معلومة

1.15: التنفس - علم الأحياء


نظرة عامة على التنفس

في الوحدات القليلة التالية نبدأ في التعرف على عملية التنفس والأدوار التي تلعبها سلاسل نقل الإلكترون في هذه العملية. تعريف كلمة "التنفس" الذي يعرفه معظم الناس هو "فعل التنفس". متي

نحن

التنفس ، الهواء - بما في ذلك الأكسجين الجزيئي - يدخل إلى رئتينا من خارج الجسم ، ثم ينخفض ​​الأكسجين ، ويتم إخراج الفضلات ، بما في ذلك الأكسجين المنخفض في شكل ماء. ببساطة ، يأتي بعض المتفاعلات إلى الكائن الحي ثم يتم تقليله ويترك الجسم كمنتج فضلات. يمكن تطبيق هذه الفكرة العامة بشكل عام عبر علم الأحياء ، ولا يلزم أن يكون الأكسجين دائمًا هو المركب الذي جلب النفايات وتقليلها وإلقائها كنفايات. تُعرف هذه المركبات التي يتم فيها "إغراق" الإلكترون أخيرًا باسم "متقبلات الإلكترون الطرفية". الجزيئات

من أي

يمكن أن تتنوع الإلكترونات بشكل كبير عبر علم الأحياء (لقد بحثنا في مصدر مشترك واحد - جزيء الجلوكوز القائم على الكربون). سنشير غالبًا إلى هذه الجزيئات على أنها "وقود" ، والتماثل مع احتراق البنزين أو البروبان أو الفحم مناسب تمامًا ؛ هذه كلها ببساطة مصادر للإلكترونات ، والمخلفات الناتجة هي ثاني أكسيد الكربون2 و الماء. ولكن مرة أخرى ، ضع في اعتبارك أن العديد من الكائنات الحية يمكنها استخدام مصادر الإلكترونات غير الكربونية ، ونقل الإلكترونات إلى أنواع أخرى من العوامل المؤكسدة.

بين مصدر الإلكترون الأصلي ومستقبل الإلكترون النهائي ، توجد سلسلة من التفاعلات الكيميائية الحيوية التي تتضمن تفاعل أكسدة اختزال واحد على الأقل (أثناء تحلل السكر وأكسدة البيروفات ودورة TCA ، رأينا الكثير!). تحصد تفاعلات الأكسدة والاختزال هذه الطاقة للخلية عن طريق اقتران تفاعلات الأكسدة والاختزال شديدة الطاقة بتفاعلات تتطلب طاقة في الخلية. أثناء التنفس ، تقوم مجموعة خاصة من الإنزيمات بتنفيذ سلسلة متصلة من تفاعلات الأكسدة والاختزال التي تنقل الإلكترونات في النهاية إلى متقبل الإلكترون الطرفي. تسمى هذه "السلاسل" من إنزيمات الأكسدة والاختزال وناقلات الإلكترون بسلاسل نقل الإلكترون (ETC). وبالتالي ، فإن ETCs هي جزء التنفس الذي يستخدم متقبلًا للإلكترون (يتم إحضاره من خارج الخلية) كمستقبل نهائي / نهائي للإلكترونات التي تمت إزالتها من المركبات الوسيطة في عملية الهدم. في الخلايا حقيقية النواة التي تعمل بالتنفس الهوائي ، يتكون ETC من أربعة مجمعات كبيرة متعددة البروتينات مدمجة في غشاء الميتوكوندريا الداخلي واثنين من ناقلات الإلكترونات الصغيرة القابلة للانتشار التي تنقل الإلكترونات بينهما. يتم تمرير الإلكترونات من إنزيم إلى إنزيم من خلال سلسلة من تفاعلات الأكسدة والاختزال. تقترن هذه التفاعلات بنقل الأكسدة والاختزال المفرط للطاقة إلى النقل الداخلي لأيونات الهيدروجين عبر الغشاء. تساهم هذه العملية في إنشاء تدرج كهروكيميائي عبر الغشاء. تفقد الإلكترونات التي تمر عبر ETC الطاقة الكامنة تدريجيًا ، وتترسب أخيرًا على مستقبل الإلكترون الطرفي ، والذي يتم إزالته كنفايات من الخلية. عندما يكون الأكسجين هو متقبل الإلكترون النهائي ، فإن فرق الطاقة الحرة لعملية الأكسدة والاختزال متعددة الخطوات هذه - من الخطوة الأولى في ETC إلى الأخيرة - هو ~ -60 كيلو كالوري / مول عندما يتبرع NADH بالإلكترونات أو 45 كيلو كالوري / مول عند FADH2 يتبرع بالإلكترونات.

مقدمة في الأكسدة والاختزال وسلاسل نقل الإلكترون

في وحدة سابقة (الاستفادة من الأكسدة) ناقشنا المفهوم العام لتفاعلات الأكسدة والاختزال في علم الأحياء وقدمنا ​​برج الإلكترون ، وهو أداة تساعدك على فهم كيمياء الأكسدة والاختزال ولتقدير اتجاه وحجم اختلافات الطاقة المحتملة لمختلف أزواج الأكسدة والاختزال. في الوحدات السابقة ، تمت مناقشة الفسفرة والتخمير على مستوى الركيزة ورأينا كيف يمكن أن تقترن تفاعلات الأكسدة والاختزال المفرطة بشكل مباشر بواسطة الإنزيمات بالتخليق اللاذع لـ ATP. يُفترض أن هذه العمليات هي واحدة من أقدم أشكال إنتاج الطاقة التي تستخدمها الخلايا. في هذا القسم نناقش التقدم التطوري التالي في استقلاب الطاقة الخلوية ، الفسفرة التأكسدية من ADP لتشكيل ATP. أولاً وقبل كل شيء ، الفسفرة المؤكسدة ليس بالضرورة يعني استخدام الأكسجين كمتقبل طرفي للإلكترون. تطورت الفسفرة المؤكسدة قبل O2 كان متاحًا ، واستمر في التطور منذ ذلك الحين. باعتبارها "الكائنات الهوائية الملزمة" (الكائنات الحية التي لا تستطيع العيش بدون O2) يمكننا نحن أنفسنا فقط استخدام O2 كمقبل طرفي. بعض الكائنات الحية أكثر مرونة ، واستقلابيًا ، والبعض الآخر (اللاهوائي الملزم) لا يمكنه استخدام O2 على الاطلاق. تسمى عملية توليد ATP من ADP الفسفرة المؤكسدة (مقابل مستوى الفسفرة على مستوى الركيزة التي شوهدت سابقًا ، في تحلل السكر ودورة حمض الستريك) لأنها تعتمد على تفاعلات الأكسدة والاختزال لتوليد كهروكيميائية إمكانات الغشاء التي يمكن أن تستخدمها الخلية بعد ذلك لإضافة مجموعة فوسفات إلى ADP (أو للقيام بأنواع أخرى من العمل). إذا فكرت في الأمر ، فهذه ليست أنسب الأسماء ، حيث تحدث تفاعلات الأكسدة والاختزال في تحلل السكر ودورة حمض الستريك أيضًا.

