แบบจำลองชุดการหายใจระดับเซลล์ (Internal respiration simulator)

                                           

                         แบบจำลองชุดการหายใจระดับเซลล์

                         (Internal respiration simulator)

         การหายใจระดับเซลล์เป็นกระบวนการเผาผลาญอาหารภายในเซลล์ เพื่อให้เกิดพลังงานเก็บไว้ในรูปของพลังงานเคมี ATP (adenosine triphosphate) ซึ่งถ้าเป็นกระบวนการหายใจแบบใช้ O ₂ (Aerobic respiration) จะได้ ATP จำนวนมากมี CO₂ และ H₂O เป็น end product แต่ถ้าเป็นกระบวนการหายใจแบบไม่ใช้ O₂(Anaerobic respiration) จะได้ ATP จำนวนน้อย end product คือ C₂H₅OH (ethyl alcolhol และ CO₂ ในเซลล์พืชและได้ C₃H₆O₃ (lactic acid) ในเซลล์สัตว์

แบบจำลองชุดนี้มีจุดประสงค์เพื่อแสดงกระบวนการสร้างพลังงานของเซลล์สิ่งมีชีวิตทั้งแบบใช้และไม่ใช้ O₂ โดยประกอบขึ้นจากวัสดุที่มีราคาถูกลักษณะอุปกรณ์เป็น 3 มิติ จำลองมาเพียง 1 เซลล์ แสดงเฉพาะส่วนของเซลล์ที่เกิดพลังงานคือไมโตคอนเดรีย (mitochondria) และไซโทพลาสซึม (cytoplasm) ใช้ดวงไฟแทนปริมาณพลังงานที่เกิดขึ้นจากกระบวนการมีวงจรไฟฟ้าควบคุมการปิด - เปิด โดยอัตโนมัติทั้งยังแสดง ให้เห็นถึงสารที่เข้าทำปฏิกิริยาและสารที่ได้รับจากกระบวนการ โดยใช้วัสดุทรงกลมแทนจำนวนโมเลกุลของ สารเหล่านั้น และ ให้สีแตกต่างกันแทนสารแต่ละชนิด นักเรียนสามารถใช้แบบจำลองนี้ศึกษากระบวนการหายใจระดับเซลล์ทั้งใช้และไม่ใช้ O₂ ได้ทั้งพืชและสัตว์ ใช้ทดสอบความเข้าใจและทบทวนสมการของกระบวนการหายใจที่เกิดขึ้นได้ด้วยตนเอง นอกจากนี้ครูสามารถใช้แบบจำลองนี้เป็นสื่อในการเรียนการสอนวิชาชีววิทยาทั้งระดับมัธยมศึกษาตอนต้นและมัธยมศึกษาตอนปลาย

วัสดุอุปกรณ์

รายการ	จำนวน
1. ท่อพลาสติกใส ศ.ก 4 cm ยาว 1 cm	1 ท่อ (ใหญ่)
2. ท่อพลาสติกใส ศ.ก 2.5 cm ยาว 1 cm	8 ท่อ (เล็ก)
3. ดวงไฟความต่างศักย์ 1.5 โวลต์	6 ดวง
4. วัสดุทรงกลม ศ.ก 32 mm	2 ลูก (ใหญ่)
5. วัสดุทรงกลม ศ.ก 20 mm	24 ลูก (เล็ก)
6. สวิทซ์	4 ตัว
7. สายไฟ	1.20 เมตร
8. กระดานไม้ขนาด 60 x 70 cm	-
9. กล่องสี่เหลี่ยมขนาด 25 x 35 x 10	-
10. สี (แตกต่างกัน)	สีละ 1 หลอด

คำอธิบายแบบจำลอง

กล่องสี่เหลี่ยมจะใช้แทนเซลล์ของสิ่งมีชีวิต 1 เซลล์ ที่ยังมีชีวิตอยู่ภายในเซลล์แสดงเฉพาะส่วนที่สร้างพลังงานคือ Mitochondria และ Cyloplasm ใช้ดวงไฟแสดงพลังงานที่เกิดขึ้น ดวงไฟสว่าง 1 ดวงมีค่าเท่ากับ 1 ATP ในไมโตคอนเดรียแต่ละรูปจะติดดวงไฟ 7 ดวง หมายถึง เกิดพลังงาน 17 ATP ส่วนในไซโทพลาสซึมจะแสดงไว้ 4 ATP ด้านเหนือและใต้กล่องสี่เหลี่ยมบรรจุท่อพลาสติกใสด้านละ 2 ท่อ โดยด้านบนจะเป็นท่อขนาดใหญ่ 1 ท่อ ภายในท่อบรรจุวัสดุทรงกลม ซึ่งใช้แทนจำนวนโมเลกุลของสารที่ทำปฏิกิริยาและสารที่ได้รับจากกระบวนการโดยให้สีแตกต่างกันวัสดุทรงกลม 1 ลูกแทน 1 โมเลกุลในที่นี้กำหนดให้

วัสดุทรงกลมใหญ่	แทน C6H12O6 (glucose)
วัสดุทรงกลมเล็ก	แทน - C2H5OH (ethyl alochol)
	- C2H6OH (lactic acid)
	- CO2
	- H2O
	- O2

วิธีใช้แบบจำลองอธิบาย

1. ก่อนอธิบายทุกครั้งจะเริ่มต้นด้วยการบรรจุวัสดุทรงกลมลงในท่อพลาสติกใส โดยมีรายละเอียดตามแผนภาพด้านล่างนี้

