Lebende Organismen bilden eine Energiekette, in der Pflanzen Nahrung produzieren, die Tiere und andere Organismen zur Energiegewinnung verwenden. Der Hauptprozess, der Lebensmittel produziert, ist Photosynthese in Pflanzen und die wichtigste Methode zur Umwandlung der Nahrung in Energie ist die Zellatmung.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
Das Energie übertragende Molekül, das von Zellen verwendet wird, ist ATP. Der Prozess der Zellatmung wandelt das Molekül ADP in ATP um, wo die Energie gespeichert wird. Dies geschieht über den dreistufigen Prozess der Glykolyse, des Zitronensäurezyklus und der Elektronentransportkette. Die Zellatmung spaltet und oxidiert Glukose, um ATP-Moleküle zu bilden.
Während der Photosynthese fangen Pflanzen Lichtenergie ein und verwenden sie, um chemische Reaktionen in den Pflanzenzellen anzutreiben. Die Lichtenergie lässt Pflanzen Kohlenstoff aus Kohlendioxid in der Luft mit Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser zu Glucose.
Im Zellatmung, Organismen wie Tiere essen Lebensmittel, die Glukose enthalten und spalten die Glukose in Energie, Kohlendioxid und Wasser auf. Das Kohlendioxid und das Wasser werden aus dem Organismus ausgestoßen und die Energie wird in einem Molekül namens. gespeichert
Die Arten von Zellen, die Glukose zur Energiegewinnung verwenden
Lebende Organismen sind entweder einzellig Prokaryoten oder Eukaryoten, die einzellig oder mehrzellig sein können. Der Hauptunterschied zwischen den beiden besteht darin, dass Prokaryonten eine einfache Zellstruktur ohne Kern oder Zellorganellen haben. Eukaryoten haben immer einen Kern und kompliziertere Zellprozesse.
Einzellige Organismen beider Arten können verschiedene Methoden zur Energiegewinnung verwenden, und viele verwenden auch die Zellatmung. Fortgeschrittene Pflanzen und Tiere sind allesamt Eukaryoten und nutzen fast ausschließlich die Zellatmung. Pflanzen nutzen Photosynthese, um Sonnenenergie einzufangen, speichern dann aber den größten Teil dieser Energie in Form von Glukose.
Sowohl Pflanzen als auch Tiere nutzen die bei der Photosynthese produzierte Glukose als Energiequelle.
Durch die Zellatmung können Organismen Glukoseenergie aufnehmen
Die Photosynthese produziert Glukose, aber die Glukose ist nur eine Möglichkeit, chemische Energie zu speichern und kann von den Zellen nicht direkt verwendet werden. Der gesamte Photosyntheseprozess lässt sich in der folgenden Formel zusammenfassen:
6CO2 + 12H2O + Lichtenergie → C6H12Ö6 + 6O2 + 6H2Ö
Die Pflanzen nutzen Photosynthese, um sich umzuwandeln Lichtenergie in chemische Energie um und speichern die chemische Energie in Glukose. Um die gespeicherte Energie zu nutzen, ist ein zweiter Prozess erforderlich.
Die Zellatmung wandelt die in Glukose gespeicherte chemische Energie in chemische Energie um, die im ATP-Molekül gespeichert ist. ATP wird von allen Zellen verwendet, um ihren Stoffwechsel und ihre Aktivitäten anzutreiben. Muskelzellen gehören zu den Arten von Zellen, die Glukose zur Energiegewinnung verwenden, diese jedoch zuerst in ATP umwandeln.
Die allgemeine chemische Reaktion für die Zellatmung ist wie folgt:
C6H12Ö6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + ATP-Moleküle
Die Zellen spalten Glukose in Kohlendioxid und Wasser auf und produzieren dabei Energie, die sie in ATP-Molekülen speichern. Sie verwenden dann die ATP-Energie für Aktivitäten wie Muskelkontraktionen. Der komplette Zellatmungsprozess hat drei Stufen.
Die Zellatmung beginnt mit der Aufspaltung von Glukose in zwei Teile
Glucose ist ein Kohlenhydrat mit sechs Kohlenstoffatomen. Während der ersten Phase des Zellatmungsprozesses, genannt Glykolysespaltet die Zelle die Glukosemoleküle in zwei Pyruvatmoleküle oder Drei-Kohlenstoff-Moleküle. Um den Prozess in Gang zu setzen, wird Energie benötigt, sodass zwei ATP-Moleküle aus den Reserven der Zelle verwendet werden.
Am Ende des Prozesses, wenn die beiden Pyruvat-Moleküle entstehen, wird Energie freigesetzt und in vier ATP-Molekülen gespeichert. Die Glykolyse verwendet zwei ATP-Moleküle und produziert vier für jedes verarbeitete Glukosemolekül. Der Nettogewinn beträgt zwei ATP-Moleküle.
Welche der Organellen einer Zelle setzt die in der Nahrung gespeicherte Energie frei?
