معلومة

9.3: التنفس - علم الأحياء


القيام بالذبابة

السباح في هذه الصورة يقوم بضربة الفراشة. التنفس هو عملية نقل الهواء من وإلى الرئتين ، وهي الأعضاء التي يحدث فيها تبادل الغازات بين الغلاف الجوي والجسم. التنفس يسمى أيضا تنفس، وهو جزء من جزأين من عملية التنفس التي تحافظ على الحياة ، والجزء الآخر هو تبادل الغازات. قبل أن تفهم كيف يتم التحكم في التنفس ، عليك أن تعرف كيف يحدث التنفس.

كيف يحدث التنفس

التنفس هو عملية من خطوتين تتضمن سحب الهواء إلى الرئتين ، أو الاستنشاق ، وإخراج الهواء من الرئتين ، أو الزفير. كلتا العمليتين موضحتين في الشكل ( PageIndex {2} ).

استنشاق

الاستنشاق عملية نشطة تنتج أساسًا عن تقلص عضلة تسمى الحجاب الحاجز ، كما هو موضح في الشكل ( PageIndex {2} ). ال الحجاب الحاجز هي عضلة كبيرة على شكل قبة أسفل الرئتين تفصل بين التجويف الصدري (الصدر) والبطن. عندما ينقبض الحجاب الحاجز ، يتمدد التجويف الصدري وتندفع محتويات البطن إلى أسفل. عضلات أخرى ، مثل العضلات الوربية الخارجية بين الضلوع ، تساهم أيضًا في عملية الاستنشاق ، خاصة عند الاستنشاق القسري ، كما هو الحال عند التنفس بعمق. تساعد هذه العضلات على زيادة حجم الصدر عن طريق توسيع الضلوع إلى الخارج. مع تمدد الصدر ، يكون ضغط الهواء داخل الرئتين أقل منه خارج الجسم ، لذلك يتدفق الهواء الخارجي إلى الرئتين عبر الجهاز التنفسي.

الزفير

يتضمن الزفير سلسلة معاكسة من الأحداث. يرتاح الحجاب الحاجز ، فيتحرك لأعلى ويقلل حجم الصدر (الشكل ( فهرس الصفحة {2} ). يزداد ضغط الهواء داخل الرئتين بحيث يكون أعلى من ضغط الهواء خارج الرئتين. الزفير ، على عكس الشهيق ، عادة ما تكون عملية سلبية تحدث بشكل أساسي بسبب مرونة الرئتين. ومع التغير في ضغط الهواء ، تنقبض الرئتان إلى حجمهما المنتفخ مسبقًا ، مما يؤدي إلى خروج الهواء الذي تحتويه في هذه العملية. ويتدفق الهواء من الرئتين ، على غرار الطريقة التي يندفع بها الهواء خارج البالون عند إطلاقه. إذا تم الزفير قسريًا ، فقد تساعد عضلات البطن والعضلات الوربية الداخلية في إخراج الهواء من الرئتين.

السيطرة على التنفس

التنفس هو أحد وظائف الجسم الحيوية القليلة التي يمكن التحكم فيها بوعي وكذلك بغير وعي. فكر في استخدام أنفاسك لتفجير بالون. تأخذ نفسًا طويلًا وعميقًا ، ثم تزفر الهواء بقوة قدر الإمكان في البالون. يتم التحكم بوعي في كل من الشهيق والزفير.

السيطرة الواعية على التنفس

يمكنك التحكم في تنفسك عن طريق حبس أنفاسك أو إبطاء تنفسك أو فرط التنفس ، الذي يتنفس بسرعة أكبر وبشكل سطحي من اللازم. يمكنك أيضًا الزفير أو الشهيق بقوة أو بعمق أكثر من المعتاد. يعد التحكم الواعي في التنفس أمرًا شائعًا في العديد من الأنشطة إلى جانب نفخ البالونات ، بما في ذلك السباحة والتدريب على الكلام والغناء ولعب العديد من الآلات الموسيقية المختلفة (الشكل ( PageIndex {3} )) وممارسة اليوغا ، على سبيل المثال لا الحصر.

هناك حدود للتحكم الواعي في التنفس. على سبيل المثال ، ليس من الممكن أن يتوقف الشخص السليم عن التنفس طواعية إلى أجل غير مسمى. قبل مضي وقت طويل ، هناك رغبة ملحة في التنفس. إذا كنت قادرًا على التوقف عن التنفس لفترة طويلة بما يكفي ، فستفقد وعيك. سيحدث نفس الشيء إذا كنت تريد التنفس لفترة طويلة. بمجرد أن تفقد وعيك حتى لا تتمكن من ممارسة السيطرة الواعية على تنفسك ، يتولى التحكم اللاإرادي في التنفس.

السيطرة اللاواعية على التنفس

يتم التحكم في التنفس اللاواعي من خلال مراكز الجهاز التنفسي في اللب وأجزاء جذع الدماغ (الشكل ( فهرس الصفحة {4} )). تنظم مراكز التنفس بشكل آلي ومستمر معدل التنفس حسب احتياجات الجسم. يتم تحديدها بشكل أساسي عن طريق حموضة الدم أو درجة الحموضة. عند ممارسة الرياضة ، على سبيل المثال ، تزداد مستويات ثاني أكسيد الكربون في الدم بسبب زيادة التنفس الخلوي بواسطة خلايا العضلات. يتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع الماء في الدم لإنتاج حمض الكربونيك ، مما يجعل الدم أكثر حمضية ، وبالتالي ينخفض ​​الرقم الهيدروجيني. يتم الكشف عن الانخفاض في درجة الحموضة بواسطة المستقبلات الكيميائية في النخاع. كما يتم الكشف عن مستويات الأكسجين وثاني أكسيد الكربون في الدم ، بالإضافة إلى الرقم الهيدروجيني ، بواسطة المستقبلات الكيميائية في الشرايين الرئيسية ، والتي ترسل "البيانات" إلى مراكز الجهاز التنفسي. يستجيب مركز الجهاز التنفسي عن طريق إرسال نبضات عصبية إلى الحجاب الحاجز ، "لإخباره بالانقباض بسرعة أكبر حتى يتسارع معدل التنفس. مع التنفس الأسرع ، يتم إطلاق المزيد من ثاني أكسيد الكربون في الهواء من الدم ، ويعود الرقم الهيدروجيني للدم إلى المعدل الطبيعي.

تحدث الأحداث المعاكسة عندما يصبح مستوى ثاني أكسيد الكربون في الدم منخفضًا جدًا وترتفع درجة حموضة الدم. قد يحدث هذا مع فرط التنفس اللاإرادي ، والذي يمكن أن يحدث في نوبات الهلع ، ونوبات الألم الشديد ، ونوبات الربو ، والعديد من المواقف الأخرى. عندما تفرط في التنفس ، فإنك تنفخ الكثير من ثاني أكسيد الكربون ، مما يؤدي إلى انخفاض مستويات ثاني أكسيد الكربون في الدم. يصبح الدم أكثر قلوية ، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحموضة.

الأنف مقابل التنفس الفموي

التنفس الأنفي هو التنفس عن طريق الأنف بدلاً من الفم ، ويُعتبر عمومًا أفضل من التنفس الفموي. تقوم الممرات الأنفية المبطنة بالشعر بعمل أفضل في تصفية الجزيئات من الهواء قبل أن تتحرك بشكل أعمق في الجهاز التنفسي. تعتبر الممرات الأنفية أيضًا أفضل في تحذير الهواء وترطيبه ، لذلك يكون التنفس الأنفي مفيدًا بشكل خاص في فصل الشتاء عندما يكون الهواء باردًا وجافًا. بالإضافة إلى ذلك ، فإن القطر الأصغر للممرات الأنفية يخلق ضغطًا أكبر في الرئتين أثناء الزفير. يؤدي ذلك إلى إبطاء إفراغ الرئتين ، مما يمنحها مزيدًا من الوقت لاستخراج الأكسجين من الهواء.

ميزة: أسطورة مقابل حقيقة

الغرق يُعرَّف بأنه ضعف في الجهاز التنفسي بسبب وجود سائل أو تحت سائل. يتم تصنيفها أيضًا وفقًا لنتائجها إلى حالة وفاة أو مشاكل صحية مستمرة أو عدم وجود مشاكل صحية مستمرة (الشفاء التام). في الولايات المتحدة ، يعتبر الغرق العرضي السبب الرئيسي الثاني للوفاة (بعد حوادث السيارات) لدى الأطفال الذين تبلغ أعمارهم 12 عامًا أو أقل. هناك بعض الخرافات التي يحتمل أن تكون خطرة حول الغرق. إن معرفة ما هي عليه قد ينقذ حياتك أو حياة أحد أفراد أسرتك ، وخاصة الطفل.

خرافة: يغرق الناس عندما ينفثون الماء في رئتيهم.

