Bài 2.5 ( Bản thảo ) - Chapter 23 . Metabolism and Nutrition
Có bao giờ bạn chú ý khi bạn đang xem tivi , đọc tạp chí , lướt nét , có khoảnh khắc khó khăn lướt qua mà bạn không phải đối mặt với các quảng cáo về sản phẩm và thực đơn hứa rằng " rev sự trao đổi chất của bạn " , " stimulate- kích thích sự trao đổi chất béo " , " cắt giảm calories " ? Nhiều quảng cáo tạo ra lời hứa outrageous- thái quá trên 1 đường tít " Ăn những gì bạn muốn và vẫn sẽ giảm 30 pounds trong 2 tuần ! " . Mặc dù nó dễ dàng để spot - nhận ra exaggerated-thái quá claim - tuyên bố như thế này , những người khác khó nhận thấy . Một số quảng cáo dùng các cụm từ nghe có vẻ khoa học và chúng dựa trên những nguyên nhân sinh lý học đúng đắn , nên thường khó khăn để phân biệt sự thật với tiểu thuyết .
Trong cuộc sống mỗi ngày của chúng ta , chúng ta nhìn chung dùng cụm từ " calorie " để nói đến năng lượng chứa trong bữa ăn của chúng ta . Nhưng calorie thật sự liên quan đến sự đo lường nhiệt : 1 Calorie là lượng nhiệt cần để làm tăng nhiệt độ tạm thời của nước lên 1 độ Celsius . Trong thuật ngữ bữa ăn hằng ngày , năng lượng thật sự là Calorie ( viết hoa chữ C ) thật sự là kilocalorie . Calorie là lượng nhiệt cần để đưa 1 kilogram nước lên 1 độ C . Vì vậy , chúng ta dùng năng lượng để đo lượng năng lượng của thức ăn . Sự tham chiếu đến sản phẩm nhiệt và năng lượng không kết thúc với Calorie , bạn từng nghe giống như kiểu là hoạt động này , hay thực phẩm chức năng này sẽ giúp bạn " đốt calorie " hay " đốt mỡ " hay thậm chí là " biến đổi cơ thể bạn thành fat-melting- nóng chảy furnace- lò lửa " . Nhưng tại sao thuật ngữ liên quan đến nhiệt lại liên kết với thực phẩm , bữa ăn , và sự trao đổi chất ? Và bạn có thể thật sự " đốt calories " và " đảo " sự trao đổi chất . Chương này sẽ khám phá những chủ đề là 1 phần thảo luận của sự trao đổi chất cơ thể người và dinh dưỡng .
23.1 Overview of Metabolism and Nutrition
Sự trao đổi chất được định nghĩa là tổng các phản ứng hóa học của cơ thể . Trao đổi chất bao gồm 4 quá trình cơ bản : (1) năng lượng thô cứng trong các liên kết phân tử hóa học có trong bữa ăn , gọi là nutrient , có thể được dùng để tạo adenosine triphosphate ( ATP ) ; chuyển đổi 1 loại phân tử thành thành dạng khác cho các phản ứng synthesis- tổng hợp tế bào ; ( 3 ) mang những phản ứng tổng hợp và lắp ráp các phân tử macro như là proteins , polysaccharides , nucleic acids , và lipids ; và ( 4 ) : bẻ gãy những phân tử thành các dạng mono của chúng và những phân tử nhỏ hơn khác . Sự trao đổi chất xảy ra qua nhiều chuỗi các phản ứng do enzyme xúc tác được gọi là đường trao đổi chất . Mỗi phản ứng trong chuỗi này được đặc trưng bởi bởi 1 sự thay đổi phản ứng hóa học nhỏ trong các chất phản ứng như là sản phẩm được sản xuất , và nhìn chung bao gồm sự thêm vào hay loại bớt 1 nguyên tử hay 1 cặp electron .
Trong chương này chúng ta sẽ khám phá những khái niệm giới thiệu của sự trao đổi chất , bắt đầu với cụm từ metabolism và các loại chất dinh dưỡng khác nhau . Sau đó chúng ta sẽ xem xét làm thế nào tế bào sử dụng năng lượng để thực hiện các phản ứng và nguồn năng lượng cho sự trao đổi chất tế bào , bao gồm ATP.
Phases of Metabolism : Catabolism and Anabolism
Sự trao đổi chất nhìn chung được xem xét có 2 giai đoạn ( phase ) . Giai đoạn đầu là 1 chuỗi các phản ứng hóa học tập hợp lại được biết là catabolism ( cata - giảm xuống ) . Nhắc lại rằng 1 phản ứng catabolic là 1 phản ứng mà trong đó các chất bị bẻ gãy thành những phần nhỏ hơn . Mặc dù các phản ứng chắc chắn trong đường catabolic có thể đòi hỏi năng lượng đầu vào , quá trình như là toàn bộ giải phóng năng lượng mà tế bào có thể khai thác để điều hướng các quá trình như là các sản phẩm ATP . Để cung cấp chất liệu cho các quá trình này , các phân tử macro mà chúng ta tiêu hóa bị bẻ gãy thành các monomer bằng quá trình tiêu hóa của chúng ta . Cơ thể sử dụng 3 loại chất dinh dưỡng cho sự catabolism của nó để tạo ATP .
Glucose . Cả carbonhydrates trong bữa ăn hằng ngày và carbonhydrate được lưu trữ trong cơ thể nhìn chung được làm suy giảm ( degrade ) bằng đường catabolic thành monosaccharide glucose . Sự bẻ gãy glucose được thực hiện bởi mọi tế bào trong cơ thể và nó là nhiên liệu ưa thích của nhiều tế bào , gồm trong đó là não và gan .
