Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Organizmy żywe wymagają ciągłego dopływu energii do utrzymania funkcji komórkowych i organizmu, takich jak wzrost, naprawa, ruch, obrona i rozmnażanie. Komórki mogą wykorzystywać energię chemiczną tylko do napędzania swoich funkcji, dlatego muszą pozyskiwać energię z wiązań chemicznych biomolekuł, takich jak cukry i lipidy. Organizmy autotroficzne, a mianowicie rośliny, glony oraz bakterie fotosyntetyczne i chemosyntetyczne, przekształcają materiały nieorganiczne w takie biomolekuły, wykorzystując energię z otoczenia, na przykład ze światła słonecznego podczas fotosyntezy. Organizmy heterotroficzne nie są w stanie syntetyzować wysokoenergetycznych biomolekuł z materiałów nieorganicznych, więc pozyskują energię poprzez zużywanie związków węgla wytwarzanych przez inne organizmy, głównie z autotrofów. Kiedy potrzebna jest energia, wiązania chemiczne związków węgla są zrywane, aby zebrać energię zmagazynowaną w tych wiązaniach. Procesy pozyskiwania energii z biomolekuł nazywane są oddychaniem komórkowym.
Oddychanie komórkowe zachodzi zarówno w organizmach autotroficznych, jak i heterotroficznych, w których energia staje się dostępna dla organizmu najczęściej poprzez konwersję difosforanu adenozyny (ADP) do adenozynotrójfosforanu (ATP). Istnieją dwa główne rodzaje oddychania komórkowego - oddychanie tlenowe i oddychanie beztlenowe. Oddychanie tlenowe to specyficzny rodzaj oddychania komórkowego, w którym tlen (O2) jest potrzebny do wytworzenia ATP. W tym przypadku glukoza (C, 6, H, 12,O6) może zostać całkowicie utleniona w serii reakcji enzymatycznych w celu wytworzenia dwutlenku węgla (CO2) i wody (H2O).
Oddychanie tlenowe przebiega w trzech etapach. Proces zwany glikolizą rozkłada glukozę na dwie trójwęglowe cząsteczki zwane pirogronianem. Proces ten uwalnia energię, której część jest przekazywana do ATP. Następnie cząsteczki pirogronianu dostają się do mitochondriów, aby wziąć udział w serii reakcji zwanych cyklem Krebsa, znanym również jako cykl kwasu cytrynowego. Na tym kończy się rozkład glukozy, zbierając część energii do ATP i przenosząc elektrony na cząsteczki nośnika. W ostatnim etapie, znanym jako fosforylacja oksydacyjna, elektrony przechodzą przez system transportu elektronów w wewnętrznej błonie mitochondriów, który utrzymuje gradient jonów wodorowych. Komórki wykorzystują energię tego gradientu protonów do generowania większości ATP podczas oddychania tlenowego.
Oddychanie tlenowe wymaga tlenu, jednak istnieje wiele organizmów, które żyją w miejscach, w których tlen nie jest łatwo dostępny lub gdzie inne chemikalia przytłaczają środowisko. Ekstremofile to bakterie, które mogą żyć w miejscach takich jak głębokie oceany, kominy hydrotermalne lub podwodne jaskinie. Zamiast używać tlenu do oddychania komórkowego, organizmy te używają nieorganicznych akceptorów, takich jak azotany lub siarka, które są łatwiej dostępne w tych trudnych warunkach. Ten proces nazywa się oddychaniem beztlenowym.
Kiedy tlen nie jest obecny i oddychanie komórkowe nie może zajść, zachodzi specjalne oddychanie beztlenowe zwane fermentacją. Fermentacja rozpoczyna się od glikolizy w celu wychwycenia części energii zmagazynowanej w glukozie do ATP. Ponieważ jednak fosforylacja oksydacyjna nie zachodzi, fermentacja wytwarza mniej cząsteczek ATP niż oddychanie tlenowe. U ludzi fermentacja zachodzi w czerwonych krwinkach, które nie mają mitochondriów, a także w mięśniach podczas forsownej aktywności wytwarzającej kwas mlekowy jako produkt uboczny, dlatego nazywa się ją fermentacją mlekową. Niektóre bakterie przeprowadzają fermentację kwasu mlekowego i są wykorzystywane do wytwarzania produktów takich jak jogurt. W drożdżach proces znany jako fermentacja alkoholowa wytwarza etanol i dwutlenek węgla jako produkty uboczne i był używany przez ludzi do fermentacji napojów lub zakwaszania ciasta.