الواقع: بشكل عام ، في المراحل الأولى من الغرق ، يدخل القليل جدًا من الماء إلى الرئتين. كمية صغيرة من الماء تدخل القصبة الهوائية تسبب تشنج عضلي في الحنجرة الذي يغلق مجرى الهواء ويمنع مرور الماء إلى الرئتين. من المحتمل أن يستمر هذا التشنج حتى يحدث فقدان الوعي.

خرافة: يمكنك معرفة متى يغرق شخص ما لأنه سيصيح طالبًا المساعدة ويلوح بذراعيه لجذب الانتباه.

الواقع: التشنج العضلي الذي يسد مجرى الهواء يمنع مرور الهواء والماء ، لذلك لا يستطيع الغرق أن يصرخ أو يطلب المساعدة. بالإضافة إلى ذلك ، قد تبدو ردود الفعل الغريزية التي تحدث في الدقيقة الأخيرة أو نحو ذلك قبل غرق شخص يغرق تحت الماء مشابهة للسلوك الهادئ والآمن. من المحتمل أن يكون الرأس منخفضًا في الماء ، ويميل للخلف والفم مفتوحًا. قد يكون لدى الشخص حركات غير منضبطة في الذراعين والساقين ، ولكن من غير المحتمل أن تكون مرئية فوق الماء.

خرافة: لقد فات الأوان لإنقاذ شخص فاقد للوعي في الماء.

الواقع: الشخص الفاقد للوعي الذي تم إنقاذه مع وجود مجرى هوائي لا يزال مغلقًا من التشنج العضلي في الحنجرة لديه فرصة جيدة للشفاء التام إذا بدأ في تلقي الإنعاش القلبي الرئوي في غضون دقائق. بدون ماء في الرئتين ، يكون الإنعاش القلبي الرئوي أكثر فعالية. حتى لو حدثت السكتة القلبية ولم يعد القلب ينبض ، فلا تزال هناك فرصة للشفاء. ومع ذلك ، فكلما طالت مدة بقاء الدماغ بدون أكسجين ، زادت احتمالية موت خلايا الدماغ. من المحتمل أن يموت الدماغ بعد حوالي ست دقائق بدون أكسجين ، إلا في ظروف استثنائية ، مثل غرق الشباب في ماء شديد البرودة. هناك أمثلة لأطفال بقوا على قيد الحياة ، على ما يبدو دون آثار سيئة دائمة ، لمدة تصل إلى ساعة في الماء البارد (انظر استكشاف المزيد أدناه للحصول على مثال). لذلك ، يجب على رجال الإنقاذ الذين يستخرجون الطفل من الماء البارد محاولة الإنعاش حتى بعد فترة طويلة من الغمر.

خرافة: إذا كان شخص ما يغرق ، يجب أن تبدأ في إجراء الإنعاش القلبي الرئوي على الفور ، حتى قبل أن تحاول إخراج الشخص من الماء.

الواقع: إن إخراج شخص يغرق من الماء هو الأولوية الأولى لأن الإنعاش القلبي الرئوي غير فعال في الماء. يجب أن يكون الهدف هو إحضار الشخص إلى أرض مستقرة في أسرع وقت ممكن ثم بدء الإنعاش القلبي الرئوي.

خرافة: من غير المحتمل أن تغرق إلا إذا كنت في الماء فوق رأسك.

الواقع: اعتمادًا على الظروف ، غرق الناس في أقل من 30 مم (حوالي 1 بوصة) من الماء. على سبيل المثال ، من المعروف أن الأشخاص المخمورين أو الذين تحت تأثير المخدرات قد غرقوا في البرك. لقد غرق مئات الأطفال في المياه في المراحيض ، وأحواض الاستحمام ، والأحواض ، والدش ، والدلاء ، والدلاء (انظر الشكل أدناه).

إعادة النظر

  1. حدد التنفس.
  2. ما هو الفرق الرئيسي بين عمليتي الشهيق والزفير؟
  3. أعط أمثلة على الأنشطة التي يتم فيها التحكم في التنفس بوعي.
  4. يهدد الأطفال الصغار أحيانًا بحبس أنفاسهم حتى يحصلوا على شيء يريدونه. لماذا هذا تهديد خامل؟
  5. اشرح كيف يتم التحكم في التنفس اللاواعي.
  6. لماذا يعتبر التنفس الأنفي بشكل عام أفضل من التنفس الفموي؟
  7. لكل مما يلي ، وضح ما إذا كان يحدث أثناء عملية الاستنشاق (I) أو الزفير (E).

    أ. يتحرك الحجاب الحاجز للأسفل.

    ب. يرتاح الحجاب الحاجز.

    ج. يصبح التجويف الصدري أصغر.

    د. ضغط الهواء في الرئتين أقل من ضغط الهواء خارج الجسم.

  8. أعط مثالاً واحدًا لموقف من شأنه أن يتسبب في ارتفاع درجة حموضة الدم بشكل مفرط واشرح سبب حدوث ذلك.

  9. يتم الكشف عن مستويات الدم من الأكسجين وثاني أكسيد الكربون ودرجة الحموضة عن طريق:

    أ. مستقبلات آلية

    مستقبلات كيميائية

    مستقبلات الرئة

    D. مستقبلات الكربون

  10. صحيحة أو خاطئة. يمكن أن ينقبض الحجاب الحاجز بسبب التحكم الواعي.

  11. صحيحة أو خاطئة. فرط التنفس هو التنفس السريع والسطحي.

  12. تسمى عملية التنفس أيضًا ____________.

استكشاف المزيد

ربما سمعت عن "المعجزات" التي نجا فيها الشباب لفترات طويلة من الزمن دون أن يتنفسوا تحت الماء وتعافوا تمامًا. كيف يحدث هذا؟ اقرأ القصة المذهلة لصبي إيطالي نجا لمدة 42 دقيقة تحت الماء. تشرح المقالة علم وظائف الأعضاء وراء "المعجزة".

يقال إن الساحر واللاعب البهلواني ديفيد بلين يمكنه حبس أنفاسه لمدة 17 دقيقة تحت الماء. في حديث TED هذا ، يشرح كيف تمكن من أداء هذا العمل الفذ:


9.3: التنفس - علم الأحياء

لماذا علينا التنفس؟

جسمنا نظام معقد للغاية. واحدة من أهم الأشياء التي تحتاجها هي الطاقة. عندما نأكل ، فإن أجسامنا تهضم الطعام للحصول على جزيئات معقدة مثل الجلوكوز ، والتي يمكن أن تستخدمها للطاقة. ومع ذلك ، فإن الطعام وحده لا يكفي. تحتاج الخلايا أيضًا إلى الأكسجين للتفاعل مع الجلوكوز لتوليد الطاقة. نحصل على الأكسجين إلى خلايانا عن طريق الجهاز التنفسي وعن طريق التنفس.

نتنفس باستخدام عضلة تسمى الحجاب الحاجز. إنها تتسطح مما يجعل رئاتنا تتمدد وتملأ بالهواء. عندما نتنفس ، يتم دفع الهواء عبر أنفنا أو فمنا ، أسفل القصبة الهوائية ، وفي أنابيب القصبات الهوائية في رئتينا. تتفرع هذه القصبات الهوائية وتصبح أصغر فأصغر ، مثل جذور أو فروع الشجرة.

لا ، هذه ليست نوعًا من المعكرونة! في نهاية أصغر فروع القصبات توجد أكياس هوائية صغيرة تسمى الحويصلات الهوائية. تحتوي هذه الأكياس الهوائية على جدار رقيق للغاية من خلية واحدة يسمح للأكسجين بالمرور إلى خلايا الدم الحمراء أثناء مرورها. هناك مئات الملايين من هؤلاء الرجال الصغار في رئتينا.

لا تقوم الحويصلات بنقل الأكسجين إلى دمنا فحسب ، بل إنها تساعد أيضًا في تنظيف غازات العادم من خلايا الدم. غاز النفايات هذا هو ثاني أكسيد الكربون. عندما نحتاج إلى استنشاق ثاني أكسيد الكربون من رئتينا ، فإن الحجاب الحاجز ينحني ويدفع الهواء للخارج ، ويتخلص من ثاني أكسيد الكربون. هذا يفسح المجال للهواء النقي مع الأكسجين الجديد ليعود في نفسنا التالي.


رسم تخطيطي للجهاز التنفسي

يعمل الأنف على التنفس أكثر من مجرد توفير مكان لدخول الهواء إلى أجسامنا. كما أنه يساعد على تنقية الهواء من الغبار والأشياء الأخرى. يقوم بذلك عن طريق استخدام الكثير من الشعر والمخاط. كما أنه يساعد في تدفئة الهواء قبل الوصول إلى الرئتين.

لماذا نقطع أنفاسنا؟

عندما نجري أو نقوم بنشاط شاق ، تحرق عضلاتنا الطاقة وتستهلك الأكسجين في خلايا الدم الحمراء. لمحاولة الحصول على المزيد من الطاقة والأكسجين لهذه الخلايا ، سيضخ قلبنا بشكل أسرع لإدخال المزيد من الدم عبر الرئتين. في نفس الوقت ستحاول رئتانا التنفس بشكل أقوى وأسرع للحصول على المزيد من الأكسجين. ينتهي بنا الأمر بالشعور بضيق في التنفس وعلينا أن نأخذ قسطًا من الراحة حتى تتعافى أجسامنا.

