التنفس الخلوي: العملية والأنواع والوظائف - مادة الاحياء - 2025

و التنفس الخلوي هو العملية التي تولد الطاقة في ل شكل ATP (أدينوسين ثلاثي الفوسفات). في وقت لاحق ، يتم توجيه هذه الطاقة إلى العمليات الخلوية الأخرى. خلال هذه الظاهرة ، تخضع الجزيئات للأكسدة ويكون المستقبل النهائي للإلكترونات ، في معظم الحالات ، جزيء غير عضوي.

تعتمد طبيعة متقبل الإلكترون النهائي على نوع تنفس الكائن الحي المدروس. في الهوائيات - مثل الإنسان العاقل - يكون متقبل الإلكترون النهائي هو الأكسجين. في المقابل ، بالنسبة لأجهزة التنفس اللاهوائي ، يمكن أن يكون الأكسجين سامًا. في الحالة الأخيرة ، يكون المستقبل النهائي هو جزيء غير عضوي غير الأكسجين.

المصدر: بقلم Darekk2 ، من ويكيميديا ​​كومنز

تمت دراسة التنفس الهوائي على نطاق واسع من قبل علماء الكيمياء الحيوية ويتكون من مرحلتين: دورة كريبس وسلسلة نقل الإلكترون.

في الكائنات حقيقية النواة ، تكون جميع الآلات اللازمة للتنفس داخل الميتوكوندريا ، سواء في مصفوفة الميتوكوندريا أو في نظام غشاء هذه العضية.

تتكون الآلية من إنزيمات تحفز تفاعلات العملية. تتميز سلالة بدائية النواة بغياب العضيات ؛ لهذا السبب ، يحدث التنفس في مناطق محددة من غشاء البلازما التي تحاكي بيئة تشبه إلى حد بعيد بيئة الميتوكوندريا.

المصطلح

في مجال علم وظائف الأعضاء ، مصطلح "التنفس" له تعريفان: التنفس الرئوي والتنفس الخلوي. عندما نستخدم كلمة التنفس في الحياة اليومية ، فإننا نشير إلى النوع الأول.

يتكون التنفس الرئوي من عملية الشهيق والزفير ، وتؤدي هذه العملية إلى تبادل الغازات: الأكسجين وثاني أكسيد الكربون. المصطلح الصحيح لهذه الظاهرة هو "التهوية".

في المقابل ، يحدث التنفس الخلوي - كما يوحي اسمه - داخل الخلايا وهو العملية المسؤولة عن توليد الطاقة من خلال سلسلة نقل الإلكترون. هذه العملية الأخيرة هي العملية التي سيتم مناقشتها في هذه المقالة.

أين يحدث التنفس الخلوي؟

موقع التنفس في حقيقيات النوى

الميتوكوندريا

يحدث التنفس الخلوي في عضية معقدة تسمى الميتوكوندريا. من الناحية الهيكلية ، يبلغ عرض الميتوكوندريا 1.5 ميكرومتر وطولها من 2 إلى 8 ميكرومتر. تتميز بامتلاكها مادة وراثية خاصة بها وبالتقسيم عن طريق الانشطار الثنائي - الخصائص الأثرية لأصلها التكافلي الداخلي.

لها غشاءان ، أحدهما أملس والآخر داخلي به طيات تشكل الحواف. كلما زادت نشاط الميتوكوندريا ، زادت نتوءاتها.

يسمى الجزء الداخلي من الميتوكوندريا مصفوفة الميتوكوندريا. يوجد في هذه الحجرة الإنزيمات والإنزيمات المساعدة والماء والفوسفات اللازمة للتفاعلات التنفسية.

يسمح الغشاء الخارجي بمرور معظم الجزيئات الصغيرة. ومع ذلك ، فإن الغشاء الداخلي هو الذي يقيد المرور عبر ناقلات محددة للغاية. تلعب نفاذية هذا الهيكل دورًا أساسيًا في إنتاج ATP.

عدد الميتوكوندريا

تم العثور على الإنزيمات والمكونات الأخرى اللازمة للتنفس الخلوي مثبتة في الأغشية وخالية في مصفوفة الميتوكوندريا.

