2.8. تنفس سلولی

مفاهیم

  • تنفس سلولی، آزادسازی کنترل شده انرژی از ترکیبات آلی برای تولیدATP است.
  • ATP حاصل از تنفس سلولی، بلافاصله به عنوان منبع انرژی سلول در دسترس است.
  • بازده تولیدATP از گلوکز در تنفس سلولی بی‌هوازی، کم است.
  • تنفس سلولی هوازی به اکسیژن نیاز دارد و بازده تولیدATP آناز گلوکز زیاد است.

کاربرد علم

  • استفاده از تنفس سلولی بی‌هوازی مخمرها برای تولید اتانول و دی‌ اکسید ‌کربن در پخت نان.
  • تولید لاکتات در انسان هنگام استفاده از تنفس بی‌هوازی برای به حداکثر رساندن قدرت انقباض عضلانی.

ماهیت علم

  • ارزیابی اصول اخلاقی تحقیقات علمی: استفاده از بی‌مهرگان در آزمایش‌های تنفس‌سنجی پیامدهای اخلاقی دارد.

مهارت‌ آموزی

  • تجزیه و تحلیل نتایج حاصل از آزمایش‌های اندازه‌گیری میزان تنفس در دانه‌های درحال جوانه‌زنی یا بی‌مهرگان با استفاده از دستگاه تنفس‌سنج[1].

آزادسازی انرژی توسط تنفس سلولی

تنفس سلولی، آزادسازی کنترل شده انرژی از ترکیبات آلی برای تولید ATPاست.

تنفس سلولی یکی از واکنش‌­های زیستی است که همه سلول‌های زنده انجام می‌دهند. ترکیبات آلی تجزیه می‌شوند تا انرژی‌ آزاد کنند. این انرژی می‌تواند در سلول استفاده شود. به عنوان مثال، با تجزیه گلوکز به دی ‌اکسید ‌کربن و آب، انرژی در فیبرهای عضلانی آزاد می‌شود. سپس این انرژی می‌تواند برای انقباض عضلات استفاده شود.

در انسان منبع ترکیبات آلی تجزیه شده در تنفس سلولی، غذایی است که خورده می‌شود. اغلب کربوهیدرات‌ها و لیپیدها استفاده می‌شوند و در صورت مصرف بیش‌ازحد پروتئین، از اسیدهای‌آمینه پروتئین‌ها نیز ممکن‌است استفاده شود. گیاهان از کربوهیدرات یا لیپیدهایی که قبلاً طی فتوسنتز ساخته شده‌اند، استفاده می‌کنند.

تنفس سلولی با استفاده از آنزیم‌ها، دقیق و کنترل‌شده انجام می‌شود. بنابراین تا جایی که ممکن‌است انرژی آزاد شده به ‌شکل قابل استفاده حفظ می‌شود. این شکل قابل استفاده، یک ماده شیمیایی به نام آدنوزین‌تری‌فسفات(ATP) است. برای تولیدATP ، یک گروه فسفات به آدنوزین‌دی‌فسفات(ADP) متصل می‌شود. انرژی لازم برای انجام این واکنش از تجزیه ترکیبات آلی تأمین می‌شود.

ATP سلول به سلول منتقل نمی‌شود و همه سلول‌ها به یک منبع مداوم ATP نیاز دارند. این دلیلی است برای اینکه تنفس سلولی یکی از عملکردهای حیاتی در همه سلول‌ها ‌است.مک

ATP منبع انرژی است

ATP حاصل از تنفس سلولی، بلافاصله به عنوان منبع انرژی سلول در دسترس است.
سلول‌ها برای سه نوع فعالیت اصلی به انرژی نیاز دارند:

  • سنتز مولکول‌های بزرگ مانندDNA، RNA و پروتئین‌ها.
  • پمپ کردن مولکول‌ها یا یون‌ها از عرض غشا با انتقال فعال.
  • حرکت کروموزوم‌ها و وزیکول‌ها در داخل سلول یا حرکت فیبرهای پروتئینی در سلول‌های عضلانی که باعث انقباض عضله می‌شوند.

