentace. Buňky se obecně snaží udržovat rovnováhu nebo konstantní poměr mezi NADH a NAD+, když se poměr stane nestabilním, buňky se snaží kompenzovat modulací svých buněčných aktivit. Jediným požadavkem, který umožňuje fermentaci, je použití malé sloučeniny (organické) jako akceptoru elektronů pro NADH a regenerace na NAD+. Přečtěte si více o přírodních zdrojích NAD+.


Shrnutí sekce

Pokud NADH nelze metabolizovat aerobním dýcháním, použije se jiný akceptor elektronů. Většina organismů použije nějakou formu fermentace k dosažení regenerace NAD +, což zajistí pokračování glykolýzy. Regenerace NAD + ve fermentaci není doprovázena produkcí ATP, proto potenciál NADH produkovat ATP pomocí elektronového transportního řetězce není využíván.

Další otázky týkající se vlastní kontroly

1. Tremetol, metabolický jed nacházející se v kořenové rostlině bílého hada, brání metabolismu laktátu. Když krávy jedí tuto rostlinu, Tremetol se koncentruje v mléce. Lidé, kteří konzumují mléko, onemocní. Příznaky tohoto onemocnění, mezi něž patří zvracení, bolesti břicha a třes, se po cvičení zhoršují. Proč si myslíte, že tomu tak je?

2. Když ve svalových buňkách dojde kyslík, co se stane s potenciálem pro extrakci energie z cukrů a jaké cesty buňky používají?

Odpovědi

Glosář

anaerobní buněčné dýchání: použití elektronového akceptoru jiného než kyslíku k dokončení metabolismu pomocí chemiosmózy na bázi transportu elektronů

kvašení: kroky, které následují po částečné oxidaci glukózy pomocí glykolýzy k regeneraci NAD +, probíhají v nepřítomnosti kyslíku a jako konečný akceptor elektronů používá organickou sloučeninu


Fermentační proces lze definovat různými způsoby. Pokud uvažujeme v biochemickém poli, rozkládá chemické vazby v cukrech a přeměňuje se na energii, kterou není možné vyrobit v procesu glykolýzy.

Během našich běžných činností je množství kyslíku pro dýchání v našem těle dostatečné, ale když do svého každodenního života zapojíme vysoké aktivity, naše tělo nemůže dodat dostatek kyslíku pro tělesné buňky, v důsledku toho dýcháme rychleji.

Takže v té době, jak buňky těla udržují funkci buněčného dýchání bez dostatečného kyslíku?

Bez kyslíku lze v procesu glykolýzy pokračovat. Pokud je k dispozici kyslík, používá se v buněčném dýchání, kde kyslík zachycuje elektrony. Ale pokud není kyslík, elektron by nebylo možné zachytit a tentokrát mohou procesy glykolýzy pokračovat produkcí ATP bez kyslíku.

Obrázek: Proces fermentace.

Molekuly ATP se vyrábějí v procesu glykolýzy. Molekuly ATP však nejsou vyráběny ve fermentačním procesu, ale umožňují pokračování glykolýzy. Fermentace může odstranit elektron z molekul NADH a regenerovat molekuly NAD+, což je potřeba pro glykolýzu, která zachytí elektron tam, kde není potřeba kyslík, aby zachytil elektrony pro pokračování funkce těla. Proces glykolýzy by byl zastaven, pokud nedojde k vyzvednutí elektronů a bez NAD+ není možné zachytit elektrony štěpením glukózy.

Jak může NAD+ pomoci při pokračování v procesu glykolýzy?

Když v buňce není kyslík, v procesu glykolýzy se glukóza rozkládá na dvě molekuly pyruvátu produkcí dvou molekul ATP a redukuje molekulu NAD+ na NADH, což je zásobárna energie.

Poté během procesu fermentace poskytují dvě molekuly NADH energii k přeměně pyruvátu na fermentační produkty. Prostřednictvím použití NADH je rehabilitován zpět do NAD+. Dvě molekuly NAD+ jsou recyklovány zpět do glykolýzy. Pak by mohl proces glykolýzy pokračovat pomocí recyklovaného NAD+.

Pokud se vám tento článek bude zdát zajímavý, nebo pokud máte nějaké dotazy, napište komentář.


Co se naučíte:

Proces glykolýzy zahrnuje přeměnu reaktantu, glukózy plus dvou molekul NAD+, dvou molekul ADP plus 2Pi, na produkty, tj. Dvě molekuly pyruvátu plus dvě molekuly NADH plus dvě molekuly H+ a dvě molekuly ATP. Pokud by ke glykolýze docházelo nepřetržitě, všechny molekuly NAD+ by byly použity zcela, a tím by skončil cyklus glykolýzy. K pokračování cyklu glykolýzy musí dojít k převodu NADH zpět na NAD+. Výskyt tohoto kroku je založen na dostupném externím akceptoru elektronů. První způsob, který lze použít k provedení stejného postupu, je konverze pyruvátu na laktát a tento proces se nazývá fermentace kyseliny mléčné. V této reakci je pyruvát, NADH a H+ reaktant, který se přemění na laktát a NAD+. Tento proces se také děje v bakteriích, které se používají k výrobě jogurtu. Existují jednotlivé organismy, například kvasinky, které zahrnují přeměnu NADH na NAD+ prostřednictvím procesu označovaného jako ethanolová fermentace. Dochází k přeměně pyruvátu na acetaldehyd a oxid uhličitý, který se zase přeměňuje na ethanol. Fermentace ethanolu i fermentace kyselinou mléčnou probíhá v nepřítomnosti kyslíku. Jednobuněčné organismy proto mohou jako zdroj energie použít takovou anaerobní fermentaci. Anoxickou regeneraci NAD+ lze studovat jako účinný prostředek pro výrobu energie během krátkého období, které trvá od 10 sekund do přibližně 2 minut. Dochází k doplňování NAD+ prostřednictvím NADH dáváním elektronů do pyruvátu, což následně vede k produkci laktátu. To nakonec produkuje dvě molekuly ATP, které jsou vytvořeny z jedné molekuly glukózy. Fermentaci pyruvátu na laktát lze také označit jako anaerobní glykolýza. Ve zmínce o dvou kvašeních proběhla oxidace NADH, která vede k přenosu dvou elektronů do pyruvátu.


