التنفس الهوائي: الخصائص والمراحل والكائنات الحية - مادة الاحياء - 2025

في التنفس الهوائي أو الهوائية هو عملية بيولوجية التي تنطوي على الحصول على الطاقة من الجزيئات العضوية - أساسا الجلوكوز - من خلال سلسلة من تفاعلات الأكسدة، حيث متقبل الإلكترون النهائي هو الأكسجين.

هذه العملية موجودة في الغالبية العظمى من الكائنات العضوية ، على وجه التحديد حقيقيات النوى. تتنفس جميع الحيوانات والنباتات والفطريات بطريقة هوائية. بالإضافة إلى ذلك ، تعرض بعض البكتيريا أيضًا التمثيل الغذائي الهوائي.

في حقيقيات النوى ، توجد آلية التنفس الخلوي في الميتوكوندريا.

المصدر: المعهد الوطني لبحوث الجينوم البشري (NHGRI) من Bethesda ، MD ، الولايات المتحدة الأمريكية ، عبر ويكيميديا ​​كومنز

بشكل عام ، يتم تقسيم عملية الحصول على الطاقة من جزيء الجلوكوز إلى تحلل السكر (هذه الخطوة شائعة في كل من المسارات الهوائية واللاهوائية) ، ودورة كريبس وسلسلة نقل الإلكترون.

يتعارض مفهوم التنفس الهوائي مع التنفس اللاهوائي. في الأخير ، المستقبِل النهائي للإلكترونات هو مادة أخرى غير عضوية ، تختلف عن الأكسجين. إنه نموذجي لبعض بدائيات النوى.

ما هو الأكسجين؟

قبل مناقشة عملية التنفس الهوائي ، من الضروري معرفة جوانب معينة من جزيء الأكسجين.

هو عنصر كيميائي ممثل في الجدول الدوري بالحرف O والرقم الذري 8. في ظل الظروف القياسية لدرجة الحرارة والضغط ، يميل الأكسجين إلى الارتباط في أزواج ، مما يؤدي إلى ظهور جزيء ثنائي الأكسجين.

هذا الغاز ، المكون من ذرتين من الأكسجين ، ليس له لون أو رائحة أو طعم ، ويتم تمثيله بالصيغة O ₂. في الغلاف الجوي ، يعتبر مكونًا بارزًا ، وهو ضروري للحفاظ على معظم أشكال الحياة على الأرض.

بفضل الطبيعة الغازية للأكسجين ، يستطيع الجزيء عبور أغشية الخلايا بحرية - كل من الغشاء الخارجي الذي يفصل الخلية عن البيئة خارج الخلية ، وأغشية الأجزاء تحت الخلوية ، بما في ذلك الميتوكوندريا.

خصائص التنفس

تستخدم الخلايا الجزيئات التي نتناولها من خلال نظامنا الغذائي كنوع من "الوقود" التنفسي.

التنفس الخلوي هو عملية توليد الطاقة ، على شكل جزيئات ATP ، حيث تخضع الجزيئات المراد تحللها للأكسدة ويكون المستقبل النهائي للإلكترونات ، في معظم الحالات ، جزيء غير عضوي.

السمة الأساسية التي تسمح بحدوث عمليات التنفس هي وجود سلسلة نقل الإلكترون. في التنفس الهوائي ، المستقبل النهائي للإلكترونات هو جزيء الأكسجين.

في الظروف العادية ، تكون هذه "الوقود" عبارة عن كربوهيدرات أو كربوهيدرات ودهون أو دهون. مع دخول الجسم في ظروف غير مستقرة بسبب نقص الغذاء ، فإنه يلجأ إلى استخدام البروتينات لمحاولة تلبية احتياجاته من الطاقة.

كلمة التنفس هي جزء من مفرداتنا في الحياة اليومية. فعل سحب الهواء إلى رئتينا ، في دورات مستمرة من الزفير والاستنشاق ، نسميه التنفس.

ومع ذلك ، في السياق الرسمي لعلوم الحياة ، يتم تحديد هذا الإجراء من خلال مصطلح التهوية. وبالتالي ، فإن مصطلح التنفس يستخدم للإشارة إلى العمليات التي تحدث على المستوى الخلوي.

العمليات (المراحل)

تتضمن مراحل التنفس الهوائي الخطوات اللازمة لاستخراج الطاقة من الجزيئات العضوية - في هذه الحالة سنصف حالة جزيء الجلوكوز كوقود تنفسي - حتى يصل إلى مستقبل الأكسجين.

