აქტივობა 5. უჯრედული სუნთქვა

მიზანი:

მოსწავლემ იმსჯელოს აერობული და ანაერობული სუნთქვის თავისებურებებზე, შეადაროს ისინი ერთმანეთს, ჩაწეროს სათანადო ქიმიური რეაქციების სახით.

 

რესურსები:

ილუსტრაციები სხვადასხვა ორგანიზმის გამოსახულებით, რომელთაც სუნთქვის განსხვავებული საშუალებები გააჩნიათ ელ. ფორმატში, ან ნებისმიერი თვალსაჩინოების სახით, ტაბულა, მაკეტი, ან სლაიდი ადამიანის სასუნთქი სისტემის საჩვენებლად, ბარათები კითხვებით და თავისუფალი ფურცლები ჯგუფებში სამუშაოდ.

 

მსვლელობა:

1. მასწავლებელი სვამს სამოტივაციო კითხვებს:
1) რატომ ითვლება სუნთქვა ერთ–ერთ ძირითად სასიცოცხლო პროცესად?

(სუნთქვა აუცილებელია ცოცხალი ორგანიზმისათვის, ვინაიდან სუნთქვის შედეგად ორგანიზმი იღებს ჟანგბადს, რომელიც ხმარდება ორგანული ნივთიერებების დაჟანგვას. ორგანიზმს სჭირდება დაჟანგვის შედეგად გამოყოფილი ენერგია).

2) საკვების გარეშე ორგანიზმს შეუძლოია სიცოცხლე შეინარჩუნოს მრავალი დღის განმავლობაში, წყლის გარეშე 2–3 დღე, რატომ ძლებს ის ჰაერის გარეშე მხოლოდ რამდენიმე წუთი?

(ორგანიზმს გააჩნია საკვები ნივთიერებების გარკვეული მარაგი და ოსმორეგულაციის მექანიზმები, რომელთაც იყენებს შიმშილისა და წყურვილის შემთხვევაში. მაგრამ მას არ შეუძლია მოიმარაგოს ჟანგბადი, ან დააგროვოს ენერგია. შესაბამისად, ორგანიზმი დამოკიდებულია ჩასუნთქულ ჰაერში არსებულ ჟანგბადზე).

3) რომელი ორგანული ნივთიერება წარმოადგენს ენერგიის ძირითად წყაროს უჯრედისათვის?

(გლუკოზა).

 

2. მასწავლებელს გამოაქვს წინასწარ შერჩეული ილუსტრაციები და სთხოვს მოსწავლეებს დაასახელონ მათზე ასახული ორგანიზმების სუნთქვის ორგანოები. მოსწავლეები იხსენებენ და ასახელებენ კლასიფიკაციის სხვადასხვა საფეხურზე მდგომი ორგანიზმების სუნთქვის საშუალებს.


ორგანიზმების სუნთქვის ორგანოები


(მწერი იღებს ჟანგბადს - ტრაქეებით, ნიანგი, თაგვი და მერცხალი - ფილტვებით, ამება უჯრედის მთელი ზედაპირით, კიბორჩხალა - ლაყუჩებით, მცენარე - ბაგეებით)

მასწავლებელს გამოაქვს ადამიანის სასუნთქი სისტემის ამსახველი ტაბულა, მაკეტი ან აჩვენებს მას ეკრანზე, სთხოვს მოსწავლეებს დაასახელონ ადამიანის სუნთქვის ორგანოები იმ თანმიმდევრობით, რომლითაც მათ გაივლის ჰაერი ჩასუნთქვის დროს, ან შეუსაბამონ სურათზე დატანილ ნუმერაციას სასუნთქი ორგანოების ჩამონათვალი

 

3. მასწავლებელი აცნობს კლასს გაკვეთილის მიზანს: გაანალიზონ აერობული და ანაერობული სუნთქვის თავისებურებები; ურიგებს მოსწავლეებს საინფორმაციო ტექსტს შესაბამისი თემატიკით (იხ. დამატებითი ინფორმაცია მასწავლებლებლისათვის), ან იყენებს სახელმძღვანელოში არსებულ მასალას; სთხოვს გაეცნონ ტექსტს ინდივიდუალურად.