انرژی ATP پس از استفاده در سلول‌، در نهایت به گرما تبدیل می‌شود. اگرچه انرژی گرمایی ممکن‌ است برای گرم نگه داشتن یک موجود مفید باشد، اما قابل استفاده مجدد برای فعالیت‌های سلولی نیست و در نهایت در محیط از بین می‌رود؛ به همین دلیل سلول‌ها برای فعالیت‌های خود به منبع مداوم ATP نیاز دارند.انرژی تمام این فرآیندها توسط ATP تأمین می‌شود. مزیت ATP به عنوان منبع انرژی این است که بسرعت در دسترس است و به‌ سادگی با تبدیل ATP به ADP و فسفات، آزاد می‌شود.ADP  و فسفات می‌توانند مجدد با تنفس سلولی به ATP تبدیل شوند.

م

نح

تنفس بی‌هوازی

بازده تولید ATP از گلوکز در تنفس سلولی بی‌هوازی کم است.

گلوکز در تنفس سلولی بی‌هوازی بدون استفاده از اکسیژن تجزیه می‌شود. بازده تولید ATP در این مسیر نسبتاً کم است، اما ATP می‌تواند به سرعت تولید شود. تنفس سلولی بی‌هوازی در سه حالت مفید است:

  • هنگامی که یک انفجارتنفسی کوتاه اما سریع از تولیدATP مورد نیاز است.
  • وقتی اکسیژن‌رسانی در سلول‌های تنفسی تمام می‌شود.
  • در محیط‌هایی که کمبود اکسیژن وجود دارد، به عنوان مثال خاک‌های غرقاب.

محصولات تنفس بی‌هوازی در همه موجودات یکسان نیستند. در انسان، گلوکز به لاکتیک‌اسید تبدیل می‌شود، که معمولاً به صورت محلول(لاکتات) است. در مخمر و گیاهان گلوکز به اتانول و دی‌اکسید‌کربن تبدیل می‌شود. لاکتات و اتانول هر دو در مقادیر زیاد، سمی هستند، بنابراین باید از سلول‌هایی که آن‌ها را تولید می‌کنند خارج شوند یا به مقدار کاملاً  محدود تولید شوند.

 

خلاصه واکنش‌ها:

هه

 

 

 

این واکنش در حیوانات ازجمله انسان اتفاق می‌افتد.

 

حخ

 

 

این واکنش در مخمرها و گیاهان اتفاق می‌افتد.

فعالیت

اتانول زیستی مشکلات را حل می‌کند یا مشکلات بیشتری را ایجاد می‌کند؟

بحث‌های زیادی در مورد تولید اتانول‌ زیستی وجود دارد. سوخت تجدیدپذیری که میزان انتشار کربن را کاهش می‌دهد، بدیهی است که می‌تواند مطلوب باشد. چه استدلال‌هایی علیه تولید اتانول‌زیستی وجود دارد؟

مخمر و استفاده‌های آن

استفاده از تنفس سلولی بی‌هوازی مخمرها برای تولید اتانول و دی‌اکسید‌کربن در پخت نان.

مخمر یک قارچ تک‌سلولی است که به طور طبیعی در زیستگاه‌های دارای گلوکز یا سایر قندها، مانند سطح میوه‌ها وجود دارد. مخمر می‌تواند تنفس هوازی یا بی‌هوازی داشته باشد. تنفس سلولی بی‌هوازی در مخمر اساس تولید محصولات غذایی، نوشیدنی‌ها و انرژی‌های تجدیدپذیر است.