Fatty Acids . Đường bẻ gãy làm suy giảm lipids ( hầu hết là triglycerides ) thành acids béo và glycerol . Những phân tử này sau đó vào đường bẻ gãy của chúng và được sử dụng bởi tế bào .
Amino acids . Protein được làm suy giảm trong đường bẻ gãy thành amino acids . Giống như lipids , amino acids sau đó vào đường bẻ gãy của chúng , trong suốt quá trình này chúng được chuyển đổi thành các phân tử khác cho tế bào sử dụng .
Giai đoạn thứ 2 của quá trình trao đổi chất được biết là anobolism . Như chúng ta đã thảo luận chương trước , phản ứng anabolism là trong đó các phân tử nhỏ hơn sẽ được kết hợp lại thành các phân tử lớn hơn . Thông qua anabolism , các tế bào đón lấy các phân tử nhỏ hơn và xây dựng chúng thành các protein , acids nucleic , carbonhydrates , lipids và các phân tử macro khác . Các phản ứng anobolic đòi hỏi năng lượng và quá trình tổng hợp được điều hướng bằng năng lượng giải phóng ( liberated ) từ sự bẻ gãy .
Energy Requirements of Metabolic Reactions
Ở phần trước , chúng ta đã nói rằng năng lượng được giải phóng từ phản ứng bẻ gãy và được đòi hỏi bởi phản ứng tổng hợp . Nói cách khác , phản ứng catabolic nhìn chung là phản ứng exergonic và phản ứng tổng hợp nhìn chung là endergonic . Nhắc lại từ chương hóa học ( chương 2 ) , chúng ta định nghĩa các thuật ngữ như sau .
Trong cuộc sống mỗi ngày của chúng ta , chúng ta nhìn chung dùng cụm từ " calorie " để nói đến năng lượng chứa trong bữa ăn của chúng ta . Nhưng calorie thật sự liên quan đến sự đo lường nhiệt : 1 Calorie là lượng nhiệt cần để làm tăng nhiệt độ tạm thời của nước lên 1 độ Celsius . Trong thuật ngữ bữa ăn hằng ngày , năng lượng thật sự là Calorie ( viết hoa chữ C ) thật sự là kilocalorie . Calorie là lượng nhiệt cần để đưa 1 kilogram nước lên 1 độ C . Vì vậy , chúng ta dùng năng lượng để đo lượng năng lượng của thức ăn . Sự tham chiếu đến sản phẩm nhiệt và năng lượng không kết thúc với Calorie , bạn từng nghe giống như kiểu là hoạt động này , hay thực phẩm chức năng này sẽ giúp bạn " đốt calorie " hay " đốt mỡ " hay thậm chí là " biến đổi cơ thể bạn thành fat-melting- nóng chảy furnace- lò lửa " . Nhưng tại sao thuật ngữ liên quan đến nhiệt lại liên kết với thực phẩm , bữa ăn , và sự trao đổi chất ? Và bạn có thể thật sự " đốt calories " và " đảo " sự trao đổi chất . Chương này sẽ khám phá những chủ đề là 1 phần thảo luận của sự trao đổi chất cơ thể người và dinh dưỡng .
23.1 Overview of Metabolism and Nutrition
Sự trao đổi chất được định nghĩa là tổng các phản ứng hóa học của cơ thể . Trao đổi chất bao gồm 4 quá trình cơ bản : (1) năng lượng thô cứng trong các liên kết phân tử hóa học có trong bữa ăn , gọi là nutrient , có thể được dùng để tạo adenosine triphosphate ( ATP ) ; chuyển đổi 1 loại phân tử thành thành dạng khác cho các phản ứng synthesis- tổng hợp tế bào ; ( 3 ) mang những phản ứng tổng hợp và lắp ráp các phân tử macro như là proteins , polysaccharides , nucleic acids , và lipids ; và ( 4 ) : bẻ gãy những phân tử thành các dạng mono của chúng và những phân tử nhỏ hơn khác . Sự trao đổi chất xảy ra qua nhiều chuỗi các phản ứng do enzyme xúc tác được gọi là đường trao đổi chất . Mỗi phản ứng trong chuỗi này được đặc trưng bởi bởi 1 sự thay đổi phản ứng hóa học nhỏ trong các chất phản ứng như là sản phẩm được sản xuất , và nhìn chung bao gồm sự thêm vào hay loại bớt 1 nguyên tử hay 1 cặp electron .
Trong chương này chúng ta sẽ khám phá những khái niệm giới thiệu của sự trao đổi chất , bắt đầu với cụm từ metabolism và các loại chất dinh dưỡng khác nhau . Sau đó chúng ta sẽ xem xét làm thế nào tế bào sử dụng năng lượng để thực hiện các phản ứng và nguồn năng lượng cho sự trao đổi chất tế bào , bao gồm ATP.
Phases of Metabolism : Catabolism and Anabolism
Sự trao đổi chất nhìn chung được xem xét có 2 giai đoạn ( phase ) . Giai đoạn đầu là 1 chuỗi các phản ứng hóa học tập hợp lại được biết là catabolism ( cata - giảm xuống ) . Nhắc lại rằng 1 phản ứng catabolic là 1 phản ứng mà trong đó các chất bị bẻ gãy thành những phần nhỏ hơn . Mặc dù các phản ứng chắc chắn trong đường catabolic có thể đòi hỏi năng lượng đầu vào , quá trình như là toàn bộ giải phóng năng lượng mà tế bào có thể khai thác để điều hướng các quá trình như là các sản phẩm ATP . Để cung cấp chất liệu cho các quá trình này , các phân tử macro mà chúng ta tiêu hóa bị bẻ gãy thành các monomer bằng quá trình tiêu hóa của chúng ta . Cơ thể sử dụng 3 loại chất dinh dưỡng cho sự catabolism của nó để tạo ATP .