 

4. მასწავლებელი ყოფს კლასს ოთხ ჯგუფად და ურიგებს თითოეულ ჯგუფს ბარათს კითხვებით, სთხოვს იმუშაონ ჯგუფებში, იმსჯელონ, ჩამოაყალიბონ პასუხები და მოამზადონ პრეზენტაცია.

 

პირველი ჯგუფი

1. გაიხსენე, როგორ “ხვდება” ენერგია გლუკოზის მოლეკულაში?

(გლუკოზის მოლეკულაში ენერგია ხვდება მზის ენერგიის ქიმიურ ენერგიად გარდაქმნის შედეგად, რასაც ადგილი აქვს ფოტოსინთეზის პროცესში).

2. უჯრედის რომელ ნაწილში მიმდინარეობს გლიკოლიზი? აერობული სუნთქვა?

(გლიკოლიზი მიმდინარეობს ციტოპლაზმაში, ხოლო აერობული სუნთქვა - მიტოქონდრიაში).

3. შეადარე ერთმანეთს წვა და სუნთქვა შემდეგი კრიტერიუმების მიხედვით: ა) დაშლის საბოლოო პროდუქტები; ბ) გამოყოფილი ენერგიის სახეობა და ინტენსივობა.

(როგორც წვის, ასევე სუნთქვის შედეგად საბოლოოდ გამოიყოფა ნახშირორჟანგი და წყალი; ბ) წვის დროს ენერგია გამოიყოფა ერთდროულად და იფანტება სითბოსა და სინათლის სახით; სუნთქვის დროს ენერგია გამონთავისუფლდება ეტაპობრივად; მისი ნაწილი გამოიყოფა სითბოს სახით, ნაწილი კი გადადის ქიმიურ ენერგიაში და მარაგდება ატფ-ის მოლეკულაში).

 

მეორე ჯგუფი

1. რა რაოდენობის ენერგია გამოიყოფა ატფ-ში ორივე მაკროერგული ბმის გახლეჩის შედეგად?

(80 კჯ).

2. გამოსახე ქიმიური განტოლების სახით გლუკოზის ანაერობული დაშლა.

პიროყურძნის მჟავას წარმოქმნა:

C6H12O6 +2H3PO4 + 2ადფ = 2C3H4O3+ 2Н++2ატფ + 2H2O;

მოსწავლეს შეუძლია აგრეთვე გამოსახოს დუღილის ამსახველი განტოლებაც:

რძემჟავა დუღილი:

C6H12O6 + 2H3PO4 + 2ადფ = 2C3H6O3 + 2ატფ + 2H2O

სპირტული დუღილი:

C6H12O6 + 2H3PO4 + 2ადფ = 2CO2 + 2C2H5OH + 2ატფ + 2H2O).

3. მოიფიქრე და დაასაბუთე, უჯრედული სუნთქვის რომელი ეტაპის განხორციელება იქნება შესაძლებელი ხელოვნურად, უჯრედის გარეშე? როგორ შეიძლება განხორციელდეს ეს პროცესი?

(უჯრედის გარეშე შეიძლება განხორციელდეს გლიკოლიზი, რადგან მას არ ესაჭიროება მიტოქონდრია. გლიკოლიზის განსახორციელებლად საჭიროა ხელოვნურ არეში შევიტანოთ გლუკოზა, სათანადო ფერმენტების ნაკრები, დავიცვათ საჭირო ტემპერატურა და pH).

 

მესამე ჯგუფი

1. რომელი ორგანიზმებისთვის იქნება გლიკოლიზი ენერგიის მიღების ერთადერთი საშუალება? (გლიკოლიზს, როგორც ენერგიის მიღების ერთადერთ საშუალებას იყენებენ ის პროკარიოტული ორგანიზმები, რომელთაც მიტოქონდრია არ გააჩნიათ. კერძოდ, ანაერობული ბაქტერიებისათვის გლიკოლიზი წარმოადგენს ენერგიის მიღების ერთადერთ საშუალებას (აერობულ ბაქტერიებში გლიკოლიზი აღარ არის ენერგიის მიღების ერთადერთი წყარო, რადგან მიტოქონდრიის როლს ითავსებს პლაზმური მემბრანის უბნები)).

