Name: cellular energy from glucose breakdown
Uploaded: 2019-01-29T11:04:45.000Z
Duration: 5 min
Channel: JoVE

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North Carolina K-12 Science Standard Course of Study

9-12

Biology

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From Molecules to Organisms- Structures and Processes

LS.Bio.3.3

Cellular Respiration

살아 있는 모든 것은 자신의 활동에 연료를 공급하기 위한 에너지원을 필요로 합니다. 궁극적으로 그 에너지원은 태양입니다. 그렇다면, 지구상의 유기체들은 이 에너지를 어떻게 이용했을까? 모든 것은 광합성기에서 시작됩니다. 이 유기체는 이산화탄소와 물을 흡수한 다음 태양에서 포착한 에너지를 광자로 사용하여 이러한 분자를 하나로 묶어 포도당과 산소를 생성할 수 있습니다. 포도당은 거의 모든 유기체가 어떤 형태로든 사용하는 다음 중요한 단계인 세포 호흡의 열쇠입니다. 세포 호흡은 원핵생물의 세포막 또는 진핵생물의 미토콘드리아에서 효소에 의해 수행됩니다.

화학 반응은 산소를 사용하여 포도당을 분해하여 이산화탄소와 물을 다시 생성하는 것으로 시작되지만, 이 과정에서 포도당 분자를 만드는 데 들어간 에너지는 두 개의 새로운 장소로 이동합니다. 그 중 하나는 세포가 쉽게 사용할 수 있는 에너지원인 ATP 또는 아데노신 삼인산 분자를 합성하는 것입니다. 나머지는 열로 손실됩니다. 지금까지 우리는 산소를 사용하는 일종의 세포 호흡에 대해 이야기해 왔으며 이를 호기성 호흡이라고 하지만 일부 유기체와 세포는 산소가 없을 때 호흡을 할 수 있습니다. 이를 혐기성 호흡이라고 합니다. 그리고 이 공정은 CO2와 물을 생산하는 대신 에탄올을 부산물로 만듭니다. 발효는 이러한 유형의 호흡의 한 예입니다. 이것이 효모가 밀봉된 용기에서 알코올을 생산할 수 있는 방법입니다. 호흡계라는 도구를 사용하여 유산소 호흡을 측정할 수 있습니다. 간단히 말해서,이 장치는 유기체가 사용하는 산소의 양을 측정하여이 경우 식물 씨앗을 발아시킵니다. 발아하는 씨앗은 호흡을 하고 있는데, 이는 씨앗이 산소를 소모하고 이산화탄소를 방출할 것으로 예상할 수 있음을 의미합니다. 그들은 아직 녹색 부분이 없기 때문에 광합성을 하지 않습니다.

호흡계에서 호흡을 측정하는 것은 이상 기체 법칙에 기반한 영리한 방법을 사용하며, P 곱하기 V는 n 곱하기 R 곱하기 T와 같고 P는 시스템의 압력입니다. V는 기체의 부피입니다. n은 존재하는 가스의 몰 수입니다. R은 이상 기체 상수이고 T는 절대 온도입니다. 간단히 요약하면, 이것은 R이 상수이기 때문에 압력과 온도를 안다고 가정하고 샘플의 부피를 측정하여 샘플에 얼마나 많은 가스 분자가 존재하는지 알아낼 수 있음을 의미합니다.

호흡계에는 수산화칼륨이 포함되어 있어 이산화탄소를 탄산칼륨으로 고체 형태로 가둡니다. 따라서 세포 호흡으로 인해 밀봉된 튜브 내의 산소가 씨앗에 의해 소모되어 이산화탄소를 방출하고, 이는 다시 탄산칼륨으로 갇히게 됩니다. 따라서 세포 호흡이 진행됨에 따라 시스템 내부의 총 가스 부피가 감소합니다. 호흡계를 압력계라는 장치에 부착하여 이를 정량화할 수 있습니다. 여기서 산소 분자가 소모됨에 따라 호흡계 챔버 내부의 압력이 떨어지고 작은 모세관 내부의 유색 액체가 압력이 감소하는 방향으로 당겨집니다. 그런 다음 호흡계 튜브에 남아 있는 가스의 양을 압력계 수준의 값을 판독하여 추정할 수 있습니다. 이 다용도 시스템은 예를 들어 다양한 온도와 같은 다양한 변수로 설정할 수 있으며 다양한 유형의 살아있는 유기체의 호흡 속도를 테스트하는 데 사용할 수 있습니다.