Glucose . Cả carbonhydrates trong bữa ăn hằng ngày và carbonhydrate được lưu trữ trong cơ thể nhìn chung được làm suy giảm ( degrade ) bằng đường catabolic thành monosaccharide glucose . Sự bẻ gãy glucose được thực hiện bởi mọi tế bào trong cơ thể và nó là nhiên liệu ưa thích của nhiều tế bào , gồm trong đó là não và gan .
Fatty Acids . Đường bẻ gãy làm suy giảm lipids ( hầu hết là triglycerides ) thành acids béo và glycerol . Những phân tử này sau đó vào đường bẻ gãy của chúng và được sử dụng bởi tế bào .
Amino acids . Protein được làm suy giảm trong đường bẻ gãy thành amino acids . Giống như lipids , amino acids sau đó vào đường bẻ gãy của chúng , trong suốt quá trình này chúng được chuyển đổi thành các phân tử khác cho tế bào sử dụng .
Giai đoạn thứ 2 của quá trình trao đổi chất được biết là anobolism . Như chúng ta đã thảo luận chương trước , phản ứng anabolism là trong đó các phân tử nhỏ hơn sẽ được kết hợp lại thành các phân tử lớn hơn . Thông qua anabolism , các tế bào đón lấy các phân tử nhỏ hơn và xây dựng chúng thành các protein , acids nucleic , carbonhydrates , lipids và các phân tử macro khác . Các phản ứng anobolic đòi hỏi năng lượng và quá trình tổng hợp được điều hướng bằng năng lượng giải phóng ( liberated ) từ sự bẻ gãy .
Energy Requirements of Metabolic Reactions
Ở phần trước , chúng ta đã nói rằng năng lượng được giải phóng từ phản ứng bẻ gãy và được đòi hỏi bởi phản ứng tổng hợp . Nói cách khác , phản ứng catabolic nhìn chung là phản ứng exergonic và phản ứng tổng hợp nhìn chung là endergonic . Nhắc lại từ chương hóa học ( chương 2 ) , chúng ta định nghĩa các thuật ngữ như sau .
- Phản ứng exergonic . Sản phẩm của những phản ứng này có ít năng lượng hơn các chất tham gia phản ứng và năng lượng còn lại được phóng thích trong suốt quá trình phản ứng . Để hiểu tại sao năng lượng được phóng thích , chúng ta cần thảo luận về định luật bảo toàn năng lượng , phát biểu rằng , năng lượng không thể tạo hay phá hủy , nó chỉ thay đổi hình dạng . Điều đó có nghĩa là năng lượng hiện tại trước phản ứng phải bằng năng lượng hiện tại sau phản ứng . Từ đó , sản phẩm của phản ứng exergonic có ít năng lượng hơn các chất tham gia phản ứng , năng lượng phải được giải phóng để tổng năng lượng bằng nhau ở trước và sau phản ứng . Hầu hết các phản ứng bẻ gãy là exergonic .
- Phản ứng endergonic . Một phản ứng endergonic là một phản ứng cần năng lượng đầu vào để xử lý . Đây là vì sản phẩm của phản ứng có nhiều năng lượng hơn các chất tham gia phản ứng . Để cùng đúng với định luật trao đổi năng lượng , năng lượng phải được thêm vào ở phía các chất tham gia phản ứng để năng lượng ở cả 2 phía bằng nhau . Phản ứng tổng hợp có khuynh hướng là endergonic .
Phản ứng endergonic và exergonic trong tế bào là phản ứng cặp đôi cần thiết cho nhau , tế bào " trả " cho phản ứng endergonic với năng lượng được giải phóng từ phản ứng exergonic . Để làm được vậy , tế bào cần 1 loại tiền để trả , đó là , bằng một cách nào đó lưu trữ và chuyển hóa năng lượng . Điều này đến trong hình dạng của phân tử như là ATP . Một cái nhìn tổng quan về cách làm thế nào quá trình này làm việc được mô tả như sau :
Adenosine Triphosphate ( ATP ) and Phosphorylation
ATP là nguồn năng lượng chính " money " của tế bào nhưng làm thế nào có thể một phân tử đơn giản có thể điều hướng gần như toàn bộ quá trình xử lý tế bào ? Để bắt đầu , nhắc lại rằng điều gì xảy ra khi ta kết hợp 2 nguyên tử không bền vững , chẳng hạn như sodium và chlorine - chúng kết hợp nhau trong 1 phản ứng exergonic và tạo ra những chất có ít năng lượng hơn và do đó sẽ bền vững hơn . Trong quá trình , chúng giải phóng năng lượng dư thừa trong một vụ nổ nhỏ . Nguyên lý cơ bản giống nhau này cũng đúng với ATP , bởi vì ATP , cũng giống như nguyên tử sodium và chlorine đơn độc , là những phân tử không bền vững . Nhóm phosphate của ATP có điện tích âm và là kết quả chúng đẩy xa ( repel ) một cái khác mạnh hơn . repel charge - Sự đẩy lùi điện tích đặt một strain - quá tải lên phân tử , làm liên kết giữa chúng mất bền vững cao hơn và phân tử được phản ứng.
