Maklumat

8.11: Mengapa Ia Penting- Laluan Metabolik - Biologi

8.11: Mengapa Ia Penting- Laluan Metabolik - Biologi


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.

Mengapa menerangkan laluan metabolik yang terlibat dalam penangkapan dan pembebasan tenaga dalam sel?

Setiap kali anda bergerak—atau pun bernafas—anda menggunakan tenaga. Dua daripada cara ini ialah fotosintesis dan respirasi selular.

Tumbuhan (dan autotrof lain) menjalani fotosintesis untuk mencipta tenaga. Manusia (dan heterotrof lain) sebaliknya mesti mengambil sesuatu yang mempunyai tenaga (seperti tumbuh-tumbuhan atau haiwan lain)—kita mengambil tenaga ini dan menukarnya kepada bentuk yang boleh digunakan oleh badan kita. Proses ini dikenali sebagai respirasi selular.

Tonton video 5 minit ini untuk mendapatkan gambaran keseluruhan mengapa walaupun perubahan kecil dalam iklim global mempunyai potensi untuk memberi kesan besar kepada kehidupan seharian kita melalui sumber makanan kita.

Elemen YouTube telah dikecualikan daripada versi teks ini. Anda boleh melihatnya dalam talian di sini: pb.libretexts.org/biom1/?p=238

  • Apakah peranan pertanian dalam memberikan kita tenaga untuk digunakan setiap hari?
  • Bagaimanakah tumbuhan mendapat tenaga untuk berkembang, dan bagaimanakah kita mendapatkan tenaga daripadanya?

Ok, mari lihat di mana kita mendapat semua tenaga untuk berjaga semasa kelas biologi!

Hasil pembelajaran

  • Memahami peranan yang dimainkan oleh pergerakan elektron dalam pertukaran tenaga dalam sel
  • Mengenal pasti komponen asas dan langkah fotosintesis
  • Kenal pasti bahan tindak balas dan produk respirasi selular dan tempat tindak balas ini berlaku dalam sel
  • Jelaskan komponen asas dan langkah-langkah penapaian

8.11: Mengapa Ia Penting- Laluan Metabolik - Biologi

Banyak sel tidak dapat melakukan pernafasan kerana satu atau lebih daripada keadaan berikut:

  1. Sel tidak mempunyai jumlah yang mencukupi mana-mana penerima elektron terakhir yang tidak organik yang sesuai untuk menjalankan respirasi selular.
  2. Sel tidak mempunyai gen untuk membuat kompleks dan pembawa elektron yang sesuai dalam sistem pengangkutan elektron.
  3. Sel kekurangan gen untuk membuat satu atau lebih enzim dalam kitaran Krebs.

Walaupun kekurangan penerima elektron akhir tak organik yang sesuai adalah bergantung kepada alam sekitar, dua keadaan lain ditentukan secara genetik. Oleh itu, banyak prokariot, termasuk ahli genus yang penting secara klinikal Streptococcus, tidak berupaya untuk bernafas secara kekal, walaupun dengan kehadiran oksigen. Sebaliknya, banyak prokariot adalah fakultatif, bermakna, sekiranya keadaan persekitaran berubah untuk menyediakan penerima elektron akhir tak organik yang sesuai untuk respirasi, organisma yang mengandungi semua gen yang diperlukan untuk berbuat demikian akan bertukar kepada respirasi selular untuk metabolisme glukosa kerana respirasi membolehkan ATP yang lebih besar. pengeluaran setiap molekul glukosa.