يساعد الجهاز التنفسي أيضًا في التحدث. لا يمكننا التحدث بدون هواء. من خلال دفع الهواء عبر الحبال الصوتية ، يساعدهم الجهاز التنفسي على الاهتزاز وإنشاء أصوات مثل التحدث أو الغناء أو الصراخ.


الجهاز التنفسي

خذ نفساً واحبسه. انتظر عدة ثوان ثم اتركها. يتنفس البشر ، عندما لا يجهدون أنفسهم ، ما يقرب من 15 مرة في الدقيقة في المتوسط. هذا يعادل حوالي 900 نفس في الساعة أو 21600 نفس في اليوم. مع كل شهيق ، يملأ الهواء الرئتين ، ومع كل زفير يندفع للخارج. يقوم هذا الهواء بأكثر من مجرد تضخيم وتفريغ الرئتين في تجويف الصدر. يحتوي الهواء على الأكسجين الذي يعبر أنسجة الرئة ، ويدخل مجرى الدم ، وينتقل إلى الأعضاء والأنسجة. هناك ، يتم تبادل الأكسجين لثاني أكسيد الكربون ، وهو مادة نفايات خلوية. يخرج ثاني أكسيد الكربون من الخلايا ، ويدخل إلى مجرى الدم ، ويعود إلى الرئتين ، وينتهي صلاحيته خارج الجسم أثناء الزفير.

التنفس هو حدث طوعي ولا إرادي. يتم تنظيم عدد مرات التنفس ومقدار الهواء الذي يتم استنشاقه أو زفيره من قبل مركز الجهاز التنفسي في الدماغ استجابة للإشارات التي يتلقاها حول محتوى الدم من ثاني أكسيد الكربون. ومع ذلك ، من الممكن تجاوز هذا التنظيم التلقائي لأنشطة مثل التحدث والغناء والسباحة تحت الماء.

أثناء الاستنشاق الحجاب الحاجز ينزل مما يخلق ضغطًا سلبيًا حول الرئتين ويبدأ في الانتفاخ ، مما يؤدي إلى سحب الهواء من خارج الجسم. يدخل الهواء الجسم من خلال التجويف الأنفي الموجود داخل الأنف مباشرة (شكل 1). كما يمر الهواء من خلال تجويف أنفي، يتم تدفئة الهواء إلى درجة حرارة الجسم وترطيبه برطوبة الأغشية المخاطية. تساعد هذه العمليات في موازنة الهواء مع ظروف الجسم ، مما يقلل من أي ضرر يمكن أن يسببه الهواء البارد والجاف. يتم إزالة الجسيمات التي تطفو في الهواء في الممرات الأنفية عن طريق الشعر والمخاط والأهداب. يتم أيضًا أخذ عينات من الهواء كيميائيًا عن طريق حاسة الشم.

من تجويف الأنف ، يمر الهواء عبر البلعوم (الحلق) و الحنجرة (صندوق الصوت) وهو يشق طريقه إلى ةقصبة الهوائية (شكل 1). وتتمثل الوظيفة الرئيسية للقصبة الهوائية في تحويل الهواء المستنشق إلى الرئتين وهواء الزفير للخارج من الجسم. القصبة الهوائية البشرية عبارة عن أسطوانة يبلغ طولها حوالي 25 إلى 30 سم (9.8-11.8 بوصة) ، وتقع أمام المريء وتمتد من البلعوم إلى تجويف الصدر إلى الرئتين. وهي مصنوعة من حلقات غير مكتملة من الغضاريف والعضلات الملساء. يوفر الغضروف القوة والدعم للقصبة الهوائية للحفاظ على الممر مفتوحًا. القصبة الهوائية مبطنة بالخلايا التي تحتوي على أهداب وتفرز المخاط. يمسك المخاط الجزيئات التي تم استنشاقها ، وتحرك الأهداب الجزيئات نحو البلعوم.

تنقسم نهاية القصبة الهوائية إلى قصبتين تدخلان الرئة اليمنى واليسرى. يدخل الهواء إلى الرئتين من خلال القصبات الأولية. تنقسم القصبة الهوائية الأولية ، مما يخلق قطرًا أصغر وأصغر شعبتان حتى يصبح قطر الممرات أقل من 1 مم (0.03 بوصة) عندما يتم استدعاؤها القصيبات لأنها تنقسم وتنتشر عبر الرئة. مثل القصبة الهوائية ، تتكون القصبات الهوائية والقصيبات من الغضاريف والعضلات الملساء. يتم تعصب الشعب الهوائية بواسطة أعصاب كل من الجهاز العصبي السمبثاوي والجهاز السمبثاوي الذي يتحكم في انقباض العضلات (السمبتاوي) أو الاسترخاء (الودي) في الشعب الهوائية والقصيبات ، اعتمادًا على إشارات الجهاز العصبي. القصيبات النهائية هي القصيبات التنفسية. ترتبط القنوات السنخية بنهاية كل قصبة تنفسية. في نهاية كل قناة توجد أكياس سنخية ، كل منها يحتوي على 20 إلى 30 الحويصلات الهوائية. يحدث تبادل الغازات فقط في الحويصلات الهوائية. الحويصلات الهوائية رقيقة الجدران وتبدو وكأنها فقاعات صغيرة داخل الأكياس. الحويصلات الهوائية على اتصال مباشر مع الشعيرات الدموية في الدورة الدموية. يضمن هذا الاتصال الحميم أن الأكسجين سينتشر من الحويصلات الهوائية إلى الدم. بالإضافة إلى ذلك ، سينتشر ثاني أكسيد الكربون من الدم إلى الحويصلات الهوائية ليتم الزفير. يؤكد الترتيب التشريحي للشعيرات الدموية والحويصلات الهوائية على العلاقة الهيكلية والوظيفية للجهاز التنفسي والدورة الدموية. تختلف تقديرات مساحة الحويصلات الهوائية في الرئتين بحوالي 100 متر مربع. تبلغ مساحة هذه المنطقة الكبيرة حوالي نصف ملعب تنس. تسمح مساحة السطح الكبيرة هذه ، جنبًا إلى جنب مع الطبيعة رقيقة الجدران للخلايا السنخية ، للغازات بالانتشار بسهولة عبر الخلايا.

شكل 1. يدخل الهواء إلى الجهاز التنفسي من خلال تجويف الأنف ، ثم يمر عبر البلعوم والقصبة الهوائية إلى الرئتين. (الائتمان: تعديل العمل بواسطة NCI)

أي من العبارات التالية خاطئة عن الجهاز التنفسي البشري؟


منهج كيرالا التاسع دليل البيولوجيا القياسي المالايالامي المتوسط

منهج ولاية كيرالا التاسع القياسي للكتب المدرسية في علم الأحياء ، الجزء الأول ، المالايالام المتوسط

منهج ولاية كيرالا التاسع القياسي للكتب المدرسية في علم الأحياء ، الجزء الثاني ، المالايالامية المتوسطة

نأمل أن يساعدك دليل حلول البيولوجيا القياسي التاسع لمنهج كيرالا على تنزيل ملف PDF مجانًا باللغتين الإنجليزية المتوسطة والمالايالامية للأسئلة والأجوبة الحكيمة ، ستساعدك الملاحظات. إذا كان لديك أي استفسارات بخصوص مجلس SCERT لولاية كيرالا ، دليل إجابات كتب علم الأحياء للصف التاسع ، دليل إجابات كتب الأحياء ، Pdf من الجزء الأول والجزء الثاني ، فقم بإسقاط تعليق أدناه وسنعاود الاتصال بك في أقرب وقت ممكن.


9.3 تحلل السكر

لقد قرأت أن كل الطاقة التي تستخدمها الخلايا الحية تقريبًا تأتي إليها في روابط السكر والجلوكوز. تحلل السكر هي الخطوة الأولى في تكسير الجلوكوز لاستخراج الطاقة لعملية التمثيل الغذائي الخلوي. تقوم جميع الكائنات الحية تقريبًا بإجراء تحلل السكر كجزء من عملية التمثيل الغذائي الخاصة بها. العملية لا تستخدم الأكسجين وبالتالي فهي اللاهوائية. يحدث تحلل السكر في السيتوبلازم لكل من الخلايا بدائية النواة وخلايا حقيقية النواة.

النصف الأول من تحلل السكر (خطوات تتطلب الطاقة)

الخطوة الأولى: يتم تحفيز الخطوة الأولى في تحلل السكر (الشكل 9.5) بواسطة هيكسوكيناز ، وهو إنزيم يعمل على فسفرة الجلوكوز باستخدام ATP كمصدر للفوسفات ، وينتج الجلوكوز 6 فوسفات ، وهو شكل أكثر تفاعلًا من الجلوكوز مع طاقة حرة أعلى من الجلوكوز .