Liên kết giữa nhóm phosphate thứ hai và thứ ba của ATP đặc biệt không bền vững bởi vì những nhóm của chúng đẩy lẫn nhau dẫn đến chúng mang điện tích âm và một món hời năng lượng được giải phóng khi liên kết bị bẻ gãy . Một vài tài liệu gọi liên kết này là " liên kết năng lượng cao " . Thuật ngữ này không chính xác như là không có năng lượng nào chứa trong liên kiết này hơn bất kì liên kết hóa học nào khác . Phản ứng này là phản ứng exergonic chỉ bởi vì liên kết này là một liên kết không bền vững trong ATP dẫn tới bị đẩy xa bởi 2 nhóm phosphate đầu tiên .
Tế bào có thể harness - khai thác năng lượng từ ATP bằng việc gỡ bỏ phosphate thứ 3 trong nhóm của nó trong một phản ứng hydrolysis - thủy phân . Trong phản ứng này , liên kết giữa nhóm phosphate thứ hai và thứ ba bị bẻ gãy bởi phân tử nước , kết quả là 1 phân tử phosphate tự do ( Pi )và một phân tử andenosine diphosphate hay là ADP . Như chúng ta đã thảo luận trước , những phản ứng này được xúc tác bởi một số enzyme gọi là ATPases .
Mặc dù sự thủy phân ATP là exergonic mức cao , tế bào chỉ có thể khai thác khoảng 40% năng lượng này để thực hiện công việc . Con số thấp này phản ánh một sự thật rằng , phản ứng exergonic không hoàn toàn hiệu quả và nhiều năng lượng giải phóng bị mất ở dạng nhiệt . Trong tế bào , khoảng 60% năng lượng từ sự thủy phân ATP bị mất ở dạng nhiệt . Điều này có vẻ lãng phí , nhưng chấp nhận rằng , hầu hết các quá trình đốt cháy nhiên liệu , chẳng hạn như là suốt quá trình đốt cháy gỗ bằng lửa , mất khoảng 70-90% năng lượng của nó ở dạng nhiệt - điều này giải thích vì sao những động cơ cháy hoặc đang chạy sẽ nóng khi chạm vào . Vì vậy thủy phân ATP khá là hiệu quả , chỉ là nói tương đối .
Năng lượng tế bào có thể khai thác từ ATP sẽ điều hướng quá trình tế bào theo 2 cách . Thứ nhất , nó có thể sử dụng bởi tế bào 1 cách trực tiếp để " trả " cho các phản ứng nhất định . ATP được sử dụng trong manner-cách thức này để tiếp nhiên liệu cho các quá trình như là co duỗi cơ hoặc sự di chuyển của ribosome dọc theo strand-sợi dây của messenger RNA - RNA thông tin .
Cơ chế thứ hai mà ATP " chi trả " cho hầu hết quá trình của tế bào thì slightly phức tạp hơn một chút . Trong quá trình này , gọi là phosphorylation , ATP cho đi một nhóm phosphate cho các chất phản ứng , với sự giúp sức của 1 enzyme . Phosphorylation energize - tiếp thêm sinh lực cho các chất phản ứng nhiều như cách chúng tiếp sinh lực cho ADP - bằng việc tạo ra các sản phẩm kết quả không bền vững . Điều này instablility favor? sự chuyển đổi các chất phản ứng thành sản phẩm .
Một ví dụ đơn giản của sự chuyển đổi amino acids glutamate thành một dạng amino acids khác , glutamine . Phản ứng này đòi hỏi phải thêm vào 1 phân tử ammonia cho glutamate . ATP trợ giúp cho phản ứng này như sau : (1) ATP được hydrolyzed - thủy phân , yield- mang lại , tạo ra ADP và 1 Pi . (2) Năng lượng được giải phóng trong bước đầu tiên được sử dụng trong phản ứng endergonic để thêm vào 1 Pi cho glutamate , điều này sản xuất 1 phân tử không bền vững .
Glutamate + Pi + Energy -> Glutamate-P
Lý do phân tử glutamate- P không bền vững cũng giống như ATP . Glutamate và P đẩy xa 1 phân tử khác , tạo ra sự quá tải lên phân tử. (3) P rời khỏi glutamate và thay thế bằng một nhóm ammonia , tạo thành nên glutamine, sản phẩm là :
Glutamate-P + NH3 -> Glutamine + Pi + Energy
Sản phẩm này là exergonic vì sản phẩm , glutamine , có ít năng lượng hơn phân tử glutamate-P
Nutrient and ATP Generation
Trước khi chúng ta thảo luận sản phẩm ATP , chúng ta cần có 1 cái nhìn về làm thế nào mà 1 tế bào sử dụng năng lượng hóa học trong các chất dinh dưỡng để lái quá trình tổng hợp ATP . Điều này gồm 1 loại phản ứng đã được thảo luận trong chương hóa học goi là phản ứng giảm oxy hóa . Trong phản ứng này , electron được chuyển từ một chất phản ứng sang 1 chất khác . Trong phần nhỏ tới sẽ xem xét phản ứng giảm oxy hóa và phân từ mà electron được chuyển tới : phân tử nhận electron .