2. რით არის განპირობებული პურის ცხობისას ცომის აფუება?

(ცომის ამოფუების მიზეზია საფუარა სოკოების მიერ წარმოებული სპირტული დუღილი. ეს სოკოები საკვებად იყენებენ ფქვილის ნახშირწყლებს, შლიან მათ სპირტული დუღილის გზით და გამოყოფენ ნახშირორჟანგს. ეს უკანასკნელი წარმოქმნის აირით სავსე ბუშტუკებს და შედეგად, იწვევს ცომის ამოფუებას. ამ პროცესის დროს წარმოქმნილი სპირტი ორთქლდება).

3. შეადარე ერთმანეთს გლუკოზის უჟანგბადო და ჟანგბადიანი დაშლა შემდეგი კრიტერიუმების მიხედვით: ა)მიმდინარეობის ადგილი; ბ) საწყისი ნივთიერებები; გ) დაშლის პროდუქტები; დ) წარმოქმნილი ატფ-ს მოლეკულების რაოდენობა.

(უჟანგბადო - მიმდინარეობს ციტოპლაზმაში; საწყისი ნივთიერებაა გლუკოზა, საბოლოო პროდუქტია პიროყურძნის მჟავა/რძემჟავა/ეთანოლი და წყალი; წარმოქმნილი ატფ-ის რაოდენობაა 2 მოლეკულა. 

ჟანგბადიანი - მიმდინარეობს მიტოქონდრიაში; საწყისი ნივთიერებაა პიროყურძნის მჟავა; საბოლოო პროდუქტებია ნახშირორჟანგი და წყალი; წარმოქმნილი ატფ-ის რაოდენობაა 36 მოლეკულა).

 

მეოთხე ჯგუფი

1. როგორ გესმის ტერმინი ,, მაკროერგული ბმა”?

(ენერგიით მდიდარი ბმა, ანუ ბმა, რომლის გახლეჩის შედეგად დიდი რაოდენობით ენერგია გამოიყოფა).

2. გამოსახე ქიმიური განტოლების სახით გლუკოზის აერობული დაშლა.

(2C3H6O3 + 6O2 + 36H3PO4 + 36ადფ = 6CO2 + 6H2O + 36ატფ + 36H2O).

3. მოიფიქრე სქემა, რომელზეც ასახული იქნება აერობული და ანაერობული სუნთქვის პროცესების მიმდინარეობა უჯრედში. სამუშაოს შესრულებისას ყურადღება მიაქციე შემდეგ კრიტერიუმებს: ა) სად მიმდინარეობს თითოეული პროცესი; ბ) რომელს სჭირდება ჟანგბადის თანაობა; გ) რა არის თითოეულის საწყისი და საბოლოო პროდუქტები; დ) რამდენი მოლეკულა წარმოიქმნება თითოეული პროცესის შედეგად.


4. ჯგუფური მუშაობის დასრულების შემდეგ მასწავლებელი ისმენს პრეზენტაციებს, კლასთან ერთად განიხილავს არასწორ პასუხებს, აკეთებს შეფასებას.

 

 

დამატებითი ინფორმაცია მასწავლებელთათვის

 

ნახშირწყლების დაშლა უჯრედში.

აერობული და ანაერობული სუნთქვის თავისებურებები

ნახშირწყლები უჯრედში სამ ძირითად ფუნქციას ასრულებენ: ენერგეტიკულს, სამარაგოსა და სტრუქტურულს. განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია ნახშირწყლები, როგორც ენერგეტიკული საწვავი. ამ როლს უჯრედში უპირატესად გლუკოზა ასრულებს. ნახშირწყლების სამარაგო როლიც თავისთავად, ენერგეტიკულ ფუნქციას უკავშირდება, რადგან საჭიროების შემთხვევაში სამარაგო ნახშირწყლები გლუკოზამდე იშლება და ორგანიზმს საჭირო ,,საწვავს” აწვდის. ენერგია უჯრედში გლუკოზის დაშლის შედეგად გამოიყოფა. გამოყოფილი ენერგია ენერგომატარებელი მოლეკულის, ადენოზინტრიფოსფორმჟავას (ატფ) სინთეზს ხმარდება და ამავე მოლეკულის სახით ინახება იქამდე, სანამ მისი საჭიროებისამებრ გამოყენება არ მოხდება.

