Opdrachten Biologie V07/V08 Periode 20 april 2020 t.e.m. 7 mei 2020 Thema 6: Aerobe en anaerobe celademhaling 1. Achtergrondinformatie en afspraken In thema 5 (fotosynthese) hebben we gezien dat de chloroplast en het mitochondrion nauw samenwerken. Overdag doet de chloroplast aan fotosynthese en het mitochondrion voert zowel overdag als ’s nachts de celademhaling uit. De celademhaling is een proces dat niet alleen in autotrofe organismen plaatsvindt, maar ook in heterotrofe organismen. In beide gevallen wordt uit voedingsstoffen, die heterotrofe organismen bekomen na de vertering, bruikbare energie onder de vorm van ATP gehaald. Deze ATP kan dan gebruikt worden voor processen zoals celdeling, beweging, groeien, actief transport, … . In dit hoofdstuk bestudeer je de mechanismen waarlangs ATP wordt vrijgemaakt uit glucose, zowel met als zonder zuurstof. Deze theorie wordt stapsgewijs opgebouwd met behulp van gegeven websites en je handboek Biogenie 5.2. Beiden zal je nodig hebben om deze bundel te kunnen invullen. Om jullie leerproces te kunnen opvolgen, verwachten we dat je de ingevulde bundel zal uploaden in de lesgroep. De deadline hiervoor is dinsdag 5 mei. Na het controleren van alle bundels krijgen jullie de verbetersleutel. Zowel tijdens als na het verwerken van de leerstof ben ik bereikbaar via het forum in de lesgroep. De vragen en antwoorden zijn zichtbaar voor iedereen, hetgeen ervoor zorgt dat jullie ook van elkaar leren. Veel succes! 2. Aerobe energieproductie Bekijk het filmpje op http://www.youtube.com/watch?v=4Eo7JtRA7lg, het geeft je een overzicht van de leerstof die je in deze bundel zal verwerken. (Tip: bekijk dit voor én na het invullen van de bundel.) a) Wat is celademhaling? Vul de onderstaande tekst aan m.b.v. Biogenie 5.2. De mens is een heterotrofe organisme. Dit betekent dat wij onze energie halen uit de omgeving, uit andere organismen. De voedselbestanddelen die energie kunnen leveren zijn voornamelijk suikers (synoniem: sachariden ), vetten (synoniem: lipiden ) en eiwitten (synoniem: proteinen). Deze moleculen moeten eerst verkleind worden vooraleer zij getransporteerd kunnen worden in ons lichaam via de bloedbaan. Ons spijsverteringstelsel zorgt voor het omzetten van voedingsmiddelen naar voedingsstoffen ( = monomeren of ……………………………… die gebruikt worden tijdens anabole reacties). Nadat de monomeren via het bloed zijn aangekomen in onze cellen, zal er een proces gebeuren waarbij energie wordt geproduceerd, we noemen dit de aerobe energieproductie. “Aeroob” duidt erop dat er O2 nodig is voor dit proces. Deze molecule wordt voorzien in onze cellen dankzij ons ademhalingstelsel. Het aerobe energieproductieproces gebeurt voornamelijk in gespecialiseerde organellen van de cel, nl. de mitochondiën . Deze celorganellen oxideren/ verbranden glucose, waardoor energie vrijkomt (= celademhaling). 1 b) De verschillende stadia van de aerobe celademhaling. Bezoek de volgende site en los onderstaande vraagjes op: http://www.bioplek.org/animaties/celademhaling/celademhaling.html Schrijf de reactievergelijking van de verbranding (oxidatie) van glucose? C6H12O2 + 6 O2 38 ADP + P 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP 38 ATP Zijn er nog andere voedingsstoffen (buiten glucose) waaruit energie gehaald kan worden? Welke? Vetten (lipiden) en eiwitten (proteïnen) Wat is ATP? ATP ( adenosinetrifosfaat) is de energievorm die cellen gebruiken voor al hun celactiviteiten. Klik op de site linksonder op de groene pijl en vul onderstaande tabel in: Drie stadia van celademhaling glycolyse citroenzuurcyclus eindoxidatie Plaats in de cel Buiten de mitochondrien dus in cytoplasma In de mitochondrien In de membranen van de tussenschotten in de mitochondrien c) Stadium 1: de glycolyse Ga naar http://nl.wikibooks.org/wiki/Celbiologie/Energie_in_een_cel en los de onderstaande vraagjes op: Wat is de letterlijke betekenis van glycolyse? Suiker splijten Glucose wordt tijdens de glycolyse omgezet in reactieproducten? Welke? 