Oxidation - Reduction Reactions
Mọi người thường nói " đốt cháy mỡ " khi họ tập thể thao và bạn có lẽ cho rằng loại phản ứng đốt cháy này khác với đốt cháy gỗ trong lửa . Ngạc nhiên rằng , tuy nhiên , đây không thật sự là trường hợp . Mặc dù , rõ ràng chúng ta không có những ngọn lửa nhỏ raging-hoành hành , tàn phá bên trong tế bào , nhưng phản ứng cơ bản diễn ra trong lúc đốt cháy gỗ trong lửa cũng diễn ra bên trong tế bào của chúng ta . Khi một cái gì đó đốt cháy , một vài electron của nó chuyển sang từ phân tử này sang phân tử khác ; đây là phản ứng exergonic tạo ra một nguồn nhiệt hời . Bạn có thể thấy điều này với phản ứng explosive-nổ sodium-chlorine như hình mà trong đó nhiệt tạo ra khi đốt cháy nguyên tố . Như chúng ta thảo luận , nhưng phản ứng này gọi là phản ứng giảm oxy hóa . Các chất mất electrons gọi là bị oxy hóa và chất nhận electron được gọi là giảm .
Trong khi đốt gỗ , phân tử của gỗ bị oxy hóa , chúng mất electron cho oxy trong không khí , giảm xuống . Các electrons bị lấy hết trong phân tử gỗ , năng lượng tạo ra dưới dạng nhiệt , giữ cho ngọn lửa nóng và tiếp tục cháy . Ngọn lửa không cháy không cần absence - vắng/có mặt của oxy vì hiện tại oxy đang nhận electron từ gỗ .Giống vậy , lửa không đốt cháy khi gỗ bị oxy hóa thành ashes - tro tàn , bởi vì electron đã rời bỏ và không còn gì giá trị để trao cho oxy .
Một cách cần thiết khi quá trình tương tự diễn ra khi tế bào của chúng ta đốt cháy chất dinh dưỡng - chỉ quá trình giảm oxy hóa trong tế bào của chúng ta diễn ra trên một chuỗi nhiều bước hơn là tất cả trong 1 lần , như là với log trong lửa . Trong quá trình bẻ gãy , phân tử chất dinh dưỡng như glucose bị oxy hóa và các electrons chuyển sang phân tử khác , được làm giảm . Dòng chảy electrons từ phân tử này sang phân tử khác được dùng để thực hiện các công việc của tế bào , bao gồm sự tổng hợp ATP .
ConceptBOOST
How electron movement can be harnessed to do work
Sử dụng sự di chuyển của các electron để làm năng lượng cho việc sản xuất ATP được thực hiện theo 1 cách rất giống như chức năng của 1 viên pin đơn giản . Một viên pin chứa những khoang khác nhau với 2 kim loại ( ví dụ phổ biến là zinc và copper ) có sự khác nhau về affinitie - vô hạn electron , đó là chúng thu hút electron với sức mạnh không bằng nhau . Như bạn có thể thấy ở đây , khi 2 khoang chứ được nối với nhau thông qua 1 dây kim loại , electron rời kim loại này với luồng electron vô hạn thấp hơn ( zinc ) và di chuyển đến kim loại có mức electron vô hạn cao hơn ( copper ) .
Trong quá trình , zinc bị oxy hóa và copper giảm điện tích . Nếu dây kim loại này được đặt trong 1 thiết bị như là bóng đèn hoặc một motor , spontaneous - tự phát dòng chảy electrong trong suốt motor cung cấp 1 lực , gọi là lực di chuyển electron có thể thực hiện công việc . Một viên pin hỏng khi kim loại với điện tích thấp vô cực hoàn toàn bị oxy hóa và có thể không còn cung cấp electron cho kim loại ở khoang khác . Tê bào của chúng ta chứa " pin sinh học " không làm việc theo nguyên lý giống vậy .
Electron Carriers
Sự oxi hóa chất dinh dưỡng giải phóng một món hời năng lượng hóa học lớn , nhưng nó sản xuất rất ít ATP một cách trực tiếp . Thay vì , nó là electron strip - lấy hết chất dinh dưỡng để tạo ra hầu hết phần ATP của cơ thể .
Trong suốt quá trình tổng hợp chất dinh dưỡng , chất dinh dưỡng bị oxi hóa và các electron của chúng bị gỡ bỏ ( giống như electron của kẽm trong ví dụ ) và chuyển sang cho phân tử có mức electron vô cùng cao hơn , gọi là sự vận chuyển electron ( nó tương tự như đồng cho pin ) . Electron chuyển đổi này tạo là 1 lực di chuyển điện tích để tế bào sử dựng cho việc thực hiện công việc , giống như cách điện từ viên pin có thể làm sáng bóng đèn hay động cơ ) . Công việc chính của electron vận chuyển trong tế bào là integral - không thể thiếu và peripheral - ngoại vi protein được tìm thấy trong mitochondrial- ty thể màng tế bào . Tuy nhiên , 2 electron vận chuyển , nicotinamide adenine dinucleotide ( NAD+ ) và flavin adenine dinucleotide ( FAD ) , ở vị trí trong cytosol và ma trận ty thể . Hai electron vận chuyển này được chấp nhận electron đầu tiên từ dinh dưỡng trong suốt quá trình bẻ gãy . NAD+ làm việc này như sau :
Chú ý rằng electrons ( chấm màu tím ) được chuyển bằng và thêm vào với nguyên tử Hydrogen ( không phải là ion hydrogen , nó không có electron ) . Vì vậy , khi giảm oxy hóa , NAD+ trở thành NADH ( và FAD trở thành FADH2 ) . Những electron này sẽ thậm chí được chuyển sang electron vận chuyển khác để tạo thành lực đẩy điện tích liên kết với sản phẩm ATP . Phần riêng của những quá trình này được thảo luận trong 2 phần tới .