Jika pernafasan tidak berlaku, NADH mesti dioksidakan semula kepada NAD + untuk digunakan semula sebagai pembawa elektron untuk glikolisis, satu-satunya mekanisme sel untuk menghasilkan sebarang ATP, untuk diteruskan. Sesetengah sistem hidup menggunakan molekul organik (biasanya piruvat) sebagai penerima elektron terakhir melalui proses yang dipanggil penapaian. Penapaian tidak melibatkan sistem pengangkutan elektron dan tidak secara langsung menghasilkan sebarang ATP tambahan melebihi daripada yang dihasilkan semasa glikolisis oleh fosforilasi peringkat substrat. Organisma yang menjalankan penapaian, dipanggil penapai, menghasilkan maksimum dua molekul ATP setiap glukosa semasa glikolisis. Jadual 1 membandingkan penerima elektron terakhir dan kaedah sintesis ATP dalam respirasi aerobik, respirasi anaerobik dan penapaian. Ambil perhatian bahawa bilangan molekul ATP yang ditunjukkan untuk glikolisis menganggap Laluan Embden-Meyerhof-Parnas. Bilangan molekul ATP yang dibuat oleh fosforilasi tahap substrat (SLP) lawan fosforilasi oksidatif (OP) ditunjukkan.

Proses penapaian mikrob telah dimanipulasi oleh manusia dan digunakan secara meluas dalam pengeluaran pelbagai makanan dan produk komersial lain, termasuk farmaseutikal. Penapaian mikrob juga boleh berguna untuk mengenal pasti mikrob untuk tujuan diagnostik.

Penapaian oleh sesetengah bakteria, seperti yang terdapat dalam yogurt dan produk makanan masam lain, dan oleh haiwan dalam otot semasa kekurangan oksigen, adalah penapaian asid laktik. Tindak balas kimia penapaian asid laktik adalah seperti berikut:

Bakteria beberapa genera gram-positif, termasuk Lactobacillus, Leuconostoc, dan Streptococcus, secara kolektif dikenali sebagai bakteria asid laktik (LAB), dan pelbagai strain penting dalam pengeluaran makanan. semasa yogurt dan keju pengeluaran, persekitaran sangat berasid yang dihasilkan oleh penapaian asid laktik menyahturasi protein yang terkandung dalam susu, menyebabkan ia menjadi pejal. Apabila asid laktik adalah satu-satunya produk penapaian, proses itu dikatakan penapaian homolaktik begitulah kesnya Lactobacillus delbrueckii dan S. thermophiles digunakan dalam penghasilan yogurt. Walau bagaimanapun, banyak bakteria berfungsi penapaian heterolaktik, menghasilkan campuran asid laktik, etanol dan/atau asid asetik, dan CO2 akibatnya, kerana mereka menggunakan laluan pentosa fosfat bercabang dan bukannya laluan EMP untuk glikolisis. Satu penapai heterolaktik yang penting ialah Leuconostoc mesenteroides, yang digunakan untuk memasamkan sayur-sayuran seperti timun dan kubis, masing-masing menghasilkan jeruk dan sauerkraut.

Bakteria asid laktik juga penting dari segi perubatan. Pengeluaran persekitaran pH rendah dalam badan menghalang penubuhan dan pertumbuhan patogen di kawasan ini. Sebagai contoh, mikrobiota faraj sebahagian besarnya terdiri daripada bakteria asid laktik, tetapi apabila bakteria ini berkurangan, yis boleh membiak, menyebabkan jangkitan yis. Selain itu, bakteria asid laktik adalah penting dalam mengekalkan kesihatan saluran gastrousus dan, oleh itu, adalah komponen utama probiotik.

Satu lagi proses penapaian biasa ialah penapaian alkohol, yang menghasilkan etanol. Tindak balas penapaian etanol ditunjukkan dalam Rajah 1. Dalam tindak balas pertama, enzim piruvat dekarboksilase menyingkirkan kumpulan karboksil daripada piruvat, membebaskan CO2 gas sambil menghasilkan molekul dua karbon asetaldehid. Tindak balas kedua, yang dimangkinkan oleh enzim alkohol dehidrogenase, memindahkan elektron daripada NADH kepada asetaldehid, menghasilkan etanol dan NAD + . Penapaian etanol piruvat oleh yis Saccharomyces cerevisiae digunakan dalam pengeluaran minuman beralkohol dan juga membuat produk roti meningkat disebabkan oleh CO2 pengeluaran. Di luar industri makanan, penapaian etanol produk tumbuhan adalah penting dalam biofuel pengeluaran.

