4.4: תסיסה

Last updated
Save as PDF

Page ID: 209015

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

בנשימה אירובית, מקבל האלקטרונים הסופי הוא מולקולת חמצן, O ₂. אם מתרחשת נשימה אירובית, אז ATP יופק באמצעות האנרגיה של האלקטרונים בעלי האנרגיה הגבוהה הנישאים על ידי NADH או FADH ₂ לשרשרת הובלת האלקטרונים. אם לא מתרחשת נשימה אירובית, יש לחמצן מחדש את NADH ל- NAD ⁺ לשימוש חוזר כנשא אלקטרונים להמשך הגליקוליזה. איך עושים את זה? חלק מהמערכות החיות משתמשות במולקולה אורגנית כמקבל האלקטרונים הסופי. תהליכים המשתמשים במולקולה אורגנית לחידוש NAD ^{+ מ-} NADH מכונים ביחד תסיסה. לעומת זאת, חלק מהמערכות החיות משתמשות במולקולה אנאורגנית (מלבד חמצן) כמקבל אלקטרונים סופי לחידוש NAD ⁺; שתי השיטות הן אנאירוביות (אינן דורשות חמצן) כדי להשיג התחדשות NAD ⁺ ולאפשר לאורגניזמים להמיר אנרגיה לשימושם בהיעדר חמצן.

תסיסה של חומצה לקטית

שיטת התסיסה בה משתמשים בעלי חיים וכמה חיידקים כמו אלה ביוגורט היא תסיסה של חומצת חלב (איור\(\PageIndex{1}\)). זה מתרחש באופן שגרתי בתאי דם אדומים של יונקים ובשריר השלד שאין להם אספקת חמצן מספקת כדי לאפשר את המשך הנשימה האירובית (כלומר בשרירים המשמשים עד כדי עייפות). בשרירים יש להסיר חומצה לקטית המיוצרת על ידי תסיסה על ידי זרימת הדם ולהביא אותה לכבד לצורך חילוף חומרים נוסף. התגובה הכימית של תסיסת חומצת חלב היא כדלקמן:

\[\ce{Pyruvic\: acid + NADH ↔ lactic\: acid + NAD+}\nonumber\]

האנזים המזרז תגובה זו הוא לקטט דהידרוגנאז. התגובה יכולה להתקדם לשני הכיוונים, אך התגובה משמאל לימין מעוכבת על ידי תנאים חומציים. הצטברות חומצת חלב זו גורמת לנוקשות שרירים ועייפות. לאחר הסרת חומצת החלב מהשריר ומופצת לכבד, ניתן להמיר אותה בחזרה לחומצה פירובית ולקטבול עוד יותר לאנרגיה.

חיבור אמנות

גרפיקה מציגה גלוקוז שעובר גליקוליזה והופך לשתי מולקולות פירובט, שעוברות לאחר מכן תסיסה והופכות לשתי מולקולות לקטט. במהלך הגליקוליזה, שתי NAD+ מומרות לשתי מולקולות NADH בעלות אנרגיה גבוהה, אך במהלך התסיסה, שתי מולקולות NADH אלו מתחמצנות מחדש כדי להפוך שוב לשתי NAD+. לאחר מכן ניתן להשתמש ב- NAD+ בגליקוליזה. — **איור\(\PageIndex{1}\):** תסיסה של חומצת חלב נפוצה בשרירים שהפכו מותשים משימוש.

טרמטול, רעל מטבולי שנמצא בצמח שורש נחש לבן, מונע את חילוף החומרים של לקטט. כאשר פרות אוכלות את הצמח הזה, טרמטול מרוכז בחלב. בני אדם הצורכים את החלב חולים. תסמינים של מחלה זו, הכוללים הקאות, כאבי בטן ורעידות, מחמירים לאחר האימון. למה אתה חושב שזה המצב?

תסיסת אלכוהול

תהליך תסיסה מוכר נוסף הוא תסיסת אלכוהול (איור\(\PageIndex{2}\)), המייצרת אתנול, אלכוהול. תגובת תסיסת האלכוהול היא כדלקמן:

גרפיקה המציגה את תגובת תסיסת האלכוהול במשוואה. — **איור\(\PageIndex{2}\):** התגובה וכתוצאה מכך תסיסת אלכוהול מוצגת.

בתגובה הראשונה, קבוצת קרבוקסיל מוסרת מחומצה פירובית, ומשחררת פחמן דו חמצני כגז. אובדן פחמן דו חמצני מפחית את המולקולה על ידי אטום פחמן אחד, מה שהופך אצטאלדהיד. התגובה השנייה מסירה אלקטרון מ-NADH, יוצרת NAD ⁺ ומייצרת אתנול מהאצטאלדהיד, שמקבל את האלקטרון. התסיסה של חומצה פירובית על ידי שמרים מייצרת את האתנול המצוי במשקאות אלכוהוליים (איור\(\PageIndex{3}\)). אם הפחמן הדו-חמצני המיוצר מהתגובה אינו מאוורר מתא התסיסה, למשל בבירה ויינות מבעבעים, הוא נשאר מומס במדיום עד לשחרור הלחץ. אתנול מעל 12 אחוז רעיל לשמרים, ולכן רמות אלכוהול טבעיות ביין מתרחשות לכל היותר 12 אחוזים.

