Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
אורגניזמים חיים זקוקים לקלט מתמשך של אנרגיה כדי לשמור על תפקודים תאיים ואורגניזמים כגון צמיחה, תיקון, תנועה, הגנה ורבייה. תאים יכולים להשתמש באנרגיה כימית רק כדי לתדלק את תפקודיהם, ולכן הם צריכים לקצור אנרגיה מקשרים כימיים של ביומולקולות, כגון סוכרים ושומנים. אורגניזמים אוטוטרופיים, כלומר צמחים, אצות וחיידקים פוטוסינתטיים וכימוסינתטיים, ממירים חומרים אנאורגניים לביומולקולות כאלה על ידי רתימת אנרגיה מהסביבה, למשל מאור השמש במהלך הפוטוסינתזה. אורגניזמים הטרוטרופיים אינם מסוגלים לסנתז ביומולקולות בעלות אנרגיה גבוהה מחומרים אנאורגניים, ולכן הם משיגים אנרגיה על ידי צריכת תרכובות פחמן המיוצרות על ידי אורגניזמים אחרים, בעיקר מאוטוטרופים. כאשר יש צורך באנרגיה, קשרים כימיים של תרכובות פחמן נשברים כדי לקצור את האנרגיה המאוחסנת בקשרים אלה. התהליכים לקצירת אנרגיה מביומולקולות נקראים נשימה תאית.
נשימה תאית מתרחשת הן באורגניזמים אוטוטרופיים והן באורגניזמים הטרוטרופיים, כאשר האנרגיה הופכת זמינה לאורגניזם בדרך כלל באמצעות המרה של אדנוזין דיפוספט (ADP) לאדנוזין טריפוספט (ATP). ישנם שני סוגים עיקריים של נשימה תאית – נשימה אירובית ונשימה אנאירובית. נשימה אירובית היא סוג מסוים של נשימה תאית, שבה חמצן (O2) נדרש ליצירת ATP. במקרה זה, גלוקוז (C6H12O6) יכול להיות מחומצן לחלוטין בסדרה של תגובות אנזימטיות לייצר פחמן דו חמצני (CO2) ומים (H2O).
נשימה אירובית מתרחשת בשלושה שלבים. תהליך שנקרא גליקוליזה מפצל גלוקוז לשתי מולקולות תלת-פחמניות שנקראות פירובט. תהליך זה משחרר אנרגיה, שחלקה מועבר ל-ATP. לאחר מכן, מולקולות פירובט נכנסות למיטוכונדריה כדי לקחת חלק בסדרה של תגובות שנקראות מחזור קרבס, הידוע גם בשם מחזור חומצת לימון. זה משלים את פירוק הגלוקוז, קצירת חלק מהאנרגיה ל-ATP והעברת אלקטרונים למולקולות נושאות. בשלב האחרון, המכונה זרחן חמצוני, אלקטרונים עוברים דרך מערכת הובלת אלקטרונים בקרום הפנימי של המיטוכונדריה, אשר שומרת על שיפוע של יוני מימן. תאים רותמים את האנרגיה של שיפוע פרוטון זה כדי לייצר את רוב ה- ATP במהלך נשימה אירובית.
נשימה אירובית דורשת חמצן, עם זאת, ישנם אורגניזמים רבים שחיים במקומות שבהם חמצן אינו זמין או שבהם כימיקלים אחרים מציפים את הסביבה. אקסטרמופילים הם חיידקים שיכולים לחיות במקומות כמו נביעות הידרותרמיות במעמקי האוקיינוס או מערות מתחת למים. במקום להשתמש בחמצן כדי לעבור נשימה תאית, אורגניזמים אלה משתמשים במקבלים אנאורגניים כגון ניטראט או גופרית, אשר ניתן להשיג בקלות רבה יותר בסביבות קשות אלה. תהליך זה נקרא נשימה אנאירובית.
כאשר אין חמצן ונשימה תאית אינה יכולה להתקיים, מתרחשת נשימה אנאירובית מיוחדת הנקראת תסיסה. התסיסה מתחילה בגליקוליזה כדי ללכוד חלק מהאנרגיה המאוחסנת בגלוקוז לתוך ATP. עם זאת, מאחר שזרחן חמצוני אינו מתרחש, התסיסה מייצרת פחות מולקולות ATP מאשר נשימה אירובית. בבני אדם, התסיסה מתרחשת בכדוריות דם אדומות חסרות מיטוכונדריה, כמו גם בשרירים במהלך פעילות מאומצת המייצרת חומצה לקטית כתוצר לוואי, ולכן היא נקראת תסיסה של חומצה לקטית. חיידקים מסוימים מבצעים תסיסה של חומצה לקטית ומשמשים לייצור מוצרים כגון יוגורט. בשמרים, תהליך המכונה תסיסה אלכוהולית מייצר אתנול ופחמן דו חמצני כתוצרי לוואי, ושימש בני אדם להתססת משקאות או בצק תופח.
