التنفس اللاهوائي: الخصائص والأنواع والكائنات الحية - مادة الاحياء - 2026

و التنفس اللاهوائي ويطلق سراحهم أو وضع الأيض اللاهوائي الذي هو طاقة كيميائية على أساس الجزيئات العضوية. المستقبِل النهائي للإلكترون في هذه العملية بأكملها هو جزيء غير الأكسجين ، مثل أيون النترات أو الكبريتات.

الكائنات الحية التي تقدم هذا النوع من التمثيل الغذائي هي بدائيات النوى وتسمى الكائنات اللاهوائية. لا يمكن أن تعيش بدائيات النوى اللاهوائية بشكل صارم إلا في البيئات التي لا يوجد فيها الأكسجين ، لأنها شديدة السمية وحتى مميتة.

التنفس اللاهوائي موجود في بدائيات النوى.

المصدر: pixabay.com

تحصل بعض الكائنات الحية الدقيقة - البكتيريا والخمائر - على طاقتها من خلال عملية التخمير. في هذه الحالة ، لا تتطلب العملية الأكسجين أو سلسلة نقل الإلكترون. بعد تحلل السكر ، تتم إضافة بعض التفاعلات الإضافية ويمكن أن يكون المنتج النهائي عبارة عن كحول إيثيلي.

لسنوات ، استفادت الصناعة من هذه العملية لإنتاج منتجات ذات أهمية للاستهلاك البشري ، مثل الخبز والنبيذ والبيرة وغيرها.

عضلاتنا قادرة أيضًا على التنفس اللاهوائي. عندما تتعرض هذه الخلايا لجهد مكثف ، تبدأ عملية التخمر اللبني ، مما يؤدي إلى تراكم هذا المنتج في العضلات ، مما يؤدي إلى الإرهاق.

مميزات

التنفس هو الظاهرة التي يتم من خلالها الحصول على الطاقة في شكل ATP ، بدءًا من الجزيئات العضوية المختلفة - الكربوهيدرات بشكل أساسي. تتم هذه العملية بفضل التفاعلات الكيميائية المختلفة التي تحدث داخل الخلايا.

على الرغم من أن الجلوكوز هو المصدر الرئيسي للطاقة في معظم الكائنات الحية ، إلا أنه يمكن استخدام جزيئات أخرى لاستخراج الطاقة ، مثل السكريات الأخرى والأحماض الدهنية أو الأحماض الأمينية - اللبنات الأساسية للبروتينات في حالات الحاجة الماسة.

تُقاس كمية الطاقة التي يستطيع كل جزيء إطلاقها بالجول. تعتمد المسارات البيوكيميائية أو مسارات الكائنات الحية لتحلل الجزيئات المذكورة بشكل أساسي على وجود أو عدم وجود الأكسجين. وبهذه الطريقة ، يمكننا تصنيف التنفس إلى مجموعتين كبيرتين: اللاهوائية والهوائية.

في التنفس اللاهوائي ، توجد سلسلة نقل إلكترون تولد ATP ، والمستقبل النهائي للإلكترونات هو مادة عضوية مثل أيون النترات ، والكبريتات ، وغيرها.

من المهم عدم الخلط بين هذا النوع من التنفس اللاهوائي والتخمير. كلتا العمليتين مستقلتان عن الأكسجين ، ولكن في الأخير لا توجد سلسلة نقل إلكترون.

أنواع

هناك طرق متعددة يمكن للكائن الحي أن يتنفس من خلالها بدون أكسجين. إذا لم تكن هناك سلسلة نقل إلكترون ، فسوف تقترن أكسدة المادة العضوية باختزال الذرات الأخرى من مصدر الطاقة في عملية التخمير (انظر أدناه).

في حالة سلسلة النقل ، يمكن أن تؤخذ أيونات مختلفة دور متقبل الإلكترون النهائي ، بما في ذلك النترات ، والحديد ، والمنغنيز ، والكبريتات ، وثاني أكسيد الكربون ، وغيرها.

سلسلة نقل الإلكترون عبارة عن نظام تفاعل للحد من الأكسيد يؤدي إلى إنتاج الطاقة في شكل ATP ، عن طريق طريقة تسمى الفسفرة المؤكسدة.

تم العثور على الإنزيمات المشاركة في العملية داخل البكتيريا ، مثبتة في الغشاء. تحتوي بدائيات النوى على هذه الانجرافات أو الحويصلات التي تشبه الميتوكوندريا للكائنات حقيقية النواة. يختلف هذا النظام بشكل كبير بين البكتيريا. الأكثر شيوعًا هي:

استخدام النترات كمتقبل للإلكترون

تصنف مجموعة كبيرة من البكتيريا ذات التنفس اللاهوائي على أنها بكتيريا تقلل من النترات. في هذه المجموعة ، يكون المتقبل النهائي لسلسلة نقل الإلكترون هو NO ₃ ^- أيون.

