التنفس الخلوي
ذاتي التغذية والتغذية غير المتجانسة
تتطلب الكائنات الحية مدخلات مستمرة من الطاقة للحفاظ على الوظائف الخلوية والكائنات الحية مثل النمو والإصلاح والحركة…
كل ما هو حي يتطلب مصدرا للطاقة لتغذية أنشطته. في النهاية ، مصدر الطاقة هذا هو الشمس. كيف إذن استخدمت الكائنات الحية على الأرض هذه الطاقة؟ كل شيء يبدأ بأجهزة التمثيل الضوئي. هذه الكائنات قادرة على أخذ ثاني أكسيد الكربون والماء ثم استخدام الطاقة التي يتم التقاطها من الشمس كفوتونات لإجبار هذه الجزيئات على التماسك ، مما ينتج الجلوكوز والأكسجين. الجلوكوز هو مفتاح الخطوة الحاسمة التالية ، وهي الخطوة التي تستخدمها جميع الكائنات الحية تقريبا بشكل أو بآخر - التنفس الخلوي. يتم التنفس الخلوي بواسطة الإنزيمات ، إما في غشاء الخلية في بدائيات النوى أو في الميتوكوندريا في حقيقيات النوى.
يبدأ التفاعل الكيميائي بتكسير الجلوكوز باستخدام الأكسجين لإنتاج ثاني أكسيد الكربون والماء مرة أخرى ، ولكن في هذه العملية ، تنتقل الطاقة التي ذهبت في الأصل إلى جزيء الجلوكوز إلى مكانين جديدين. أحدهما هو توليف ATP ، أو جزيئات أدينوسين ثلاثي الفوسفات ، وهو مصدر للطاقة يمكن للخلايا استخدامه بسهولة. الباقي يضيع كحرارة. حتى الآن ، كنا نتحدث عن نوع من التنفس الخلوي يستخدم الأكسجين ، ويشار إلى هذا باسم التنفس الهوائي ، لكن بعض الكائنات الحية والخلايا قادرة على التنفس في غياب الأكسجين. وهذا ما يسمى التنفس اللاهوائي. وبدلا من إنتاج ثاني أكسيد الكربون والماء ، فإن هذه العملية تجعل الإيثانول منتجا ثانويا. التخمير هو مثال على هذا النوع من التنفس. هذه هي الطريقة التي تستطيع بها الخميرة إنتاج الكحول في حاويات محكمة الغلق. يمكننا استخدام أداة تسمى مقياس التنفس لقياس التنفس الهوائي. بكل بساطة ، يقيس هذا الجهاز كمية الأكسجين التي يستخدمها الكائن الحي ، وينبت بذور النباتات في هذه الحالة. تتنفس البذور النابتة ، مما يعني أنه يمكننا أن نتوقع أنها تستهلك الأكسجين وتطلق ثاني أكسيد الكربون. ليس لديهم أجزائهم الخضراء حتى الآن ، لذا فهم لا يقومون بعملية التمثيل الضوئي.
يستخدم قياس التنفس في مقياس التنفس طريقة ذكية تعتمد على قانون الغاز المثالي ، P في V يساوي n في R في T. P هو ضغط النظام. V هو حجم الغاز. n هو عدد مولات الغاز الموجودة. R هو ثابت الغاز المثالي... و T هي درجة الحرارة المطلقة. باختصار بسيط ، هذا يعني أنه يمكنك معرفة عدد جزيئات الغاز الموجودة في العينة عن طريق قياس حجمها ، بافتراض أنك تعرف الضغط ودرجة الحرارة ، لأن R ثابت.