Jak je NAD+ účinný

Otevřete libovolnou učebnici biologie a dozvíte se o NAD+, což znamená nikotinamidadenin dinukleotid. Je to kritický koenzym nacházející se v každé buňce vašeho těla, který se podílí na stovkách metabolických procesů, jako je buněčná energie a mitochondriální zdraví. NAD+ pracuje tvrdě v buňkách lidí a dalších savců, kvasinek a bakterií, dokonce i rostlin.

Vědci věděli o NAD+ od jeho prvního objevu v roce 1906 a od té doby se naše chápání jeho důležitosti stále vyvíjí. Například NAD+ prekurzor niacin hrál roli ve zmírnění pellagra, smrtelné nemoci, která sužovala americký jih v 1900s. Tehdejší vědci zjistili, že mléko a kvasnice, které obsahují prekurzory NAD+, zmírňují příznaky. V průběhu času vědci identifikovali několik prekurzorů NAD+ - mimo jiné kyselinu nikotinovou, nikotinamid a nikotinamid ribosid - které využívají přirozené cesty vedoucí k NAD+. Představte si prekurzory NAD+ jako různé trasy, kterými se můžete dostat do cíle. Všechny cesty vás dostanou na stejné místo, ale různými způsoby dopravy.

V poslední době se NAD+ stala cennou molekulou ve vědeckém výzkumu díky své centrální roli v biologických funkcích. Vědecká komunita zkoumá, jak NAD+ souvisí s pozoruhodnými přínosy pro zvířata, která nadále inspirují vědce k přenosu těchto zjištění na člověka. Jak přesně tedy NAD+ hraje tak důležitou roli? Stručně řečeno, je to koenzymová nebo „pomocná“ molekula, která se váže na jiné enzymy a pomáhá tak vyvolávat reakce na molekulární úrovni.


Zvýšená poptávka po NAD + ve srovnání s ATP pohání aerobní glykolýzu

Aerobní glykolýza nebo preferenční fermentace pyruvátu odvozeného z glukózy na laktát navzdory dostupnému kyslíku je spojena s proliferací v mnoha organizmech a podmínkách. Abychom lépe porozuměli této asociaci, zkoumali jsme metabolický důsledek aktivace komplexu pyruvátdehydrogenázy (PDH) za účelem zvýšení oxidace pyruvátu na úkor fermentace. Zjistili jsme, že zvýšení aktivity PDH narušuje proliferaci buněk snížením poměru NAD + /NADH. Tato změna v NAD + /NADH je způsobena zvýšeným potenciálem mitochondriální membrány, který narušuje mitochondriální transport elektronů a regeneraci NAD +. Odpojení dýchání od syntézy ATP nebo rostoucí hydrolýza ATP obnoví homeostázu a proliferaci NAD + /NADH, i když je oxidace glukózy zvýšena. Tato data naznačují, že když poptávka po NAD + na podporu oxidačních reakcí překročí rychlost obratu ATP v buňkách, regenerace NAD + mitochondriálním dýcháním se omezí, což podporuje fermentaci, a to navzdory dostupnému kyslíku. To argumentuje, že buňky se zapojují do aerobní glykolýzy, když je poptávka po NAD + vyšší než poptávka po ATP.

Klíčová slova: Fermentace aerobní glykolýzy buněčného metabolismu NAD+ PDK Warburg.

Copyright © 2020 Autoři. Vydala Elsevier Inc. Všechna práva vyhrazena.


Fáze vývoje a vývoje vína

Monica Butnariu, Alina Butu, v alkoholických nápojích, 2019

10.11 Alkoholické kvašení

Alkoholová fermentace moštu je spontánní nebo indukovaný biochemický oxidoredukční proces, při kterém se uhlovodany působením kvasinkových enzymů přeměňují na ethylalkohol a CO 2 jako hlavní produkty doprovázeno několika vedlejšími produkty.

Tento proces je exotermický a pro dosažení jednoho stupně alkoholu je třeba použít 15,7 až 18 g cukru/l. Rozklad sacharidů na alkohol a CO2 probíhá uvnitř kvasinkových buněk. Cukrový roztok proniká buněčnou membránou a výsledné produkty (alkohol, CO2, atd.) jsou rozptýleny v prostředí. Proces je určen aktivitou kvasinek, protože obsahují enzymy potřebné k provedení fermentace.

Působením komplexu kvasinkových enzymů se cukr v moštu po absorpci do buněk a tvorbě esterů fosforu změní na fosfoglycerální aldehyd. Oxidačně-redukčními reakcemi a kvantifikovaným uvolňováním potenciální energie vznikají 2 mol ATP, jeden mol triózy a hlavní produkty fermentace. Patří sem CO2, získaný dekarboxylací kyseliny pyrohroznové a ethylalkoholu, získaný redukcí acetaldehydu v přítomnosti dehydrogenázy.