ينقسم هذا المسار الأيضي المعقد إلى تحلل السكر ودورة كريبس وسلسلة نقل الإلكترون:

تحلل السكر

الشكل 1: تحلل السكر مقابل استحداث السكر. ردود الفعل والانزيمات المعنية.

الخطوة الأولى في تحلل مونومر الجلوكوز هي تحلل الجلوكوز ، والذي يسمى أيضًا تحلل السكر. هذه الخطوة لا تتطلب الأكسجين بشكل مباشر ، وهي موجودة فعليًا في جميع الكائنات الحية.

الهدف من هذا المسار الأيضي هو تقسيم الجلوكوز إلى جزيئين من حمض البيروفيك ، والحصول على جزيئين طاقة صافية (ATP) وتقليل جزيئين من NAD ⁺.

في وجود الأكسجين ، يمكن أن يستمر المسار إلى دورة كريبس وسلسلة نقل الإلكترون. في حالة غياب الأكسجين ، ستتبع الجزيئات طريق التخمير. بمعنى آخر ، يعد تحلل السكر مسارًا استقلابيًا شائعًا للتنفس الهوائي واللاهوائي.

قبل دورة كريبس ، يجب أن يحدث نزع الكربوكسيل المؤكسد لحمض البيروفيك. يتم التوسط في هذه الخطوة من خلال مركب إنزيمي مهم جدًا ، يسمى بيروفات ديهيدروجينيز ، والذي ينفذ التفاعل المذكور أعلاه.

وهكذا ، يصبح البيروفات جذريًا أسيتيلًا يتم التقاطه لاحقًا بواسطة الإنزيم المساعد A ، وهو المسؤول عن نقله إلى دورة كريبس.

دورة كريبس

تتكون دورة كريبس ، المعروفة أيضًا باسم دورة حمض الستريك أو دورة حمض الكربوكسيل ، من سلسلة من التفاعلات الكيميائية الحيوية التي يتم تحفيزها بواسطة إنزيمات معينة تسعى إلى إطلاق الطاقة الكيميائية المخزنة في أنزيم الأسيتيل أ.

إنه مسار يؤكسد جزيء البيروفات تمامًا ويحدث في مصفوفة الميتوكوندريا.

تعتمد هذه الدورة على سلسلة من تفاعلات الأكسدة والاختزال التي تنقل الطاقة الكامنة في شكل إلكترونات إلى العناصر التي تقبلها ، وخاصة جزيء NAD ⁺.

ملخص دورة كريبس

يتحلل كل جزيء من حمض البيروفيك إلى ثاني أكسيد الكربون وجزيء ثنائي الكربون ، يُعرف باسم مجموعة الأسيتيل. مع الاتحاد مع الإنزيم المساعد A (المذكور في القسم السابق) يتكون مركب الأسيتيل المساعد A.

يدخل ذراعا ذرات الكربون من حمض البيروفيك الدورة ، ويتكثف مع oxaloacetate ، ويشكل جزيء من ستة كربون سترات. وبالتالي ، تحدث تفاعلات الخطوة المؤكسدة. تعود السترات إلى oxaloacetate بإنتاج نظري من 2 مول من ثاني أكسيد الكربون ، و 3 مول من NADH ، و 1 من FADH _{2 ،} و 1 مول من GTP.

نظرًا لتكوين جزيئين من البيروفات في تحلل السكر ، فإن جزيء الجلوكوز الواحد يتضمن دورتين من دورة كريبس.

سلسلة نقل الإلكترون

تتكون سلسلة نقل الإلكترون من سلسلة من البروتينات التي لديها القدرة على إجراء تفاعلات الأكسدة والاختزال.

ينتج عن مرور الإلكترونات عبر هذه المجمعات البروتينية إطلاق تدريجي للطاقة التي تُستخدم لاحقًا في توليد ATP بواسطة الميكروبات الكيميائية. الأهم من ذلك ، أن آخر تفاعل متسلسل هو من النوع الذي لا رجوع فيه.

في الكائنات حقيقية النواة ، التي تحتوي على مقصورات دون خلوية ، ترتكز عناصر سلسلة الناقل على غشاء الميتوكوندريا. في بدائيات النوى ، التي تفتقر إلى هذه الأجزاء ، توجد عناصر السلسلة في غشاء البلازما للخلية.

تؤدي تفاعلات هذه السلسلة إلى تكوين ATP ، من خلال الطاقة التي يتم الحصول عليها عن طريق إزاحة الهيدروجين عبر الناقلات ، حتى تصل إلى المستقبل النهائي: الأكسجين ، وهو تفاعل ينتج الماء.