ملخص سريع لسلاسل نقل الإلكترون

يبدأ ETC بالتبرع بالإلكترونات من NADH ، FADH2 أو غيرها من المركبات المختزلة إلى المتقبل الأول في السلسلة. ينتقل الإلكترون عبر سلسلة من ناقلات الإلكترون ، ناقلات (معظمها بروتينات) تخضع لسلسلة من تفاعلات الأكسدة والاختزال. الطاقة الحرة المنقولة من تفاعلات الأكسدة والاختزال المفرطة هذه ، في بعض الخطوات ، تقترن بالحركة endergonic للبروتونات عبر الغشاء. نظرًا لأن الغشاء يمثل حاجزًا فعالًا للأيونات ، فإن هذا الضخ ينتج عنه تراكم غير متساوٍ للبروتونات عبر الغشاء. وهذا بدوره "يستقطب" أو "يشحن" الغشاء ، بشحنة موجبة صافية (بروتونات) على أحد جانبي الغشاء وشحنة سالبة على الجانب الآخر من الغشاء. يؤدي فصل الشحنة إلى إنشاء ملف الجهد الكهربائي. بالإضافة إلى ذلك ، يؤدي تراكم البروتونات أيضًا إلى تدرج درجة الحموضة المعروف باسم a المواد الكيميائية القدره عبر الغشاء (يتم ضخ البروتونات من تركيز منخفض إلى أعلى [H+] بيئة). يُطلق على هذين التدرجين (الكهربائي والكيميائي) معًا اسم التدرج الكهروكيميائي. يتم حصاد -∆G من الإلكترونات التي تتحرك أسفل ETC في شكل هذا التدرج.

مراجعة: برج الإلكترون

نظرًا لأن كيمياء الأكسدة والاختزال مركزية جدًا للموضوع ، نبدأ بمراجعة سريعة لجدول إمكانات الاختزال - يُطلق عليه أحيانًا "برج الأكسدة والاختزال" أو "برج الإلكترون". قد تسمع أن أساتذتك يستخدمون هذه المصطلحات بالتبادل. كما ناقشنا في الوحدات السابقة ، يمكن لجميع أنواع المركبات المشاركة في تفاعلات الأكسدة والاختزال البيولوجية. قد يكون فهم كل هذه المعلومات وتصنيف أزواج الأكسدة والاختزال المحتملة أمرًا محيرًا. تم تطوير أداة لتقييم نصف تفاعلات الأكسدة والاختزال بناءً على إمكانات التخفيض أو E.0' القيم. يعتمد ما إذا كان مركب معين يمكن أن يعمل كمتبرع للإلكترون (مختزل) أو متقبل للإلكترون (مؤكسد) على المركب الآخر الذي يتفاعل معه. يصنف برج الأكسدة والاختزال مجموعة متنوعة من المركبات الشائعة (تفاعلاتها النصفية) من معظم المركبات الإلكترونية السلبية0'، يضاعف ذلك بسهولة التخلص من الإلكترونات، إلى E الأكثر إيجابية0'، مجمعات سكنية الأكثر احتمالاً لقبول الإلكترونات. ينظم البرج هذه التفاعلات النصفية بناءً على قدرة المكوّنات على قبول الإلكترونات. في العديد من أبراج الأكسدة والاختزال ، تتم كتابة كل نصف تفاعل بالاتفاق مع الشكل المؤكسد على اليسار متبوعًا بالشكل المختزل إلى اليمين. يمكن فصل الشكلين بشرطة مائلة ، على سبيل المثال نصف التفاعل لتقليل NAD+ إلى NADH هو مكتوب: NAD+/ NADH (2e-) ، أو من خلال أعمدة منفصلة. يظهر برج الإلكترون أدناه.

"برج الأكسدة والاختزال" البيولوجي المشترك. وجّه نفسك من خلال إيجاد أقوى متقبل للإلكترون (= أقوى عامل مؤكسد). نأمل أن تكون مألوفة لك.

ملحوظة

استخدم برج الأكسدة والاختزال أعلاه كدليل مرجعي لتوجيهك فيما يتعلق بإمكانية الاختزال للمركبات المختلفة. قد تكون تفاعلات الأكسدة والاختزال إما طاردة للطاقة أو ماصة للطاقة اعتمادًا على إمكانات الأكسدة النسبية للمانح والمقبول (ممثلة بنصفين مختلفين من ردود الفعل على البرج). تذكر أيضًا أن هناك العديد من الطرق المختلفة للنظر إلى هذا من الناحية المفاهيمية ؛ هذا النوع من برج الأكسدة هو طريقة واحدة فقط.

ملحوظة: تظهر اختصارات اللغة من جديد

في جدول الأكسدة والاختزال أعلاه ، يبدو أن بعض الإدخالات تمت كتابتها بطرق غير تقليدية. على سبيل المثال السيتوكروم جثور / أحمر. يبدو أن هناك نموذج واحد فقط مدرج. لماذا ا؟ هذا مثال آخر على اختصار اللغة (ربما تم استخدامه بحيث يتناسب مع العمود) والذي يمكن أن يكون مربكًا. يمكن إعادة كتابة التدوين أعلاه كـ Cytochrome cثور/ السيتوكروم جأحمر للإشارة إلى أن بروتين السيتوكروم ج يمكن أن يوجد في حالة مؤكسدة (السيتوكروم جثور ) أو الحالة المخفضة (السيتوكروم جأحمر).

مراجعة فيديو برج Redox

للحصول على فيديو قصير حول كيفية استخدام برج الأكسدة والاختزال في مشاكل الأكسدة والاختزال ، انقر هنا. هذا الفيديو من صنع د. إيسلون لطلاب Bis2A.

استخدام برج الأكسدة والاختزال: أداة للمساعدة في فهم سلاسل نقل الإلكترون

وفقًا للاتفاقية ، تتم كتابة تفاعلات نصف البرج بالشكل المؤكسد للمركب على اليسار والشكل المختزل على اليمين. لاحظ أن المركبات مثل الجلوكوز وغاز الهيدروجين هي مانحة ممتازة للإلكترون ولديها إمكانات اختزال منخفضة جدًا0'. المركبات ، مثل الأكسجين والنتريت ، التي تحتوي تفاعلاتها النصفية على إمكانات اختزال إيجابية عالية نسبيًا (E.0') بشكل عام تجعل متقبلات الإلكترون جيدة وتوجد في الطرف المقابل من الجدول.

مثال: ميناكينون

دعونا نلقي نظرة على ميناكينونثور / أحمر. يقع هذا المركب في منتصف برج الأكسدة والاختزال بنصف تفاعل E.0' قيمة -0.074 فولت. ميناكينونثور يمكن أن تقبل تلقائيًا (ΔG <0) الإلكترونات من أشكال مختصرة من المركبات ذات نصف تفاعل منخفض E0'. مثل هذه التحويلات من ميناكينونأحمر والشكل المؤكسد لمتبرع الإلكترون الأصلي. في الجدول أعلاه ، تتضمن أمثلة المركبات التي يمكن أن تعمل كمانحين للإلكترون لميناكينون FADH2، ه0' بقيمة -0.22 ، أو NADH ، مع E.0' قيمة -0.32 فولت. تذكر أن الأشكال المختصرة موجودة على الجانب الأيمن من زوج الثور / الأحمر.