Oddychanie komórkowe wraz z fotosyntezą jest cechą transferu energii i materii oraz podkreśla interakcję organizmów z ich środowiskiem i innymi organizmami w społeczności. Oddychanie komórkowe zachodzi wewnątrz pojedynczych komórek, jednak w skali ekosystemów wymiana tlenu i dwutlenku węgla w procesie fotosyntezy i oddychania komórkowego wpływa na poziom tlenu i dwutlenku węgla w atmosferze.
Co ciekawe, procesy oddychania komórkowego i fotosyntezy są dokładnie przeciwstawne, gdzie produktami jednej reakcji są reagenty drugiej. Fotosynteza wytwarza glukozę, która jest wykorzystywana w oddychaniu komórkowym do wytwarzania ATP. Ta glukoza jest następnie przekształcana z powrotem w CO2 podczas oddychania, który jest reagentem stosowanym w fotosyntezie. Mówiąc dokładniej, fotosynteza konstruuje jedną cząsteczkę glukozy z sześciu cząsteczek CO2 i sześciu H2O poprzez wychwytywanie energii ze światła słonecznego i uwalnianie sześciu cząsteczek O2 jako produktu ubocznego. Oddychanie komórkowe wykorzystuje sześć cząsteczekO2 do przekształcenia jednej cząsteczki glukozy w sześć cząsteczek CO2 i sześć cząsteczek H2O, wykorzystując jednocześnie energię w postaci ATP i ciepła.
Naukowcy mogą zmierzyć tempo oddychania komórkowego za pomocą respirometru, oceniając szybkość wymiany tlenu. Zrozumienie prawa gazu doskonałego ma fundamentalne znaczenie dla poznania działania respirometru. Prawo gazu doskonałego mówi, że liczbę cząsteczek gazu w pojemniku można określić na podstawie ciśnienia, objętości i temperatury. Mówiąc dokładniej, iloczyn objętości i ciśnienia gazu jest równy iloczynowi liczby cząsteczek gazu, stałej gazu doskonałego i temperatury gazu. Respirometry zawierają wodorotlenek potasu, który wychwytuje dwutlenek węgla wytwarzany podczas oddychania w postaci stałej jako węglan potasu. Kiedy komórki zużywają tlen, objętość gazu w systemie respirometrycznym zmniejsza się bez dwutlenku węgla, który mógłby go zwiększyć, co pozwala naukowcom obliczyć ilość zużytego tlenu za pomocą równania gazu doskonałego.
Oddychanie komórkowe jest ważnym procesem, który wytwarza energię użytkową dla organizmów, dlatego badanie kontekstów, w których jest ono poprawiane lub utrudniane, jest nie tylko interesujące, ale także konieczne. W szczególności mitochondria są niezbędne do oddychania komórkowego, a wszelkie warunki, które wpływają na zdrowie mitochondriów, mają ogromne konsekwencje dla zdrowia organizmu. Na przykład miopatie mitochondrialne to grupa chorób nerwowo-mięśniowych, które są spowodowane uszkodzeniem mitochondriów, wpływając głównie na komórki nerwowe i mięśniowe, które wymagają wysokiego poziomu energii do funkcjonowania1. Co więcej, wiele trucizn działa poprzez hamowanie oddychania komórkowego. Na przykład cyjanek hamuje produkcję ATP poprzez fosforylację oksydacyjną, dzięki czemu zrozumienie mechanizmów cyjanku lub innych trucizn metabolicznych umożliwia leczenie osób, które były na nie narażone2. Podobnie, niektóre leki, takie jak niektóre antybiotyki, chemioterapeutyki, statyny i środki znieczulające, mogą również zakłócać funkcję mitochondriów i mogą nie być odpowiednie do leczenia pacjentów z zaburzeniami mitochondrialnymi3.