Rajah 1. Tindak balas kimia penapaian alkohol ditunjukkan di sini. Penapaian etanol penting dalam penghasilan minuman beralkohol dan roti.

Di luar penapaian asid laktik dan penapaian alkohol, banyak kaedah penapaian lain berlaku dalam prokariot, semuanya untuk tujuan memastikan bekalan NAD + yang mencukupi untuk glikolisis (Jadual 2). Tanpa laluan ini, glikolisis tidak akan berlaku dan tiada ATP akan dituai daripada pecahan glukosa. Perlu diingatkan bahawa kebanyakan bentuk penapaian selain penapaian homolaktik menghasilkan gas, biasanya CO2 dan/atau gas hidrogen. Banyak daripada jenis laluan penapaian yang berbeza ini juga digunakan dalam pengeluaran makanan dan setiap satu menghasilkan pengeluaran asid organik yang berbeza, menyumbang kepada rasa unik produk makanan yang ditapai. Asid propionik yang dihasilkan semasa penapaian asid propionik menyumbang kepada rasa tersendiri keju Swiss, contohnya.

Beberapa produk penapaian adalah penting secara komersial di luar industri makanan. Contohnya, pelarut kimia seperti aseton dan butanol dihasilkan semasa penapaian aseton-butanol-etanol. Sebatian farmaseutikal organik kompleks yang digunakan dalam antibiotik (cth., penisilin), vaksin, dan vitamin dihasilkan melalui penapaian asid campuran. Produk penapaian digunakan di makmal untuk membezakan pelbagai bakteria untuk tujuan diagnostik. Sebagai contoh, bakteria enterik terkenal dengan keupayaan mereka untuk melakukan penapaian asid campuran, mengurangkan pH, yang boleh dikesan menggunakan penunjuk pH. Begitu juga, penghasilan bakteria asetoin semasa penapaian butanediol juga boleh dikesan. Pengeluaran gas daripada penapaian juga boleh dilihat dalam tiub Durham terbalik yang memerangkap menghasilkan gas dalam kultur sup.

Mikrob juga boleh dibezakan mengikut substrat yang boleh ditapai. Sebagai contoh, E coli boleh menapai laktosa, membentuk gas, manakala beberapa saudara dekat gram-negatifnya tidak boleh. Keupayaan untuk menapai gula alkohol sorbitol digunakan untuk mengenal pasti strain enterohemorrhagic O157:H7 patogenik E coli kerana, tidak seperti yang lain E coli strain, ia tidak dapat menapai sorbitol. Terakhir, penapaian manitol membezakan penapaian mannitol Staphylococcus aureus daripada staphylococci bukan penapaian manitol lain.

Jadual 2. Laluan Penapaian Biasa
Laluan Produk Akhir Contoh Mikrob Produk Komersil
Aseton-butanol-etanol Aseton, butanol, etanol, CO2 Clostridium acetobutylicum Pelarut komersial, alternatif petrol
Alkohol Etanol, CO2 Candida, Saccharomyces Bir, roti
Butanediol etanol asid formik dan laktik asetoin 2,3 butanediol CO2 gas hidrogen Klebsiella, Enterobacter Wain Chardonnay
Asid butirik Asid butirik, CO2, gas hidrogen Clostridium butyricum Mentega
Asid laktik Asid laktik Streptococcus, Lactobacillus Sauerkraut, yogurt, keju
Asid campur Etanol asid asetik, formik, laktik dan suksinik, CO2, gas hidrogen Escherichia, Shigella Cuka, kosmetik, farmaseutikal
Asid propionik Asid asetik, asid propionik, CO2 Propionibacterium, Bifidobacterium Keju Swiss

Fikirkan tentangnya

  • Bilakah mikrob serba boleh metabolik melakukan penapaian dan bukannya respirasi selular?