2 pyruvaat + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP + 2 H2O Kan de glycolyse ook in anaerobe omstandigheden plaatsvinden? Waarom wel/niet? Ja, glycolyse heeft niet noodzakelijk O2 omdat het een katabolische proces is.Grotere moleculen worden afgebroken tot kleine. Bij katabole afbraak komt chemische energie vrij die het organisme gebruikt voor diverse lichaamsfuncties. De netto opbrengst aan ATP uit de glycolyse is 2 ATP, terwijl er 4 moleculen ATP worden gevormd. Leg uit. De glycolyse kost 2 ATP, maar levert 4 ATP op. Netto komt dit dus uit op een totaal van 2 ATP. De reacties die plaatsvinden om glucose om te vormen naar de reactieproducten van de glycolyse worden gekatalyseerd door bepaalde stoffen. Wat betekent dit en hoe heet deze groep van stoffen? (Tip: denk aan hoofdstuk 4). ………………………………………………………………………………………………………………………………….. 2 d) Stadium 2: de citroenzuurcyclus De citroenzuurcyclus wordt ook de krebcyclus genoemd, naar de naam van de wetenschapper die het mechanisme achter deze cyclus ophelderde. Het reactieproduct van de glycolyse, namelijk pyrodruivenzuur, kan niet rechtstreeks gebruikt worden in de citroenzuurcyclus, maar moet eerst omgezet worden in bruikbare moleculen. Dit gebeurt in drie stappen. Bekijk wat er gebeurt in deze 3 stappen via de volgende link en vul zowel de tekst als de figuur verder aan: http://nl.wikibooks.org/wiki/Celbiologie/Energie_in_een_cel Stap 1: een gedeelte van pyruvaat bevat geen energie. Dit stukje wordt er afgehaald en verdwijnt in de vorm van koolstofdioxide (dit proces heet decarboxylatie). Stap 2: het molecule bevat ook een overschot aan energie . Deze worden overgedragen aan een speciale transportmolecuul waardoor elektronen wordt gevormd. Stap 3: een specifiek enzym bindt zich vast aan de rest van de molecule. Het resultaat wordt acetyl co-enzym A genoemd of afgekort: acetyl-CoA. Overzicht van de 3 stappen in een figuur: Vul de tekst aan m.b.v. onderstaande figuur en je handboek blz. 174. 3 Met acetyl-CoA start de eigenlijke citroenzuurcyclus. In deze cyclus wordt citraat, de geïoniseerde vorm van citroenzuur telkens opgebouwd en afgebroken. Per cyclus worden telkens de volgende moleculen gevormd: 3 koolstofdioxidemoleculen 1 molecule ATP Andere chemische energiedragers, nl. NAD en FAD die door elektronen op te nemen energierijker zijn geworden De citroenzuurcyclus kan zonder zuurstof wel / niet doorgaan. (schrap het onjuiste woord) Samengevat: Als voorbereiding op de krebscyclus wordt pyruvaat omgezet naar Acetyl-CoA Bij deze omzetting wordt ook CO2 en NADH geproduceerd. Acetyl-CoA gaat de eigenlijke citroenzuurcyclus in, een cyclus waarin ATP, CO2, NADH en FADH2 worden gevormd. e) Stadium 3: de eindoxidaties Bestudeer blz. 176 in je handboek. Je zal merken dat dit proces grote overeenkomsten vertoont met de lichtreactie van de fotosynthese. Bouw voort op je voorkennis en vul daarna onderstaande tekst aan: De laatste fase van de aerobe celademhaling heet de terminale oxidatie of de eindoxidatie. In dit stadium worden de elektronen in NADH en FADH2 doorgegeven via een reeks membraanproteïnen op het inwendige membraan van de mitochondriën. De weg die de elektronen afleggen, wordt de elektronentransportketen genoemd. Op deze weg wordt de energie van de elektronen gebruikt om transport van protonen te activeren. Daardoor verplaatsen protonen zich vanuit de matrix naar de tussenmembraanruimte en wordt een protonengradient gecreëerd. De opgestapelde potentiële energie hiervan wordt gebruikt door protonenpomp, wanneer de protonen langs dit transmembranair eiwit opnieuw de matrix binnenstromen. Het resultaat is de productie van grote hoeveelheden ATP . De elektronen worden, op het einde van de keten, opgevangen door zuurstofatomen . Dit resulteert uiteindelijk in de vorming van H2O. Figuur van de eindoxidaties. Vul de kaders in. tussenmembraanruimte Inwendig membraan ATP-synthese O2 ATP 4 f) De aerobe celademhaling: een