10.11.1 Enzymatická povaha procesu kvašení

Alkoholická fermentace je složitý proces, ve kterém enzymy působí jako katalyzátor reakcí rozkladu uhlohydrátů a tvorby specifických sloučenin. Mezi třídy enzymů kvasinek patří: oxidoreduktázy, hydroláza, transferázy, lyzáty, izomerázy, ligázy a syntázy. Do fermentačního procesu jsou zapojeny následující enzymy: hexokináza, aldoláza, dehydrogenáza, fosfohexoisomeráza, fosfohexokináza, trioza izomeráza, pyruvát kináza, pyruvát dekarboxyláza, aldohydrogenáza atd. Enzymy interferují ve fermentačním procesu v postupných fázích, působí konkrétně prostřednictvím svých aktivních složek , koenzymy.

10.11.2 Koenzymy účastnící se procesu fermentace

Nikotinamid-adenin-dinukleotid (NAD +) je koenzym mnoha enzymů ve třídě dehydrogenázy, úkolem je reverzibilně fixovat vodíkové ionty dodávané na substrát a oxidoredukční mechanismus probíhá na úrovni pyridinového jádra. Oxiduje se v přítomnosti kladného náboje z atomu dusíku, nebo se redukuje, pokud takové zatížení dusíkem neexistuje. Kokarboxyláza nebo thiamin pyrofosfát (TPP) je enzym koenzym ze třídy dekarboxyláz k dekarboxylaci ketonů na aldehydy za přítomnosti iontů Mg2 +.

Adenosintrifosfát (ATP) se podílí na transportu fosfátových iontů, tj. Na fosforylaci sacharidů, s rolí v energetické rovnováze fermentace.

Adenosindifosfát (ADP) se podílí na transportu fosfátových iontů, tj. Fosforylaci sacharidů. Koenzym A (CoA-SH) je amidová sloučenina kyseliny pantothenové. Jeho aktivita je vtištěna acetylovou skupinou SH ve formě thioesteru (acetyl koenzym A). Reakce je bohatá na energii a je spojena s tvorbou energeticky bohaté molekuly ATP.

10.11.3 Biochemický mechanismus alkoholové fermentace

Fermentační proces je proces chemické degradace působením enzymů, přírodních produktů se složitou strukturou ve výrobcích s jednoduchou strukturou. Tento proces generuje energii (kalorickou energii). Toto jsou kroky úplného fermentačního cyklu:

fáze akumulace biomasy, kdy je fermentace omezena

při hlavním kvašení se fermentuje asi 80% původního cukru a

sekundární fermentace při tvorbě alkoholů.

Alkoholická fermentace probíhá po biochemickém mechanismu kvasinkové glykolýzy, kterým jsou hexózy přeměněny na kyselinu pyrohroznovou a následně na ethylalkohol a CO 2.

Vyšší alkoholy (propylalkohol, isopropylalkohol, isobutylalkohol, amylalkohol, izoamylalkohol) se tvoří ve víně a vytvářejí vůni během obohacování vína, čímž se zlepšují vlastnosti čichové chuti prostřednictvím vzhledu esterů. Glycerol (glycerin) je vedlejším produktem alkoholové fermentace, který vzniká na začátku procesu. Podíl glycerolu ve víně závisí na:

počáteční koncentrace moštu v sacharidech

množství SO2 slouží k ochraně moštu

teplota udržovaná během kvašení

trvání procesu alkoholového kvašení a

kvasinky, které provedly alkoholové kvašení atd. (Springer et al., 2016).

Po těchto podmínkách se glycerol nachází v poměru 6–10 g na každých 100 g ethylalkoholu. Vína, kde je poměr glycerolu/alkoholu nižší než 6,5%, byla dříve alkoholizována a pokud tento poměr překročí 10%, lze u vín podezření na přidání glycerolu. Přírodní vína mají obsah glycerolu mezi 5 a 15 g/l. Acetický aldehyd se hromadí v prvních 2–3 dnech fermentace a koncentrace se pohybuje mezi 40 a 50 mg/l. Vytvářejí se aromatické aldehydy (benzoový aldehyd, vanilin, skořicový aldehyd, aceton, diacetyl). Jsou potřebné při syntéze chuti a vůně charakteristické pro vína. Ve víně se tvoří těkavé kyseliny, v závislosti na převládajícím druhu kvasinek, mezi 10 a 280 mg/l. Kromě kyseliny jablečné, kyseliny vinné a kyseliny citrónové se fermentací akumuluje 10–16 mg/l kyseliny pyrogenové, kyseliny α-ketoglutarové, 90–119 mg/l, kyseliny octové, kyseliny mléčné atd. Většina aromat, která jsou vzniklé během fermentace jsou vyráběny z metabolismu dusičnanů kvasinek a jsou důsledkem nedokonalé koordinace aktivity enzymů zapojených do těchto biochemických procesů (Goold et al., 2017).

10.11.4 Metabolizace síry kvasinkami

Růst a množení kvasinek je podmíněno přítomností asimilovatelných zdrojů síry v moštu, jako jsou sírany a malé množství biotinu a thiaminu. Část kvasinek spotřebovává síru z methioninu, protože cystin a cystein jsou těžce degradovány a je obtížné je asimilovat. Z chemického složení kvasinek tvoří 0,2% –0,8% sušiny síra a vstupuje do struktury proteinů a enzymatických kofaktorů (biotin, thiamin, kyselina lipoová atd.). Kvasinkové buňky redukují sírany na siřičitany a H2S, používaný pro biosyntézu síry. Během skladování kvasnicového vína, po autolýze, H2S vzniká působením cystein -sulfhydrylázy působící na nevalentní sloučeniny se skupinami –SH. Negativně ovlivňuje kvalitu vína, tvoří ethyl merkaptany, které dodávají nežádoucí chuť a vůni. Metabolizací sloučenin síry mohou kvasinky produkovat 10–80 mg SO2/L na konci období fermentace. Ke stabilizaci mladých vín speciální kultury kvasinek, které produkují až 80 mg SO2/L během kvašení, se používají k prevenci oxidačního rozkladu.