이 실험실에서는 호흡계와 압력계를 사용하여 발아하는 씨앗의 호흡수를 측정합니다.

세포 호흡

<h4>독립영양생물(독립영양생물)과 종속영양생물(Heterotrophs)</h4>

살아있는 유기체는 성장, 복구, 이동, 방어 및 번식과 같은 세포 및 유기체 기능을 유지하기 위해 지속적인 에너지 투입이 필요합니다. 세포는 화학 에너지를 사용하여 기능에 연료를 공급할 수 있으므로 당과 지질과 같은 생체 분자의 화학 결합에서 에너지를 수확해야 합니다. 독립영양 유기체, 즉 식물, 조류, 광합성 및 화학합성 박테리아는 광합성 중 햇빛과 같은 환경의 에너지를 활용하여 무기 물질을 이러한 생체 분자로 변환합니다. 종속영양 유기체는 무기 물질에서 고에너지 생체 분자를 합성할 수 없기 때문에 주로 독립영양생물에서 다른 유기체가 생산하는 탄소 화합물을 섭취하여 에너지를 얻습니다. 에너지가 필요할 때 탄소 화합물의 화학 결합을 끊어 이러한 결합에 저장된 에너지를 수확합니다. 생체 분자에서 에너지를 수확하는 과정을 세포 호흡이라고 합니다.

세포 호흡은 독립영양 유기체와 종속영양 유기체 모두에서 발생하며, 여기서 에너지는 아데노신 이인산(ADP)이 아데노신 삼인산(ATP)으로의 전환을 통해 가장 일반적으로 유기체에 제공된다. 세포 호흡에는 두 가지 주요 유형이 있는데, 유산소 호흡과 혐기성 호흡입니다. 유산소 호흡은 ATP를 생성하기 위해 산소(O2)가 필요한 특정 유형의 세포 호흡입니다. 이 경우 포도당 (C6H12O6 )은 일련의 효소 반응에서 완전히 산화되어 이산화탄소 (CO2 )와 물 (H2O)을 생성 할 수 있습니다.

<h4>유산소 호흡</h4>

유산소 호흡은 3단계로 진행됩니다. 해당과정(glycolysis)이라고 하는 과정은 포도당을 피루브산(pyruvate)이라고 하는 두 개의 3탄소 분자로 분리합니다. 이 과정에서 에너지가 방출되고 그 중 일부는 ATP로 전달됩니다. 다음으로, 피루브산 분자는 미토콘드리아로 들어가 구연산 회로라고도 하는 크렙스 회로(Krebs cycle)라고 하는 일련의 반응에 참여합니다. 이것은 포도당의 분해를 완료하여 에너지의 일부를 ATP로 수확하고 전자를 운반 분자로 전달합니다. 산화적 인산화(oxidative phosphorylation)로 알려진 마지막 단계에서 전자는 수소 이온의 구배를 유지하는 미토콘드리아 내막의 전자 전달 시스템을 통과합니다. 세포는 이 양성자 구배의 에너지를 활용하여 유산소 호흡 중에 대부분의 ATP를 생성합니다.

<h4>혐기성 호흡</h4>

유산소 호흡에는 산소가 필요하지만, 산소를 쉽게 구할 수 없거나 다른 화학 물질이 환경을 압도하는 곳에 사는 많은 유기체가 있습니다. 극치애자는 심해, 열수 분출구 또는 수중 동굴과 같은 장소에서 살 수 있는 박테리아입니다. 세포 호흡을 위해 산소를 사용하는 대신, 이 유기체는 질산염이나 황과 같은 무기 수용체를 사용하는데, 이는 이러한 열악한 환경에서 더 쉽게 얻을 수 있습니다. 이 과정을 혐기성 호흡이라고 합니다.