נשימה תאית יחד עם פוטוסינתזה היא תכונה של העברת אנרגיה וחומר, ומדגישה את האינטראקציה של אורגניזמים עם סביבתם ואורגניזמים אחרים בקהילה. נשימה תאית מתרחשת בתוך תאים בודדים, עם זאת, בקנה מידה של מערכות אקולוגיות, חילופי חמצן ופחמן דו חמצני באמצעות פוטוסינתזה ונשימה תאית משפיעים על רמות חמצן אטמוספרי ופחמן דו חמצני.
באופן מעניין, תהליכי הנשימה התאית והפוטוסינתזה מנוגדים זה לזה, כאשר תוצרי תגובה אחת הם המגיבים של האחרת. פוטוסינתזה מייצרת את הגלוקוז המשמש בנשימה התאית לייצור ATP. גלוקוז זה מומר בחזרה ל-CO2 במהלך הנשימה, שהוא מגיב המשמש בפוטוסינתזה. באופן ספציפי יותר, פוטוסינתזה בונה מולקולת גלוקוז אחת משש מולקולות CO2 ושש מולקולות H2O על ידי לכידת אנרגיה מאור השמש ומשחררת שש מולקולות O2 כתוצר לוואי. נשימה תאית משתמשת בשש מולקולות O2 כדי להמיר מולקולת גלוקוז אחת לשש מולקולות CO2 ושש מולקולות H2O תוך רתימת אנרגיה כמו ATP וחום.
מדענים יכולים למדוד את קצב הנשימה התאית באמצעות רספירומטר על ידי הערכת קצב חילופי החמצן. הבנת חוק הגז האידיאלי היא בעלת חשיבות בסיסית לדעת כיצד פועל הרספירומטר. חוק הגז האידיאלי קובע כי ניתן לקבוע את מספר מולקולות הגז במיכל על פי הלחץ, הנפח והטמפרטורה. באופן ספציפי יותר, המכפלה של נפח ולחץ של גז שווה למכפלה של מספר מולקולות הגז, קבוע הגז האידיאלי והטמפרטורה של הגז. רספירומטרים מכילים אשלגן הידרוקסידי אשר לוכד פחמן דו חמצני המיוצר על ידי נשימה בצורה מוצקה כמו אשלגן פחמתי. כאשר תאים צורכים חמצן, נפח הגז במערכת הרספירומטר יורד ללא פחמן דו חמצני כדי להגדיל אותו בחזרה, מה שמאפשר למדענים לחשב את כמות החמצן המשמשת באמצעות משוואת הגז האידיאלית.
נשימה תאית היא תהליך חשוב היוצר אנרגיה שמישה עבור אורגניזמים, ולכן, לימוד ההקשרים שבהם הוא משופר או מעוכב הוא לא רק מעניין, אלא גם הכרחי. במיוחד, מיטוכונדריה חיוניים לנשימה התאית ולכל התנאים המשפיעים על בריאות המיטוכונדריה יש השלכות עצומות על בריאות האורגניזם. לדוגמה, מיופתיות מיטוכונדריאליות הן קבוצה של מחלות נוירומוסקולריות הנגרמות על ידי נזק מיטוכונדריאלי, המשפיע בעיקר על תאי עצב ושריר, הדורשים רמות גבוהות של אנרגיה כדי לתפקד1. יתר על כן, רעלים רבים פועלים על ידי עיכוב נשימה תאית. לדוגמה, ציאניד מעכב את ייצור ה-ATP באמצעות זרחן חמצוני, ובכך הבנת מנגנוני הציאניד או רעלים מטבוליים אחרים מאפשרת טיפול באנשים שנחשפו אליהם2. באופן דומה, תרופות מסוימות כגון אנטיביוטיקה מסוימת, כימותרפיה, סטטינים והרדמה יכולות גם להפריע לתפקוד המיטוכונדריה ועשויות שלא להתאים לטיפול בחולים הסובלים מהפרעות מיטוכונדריאליות3.