لذلك ، تتميز الخلايا التي تتطلب قدرًا أكبر من الطاقة بوجود عدد كبير من الميتوكوندريا ، على عكس الخلايا التي تكون احتياجاتها من الطاقة أقل.

على سبيل المثال ، تحتوي خلايا الكبد ، في المتوسط ​​، على 2500 ميتوكوندريا ، بينما تحتوي الخلية العضلية (عالية النشاط الأيضي) على عدد أكبر بكثير ، والميتوكوندريا من هذا النوع من الخلايا أكبر.

بالإضافة إلى ذلك ، توجد هذه في مناطق محددة حيث تكون الطاقة مطلوبة ، على سبيل المثال المحيطة بسوط الحيوانات المنوية.

موقع التنفس بدائية النواة

منطقياً ، تحتاج الكائنات بدائية النواة إلى التنفس وليس لديها ميتوكوندريا - ولا عضيات معقدة مميزة لحقيقيات النوى. لهذا السبب ، تحدث عملية التنفس في غزوات صغيرة لغشاء البلازما ، بشكل مشابه لكيفية حدوثها في الميتوكوندريا.

أنواع

هناك نوعان أساسيان من التنفس ، اعتمادًا على الجزيء الذي كان بمثابة المستقبل النهائي للإلكترونات. في التنفس الهوائي ، يكون المستقبل هو الأكسجين ، بينما في اللاهوائية يكون جزيء غير عضوي - على الرغم من أن المستقبل هو جزيء عضوي في حالات قليلة محددة. سوف نصف كل واحد بالتفصيل أدناه:

التنفس الهوائي

في كائنات التنفس الهوائية ، المستقبل النهائي للإلكترونات هو الأكسجين. تنقسم الخطوات التي تحدث إلى دورة كريبس وسلسلة نقل الإلكترون.

سيتم تطوير الشرح التفصيلي للتفاعلات التي تحدث في هذه المسارات البيوكيميائية في القسم التالي.

التنفس اللاهوائي

يتكون المستقبل النهائي من جزيء آخر غير الأكسجين. تعتمد كمية ATP الناتجة عن التنفس اللاهوائي على عدة عوامل ، بما في ذلك الكائن قيد الدراسة والطريق المستخدم.

ومع ذلك ، فإن إنتاج الطاقة يكون دائمًا أعلى في التنفس الهوائي ، نظرًا لأن دورة كريبس تعمل جزئيًا فقط ولا تشارك جميع الجزيئات الناقلة في السلسلة في التنفس.

لهذا السبب ، فإن نمو وتطور الأفراد اللاهوائيين أقل بكثير من تلك الهوائية.

أمثلة على الكائنات اللاهوائية

يكون الأكسجين سامًا في بعض الكائنات الحية ويطلق عليه اسم اللاهوائية الصارمة. وأفضل مثال معروف هو البكتيريا المسببة للكزاز والتسمم الغذائي: المطثية.

بالإضافة إلى ذلك ، هناك كائنات أخرى يمكن أن تتناوب بين التنفس الهوائي واللاهوائي ، وتسمى اللاهوائية الاختيارية. بمعنى آخر ، يستخدمون الأكسجين عندما يناسبهم وفي حالة عدم وجوده يلجأون إلى التنفس اللاهوائي. على سبيل المثال ، تمتلك بكتيريا Escherichia coli المعروفة هذا التمثيل الغذائي.

يمكن أن تستخدم بكتيريا معينة أيون النترات (NO ₃ ^-) كمتقبل نهائي للإلكترون ، مثل الأجناس الزائفة والعصوية. يمكن اختزال الأيون المذكور إلى أيون النتريت أو أكسيد النيتروز أو غاز النيتروجين.

وفي حالات أخرى، ومتقبل النهائي يتكون من أيون الكبريتات (SO ₄ ^2-) التي تؤدي إلى كبريتيد الهيدروجين ويستخدم كربونات إلى شكل غاز الميثان. جنس Desulfovibrio من البكتيريا هو مثال على هذا النوع من المتقبلات.

يعتبر استقبال الإلكترونات في جزيئات النترات والكبريتات أمرًا بالغ الأهمية في الدورات الكيميائية الجيوكيميائية لهذه المركبات - النيتروجين والكبريت.