10.11.5 Must Fermentation Technology

Požadovanými operacemi jsou příprava vybraných startovacích kultur kvasinek plněním kvasných nádob očkováním moštem vybranými kvasinkami přidáním aktivátorů fermentace řídících proces kvašení a přerušením kvašení u sladkých vín.

10.11.6 Příprava kvasnicových startovacích kultur

K získání různých druhů vysoce kvalitních vín se kvašení provádí získáním vybraných kultur kmenů rodu Saccharomyces ellipsoideus a Saccharomyces oviformis. Tyto kvasinky vytvářejí příznivé podmínky pro kvašení moštu a aktivitu ostatních kvasinek.

Optimální teplota kvašení je mezi 22 ° C a 27 ° C. Pro příznivý vývoj závisí kvasinky moštu na: teplotě, která se zvyšuje s množstvím ethylalkoholu a CO2 zvyšuje, dosahuje až 35 ° C osmotický tlak moštu oxidačně-redukčního potenciálu moštu hladina dusíku v moštu koncentrace CO2 a kyslík těkavé kyseliny (mravenčí, octová, propionová, mléčná) třísloviny a minerální soli a vitamíny v moštu. Příprava vybraných startovacích kultur kvasinek ve formě aktivního kvasu se provádí ve speciálních rostlinách.

The operation is done 1 week prior to the beginning of the grape vinification campaign, first at laboratory level, and then going through production stage. The laboratory stage is more important because the quality of the wine will depend on the yeast strain used. The yeast is selected, preserved, and multiplied in optimum conditions. In the production stage the selected yeast culture will be transformed to leaven ( Ciani et al., 2016 ).


Chapter 9 – Cellular Respiration

· To perform their many tasks, living cells require energy from outside sources.

· Energy enters most ecosystems as sunlight and leaves as heat.

· Photosynthesis generates oxygen and organic molecules that the mitochondria of eukaryotes use as fuel for cellular respiration.

· Cells harvest the chemical energy stored in organic molecules and use it to regenerate ATP, the molecule that drives most cellular work.

· Respiration has three key pathways: glycolysis, the citric acid cycle, and oxidative phosphorylation.

A. The Principles of Energy Harvest

1. Cellular respiration and fermentation are catabolic, energy-yielding pathways.

· The arrangement of atoms of organic molecules represents potential energy.

· Enzymes catalyze the systematic degradation of organic molecules that are rich in energy to simpler waste products with less energy.

· Some of the released energy is used to do work the rest is dissipated as heat.

· Catabolic metabolic pathways release the energy stored in complex organic molecules.

· One type of catabolic process, fermentation, leads to the partial degradation of sugars in the absence of oxygen.

· A more efficient and widespread catabolic process, cellular respiration, consumes oxygen as a reactant to complete the breakdown of a variety of organic molecules.

° In eukaryotic cells, mitochondria are the site of most of the processes of cellular respiration.

· Cellular respiration is similar in broad principle to the combustion of gasoline in an automobile engine after oxygen is mixed with hydrocarbon fuel.

° Food is the fuel for respiration. The exhaust is carbon dioxide and water.

° organic compounds + O2 à CO2 + H2O + energy (ATP + heat).

· Carbohydrates, fats, and proteins can all be used as the fuel, but it is most useful to consider glucose.

° C6H12O6 + 6O2 à 6CO2 + 6H2O + Energy (ATP + heat)

· The catabolism of glucose is exergonic with a D G of −686 kcal per mole of glucose.

° Some of this energy is used to produce ATP, which can perform cellular work.

2. Redox reactions release energy when electrons move closer to electronegative atoms.

· Catabolic pathways transfer the electrons stored in food molecules, releasing energy that is used to synthesize ATP.

· Reactions that result in the transfer of one or more electrons from one reactant to another are oxidation-reduction reactions, or redox reactions.

° The loss of electrons is called oxidation.

° The addition of electrons is called reduction.

· The formation of table salt from sodium and chloride is a redox reaction.

° Here sodium is oxidized and chlorine is reduced (its charge drops from 0 to −1).

· More generally: Xe− + Y à X + Ye−

° X, the electron donor, is the reducing agent and reduces Y.

° Y, the electron recipient, is the oxidizing agent and oxidizes X.

· Redox reactions require both a donor and acceptor.

· Redox reactions also occur when the transfer of electrons is not complete but involves a change in the degree of electron sharing in covalent bonds.

° In the combustion of methane to form water and carbon dioxide, the nonpolar covalent bonds of methane (C—H) and oxygen (O=O) are converted to polar covalent bonds (C=O and O—H).

° When methane reacts with oxygen to form carbon dioxide, electrons end up farther away from the carbon atom and closer to their new covalent partners, the oxygen atoms, which are very electronegative.

° In effect, the carbon atom has partially “lost” its shared electrons. Thus, methane has been oxidized.

· The two atoms of the oxygen molecule share their electrons equally. When oxygen reacts with the hydrogen from methane to form water, the electrons of the covalent bonds are drawn closer to the oxygen.

° In effect, each oxygen atom has partially “gained” electrons, and so the oxygen molecule has been reduced.