تحتوي مقاييس التنفس على هيدروكسيد البوتاسيوم ، الذي يحبس ثاني أكسيد الكربون في شكل صلب مثل كربونات البوتاسيوم. لذلك ، بسبب التنفس الخلوي ، تستهلك البذور الأكسجين الموجود في الأنبوب المغلق ، وتطلق ثاني أكسيد الكربون ، والذي بدوره يحبس كربونات البوتاسيوم. وبالتالي ، مع تقدم التنفس الخلوي ، ينخفض الحجم الكلي للغاز داخل النظام. يمكننا تحديد ذلك عن طريق ربط مقياس التنفس بجهاز يسمى مقياس الضغط. هنا ، عندما تستهلك جزيئات الأكسجين ، ينخفض الضغط داخل حجرة مقياس التنفس ، ويتم سحب سائل ملون داخل أنبوب شعري صغير في اتجاه الضغط المنخفض. يمكننا بعد ذلك تقدير كمية الغاز المتبقية في أنبوب مقياس التنفس عن طريق قراءة القيمة على مستوى مقياس الضغط. يمكن إعداد هذا النظام متعدد الاستخدامات بالعديد من المتغيرات المختلفة ، مثل درجات الحرارة المختلفة على سبيل المثال ، ويمكن استخدامه لاختبار معدل التنفس في العديد من الأنواع المختلفة من الكائنات الحية.
في هذا المختبر ، ستستخدم مقياس التنفس ومقياس الضغط لقياس معدل تنفس البذور النابتة.
تسجيل الدخول أو للوصول إلى المحتوى الكامل. تعرّف على المزيد حول وصول مؤسستك إلى محتوى JoVE هنا
كل ما هو حي يتطلب مصدرا للطاقة لتغذية أنشطته. في النهاية ، مصدر الطاقة هذا هو الشمس. كيف إذن استخدمت الكائنات الحية على الأرض هذه الطاقة؟ كل شيء يبدأ بأجهزة التمثيل الضوئي. هذه الكائنات قادرة على أخذ ثاني أكسيد الكربون والماء ثم استخدام الطاقة التي يتم التقاطها من الشمس كفوتونات لإجبار هذه الجزيئات على التماسك ، مما ينتج الجلوكوز والأكسجين. الجلوكوز هو مفتاح الخطوة الحاسمة التالية ، وهي الخطوة التي تستخدمها جميع الكائنات الحية تقريبا بشكل أو بآخر - التنفس الخلوي. يتم التنفس الخلوي بواسطة الإنزيمات ، إما في غشاء الخلية في بدائيات النوى أو في الميتوكوندريا في حقيقيات النوى.
يبدأ التفاعل الكيميائي بتكسير الجلوكوز باستخدام الأكسجين لإنتاج ثاني أكسيد الكربون والماء مرة أخرى ، ولكن في هذه العملية ، تنتقل الطاقة التي ذهبت في الأصل إلى جزيء الجلوكوز إلى مكانين جديدين. أحدهما هو توليف ATP ، أو جزيئات أدينوسين ثلاثي الفوسفات ، وهو مصدر للطاقة يمكن للخلايا استخدامه بسهولة. الباقي يضيع كحرارة. حتى الآن ، كنا نتحدث عن نوع من التنفس الخلوي يستخدم الأكسجين ، ويشار إلى هذا باسم التنفس الهوائي ، لكن بعض الكائنات الحية والخلايا قادرة على التنفس في غياب الأكسجين. وهذا ما يسمى التنفس اللاهوائي. وبدلا من إنتاج ثاني أكسيد الكربون والماء ، فإن هذه العملية تجعل الإيثانول منتجا ثانويا. التخمير هو مثال على هذا النوع من التنفس. هذه هي الطريقة التي تستطيع بها الخميرة إنتاج الكحول في حاويات محكمة الغلق. يمكننا استخدام أداة تسمى مقياس التنفس لقياس التنفس الهوائي. بكل بساطة ، يقيس هذا الجهاز كمية الأكسجين التي يستخدمها الكائن الحي ، وينبت بذور النباتات في هذه الحالة. تتنفس البذور النابتة ، مما يعني أنه يمكننا أن نتوقع أنها تستهلك الأكسجين وتطلق ثاني أكسيد الكربون. ليس لديهم أجزائهم الخضراء حتى الآن ، لذا فهم لا يقومون بعملية التمثيل الضوئي.
يستخدم قياس التنفس في مقياس التنفس طريقة ذكية تعتمد على قانون الغاز المثالي ، P في V يساوي n في R في T. P هو ضغط النظام. V هو حجم الغاز. n هو عدد مولات الغاز الموجودة. R هو ثابت الغاز المثالي... و T هي درجة الحرارة المطلقة. باختصار بسيط ، هذا يعني أنه يمكنك معرفة عدد جزيئات الغاز الموجودة في العينة عن طريق قياس حجمها ، بافتراض أنك تعرف الضغط ودرجة الحرارة ، لأن R ثابت.