الخطوة الثانية: في الخطوة الثانية من تحلل السكر ، يقوم أيزوميراز بتحويل الجلوكوز 6 فوسفات إلى أحد أيزومراته ، الفركتوز 6 فوسفات. كما يوحي اسمها ، فإن ملف ايزوميراز هو إنزيم يخلق بنية أخرى ايزومير من الركيزة. (انظر الفصل 4)

الخطوة الثالثة. والخطوة الثالثة هي فسفرة الفركتوز -6-الفوسفات ، المحفز بواسطة إنزيم فسفوفركتوكيناز. يتبرع جزيء ثاني ATP بفوسفات عالي الطاقة للفركتوز -6-فوسفات ، وينتج الفركتوز -1،6-بيسفوسفات.

الخطوة 4. الفوسفات عالي الطاقة المضاف حديثًا يزيد من زعزعة استقرار الفركتوز -1،6-ثنائي الفوسفات. تستخدم الخطوة الرابعة في تحلل الجلوكوز إنزيمًا ، وهو aldolase ، لتقسيم 1،6-bisphosphate إلى اثنين من أيزومرين ثلاثي الكربون: ثنائي هيدروكسي أسيتون-فوسفات و glyceraldehyde-3-phosphate.

الخطوة 5. في الخطوة الخامسة ، يقوم أيزوميراز بتحويل ثنائي هيدروكسي أسيتون-فوسفات إلى أيزومير خاص به ، glyceraldehyde-3-phosphate. وهكذا ، سيستمر المسار بجزيئين من أيزومر واحد. في هذه المرحلة من المسار ، هناك استثمار صافٍ للطاقة من جزيئي ATP في انهيار جزيء جلوكوز واحد.

النصف الثاني من تحلل السكر (خطوات إطلاق الطاقة)

حتى الآن ، كلف التحلل السكري الخلية اثنين من جزيئات ATP وأنتج جزئين صغيرين من جزيئات السكر ثلاثية الكربون. سيستمر كل من هذين الجزيئين خلال النصف الثاني من المسار ، وسيتم استخراج طاقة كافية لتسديد جزيئي ATP المستخدمين كاستثمار أولي وتحقيق ربح لخلية جزيئين إضافيين من ATP واثنين من الطاقة الأعلى جزيئات NADH.

الخطوة 6. الخطوة السادسة في تحلل السكر (الشكل 9.6) تؤكسد السكر (جلسيرالديهيد -3 فوسفات) ، واستخلاص إلكترونات عالية الطاقة ، يلتقطها حامل الإلكترون NAD + ، وينتج NADH. ثم تتم فسفرة السكر بإضافة مجموعة فوسفات ثانية ، لإنتاج 1.3-بيسفوسفوجليسيرات. لاحظ أن مجموعة الفوسفات الثانية لا تتطلب جزيء ATP آخر.

هنا مرة أخرى عامل مقيد محتمل لهذا المسار. يعتمد استمرار التفاعل على توفر الشكل المؤكسد لحامل الإلكترون NAD +. وبالتالي ، يجب أن يتأكسد NADH باستمرار إلى NAD + من أجل استمرار هذه الخطوة. إذا لم يكن NAD + متاحًا ، فإن النصف الثاني من تحلل السكر يتباطأ أو يتوقف. إذا كان الأكسجين متاحًا في النظام ، فسوف يتأكسد NADH بسهولة ، على الرغم من أنه غير مباشر ، وسيتم استخدام الإلكترونات عالية الطاقة من الهيدروجين المنطلق في هذه العملية لإنتاج ATP. في بيئة خالية من الأكسجين ، يمكن أن يوفر المسار البديل (التخمير) أكسدة NADH إلى NAD + كما تمت مناقشته في القسم 9.6.

الخطوة السابعة: في الخطوة السابعة ، المحفز بواسطة فسفوغليسيرات كيناز (إنزيم يسمى للتفاعل العكسي) ، يتبرع عنصر 1.3-bisphosphoglycerate بفوسفات عالي الطاقة إلى ADP ، مكونًا جزيء واحد من ATP. تتأكسد مجموعة الكربونيل الموجودة على 1،3-بيسفوسفوجليسيرات إلى مجموعة كربوكسيل ، ويتم تكوين 3-فوسفوجليسيرات.

الخطوة الثامنة: في الخطوة الثامنة ، تنتقل مجموعة الفوسفات المتبقية في 3-phosphoglycerate من الكربون الثالث إلى الكربون الثاني ، منتجة 2-phosphoglycerate (أيزومر 3-phosphoglycerate). الإنزيم الذي يحفز هذه الخطوة هو طفرة (إيزوميراز).

الخطوة 9. Enolase يحفز الخطوة التاسعة. يتسبب هذا الإنزيم في فقدان 2-phosphoglycerate للماء من بنيته ، وهذا تفاعل تجفيف ، مما يؤدي إلى تكوين رابطة مزدوجة تزيد من الطاقة الكامنة في رابطة الفوسفات المتبقية وتنتج phosphoenolpyruvate (PEP).

الخطوة 10. يتم تحفيز الخطوة الأخيرة في تحلل السكر بواسطة إنزيم بيروفات كيناز (يسمى الإنزيم في هذه الحالة للتفاعل العكسي لتحويل البيروفات إلى PEP) وينتج عن ذلك إنتاج جزيء ATP ثانٍ عن طريق الفسفرة على مستوى الركيزة و حمض البيروفيك المركب (أو شكله الملح ، البيروفات). تمت تسمية العديد من الإنزيمات في المسارات الأنزيمية للتفاعلات العكسية ، حيث يمكن للإنزيم تحفيز التفاعلات الأمامية والعكسية (قد يتم وصفها في البداية من خلال التفاعل العكسي الذي يحدث في المختبر ، في ظل ظروف غير فسيولوجية).

احصل على فهم أفضل لانهيار الجلوكوز عن طريق تحلل الجلوكوز من خلال زيارة هذا الموقع لمشاهدة العملية قيد التنفيذ.

نتائج تحلل السكر

يبدأ تحلل السكر بالجلوكوز وينتهي بجزيئين من البيروفات ، أي ما مجموعه أربعة جزيئات ATP وجزيئين من NADH. تم استخدام جزيئين ATP في النصف الأول من المسار لتحضير الحلقة المكونة من ستة كربون للانقسام ، وبالتالي فإن الخلية لديها مكاسب صافية من جزيئين ATP وجزيئين NADH لاستخدامها. إذا لم تستطع الخلية تقويض جزيئات البيروفات بشكل أكبر ، فسوف تحصد جزيئين من ATP فقط من جزيء واحد من الجلوكوز. خلايا الدم الحمراء في الثدييات الناضجة ليست قادرة على ذلك التنفس الهوائي- العملية التي تقوم فيها الكائنات الحية بتحويل الطاقة في وجود الأكسجين - وتحلل السكر هو المصدر الوحيد لـ ATP. إذا توقف التحلل السكري ، تفقد هذه الخلايا قدرتها على الحفاظ على مضخات الصوديوم والبوتاسيوم ، وفي النهاية تموت.

لن تحدث الخطوة الأخيرة في تحلل السكر إذا كان الإنزيم بيروفات كيناز ، وهو الإنزيم الذي يحفز تكوين البيروفات ، غير متوفر بكميات كافية. في هذه الحالة ، سيستمر مسار تحلل السكر بأكمله ، ولكن سيتم صنع جزيئين فقط من ATP في النصف الثاني. وهكذا ، فإن بيروفات كيناز هو إنزيم يحد من معدل تحلل السكر.

الماخذ الرئيسية

  • يحدث في السيتوبلازم في جميع الخلايا الحية تقريبًا
  • مادة لاهوائية ، لأنها لا تتطلب أكسجين
  • يبدأ بالجلوكوز ، 2 ATP و 2 NAD.
  • ينتهي بجزيئين من البيروفات ، صافي 2 ATP و 2 NADH.

B9.3 التنفس اللاهوائي

docx ، 15.29 كيلوبايت pptx ، 486.93 كيلوبايت

شهادة الثانوية العامة AQA (9-1)
علم الأحياء: التنفس B9
الدرس الثالث: ب ٩.٣ التنفس اللاهوائي
استنادًا إلى موارد Kerboodle

لم يتم تضمين ورقة عمل AQA Kerboodle بحيث تعمل ضمن مدونة سلوك TES.

الكلمات المفتاحية: التنفس اللاهوائي ، حمض اللاكتيك ، ديون الأكسجين

احصل على هذا المورد كجزء من حزمة ووفر ما يصل إلى 38٪

الحزمة عبارة عن حزمة من الموارد مجمعة معًا لتدريس موضوع معين ، أو سلسلة من الدروس ، في مكان واحد.

التنفس B9

وفر 3 جنيهات إسترلينية (38٪) يشمل: B9.1 التنفس الهوائي B9.2 Repsonse للتمرين B9.3 التنفس اللاهوائي B9.4 الأيض يرجى ملاحظة: اضطررت إلى إزالة أوراق عمل AQA للالتزام بمدونة قواعد السلوك الخاصة بـ TES. يتم تضمين أوراق العمل الخاصة بي و PPT فقط.