° Oxygen is very electronegative, and is one of the most potent of all oxidizing agents.

· Energy must be added to pull an electron away from an atom.

· The more electronegative the atom, the more energy is required to take an electron away from it.

· An electron loses potential energy when it shifts from a less electronegative atom toward a more electronegative one.

· A redox reaction that relocates electrons closer to oxygen, such as the burning of methane, releases chemical energy that can do work.

3. The “fall” of electrons during respiration is stepwise, via NAD+ and an electron transport chain.

· Cellular respiration does not oxidize glucose in a single step that transfers all the hydrogen in the fuel to oxygen at one time.

· Rather, glucose and other fuels are broken down in a series of steps, each catalyzed by a specific enzyme.

° At key steps, electrons are stripped from the glucose.

° In many oxidation reactions, the electron is transferred with a proton, as a hydrogen atom.

· The hydrogen atoms are not transferred directly to oxygen but are passed first to a coenzyme called NAD+ (nicotinamide adenine dinucleotide).

· How does NAD+ trap electrons from glucose?

° Dehydrogenase enzymes strip two hydrogen atoms from the fuel (e.g., glucose), oxidizing it.

° The enzyme passes two electrons and one proton to NAD+.

° The other proton is released as H+ to the surrounding solution.

· By receiving two electrons and only one proton, NAD+ has its charge neutralized when it is reduced to NADH.

° NAD+ functions as the oxidizing agent in many of the redox steps during the catabolism of glucose.

· The electrons carried by NADH have lost very little of their potential energy in this process.

· Each NADH molecule formed during respiration represents stored energy. This energy is tapped to synthesize ATP as electrons “fall” from NADH to oxygen.

· How are electrons extracted from food and stored by NADH finally transferred to oxygen?

° Unlike the explosive release of heat energy that occurs when H2 and O2 are combined (with a spark for activation energy), cellular respiration uses an electron transport chain to break the fall of electrons to O2 into several steps.

· The electron transport chain consists of several molecules (primarily proteins) built into the inner membrane of a mitochondrion.

· Electrons released from food are shuttled by NADH to the “top” higher-energy end of the chain.

· At the “bottom” lower-energy end, oxygen captures the electrons along with H+ to form water.

· Electron transfer from NADH to oxygen is an exergonic reaction with a free energy change of −53 kcal/mol.

· Electrons are passed to increasingly electronegative molecules in the chain until they reduce oxygen, the most electronegative receptor.

· In summary, during cellular respiration, most electrons travel the following “downhill” route: food à NADH à electron transport chain à oxygen.

B. The Process of Cellular Respiration

1. These are the stages of cellular respiration: a preview.

· Respiration occurs in three metabolic stages: glycolysis, the citric acid cycle, and the electron transport chain and oxidative phosphorylation.

· Glycolysis occurs in the cytoplasm.

° It begins catabolism by breaking glucose into two molecules of pyruvate.

· The citric acid cycle occurs in the mitochondrial matrix.

° It completes the breakdown of glucose by oxidizing a derivative of pyruvate to carbon dioxide.

· Several steps in glycolysis and the citric acid cycle are redox reactions in which dehydrogenase enzymes transfer electrons from substrates to NAD+, forming NADH.

· NADH passes these electrons to the electron transport chain.

· In the electron transport chain, the electrons move from molecule to molecule until they combine with molecular oxygen and hydrogen ions to form water.

· As they are passed along the chain, the energy carried by these electrons is transformed in the mitochondrion into a form that can be used to synthesize ATP via oxidative phosphorylation.

· The inner membrane of the mitochondrion is the site of electron transport and chemiosmosis, processes that together constitute oxidative phosphorylation.

° Oxidative phosphorylation produces almost 90% of the ATP generated by respiration.

· Some ATP is also formed directly during glycolysis and the citric acid cycle by substrate-level phosphorylation.

° Here an enzyme transfers a phosphate group from an organic substrate to ADP, forming ATP.

· For each molecule of glucose degraded to carbon dioxide and water by respiration, the cell makes up to 38 ATP, each with 7.3 kcal/mol of free energy.

· Respiration uses the small steps in the respiratory pathway to break the large denomination of energy contained in glucose into the small change of ATP.

° The quantity of energy in ATP is more appropriate for the level of work required in the cell.

2. Glycolysis harvests chemical energy by oxidizing glucose to pyruvate.

· During glycolysis, glucose, a six carbon-sugar, is split into two three-carbon sugars.

· These smaller sugars are oxidized and rearranged to form two molecules of pyruvate, the ionized form of pyruvic acid.

· Each of the ten steps in glycolysis is catalyzed by a specific enzyme.

· These steps can be divided into two phases: an energy investment phase and an energy payoff phase.

· In the energy investment phase, the cell invests ATP to provide activation energy by phosphorylating glucose.

° This requires 2 ATP per glucose.

· In the energy payoff phase, ATP is produced by substrate-level phosphorylation and NAD+ is reduced to NADH by electrons released by the oxidation of glucose.

· The net yield from glycolysis is 2 ATP and 2 NADH per glucose.

° No CO2 is produced during glycolysis.

· Glycolysis can occur whether O2 is present or not.

3. The citric acid cycle completes the energy-yielding oxidation of organic molecules.

· More than three-quarters of the original energy in glucose is still present in the two molecules of pyruvate.

· If oxygen is present, pyruvate enters the mitochondrion where enzymes of the citric acid cycle complete the oxidation of the organic fuel to carbon dioxide.

· After pyruvate enters the mitochondrion via active transport, it is converted to a compound called acetyl coenzyme A or acetyl CoA.