Wszystko, co żyje, potrzebuje źródła energii, które napędza jego działania. Ostatecznie tym źródłem energii jest słońce. W jaki więc sposób organizmy na Ziemi okiełznały tę energię? Wszystko zaczyna się od fotosyntezatorów. Organizmy te są w stanie pobierać dwutlenek węgla i wodę, a następnie wykorzystywać energię przechwyconą ze słońca jako fotony, aby zmusić te cząsteczki do połączenia, wytwarzając glukozę i tlen. Glukoza jest kluczem do następnego krytycznego kroku, którego prawie wszystkie organizmy używają w takiej czy innej formie - oddychania komórkowego. Oddychanie komórkowe odbywa się za pomocą enzymów w błonie komórkowej u prokariontów lub w mitochondriach u eukariontów.
Reakcja chemiczna rozpoczyna się od rozbicia glukozy za pomocą tlenu w celu ponownego wytworzenia dwutlenku węgla i wody, ale w tym procesie energia, która pierwotnie została wykorzystana do wytworzenia cząsteczki glukozy, trafia do dwóch nowych miejsc. Jednym z nich jest synteza ATP, czyli cząsteczek adenozynotrójfosforanu, źródła energii, z którego komórki mogą łatwo korzystać. Reszta jest tracona w postaci ciepła. Do tej pory mówiliśmy o rodzaju oddychania komórkowego, które wykorzystuje tlen i nazywa się to oddychaniem tlenowym, ale niektóre organizmy i komórki są zdolne do oddychania przy braku tlenu. Nazywa się to oddychaniem beztlenowym. Zamiast wytwarzać CO2 i wodę, proces ten sprawia, że etanol jest produktem ubocznym. Przykładem tego rodzaju oddychania jest fermentacja. W ten sposób drożdże są w stanie wytwarzać alkohol w szczelnie zamkniętych pojemnikach. Możemy użyć narzędzia zwanego respirometrem do pomiaru oddychania tlenowego. Po prostu to urządzenie mierzy ilość tlenu zużywanego przez organizm, w tym przypadku kiełkujące nasiona roślin. Kiełkujące nasiona oddychają, co oznacza, że możemy się spodziewać, że zużywają tlen i uwalniają dwutlenek węgla. Nie mają jeszcze swoich zielonych części, więc nie dokonują fotosyntezy.
Pomiar oddechu w respirometrze wykorzystuje sprytną metodę opartą na prawie gazu doskonałego, P razy V równa się n razy R razy T. P to ciśnienie w układzie. V jest objętością gazu. n to liczba moli obecnego gazu. R jest idealną stałą gazową, a T jest temperaturą bezwzględną. Podsumowując, oznacza to, że możesz dowiedzieć się, ile cząsteczek gazu jest obecnych w próbce, mierząc jej objętość, zakładając, że znasz ciśnienie i temperaturę, ponieważ R jest stałą.
Respirometry zawierają wodorotlenek potasu, który zatrzymuje dwutlenek węgla w postaci stałej jako węglan potasu. Tak więc, ze względu na oddychanie komórkowe, tlen w zamkniętej rurce jest zużywany przez nasiona i uwalniają dwutlenek węgla, który z kolei zostaje uwięziony jako węglan potasu. Tak więc, wraz z postępem oddychania komórkowego, całkowita objętość gazu wewnątrz systemu zmniejsza się. Możemy to określić ilościowo, podłączając respirometr do urządzenia zwanego manometrem. Tutaj, gdy cząsteczki tlenu są zużywane, ciśnienie spada w komorze respirometru, a kolorowa ciecz wewnątrz maleńkiej rurki kapilarnej jest ciągnięta w kierunku zmniejszonego ciśnienia. Następnie możemy oszacować ilość gazu pozostałego w rurce respirometru, odczytując wartość na poziomie manometru. Ten wszechstronny system może być skonfigurowany z wieloma różnymi zmiennymi, takimi jak na przykład różne temperatury, i może być używany do testowania tempa oddychania w wielu różnych typach organizmów żywych.
W tym laboratorium użyjesz respirometru i manometru do pomiaru tempa oddychania kiełkujących nasion.
