Κεφάλαιο 4.4 – Κυτταρική αναπνοή – Απαντήσεις – Λύσεις (σελ. 115-117)

Ερωτήσεις - Ασκήσεις - Προβλήματα

Άσκηση 1 (σελ. 115)

Ο χώρος μέσα από την εσωτερική μεμβράνη του μιτοχονδρίου είναι αντίστοιχος με ........... του χλωροπλάστη. α. χρωστική β. θυλακοειδές γ. στρώμα δ. μήτρα

Σκέψη / Μεθοδολογία: Η μήτρα του μιτοχονδρίου είναι λειτουργικά ανάλογη με το στρώμα του χλωροπλάστη — και τα δύο φιλοξενούν αντιδράσεις χωρίς άμεση χρήση O₂/φωτός (κύκλος Krebs / σκοτεινή φάση).

Απάντηση: γ) στρώμα.

Άσκηση 2 (σελ. 115)

Περιγράψτε τη διαδικασία της οποίας στοιχεία αναφέρονται στην εικόνα που ακολουθεί: α) σε επίπεδο οργανισμού, β) σε κυτταρικό επίπεδο. (Η εικόνα δείχνει ένα φυτό στο οποίο εισέρχεται O₂ και στο οποίο η γλυκόζη (C₆H₁₂O₆) δίνει CO₂ και H₂O που απομακρύνονται, καθώς και ένα μιτοχόνδριο στο οποίο εισέρχεται O₂ και από το οποίο εξέρχεται CO₂.)

Σκέψη / Μεθοδολογία: Η εικόνα δείχνει πρόσληψη O₂ και διάσπαση της γλυκόζης σε CO₂ και H₂O, με το μιτοχόνδριο να καταναλώνει O₂ και να αποδίδει CO₂. Αυτά είναι τα χαρακτηριστικά της κυτταρικής (αερόβιας) αναπνοής, την οποία περιγράφουμε σε επίπεδο οργανισμού και σε επίπεδο κυττάρου.

Απάντηση: Η εικόνα περιγράφει την κυτταρική (αερόβια) αναπνοή. α) Σε επίπεδο οργανισμού: το φυτό προσλαμβάνει O₂ από το περιβάλλον και οξειδώνει τη γλυκόζη (C₆H₁₂O₆) σε CO₂ και H₂O, τα οποία αποβάλλει, εξασφαλίζοντας με τον τρόπο αυτό την ενέργεια που χρειάζεται για τις λειτουργίες του (C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O → 6CO₂ + 12H₂O + ενέργεια). β) Σε κυτταρικό επίπεδο: η γλυκόζη διασπάται αρχικά στο κυτταρόπλασμα (γλυκόλυση) σε πυροσταφυλικό οξύ, το οποίο εισέρχεται στα μιτοχόνδρια. Εκεί, στον κύκλο του κιτρικού οξέος, παράγεται CO₂ (που εξέρχεται από το μιτοχόνδριο), ενώ στην οξειδωτική φωσφορυλίωση χρησιμοποιείται το O₂ (που εισέρχεται στο μιτοχόνδριο), σχηματίζεται H₂O και παράγεται το μεγαλύτερο μέρος του ATP (συνολικά 36 ATP ανά μόριο γλυκόζης).

Πρόσεξε:

• Η εικόνα δεν δείχνει φωτοσύνθεση: το O₂ εισέρχεται και το CO₂ εξέρχεται, άρα πρόκειται για κυτταρική αναπνοή, που γίνεται στα μιτοχόνδρια και όχι στους χλωροπλάστες.

Άσκηση 3 (σελ. 115)

Ποιος είναι ο ρόλος της γλυκόλυσης, του κύκλου του κιτρικού οξέος και της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης στην κυτταρική αναπνοή;

Απάντηση: Η γλυκόλυση διασπά ένα μόριο γλυκόζης σε δύο μόρια πυροσταφυλικού οξέος στο κυτταρόπλασμα, με καθαρό κέρδος 2 ATP. Ο κύκλος του κιτρικού οξέος, στη μήτρα του μιτοχονδρίου, ολοκληρώνει την οξείδωση του πυροσταφυλικού οξέος, παράγοντας CO₂ και επιπλέον 2 ATP. Η οξειδωτική φωσφορυλίωση, στην εσωτερική μεμβράνη και με χρήση O₂, παράγει το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας — 32 ATP — και H₂O. Σύνολο: 36 ATP από ένα μόριο γλυκόζης.