MODULE 23.2
Glucose Catabolism and ATP Synthesis
Sự bẻ gãy glucose được tham khảo đến là phản ứng bao gồm bẻ gãy monosaccharide glucose và sử dụng năng lượng hóa học in liên kết của nó để điều hướng tổng hợp ATP . Những phản ứng này linh loạt , như là glucose là nguồn nhiên liệu carbonhydrate preferred - ưa thích cần thiết cho mỗi tế bào trong cơ thể . Hầu hết tế bào sử dụng monosaccarides fructose và galactose ( là đồng đẳng với glucose ) như thế , như chúng hầu hết luôn luôn bị chuyển đổi thành glucose trước khi chúng bị bẽ gãy .
Sự bẻ gãy glucose có 2 phần chính , trong mỗi phần đều sản sinh ATP : (1) glycolysis , là một chuỗi các phản ứng trong cytosol chia tách glucose ; và (2) vòng acid citric , một chuỗi các phản ứng trong ma trận ty thể bẻ gãy glucose nhiều hơn nữa . Sau đó , để sử dụng năng lượng được giải phóng bởi sự bẻ gãy glucose , một chuỗi các phản ứng giảm oxi hóa được biết là oxidative phosphorylation diễn ra bên trong màng ty thể . Một chuỗi các phản ứng này bao gồm sự chuyển đổi các electron giữa electron vận chuyển được gọi chung là mắc xích vận chuyển electron ( ETC ) và điều này dẫn đến sự tổng hợp ATP . Bạn có thể thấy những quá trình này có mối quan hệ thế nào trong hình ở phần sau . Những phần tới sẽ trình bày mỗi bước trên ở mức sâu hơn .
Overview of Glucose Catabolism and ATP Synthesis
- Năng lượng được giải phóng từ phản ứng bẻ gãy exergonic . Những chất dinh dưỡng như là glucose , acids béo và amino acids được bẻ gãy thông qua phản ứng bẻ gãy đến tận cùng sẽ giải phóng năng lượng .
- Năng lượng được dùng để làm nhiên liệu cho phản ứng tổng hợp endergonic của sự tổng hợp (synthesis ) ATP . Sự tổng hợp các phân tử như là ATP là phản ứng endergonic . Năng lượng cho phản ứng này đến từ phản ứng exergonic ở bước trước .
- ATP bị bẻ gãy trong phản ứng bẻ gãy exergonic . Trong 1 phản ứng bẻ gãy khác , nhóm phosphate thứ ba từ ATP bị loại bỏ và năng lượng được giải phóng.
- Năng lượng từ sự bẻ gãy ATP tiếp nhiên liệu cho phản ứng tổng hợp endergonic khác trong tế bào . ATP bẻ gãy là 1 quá trình exergonic mức cao có thể tiếp năng lượng cho một số các phản ứng endergonic trong tế bào .
Từ đó , ATP là một thành phần linh hoạt trong các phản ứng này , chúng ta sẽ nhìn gần hơn về phân tử này và các phản ứng của chúng trong phần kế tiếp .
Adenosine Triphosphate ( ATP ) and Phosphorylation
ATP là nguồn năng lượng chính " money " của tế bào nhưng làm thế nào có thể một phân tử đơn giản có thể điều hướng gần như toàn bộ quá trình xử lý tế bào ? Để bắt đầu , nhắc lại rằng điều gì xảy ra khi ta kết hợp 2 nguyên tử không bền vững , chẳng hạn như sodium và chlorine - chúng kết hợp nhau trong 1 phản ứng exergonic và tạo ra những chất có ít năng lượng hơn và do đó sẽ bền vững hơn . Trong quá trình , chúng giải phóng năng lượng dư thừa trong một vụ nổ nhỏ . Nguyên lý cơ bản giống nhau này cũng đúng với ATP , bởi vì ATP , cũng giống như nguyên tử sodium và chlorine đơn độc , là những phân tử không bền vững . Nhóm phosphate của ATP có điện tích âm và là kết quả chúng đẩy xa ( repel ) một cái khác mạnh hơn . repel charge - Sự đẩy lùi điện tích đặt một strain - quá tải lên phân tử , làm liên kết giữa chúng mất bền vững cao hơn và phân tử được phản ứng.
Liên kết giữa nhóm phosphate thứ hai và thứ ba của ATP đặc biệt không bền vững bởi vì những nhóm của chúng đẩy lẫn nhau dẫn đến chúng mang điện tích âm và một món hời năng lượng được giải phóng khi liên kết bị bẻ gãy . Một vài tài liệu gọi liên kết này là " liên kết năng lượng cao " . Thuật ngữ này không chính xác như là không có năng lượng nào chứa trong liên kiết này hơn bất kì liên kết hóa học nào khác . Phản ứng này là phản ứng exergonic chỉ bởi vì liên kết này là một liên kết không bền vững trong ATP dẫn tới bị đẩy xa bởi 2 nhóm phosphate đầu tiên .
Tế bào có thể harness - khai thác năng lượng từ ATP bằng việc gỡ bỏ phosphate thứ 3 trong nhóm của nó trong một phản ứng hydrolysis - thủy phân . Trong phản ứng này , liên kết giữa nhóm phosphate thứ hai và thứ ba bị bẻ gãy bởi phân tử nước , kết quả là 1 phân tử phosphate tự do ( Pi )và một phân tử andenosine diphosphate hay là ADP . Như chúng ta đã thảo luận trước , những phản ứng này được xúc tác bởi một số enzyme gọi là ATPases .