المراجعات

تقييمك مطلوب ليعكس سعادتك.

من الجيد ترك بعض التعليقات.

هناك شئ خاطئ، يرجى المحاولة فى وقت لاحق.

لم يتم مراجعة هذا المورد حتى الآن

لضمان جودة مراجعاتنا ، يمكن فقط للعملاء الذين اشتروا هذا المورد مراجعته

أبلغ عن هذا المورد لإعلامنا إذا كان ينتهك الشروط والأحكام الخاصة بنا.
سيقوم فريق خدمة العملاء لدينا بمراجعة تقريرك وسيتواصل معك.


دور المتلازمة التنفسية الحادة الوخيمة فيروس كورونا فيروبورينات E و 3 أ و 8 أ في التكرار والتسبب في المرض

Viroporins هي بروتينات فيروسية ذات نشاط قناة أيونية (IC) تلعب دورًا مهمًا في العديد من العمليات ، بما في ذلك تكاثر الفيروس والتسبب في المرض. في حين أن العديد من فيروسات كورونا (CoVs) تشفر اثنين من الفيروسات ، فإن متلازمة الجهاز التنفسي الحادة الوخيمة (SARS-CoV) تشفر ثلاثة: البروتينات 3a و E و 8a. بالإضافة إلى ذلك ، تحتوي البروتينات 3a و E على فكرة ربط PDZ (PBM) ، والتي يمكن أن تربط أكثر من 400 بروتين خلوي يحتوي على مجال PDZ ، مما يجعلها مهمة للتحكم في وظيفة الخلية. في العمل الحالي ، تم إجراء دراسة مقارنة للزخارف الوظيفية المتضمنة في الفيروسات الفيروسية لـ SARS-CoV ، مع التركيز في الغالب على أدوار IC و PBM لبروتينات E و 3a. أظهرت نتائجنا أن بروتينات E و 3 أ كاملة الطول كانت مطلوبة لتكرار السارس وفوعة الحد الأقصى ، في حين أن viroporin 8a كان له تأثير طفيف فقط على هذه الأنشطة. لم يكن الفيروس الذي يفتقد إلى البروتينين E و 3a قابلاً للحياة ، في حين أن وجود أي من البروتينين مع PBM وظيفي يعيد قابلية الفيروس للحياة. كان نشاط IC للبروتين ووجود PBM ضروريًا لضراوة الفئران. في المقابل ، فإن وجود أو عدم وجود الأشكال المتماثلة في البروتين 3 أ لم يؤثر على إمراضية الفيروس. لذلك ، تم إثبات هيمنة IC و PBM للبروتين E على البروتين 3 أ في تحريض التسبب في الفئران.أهمية بشكل جماعي ، توضح هذه النتائج الأدوار الرئيسية للقناة الأيونية ومجالات PBM في التكاثر الأمثل للفيروسات والتسبب في المرض وتشير إلى أن الفيروسات الفيروسية و PBMs هي أهداف مناسبة للعلاج المضاد للفيروسات ولطفرة في لقاحات السارس الموهنة.

الكلمات الدالة: PBM PDZ SARS-CoV viroporins لفيروس كورونا.

حقوق الطبع والنشر © 2018 Castaño-Rodriguez et al.

الأرقام

حركية نمو فيروس السارس المعيب فيروبورين ...

حركية النمو للطفرات التي تحتوي على فيروس سارس - CoV. (أ) الطبقات الأحادية الفرعية لخلايا Vero E6 ...

فوعة المسوخات التالفة لفيروس السارس ...

ضراوة المسوخات المعيبة لفيروس كورونا السارس. تعرضت مجموعات من خمسة فئران BALB / c عمرها 16 أسبوعًا ...

توصيف السارس - CoV 3a ...

توصيف قناة أيون بروتين SARS-CoV 3a. (أ) تسجيل قناة واحدة ...

تأثير الطفرات على ...

تأثير الطفرات على نشاط القناة الأيونية لبروتين SARS-CoV 3a. المؤتلف…

حركية نمو طفرات السارس ...

حركية النمو لطفرات السارس-CoV التي تستهدف نشاط قناة أيون بروتين 3 أ. (أ) Subconfluent ...

ضراوة أيون السارس- CoV 3a ...

ضراوة طفرات قناة أيون SARS-CoV 3a. مجموعات من خمسة فئران BALB / c عمرها 16 أسبوعًا ...

متطلبات PBM لـ ...

متطلبات PBM لبروتين SARS-CoV 3a للتكرار والفوعة. (أ)…

تحليل التوطين الخلوي ...

تحليل التوطين تحت الخلوي لبروتينات SARS-CoV 3a و E عن طريق التألق المناعي. ...

تحليل التوطين الخلوي ...

تحليل التوطين الخلوي لـ SARS-CoV 3a عن طريق التألق المناعي. خلايا Vero E6 ...

رسم خرائط لمجال البروتين E المطلوب لاستبدال 3a ...

ضراوة السارس المؤتلف يجمع بين ...

ضراوة السارس المؤتلف يجمع بين ضربة قاضية لـ 3a و E بروتين PBMs. ...


الفصل 9 & # 8211 التنفس الخلوي

- لأداء مهامها العديدة ، تحتاج الخلايا الحية إلى طاقة من مصادر خارجية.

· تدخل الطاقة في معظم النظم البيئية على شكل ضوء الشمس وتترك كحرارة.

· يولد التمثيل الضوئي الأكسجين والجزيئات العضوية التي تستخدمها الميتوكوندريا في حقيقيات النوى كوقود للتنفس الخلوي.

· تحصد الخلايا الطاقة الكيميائية المخزنة في الجزيئات العضوية وتستخدمها لتجديد ATP ، الجزيء الذي يقود معظم الأعمال الخلوية.

· التنفس له ثلاثة مسارات رئيسية: تحلل السكر ودورة حامض الستريك والفسفرة التأكسدية.

أ.مبادئ حصاد الطاقة

1. التنفس الخلوي والتخمير هي مسارات تقويضية تنتج الطاقة.

· يمثل ترتيب ذرات الجزيئات العضوية طاقة كامنة.

· تحفز الإنزيمات التدهور المنتظم للجزيئات العضوية الغنية بالطاقة إلى نفايات أبسط مع طاقة أقل.

· يتم استخدام بعض الطاقة المنبعثة للقيام ببعض الأعمال ، بينما يتم تبديد الباقي على شكل حرارة.

· تطلق مسارات الأيض التقويضي الطاقة المخزنة في الجزيئات العضوية المعقدة.

· نوع واحد من العمليات التقويضية ، التخمير يؤدي إلى التحلل الجزئي للسكريات في غياب الأكسجين.

· عملية تقويضية أكثر كفاءة وانتشارًا ، التنفس الخلوي، يستهلك الأكسجين كمتفاعل لإكمال تكسير مجموعة متنوعة من الجزيئات العضوية.

° في الخلايا حقيقية النواة ، الميتوكوندريا هي موقع معظم عمليات التنفس الخلوي.

يتشابه التنفس الخلوي من حيث المبدأ مع احتراق البنزين في محرك السيارة بعد خلط الأكسجين بالوقود الهيدروكربوني.

° الغذاء هو وقود التنفس. العادم عبارة عن ثاني أكسيد الكربون والماء.

° مركبات عضوية + O2 à CO2 + H2O + طاقة (ATP + حرارة).

· يمكن استخدام الكربوهيدرات والدهون والبروتينات كوقود ، ولكن من المفيد جدًا التفكير في الجلوكوز.

° C6H12O6 + 6O2 à 6CO2 + 6H2O + طاقة (ATP + حرارة)

· هدم الجلوكوز مفرط الطاقة مع DG من 686 كيلو كالوري لكل مول من الجلوكوز.

° يتم استخدام بعض هذه الطاقة لإنتاج ATP ، والذي يمكنه أداء العمل الخلوي.

2. تطلق تفاعلات الأكسدة والاختزال الطاقة عندما تقترب الإلكترونات من الذرات الكهربية.

· تقوم المسارات التقويضية بنقل الإلكترونات المخزنة في جزيئات الطعام ، وتطلق الطاقة المستخدمة في تصنيع ATP.

· التفاعلات التي تؤدي إلى انتقال إلكترون واحد أو أكثر من متفاعل إلى آخر هي تفاعلات اختزال الأكسدة ، أو تفاعلات الأكسدة والاختزال.

° يسمى فقدان الإلكترونات أكسدة.

° تسمى إضافة الإلكترونات تخفيض.

· تكوين ملح الطعام من الصوديوم والكلوريد هو تفاعل الأكسدة والاختزال.

° هنا يتأكسد الصوديوم وينخفض ​​الكلور (تنخفض شحنته من 0 إلى -1).

· بشكل عام: Xe− + Y à X + Ye−

° X ، المتبرع بالإلكترون ، هو الحد من وكيل ويقلل من Y.

