Hücresel Solunum
Ototroflar ve Heterotroflar
Canlı organizmalar, büyüme, onarım, hareket, savunma ve üreme gibi hücresel ve organizma işlevlerini sürdürmek için sürekl…
Canlı olan her şey, faaliyetlerini beslemek için bir enerji kaynağına ihtiyaç duyar. Sonuçta, bu enerji kaynağı güneştir. O halde Dünya'daki organizmalar bu enerjiyi nasıl kullandılar? Her şey fotosentezleyicilerle başlar. Bu organizmalar karbondioksit ve su alabilir ve daha sonra bu molekülleri bir araya getirmek için güneşten yakalanan enerjiyi fotonlar olarak kullanarak glikoz ve oksijen üretebilirler. Glikoz, neredeyse tüm organizmaların şu veya bu şekilde kullandığı bir sonraki kritik adımın anahtarıdır - hücresel solunum. Hücresel solunum, prokaryotlarda hücre zarında veya ökaryotlarda mitokondride enzimler tarafından gerçekleştirilir.
Kimyasal reaksiyon, tekrar karbondioksit ve su oluşturmak için oksijen kullanarak glikozu parçalayarak başlar, ancak bu süreçte, başlangıçta glikoz molekülünü yapmak için harcanan enerji iki yeni yere gider. Birincisi, hücrelerin kolayca kullanabileceği bir enerji kaynağı olan ATP'yi veya adenozin trifosfat moleküllerini sentezlemektir. Gerisi ısı olarak kaybolur. Şimdiye kadar, oksijen kullanan bir tür hücresel solunumdan bahsediyoruz ve buna aerobik solunum deniyor, ancak bazı organizmalar ve hücreler oksijen yokluğunda solunum yapabiliyor. Buna anaerobik solunum denir. Ve CO2 ve su üretmek yerine, bu işlem etanolü bir yan ürün olarak yapar. Fermantasyon, bu tür solunumun bir örneğidir. Maya, kapalı kaplarda bu şekilde alkol üretebilir. Aerobik solunumu ölçmek için respirometre adı verilen bir araç kullanabiliriz. Oldukça basit bir şekilde, bu cihaz bir organizma tarafından kullanılan oksijen miktarını ölçer ve bu durumda bitki tohumlarını çimlendirir. Çimlenen tohumlar solunum yapıyor, bu da onların oksijeni tüketmelerini ve karbondioksit salmalarını bekleyebileceğimiz anlamına geliyor. Henüz yeşil kısımlarına sahip değiller, bu yüzden fotosentez yapmıyorlar.
Bir respirometrede solunumu ölçmek, ideal gaz yasasına dayanan akıllı bir yöntem kullanır, P çarpı V, n çarpı R çarpı T'ye eşittir. V, gazın hacmidir. n, mevcut gazın mol sayısıdır. R ideal gaz sabitidir ve T mutlak sıcaklıktır. Basitçe özetlemek gerekirse, bu, R bir sabit olduğundan, basıncı ve sıcaklığı bildiğinizi varsayarak, hacmini ölçerek bir numunede kaç molekül gaz bulunduğunu anlayabileceğiniz anlamına gelir.
Respirometreler, karbondioksiti potasyum karbonat olarak katı halde yakalayan potasyum hidroksit içerir. Bu nedenle, hücresel solunum nedeniyle, kapalı tüpteki oksijen tohumlar tarafından kullanılır ve karbondioksit salgılar ve bu da potasyum karbonat olarak tutulur. Böylece, hücresel solunum ilerledikçe, sistem içindeki toplam gaz hacmi azalır. Bunu, solunum ölçeri manometre adı verilen bir cihaza bağlayarak ölçebiliriz. Burada, oksijen molekülleri tüketilirken, respirometre odasının içindeki basınç düşer ve küçük bir kılcal borunun içindeki renkli bir sıvı, azalan basınç yönünde çekilir. Daha sonra manometre seviyesindeki değeri okuyarak respirometre tüpünde kalan gaz miktarını tahmin edebiliriz. Bu çok yönlü sistem, örneğin farklı sıcaklıklar gibi birçok farklı değişkenle kurulabilir ve birçok farklı canlı organizma türünde solunum hızını test etmek için kullanılabilir.