תמונה זו מציגה מיכלי תסיסה גליליים גדולים בצבע כסף. — **איור\(\PageIndex{3}\):** תסיסה של מיץ ענבים לייצור יין מייצרת CO ₂ כתוצר לוואי. למיכלי תסיסה יש שסתומים כך שניתן יהיה לשחרר לחץ בתוך המיכלים.

נשימה תאית אנאירובית

פרוקריוטים מסוימים, כולל מינים מסוימים של חיידקים וארכיאה, משתמשים בנשימה אנאירובית. לדוגמה, קבוצת הארכיאה הנקראת מתנוגנים מפחיתה פחמן דו חמצני למתאן כדי לחמצן את NADH. מיקרואורגניזמים אלה נמצאים באדמה ובדרכי העיכול של מעלי גירה, כמו פרות וכבשים. ^{באופן דומה, חיידקים מפחיתים סולפט וארכיאה, שרובם אנאירוביים (איור\(\PageIndex{4}\)), מפחיתים סולפט למימן גופרתי כדי לחדש את NAD+מ- NADH.}

תמונה זו מציגה פריחה של חיידקים ירוקים במים. — **איור\(\PageIndex{4}\):** הצבע הירוק שנראה במי החוף הללו הוא מהתפרצות של מימן גופרתי. חיידקים אנאירוביים ומפחיתים סולפט משחררים גז מימן גופרתי כשהם מפרקים אצות במים. (אשראי: תמונת נאס"א באדיבות ג'ף שמאלץ, צוות התגובה המהירה של MODIS Land ב- GSFC של נאס"א)

מושג בפעולה

בקר באתר זה כדי לראות נשימה תאית אנאירובית בפעולה.

שיטות תסיסה אחרות מתרחשות בחיידקים. פרוקריוטים רבים הם אנאירוביים מבחינה פקולטטיבית. המשמעות היא שהם יכולים לעבור בין נשימה אירובית לתסיסה, תלוי בזמינות החמצן. פרוקריוטים מסוימים, כמו חיידקי קלוסטרידיה, הם אנאירובים מחייבים. אנאירובים מחויבים חיים וגדלים בהיעדר חמצן מולקולרי. חמצן הוא רעל למיקרואורגניזמים אלה והורג אותם בחשיפה. יש לציין כי כל צורות התסיסה, למעט תסיסה של חומצת חלב, מייצרות גז. ייצור סוגים מסוימים של גז משמש כאינדיקטור לתסיסה של פחמימות ספציפיות, הממלאות תפקיד בזיהוי המעבדה של החיידקים. שיטות התסיסה השונות משמשות אורגניזמים שונים כדי להבטיח אספקה נאותה של NAD ⁺ לשלב השישי בגליקוליזה. ללא מסלולים אלה, שלב זה לא היה מתרחש, ולא ייבצר ATP מפירוק הגלוקוז.

סיכום מדור

אם לא ניתן לחילוף חומרים של NADH באמצעות נשימה אירובית, נעשה שימוש במקבל אלקטרונים אחר. רוב האורגניזמים ישתמשו בצורה כלשהי של תסיסה כדי להשיג את התחדשות NAD ⁺, מה שמבטיח את המשך הגליקוליזה. התחדשות NAD ⁺ בתסיסה אינה מלווה בייצור ATP; לכן, הפוטנציאל של NADH לייצר ATP באמצעות שרשרת הובלת אלקטרונים אינו מנוצל.

חיבורי אמנות

איור\(\PageIndex{1}\): טרמטול, רעל מטבולי המצוי בצמח שורש נחש לבן, מונע את חילוף החומרים של לקטט. כאשר פרות אוכלות את הצמח הזה, טרמטול מרוכז בחלב. בני אדם הצורכים את החלב חולים. תסמינים של מחלה זו, הכוללים הקאות, כאבי בטן ורעידות, מחמירים לאחר האימון. למה אתה חושב שזה המצב?

תשובה: המחלה נגרמת על ידי הצטברות חומצה לקטית. רמות חומצת החלב עולות לאחר האימון, מה שמחמיר את התסמינים. מחלת חלב נדירה כיום, אך הייתה נפוצה במערב התיכון של ארצות הברית בתחילת המאה ה -19.

רשימת מילים

נשימה תאית אנאירובית: השימוש במקבל אלקטרונים שאינו חמצן להשלמת חילוף החומרים באמצעות כימיוזמוזה מבוססת הובלת אלקטרונים

תסיסה: השלבים העוקבים אחר החמצון החלקי של גלוקוז באמצעות גליקוליזה לחידוש NAD ⁺; מתרחש בהיעדר חמצן ומשתמש בתרכובת אורגנית כמקבל האלקטרונים הסופי

תורמים וייחוסים

Template:ContribOpenStaxConcepts