Άσκηση 4 (σελ. 116)

Βάλτε τις κατάλληλες ενδείξεις, π.χ. «οξειδωτική φωσφορυλίωση», «κύκλος του κιτρικού οξέος» κτλ., στο διάγραμμα που ακολουθεί. Συμπληρώστε τα κενά με το σωστό αριθμό μορίων ATP. (Το διάγραμμα δείχνει: τη γλυκόζη, από την οποία ένα βέλος με την ένδειξη «ζ. ATP» οδηγεί στο κενό γ· από το γ ξεκινά κλάδος «ζύμωση» που οδηγεί στο κενό η, ενώ η κύρια πορεία, με αποβολή του κενού θ, οδηγεί στο κενό δ και από εκεί σε κύκλο με την ένδειξη ε και απόδοση «ι. ATP», από τον οποίο εξέρχεται το κενό κ. Στο πλάι υπάρχει κατακόρυφη στήλη β με την ένδειξη «α. ___ ATP».)

Σκέψη / Μεθοδολογία: Αναγνωρίζουμε τη σειρά του καταβολισμού της γλυκόζης όπως την περιγράφει το βιβλίο: γλυκόλυση (κέρδος 2 ATP) → πυροσταφυλικό οξύ, που είτε υφίσταται ζύμωση (γαλακτικό οξύ ή αιθυλική αλκοόλη) είτε μετατρέπεται, με αποβολή CO₂, σε ακετυλο-συνένζυμο Α → κύκλος του κιτρικού οξέος (2 ATP, παραγωγή CO₂) → οξειδωτική φωσφορυλίωση (32 ATP).

Λύση:

1. ζ: η γλυκόλυση δίνει κέρδος 2 ATP → ζ = 2.
2. γ: το τελικό προϊόν της γλυκόλυσης είναι το πυροσταφυλικό οξύ → γ = πυροσταφυλικό οξύ.
3. η: με τη ζύμωση το πυροσταφυλικό οξύ μετατρέπεται σε γαλακτικό οξύ (γαλακτική ζύμωση) ή σε αιθυλική αλκοόλη (αλκοολική ζύμωση) → η = γαλακτικό οξύ ή αιθυλική αλκοόλη.
4. θ: κατά τη μετατροπή του πυροσταφυλικού οξέος σε ακετυλο-συνένζυμο Α αποβάλλεται CO₂ → θ = CO₂.
5. δ: το μόριο που εισέρχεται στον κύκλο → δ = ακετυλο-συνένζυμο Α.
6. ε: ο κύκλος → ε = κύκλος του κιτρικού οξέος (κύκλος του Krebs)· ι: κέρδος 2 ATP → ι = 2· κ: στον κύκλο παράγεται CO₂ → κ = CO₂.
7. β: η στήλη αντιστοιχεί στο τελευταίο στάδιο → β = οξειδωτική φωσφορυλίωση· α: παράγονται 32 ATP → α = 32.

Απάντηση: α = 32 (ATP), β = οξειδωτική φωσφορυλίωση, γ = πυροσταφυλικό οξύ, δ = ακετυλο-συνένζυμο Α, ε = κύκλος του κιτρικού οξέος, ζ = 2 (ATP, γλυκόλυση), η = γαλακτικό οξύ ή αιθυλική αλκοόλη (ζύμωση), θ = CO₂, ι = 2 (ATP), κ = CO₂. Σύνολο αερόβιας πορείας: 2 + 2 + 32 = 36 ATP.

Πρόσεξε:

• Η ζύμωση δεν δίνει επιπλέον ATP πέρα από τα 2 ATP της γλυκόλυσης.