بمجرد أن يتم تقليل الميناكينون إلى ميناكينون (أحمر) ، يمكنه الآن تلقائيًا (G <0) التبرع بالإلكترونات إلى أي مركب بنصف تفاعل أعلى E0' القيمة. تشمل متقبلات الإلكترون المحتملة السيتوكروم بثور بحرف E.0' قيمة 0.035 فولت ؛ أو يوبيكوينونثور بحرف E.0' من 0.11 فولت. تذكر أن الأشكال المؤكسدة تقع على الجانب الأيسر من نصف التفاعل.

سلاسل نقل الإلكترون

ان سلسلة نقل الإلكترون، أو إلخ، يتألف من مجموعة من المجمعات البروتينية داخل وحول الغشاء والتي تساعد بقوة في ربط سلسلة من تفاعلات الأكسدة والاختزال المفرطة / التلقائية مع ضخ البروتونات عبر الغشاء لتوليد تدرج كهروكيميائي. يخلق هذا التدرج الكهروكيميائي إمكانات طاقة حرة تسمى أ بروتون القوة الدافعة التي يمكن أن يقترن تدفقها القوي "منحدرًا" في وقت لاحق بمجموعة متنوعة من العمليات الخلوية.

نظرة عامة على ETC

الخطوة 1. تدخل الإلكترونات في ETC من متبرع إلكتروني ، مثل NADH أو FADH2 التي يتم إنشاؤها خلال مجموعة متنوعة من التفاعلات التقويضية ، بما في ذلك تلك المرتبطة بأكسدة الجلوكوز. اعتمادًا على مدى تعقيد (عدد وأنواع ناقلات الإلكترون) التي يستخدمها الكائن الحي ، يمكن أن تدخل الإلكترونات في أماكن متنوعة في سلسلة نقل الإلكترون - وهذا يعتمد على إمكانات الاختزال الخاصة بالمانحين والمقبلين للإلكترون المقترحين. في بعض الكائنات الحية المرنة الأيضية ، يمكن أن تنتهي السلسلة أيضًا عند مجموعة متنوعة من مستقبلات الإلكترون الخارجية.

الخطوة 2. بعد تفاعل الأكسدة والاختزال الأول ، سوف يتأكسد المتبرع الأولي بالإلكترون ويقل مستقبل الإلكترون. يرتبط الاختلاف في إمكانات الأكسدة والاختزال بين متلقي الإلكترون المتبرع بـ ΔG بالعلاقة ΔG = -nFΔE ، حيث n = عدد الإلكترونات المنقولة و F = ثابت فاراداي. كلما كانت ΔE موجبة كلما كان رد الفعل أكثر قوة.

الخطوة 3. إذا تم نقل طاقة كافية أثناء خطوة الأكسدة والاختزال المفرطة ، فقد يقرن حامل الإلكترون هذا التغيير السلبي في الطاقة الحرة بالعملية endergonic لنقل البروتون من جانب واحد من الغشاء إلى الجانب الآخر.

الخطوة 4. بعد عمليات النقل المتعددة للأكسدة والاختزال ، يتم تسليم الإلكترون إلى جزيء يُعرف باسم متقبل الإلكترون الطرفي. في حالة البشر ، فإن متقبل الإلكترون النهائي هو الأكسجين. ومع ذلك ، هناك العديد والعديد والعديد من متقبلات الإلكترون المحتملة الأخرى ، انظر أدناه.

ملحوظة

لا يجب أن تأتي الإلكترونات التي تدخل ETC من NADH أو FADH2. يمكن للعديد من المركبات الأخرى أن تعمل كمانحين للإلكترون ، والمتطلبات الوحيدة هي وجود إنزيم يمكنه أكسدة مانح الإلكترون ومن ثم تقليل مركب آخر وأن E0يكون موجبًا (مثل ΔG <0). حتى الكميات الصغيرة من عمليات نقل الطاقة المجانية يمكن أن تتراكم. على سبيل المثال ، هناك بكتيريا تستخدم H2 كمانح الكترون. هذا ليس من الصعب تصديقه لأن نصف رد الفعل 2H+ + 2 هـ-/ ح2 لديه إمكانية اختزال (E.0') من -0.42 V. إذا تم تسليم هذه الإلكترونات في النهاية إلى الأكسجين ، فإن ΔE0التفاعل هو 1.24 فولت وهو ما يتوافق مع ΔG سلبي كبير (-ΔG). بدلا من ذلك ، هناك بعض البكتيريا التي يمكنها أكسدة الحديد ، الحديد2+ عند الرقم الهيدروجيني 7 إلى الحديد3+ مع إمكانية الاختزال (E0') من + 0.2 فولت. تستخدم هذه البكتيريا الأكسجين كمستقبل طرفي للإلكترون وفي هذه الحالة ، ΔE0من التفاعل حوالي 0.62 فولت. وهذا لا يزال ينتج a -G. خلاصة القول هي أنه اعتمادًا على المتبرع والمقبول للإلكترون الذي يستخدمه الكائن الحي ، يمكن للخلية نقل القليل أو الكثير من الطاقة (لكل إلكترون) واستخدامها حيث يتم التبرع بالإلكترونات إلى سلسلة نقل الإلكترون.

كيف تحسب ∆E؟ الأمر بسيط جدًا باستخدام جدول الأكسدة والاختزال - ابحث عن ملف الحالة النهائية (في V) للإلكترون (على سبيل المثال ، الماء ، من تقليل O2) وطرح الحالة الأولية (مثل الجلوكوز). باستخدام هذا المخطط ، ستكون حساباتك ∆E هي 0.82 - (- 0.43) = 1.25 فولت. لا داعي للقلق (حتى الآن) بشأن عدد الإلكترونات لأن ∆ فولت بها وحدات من ∆ وحدة طاقة / وحدة شحنة (على سبيل المثال ، جول لكل كولوم).

ما هي مجمعات ETC؟

تتكون ETCs من سلسلة (أو واحدة على الأقل) من بروتينات الأكسدة والاختزال المرتبطة بالغشاء أو (بعضها متكامل) معقدات بروتينية (معقد = أكثر من بروتين واحد مرتب في هيكل رباعي) التي تنقل الإلكترونات من مصدر مانح ، مثل NADH ، إلى متقبل نهائي للإلكترون ، مثل الأكسجين. هذا الزوج الخاص بالمانح / المتقبل النهائي هو الزوج الأساسي المستخدم في الميتوكوندريا البشرية. يتطلب كل نقل إلكترون في ETC ركيزة مخفضة كمانح للإلكترون وركيزة مؤكسدة كمستقبل للإلكترون. في معظم الحالات ، يكون متقبل الإلكترون عضوًا في مركب الإنزيم. بمجرد أن يتم تقليل المعقد ، يمكن للمجمع أن يعمل كمانح إلكترون للتفاعل التالي.