نان با افزودن آب به آرد، ورز‌ دادن مخلوط و تهیه خمیر و سپس پخت آن تهیه می‌شود. معمولاً ماده‌ای برای ایجاد حباب‌های گاز به خمیر اضافه می‌شود، بنابراین نان پخته شده بافت سبک‌تری دارد. این ماده اغلب مخمر است. بعد از ورز دادن، خمیر را گرم نگه می‌دارند تا مخمر تنفس انجام دهد. اکسیژن موجود در خمیر خیلی زود تمام می‌شود بنابراین مخمر تنفس سلولی بی‌هوازی انجام می‌دهد. دی ‌اکسید‌ کربن تولید شده توسط تنفس سلولی بی‌هوازی نمی‌تواند از خمیر خارج شود و ایجاد حباب می‌کند. تورم خمیر در اثر تولید حباب‌های دی ‌اکسید کربن را ورآمدن می‌گویند. اتانول نیز با تنفس سلولی بی‌هوازی تولید می‌شود، اما در حین پخت تبخیر می‌شود.

اتانول‌زیستی، اتانولی است که برای استفاده به عنوان منبع انرژی تجدیدپذیر توسط موجودات زنده تولید می‌شود. گرچه هر ماده گیاهی می‌تواند به عنوان ماده‌اولیه استفاده شود و موجودات زنده مختلفی می‌توانند ماده گیاهی را به اتانول تبدیل کنند، اما بیشتر اتانول‌زیستی از نیشکر و ذرت (بلال) با استفاده از مخمر تولید می‌شود. مخمر با تنفس بی‌هوازی، قندها را در فرمانتورهای بزرگ به اتانول تبدیل می‌کند. فقط قندها قابل تبدیل هستند، بنابراین نشاسته و سلولز باید ابتدا به قندهای کوچکتر تجزیه شوند. این کار با استفاده از آنزیم‌ها انجام می‌شود. اتانول تولید شده توسط مخمرها با تقطیر، خالص می‌شود و سپس از روش‌های مختلفی برای حذف آب آن استفاده می‌شود تا احتراق آن بهبود یابد. اتانول‌زیستی گاهی‌ به ‌صورت خالص و گاهی به ‌صورت مخلوط با گازوئیل (بنزین)، به عنوان سوخت در وسایل‌نقلیه استفاده می‌شود.

.نت

تنفس بی‌هوازی در انسان

تولید لاکتات در انسان هنگام استفاده از تنفس بی‌هوازی برای به حداکثر رساندن قدرت انقباض عضلانی.

ریه‌ها و سیستم جریان خون برای تنفس هوازی اکثر اعضای بدن، با ‌سرعت کافی، اکسیژن تأمین می‌کنند، اما گاهی‌اوقات در عضلات به تنفس سلولی بی‌هوازی نیاز است چرا که تنفس بی‌هوازی در مدت کوتاهی و با سرعت زیادی ATP تأمین می‌کند. بنابراین در مواقعی که باید قدرت انقباض عضلانی  به حداکثر برسد، از تنفس سلولی بی‌هوازی استفاده می‌شود.

وزنه ‌برداران در حین بالابردن وزنه.در انسان‌های نخستین، حداکثر قدرت انقباض عضلانی برای زنده ماندن، فرار از شکارچی یا برای شکار طعمه مورد نیاز بود. این اتفاقات امروزه به ندرت در زندگی انسان رخ می‌دهند. در عوض احتمالاً از تنفس بی‌هوازی در حین تمرین یا ورزش استفاده می‌شود. در زیر نمونه‌هایی آورده شده است:

  • دوندگان مسافت کوتاه در مسابقات تا 400 متر.‌
  • دوندگان مسافت‌های طولانی، دوچرخه‌سواران و قایقرانان در طول زمان فعالیت.

تنفس سلولی بی‌هوازی شامل تولید لاکتات است؛ بنابراین وقتی از آن برای تأمین ATP استفاده می‌شود، غلظت لاکتات در عضله افزایش می‌یابد. محدودیت غلظت قابل تحمل لاکتات در بدن، میزان تنفس بی‌هوازی را محدود می‌کند. این دلیل کوتاه بودن مقیاس زمانی برای به حداکثر رساندن قدرت انقباض عضلانی است. ما فقط برای یک مسافت کوتاه(کمتر از 400 متر) می‌توانیم دوی سرعت انجام دهیم.