· This step is accomplished by a multienzyme complex that catalyzes three reactions:

1. A carboxyl group is removed as CO2.

2. The remaining two-carbon fragment is oxidized to form acetate. An enzyme transfers the pair of electrons to NAD+ to form NADH.

3. Acetate combines with coenzyme A to form the very reactive molecule acetyl CoA.

· Acetyl CoA is now ready to feed its acetyl group into the citric acid cycle for further oxidation.

· The citric acid cycle is also called the Krebs cycle in honor of Hans Krebs, who was largely responsible for elucidating its pathways in the 1930s.

· The citric acid cycle oxidizes organic fuel derived from pyruvate.

° The citric acid cycle has eight steps, each catalyzed by a specific enzyme.

° The acetyl group of acetyl CoA joins the cycle by combining with the compound oxaloacetate, forming citrate.

° The next seven steps decompose the citrate back to oxaloacetate. It is the regeneration of oxaloacetate that makes this process a cycle.

° Three CO2 molecules are released, including the one released during the conversion of pyruvate to acetyl CoA.

· The cycle generates one ATP per turn by substrate-level phosphorylation.

° A GTP molecule is formed by substrate-level phosphorylation.

° The GTP is then used to synthesize an ATP, the only ATP generated directly by the citric acid cycle.

· Most of the chemical energy is transferred to NAD+ and FAD during the redox reactions.

· The reduced coenzymes NADH and FADH2 then transfer high-energy electrons to the electron transport chain.

· Each cycle produces one ATP by substrate-level phosphorylation, three NADH, and one FADH2 per acetyl CoA.

4. The inner mitochondrial membrane couples electron transport to ATP synthesis.

· Only 4 of 38 ATP ultimately produced by respiration of glucose are produced by substrate-level phosphorylation.

° Two are produced during glycolysis, and 2 are produced during the citric acid cycle.

· NADH and FADH2 account for the vast majority of the energy extracted from the food.

° These reduced coenzymes link glycolysis and the citric acid cycle to oxidative phosphorylation, which uses energy released by the electron transport chain to power ATP synthesis.

· The electron transport chain is a collection of molecules embedded in the cristae, the folded inner membrane of the mitochondrion.

° The folding of the cristae increases its surface area, providing space for thousands of copies of the chain in each mitochondrion.

° Most components of the chain are proteins bound to prosthetic groups, nonprotein components essential for catalysis.

· Electrons drop in free energy as they pass down the electron transport chain.

· During electron transport along the chain, electron carriers alternate between reduced and oxidized states as they accept and donate electrons.

° Each component of the chain becomes reduced when it accepts electrons from its “uphill” neighbor, which is less electronegative.

° It then returns to its oxidized form as it passes electrons to its more electronegative “downhill” neighbor.

· Electrons carried by NADH are transferred to the first molecule in the electron transport chain, a flavoprotein.

· The electrons continue along the chain that includes several cytochrome proteins and one lipid carrier.

° The prosthetic group of each cytochrome is a heme group with an iron atom that accepts and donates electrons.

· The last cytochrome of the chain, cyt a3, passes its electrons to oxygen, which is very electronegative.

° Each oxygen atom also picks up a pair of hydrogen ions from the aqueous solution to form water.

° For every two electron carriers (four electrons), one O2 molecule is reduced to two molecules of water.

· The electrons carried by FADH2 have lower free energy and are added at a lower energy level than those carried by NADH.

° The electron transport chain provides about one-third less energy for ATP synthesis when the electron donor is FADH2 rather than NADH.

· The electron transport chain generates no ATP directly.

· Its function is to break the large free energy drop from food to oxygen into a series of smaller steps that release energy in manageable amounts.

· How does the mitochondrion couple electron transport and energy release to ATP synthesis?

° The answer is a mechanism called chemiosmosis.

· A protein complex, ATP synthase, in the cristae actually makes ATP from ADP and Pi.

· ATP uses the energy of an existing proton gradient to power ATP synthesis.

° The proton gradient develops between the intermembrane space and the matrix.

· The proton gradient is produced by the movement of electrons along the electron transport chain.

· The chain is an energy converter that uses the exergonic flow of electrons to pump H+ from the matrix into the intermembrane space.

· The protons pass back to the matrix through a channel in ATP synthase, using the exergonic flow of H+ to drive the phosphorylation of ADP.

· Thus, the energy stored in a H+ gradient across a membrane couples the redox reactions of the electron transport chain to ATP synthesis.

· From studying the structure of ATP synthase, scientists have learned how the flow of H+ through this large enzyme powers ATP generation.

· ATP synthase is a multisubunit complex with four main parts, each made up of multiple polypeptides:

1. A rotor in the inner mitochondrial membrane.

2. A knob that protrudes into the mitochondrial matrix.

3. An internal rod extending from the rotor into the knob.

4. A stator, anchored next to the rotor, which holds the knob stationary.

· Protons flow down a narrow space between the stator and rotor, causing the rotor and its attached rod to rotate.

° The spinning rod causes conformational changes in the stationary knob, activating three catalytic sites in the knob where ADP and inorganic phosphate combine to make ATP.

· How does the inner mitochondrial membrane generate and maintain the H+ gradient that drives ATP synthesis in the ATP synthase protein complex?

° Creating the H+ gradient is the function of the electron transport chain.

° The ETC is an energy converter that uses the exergonic flow of electrons to pump H+ across the membrane from the mitochondrial matrix to the intermembrane space.

° The H+ has a tendency to diffuse down its gradient.