Bu laboratuvarda, çimlenen tohumların solunum hızını ölçmek için bir solunum ölçer ve manometre kullanacaksınız.
Canlı olan her şey, faaliyetlerini beslemek için bir enerji kaynağına ihtiyaç duyar. Sonuçta, bu enerji kaynağı güneştir. O halde Dünya'daki organizmalar bu enerjiyi nasıl kullandılar? Her şey fotosentezleyicilerle başlar. Bu organizmalar karbondioksit ve su alabilir ve daha sonra bu molekülleri bir araya getirmek için güneşten yakalanan enerjiyi fotonlar olarak kullanarak glikoz ve oksijen üretebilirler. Glikoz, neredeyse tüm organizmaların şu veya bu şekilde kullandığı bir sonraki kritik adımın anahtarıdır - hücresel solunum. Hücresel solunum, prokaryotlarda hücre zarında veya ökaryotlarda mitokondride enzimler tarafından gerçekleştirilir.
Kimyasal reaksiyon, tekrar karbondioksit ve su oluşturmak için oksijen kullanarak glikozu parçalayarak başlar, ancak bu süreçte, başlangıçta glikoz molekülünü yapmak için harcanan enerji iki yeni yere gider. Birincisi, hücrelerin kolayca kullanabileceği bir enerji kaynağı olan ATP'yi veya adenozin trifosfat moleküllerini sentezlemektir. Gerisi ısı olarak kaybolur. Şimdiye kadar, oksijen kullanan bir tür hücresel solunumdan bahsediyoruz ve buna aerobik solunum deniyor, ancak bazı organizmalar ve hücreler oksijen yokluğunda solunum yapabiliyor. Buna anaerobik solunum denir. Ve CO2 ve su üretmek yerine, bu işlem etanolü bir yan ürün olarak yapar. Fermantasyon, bu tür solunumun bir örneğidir. Maya, kapalı kaplarda bu şekilde alkol üretebilir. Aerobik solunumu ölçmek için respirometre adı verilen bir araç kullanabiliriz. Oldukça basit bir şekilde, bu cihaz bir organizma tarafından kullanılan oksijen miktarını ölçer ve bu durumda bitki tohumlarını çimlendirir. Çimlenen tohumlar solunum yapıyor, bu da onların oksijeni tüketmelerini ve karbondioksit salmalarını bekleyebileceğimiz anlamına geliyor. Henüz yeşil kısımlarına sahip değiller, bu yüzden fotosentez yapmıyorlar.
Bir respirometrede solunumu ölçmek, ideal gaz yasasına dayanan akıllı bir yöntem kullanır, P çarpı V, n çarpı R çarpı T'ye eşittir. V, gazın hacmidir. n, mevcut gazın mol sayısıdır. R ideal gaz sabitidir ve T mutlak sıcaklıktır. Basitçe özetlemek gerekirse, bu, R bir sabit olduğundan, basıncı ve sıcaklığı bildiğinizi varsayarak, hacmini ölçerek bir numunede kaç molekül gaz bulunduğunu anlayabileceğiniz anlamına gelir.
Respirometreler, karbondioksiti potasyum karbonat olarak katı halde yakalayan potasyum hidroksit içerir. Bu nedenle, hücresel solunum nedeniyle, kapalı tüpteki oksijen tohumlar tarafından kullanılır ve karbondioksit salgılar ve bu da potasyum karbonat olarak tutulur. Böylece, hücresel solunum ilerledikçe, sistem içindeki toplam gaz hacmi azalır. Bunu, solunum ölçeri manometre adı verilen bir cihaza bağlayarak ölçebiliriz. Burada, oksijen molekülleri tüketilirken, respirometre odasının içindeki basınç düşer ve küçük bir kılcal borunun içindeki renkli bir sıvı, azalan basınç yönünde çekilir. Daha sonra manometre seviyesindeki değeri okuyarak respirometre tüpünde kalan gaz miktarını tahmin edebiliriz. Bu çok yönlü sistem, örneğin farklı sıcaklıklar gibi birçok farklı değişkenle kurulabilir ve birçok farklı canlı organizma türünde solunum hızını test etmek için kullanılabilir.
Bu laboratuvarda, çimlenen tohumların solunum hızını ölçmek için bir solunum ölçer ve manometre kullanacaksınız.
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.