Mengenalpasti Bakteria dengan Menggunakan Panel Ujian API

Pengenalpastian pengasingan mikrob adalah penting untuk diagnosis yang betul dan rawatan yang sesuai bagi pesakit. Para saintis telah membangunkan teknik yang mengenal pasti bakteria mengikut ciri biokimia mereka. Biasanya, mereka sama ada mengkaji penggunaan sumber karbon tertentu sebagai substrat untuk penapaian atau tindak balas metabolik lain, atau mereka mengenal pasti produk penapaian atau enzim khusus yang terdapat dalam tindak balas. Pada masa lalu, ahli mikrobiologi telah menggunakan tabung uji dan plat individu untuk menjalankan ujian biokimia. Walau bagaimanapun, saintis, terutamanya yang berada di makmal klinikal, kini lebih kerap menggunakan plastik, pakai buang, panel multitest yang mengandungi beberapa tiub tindak balas kecil, setiap satunya biasanya termasuk substrat tertentu dan penunjuk pH. Selepas inokulasi panel ujian dengan sampel kecil mikrob yang dipersoalkan dan pengeraman, saintis boleh membandingkan keputusan dengan pangkalan data yang merangkumi keputusan yang dijangkakan untuk tindak balas biokimia khusus untuk mikrob yang diketahui, sekali gus membolehkan pengecaman pantas mikrob sampel. Panel ujian ini telah membolehkan saintis mengurangkan kos sambil meningkatkan kecekapan dan kebolehulangan dengan melakukan lebih banyak ujian secara serentak.

Banyak panel ujian biokimia komersil yang dikecilkan meliputi beberapa kumpulan bakteria dan yis yang penting secara klinikal. Salah satu panel ujian yang terawal dan paling popular ialah panel Analytical Profile Index (API) yang dicipta pada tahun 1970-an. Setelah beberapa pencirian makmal asas bagi strain tertentu telah dilakukan, seperti menentukan morfologi Gram strain, jalur ujian yang sesuai yang mengandungi 10 hingga 20 ujian biokimia berbeza untuk membezakan strain dalam kumpulan mikrob tersebut boleh digunakan. Pada masa ini, pelbagai jalur API boleh digunakan untuk mengenal pasti lebih daripada 600 spesies bakteria dengan cepat dan mudah, kedua-dua aerobik dan anaerobik, dan kira-kira 100 jenis yis yang berbeza. Berdasarkan warna tindak balas apabila produk akhir metabolik hadir, disebabkan kehadiran penunjuk pH, profil metabolik dicipta daripada keputusan (Rajah 2). Ahli mikrobiologi kemudiannya boleh membandingkan profil sampel dengan pangkalan data untuk mengenal pasti mikrob tertentu.

Rajah 2. Jalur ujian API 20NE digunakan untuk mengenal pasti strain tertentu bakteria gram-negatif di luar Enterobacteriaceae. Berikut ialah keputusan jalur ujian API 20NE untuk Photobacterium damselae ssp. piscicida.

Fokus Klinikal: Alex, Bahagian 2

Contoh ini meneruskan kisah Alex yang bermula dalam Jirim Tenaga dan Enzim.

Banyak simptom Alex adalah konsisten dengan beberapa jangkitan yang berbeza, termasuk influenza dan radang paru-paru. Walau bagaimanapun, refleksnya yang lembap bersama dengan kepekaan cahaya dan leher kakunya mencadangkan beberapa kemungkinan penglibatan sistem saraf pusat, mungkin menunjukkan meningitis. Meningitis adalah jangkitan cecair serebrospinal (CSF) di sekeliling otak dan saraf tunjang yang menyebabkan keradangan meninges, lapisan pelindung yang menutupi otak. Meningitis boleh disebabkan oleh virus, bakteria, atau kulat. Walaupun semua bentuk meningitis adalah serius, meningitis bakteria adalah sangat serius. Meningitis bakteria mungkin disebabkan oleh beberapa bakteria yang berbeza, tetapi bakteria Neisseria meningitidis, diplokokus gram-negatif, berbentuk kacang, adalah punca biasa dan membawa kepada kematian dalam masa 1 hingga 2 hari dalam 5% hingga 10% pesakit.