Die Glykolyse beginnt im Zellzytoplasma, aber der Zellatmungsprozess findet hauptsächlich im Mitochondrien. Zu den Arten von Zellen, die Glukose zur Energiegewinnung verwenden, gehören fast alle Zellen des menschlichen Körpers mit Ausnahme von hochspezialisierten Zellen wie Blutzellen.
Die Mitochondrien sind kleine membrangebundene Organellen und die Zellfabriken, die ATP produzieren. Sie haben eine glatte Außenmembran und eine hochgefaltete innere Membran wo die Zellatmungsreaktionen stattfinden.
Die Reaktionen finden zuerst in den Mitochondrien statt, um einen Energiegradienten über die innere Membran zu erzeugen. Nachfolgende Reaktionen, an denen die Membran beteiligt ist, erzeugen die Energie, die verwendet wird, um ATP-Moleküle zu erzeugen.
Der Zitronensäurezyklus produziert Enzyme für die Zellatmung
Das bei der Glykolyse produzierte Pyruvat ist nicht das Endprodukt der Zellatmung. In einer zweiten Stufe werden die beiden Pyruvatmoleküle zu einer weiteren Zwischensubstanz namens intermediate verarbeitet Acetyl-CoA. Das Acetyl-CoA gelangt in die Zitronensäurezyklus und die Kohlenstoffatome des ursprünglichen Glucosemoleküls werden vollständig in CO. umgewandelt2. Das Zitronensäure Wurzel wird recycelt und mit einem neuen Acetyl-CoA-Molekül verbunden, um den Vorgang zu wiederholen.
Die Oxidation der Kohlenstoffatome erzeugt zwei weitere ATP-Moleküle und wandelt die Enzyme NAD. um+ und FAD zu NADH und FADH2. Die umgewandelten Enzyme werden in der dritten und letzten Stufe der Zellatmung verwendet, wo sie als Elektronendonatoren für die Elektronentransportkette fungieren.
Die ATP-Moleküle fangen einen Teil der erzeugten Energie ein, aber der größte Teil der chemischen Energie verbleibt in den NADH-Molekülen. Die Reaktionen des Zitronensäurezyklus finden in den Mitochondrien statt.
Die Elektronentransportkette fängt den größten Teil der Energie aus der Zellatmung ein
Das Elektronentransportkette (USW) besteht aus einer Reihe von Verbindungen, die sich auf der inneren Membran der Mitochondrien befinden. Es verwendet Elektronen aus NADH und FADH2 Enzyme, die durch den Zitronensäurezyklus produziert werden, um Protonen durch die Membran zu pumpen.
In einer Reaktionskette werden die hochenergetischen Elektronen von NADH und FADH2 werden durch die Reihe von ETC-Verbindungen weitergegeben, wobei jeder Schritt zu einem niedrigeren Elektronenenergiezustand führt und Protonen durch die Membran gepumpt werden.
Am Ende der ETC-Reaktionen nehmen Sauerstoffmoleküle die Elektronen auf und bilden Wassermoleküle. Die ursprünglich aus der Spaltung und Oxidation des Glucosemoleküls stammende Elektronenenergie wurde in a. umgewandelt Protonenenergiegradient über die innere Membran der Mitochondrien.
Da es ein Ungleichgewicht der Protonen in der inneren Membran gibt, erfahren die Protonen eine Kraft, um zurück in das Innere der Mitochondrien zu diffundieren. Ein Enzym namens ATP-Synthase ist in die Membran eingebettet und erzeugt eine Öffnung, die es den Protonen ermöglicht, sich durch die Membran zurück zu bewegen.
Wenn die Protonen die Öffnung der ATP-Synthase passieren, nutzt das Enzym die Energie der Protonen, um ATP-Moleküle zu erzeugen. Der Großteil der Energie aus der Zellatmung wird in dieser Phase eingefangen und in 32 ATP-Molekülen gespeichert.
Das ATP-Molekül speichert die zelluläre Atmungsenergie in seinen Phosphatbindungen
ATP ist eine komplexe organische Chemikalie mit einer Adeninbase und drei Phosphatgruppen. In den Bindungen, die die Phosphatgruppen halten, wird Energie gespeichert. Wenn eine Zelle Energie braucht, bricht sie eine der Phosphatgruppen-Bindungen und nutzt die chemische Energie, um neue Bindungen in anderen Zellsubstanzen aufzubauen. Das ATP-Molekül wird Adenosindiphosphat oder ADP.
Bei der Zellatmung wird die freigesetzte Energie verwendet, um ADP eine Phosphatgruppe hinzuzufügen. Die Addition der Phosphatgruppe fängt die Energie aus der Glykolyse, dem Zitronensäurezyklus und die große Energiemenge aus dem ETC ein. Die dabei entstehenden ATP-Moleküle können vom Organismus für Aktivitäten wie Bewegung, Nahrungssuche und Fortpflanzung genutzt werden.