2. Aerobic respiration ในเซลล์พืชและสัตว์

เมื่อต้องการอธิบายการหายใจระดับเซลล์แบบใช้ O₂ ในเซลล์พืชและสัตว์ให้กดสวิทซ์ที่ 1 หรือ 2 หลอดไฟจะสว่างขึ้นทุกดวงทั้งใน Cytoplasm และ mitochondria แสดงให้เห็นว่าเกิดพลังงานขึ้น 38 ATP และวัสดุทรงกลมที่แสดง 1 โมเลกุลของ glucose และ 6 โมเลกุลของ O₂ จะหล่นสู่ภายในกล่อง แสดง ให้เห็นว่าการหายใจระดับเซลล์แบบใช้ O₂ นี้จะมี glucose เป็นสารตั้งต้นของกระบวนการ นอกจากนี้วัสดุทรงกลมที่แสดงถึง 6 โมเลกุลของ H₂O และ 6 โมเลกุล CO₂ ซึ่งอยู่ภายในกล่องจะหล่นออกสู่ภายนอก กล่อง แสดงถึง end product ที่ได้รับจากกระบวนการ สามารถอธิบายในรูปสามารถง่ายๆ ได้ว่า

C6H12O6 + 6O2

----------------------->

6CO2 + 6H2O + 38ATP

แสดงเฉพาะปริมาณพลังงานที่เกิดขึ้นจากกระบวนการมิได้หักพลังงานที่ใช้ไปอีก 2 ATP ในการนำ NADH + H⁺ จาก cytoplasm ผ่านผนังของ mitochondria เข้าสู่กระบวนการ Electron transport

3. Anaerobic respiration ในเซลล์พืช

เมื่อต้องการอธิบายการหายใจระดับเซลล์แบบไม่ใช้ O₂ ในเซลล์พืช ให้ตั้งต้นการใช้แบบจำลองจากข้อ (1) เสียก่อน โดยบรรจุวัสดุทรงกลมลงในท่อพลาสติกให้ ครบ จากนั้นกดสวิทซ์หมายเลข 3 ดวงไฟที่อยู่ใน cytoplasm จะสว่างขึ้น 4 หลอด แต่ดวงไฟที่อยู่ใน mitochondria จะดับ แสดงให้เห็นว่าเกิดพลังงานขึ้น 4 ATP ซึ่งเป็นพลังงานที่เกิดขึ้นใน cytoplasm เท่านั้น นอกจากนี้วัสดุทรงกลมที่แสดงถึง 1 โมเลกุลของ glucose จะหล่นสู่ภายในกล่องและวัสดุทรงกลมที่แสดงถึง 2 โมเลกุลของ C₂H₅OH และ 2 โมเลกุลของ CO₂ จะหล่นสู่ภายนอกกล่องแสดงให้เห็น ว่าการหายใจระดับเซลล์แบบไม่ใช้ O₂ ในเซลล์พืชนี้จะใช้ glucose เป็นสารตั้งต้นของกระบวนการเช่นกัน แต่ end product ที่ได้รับ คือ 2C2H 5OH (Elthyl aclohol) กัน 2CO₂ ต่อ glucose 1 โมเลกุล กระบวนการนี้ไม่เกิด H₂O พลังงานที่เกิดขึ้น 4 ATP แต่ละได้รับจริง 2 ATP เพราะถูกใช้ไป 2ATP จากกระบวนการ glycolysis การหายใจระดับเซลล์โดยไม่ใช้ O₂ แสดงในรูปสมการอย่างง่ายๆ คือ

C6H12O6

----------------------->

2CO2 + 2C2H5OH + 4ATP

4. Anaerobic respiration ในเซลล์สัตว์

เมื่อต้องการอธิบายการหายใจระดับเซลล์แบบไม่ใช้ O₂ ในเซลล์สัตว์ให้ตั้งต้นการใช้แบบจำลองจากข้อ (1) ก่อนโดยบรรจุวัสดุทรงกลมลงในท่อพลาสติกใส จากนั้นกดสวิทซ์ หมายเลข 4 ดวงไฟที่แสดงอยู่ใน Cytoplas จะสว่างขึ้น 4 หลอด ส่วนดวงไฟใน Mitochondria จะดับ วัสดุทรงกลมที่แสดง 1 โมเลกุลของ glucose จะหล่นสู่ภายในกล่องและวัสดุทรงกลมที่แสดง 2 โมเลกุลของ lactic acid จะหล่นสู่ภายนอกกล่องแสดงให้เห็นว่าการ หายใจระดับเซลล์ในเซลล์สัตว์จะใช้ glucose เป็นสารตั้งต้นเช่นกันแต่ไม่ใช้ O₂ ในปฏิกิริยาของกระบวนการ end product ที่ได้รับคือ lactic acid 2 โมเลกุล ต่อ glucose 1 โมเลกุล กระบวนการนี้ไม่เกิด CO₂ และ H₂O พลังงานที่เกิดขึ้น 4 ATP แต่ได้รับจริงเพียง 2 ATP ทั้งนี้เพราะถูกใช้ไป 2 ATP จากกระบวนการ glycolysis แสดงในรูปสมการอย่างง่ายๆ คือ

C6H12O6

----------------------->

2C3H6O3 + 4ATP

ที่มา http://web.ku.ac.th/schoolnet/snet4/respirate/index.html วันที่ 1 กุมภาพันธุ์ 2556