ქიმიური შედგენილობის მიხედვით ატფ რნმ-ის ნუკლეოტიდია, მაგრამ სხვა ნუკლეოტიდებისაგან განსხვავებით ის ფოსფორმჟავას სამ ნაშთს შეიცავს. ბმა, რომლითაც ატფ-ის მოლეკულაში ფოსფორმჟავას ნაშთები ერთმანეთთან არიან დაკავშირებულები, განსაკუთრებულია. მისი გახლეჩის შედეგად ენერგიის საკმაოდ დიდი რაოდენობა – 40კჯ გამოიყოფა, ამიტომ ასეთ ბმას მაკროერგულს უწოდებენ. ფოსფორმჟავას ერთი ნაშთის მოხლეჩის შედეგად მოლეკულაში ორი ნაშთი რჩება და ადენოზინდიფოსფორმჟავა (ადფ) მიიღება. ორი ფოსფორმჟავას მოხლეჩის შედეგად წარმოიქმნება მონოფოსფორმჟავა (ამფუ). უჯრედი არ ქმნის ატფ–ის მარაგს. ის განუწყვეტლივ ასინთეზირებს და ხარჯავს მას საკუთარი საჭიროებების დასაკმაყოფილებლად. ატფ ყველა ტიპის უჯრედში გვხვდება. მის მიერ მოწოდებული ენერგია საჭიროა ანაბოლური ცვლის რეაქციების აბსოლუტური უმრავლესობისათვის: ატფ მონაწილეობს ბიოსინთეზის რეაქციებში, სატრანსპორტო პროცესებში, სხვადასხვა მექანიკური სამუშაოს შესრულებაში, როგორიცაა წამწამების მოძრაობა, კუნთების შეკუმშვა და სხვ.

როგორ ხორციელდება გლუკოზის მოლეკულაში აკუმულირებული ენერგიის გარდაქმნა ატფ–ის ენერგიად? ეს პროცესი გლუკოზის დაშლის შედეგად ხორციელდება. დაშლის პროცესში გამონთავისუფლებული ენერგიის ნაწილი სითბოს სახით იფანტება, ხოლო ნაწილი – ატფ–ის მოლეკულის სინთეზს ხმარდება.

გლუკოზის დაშლა რთული და ეტაპობრივად მიმდინარე რეაქციების ერთობლიობაა, რომელთაგანაც თითოეულს საკუთარი ფერმენტი აკატალიზებს. ენერგიის გარდა, გლუკოზის სრული დაშლის შედეგად გამოიყოფა ენერგიით ,,ღარიბი” არაორგანული ნივთიერებები – წყალი და ნახშირორჟანგი.

C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + ენერგია

გლუკოზის დაშლის პირველი ეტაპს გლიკოლიზი ეწოდება. ეს ტერმინი «შაქრის გახლეჩას» ნიშნავს. გლიკოლიზის დროს გლუკოზის ექვსნახშირბადიანი მოლეკულა (C6H12O6) პიროყურძნის მჟავას ორ სამნახშირბადიან მოლეკულად (C3H4O3) იშლება. პროცესს თან ახლავს ატფ-ის ორი მოლეკულის წარმოქმნა, რაც ნიშნავს, რომ გლიკოლიზის დროს გამოყოფილი ენერგია ორ მოლეკულა ატფ-ში მარაგდება. გლიკოლიზი ციტოპლაზმაში მიმდინარეობს და ჟანგბადის თანაობას არ მოითხოვს. სწორედ ამიტომ უჯრედული სუნთქვის ეს ეტაპი ანაერობული სუნთქვის, ან ანაერობული დაშლის სახელით არის ცნობილი.