Memandangkan kemungkinan keseriusan keadaan Alex, doktornya menasihati ibu bapanya untuk membawanya ke hospital di ibu kota Gambia, Banjul dan di sana dia diuji dan dirawat untuk kemungkinan meningitis. Selepas 3 jam memandu ke hospital, Alex segera dimasukkan. Pakar perubatan mengambil sampel darah dan melakukan tusukan lumbar untuk menguji CSFnya. Mereka juga segera memulakannya dengan kursus antibiotik ceftriaxone, ubat pilihan untuk rawatan meningitis yang disebabkan oleh N. meningitidis, tanpa menunggu keputusan ujian makmal.

  • Bagaimanakah ujian biokimia boleh digunakan untuk mengesahkan identiti N. meningitidis?
  • Mengapa doktor Alex memutuskan untuk memberikan antibiotik tanpa menunggu keputusan ujian?

Kami akan kembali kepada contoh Alex di halaman kemudian.

Konsep dan Ringkasan Utama

  • Penapaian menggunakan molekul organik sebagai penerima elektron terakhir untuk menjana semula NAD + daripada NADH supaya glikolisis dapat diteruskan.
  • Penapaian tidak melibatkan sistem pengangkutan elektron, dan tiada ATP dibuat melalui proses penapaian secara langsung. Penapai membuat sangat sedikit ATP—hanya dua molekul ATP bagi setiap molekul glukosa semasa glikolisis.
  • Proses penapaian mikrob telah digunakan untuk pengeluaran makanan dan farmaseutikal, dan untuk mengenal pasti mikrob.
  • Semasa penapaian asid laktik, piruvat menerima elektron daripada NADH dan dikurangkan kepada asid laktik. Mikrob beraksi penapaian homolaktik menghasilkan hanya asid laktik sebagai mikrob produk penapaian yang berfungsi penapaian heterolaktik menghasilkan campuran asid laktik, etanol dan/atau asid asetik, dan CO2.
  • Pengeluaran asid laktik oleh mikrobiota biasa menghalang pertumbuhan patogen di kawasan badan tertentu dan penting untuk kesihatan saluran gastrousus.
  • Semasa penapaian etanol, piruvat pertama kali dinyahkarboksilasi (melepaskan CO2) kepada asetaldehid, yang kemudiannya menerima elektron daripada NADH, mengurangkan asetaldehid kepada etanol. Penapaian etanol digunakan untuk pengeluaran minuman beralkohol, untuk membuat produk roti meningkat, dan untuk pengeluaran biofuel.
  • Hasil penapaian laluan (cth., penapaian asid propionik) memberikan rasa tersendiri kepada produk makanan. Penapaian digunakan untuk menghasilkan pelarut kimia (penapaian aseton-butanol-etanol) dan farmaseutikal (penapaian asid campuran).
  • Jenis mikrob tertentu boleh dibezakan melalui laluan dan produk penapaian mereka. Mikrob juga boleh dibezakan mengikut substrat yang boleh ditapai.

Pelbagai pilihan

Antara berikut, yang manakah tujuan penapaian?

  1. untuk membuat ATP
  2. untuk membuat perantaraan molekul karbon untuk anabolisme
  3. untuk membuat NADH
  4. untuk membuat NAD +

Molekul manakah yang biasanya berfungsi sebagai penerima elektron terakhir semasa penapaian?

Produk penapaian yang manakah penting untuk membuat roti naik?

Antara berikut, yang manakah bukan produk penapaian yang penting secara komersial?

Isikan tempat kosong

Mikrob yang bertanggungjawab untuk penapaian etanol bagi tujuan menghasilkan minuman beralkohol ialah ________.

________ mengakibatkan penghasilan campuran produk penapaian, termasuk asid laktik, etanol dan/atau asid asetik, dan CO2.

Organisma penapaian menghasilkan ATP melalui proses ________.

Padanan

Padankan laluan penapaian dengan produk komersial yang betul yang digunakan untuk menghasilkan:


Ahli biologi Dresden menjadikan sperma hidup bersinar

Bagaimanakah serangga betina berjaya memastikan sperma segar selama berbulan-bulan selepas mengawan? Ini adalah persoalan utama ahli biologi sperma Pengerusi Zoologi Gunaan yang diketuai oleh Prof Dr Klaus Reinhardt. Kini para saintis membentangkan hasil pertama mereka yang menjanjikan dalam jurnal Laporan Saintifik.