كيف تقوم معقدات ETC بنقل الإلكترونات؟

كما ذكرنا سابقًا ، يتكون ETC من سلسلة من مجمعات البروتين التي تخضع لسلسلة من تفاعلات الأكسدة والاختزال المرتبطة. هذه المجمعات هي في الواقع مجمعات إنزيم متعددة البروتينات يشار إليها باسم أوكسيدوروكتازات: تؤدي الإنزيمات كلاً من الأكسدة (للخطوة في السلسلة "أعلاه" ، بقوة) والاختزال (للمركب في السلسلة الموجودة أسفلها) أو اختزال (مرة أخرى ، على الرغم من حقيقة أن الإنزيم يؤكسد متبرعًا بالإلكترون ويمرر ذلك الإلكترون إلى متقبل الإلكترون). الاستثناء الوحيد لاتفاقية التسمية هذه هو المركب الطرفي في التنفس الهوائي الذي يستخدم الأكسجين الجزيئي كمتقبل طرفي للإلكترون. يشار إلى مجمع الإنزيم هذا باسم أوكسيديز (على الرغم من أنه يتأكسد ويقلل شيئًا ما). عادة ما يتم تنفيذ تفاعلات الأكسدة والاختزال داخل هذه المجمعات بواسطة مكون غير بروتيني يسمى أ مجموعه اطراف صناعيه. هذا صحيح بالنسبة لجميع ناقلات الإلكترون باستثناء الكينونات ، وهي فئة من الدهون التي يمكن أن تختزل أو تتأكسد بشكل مباشر بواسطة الأكسدة أو الأكسدة. في هذه الحالة ، كلا من Quinoneأحمر و Quinoneثور قابل للذوبان داخل الغشاء ويمكن أن ينتقل من معقد إلى معقد. تشارك المجموعات الاصطناعية بشكل مباشر في تفاعلات الأكسدة والاختزال التي يتم تحفيزها بواسطة الأكسدة الأنزيمية المرتبطة بها. بشكل عام ، يمكن تقسيم هذه المجموعات الاصطناعية إلى نوعين عامين: تلك التي تحمل الإلكترونات والبروتونات وتلك التي تحمل الإلكترونات فقط.

سؤال:

إذا تم تنفيذ تفاعل الأكسدة والاختزال بواسطة "مجموعة صناعية" غير بروتينية (انظر القائمة أدناه) - فلماذا تهتم بجزء البروتين من المركب؟

حاملات الإلكترون والبروتون في ETC

  • فلافوبروتينات (Fp)، تحتوي هذه البروتينات على مجموعة صناعية تسمى أ فلافين، وهو الجزء الفعلي الذي يخضع لتفاعل الأكسدة / الاختزال. FADH2 مثال على ملف Fp.
  • كينونيس، هي عائلة من الدهون مما يعني أنها قابلة للذوبان داخل الغشاء.
  • NADH و NADPH هما إلكترون (2e-) وبروتون (2 H.+) شركات النقل بالطبع. FADH2 نعلم من دورة حمض الستريك أنها مرتبطة بالفعل بإنزيم نازعة هيدروجين السكسينات.
  • السيتوكرومات هي بروتينات تحتوي على مجموعة اصطناعية من الهيم. الهيم قادر على حمل إلكترون واحد.
  • بروتينات الحديد والكبريت تحتوي على مجموعات غير هيم من الحديد والكبريت يمكنها حمل إلكترون. غالبًا ما يتم اختصار المجموعة التعويضية كـ Fe-S

التنفس الهوائي مقابل التنفس اللاهوائي

في العالم الذي نعيش فيه ، تتنفس معظم الكائنات الحية التي نراها من حولنا الهواء ، وهو ما يقرب من 20٪ أكسجين. الأكسجين لدينا متقبل الإلكترون الطرفي. نسمي هذه العملية التنفس ، وتحديداً التنفس الهوائي. نتنفس الأكسجين ، وينتشر في خلايانا وإلى الميتوكوندريا لدينا حيث يتم استخدامه كمستقبل نهائي للإلكترونات من سلاسل نقل الإلكترونات لدينا. هذا هو التنفس الهوائي: عملية استخدام الأكسجين كمتقبل طرفي للإلكترون في سلسلة نقل الإلكترون.

في حين أننا قد نستخدم الأكسجين كمستقبل نهائي للإلكترون لسلاسل الجهاز التنفسي لدينا ، فقد تطورت عملية التنفس الأكثر عمومية في الوقت الذي لم يكن فيه الأكسجين مكونًا رئيسيًا في الغلاف الجوي. التنفس أو الفسفرة التأكسدية لا يحتاج إلى أكسجين على الإطلاق ؛ إنه يتطلب ببساطة مركبًا يتمتع بإمكانية اختزال عالية ليكون بمثابة متقبل طرفي للإلكترون. يمكن للعديد من الكائنات الحية استخدام مجموعة متنوعة من المركبات بما في ذلك النترات (NO3-) ، نتريت (NO2-) ، وحتى الحديد (Fe+++) كمستقبلات إلكترونية نهائية. عندما يكون الأكسجين ليس متقبل الإلكترون الطرفي ، يشار إلى العملية باسم التنفس اللاهوائي. توفر قدرة الكائنات الحية على تغيير متقبل الإلكترون النهائي الخاص بها مرونة أيضية ويمكن أن تضمن بقاء أفضل إذا كان أي متقبل طرفي معين محدود العرض. فكر في هذا: في غياب الأكسجين نموت ؛ لكن الكائن الحي الذي يمكنه استخدام متقبل إلكتروني طرفي مختلف يمكنه البقاء على قيد الحياة.

سؤال: ما الفرق بين التنفس اللاهوائي والتخمير؟

إليكم مقطع فيديو ممتعًا يفشل فيه شاب لطيف تمامًا في فهم ماهية التنفس اللاهوائي ، ويعلمنا بدلاً من ذلك عن التخمر. احذر من الإنترنت! أود أن أقول "تحصل على ما تدفع مقابله" ولكن هذا في الواقع موقع عليك أن تدفع مقابله!

مثال عام على بسيط ، 2 معقدة ETC

يوضح الشكل أدناه سلسلة نقل إلكترون عامة تتكون من مجمعين غشائيين متكاملين ؛ مجمع أناثور والمجمع IIثور. مانح إلكترون مخفض ، معين DH (مثل NADH أو FADH2) يقلل من المركب الأولثور مما أدى إلى ظهور الشكل المؤكسد D (مثل NAD+ أو FAD). في الوقت نفسه ، يتم الآن تقليل المجموعة الاصطناعية داخل المركب I (تقبل الإلكترونات). في هذا المثال ، يكون تفاعل الأكسدة والاختزال طاردًا للطاقة ويقترن فرق الطاقة الحرة بالأنزيمات الموجودة في المركب I إلى الانتقال الداخلي للبروتون من جانب واحد من الغشاء إلى الجانب الآخر. النتيجة النهائية هي أن سطحًا واحدًا من الغشاء يصبح أكثر سالبة الشحنة ، بسبب زيادة أيونات الهيدروكسيل (OH-) والجانب الآخر مشحون بشكل إيجابي بسبب زيادة البروتونات على الجانب الآخر. مجمع أناأحمر يمكن الآن تقليل مجموعة الأطراف الاصطناعية في المركب IIأحمر بينما يتأكسد في نفس الوقت بواسطة المركب IIثور. تنتقل الإلكترونات من المركب I إلى المركب II عبر تفاعلات الأكسدة والاختزال العفوية بالديناميكا الحرارية ، وتجدد المركب Iثور والتي يمكن أن تكرر العملية السابقة. مجمع IIأحمر يقلل A ، متقبل الإلكترون الطرفي لتجديد المركب IIثور وإنشاء الشكل المصغر لمستقبل الإلكترون الطرفي. في هذه الحالة ، يمكن للمركب II أيضًا نقل البروتون أثناء العملية. إذا كان A عبارة عن أكسجين جزيئي ، فسيتم إنتاج الماء (AH). عندما يكون A هو الأكسجين ، فإن مخطط التفاعل يعتبر نموذجًا لـ ETC الهوائي. ومع ذلك ، إذا كانت A نترات ، لا3- ثم النتريت ، لا2- يتم إنتاجه (AH) وسيكون هذا مثالاً على ملف االهوائية وما إلى ذلك.