C6H12O6 + 2H3PO4 + 2ადფ = 2C3H4O3 + 2Н+ + 2ატფ + 2H2O

გლიკოლიზის შედეგად მიღებულ პიროყურძნის მჟავას მოლეკულაში ენერგიის კიდევ საკმაო ნაწილი რჩება გამოუყენებელი. პიროყურძნის მჟავას შემდგომი ბედი დამოკიდებულია გარემოში ჟანგბადის არსებობაზე. ანაერობულ პირობებში პიროყურძნის მჟავას შემდგომი გარდაქმნა შესაძლებელია დუღილის გზით წარიმართოს, რაც ძირითადად, მიკროორგანიზმებისათვის არის დამახასიათებელი, თუმცა ჟანგბადის დეფიციტის პირობებში დუღილი შეიძლება მრავალუჯრედიანთა უჯრედებშიც განხორციელდეს.

განარჩევენ სპირტულ და რძემჟავურ დუღილს.

რძემჟავური დუღილის დროს პიროყურძნის მჟავა იკავშირებს წყალბადს და აღდგება რძემჟავამდე.

პიროყურძნის მჟავა +Н2 რძემჟავა

СНзСОСООН СНзСНОНСООН;

ასეთ შემთხვევაში ანაერობული სუნთქვის შედეგად საბოლოოდ წარმოიქმნება რძემჟავა.

C6H12O6 + 2H3PO4 + 2ადფ = 2C3H6O3 + 2ატფ + 2H2O

რძემჟავური დუღილი მიმდინარეობს ზოგიერთ ბაქტერიაში, ასევე ეუკარიოტულ უჯრედებშიც ჟანგბადის დეფიციტის პირობებში. რძემჟავა ბაქტერიები საკვებად იყენებენ რძის შაქარს, დისაქარიდ ლაქტოზას და შლიან მას რძემჟავამდე. რძის პროდუქტების- მაწვნის, კეფირის, იოგურტის სპეციფიური მომჟავო გემო სწორედ ბაქტერიების მიერ გამოყოფილი რძის მჟავას დამსახურებაა.

სპირტული დუღილის დროს, რომელიც მიმდინარეობს ზოგიერთ ბაქტერიასა და საფუარა სოკოებში, პიროყურძნის მჟავა იხლიჩება ორ მოლეკულა ეთილის სპირტად (C2H5OH) და ნახშიროჟანგად. საერთო ჯამში, ერთი მოლეკულა გლუკოზის სპირტული დუღილის შედეგად წარმოიქმნება ეთილის სპირტი, ნახშირორჟანგი, წყალი და 2 მოლეკულა ატფ. დუღილის ამ ტიპს ადამიანები ოდითგანვე იყენებდნენ პურის, ღვინისა და ლუდის წარმოებაში.

C6H12O6 + 2H3PO4 + 2ადფ = 2C2H5OH + 2CO2 + 2ატფ + 2H2O

ჟანგბადის ნაკლებობის დროს, ატფ-ზე მოთხოვნილების დაკმაყოფილება ანაერობული გზით ხორციელდება. ასე ხდება, მაგალითად, ინტენსიური ფიზიკური დატვირთვის ადრეულ საფეხურზე, როდესაც ატფ-ის წარმოსაქმნელად უჯრედი სასწრაფოდ იწყებს გლუკოზის დაშლას და ეს პროცესი წინ უსწრებს ჟანგბადით კუნთების მომარაგებას. ჟანგბადის დეფიციტის პირობებში გლუკოზის დაშლის შედეგად წარმოიქმნება რძემჟავა, რომელიც გროვდება კუნთებში და იწვევს ტკივილს. მოგვიანებით რძემჟავა სისხლის საშუალებით ღვიძლში გადაიტანება, სადაც ის კვლავ პიროყურძნის მჟავად გარდაიქმნება.

აერობულ პირობებში უჯრედს საშუალება აქვს დაშალოს გლუკოზა ბოლომდე და მიიღოს მისგან უფრო მეტი ენერგია. გლუკოზის დაშლის მომდევნო ეტაპს, რომელიც მხოლოდ აერობულ პირობებში ხორციელდება, აერობული სუნთქვა (აერობული დაშლა) ეწოდება. ეს პროცესი მიტოქონდრიაში მიმდინარეობს.