산소가 없어 세포 호흡이 일어날 수 없을 때, 발효(fermentation)라고 하는 특별한 혐기성 호흡이 일어납니다. 발효는 포도당에 저장된 에너지의 일부를 ATP로 포획하기 위한 해당과정으로 시작됩니다. 그러나 산화적 인산화는 일어나지 않기 때문에 발효는 호기성 호흡보다 더 적은 ATP 분자를 생성합니다. 인간의 경우 미토콘드리아가 부족한 적혈구와 근육에서 발효가 일어나 격렬한 활동 중에 젖산이 부산물로 생성되기 때문에 젖산 발효라고 합니다. 일부 박테리아는 젖산 발효를 수행하여 요구르트와 같은 제품을 만드는 데 사용됩니다. 효모에서는 알코올 발효로 알려진 과정을 통해 에탄올과 이산화탄소가 부산물로 생성되며, 인간은 음료를 발효시키거나 반죽을 발효시키는 데 사용했습니다.

<h4>광합성</h4>

광합성과 함께 세포 호흡은 에너지와 물질의 전달의 특징이며, 유기체와 환경 및 군집의 다른 유기체와의 상호 작용을 강조합니다. 세포 호흡은 개별 세포 내에서 이루어지지만 생태계 규모에서는 광합성과 세포 호흡을 통한 산소와 이산화탄소의 교환이 대기 중 산소와 이산화탄소 수치에 영향을 미칩니다.

흥미롭게도, 세포 호흡과 광합성 과정은 서로 정반대이며, 한 반응의 산물은 다른 반응물의 반응물입니다. 광합성은 ATP를 만들기 위해 세포 호흡에서 사용되는 포도당을 생성합니다. 이 포도당은 광합성에 사용되는 반응물인 호흡 중에 다시 CO2 로 전환됩니다. 좀 더 구체적으로 말하면, 광합성은 햇빛으로부터 에너지를 포착하여 6개의 CO2 분자와 6개의 H2O 분자에서 하나의 포도당 분자를 구성하고 6개의 O2 분자를 부산물로 방출합니다. 세포 호흡은 6개의 O2 분자를 사용하여 하나의 포도당 분자를 6개의 CO2 및 6개의 H2O 분자로 변환하는 동시에 에너지를 ATP와 열로 활용합니다.

<h4>호흡 측정</h4>

과학자들은 산소 교환 속도를 평가하여 호흡계를 사용하여 세포 호흡 속도를 측정할 수 있습니다. 이상 기체 법칙을 이해하는 것은 호흡계가 어떻게 작동하는지 아는 데 근본적으로 중요합니다. 이상 기체 법칙에 따르면 용기에 있는 기체 분자의 수는 압력, 부피 및 온도로 결정될 수 있습니다. 보다 구체적으로 말하면, 기체의 부피와 압력의 곱은 기체 분자의 수, 이상 기체 상수 및 기체 온도의 곱과 같습니다. 호흡계에는 호흡에 의해 생성된 이산화탄소를 탄산칼륨으로 고체 형태로 가두는 수산화칼륨이 포함되어 있습니다. 세포가 산소를 소비하면 호흡계 시스템의 가스량이 이산화탄소 없이 감소하여 다시 증가하므로 과학자들은 이상 가스 방정식을 사용하여 사용되는 산소의 양을 계산할 수 있습니다.

세포 호흡은 유기체가 사용할 수 있는 에너지를 생성하는 중요한 과정이므로 이를 개선하거나 방해하는 맥락을 연구하는 것은 흥미로울 뿐만 아니라 필요합니다. 특히 미토콘드리아는 세포 호흡에 필수적이며 미토콘드리아 건강에 영향을 미치는 모든 상태는 유기체의 건강에 엄청난 영향을 미칩니다. 예를 들어, 미토콘드리아 근병증은 미토콘드리아 손상으로 인해 발생하는 신경근 질환의 일종으로, 주로 신경 및 근육 세포에 영향을 미치며, 이러한 세포는 기능을 발휘하기 위해 높은 수준의 에너지를 필요로 합니다1. 더욱이, 많은 독극물은 세포 호흡을 억제함으로써 작용한다. 예를 들어, 시안화물은 산화적 인산화를 통해 ATP의 생성을 억제하므로 시안화물 또는 기타 대사 독에 노출된 개인의 치료를 가능하게 하는 메커니즘을 이해합니다2. 마찬가지로, 특정 항생제, 화학요법제, 스타틴, 마취제와 같은 일부 약물도 미토콘드리아 기능을 방해할 수 있으며, 미토콘드리아 질환이 있는 환자를 치료하는 데 적합하지 않을 수 있다3.