· The ATP synthase molecules are the only place that H+ can diffuse back to the matrix.

° The exergonic flow of H+ is used by the enzyme to generate ATP.

° This coupling of the redox reactions of the electron transport chain to ATP synthesis is called chemiosmosis.

· How does the electron transport chain pump protons?

° Certain members of the electron transport chain accept and release H+ along with electrons.

° At certain steps along the chain, electron transfers cause H+ to be taken up and released into the surrounding solution.

· The electron carriers are spatially arranged in the membrane in such a way that protons are accepted from the mitochondrial matrix and deposited in the intermembrane space.

° The H+ gradient that results is the proton-motive force.

° The gradient has the capacity to do work.

· Chemiosmosis is an energy-coupling mechanism that uses energy stored in the form of an H+ gradient across a membrane to drive cellular work.

· In mitochondria, the energy for proton gradient formation comes from exergonic redox reactions, and ATP synthesis is the work performed.

· Chemiosmosis in chloroplasts also generates ATP, but light drives the electron flow down an electron transport chain and H+ gradient formation.

· Prokaryotes generate H+ gradients across their plasma membrane.

° They can use this proton-motive force not only to generate ATP, but also to pump nutrients and waste products across the membrane and to rotate their flagella.

5. Here is an accounting of ATP production by cellular respiration.

· During cellular respiration, most energy flows from glucose à NADH à electron transport chain à proton-motive force à ATP.

· Let’s consider the products generated when cellular respiration oxidizes a molecule of glucose to six CO2 molecules.

· Four ATP molecules are produced by substrate-level phosphorylation during glycolysis and the citric acid cycle.

· Many more ATP molecules are generated by oxidative phosphorylation.

· Each NADH from the citric acid cycle and the conversion of pyruvate contributes enough energy to the proton-motive force to generate a maximum of 3 ATP.

° The NADH from glycolysis may also yield 3 ATP.

· Each FADH2 from the citric acid cycle can be used to generate about 2 ATP.

· Why is our accounting so inexact?

· There are three reasons that we cannot state an exact number of ATP molecules generated by one molecule of glucose.

1. Phosphorylation and the redox reactions are not directly coupled to each other, so the ratio of number of NADH to number of ATP is not a whole number.

° One NADH results in 10 H+ being transported across the inner mitochondrial membrane.

° Between 3 and 4 H+ must reenter the mitochondrial matrix via ATP synthase to generate 1 ATP.

° Therefore, 1 NADH generates enough proton-motive force for synthesis of 2.5 to 3.3 ATP.

° We round off and say that 1 NADH generates 3 ATP.

2. The ATP yield varies slightly depending on the type of shuttle used to transport electrons from the cytosol into the mitochondrion.

° The mitochondrial inner membrane is impermeable to NADH, so the two electrons of the NADH produced in glycolysis must be conveyed into the mitochondrion by one of several electron shuttle systems.

° In some shuttle systems, the electrons are passed to NAD+, which generates 3 ATP. In others, the electrons are passed to FAD, which generates only 2 ATP.

3. The proton-motive force generated by the redox reactions of respiration may drive other kinds of work, such as mitochondrial uptake of pyruvate from the cytosol.

° If all the proton-motive force generated by the electron transport chain were used to drive ATP synthesis, one glucose molecule could generate a maximum of 34 ATP by oxidative phosphorylation plus 4 ATP (net) from substrate-level phosphorylation to give a total yield of 36–38 ATP (depending on the efficiency of the shuttle).

· How efficient is respiration in generating ATP?

° Complete oxidation of glucose releases 686 kcal/mol.

° Phosphorylation of ADP to form ATP requires at least 7.3 kcal/mol.

° Efficiency of respiration is 7.3 kcal/mol times 38 ATP/glucose divided by 686 kcal/mol glucose, which equals 0.4 or 40%.

° Approximately 60% of the energy from glucose is lost as heat.

§ Some of that heat is used to maintain our high body temperature (37°C).

· Cellular respiration is remarkably efficient in energy conversion.

C. Related Metabolic Processes

1. Fermentation enables some cells to produce ATP without the help of oxygen.

· Without electronegative oxygen to pull electrons down the transport chain, oxidative phosphorylation ceases.

· However, fermentation provides a mechanism by which some cells can oxidize organic fuel and generate ATP without the use of oxygen.

° In glycolysis, glucose is oxidized to two pyruvate molecules with NAD+ as the oxidizing agent.

° Glycolysis is exergonic and produces 2 ATP (net).

° If oxygen is present, additional ATP can be generated when NADH delivers its electrons to the electron transport chain.

· Glycolysis generates 2 ATP whether oxygen is present (aerobic) or not (anaerobic).

· Anaerobic catabolism of sugars can occur by fermentation.

· Fermentation can generate ATP from glucose by substrate-level phosphorylation as long as there is a supply of NAD+ to accept electrons.

° If the NAD+ pool is exhausted, glycolysis shuts down.

° Under aerobic conditions, NADH transfers its electrons to the electron transfer chain, recycling NAD+.

· Under anaerobic conditions, various fermentation pathways generate ATP by glycolysis and recycle NAD+ by transferring electrons from NADH to pyruvate or derivatives of pyruvate.

· In alcohol fermentation, pyruvate is converted to ethanol in two steps.

° First, pyruvate is converted to a two-carbon compound, acetaldehyde, by the removal of CO2.

° Second, acetaldehyde is reduced by NADH to ethanol.

° Alcohol fermentation by yeast is used in brewing and winemaking.

· During lactic acid fermentation, pyruvate is reduced directly by NADH to form lactate (the ionized form of lactic acid) without release of CO2.