° Y ، متلقي الإلكترون ، هو عامل مؤكسد ويؤكسد X.

· تتطلب تفاعلات الأكسدة والاختزال كلا من المتبرع والمقبول.

· Redox reactions also occur when the transfer of electrons is not complete but involves a change in the degree of electron sharing in covalent bonds.

° In the combustion of methane to form water and carbon dioxide, the nonpolar covalent bonds of methane (C—H) and oxygen (O=O) are converted to polar covalent bonds (C=O and O—H).

° When methane reacts with oxygen to form carbon dioxide, electrons end up farther away from the carbon atom and closer to their new covalent partners, the oxygen atoms, which are very electronegative.

° In effect, the carbon atom has partially “lost” its shared electrons. Thus, methane has been oxidized.

· The two atoms of the oxygen molecule share their electrons equally. When oxygen reacts with the hydrogen from methane to form water, the electrons of the covalent bonds are drawn closer to the oxygen.

° In effect, each oxygen atom has partially “gained” electrons, and so the oxygen molecule has been reduced.

° Oxygen is very electronegative, and is one of the most potent of all oxidizing agents.

· Energy must be added to pull an electron away from an atom.

· The more electronegative the atom, the more energy is required to take an electron away from it.

· An electron loses potential energy when it shifts from a less electronegative atom toward a more electronegative one.

· A redox reaction that relocates electrons closer to oxygen, such as the burning of methane, releases chemical energy that can do work.

3. The “fall” of electrons during respiration is stepwise, via NAD+ and an electron transport chain.

· Cellular respiration does not oxidize glucose in a single step that transfers all the hydrogen in the fuel to oxygen at one time.

· Rather, glucose and other fuels are broken down in a series of steps, each catalyzed by a specific enzyme.

° At key steps, electrons are stripped from the glucose.

° In many oxidation reactions, the electron is transferred with a proton, as a hydrogen atom.

· The hydrogen atoms are not transferred directly to oxygen but are passed first to a coenzyme called NAD+ (nicotinamide adenine dinucleotide).

· How does NAD+ trap electrons from glucose?

° Dehydrogenase enzymes strip two hydrogen atoms from the fuel (e.g., glucose), oxidizing it.

° The enzyme passes two electrons and one proton to NAD+.

° The other proton is released as H+ to the surrounding solution.

· By receiving two electrons and only one proton, NAD+ has its charge neutralized when it is reduced to NADH.

° NAD+ functions as the oxidizing agent in many of the redox steps during the catabolism of glucose.

· The electrons carried by NADH have lost very little of their potential energy in this process.

· Each NADH molecule formed during respiration represents stored energy. This energy is tapped to synthesize ATP as electrons “fall” from NADH to oxygen.

· How are electrons extracted from food and stored by NADH finally transferred to oxygen?

° Unlike the explosive release of heat energy that occurs when H2 and O2 are combined (with a spark for activation energy), cellular respiration uses an سلسلة نقل الإلكترون to break the fall of electrons to O2 into several steps.

· The electron transport chain consists of several molecules (primarily proteins) built into the inner membrane of a mitochondrion.

· Electrons released from food are shuttled by NADH to the “top” higher-energy end of the chain.

· At the “bottom” lower-energy end, oxygen captures the electrons along with H+ to form water.

· Electron transfer from NADH to oxygen is an exergonic reaction with a free energy change of −53 kcal/mol.

· Electrons are passed to increasingly electronegative molecules in the chain until they reduce oxygen, the most electronegative receptor.

· In summary, during cellular respiration, most electrons travel the following “downhill” route: food à NADH à electron transport chain à oxygen.

B. The Process of Cellular Respiration

1. These are the stages of cellular respiration: a preview.

· Respiration occurs in three metabolic stages: glycolysis, the citric acid cycle, and the electron transport chain and oxidative phosphorylation.

· تحلل السكر occurs in the cytoplasm.

° It begins catabolism by breaking glucose into two molecules of pyruvate.

· ال دورة حمض الستريك occurs in the mitochondrial matrix.

° It completes the breakdown of glucose by oxidizing a derivative of pyruvate to carbon dioxide.

· Several steps in glycolysis and the citric acid cycle are redox reactions in which dehydrogenase enzymes transfer electrons from substrates to NAD+, forming NADH.

· NADH passes these electrons to the electron transport chain.

· In the electron transport chain, the electrons move from molecule to molecule until they combine with molecular oxygen and hydrogen ions to form water.

· As they are passed along the chain, the energy carried by these electrons is transformed in the mitochondrion into a form that can be used to synthesize ATP via oxidative phosphorylation.

· The inner membrane of the mitochondrion is the site of electron transport and chemiosmosis, processes that together constitute oxidative phosphorylation.

° Oxidative phosphorylation produces almost 90% of the ATP generated by respiration.

· Some ATP is also formed directly during glycolysis and the citric acid cycle by substrate-level phosphorylation.

° Here an enzyme transfers a phosphate group from an organic substrate to ADP, forming ATP.

· For each molecule of glucose degraded to carbon dioxide and water by respiration, the cell makes up to 38 ATP, each with 7.3 kcal/mol of free energy.

· Respiration uses the small steps in the respiratory pathway to break the large denomination of energy contained in glucose into the small change of ATP.

° The quantity of energy in ATP is more appropriate for the level of work required in the cell.

2. Glycolysis harvests chemical energy by oxidizing glucose to pyruvate.

· During glycolysis, glucose, a six carbon-sugar, is split into two three-carbon sugars.

· These smaller sugars are oxidized and rearranged to form two molecules of pyruvate, the ionized form of pyruvic acid.

· Each of the ten steps in glycolysis is catalyzed by a specific enzyme.

· These steps can be divided into two phases: an energy investment phase and an energy payoff phase.

· In the energy investment phase, the cell invests ATP to provide activation energy by phosphorylating glucose.

° This requires 2 ATP per glucose.

· In the energy payoff phase, ATP is produced by substrate-level phosphorylation and NAD+ is reduced to NADH by electrons released by the oxidation of glucose.

· The net yield from glycolysis is 2 ATP and 2 NADH per glucose.

° No CO2 is produced during glycolysis.

· Glycolysis can occur whether O2 is present or not.

3. The citric acid cycle completes the energy-yielding oxidation of organic molecules.

· More than three-quarters of the original energy in glucose is still present in the two molecules of pyruvate.

· If oxygen is present, pyruvate enters the mitochondrion where enzymes of the citric acid cycle complete the oxidation of the organic fuel to carbon dioxide.

· After pyruvate enters the mitochondrion via active transport, it is converted to a compound called acetyl coenzyme A or acetyl CoA.

· This step is accomplished by a multienzyme complex that catalyzes three reactions:

1. A carboxyl group is removed as CO2.

2. The remaining two-carbon fragment is oxidized to form acetate. An enzyme transfers the pair of electrons to NAD+ to form NADH.

3. Acetate combines with coenzyme A to form the very reactive molecule acetyl CoA.

· Acetyl CoA is now ready to feed its acetyl group into the citric acid cycle for further oxidation.

· The citric acid cycle is also called the Krebs cycle in honor of Hans Krebs, who was largely responsible for elucidating its pathways in the 1930s.

· The citric acid cycle oxidizes organic fuel derived from pyruvate.

° The citric acid cycle has eight steps, each catalyzed by a specific enzyme.

° The acetyl group of acetyl CoA joins the cycle by combining with the compound oxaloacetate, forming citrate.

° The next seven steps decompose the citrate back to oxaloacetate. It is the regeneration of oxaloacetate that makes this process a cycle.

° Three CO2 molecules are released, including the one released during the conversion of pyruvate to acetyl CoA.

· The cycle generates one ATP per turn by substrate-level phosphorylation.

° A GTP molecule is formed by substrate-level phosphorylation.

° The GTP is then used to synthesize an ATP, the only ATP generated directly by the citric acid cycle.

· Most of the chemical energy is transferred to NAD+ and FAD during the redox reactions.

· The reduced coenzymes NADH and FADH2 then transfer high-energy electrons to the electron transport chain.

· Each cycle produces one ATP by substrate-level phosphorylation, three NADH, and one FADH2 per acetyl CoA.

4. The inner mitochondrial membrane couples electron transport to ATP synthesis.

· Only 4 of 38 ATP ultimately produced by respiration of glucose are produced by substrate-level phosphorylation.

° Two are produced during glycolysis, and 2 are produced during the citric acid cycle.

· NADH and FADH2 account for the vast majority of the energy extracted from the food.

° These reduced coenzymes link glycolysis and the citric acid cycle to oxidative phosphorylation, which uses energy released by the electron transport chain to power ATP synthesis.

· The electron transport chain is a collection of molecules embedded in the cristae, the folded inner membrane of the mitochondrion.

° The folding of the cristae increases its surface area, providing space for thousands of copies of the chain in each mitochondrion.

° Most components of the chain are proteins bound to prosthetic groups, nonprotein components essential for catalysis.

· Electrons drop in free energy as they pass down the electron transport chain.