<h4>참조</h4>

<ol class="참조">
	<li>린, MT 및 Beal, MF. 신경퇴행성 질환의 미토콘드리아 기능 장애 및 산화 스트레스. 자연. 2006년, Vol. 443, (787-95).</li>
	<li>Beasley, DMG 및 Glass, WI. 시안화물 중독 : 병태 생리학 및 치료 권장 사항. 직업 의학. Vol. 48, 7 (427-31).</li>
	<li>Finsterer, J 및 Segall, L. 미토콘드리아 장애를 방해하는 약물. 의약품 : Chem Toxicol. 2010 , Vol. 33, 2 (138-51).</li>
</ol>

독립영양생물(독립영양생물)과 종속영양생물(Heterotrophs)

살아있는 유기체는 성장, 복구, ...

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cellular energy from glucose breakdown

Cellular respiration is the process cells use to release usable energy from biomolecules such as sugars and lipids. Living things need a steady energy supply for growth, repair, movement, defense, and reproduction. Cells use that energy mainly by converting adenosine diphosphate (ADP) to adenosine triphosphate (ATP).

Autotrophs and heterotrophs get the molecules for respiration in different ways. Autotrophs, such as plants, algae, and photosynthetic and chemosynthetic bacteria, build high-energy biomolecules from inorganic materials by using energy from the environment, such as sunlight. Heterotrophs cannot make those molecules from inorganic materials, so they obtain carbon compounds by eating other organisms, mainly autotrophs.

Aerobic respiration needs oxygen to make ATP. In this form of respiration, glucose can be fully broken down through a series of enzyme-driven reactions into carbon dioxide and water. Aerobic respiration has three stages: glycolysis, the Krebs cycle, and oxidative phosphorylation.

Glycolysis splits one glucose molecule into two three-carbon pyruvate molecules. It releases energy, and some of that energy is captured in ATP. The pyruvate then enters the mitochondria, where the Krebs cycle, also called the citric acid cycle, finishes breaking down the glucose and loads electrons onto carrier molecules.

The last stage is oxidative phosphorylation. In this step, electrons move through an electron transport system in the inner mitochondrial membrane. This helps build a hydrogen ion gradient, and cells use that gradient to make most of the ATP in aerobic respiration.

Some organisms live where oxygen is scarce or where other chemicals dominate the environment. Extremophiles, which are bacteria found in places such as deep ocean hydrothermal vents or underwater caves, may use inorganic acceptors like nitrate or sulfur instead of oxygen. This is called anaerobic respiration.

When oxygen is absent and cellular respiration cannot continue, cells can use fermentation. Fermentation begins with glycolysis and makes some ATP, but it does not include oxidative phosphorylation, so it produces fewer ATP molecules than aerobic respiration. In humans, lactic acid fermentation occurs in red blood cells, which lack mitochondria, and in muscles during strenuous activity. Some bacteria also use lactic acid fermentation, which is why they are used to make yogurt.

Yeast carry out alcoholic fermentation. This pathway produces ethanol and carbon dioxide as byproducts. People use it to ferment beverages and to help dough rise.

Cellular respiration and photosynthesis are linked processes that move energy and matter through ecosystems. They are direct opposites in many ways because the products of one are the reactants of the other. Photosynthesis uses sunlight to build one glucose molecule from six carbon dioxide and six water molecules and releases six oxygen molecules. Cellular respiration uses six oxygen molecules to break one glucose molecule into six carbon dioxide and six water molecules while capturing energy as ATP and heat.