سلسلة نقل الإلكترون المعقدة العامة 2. في الشكل ، DH هو المتبرع الإلكتروني (المتبرع مخفض) و D هو المتبرع المؤكسد. A هو متقبل الإلكترون المؤكسد و AH هو المنتج النهائي ، الشكل المختزل للمقبول. عندما يتأكسد DH إلى D ، تنتقل البروتونات عبر الغشاء ، تاركة فائضًا من أيونات الهيدروكسيل (سالبة الشحنة) على جانب واحد من الغشاء والبروتونات (موجبة الشحنة) على الجانب الآخر من الغشاء. يحدث نفس التفاعل في المركب II حيث يتم تقليل متقبل الإلكترون الطرفي إلى AH.

التمرين 1

سؤال الفكر

بناءً على الشكل أعلاه وباستخدام برج إلكتروني ، ما هو الفرق في الجهد الكهربائي إذا كانت (A) DH تساوي NADH و A تساوي O2 و (ب) DH هي NADH و A هي NO3-. أي أزواج (أ أو ب) توفر أكبر قدر من الطاقة القابلة للاستخدام؟

في مثال النترات مقابل النتريت أعلاه ، كلا الشكلين المؤكسد والمختزل لهما شحنة ناقص 1. لذا ... كيف تعرف الشكل الأكثر أكسدة؟

الشكل أعلاه به مشكلة - فهو يصور إلكترونًا عائمًا داخل الغشاء. لن يحدث هذا - الغشاء ليس "سلكًا" ، إنه "عازل". يمكنك رسم نسختك المصححة.

نظرة مفصلة على التنفس الهوائي

لقد طورت الميتوكوندريا حقيقية النواة نوعًا فعالًا للغاية من الخلاصة (ETC). هناك أربعة مجمعات تتكون من بروتينات متعددة ومجموعاتها الاصطناعية. هذه المجمعات المسمى I من خلال IV الموضحة في الشكل أدناه. يشكل تجميع هذه المجمعات الأربعة ، جنبًا إلى جنب مع ناقلات الإلكترون المتنقلة المرتبطة بها ، سلسلة نقل الإلكترون. يوجد هذا النوع من سلسلة نقل الإلكترون في نسخ متعددة في غشاء الميتوكوندريا الداخلي لحقيقيات النوى.

سلسلة نقل الإلكترون عبارة عن سلسلة من ناقلات الإلكترون المدمجة في غشاء الميتوكوندريا الداخلي الذي ينقل الإلكترونات من NADH و FADH2 للأكسجين الجزيئي. في هذه العملية ، يتم ضخ البروتونات من مصفوفة الميتوكوندريا إلى الفضاء بين الغشاء ، ويتم تقليل الأكسجين لتكوين الماء.

مجمع أنا

للبدء ، يتم نقل إلكترونين إلى المجمع الأول على متن NADH. يتكون هذا المركب ، المسمى I ، من أحادي نيوكليوتيد الفلافين (FMN) وبروتين يحتوي على الحديد والكبريت (Fe-S). FMN ، المشتق من فيتامين ب2، المعروف أيضًا باسم الريبوفلافين ، هو واحد من عدة مجموعات صناعية أو عوامل مشتركة في سلسلة نقل الإلكترون. هؤلاء مجموعات الأطراف الصناعية (جزيء غير بروتيني مطلوب لنشاط البروتين) عبارة عن جزيئات عضوية أو غير عضوية غير ببتيدية مرتبطة بالبروتين ، تساهميًا أو غير تساهمي ؛ تشمل المجموعات الاصطناعية الإنزيمات المساعدة ، وهي مجموعات الإنزيمات الاصطناعية. الإنزيم في المركب I هو NADH dehydrogenase (المعروف أيضًا باسم NADH Q reductase) وهو بروتين كبير جدًا يحتوي على 45 سلسلة من الأحماض الأمينية. يمكن للمركب أن يضخ أربعة أيونات هيدروجين عبر الغشاء من المصفوفة إلى الفضاء بين الغشاء ، وبهذه الطريقة يتم إنشاء تدرج أيون الهيدروجين والحفاظ عليه بين جزأين مائيين يفصل بينهما غشاء الميتوكوندريا الداخلي.

س والمجمع الثاني

يستقبل المركب II مباشرة FADH2, FADH2إلكترونات لا تمر عبر المركب I. المركب الذي يربط بين المركب الأول والثاني بالثالث هو ubiquinone (Q). جزيء Q قابل للذوبان في الدهون ويتحرك بحرية عبر لب الغشاء الكارهة للماء. بمجرد أن يتم تقليله ، (QH2) ، يوبيكوينون يسلم إلكتروناته إلى المركب التالي في سلسلة نقل الإلكترون. تستقبل Q الإلكترونات المشتقة من NADH من المركب I والإلكترونات المشتقة من FADH2 من المركب II ، بما في ذلك نازعة هيدروجين السكسينات. هذا الانزيم و FADH2 تشكل معقدًا صغيرًا يسلم الإلكترونات مباشرة إلى سلسلة نقل الإلكترون ، متجاوزًا المجمع الأول. نظرًا لأن هذه الإلكترونات تتجاوز وبالتالي لا تنشط مضخة البروتون في المجمع الأول ، يتم تصنيع عدد أقل من جزيئات ATP من FADH2 الإلكترونات. كما سنرى في القسم التالي ، يتناسب عدد جزيئات ATP التي تم الحصول عليها في النهاية مع عدد البروتونات التي يتم ضخها عبر غشاء الميتوكوندريا الداخلي.