Mặc dù sự thủy phân ATP là exergonic mức cao , tế bào chỉ có thể khai thác khoảng 40% năng lượng này để thực hiện công việc . Con số thấp này phản ánh một sự thật rằng , phản ứng exergonic không hoàn toàn hiệu quả và nhiều năng lượng giải phóng bị mất ở dạng nhiệt . Trong tế bào , khoảng 60% năng lượng từ sự thủy phân ATP bị mất ở dạng nhiệt . Điều này có vẻ lãng phí , nhưng chấp nhận rằng , hầu hết các quá trình đốt cháy nhiên liệu , chẳng hạn như là suốt quá trình đốt cháy gỗ bằng lửa , mất khoảng 70-90% năng lượng của nó ở dạng nhiệt - điều này giải thích vì sao những động cơ cháy hoặc đang chạy sẽ nóng khi chạm vào . Vì vậy thủy phân ATP khá là hiệu quả , chỉ là nói tương đối .
Năng lượng tế bào có thể khai thác từ ATP sẽ điều hướng quá trình tế bào theo 2 cách . Thứ nhất , nó có thể sử dụng bởi tế bào 1 cách trực tiếp để " trả " cho các phản ứng nhất định . ATP được sử dụng trong manner-cách thức này để tiếp nhiên liệu cho các quá trình như là co duỗi cơ hoặc sự di chuyển của ribosome dọc theo strand-sợi dây của messenger RNA - RNA thông tin .
Cơ chế thứ hai mà ATP " chi trả " cho hầu hết quá trình của tế bào thì slightly phức tạp hơn một chút . Trong quá trình này , gọi là phosphorylation , ATP cho đi một nhóm phosphate cho các chất phản ứng , với sự giúp sức của 1 enzyme . Phosphorylation energize - tiếp thêm sinh lực cho các chất phản ứng nhiều như cách chúng tiếp sinh lực cho ADP - bằng việc tạo ra các sản phẩm kết quả không bền vững . Điều này instablility favor? sự chuyển đổi các chất phản ứng thành sản phẩm .
Một ví dụ đơn giản của sự chuyển đổi amino acids glutamate thành một dạng amino acids khác , glutamine . Phản ứng này đòi hỏi phải thêm vào 1 phân tử ammonia cho glutamate . ATP trợ giúp cho phản ứng này như sau : (1) ATP được hydrolyzed - thủy phân , yield- mang lại , tạo ra ADP và 1 Pi . (2) Năng lượng được giải phóng trong bước đầu tiên được sử dụng trong phản ứng endergonic để thêm vào 1 Pi cho glutamate , điều này sản xuất 1 phân tử không bền vững .
Glutamate + Pi + Energy -> Glutamate-P
Lý do phân tử glutamate- P không bền vững cũng giống như ATP . Glutamate và P đẩy xa 1 phân tử khác , tạo ra sự quá tải lên phân tử. (3) P rời khỏi glutamate và thay thế bằng một nhóm ammonia , tạo thành nên glutamine, sản phẩm là :
Glutamate-P + NH3 -> Glutamine + Pi + Energy
Sản phẩm này là exergonic vì sản phẩm , glutamine , có ít năng lượng hơn phân tử glutamate-P
Nutrient and ATP Generation
Trước khi chúng ta thảo luận sản phẩm ATP , chúng ta cần có 1 cái nhìn về làm thế nào mà 1 tế bào sử dụng năng lượng hóa học trong các chất dinh dưỡng để lái quá trình tổng hợp ATP . Điều này gồm 1 loại phản ứng đã được thảo luận trong chương hóa học goi là phản ứng giảm oxy hóa . Trong phản ứng này , electron được chuyển từ một chất phản ứng sang 1 chất khác . Trong phần nhỏ tới sẽ xem xét phản ứng giảm oxy hóa và phân từ mà electron được chuyển tới : phân tử nhận electron .
Oxidation - Reduction Reactions
Mọi người thường nói " đốt cháy mỡ " khi họ tập thể thao và bạn có lẽ cho rằng loại phản ứng đốt cháy này khác với đốt cháy gỗ trong lửa . Ngạc nhiên rằng , tuy nhiên , đây không thật sự là trường hợp . Mặc dù , rõ ràng chúng ta không có những ngọn lửa nhỏ raging-hoành hành , tàn phá bên trong tế bào , nhưng phản ứng cơ bản diễn ra trong lúc đốt cháy gỗ trong lửa cũng diễn ra bên trong tế bào của chúng ta . Khi một cái gì đó đốt cháy , một vài electron của nó chuyển sang từ phân tử này sang phân tử khác ; đây là phản ứng exergonic tạo ra một nguồn nhiệt hời . Bạn có thể thấy điều này với phản ứng explosive-nổ sodium-chlorine như hình mà trong đó nhiệt tạo ra khi đốt cháy nguyên tố . Như chúng ta thảo luận , nhưng phản ứng này gọi là phản ứng giảm oxy hóa . Các chất mất electrons gọi là bị oxy hóa và chất nhận electron được gọi là giảm .
Trong khi đốt gỗ , phân tử của gỗ bị oxy hóa , chúng mất electron cho oxy trong không khí , giảm xuống . Các electrons bị lấy hết trong phân tử gỗ , năng lượng tạo ra dưới dạng nhiệt , giữ cho ngọn lửa nóng và tiếp tục cháy . Ngọn lửa không cháy không cần absence - vắng/có mặt của oxy vì hiện tại oxy đang nhận electron từ gỗ .Giống vậy , lửa không đốt cháy khi gỗ bị oxy hóa thành ashes - tro tàn , bởi vì electron đã rời bỏ và không còn gì giá trị để trao cho oxy .