Scientists can measure respiration rates with a respirometer by tracking oxygen exchange. This method depends on the Ideal Gas Law, which relates pressure, volume, temperature, and the number of gas molecules. Respirometers contain potassium hydroxide, which traps carbon dioxide as potassium carbonate. As cells use oxygen, gas volume in the system drops, and scientists can use the ideal gas equation to calculate oxygen use.

Cellular respiration matters for health because mitochondria are essential to the process. Mitochondrial myopathies are neuromuscular diseases caused by mitochondrial damage, and they mainly affect nerve and muscle cells that need a lot of energy. Many poisons also block respiration. Cyanide, for example, inhibits ATP production through oxidative phosphorylation, and some antibiotics, chemotherapeutics, statins, and anesthetics can also interfere with mitochondrial function.

Cellular Energy From Glucose Breakdown

photosynthesis

Photosynthesis: Light, Sugars, and Carbon

Photosynthesis turns sunlight into chemical energy in the form of glucose. This process powers most life on Earth by helping autotrophs, or primary producers, make food. The glucose they make can provide quick energy or be stored as starch for later use. Consumers depend on these producers for energy. Photosynthesis happens in many kinds of organisms. Cyanobacteria, some protists such as algae, and plants can all carry out this process. In eukaryotic cells, it takes place in the chloroplast.

cellular respiration

Cellular respiration is the process cells use to release usable energy from biomolecules such as sugars and lipids. Living things need a steady energy supply for growth, repair, movement, defense, and reproduction. Cells use that energy mainly by converting adenosine diphosphate (ADP) to adenosine triphosphate (ATP). Autotrophs and heterotrophs get the molecules for respiration in different ways. Autotrophs, such as plants, algae, and photosynthetic and chemosynthetic bacteria, build...

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Cell Cycle, Mitosis, and Meiosis

Cell division is essential for growth, repair, and reproduction in living organisms. It lets single-celled organisms create a new organism and helps multicellular organisms make new cells for development and for replacing damaged cells. In multicellular species, cell division also makes reproductive cells needed for reproduction. Before a cell divides, it must copy its genetic material and split it into two daughter cells. This process is called the cell cycle. Although the timing can vary...

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Water movement in plants depends on transpiration and the vascular system. Plants must move water and dissolved nutrients from the roots to the leaves. They also exchange materials with the environment as part of normal life processes. Vascular plants use bundles of tissues that run from the roots to the tips of the plant. Root hairs absorb water and nutrients, and osmosis moves water into the xylem, the main water-conducting tissue. Water then travels to the tallest parts of the plant and...

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Factors That Shape Enzyme Function

Enzymes are biological catalysts that help living things run biochemical reactions faster. They lower activation energy, which is the energy needed to start a reaction. Enzymes are not used up in the process, so they can keep working again and again. Most enzymes are proteins, although some ribonucleic acid molecules also have catalytic activity. Each enzyme usually binds only one or a few specific substrates. This selectivity depends on the enzyme’s active site, which fits its substrate like...

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Learn how cells turn glucose into ATP through aerobic and anaerobic respiration, fermentation, photosynthesis links, and respirometer measurements.

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Respiration

3분 길이의 강사용 가이드를 통해 세포 호흡 수업을 준비하세요. JoVE Lab Manual의 Biology 실험을 위한 핵심 준비 단계를 다룹니다.

Biology의 세포 호흡 강사용 준비 - 5.2K+ 조회수 | JoVE Lab Manual

6분 길이의 학생 프로토콜 영상을 통해 세포 호흡 절차를 단계별로 따라 해보세요. JoVE Lab Manual의 Biology 컬렉션의 일부입니다.

Biology의 세포 호흡 학생 프로토콜 - 17K+ 조회수 | JoVE Lab Manual

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LS.Bio.1.2

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LS.Bio.1.3

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The Tree of Life - Bacteria, Archaea, and Eukaryotes

Prokaryotes are small unicellular organisms that include the domains &#8212; Archaea and Bacteria. Bacteria include many common microorganisms, such as ...

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LS.Bio.1.4

Analyze how the relationship between structure and function supports life processes within organisms.

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