فئات الجزيئات الحاملة

تتكون السلسلة من ثلاثة أنواع مختلفة من الناقلات. الدرجة الأولى هي بروتينات الفلافوبروتينات ، وتتميز بوجود الفلافين. يمكن لهذا النوع من الناقلات إجراء نوعين من التفاعلات ، كلا من الاختزال والأكسدة ، بدلاً من ذلك.

النوع الثاني يتكون من السيتوكرومات. تحتوي هذه البروتينات على مجموعة الهيم (مثل مجموعة الهيموغلوبين) ، والتي يمكن أن تقدم حالات أكسدة مختلفة.

الفئة الأخيرة من الناقلات هي ubiquinone ، والمعروفة أيضًا باسم الإنزيم المساعد Q. هذه الجزيئات ليست بروتينًا في الطبيعة.

الكائنات الحية ذات التنفس الهوائي

تمتلك معظم الكائنات الحية تنفسًا من النوع الهوائي. إنه نموذجي للكائنات حقيقية النواة (كائنات لها نواة حقيقية في خلاياها ، ومحددة بغشاء). تتنفس جميع الحيوانات والنباتات والفطريات بطريقة هوائية.

الحيوانات والفطريات كائنات غيرية التغذية ، مما يعني أن "الوقود" الذي سيتم استخدامه في المسار الأيضي للتنفس يجب أن يستهلك بنشاط في النظام الغذائي. على عكس النباتات التي لديها القدرة على إنتاج طعامها من خلال عملية التمثيل الضوئي.

تحتاج بعض أجناس بدائيات النوى أيضًا إلى الأكسجين للتنفس. على وجه التحديد ، توجد بكتيريا هوائية صارمة - أي أنها تنمو فقط في البيئات الغنية بالأكسجين ، مثل الزوائف.

أجناس أخرى من البكتيريا لديها القدرة على تغيير التمثيل الغذائي الخاص بها من الهوائية إلى اللاهوائية على أساس الظروف البيئية ، مثل السالمونيلا. في بدائيات النوى ، يعتبر كونه هوائيًا أو لاهوائيًا سمة مهمة لتصنيفها.

الاختلافات من التنفس اللاهوائي

العملية المعاكسة للتنفس الهوائي هي الوضع اللاهوائي. الفرق الأكثر وضوحًا بين الاثنين هو استخدام الأكسجين كمستقبل نهائي للإلكترون. يستخدم التنفس اللاهوائي جزيئات غير عضوية أخرى كمستقبلات.

علاوة على ذلك ، في التنفس اللاهوائي ، المنتج النهائي للتفاعلات هو جزيء لا يزال لديه القدرة على الاستمرار في الأكسدة. على سبيل المثال ، يتكون حمض اللاكتيك في العضلات أثناء التخمير. في المقابل ، فإن المنتجات النهائية للتنفس الهوائي هي ثاني أكسيد الكربون والماء.

هناك أيضًا اختلافات من وجهة نظر الطاقة. في المسار اللاهوائي ، يتم إنتاج اثنين فقط من جزيئات ATP (المقابلة لمسار التحلل السكري) ، بينما في التنفس الهوائي ، يكون المنتج النهائي عمومًا حوالي 38 جزيء ATP - وهو فرق كبير.

المراجع

1. كامبل ، إم كيه ، وفاريل ، سو (2011). الكيمياء الحيوية. الطبعة السادسة. طومسون. بروكس / كول.
2. كورتيس ، هـ. (2006). دعوة إلى علم الأحياء. الطبعة السادسة. بوينس آيرس: Pan-American Medical.
3. Estrada، E & Aranzábal، M. (2002). أطلس علم الأنسجة الفقاريات. جامعة المكسيك الوطنية المستقلة. صفحة 173.
4. هول ، ج. (2011). معاهدة علم وظائف الأعضاء الطبية. نيويورك: Elsevier Health Sciences.
5. هاريشا ، س. (2005). مقدمة في التكنولوجيا الحيوية العملية. نيودلهي: جدار الحماية Media.
6. هيل ، ر. (2006). فسيولوجيا الحيوان. مدريد: Pan-American Medical.
7. إغليسياس ، ب. ، مارتين ، إم وبريتو ، ج. (2007). أسس علم وظائف الأعضاء. مدريد: تيبار.
8. كولمان ، ج. ، وروم ، كيه إتش (2005). الكيمياء الحيوية: نص وأطلس. عموم أمريكا الطبية Ed.
9. Vasudevan ، D. & Sreekumari S. (2012). نص الكيمياء الحيوية لطلاب الطب. الطبعة السادسة. المكسيك: JP Medical Ltd.