ضمن هذه المجموعة هناك طرائق فسيولوجية مختلفة. يمكن أن تكون مخفضات النترات من النوع التنفسي حيث يصبح الأيون NO ₃ ^- NO ₂ ^- ؛ يمكن أن يتم نزع النتروجين ، حيث يمر الأيون المذكور إلى N ₂ ، أو من نوع الاستيعاب حيث يتحول الأيون المعني إلى NH ₃.

يمكن أن تكون الجهات المانحة للإلكترون من البيروفات ، والسكسينات ، واللاكتات ، والجليسرول ، و NADH ، وغيرها. الكائن الممثل لعملية التمثيل الغذائي هذا هو بكتيريا Escherichia coli المعروفة.

استخدام الكبريتات كمتقبل للإلكترون

فقط عدد قليل من الأنواع من البكتيريا اللاهوائية صارمة قادرة على اتخاذ أيون كبريتات وتحويله إلى S ^2- والماء. يتم استخدام ركائز قليلة للتفاعل ، من بين أكثرها شيوعًا حمض اللاكتيك وأحماض الكربوكسيل رباعي الكربون.

استخدام ثاني أكسيد الكربون كمتقبل للإلكترون

العتائق هي كائنات بدائية النواة تعيش عادة في مناطق متطرفة ، وتتميز بإظهار مسارات أيضية خاصة جدًا.

واحدة من هذه هي الأركيا القادرة على إنتاج الميثان ولتحقيق ذلك تستخدم ثاني أكسيد الكربون كمستقبل نهائي. المنتج النهائي للتفاعل هو غاز الميثان (CH ₄).

تعيش هذه الكائنات الحية فقط في مناطق محددة جدًا من النظم البيئية ، حيث يكون تركيز الهيدروجين مرتفعًا ، نظرًا لأنه أحد العناصر الضرورية للتفاعل - مثل قاع البحيرات أو الجهاز الهضمي لبعض الثدييات.

التخمير

تخمير النبيذ

كما ذكرنا فإن التخمير هو عملية التمثيل الغذائي التي لا تتطلب وجود الأكسجين. لاحظ أنه يختلف عن التنفس اللاهوائي المذكور في القسم السابق بغياب سلسلة نقل الإلكترون.

يتميز التخمير بأنه عملية تطلق طاقة تبدأ من السكريات أو الجزيئات العضوية الأخرى ، ولا تتطلب أكسجين ، ولا تحتاج إلى دورة كريبس أو سلسلة نقل إلكترون ، والمستقبل النهائي لها هو جزيء عضوي وينتج كميات صغيرة من ATP - واحد او اثنين.

بمجرد أن تكمل الخلية عملية تحلل السكر ، تحصل على جزيئين من حمض البيروفيك لكل جزيء من الجلوكوز.

في حالة عدم توفر الأكسجين ، يمكن للخلية أن تلجأ إلى توليد بعض الجزيئات العضوية لتحقيق توليد NAD ⁺ أو NADP ⁺ الذي يمكن أن يدخل دورة أخرى من تحلل السكر مرة أخرى.

اعتمادًا على الكائن الحي الذي ينفذ عملية التخمير ، يمكن أن يكون المنتج النهائي هو حمض اللاكتيك ، والإيثانول ، وحمض البروبيونيك ، وحمض الخليك ، وحمض الزبد ، والبيوتانول ، والأسيتون ، وكحول الأيزوبروبيل ، وحمض السكسينيك ، وحمض الفورميك ، والبيوتانيديول ، وغيرها.

غالبًا ما ترتبط هذه التفاعلات أيضًا بإفراز ثاني أكسيد الكربون أو جزيئات ثنائي الهيدروجين.

الكائنات الحية ذات التنفس اللاهوائي

تعتبر عملية التنفس اللاهوائي نموذجية في بدائيات النوى. تتميز هذه المجموعة من الكائنات الحية بأنها تفتقر إلى نواة حقيقية (يحدها غشاء بيولوجي) ومقصورات تحت خلوية ، مثل الميتوكوندريا أو البلاستيدات الخضراء. ضمن هذه المجموعة توجد البكتيريا والعتائق.

اللاهوائية الصارمة

تسمى الكائنات الحية الدقيقة التي تتأثر بشكل مميت بوجود الأكسجين اللاهوائية تمامًا ، مثل جنس المطثية.