כל מה שחי זקוק למקור אנרגיה כדי לתדלק את פעילותו. בסופו של דבר, מקור האנרגיה הזה הוא השמש. כיצד אם כן האורגניזמים על פני כדור הארץ רתמו את האנרגיה הזו? הכל מתחיל בפוטוסינתיסייזרים. אורגניזמים אלה מסוגלים לקחת פחמן דו חמצני ומים ואז להשתמש באנרגיה שנלכדה מהשמש כפוטונים כדי לאלץ את המולקולות הללו יחד, ולייצר גלוקוז וחמצן. הגלוקוז הוא המפתח לשלב הקריטי הבא, כזה שכמעט כל האורגניזמים משתמשים בו בצורה כזו או אחרת - נשימה תאית. נשימה תאית מתבצעת על ידי אנזימים, בקרום התא בפרוקריוטים או במיטוכונדריה באיקריוטים.
התגובה הכימית מתחילה בפירוק הגלוקוז באמצעות חמצן כדי ליצור שוב פחמן דו חמצני ומים, אך בתהליך, האנרגיה שהושקעה במקור בייצור מולקולת הגלוקוז עוברת לשני מקומות חדשים. האחד הוא סינתזה של ATP, או מולקולות אדנוזין טריפוספט, מקור אנרגיה שתאים יכולים להשתמש בו בקלות. השאר הולך לאיבוד כחום. עד כה דיברנו על סוג של נשימה תאית המשתמשת בחמצן, וזה מכונה נשימה אירובית, אך חלק מהאורגניזמים והתאים מסוגלים לבצע נשימה בהיעדר חמצן. זה נקרא נשימה אנאירובית. ובמקום לייצר CO2 ומים, תהליך זה מייצר אתנול כתוצר לוואי. תסיסה היא דוגמה לנשימה מסוג זה. כך שמרים מסוגלים לייצר אלכוהול במיכלים אטומים. אנו יכולים להשתמש בכלי שנקרא מד נשימה כדי למדוד נשימה אירובית. בפשטות, מכשיר זה מודד את כמות החמצן המשמשת אורגניזם, ומנביט זרעי צמחים במקרה זה. זרעים נובטים נושמים, מה שאומר שאנחנו יכולים לצפות שהם ישתמשו בחמצן וישחררו פחמן דו חמצני. עדיין אין להם את החלקים הירוקים שלהם, אז הם לא עוברים פוטוסינתזה.
מדידת נשימה במד נשימה משתמשת בשיטה חכמה המבוססת על חוק הגז האידיאלי, P כפול V שווה n כפול R כפול T. P הוא הלחץ של המערכת. V הוא נפח הגז. n הוא מספר שומות הגז הקיימות. R הוא קבוע הגז האידיאלי... ו-T היא הטמפרטורה המוחלטת. בפשטות, זה אומר שאתה יכול להבין כמה מולקולות גז קיימות בדגימה על ידי מדידת נפחה, בהנחה שאתה יודע את הלחץ והטמפרטורה, מכיוון ש-R הוא קבוע.
מדי נשימה מכילים אשלגן הידרוקסיד, הלוכד פחמן דו חמצני בצורה מוצקה כאשלגן פחמתי. לכן, כתוצאה מהנשימה התאית, החמצן בצינור האטום מנוצל על ידי הזרעים, והם משחררים פחמן דו-חמצני, אשר בתורו נלכד כאשלגן פחמתי. לפיכך, ככל שהנשימה התאית מתקדמת, הנפח הכולל של הגז בתוך המערכת פוחת. אנו יכולים לכמת זאת על ידי הצמדת מד הנשימה למכשיר הנקרא מנומטר. כאן, כאשר מולקולות החמצן נצרכות, הלחץ יורד בתוך תא הנשימה, ונוזל צבעוני בתוך צינור נימי זעיר נמשך לכיוון הלחץ המופחת. לאחר מכן נוכל להעריך את כמות הגז שנותרה בצינור מד הנשימה על ידי קריאת הערך ברמת המונומטר. מערכת רב-תכליתית זו יכולה להיות מוגדרת עם משתנים רבים ושונים, כמו טמפרטורות שונות למשל, וניתן להשתמש בה כדי לבחון את קצב הנשימה בסוגים רבים ושונים של אורגניזמים חיים.
במעבדה זו תשתמשו במד נשימה ובמד לחץ כדי למדוד את קצב הנשימה של זרעים נובטים.