მიტოქონდრიაში შესული პიროყურძნის მჟავა გარკვეულ გარდაქმნებს ექვემდებარება. მისგან იხლიჩება ნახშირორჟანგის მოლეკულები და წყალბადი. ეს პროცესი მიტოქონდრიის მატრიქსში მიმდინარეობს და წარმოადგენს რეაქციათა თანმიმდევრობას, რომელიც ლიმონმჟავა, ანუ კრებსის ციკლის სახელით არის ცნობილი (ჰანს კრებსი – ამ ციკლის პირველაღმომჩენი). ნახშირორჟანგის მოლეკულები მიტოქონდრიიდან ციტოპლაზმაში დიფუნდირებენ და საბოლოოდ, როგორც ნივთიერებათა ცვლის საბოლოო პროდუქტები, უჯრედიდან ქსოვილურ სითხეში გამოიყოფა. წყალბადი კი უკავშირდება სპეციალურ წყალბადგადამტან მოლეკულებს და გადაეცემა ე.წ. სუნთქვით ჯაჭვს – სპეციალური მოლეკულებისაგან შემდგარ თანმიმდევრობას, რომელიც მიტოქონდრიის შიდა მემბრანის კრისტებზეა განთავსებული. წყალბადგადამტანი მოლეკულების თანმიმდევრული ჟანგვა–აღდგენის შედეგად გამოიყოფა თავისუფალი ელექტრონები და წყალბადის პროტონები. სუნთქვით ჯაჭვზე მათი გადატანისას ეტაპობრივად გამოიყოფა ენერგია, რომელიც მიტოქონდრიის შიდა მემბრანაში ჩაშენებული ფერმენტის, ატფ–სინთეტაზას მიერ ატფ–ის სინთეზს ხმარდება. აღსანიშნავია ისიც, რომ მიტოქონდრიაში მცირე რაოდენობით ატფ წარმოიქმნება აგრეთვე კრებსის ციკლის მიმდინარეობის დროსაც, მიტოქონდრიის მატრიქსში. სულ, აერობული სუნთქვის პროცესში ერთი მოლეკულა გლუკოზის (ორი მოლეკულა პიროყურძნის მჟავას) სრული დაშლის შედეგად 36 მოლეკულა ატფ წარმოიქმნება.

წყალბადის პროტონების ,,საბოლოო დანიშნულების ადგილი” მოლეკულური ჟანგბადია. პროტონები მას წყლამდე აღადგენენ, რომელიც ნახშიროჟანგთან ერთად გლუკოზის დაშლის საბოლოო პროდუქტს წარმოადგენს.

2C3H6O3 + 6O2 + 36 H3PO4 + 36ადფ = 6CO2 + 6H2O + 36H2O + 36ატფ

ამგვარად, ერთი მოლეკულა გლუკოზის ანაერობული და აერობული დაშლის შედეგად სულ 38 მოლეკულა ატფ სინთეზირდება. მათგან უდიდესი წილი – 36 მოლეკულა ატფ, მიტოქონდრიაში მიმდინარე აერობულ სუნთქვაზე მოდის. ეს ციფრები თავისთავად მეტყველებენ, რამდენად ეფექტურია დაშლის აერობული გზა ანაერობულთან შედარებით.

 

მოსწავლეების ტიპური შეცდომები

მოსწავლეებმა არ იციან ანაერობული და აერობული სუნთქვის არსებითი დეტალები; მაგალითად, მათი მიმდინარების ადგილი უჯრედში, სხვაობა მათ ენერგეტიკულ გამოსავალში, მიტოქონდრიის როლი აერობულ სუნთქვაში; როგორც წესი პრობლემაა ენერგეტიკული ცვლის რეაქციების ჩაწერა კორექტული ფორმით.

 

სასარგებლო ინტერნეტლინკები:

მიტოქონდრიის როლი სუნთქვაში 

უჯრედულის სუნთქვის განხილვა ანიმაციის საშუალებით

http://www.sumanasinc.com/webcontent/animations/content/cellularrespiration.html
http://www.youtube.com/watch?v=3GTjQTqUuOw

უჯრედული ანიმაციები ძირითადი სასიცოცხლო პროცესების შესახებ