المجمع الثالث

هناك الكثير من الأكسدة والاختزال تحدث في هذه الصورة. من هو المتبرع المنبع للإلكترونات القادمة إلى المجمع الثالث؟ ما هو المركب / الجزيء الذي يقلل المركب 3؟

يتكون المركب الثالث من بروتينات تحمل عددًا من المجموعات الاصطناعية: السيتوكروم من النوع ب ، السيتوكروم من النوع ج ، والكتلة الحديدية الكبريتية ؛ هذا المركب يسمى السيتوكروم قبل الميلاد1 مركب. تحتوي بروتينات السيتوكروم (= "الصبغة الخلوية") على مجموعة اصطناعية تتضمن معدنًا مرتبطًا بالهيم. يشبه جزيء الهيم الهيم الموجود في الهيموجلوبين ، لكنه يحمل الإلكترونات وليس الأكسجين. نتيجة لذلك ، يتم تقليل وتأكسد أيون الحديد في قلبه أثناء مروره بالإلكترونات ، ويتأرجح بين حالات الأكسدة المختلفة:++ (مخفض) والحديد+++ (مؤكسد). تتميز جزيئات الهيم في السيتوكرومات بخصائص مختلفة قليلاً بسبب تأثيرات البروتينات المختلفة التي تربطها ، مما يعطي خصائص مختلفة قليلاً لكل مركب. يضخ المركب III البروتونات عبر الغشاء ويمرر إلكتروناته إلى السيتوكروم ج للانتقال إلى المجمع الرابع من البروتينات والإنزيمات (السيتوكروم ج هو متقبل الإلكترونات من Q ؛ ومع ذلك ، بينما يحمل Q أزواجًا من الإلكترونات ، يمكن للسيتوكروم ج أن يقبل واحدًا فقط في الوقت).

السيتوكروم ج

ال مجمع السيتوكروم، أو CYT ج هو بروتين هيمبروتين صغير وجد مرتبطًا بشكل غير وثيق بالغشاء الداخلي للميتوكوندريا. إنه ينتمي إلى عائلة بروتينات السيتوكروم ج. السيتوكروم ج مكون أساسي في سلسلة نقل الإلكترون ، حيث يحمل إلكترونًا واحدًا. إنه قادر على الخضوع للأكسدة والاختزال حيث تتحول ذرة الحديد بين الأشكال الحديدية والحديدية ، ولكنها لا تربط الأكسجين. ينقل الإلكترونات بين المجمعات III (Coenzyme Q - Cyt C reductase) و IV (Cyt C oxidase).

المركب الرابع ، أوكسيديز السيتوكروم سي

يحتوي هذا المجمع على مجموعتين من الهيم (واحدة في كل من السيتوكروميين ، a ، و a3) وثلاثة أيونات نحاسية (زوج من CuA وواحد CuB في السيتوكروم a3). تحتفظ السيتوكرومات بجزيء الأكسجين بإحكام شديد بين أيونات الحديد والنحاس حتى يتم تقليل الأكسجين تمامًا (يمكن للمتبرع ، السيتوكروم C ، توصيل إلكترون واحد فقط في كل مرة). ثم يلتقط الأكسجين المختزل اثنين من أيونات الهيدروجين من الوسط المحيط لتكوين الماء (H2س). تساهم إزالة أيونات الهيدروجين من النظام في التدرج الأيوني المستخدم في عملية الفسفرة المؤكسدة (بالإضافة إلى توفير -G المطلوب لدفع عمليات اندرجونيك الأخرى).

إليك مقطع فيديو رائع يتضمن سلسلة نقل الإلكترون - أعتقد أنه مفيد جدًا ، تحقق من ذلك! يبدأ الأمر مع سينسيز ATP ، والذي لم نناقشه بعد ، لكن هذا جيد ، سيشرح سبب بناء الخلية لهذا التدرج البروتوني!

لدي مشكلة واحدة مع هذه الرسوم المتحركة: لا يوجد نقاش حقيقي حول كيفية عمل ضخ البروتون - المناقشة غامضة للغاية - قد يتخلص المرء من فكرة أن غازًا يتشكل داخل مجال مصفوفة NADH dehydrogenase (المركب I). في الواقع ، مضخة البروتون للمركب I مضمنة بالكامل داخل الغشاء ولا يتم توضيحها هنا على الإطلاق. يفترض أن هذا بسبب آلية الضخ موضوع نقاش. لأغراض هذه الفئة ، تحتاج ببساطة إلى معرفة - كما هو مذكور في الفيديو - أن التكوين endergonic لتدرج البروتون يتم تشغيله بواسطة تفاعلات الأكسدة والاختزال المفرطة. في NADH dehyrogenase ، يتضمن ذلك أكسدة NADH بواسطة فلافين داخل الإنزيم ، وبعض عمليات النقل الداخلية للإلكترونات داخل الإنزيم ، ثم نقل الإلكترون إلى كينون قابل للذوبان في الغشاء (الإنزيم المساعد Q) ، لتكوين كينول. يتم توضيح كل من عمليات النقل المكونة من إلكترونين أدناه ، مع عرض الجزيئات المؤكسدة أولاً.

سؤال:

هل يمكن أن يقلل NADH dehyrodrogenase من NAD+ وكذلك أكسدة NADH؟ تحت أي ظروف قد يحدث هذا؟

كيميائي

تُستخدم الطاقة الحرة من سلسلة تفاعلات الأكسدة والاختزال التي تم وصفها للتو لضخ أيونات الهيدروجين (البروتونات) عبر الغشاء ، مما يؤدي إلى تركيز البروتونات على جانب واحد من الغشاء. التوزيع غير المتكافئ لـ H.+ تحدد الأيونات عبر الغشاء كلاً من التركيز والتدرجات الكهربائية (وبالتالي ، التدرج "الكهروكيميائي") ، بسبب الشحنة الموجبة لأيونات الهيدروجين وتجميعها على جانب واحد من الغشاء.

إذا كان الغشاء مفتوحًا للانتشار بواسطة أيونات الهيدروجين ، فإن الأيونات تميل إلى الانتشار مرة أخرى عبر المصفوفة ، مدفوعة بالتدرج الكهروكيميائي. لا يمكن للعديد من الأيونات أن تنتشر عبر المناطق غير القطبية لأغشية الفسفوليبيد دون مساعدة القنوات الأيونية. وبالمثل ، لا يمكن لأيونات الهيدروجين في فضاء المصفوفة أن تمر إلا عبر غشاء الميتوكوندريا الداخلي عبر بروتين غشائي متكامل يسمى سينسيز ATP (كما هو موضح أدناه ، وموضح في الفيديو الموصى به أعلاه). يعمل هذا المركب كمولد صغير ، يتم تشغيله بواسطة البروتونات التي تتحرك أسفل تدرجها الكهروكيميائي. تعمل حركة هذه الآلة الجزيئية على خفض طاقة التنشيط لـ ADP + Pi -> تفاعل ATP وربط النقل المطرد للطاقة المرتبط بحركة البروتونات أسفل تدرجها الكهروكيميائي إلى إضافة فوسفات إلى ADP ، مما يؤدي إلى تشكيل ATP.

سينسيز ATP عبارة عن آلة جزيئية معقدة تستخدم البروتون (H+) متدرج لتشكيل ATP من ADP والفوسفات غير العضوي (Pi). (الائتمان: تعديل العمل لكلاوس هوفمير). إذا كان لديك بعض O-chem وترغب في التعمق أكثر في الآلية التي من خلالها يعزز الثني الميكانيكي لهذا المركب تكوين ATP ، تحقق من هذا الفيديو.