· During electron transport along the chain, electron carriers alternate between reduced and oxidized states as they accept and donate electrons.

° Each component of the chain becomes reduced when it accepts electrons from its “uphill” neighbor, which is less electronegative.

° It then returns to its oxidized form as it passes electrons to its more electronegative “downhill” neighbor.

· Electrons carried by NADH are transferred to the first molecule in the electron transport chain, a flavoprotein.

· The electrons continue along the chain that includes several cytochrome proteins and one lipid carrier.

° The prosthetic group of each cytochrome is a heme group with an iron atom that accepts and donates electrons.

· The last cytochrome of the chain, cyt a3, passes its electrons to oxygen, which is very electronegative.

° Each oxygen atom also picks up a pair of hydrogen ions from the aqueous solution to form water.

° For every two electron carriers (four electrons), one O2 molecule is reduced to two molecules of water.

· The electrons carried by FADH2 have lower free energy and are added at a lower energy level than those carried by NADH.

° The electron transport chain provides about one-third less energy for ATP synthesis when the electron donor is FADH2 rather than NADH.

· The electron transport chain generates no ATP directly.

· Its function is to break the large free energy drop from food to oxygen into a series of smaller steps that release energy in manageable amounts.

· How does the mitochondrion couple electron transport and energy release to ATP synthesis?

° The answer is a mechanism called chemiosmosis.

· A protein complex, ATP synthase, in the cristae actually makes ATP from ADP and Pi.

· ATP uses the energy of an existing proton gradient to power ATP synthesis.

° The proton gradient develops between the intermembrane space and the matrix.

· The proton gradient is produced by the movement of electrons along the electron transport chain.

· The chain is an energy converter that uses the exergonic flow of electrons to pump H+ from the matrix into the intermembrane space.

· The protons pass back to the matrix through a channel in ATP synthase, using the exergonic flow of H+ to drive the phosphorylation of ADP.

· Thus, the energy stored in a H+ gradient across a membrane couples the redox reactions of the electron transport chain to ATP synthesis.

· From studying the structure of ATP synthase, scientists have learned how the flow of H+ through this large enzyme powers ATP generation.

· ATP synthase is a multisubunit complex with four main parts, each made up of multiple polypeptides:

1. A rotor in the inner mitochondrial membrane.

2. A knob that protrudes into the mitochondrial matrix.

3. An internal rod extending from the rotor into the knob.

4. A stator, anchored next to the rotor, which holds the knob stationary.

· Protons flow down a narrow space between the stator and rotor, causing the rotor and its attached rod to rotate.

° The spinning rod causes conformational changes in the stationary knob, activating three catalytic sites in the knob where ADP and inorganic phosphate combine to make ATP.

· How does the inner mitochondrial membrane generate and maintain the H+ gradient that drives ATP synthesis in the ATP synthase protein complex?

° Creating the H+ gradient is the function of the electron transport chain.

° The ETC is an energy converter that uses the exergonic flow of electrons to pump H+ across the membrane from the mitochondrial matrix to the intermembrane space.

° The H+ has a tendency to diffuse down its gradient.

· The ATP synthase molecules are the only place that H+ can diffuse back to the matrix.

° The exergonic flow of H+ is used by the enzyme to generate ATP.

° This coupling of the redox reactions of the electron transport chain to ATP synthesis is called chemiosmosis.

· How does the electron transport chain pump protons?

° Certain members of the electron transport chain accept and release H+ along with electrons.

° At certain steps along the chain, electron transfers cause H+ to be taken up and released into the surrounding solution.

· The electron carriers are spatially arranged in the membrane in such a way that protons are accepted from the mitochondrial matrix and deposited in the intermembrane space.

° The H+ gradient that results is the proton-motive force.

° The gradient has the capacity to do work.

· Chemiosmosis is an energy-coupling mechanism that uses energy stored in the form of an H+ gradient across a membrane to drive cellular work.

· In mitochondria, the energy for proton gradient formation comes from exergonic redox reactions, and ATP synthesis is the work performed.

· Chemiosmosis in chloroplasts also generates ATP, but light drives the electron flow down an electron transport chain and H+ gradient formation.

· Prokaryotes generate H+ gradients across their plasma membrane.

° They can use this proton-motive force not only to generate ATP, but also to pump nutrients and waste products across the membrane and to rotate their flagella.

5. Here is an accounting of ATP production by cellular respiration.

· During cellular respiration, most energy flows from glucose à NADH à electron transport chain à proton-motive force à ATP.

· Let’s consider the products generated when cellular respiration oxidizes a molecule of glucose to six CO2 molecules.

· Four ATP molecules are produced by substrate-level phosphorylation during glycolysis and the citric acid cycle.

· Many more ATP molecules are generated by oxidative phosphorylation.

· Each NADH from the citric acid cycle and the conversion of pyruvate contributes enough energy to the proton-motive force to generate a maximum of 3 ATP.

° The NADH from glycolysis may also yield 3 ATP.

· Each FADH2 from the citric acid cycle can be used to generate about 2 ATP.

· Why is our accounting so inexact?

· There are three reasons that we cannot state an exact number of ATP molecules generated by one molecule of glucose.

1. Phosphorylation and the redox reactions are not directly coupled to each other, so the ratio of number of NADH to number of ATP is not a whole number.

° One NADH results in 10 H+ being transported across the inner mitochondrial membrane.

° Between 3 and 4 H+ must reenter the mitochondrial matrix via ATP synthase to generate 1 ATP.

° Therefore, 1 NADH generates enough proton-motive force for synthesis of 2.5 to 3.3 ATP.

° We round off and say that 1 NADH generates 3 ATP.

2. The ATP yield varies slightly depending on the type of shuttle used to transport electrons from the cytosol into the mitochondrion.

° The mitochondrial inner membrane is impermeable to NADH, so the two electrons of the NADH produced in glycolysis must be conveyed into the mitochondrion by one of several electron shuttle systems.

° In some shuttle systems, the electrons are passed to NAD+, which generates 3 ATP. In others, the electrons are passed to FAD, which generates only 2 ATP.

3. The proton-motive force generated by the redox reactions of respiration may drive other kinds of work, such as mitochondrial uptake of pyruvate from the cytosol.

° If all the proton-motive force generated by the electron transport chain were used to drive ATP synthesis, one glucose molecule could generate a maximum of 34 ATP by oxidative phosphorylation plus 4 ATP (net) from substrate-level phosphorylation to give a total yield of 36–38 ATP (depending on the efficiency of the shuttle).

· How efficient is respiration in generating ATP?

° Complete oxidation of glucose releases 686 kcal/mol.

° Phosphorylation of ADP to form ATP requires at least 7.3 kcal/mol.

° Efficiency of respiration is 7.3 kcal/mol times 38 ATP/glucose divided by 686 kcal/mol glucose, which equals 0.4 or 40%.

° Approximately 60% of the energy from glucose is lost as heat.

§ Some of that heat is used to maintain our high body temperature (37°C).

· Cellular respiration is remarkably efficient in energy conversion.

C. Related Metabolic Processes

1. Fermentation enables some cells to produce ATP without the help of oxygen.

· Without electronegative oxygen to pull electrons down the transport chain, oxidative phosphorylation ceases.

· However, fermentation provides a mechanism by which some cells can oxidize organic fuel and generate ATP without the use of oxygen.

° In glycolysis, glucose is oxidized to two pyruvate molecules with NAD+ as the oxidizing agent.

° Glycolysis is exergonic and produces 2 ATP (net).

° If oxygen is present, additional ATP can be generated when NADH delivers its electrons to the electron transport chain.

· Glycolysis generates 2 ATP whether oxygen is present (هوائي) أم لا (anaerobic).

· Anaerobic catabolism of sugars can occur by fermentation.

· Fermentation can generate ATP from glucose by substrate-level phosphorylation as long as there is a supply of NAD+ to accept electrons.

° If the NAD+ pool is exhausted, glycolysis shuts down.

° Under aerobic conditions, NADH transfers its electrons to the electron transfer chain, recycling NAD+.

· Under anaerobic conditions, various fermentation pathways generate ATP by glycolysis and recycle NAD+ by transferring electrons from NADH to pyruvate or derivatives of pyruvate.

· في alcohol fermentation, pyruvate is converted to ethanol in two steps.

° First, pyruvate is converted to a two-carbon compound, acetaldehyde, by the removal of CO2.

° Second, acetaldehyde is reduced by NADH to ethanol.

° Alcohol fermentation by yeast is used in brewing and winemaking.

· During lactic acid fermentation, pyruvate is reduced directly by NADH to form lactate (the ionized form of lactic acid) without release of CO2.

° Lactic acid fermentation by some fungi and bacteria is used to make cheese and yogurt.

° Human muscle cells switch from aerobic respiration to lactic acid fermentation to generate ATP when O2 is scarce.

§ The waste product, lactate, may cause muscle fatigue, but ultimately it is converted back to pyruvate in the liver.

· Fermentation and cellular respiration are anaerobic and aerobic alternatives, respectively, for producing ATP from sugars.