Một cách cần thiết khi quá trình tương tự diễn ra khi tế bào của chúng ta đốt cháy chất dinh dưỡng - chỉ quá trình giảm oxy hóa trong tế bào của chúng ta diễn ra trên một chuỗi nhiều bước hơn là tất cả trong 1 lần , như là với log trong lửa . Trong quá trình bẻ gãy , phân tử chất dinh dưỡng như glucose bị oxy hóa và các electrons chuyển sang phân tử khác , được làm giảm . Dòng chảy electrons từ phân tử này sang phân tử khác được dùng để thực hiện các công việc của tế bào , bao gồm sự tổng hợp ATP .
ConceptBOOST
How electron movement can be harnessed to do work
Sử dụng sự di chuyển của các electron để làm năng lượng cho việc sản xuất ATP được thực hiện theo 1 cách rất giống như chức năng của 1 viên pin đơn giản . Một viên pin chứa những khoang khác nhau với 2 kim loại ( ví dụ phổ biến là zinc và copper ) có sự khác nhau về affinitie - vô hạn electron , đó là chúng thu hút electron với sức mạnh không bằng nhau . Như bạn có thể thấy ở đây , khi 2 khoang chứ được nối với nhau thông qua 1 dây kim loại , electron rời kim loại này với luồng electron vô hạn thấp hơn ( zinc ) và di chuyển đến kim loại có mức electron vô hạn cao hơn ( copper ) .
Trong quá trình , zinc bị oxy hóa và copper giảm điện tích . Nếu dây kim loại này được đặt trong 1 thiết bị như là bóng đèn hoặc một motor , spontaneous - tự phát dòng chảy electrong trong suốt motor cung cấp 1 lực , gọi là lực di chuyển electron có thể thực hiện công việc . Một viên pin hỏng khi kim loại với điện tích thấp vô cực hoàn toàn bị oxy hóa và có thể không còn cung cấp electron cho kim loại ở khoang khác . Tê bào của chúng ta chứa " pin sinh học " không làm việc theo nguyên lý giống vậy .
Electron Carriers
Sự oxi hóa chất dinh dưỡng giải phóng một món hời năng lượng hóa học lớn , nhưng nó sản xuất rất ít ATP một cách trực tiếp . Thay vì , nó là electron strip - lấy hết chất dinh dưỡng để tạo ra hầu hết phần ATP của cơ thể .
Trong suốt quá trình tổng hợp chất dinh dưỡng , chất dinh dưỡng bị oxi hóa và các electron của chúng bị gỡ bỏ ( giống như electron của kẽm trong ví dụ ) và chuyển sang cho phân tử có mức electron vô cùng cao hơn , gọi là sự vận chuyển electron ( nó tương tự như đồng cho pin ) . Electron chuyển đổi này tạo là 1 lực di chuyển điện tích để tế bào sử dựng cho việc thực hiện công việc , giống như cách điện từ viên pin có thể làm sáng bóng đèn hay động cơ ) . Công việc chính của electron vận chuyển trong tế bào là integral - không thể thiếu và peripheral - ngoại vi protein được tìm thấy trong mitochondrial- ty thể màng tế bào . Tuy nhiên , 2 electron vận chuyển , nicotinamide adenine dinucleotide ( NAD+ ) và flavin adenine dinucleotide ( FAD ) , ở vị trí trong cytosol và ma trận ty thể . Hai electron vận chuyển này được chấp nhận electron đầu tiên từ dinh dưỡng trong suốt quá trình bẻ gãy . NAD+ làm việc này như sau :
MODULE 23.2
Glucose Catabolism and ATP Synthesis
Sự bẻ gãy glucose được tham khảo đến là phản ứng bao gồm bẻ gãy monosaccharide glucose và sử dụng năng lượng hóa học in liên kết của nó để điều hướng tổng hợp ATP . Những phản ứng này linh loạt , như là glucose là nguồn nhiên liệu carbonhydrate preferred - ưa thích cần thiết cho mỗi tế bào trong cơ thể . Hầu hết tế bào sử dụng monosaccarides fructose và galactose ( là đồng đẳng với glucose ) như thế , như chúng hầu hết luôn luôn bị chuyển đổi thành glucose trước khi chúng bị bẽ gãy .
Sự bẻ gãy glucose có 2 phần chính , trong mỗi phần đều sản sinh ATP : (1) glycolysis , là một chuỗi các phản ứng trong cytosol chia tách glucose ; và (2) vòng acid citric , một chuỗi các phản ứng trong ma trận ty thể bẻ gãy glucose nhiều hơn nữa . Sau đó , để sử dụng năng lượng được giải phóng bởi sự bẻ gãy glucose , một chuỗi các phản ứng giảm oxi hóa được biết là oxidative phosphorylation diễn ra bên trong màng ty thể . Một chuỗi các phản ứng này bao gồm sự chuyển đổi các electron giữa electron vận chuyển được gọi chung là mắc xích vận chuyển electron ( ETC ) và điều này dẫn đến sự tổng hợp ATP . Bạn có thể thấy những quá trình này có mối quan hệ thế nào trong hình ở phần sau . Những phần tới sẽ trình bày mỗi bước trên ở mức sâu hơn .
Overview of Glucose Catabolism and ATP Synthesis
Comments
Post a Comment