مناقشة مقترحة

Dinitrophenol (DNP) هو مادة كيميائية صغيرة تجعل الغشاء يتسرب إلى البروتونات. يتم استخدامه أحيانًا كعقار لإنقاص الوزن ، ويمكن أن يكون له عواقب مميتة. ما هو التأثير الذي تتوقعه لـ DNP على الفرق في الأس الهيدروجيني عبر جانبي غشاء الميتوكوندريا الداخلي؟ لماذا تعتقد أن هذا قد يكون دواءً فعالاً لإنقاص الوزن؟ لماذا قد يكون خطيرا؟

في خلايانا ، يتم استخدام التناضح الكيميائي لتوليد 90 في المائة من ATP المصنوع أثناء هدم الجلوكوز الهوائي. إنها أيضًا الطريقة المستخدمة في تفاعلات الضوء لعملية التمثيل الضوئي لتسخير طاقة ضوء الشمس في عملية الفسفرة الضوئية (مقابل الفسفرة المؤكسدة عبر ATPase في الميتوكوندريا). النتيجة الإجمالية لهذه التفاعلات هي إنتاج ATP من طاقة الإلكترونات المزالة من ذرات الهيدروجين. كانت هذه الذرات في الأصل جزءًا من جزيء الجلوكوز. في نهاية المسار ، تُستخدم الإلكترونات لتقليل جزيء الأكسجين إلى ماء.

فيديو مفيد للغاية:

في الفسفرة المؤكسدة ، يتم استخدام تدرج الأس الهيدروجيني الذي تشكله سلسلة نقل الإلكترون بواسطة سينسيز ATP لتكوين ATP في بكتيريا جرام.

مناقشة مقترحة

يثبط السيانيد أوكسيديز السيتوكروم سي ، وهو أحد مكونات سلسلة نقل الإلكترون. في حالة حدوث تسمم بالسيانيد ، هل تتوقع زيادة أو انخفاض تركيز البروتونات في الحيز بين الغشاء؟ ما هو تأثير السيانيد على تخليق ATP؟


نموذج AP 6 مختبر 5 & # 8211 التنفس الخلوي

التنفس الخلوي هو إطلاق الطاقة من المركبات العضوية عن طريق الأكسدة الكيميائية الأيضية في الميتوكوندريا داخل كل خلية. مطلوب تفاعلات بوساطة الإنزيم. معادلة التنفس الخلوي هي:

C6H12O6 + 6 O2 à 6 CO2 + 6 H2O + 686 سعر حراري من الطاقة / مول من الجلوكوز المؤكسد

يمكن اتخاذ عدة تدابير مختلفة من هذه المعادلة. استهلاك الأكسجين ، والذي سيخبرك بعدد مولات الأكسجين التي يتم استهلاكها أثناء التنفس الخلوي. هذا ما تم قياسه في هذا المختبر. يمكن أيضًا قياس إنتاج ثاني أكسيد الكربون. وبالطبع يمكن قياس إطلاق الطاقة. التنفس الخلوي هو مسار تقويضي وتضم الميتوكوندريا معظم معدات التمثيل الغذائي للتنفس الخلوي. سوف يكسر الجلوكوز في ما نسميه رد فعل الطاقة. كما ذكرنا سابقًا ، سيتم قياس استهلاك جزيئات الأكسجين في شكل غاز. يجب على المرء أن يعرف القوانين الفيزيائية للغازات عند التعامل معها. يتم تلخيص القوانين بالمعادلة التالية.

P تعني ضغط الغاز

V هو حجم الغاز

ن هو عدد جزيئات الغاز

R هو ثابت الغاز (قيمة ثابتة)

T هي درجة حرارة الغاز (في K °)

تتم إزالة ثاني أكسيد الكربون الناتج أثناء التنفس الخلوي بواسطة هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) وسيشكل كربونات بوتاسيوم صلبة (K2CO3) عندما يحدث التفاعل التالي: CO2 + 2 KOH à K2CO3 + H2O

نظرًا لإزالة ثاني أكسيد الكربون ، فإن التغيير في حجم الغاز في مقياس التنفس سيكون مرتبطًا بشكل مباشر بكمية الأكسجين المستهلكة. إذا ظلت درجة حرارة الماء وحجمه ثابتًا ، فسوف يتحرك الماء نحو منطقة الضغط المنخفض. أثناء التنفس ، سيتم استهلاك الأكسجين وسيتم تقليل حجمه لأن ثاني أكسيد الكربون يتم تحويله إلى مادة صلبة. والنتيجة الصافية هي انخفاض حجم الغاز في الأنبوب وانخفاض ضغط الأنبوب. ستكتشف القارورة التي تحتوي على خرزات أي تغيرات في الغلاف الجوي.

ستؤثر عدة أشياء مختلفة على معدل استهلاك O2. سيكون للبازلاء غير النابتة معدل أقل من البازلاء النابتة وسيؤدي برودة الماء إلى إبطاء المعدلات.

المواد المستخدمة في هذا المعمل هي: أسطوانة مدرجة سعة 100 مل ، 6 قوارير ، بازلاء نبتة ، بازلاء جافة ، خرز زجاجي ، 2 حمام مائي ، قطن ماص وقطن غير ماص ، أوزان ، KOH ، ماء ، سدادات ، ماصات ، أربطة مطاطية ، شريط لاصق وغراء ومقياس حرارة وثلج وقلم رصاص وورقة.

قم بإعداد حمام مائي 25 درجة مئوية و 10 درجة مئوية. يمكن استخدام الثلج للحصول على 10 درجة مئوية.

مقياس التنفس 1: احصل على أسطوانة مدرجة 100 مل واملأها بـ 50 مل من H2O.

ضع 25 حبة من البازلاء النابتة. حدد كمية الماء المزاح. حجم البازلاء = 11 مل. أخرجي البازلاء وضعها على منشفة ورقية.

مقياس التنفس 2: قم بإعادة تعبئة الأسطوانة بـ 50 مل من H2O. ضع 25 بازلاء جافة في الأسطوانة. أضف خرزات زجاجية للحصول على نفس الحجم الذي حصلت عليه في مقياس التنفس 1. أزل البازلاء والخرز إلى منشفة ورقية.

مقياس التنفس 3: أضف 50 مل من الماء إلى الأسطوانة. ضع الخرز فقط للحصول على حجم مكافئ لأول مقياسين للتنفس. ضع منشفة ورقية عند الانتهاء. كرر خطوات مقياس التنفس 1 لمقياس التنفس 4. و 2 لـ 5. و 3 لـ 6. استمع إلى معلمك حول كيفية ومكان إعداد أجهزة قياس التنفس. الآن املأ قواريرك بالعناصر المطلوبة الموضحة في الجدول والشكل 5.1. أغلق القوارير بعد وضع أغراضك فيها لمنع تسرب الغاز أو الماء. ضع طوقًا ثقيلًا على قاع قواريرك حتى تظل مغمورة في الحمامات المائية. أثناء الموازنة ، استخدم شريطًا لاصقًا مثبتًا على كل جانب من الحمامات المائية لإبعاد أجهزة التنفس عن الماء لمدة 7 دقائق. يجب أن تكون القوارير 1-3 في حمام مائي 25 درجة مئوية ويجب أن تكون القوارير 4-6 في حمام مائي 10 درجة مئوية. أخيرًا ، اغمر مقاييس التنفس تمامًا واتركها تتوازن لمدة 3 دقائق أخرى. اقرأ خط الماء حيث يوجد الأكسجين وسجل على فترات من 5 دقائق حتى 25 دقيقة. سجل في الجدول 5.1.