° Both use glycolysis to oxidize sugars to pyruvate with a net production of 2 ATP by substrate-level phosphorylation.

° Both use NAD+ as an oxidizing agent to accept electrons from food during glycolysis.

· The two processes differ in their mechanism for oxidizing NADH to NAD+.

° In fermentation, the electrons of NADH are passed to an organic molecule to regenerate NAD+.

° In respiration, the electrons of NADH are ultimately passed to O2, generating ATP by oxidative phosphorylation.

· More ATP is generated from the oxidation of pyruvate in the citric acid cycle.

° Without oxygen, the energy still stored in pyruvate is unavailable to the cell.

° Under aerobic respiration, a molecule of glucose yields 38 ATP, but the same molecule of glucose yields only 2 ATP under anaerobic respiration.

· Yeast and many bacteria are facultative anaerobes that can survive using either fermentation or respiration.

° At a cellular level, human muscle cells can behave as facultative anaerobes.

· For facultative anaerobes, pyruvate is a fork in the metabolic road that leads to two alternative routes.

° Under aerobic conditions, pyruvate is converted to acetyl CoA and oxidation continues in the citric acid cycle.

° Under anaerobic conditions, pyruvate serves as an electron acceptor to recycle NAD+.

· The oldest bacterial fossils are more than 3.5 billion years old, appearing long before appreciable quantities of O2 accumulated in the atmosphere.

° Therefore, the first prokaryotes may have generated ATP exclusively from glycolysis.

· The fact that glycolysis is a ubiquitous metabolic pathway and occurs in the cytosol without membrane-enclosed organelles suggests that glycolysis evolved early in the history of life.

2. Glycolysis and the citric acid cycle connect to many other metabolic pathways.

· Glycolysis can accept a wide range of carbohydrates for catabolism.

° Polysaccharides like starch or glycogen can be hydrolyzed to glucose monomers that enter glycolysis.

° Other hexose sugars, such as galactose and fructose, can also be modified to undergo glycolysis.

· The other two major fuels, proteins and fats, can also enter the respiratory pathways used by carbohydrates.

· Proteins must first be digested to individual amino acids.

° Amino acids that will be catabolized must have their amino groups removed via deamination.

° The nitrogenous waste is excreted as ammonia, urea, or another waste product.

· The carbon skeletons are modified by enzymes and enter as intermediaries into glycolysis or the citric acid cycle, depending on their structure.

· Catabolism can also harvest energy stored in fats.

· Fats must be digested to glycerol and fatty acids.

° Glycerol can be converted to glyceraldehyde phosphate, an intermediate of glycolysis.

° The rich energy of fatty acids is accessed as fatty acids are split into two-carbon fragments via beta oxidation.

° These molecules enter the citric acid cycle as acetyl CoA.

· A gram of fat oxides by respiration generates twice as much ATP as a gram of carbohydrate.

· The metabolic pathways of respiration also play a role in anabolic pathways of the cell.

· Intermediaries in glycolysis and the citric acid cycle can be diverted to anabolic pathways.

° For example, a human cell can synthesize about half the 20 different amino acids by modifying compounds from the citric acid cycle.

° Glucose can be synthesized from pyruvate fatty acids can be synthesized from acetyl CoA.

· Glycolysis and the citric acid cycle function as metabolic interchanges that enable cells to convert one kind of molecule to another as needed.

° For example, excess carbohydrates and proteins can be converted to fats through intermediaries of glycolysis and the citric acid cycle.

· Metabolism is remarkably versatile and adaptable.

3. Feedback mechanisms control cellular respiration.

· Basic principles of supply and demand regulate the metabolic economy.

° If a cell has an excess of a certain amino acid, it typically uses feedback inhibition to prevent the diversion of intermediary molecules from the citric acid cycle to the synthesis pathway of that amino acid.

· The rate of catabolism is also regulated, typically by the level of ATP in the cell.

° If ATP levels drop, catabolism speeds up to produce more ATP.

· Control of catabolism is based mainly on regulating the activity of enzymes at strategic points in the catabolic pathway.

· One strategic point occurs in the third step of glycolysis, catalyzed by phosphofructokinase.

· Allosteric regulation of phosphofructokinase sets the pace of respiration.

° This enzyme catalyzes the earliest step that irreversibly commits the substrate to glycolysis.

° Phosphofructokinase is an allosteric enzyme with receptor sites for specific inhibitors and activators.

° It is inhibited by ATP and stimulated by AMP (derived from ADP).

§ When ATP levels are high, inhibition of this enzyme slows glycolysis.

§ As ATP levels drop and ADP and AMP levels rise, the enzyme becomes active again and glycolysis speeds up.

· Citrate, the first product of the citric acid cycle, is also an inhibitor of phosphofructokinase.

° This synchronizes the rate of glycolysis and the citric acid cycle.

· If intermediaries from the citric acid cycle are diverted to other uses (e.g., amino acid synthesis), glycolysis speeds up to replace these molecules.

· Metabolic balance is augmented by the control of other enzymes at other key locations in glycolysis and the citric acid cycle.


9.3: Breathing - Biology

ATP Synthase (Image from the Nobel Prize Foundation)

الفصل 9
التنفس الخلوي

In this chapter, students will read about the process of cellular respiration. They will read about the major steps in this process and how it differs from the anaerobic processes of alcoholic and lactic acid fermentation. The links below lead to additional resources to help you with this chapter. وتشمل هذه Hot Links to Web sites related to the topics in this chapter, the Take It to the Net activities referred to in your textbook, a Self-Test you can use to test your knowledge of this chapter, and Teaching Links that instructors may find useful for their students.

Hot Links Take it to the Net
Chapter Self-Test Teaching Links


What are Web Codes?
Web Codes for Chapter 9:
Active Art: Cellular Respiration
Miller & Levine: Issue: Should Creatine Supplements be Banned?
Data Sharing: Making Kimchi
SciLinks: Cellular Respiration
SciLinks: Krebs Cycle
Self-Test

Section 9-1: Chemical Pathways
Cellular respiration is the process that releases energy by breaking down food molecules in the presence of oxygen.
Glycolysis is the process in which one molecule of glucose is broken in half, producing two molecules of pyruvic acid, a 3-carbon compound.
Glycolysis captures two pairs of high-energy electrons with the carrier NAD+.
Because glycolysis does not require oxygen, it supplies chemical energy to cells when oxygen is not available.
The two main types of fermentation are alcoholic fermentation and lactic acid fermentation.
In the absence of oxygen, yeast and a few other microorganisms use alcoholic fermentation, forming ethyl alcohol and carbon dioxide as wastes.
Animals cannot perform alcoholic fermentation, but some cells, such as human muscle cells, can convert glucose into lactic acid. This is called lactic acid fermentation.

Section 9-2: The Krebs Cycle and Electron Transport
During the Krebs cycle, pyruvic acid is broken down into carbon dioxide in a series of energy-extracting reactions.
The electron transport chain uses the high-energy electrons from the Krebs cycle to convert ADP into ATP.
The products of photosynthesis are similar to the reactants of cellular respiration. The products of cellular respiration are the reactants of photosynthesis.

What's your opinion on the use of Creatine Supplements in sports training? Check out this Issue in Biology on Page 233.


9.3: Breathing - Biology

In order to see how gas exchange occurs we need to look further into the lungs. Firstly we know that air enters the body through the mouth or nose, from here it moves to the pharynx (throat), passes through the larynx (voice box) and enters the ةقصبة الهوائية. The trachea splits into two branches, the left and right bronchus, each bronchus divides many times into smaller branches called bronchioles. Each bronchiole finally leads to a bunch of tiny air sacs, called الحويصلات الهوائية, which inflate during inhalation, and deflate during exhalation.

It is at the alveoli where gas exchange يحدث.

Gas exchange is the delivery of oxygen from the lungs to the bloodstream, and the elimination of carbon dioxide from the bloodstream to the lungs and out of the body.

Air enters the body through the mouth and nose, from here it moves to the pharynx (throat), passes through the larynx (voice box) and enters the trachea.

The trachea splits into two branches, the left and right bronchus, each bronchus divides many times into smaller branches called bronchioles.

Each bronchiole finally leads to a bunch of tiny air sacs, called alveoli, which inflate during inhalation, and deflate during exhalation.

Gas exchange is the delivery of oxygen from the lungs to the bloodstream, and the elimination of carbon dioxide from the bloodstream to the lungs and out of the body. It takes place in the alveoli.

The walls of the alveoli are surrounded by a network of blood capillaries. In fact the alveoli walls share a membrane with the capillaries which allows for oxygen to diffuse through the alveoli wall and enter the bloodstream and then travel to the heart. At the same time it allows for carbon dioxide to diffuse from the bloodstream into the alveoli and exhaled out of the body. Both oxygen and carbon dioxide move from areas of high concentration to areas of lower concentration.


شاهد الفيديو: أحياء أول ثانوي - ما هو التنفس اللاهوائي (كانون الثاني 2022).