تحتوي مقاييس التنفس على هيدروكسيد البوتاسيوم ، الذي يحبس ثاني أكسيد الكربون في شكل صلب مثل كربونات البوتاسيوم. لذلك ، بسبب التنفس الخلوي ، تستهلك البذور الأكسجين الموجود في الأنبوب المغلق ، وتطلق ثاني أكسيد الكربون ، والذي بدوره يحبس كربونات البوتاسيوم. وبالتالي ، مع تقدم التنفس الخلوي ، ينخفض الحجم الكلي للغاز داخل النظام. يمكننا تحديد ذلك عن طريق ربط مقياس التنفس بجهاز يسمى مقياس الضغط. هنا ، عندما تستهلك جزيئات الأكسجين ، ينخفض الضغط داخل حجرة مقياس التنفس ، ويتم سحب سائل ملون داخل أنبوب شعري صغير في اتجاه الضغط المنخفض. يمكننا بعد ذلك تقدير كمية الغاز المتبقية في أنبوب مقياس التنفس عن طريق قراءة القيمة على مستوى مقياس الضغط. يمكن إعداد هذا النظام متعدد الاستخدامات بالعديد من المتغيرات المختلفة ، مثل درجات الحرارة المختلفة على سبيل المثال ، ويمكن استخدامه لاختبار معدل التنفس في العديد من الأنواع المختلفة من الكائنات الحية.
في هذا المختبر ، ستستخدم مقياس التنفس ومقياس الضغط لقياس معدل تنفس البذور النابتة.
View the full transcript and gain access to JoVE Lab Manual videos
Q1: Why do organisms need cellular respiration?
Organisms need cellular respiration to harvest energy from glucose and other biomolecules for cellular functions like growth, repair, and movement. Cellular respiration breaks down glucose using oxygen to produce ATP, the energy currency cells can readily use. The process also releases heat as a byproduct, making energy available throughout the organism.
Q2: What is the difference between aerobic and anaerobic respiration?
Aerobic respiration requires oxygen and completely breaks down glucose into carbon dioxide and water, producing significant ATP. Anaerobic respiration occurs without oxygen and produces fewer ATP molecules. Fermentation, a type of anaerobic respiration, generates ethanol or lactic acid as byproducts instead of carbon dioxide and water.
Q3: How does a respirometer measure cellular respiration?
A respirometer measures oxygen consumption by organisms using the ideal gas law principle. Potassium hydroxide inside the respirometer traps carbon dioxide as potassium carbonate. As cells consume oxygen and release carbon dioxide, the total gas volume decreases, causing pressure to drop. A manometer attached to the respirometer detects this pressure change, allowing scientists to quantify oxygen used.
Q4: What role does the mitochondria play in cellular respiration?
In eukaryotes, the mitochondria is the primary site where cellular respiration occurs. Enzymes in the mitochondria carry out the breakdown of glucose through the Krebs cycle and oxidative phosphorylation, generating most of the ATP used by cells. Mitochondrial health directly affects an organism's energy production and overall cellular function.
Q5: How are photosynthesis and cellular respiration related?
Photosynthesis and cellular respiration are opposite processes. Photosynthesis produces glucose and oxygen from carbon dioxide and water using sunlight energy. Cellular respiration uses that glucose and oxygen to produce carbon dioxide, water, and ATP. The products of one process serve as reactants for the other, creating a continuous cycle of energy and matter in ecosystems.
Q6: Why do germinating seeds consume oxygen in a respirometer?
Germinating seeds are actively respiring because they lack green parts and cannot photosynthesize, so they depend entirely on stored energy. They break down glucose through cellular respiration to produce ATP for growth and development. This active respiration consumes oxygen and releases carbon dioxide, which is why oxygen levels decrease measurably in a sealed respirometer.
Q7: What does the ideal gas law tell us about gas molecules in a respirometer?
The ideal gas law states that the number of gas molecules in a container can be determined from pressure, volume, and temperature. In a respirometer, as organisms consume oxygen through respiration, the total number of gas molecules decreases, lowering pressure inside the sealed chamber. By measuring pressure changes, scientists can calculate exactly how much oxygen was consumed using this mathematical relationship.