پس از انقباض شدید عضله، لاکتات باید تجزیه شود که نیاز به مصرف اکسیژن دارد. ممکن است چندین دقیقه طول بکشد تا اکسیژن کافی برای تجزیه کامل لاکتات، جذب شود. به میزان نیاز اکسیژن طی یک دوره تنفس بی‌هوازی، بدهی اکسیژن[1] گفته می‌شود.

مخ

تنفس هوازی

تنفس سلولی هوازی به اکسیژن نیاز دارد و بازده تولید ATPآن از گلوکز زیاد است.

اگر اکسیژن در دسترس سلول باشد، گلوکز می‌تواند به طور کامل تجزیه شود تا مقدار بیشتری انرژی نسبت به تنفس سلولی بی‌هوازی آزاد کند. بازده تولید ATP درتنفس سلولی بی‌هوازی، فقط دو مولکول به‌ ازای هرگلوکز است، در صورتیکه در تنفس سلولی هوازی بازده آن بیش از سی مولکول است.

تنفس سلولی هوازی شامل یک سری واکنش‌های شیمیایی است که طی آن دی ‌اکسید کربن و آب تولید می‌شود. در اکثر موجودات دی ‌اکسید کربن ماده زائدی است که باید دفع شود، اما آب اغلب مفید است و در انسان حدود نیم لیتر در روز تولید می‌شود.

ک/ا

در سلول‌های یوکاریوتی بیشتر واکنش‌های تنفس سلولی هوازی، از جمله کلیه واکنش‌هایی که دی ‌اکسید کربن تولید می‌کنند، در داخل میتوکندری اتفاق می‌افتند.

تنفس‌سنج (رسپیرومتر)

تجزیه و تحلیل نتایج حاصل از آزمایش‌های اندازه‌گیری میزان تنفس در دانه‌های درحال جوانه‌زنی یا بی‌مهرگان با استفاده از دستگاه تنفس‌سنج.

به هر وسیله‌ای که برای اندازه‌گیری میزان تنفس استفاده شود، تنفس‌سنج گفته می‌شود. مدل‌های بسیاری از این دستگاه وجود دارد اما اغلب شامل این قسمت‌ها است:

  • ظرف شیشه‎ای یا پلاستیکی مهر و موم شده که موجود یا بافت در آن قرار می‌گیرد.
  • یک قلیا، مانند پتاسیم هیدروکسید، برای جذب دی‌اکسید‌کربن.
  • یک لوله باریک حاوی مایع و متصل به ظرف.

یک مدل طراحی تنفس‌سنج در شکل شماره 6 نشان داده شده است، اما می‌توان نسخه‌های ساده‌تری را طراحی کرد که فقط به یک سرنگ متصل به یک لوله باریک نیاز داشته باشد.

هنق

اگر دستگاه تنفس‌سنج به درستی کار کند و موجودات داخل، تنفس هوازی انجام دهند، حجم هوا در دستگاه تنفس‌سنج کاهش می‌یابد و مایع داخل لوله باریک همراه موجودات به سمت ظرف حرکت می‌کند. چرا که اکسیژن مصرف شده و دی‌ اکسید کربن تولید شده از تنفس هوازی توسط قلیا جذب شده است.

موقعیت مایع باید چندین بار ثبت شود. اگر سرعت حرکت مایع نسبتاً یکنواخت باشد، نتایج قابل اطمینان هستند. اگر دمای داخل دستگاه تنفس‌سنج متغیر باشد، نتایج قابل اطمینان نخواهند بود؛ زیرا افزایش دمای هوا باعث افزایش حجم می‌شود. در صورت امکان باید دمای داخل دستگاه تنفس‌سنج با استفاده از حمام آب تحت کنترل باشد.

از تنفس‌سنج‌ها می‌توان برای انجام آزمایش‌های مختلف استفاده کرد:

  • میزان تنفس موجودات مختلف را می‌توان مقایسه کرد.
  • اثر دما بر میزان تنفس قابل بررسی است.
  • میزان تنفس در موجودات فعال و غیرفعال قابل مقایسه است.