Άσκηση 5 (σελ. 116)

Συμπληρώστε τα κενά σχετικά με τα στάδια της κυτταρικής αναπνοής.

Απάντηση: Στα κύτταρα η κυτταρική αναπνοή χωρίζεται σε στάδια. Η γλυκόλυση γίνεται στο κυτταρόπλασμα του κυττάρου. Το τελικό προϊόν της γλυκόλυσης είναι το πυροσταφυλικό οξύ, που μετατρέπεται σε ακετυλο-συνένζυμο Α. Το τελευταίο εισέρχεται στον κύκλο του κιτρικού οξέος, όπου σχηματίζονται ATP και CO₂. Το κέρδος στο στάδιο αυτό είναι 2 μόρια ATP ανά μόριο γλυκόζης.

Άσκηση 6 (σελ. 116)

Στο παρακάτω διάγραμμα περιγράφονται τα διάφορα στάδια του καταβολισμού της γλυκόζης (C₆H₁₂O₆ → στάδιο Α με απόδοση ATP → πυροσταφυλικό οξύ → κλάδος Β [γαλακτικό οξύ] ή κλάδος Γ [αιθυλική αλκοόλη+CO₂]· η κύρια πορεία συνεχίζει με αποβολή CO₂ προς την ουσία 1 → κυκλικό στάδιο Δ [με Η, ATP, CO₂] → στάδιο Ε [με O₂, ATP και ουσία 2]).

α. Να ονομάσετε τα στάδια Α, Δ, Ε και τις διαδικασίες Β και Γ.

β. Να εξηγήσετε πότε και γιατί γίνεται η διαδικασία Β στα ανθρώπινα μυϊκά κύτταρα.

γ. Να ονομάσετε τις ουσίες 1 και 2. Ποια είναι η σημασία της ουσίας 1;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Αναγνωρίζουμε το Α ως γλυκόλυση, το Δ ως κύκλο κιτρικού οξέος, το Ε ως οξειδωτική φωσφορυλίωση, το Β ως γαλακτική ζύμωση και το Γ ως αλκοολική ζύμωση, με βάση τα προϊόντα τους (γαλακτικό οξύ / αιθυλική αλκοόλη+CO₂).

Λύση:

1. α. Α = Γλυκόλυση. Δ = Κύκλος του κιτρικού οξέος (Krebs). Ε = Οξειδωτική φωσφορυλίωση. Β = Γαλακτική ζύμωση. Γ = Αλκοολική ζύμωση.
2. β. Η διαδικασία Β (γαλακτική ζύμωση) γίνεται στα μυϊκά κύτταρα όταν η ένταση της μυϊκής δραστηριότητας είναι τόσο μεγάλη, ώστε η παροχή οξυγόνου να μην επαρκεί για αερόβια αναπνοή· τα κύτταρα τότε παράγουν ATP αναερόβια, μετατρέποντας το πυροσταφυλικό οξύ σε γαλακτικό οξύ.
3. γ. Η ουσία 1 σχηματίζεται από το πυροσταφυλικό οξύ με αποβολή CO₂ και εισέρχεται στον κύκλο Δ: είναι το ακετυλο-συνένζυμο Α. Η ουσία 2 σχηματίζεται στην οξειδωτική φωσφορυλίωση, όπου χρησιμοποιείται O₂: είναι το H₂O. Η σημασία της ουσίας 1: με τη μορφή του ακετυλο-συνενζύμου Α το προϊόν της γλυκόλυσης εισέρχεται στον κύκλο του κιτρικού οξέος, όπου συνεχίζεται η διάσπαση και ολοκληρώνεται η αερόβια αξιοποίηση της γλυκόζης με παραγωγή ATP.