° Lactic acid fermentation by some fungi and bacteria is used to make cheese and yogurt.

° Human muscle cells switch from aerobic respiration to lactic acid fermentation to generate ATP when O2 is scarce.

§ The waste product, lactate, may cause muscle fatigue, but ultimately it is converted back to pyruvate in the liver.

· Fermentation and cellular respiration are anaerobic and aerobic alternatives, respectively, for producing ATP from sugars.

° Both use glycolysis to oxidize sugars to pyruvate with a net production of 2 ATP by substrate-level phosphorylation.

° Both use NAD+ as an oxidizing agent to accept electrons from food during glycolysis.

· The two processes differ in their mechanism for oxidizing NADH to NAD+.

° In fermentation, the electrons of NADH are passed to an organic molecule to regenerate NAD+.

° In respiration, the electrons of NADH are ultimately passed to O2, generating ATP by oxidative phosphorylation.

· More ATP is generated from the oxidation of pyruvate in the citric acid cycle.

° Without oxygen, the energy still stored in pyruvate is unavailable to the cell.

° Under aerobic respiration, a molecule of glucose yields 38 ATP, but the same molecule of glucose yields only 2 ATP under anaerobic respiration.

· Yeast and many bacteria are facultative anaerobes that can survive using either fermentation or respiration.

° At a cellular level, human muscle cells can behave as facultative anaerobes.

· For facultative anaerobes, pyruvate is a fork in the metabolic road that leads to two alternative routes.

° Under aerobic conditions, pyruvate is converted to acetyl CoA and oxidation continues in the citric acid cycle.

° Under anaerobic conditions, pyruvate serves as an electron acceptor to recycle NAD+.

· The oldest bacterial fossils are more than 3.5 billion years old, appearing long before appreciable quantities of O2 accumulated in the atmosphere.

° Therefore, the first prokaryotes may have generated ATP exclusively from glycolysis.

· The fact that glycolysis is a ubiquitous metabolic pathway and occurs in the cytosol without membrane-enclosed organelles suggests that glycolysis evolved early in the history of life.

2. Glycolysis and the citric acid cycle connect to many other metabolic pathways.

· Glycolysis can accept a wide range of carbohydrates for catabolism.

° Polysaccharides like starch or glycogen can be hydrolyzed to glucose monomers that enter glycolysis.

° Other hexose sugars, such as galactose and fructose, can also be modified to undergo glycolysis.

· The other two major fuels, proteins and fats, can also enter the respiratory pathways used by carbohydrates.

· Proteins must first be digested to individual amino acids.

° Amino acids that will be catabolized must have their amino groups removed via deamination.

° The nitrogenous waste is excreted as ammonia, urea, or another waste product.

· The carbon skeletons are modified by enzymes and enter as intermediaries into glycolysis or the citric acid cycle, depending on their structure.

· Catabolism can also harvest energy stored in fats.

· Fats must be digested to glycerol and fatty acids.

° Glycerol can be converted to glyceraldehyde phosphate, an intermediate of glycolysis.

° The rich energy of fatty acids is accessed as fatty acids are split into two-carbon fragments via beta oxidation.

° These molecules enter the citric acid cycle as acetyl CoA.

· A gram of fat oxides by respiration generates twice as much ATP as a gram of carbohydrate.

· The metabolic pathways of respiration also play a role in anabolic pathways of the cell.

· Intermediaries in glycolysis and the citric acid cycle can be diverted to anabolic pathways.

° For example, a human cell can synthesize about half the 20 different amino acids by modifying compounds from the citric acid cycle.

° Glucose can be synthesized from pyruvate fatty acids can be synthesized from acetyl CoA.

· Glycolysis and the citric acid cycle function as metabolic interchanges that enable cells to convert one kind of molecule to another as needed.

° For example, excess carbohydrates and proteins can be converted to fats through intermediaries of glycolysis and the citric acid cycle.

· Metabolism is remarkably versatile and adaptable.

3. Feedback mechanisms control cellular respiration.

· Basic principles of supply and demand regulate the metabolic economy.

° If a cell has an excess of a certain amino acid, it typically uses feedback inhibition to prevent the diversion of intermediary molecules from the citric acid cycle to the synthesis pathway of that amino acid.

· The rate of catabolism is also regulated, typically by the level of ATP in the cell.

° If ATP levels drop, catabolism speeds up to produce more ATP.

· Control of catabolism is based mainly on regulating the activity of enzymes at strategic points in the catabolic pathway.

· One strategic point occurs in the third step of glycolysis, catalyzed by phosphofructokinase.

· Allosteric regulation of phosphofructokinase sets the pace of respiration.

° This enzyme catalyzes the earliest step that irreversibly commits the substrate to glycolysis.

° Phosphofructokinase is an allosteric enzyme with receptor sites for specific inhibitors and activators.

° It is inhibited by ATP and stimulated by AMP (derived from ADP).

§ When ATP levels are high, inhibition of this enzyme slows glycolysis.

§ As ATP levels drop and ADP and AMP levels rise, the enzyme becomes active again and glycolysis speeds up.

· Citrate, the first product of the citric acid cycle, is also an inhibitor of phosphofructokinase.

° This synchronizes the rate of glycolysis and the citric acid cycle.

· If intermediaries from the citric acid cycle are diverted to other uses (e.g., amino acid synthesis), glycolysis speeds up to replace these molecules.

· Metabolic balance is augmented by the control of other enzymes at other key locations in glycolysis and the citric acid cycle.


Podívejte se na video: Cellular Respiration 3- Electron carriers (Listopad 2021).