جدول زیر نتایج آزمایشی را نشان می‌دهد که در آن اثر دما بر تنفس بذر نخود درحال جوانه‌زدن بررسی شده است.

برای تجزیه و تحلیل این نتایج باید ابتدا بررسی کنید که آیا تکرارها در هر دما به اندازه کافی به یکدیگر نزدیک هستند تا بتوانید مطمئن بودن نتایج را تعیین کنید یا خیر. سپس باید میانگین نتایج را برای هر دما محاسبه کنید. مرحله بعدی رسم نمودار میانگین نتایج است، بطوریکه دما در محور افقی(x) و سرعت حرکت مایع در محور عمودی(y) قرارداشته باشد. خطوط نمودار را می‌توان با ترسیم کمترین و بیشترین نتیجه در هر دما و اتصال آن‌ها به خط مبنا، به نمودار اضافه کرد. نمودار این امکان را می‌دهد که رابطه بین دما و میزان تنفس نخودهای جوانه‌زده را ارزیابی کنید.مم

اصول اخلاقی استفاده از حیوانات در دستگاه‌های تنفس‌سنج

ارزیابی اصول اخلاقی تحقیقات علمی: استفاده از بی‌مهرگان در آزمایش‌های تنفس‌سنجی پیامدهای اخلاقی دارد.

برای همه دانشمندان ارزیابی اصول‌اخلاقی در تحقیقاتشان مهم است. بحث‌های شدیدی درباره اصول‌اخلاقی استفاده از حیوانات در آزمایش‌ها وجود دارد. آیا هنگام بحث در مورد مسائل اخلاقی، پیامدهایی مانند داشتن مزایا برای دانشجویان علوم را در نظر می‌گیریم؟ آیا ما تصمیمات را در نظر می‌گیریم؟ به عنوان مثال، اگر ناخواسته به حیوانات آسیب برسد، چه آزمایش اخلاقی باشد یا نه، این تغییر می‌کند؟ آیا اصول مطلقی برای درست و غلط وجود دارد؟ به عنوان مثال، آیا می‌توان گفت که حیوانات هرگز نباید تحت شرایطی قرار بگیرند که در زیستگاه طبیعی خود با آن روبرو نمی‌شوند؟ قبل از انجام آزمایش تنفس‌سنجی حیوانات، باید به این سوالات پاسخ داده شود تا به تصمیم‌گیری در مورد پذیرش آزمایشات از نظر اخلاقی کمک شود:

1-آیا حذف حیوانات از زیستگاه طبیعی آن‌ها برای استفاده در آزمایش قابل‌قبول است و آیا می‌توان آن‌ها را با خیال راحت به محل زندگی خود بازگرداند؟

2-آیا حیوانات در طول آزمایش دچار درد یا هر آسیب دیگری خواهند شد؟

3-آیا می‌توان خطر حوادثی که باعث درد و رنج حیوانات در حین آزمایش می‌شود را به حداقل رساند؟ به طور خاص، آیا می‌توان از تماس با قلیا جلوگیری کرد؟

4- آیا استفاده از حیوانات در آزمایش ضروری است یا روش دیگری وجود دارد که از استفاده از حیوانات جلوگیری کند؟

در نظر گرفتن اصول‌اخلاقی استفاده از حیوانات در آزمایشات تنفس‌سنجی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است زیرا سازمان دیپلم بین‌المللی[1]، بخشنامه‌ای را صادر کرده‌است که آزمایشگاه یا آزمایشات میدانی و تحقیقات دیگر باید با روشی اخلاقی انجام شوند. یکی از جنبه‌های مهم این امر این است که نباید آزمایش‌هایی در مدارس انجام شود که موجب درد یا آسیب به انسان یا سایر حیوانات می‌شود.

 

[1] International Baccalaureate Organization

 

 

 

 

[1] Oxygen debt

[1] Respirometer

اشتراک گذاری:

دیدگاهتان را بنویسید