Απάντηση: α. Α=Γλυκόλυση, Δ=Κύκλος κιτρικού οξέος, Ε=Οξειδωτική φωσφορυλίωση, Β=Γαλακτική ζύμωση, Γ=Αλκοολική ζύμωση. β. Στην έντονη μυϊκή προσπάθεια, όταν δεν επαρκεί το οξυγόνο. γ. 1 = ακετυλο-συνένζυμο Α, 2 = H₂O· το ακετυλο-συνένζυμο Α μεταφέρει το προϊόν της γλυκόλυσης στον κύκλο του κιτρικού οξέος, όπου συνεχίζεται η αερόβια διάσπαση.

Άσκηση 7 (σελ. 117)

Δύο γυναίκες ίδιου βάρους αλλά διαφορετικού ύψους/σύστασης σώματος· ποιοι παράγοντες καθορίζουν ποια έχει υψηλότερο μεταβολισμό;

Απάντηση: Πρέπει να λάβουμε υπόψη τη σύσταση σώματος (αναλογία μυϊκής προς λιπώδη μάζα) και τη σωματική επιφάνεια, όχι μόνο το βάρος — ο μυϊκός ιστός είναι μεταβολικά πιο ενεργός από τον λιπώδη. Η γυναίκα με το κανονικό σώμα (1.70 m) αναμένεται να έχει υψηλότερο βασικό μεταβολικό ρυθμό από την παχύσαρκη γυναίκα (1.60 m) με το ίδιο βάρος.

Άσκηση 8 — ΑΣ ΕΡΕΥΝΗΣΟΥΜΕ... (σελ. 117)

Πιθανή ερμηνεία για το ότι πολύ διαφορετικοί οργανισμοί (άνθρωπος, μύκητες) χρησιμοποιούν τις ίδιες μεταβολικές οδούς.

Απάντηση: Η κοινή χρήση των ίδιων βασικών μεταβολικών οδών αποτελεί ισχυρή ένδειξη κοινής εξελικτικής καταγωγής — οι οδοί αυτές εμφανίστηκαν πολύ νωρίς στην εξέλιξη της ζωής, σε κάποιον κοινό πρόγονο, και διατηρήθηκαν αναλλοίωτες σε όλους τους απογόνους του.

(Δραστηριότητα διερεύνησης — ενδεικτική απάντηση.)

Άσκηση 9 — ΑΣ ΕΡΕΥΝΗΣΟΥΜΕ... (σελ. 117)

Σχέση εξωτερικής αναπνοής (εισπνοή/εκπνοή) και κυτταρικής αναπνοής· διαφορές τους.

Απάντηση: Η εξωτερική αναπνοή είναι η φυσιολογική ανταλλαγή αερίων με το περιβάλλον (πρόσληψη O₂, αποβολή CO₂). Η κυτταρική αναπνοή είναι η βιοχημική διαδικασία στα μιτοχόνδρια όπου το O₂ χρησιμοποιείται για οξείδωση γλυκόζης με παραγωγή ATP, CO₂, H₂O. Συνδέονται στενά (η πρώτη τροφοδοτεί τη δεύτερη) αλλά διαφέρουν ριζικά ως προς τη φύση τους — φυσιολογική/μηχανική η μία, χημική η άλλη.

(Δραστηριότητα διερεύνησης — ενδεικτική απάντηση.)

Άσκηση 10 — ΑΣ ΕΡΕΥΝΗΣΟΥΜΕ... (σελ. 117)

Νεαρός που τρέχει πολύ γρήγορα νιώθει «φουσκωμένος» και πόνο σε στήθος/μυς· ερμηνεία με όρους μεταβολισμού.

Απάντηση: Ο γρήγορος ρυθμός αύξησε απότομα τις ενεργειακές ανάγκες των μυών πέρα από την ικανότητα παροχής οξυγόνου. Τα μυϊκά κύτταρα στράφηκαν εν μέρει σε αναερόβια αναπνοή (γαλακτική ζύμωση), προκαλώντας συσσώρευση γαλακτικού οξέος (πόνος στους μυς) και δυσφορία λόγω προσπάθειας αντιστάθμισης του «χρέους οξυγόνου» (αίσθηση φουσκώματος).

(Δραστηριότητα διερεύνησης — ενδεικτική απάντηση.)