الجدول 5.1: قياس استهلاك O2 بواسطة بذور البازلاء الجافة والجافة عند درجة حرارة الغرفة و 10 درجات مئوية باستخدام الطرق الحجمية

في هذا النشاط ، تقوم بالتحقيق في تأثيرات الإنبات مقابل عدم الإنبات ودرجة الحرارة الدافئة مقابل درجة الحرارة الباردة على معدل التنفس. حدد الفرضية التي يتم اختبارها في هذا النشاط.
سيكون معدل تنفس البازلاء غير الناضجة أبطأ من البازلاء النابتة وسيؤدي برودة الماء إلى إبطاء المعدل حيث يصبح أكثر برودة.

يستخدم هذا النشاط عددًا من عناصر التحكم. حدد ثلاثة من عناصر التحكم على الأقل ، ووصف الغرض من كل منها.
الضوابط الثلاثة هي حبات في قارورة واحدة تتحكم في الضغط الجوي ، ويحافظ KOH على المساواة في استهلاك ثاني أكسيد الكربون ، وتعطي الفواصل الزمنية لكل قارورة نفس المقدار من الوقت حتى لا تتأثر النتائج.

وصف وشرح العلاقة بين كمية الأكسجين المستهلكة والوقت.
كانت العلاقة ثابتة إلى حد ما ، فقد يكون هناك ارتفاع تدريجي في استهلاك O2.

لماذا من الضروري تصحيح قراءات البازلاء بقراءات الخرز؟
كانت الخرزات مجرد عنصر تحكم ، ولم تشهد أي تغيير في الغاز.

اشرح آثار الإنبات (مقابل عدم الإنبات) على تنفس بذور البازلاء.
كان للبذور النابتة معدل أيض أعلى وبالتالي استهلكت أكسجين أكثر من غير الناضجة.

أعلاه هو رسم بياني عينة للبيانات المحتملة التي تم الحصول عليها لاستهلاك الأكسجين عن طريق إنبات البازلاء حتى حوالي 8 اج- ارسم النتائج المتوقعة حتى 45 اج. اشرح تنبؤاتك.
بمجرد أن تزيد درجة الحرارة عن 30 درجة مئوية ، ستتغير طبيعة الإنزيمات وستكون هذه نهاية التنفس.

ما هو الغرض من KOH في هذه التجربة؟
سيأخذ KOH ثاني أكسيد الكربون ويحوله إلى مادة ترسب في أسفل القارورة ولن يكون له أي تأثير على قراءات O2.

لماذا يجب أن تكون القارورة مغلقة بالكامل تحت السدادة؟
يجب أن تكون القارورة محكمة الغلق وإلا سيتسرب الغاز ويمكن أن يتسرب الماء ويؤثر على النتائج.

إذا استخدمت نفس التصميم التجريبي لمقارنة معدلات تنفس 35 جرامًا من الثدييات عند 10 درجات مئوية ، فما النتائج التي تتوقعها؟ اشرح أسبابك.
سيكون التنفس أعلى في الثدييات لأنها ذوات الدم الحار.

إذا تمت دراسة التنفس في حيوان ثديي صغير في درجة حرارة الغرفة (21 درجة مئوية) و 10 درجة مئوية ، فما النتائج التي تتوقعها؟ اشرح أسبابك.
سيكون معدل التنفس أعلى في الحمام بدرجة 21 لأن أداء الثدييات سيكون أفضل عندما يكون جسمها أكثر راحة.

اشرح سبب انتقال الماء إلى ماصات مقياس التنفس.
تحرك الماء في القارورة لأنه كان مغمورًا بالكامل في الماء لكنه توقف عندما قابل الأكسجين الخارج من القارورة.

14. صمم تجربة لفحص معدلات التنفس الخلوي في البازلاء التي تنبت لمدة 0 و 24 و 48 و 72 ساعة. ما هي النتائج التي تتوقعها؟ لماذا ا؟
يمكنك وضع البازلاء في قوارير كل من فترة زمنية أعلاه. سيكون لديك قنينة بها بازلاء بدأت للتو في الإنبات ، واحدة تحتوي على بازلاء منبتة لمدة 24 ساعة ، وأخرى تحتوي على 48 ساعة من البازلاء ، والأخيرة تحتوي على 72 ساعة من البازلاء. ضعهم في حمام مائي درجة حرارة الغرفة. خذ قراءات على فترات من 5 دقائق إلى 20 دقيقة. يجب أن تستهلك البازلاء التي تبلغ مدتها 72 ساعة المزيد من استهلاك O2 لأنها ستستخدم المزيد من الأكسجين لأنها كانت تنبت لفترة أطول. The just started germinating peas would use the least O2 because they haven’t been germinating vary long. The other two will be in the middle of the “just started peas” and the 󈬸 hour peas”.

Many errors could have been made in this lab. There could have been miscalculations when trying to equal the pea volumes. The stoppers might not have been sealed and gas could have been lost from the vials affecting the results with vengeance. The water temperatures had to be maintained precisely or the results would not be what they should be. There was also a lot of math in this lab when figuring results and many numbers could have been affected by this poor math.

This lab showed many things about thew rates of cellular respiration. This lab showed that germinating peas consume more O2 than nongerminating peas. The colder temperature also slowed the rate of oxygen consumption. The oxygen could be clearly seen because of the following reaction

This reaction gets rid of the CO2 so that it would not affect the readings of oxygen. It is absorbed by KOH to give you a precipitant K2CO3 + H2O. I conclude that the rate of O2 consumption is directly proportional to the respiration rate in that when the rate increases the gas consumption increases. When the gas consumption is low then the rate is low. Organisms go through cellular respiration more proficiently when the body of the organism is comfortable with its outside temp and environment. This lab showed many things affecting the rate of cellular respiration.


Investigation – Cellular Respiration Virtual Lab

Students in AP Biology investigate cellular respiration by placing peas or other living organisms in respirometers. After submerging the devices, students then measure the rate or respiration by collecting data on water movement in the pipets.

I have set this lab up for many years, and it can be expensive and time consuming. My class periods are only 50 minutes, so I would go over the AP Biology Respiration Lab and set it up the first day, then collect data on the second day. This is actually not ideal because changes can occur in the respirometer overnight.

This virtual version takes less time and money. Students can change variables in the simulator, like the number of seeds and the temperature of the chamber. They read the respirometer after two minutes and record how much the water in the tube has increased. The faster the rate of respiration, the more displacement of the water in the tube. This occurs due to the oxygen being consumed during the process.

The worksheet is set up as a CER (claim, evidence, reasoning) and provides minimal instructions on how to solve the experimental questions. I wouldn’t technically call it an “inquiry lab,” but it does give students the opportunity to explore variables.

Students can complete the worksheet either as a handout or online. You can even have students use Google sheets to graph the data, though it’s not necessary. They can fairly easily note trends in data without a graph. I usually place respiration directly after the unit on cells where students learn about organelles and their jobs. You could also pair this activity with a unit on photosynthesis because they are examining how seeds use oxygen.


شاهد الفيديو: الجهاز التنفسي (كانون الثاني 2022).