يسمح امتلاك التمثيل الغذائي اللاهوائي لهذه الكائنات الدقيقة باستعمار البيئات القاسية الخالية من الأكسجين ، حيث لا يمكن للكائنات الهوائية العيش ، مثل المياه العميقة جدًا أو التربة أو الجهاز الهضمي لبعض الحيوانات.

اللاهوائية الاختيارية

بالإضافة إلى ذلك ، هناك بعض الكائنات الحية الدقيقة القادرة على التناوب بين الأيض الهوائي واللاهوائي ، حسب احتياجاتها وظروفها البيئية.

ومع ذلك ، هناك بكتيريا ذات تنفس هوائي صارم لا يمكن أن تنمو وتتطور إلا في البيئات الغنية بالأكسجين.

في العلوم الميكروبيولوجية ، تعتبر معرفة نوع التمثيل الغذائي صفة تساعد على التعرف على الكائنات الحية الدقيقة.

الكائنات الحية مع القدرة على التخمر

بالإضافة إلى ذلك ، هناك كائنات أخرى قادرة على إنشاء مجاري هوائية دون الحاجة إلى الأكسجين أو سلسلة النقل ، أي أنها تخمر.

من بينها نجد بعض أنواع الخميرة (Saccharomyces) والبكتيريا (Streptococcus و Lactobacillus و Bacillus و Propionibacterium و Escherichia و Salmonella و Enterobacter) وحتى خلايا العضلات الخاصة بنا. خلال هذه العملية ، يتميز كل نوع بإفراز منتج مختلف.

الأهمية البيئية

من وجهة نظر علم البيئة ، يفي التنفس اللاهوائي بالوظائف المتسامية داخل النظم البيئية. تحدث هذه العملية في موائل مختلفة ، مثل الرواسب البحرية أو أجسام المياه العذبة ، وبيئات التربة العميقة ، وغيرها.

تأخذ بعض البكتيريا الكبريتات لتكوين كبريتيد الهيدروجين وتستخدم الكربونات لتكوين الميثان. الأنواع الأخرى قادرة على استخدام أيون النترات واختزاله إلى أيون النتريت أو أكسيد النيتروز أو غاز النيتروجين.

هذه العمليات حيوية في الدورات الطبيعية ، لكل من النيتروجين والكبريت. على سبيل المثال ، المسار اللاهوائي هو المسار الرئيسي الذي يتم من خلاله تثبيت النيتروجين وقادر على العودة إلى الغلاف الجوي كغاز.

الاختلافات من التنفس الهوائي

يتمثل الاختلاف الأكثر وضوحًا بين هاتين العمليتين الأيضيتين في استخدام الأكسجين. في التمارين الرياضية ، يعمل هذا الجزيء كمستقبل نهائي للإلكترون.

من ناحية الطاقة ، يعد التنفس الهوائي أكثر فائدة ، حيث يطلق كميات كبيرة من الطاقة - حوالي 38 جزيء ATP. في المقابل ، يتميز التنفس في غياب الأكسجين بعدد أقل بكثير من ATP ، والذي يختلف بشكل كبير اعتمادًا على الكائن الحي.

تختلف منتجات الإخراج أيضًا. ينتهي التنفس الهوائي بإنتاج ثاني أكسيد الكربون والماء ، بينما في التنفس الهوائي تتنوع المواد الوسيطة - مثل حمض اللاكتيك أو الكحول أو الأحماض العضوية الأخرى ، على سبيل المثال.

من حيث السرعة ، يستغرق التنفس الهوائي وقتًا أطول. وبالتالي ، فإن العملية اللاهوائية تمثل مصدرًا سريعًا للطاقة للكائنات الحية.

المراجع

1. بارون ، س. (1996). علم الأحياء الدقيقة الطبية. الطبعة الرابعة. فرع جامعة تكساس الطبي في جالفيستون.
2. بيكيت ، بكالوريوس (1986). علم الأحياء: مقدمة حديثة. مطبعة جامعة أكسفورد ، الولايات المتحدة الأمريكية.
3. فوك ، جي دي (1995). علم البيئة من البكتيريا الحد من الكبريتات. في البكتيريا التي تحد من الكبريتات (ص 217 - 241). سبرينغر ، بوسطن ، ماساتشوستس.
4. سوني ، SK (2007). الميكروبات: مصدر طاقة للقرن الحادي والعشرين. نشر الهند الجديدة.
5. رايت ، دي بي (2000). فسيولوجيا الإنسان وصحته. هاينمان.