Dr. Cornelia Wetzker meminjam teknik bebas label yang inovatif daripada penyelidikan kanser untuk menyiasat metabolisme tisu biologi hidup. Ini melibatkan pengukuran pereputan pendarfluor intrinsik koenzim metabolik NADH - beberapa nanosaat, memerlukan mikroskop khusus. Ukuran ini, juga dikenali sebagai seumur hidup pendarfluor, berfungsi sebagai tandatangan khusus sel dan mencirikan laluan metabolik khusus tisu. Sel-sel kanser mempunyai jangka hayat pendarfluor NADH yang lebih pendek, oleh itu lebih glikolitik dan oleh itu boleh dibezakan daripada sel yang sihat.

Dengan kaedah ini, Dr Cornelia Wetzker kini telah berjaya meneliti metabolisme tisu utuh lalat buah di luar badan. Dia menganalisis metabolisme sperma dalam organ penyimpanan haiwan jantan dan betina serta tisu lain serangga itu. Sperma telah disiasat dalam organ tertutup yang masih utuh, yang pada lelaki berfungsi untuk penyimpanan sebelum dan pada wanita selepas mengawan. Oleh itu, pasukan mendapati bahawa sperma mempunyai metabolisme yang sangat glikolitik yang serupa dengan sel-sel kanser. Sel-sel lain, seperti usus, kelenjar dan sel-sel lemak, berada dalam keadaan yang lebih oksidatif.

Menggunakan kaedah ini, ahli biologi menemui petunjuk pertama kepada soalan awal mereka tentang bagaimana sperma kekal segar di dalam badan serangga betina. Mereka mendapati bahawa jangka hayat pendarfluor bagi koenzim metabolik autofluoresen lain yang dipanggil FAD berbeza antara sperma pada lelaki dan dalam badan wanita.

Berkenaan dengan aplikasi klinikal teknik ini, mikroskopi pengimejan seumur hidup pendarfluor (FLIM) terbukti sangat menjanjikan. "Analisis tandatangan seumur hidup pendarfluor malah boleh diautomasikan dengan bantuan rangkaian saraf", mengesyaki Dr. Cornelia Wetzker. "Dan kerana kaedah itu tidak berbahaya, tidak ada sebab mengapa ia tidak boleh digunakan pada manusia atau haiwan yang masih hidup," tambah Profesor Klaus Reinhardt.

Penafian: AAAS dan EurekAlert! tidak bertanggungjawab terhadap ketepatan siaran berita yang disiarkan ke EurekAlert! dengan institusi penyumbang atau untuk penggunaan sebarang maklumat melalui sistem EurekAlert.


Kesimpulan

Semasa evolusi, beruang coklat telah menyesuaikan diri dengan gaya hidup yang terdiri daripada hiperfagia dan obesiti pada musim gugur dan imobilisasi selama sehingga setengah tahun hibernasi pada musim sejuk. Beruang telah membangunkan keplastikan metabolik bulat yang membolehkan haiwan ini mengelakkan penyakit tidak berjangkit seperti sindrom metabolik, diabetes dan penyakit kardiovaskular, dan mereka tidak terdedah kepada osteoporosis atau sarcopenia. Kemungkinan besar beruang memegang kunci untuk mendapatkan pandangan tentang dan mungkin merawat penyakit berkaitan gaya hidup pada manusia. Oleh kerana hibernasi tidak ditakrifkan secara genetik tetapi berkemungkinan terhad kepada protein yang dinyatakan secara berbeza, satu cara ke hadapan adalah dengan menyaring peptida dan protein yang terkawal naik dan turun untuk mengenal pasti biomarker yang bertanggungjawab untuk mendorong dan mengekalkan fisiologi yang sihat semasa hibernasi.


Tonton video: Biologi Tingkatan 4 I Bab 5: Metabolisma dan Enzim Bahasa Melayu (Disember 2022).