overzicht. Vervolledig de onderstaande figuur van de aerobe celademhaling m.b.v. je handboek. We zijn de aerobe celademhaling dus gestart met C6H12O6 . Aeroob duidt op de aanwezigheid van O2 om glucose te oxideren/verbranden. Een verbrandingsreactie zorgt altijd voor de vorming van koolstofdioxide en water, reactieproducten die het organisme verlaten via de longen. Het CO2 wordt tijdens de glycolyse en citroenzuurcyclus afgesplitst, terwijl H2O bij de eindoxidaties wordt gevormd. energie/ATP wordt doorheen de hele celademhaling gevormd, maar het overgrote deel wordt bij de eindoxidatie geproduceerd. C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + energie/ATP Het is de moeite om dit eens te beluisteren als je de aerobe celademhaling hebt verwerkt: https://www.youtube.com/watch?v=m9VTC9ZpRog Wie weet blijft het in je hoofd zitten?! 3. Anaerobe energieproductie In een zuurstofarme omgeving wordt glucose niet volledig afgebroken tot CO2, zoals we hierboven in de aerobe celademhaling hebben gezien. Zonder zuurstof kan glucose wel de glycolyse ondergaan, maar pyruvaat zal vervolgens worden omgezet naar andere reactieproducten namelijk alcohol of melkzuur. Lees blz. 179, 182 en 183 in je handboek en vervolledig daarna het onderstaande schema over de celademhaling. 5 Schema aerobe en anaerobe celademhaling in het mitochondrion: Glucose als energiebron Aerobe omgeving (met …….) Glycolyse in ………………… = pyruvaat …………………………. in matrix ……………….. omgeving (zonder……) Glycolyse in ………………. = ………………………… Alcoholische gisting Melkzuurgisting (uitgevoerd door ……………………… ) (uitgevoerd door…………………………… en in…………………..) pyruvaat pyruvaat Eindoxidaties op ……………….. ……………………… ……………. ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP ATP …………………….. …………………….. 6 Vul onderstaande tekst aan en schrap wat niet past. Zoals je nu weet, zijn de alcoholische gisting en melkzuurgisting processen die zullen doorgaan in een …………………….. omgeving. De alcoholische gisting wordt uitgevoerd door……………………………, dit zijn cellen die gebruikt worden bij het bakken van brood of het bereiden van wijn. Ze zullen de energiebron ……………………….. omzetten naar pyruvaat tijdens de ……………………….. die plaatsvindt in het…………………. . Uiteindelijk wordt pyruvaat omgezet naar ethanol (dit is een …………………..) en daarbij wordt zowel …………. als ………. gevormd. De ……………………………………….. zorgen voor de omzetting van ……………………………… naar melkzuur in het ………………….. Daardoor wordt de omgeving van deze organismen gekenmerkt door een lage/hoge pH (bijvoorbeeld in de vagina om infecties te beperken), want melkzuur ioniseert tot het lactaation en …… . Ook in ………………………….. kan melkzuurvorming optreden ten gevolge van een intensieve inspanning. Hierdoor zullen spieren makkelijker/moeilijker samentrekken en raken ze vermoeid, hetgeen zich zal uiten in een gevoel van ……………… . Zowel bij de alcoholische gisting als bij de melkzuurgisting wordt in vergelijking met de aerobe ademhaling minder/meer ATP gevormd. De eindoxidaties en de krebscyclus kunnen immers niet meer doorgaan, want de elektronenacceptor O2/ CO2 ontbreekt. Vul de samenvatting aan met de namen van processen die je hebt geleerd: Autotrofe organismen maken glucose via fotosynthese, heterotrofe organismen maken deze energiebron door voedingsmiddelen te verteren. Het mitochondrion gaat verder aan de slag met glucose om energie voor de cel te voorzien. In het cytosol wordt dit eerst omgezet naar pyruvaat (= ……………………..). Daarna bepaalt de aan- of afwezigheid van zuurstof op welke manier pyruvaat verder verwerkt zal worden. Met O2 gaat pyruvaat in de ……………………….. en de ……………………………. omgezet worden naar CO2 en H2O, hetgeen een grote hoeveelheid …………… oplevert voor de cel. Indien zuurstof ontbreekt, zal pyruvaat in gistcellen worden omgezet naar ethanol (=…………………………………… …………………………) terwijl melkzuurbacteriën lactaat produceren (= …………………………………………………..). Beide vormen van anaerobe celademhaling leveren veel minder ATP in vergelijking met de aerobe celademhaling. 7