معالجة

تحلل السكر هو مسار يسبق التنفس الخلوي. يبدأ بجزيء الجلوكوز والمنتج النهائي هو البيروفات ، وهو جزيء ثلاثي الكربون. يحدث تحلل السكر في سيتوبلازم الخلية. يجب أن يكون هذا الجزيء قادرًا على دخول الميتوكوندريا لمواصلة تدهورها.

يمكن أن ينتشر البيروفات من خلال تدرجات التركيز في العضية ، من خلال مسام الغشاء. ستكون الوجهة النهائية هي مصفوفة الميتوكوندريا.

قبل الدخول في الخطوة الأولى من التنفس الخلوي ، يخضع جزيء البيروفات لتعديلات معينة.

أولاً ، يتفاعل مع جزيء يسمى الإنزيم المساعد A. ينقسم كل بيروفات إلى ثاني أكسيد الكربون ومجموعة الأسيتيل ، التي ترتبط بالإنزيم المساعد A ، مما يؤدي إلى نشوء مركب aceyl coenzyme.

في هذا التفاعل ، يتم نقل إلكترونين وأيون الهيدروجين إلى NADP ⁺ ، مما ينتج عنه NADH ويتم تحفيزه بواسطة مركب إنزيم البيروفات ديهيدروجينيز. يتطلب التفاعل سلسلة من العوامل المساعدة.

بعد هذا التعديل ، تبدأ مرحلتان في التنفس: دورة كريبس وسلسلة نقل الإلكترون.

دورة كريبس

تعد دورة كريبس واحدة من أهم التفاعلات الدورية في الكيمياء الحيوية. ومن المعروف أيضًا في الأدبيات باسم دورة حامض الستريك أو دورة حمض الكربوكسيل (TCA).

سميت على اسم مكتشفها: عالم الكيمياء الحيوية الألماني هانز كريبس. في عام 1953 ، مُنح كريبس جائزة نوبل عن هذا الاكتشاف الذي ميز مجال الكيمياء الحيوية.

الهدف من الدورة هو الإطلاق التدريجي للطاقة الموجودة في أنزيم الأسيتيل المساعد أ. وهي تتكون من سلسلة من تفاعلات الأكسدة والاختزال التي تنقل الطاقة إلى جزيئات مختلفة ، خاصة NAD ⁺.

لكل جزيئين من أسيتيل أنزيم أ يدخل الدورة ، يتم إطلاق أربعة جزيئات من ثاني أكسيد الكربون ، ويتم إنشاء ستة جزيئات من NADH واثنان من FADH ₂. CO ₂ يتم تحريرها في الجو كمادة النفايات من العملية. يتم أيضًا إنشاء GTP.

نظرًا لأن هذا المسار يشارك في كل من عمليات الابتنائية (تخليق الجزيئات) والتقويضية (تدهور الجزيء) ، يُطلق عليه اسم "برمائي".

تفاعلات دورة كريبس

تبدأ الدورة بدمج جزيء أسيتيل مساعد مع جزيء أوكسالو أسيتات. ينتج عن هذا الاتحاد جزيء من ستة كربون: سترات. وهكذا ، يتم إطلاق الإنزيم المساعد أ ، في الواقع ، يتم إعادة استخدامه عدة مرات. إذا كان هناك الكثير من ATP في الخلية ، يتم منع هذه الخطوة.

يتطلب التفاعل أعلاه طاقة ويحصل عليها من كسر الرابطة عالية الطاقة بين مجموعة الأسيتيل والإنزيم المساعد أ.

يتم تحويل السيترات إلى cis aconitate ، ويتم تحويله إلى isocitrate بواسطة إنزيم aconitase. الخطوة التالية هي تحويل isocitrate إلى alpha ketoglutarate بواسطة isocitrate منزوع الهيدروجين. هذه المرحلة مهمة لأنها تؤدي إلى تقليل NADH وإطلاق ثاني أكسيد الكربون.

يتم تحويل ألفا كيتوجلوتارات إلى أنزيم السكسينيل أ بواسطة ألفا كيتوجلوتارات ديهيدروجينيز ، والذي يستخدم نفس العوامل المساعدة مثل بيروفات كيناز. يتم إنشاء NADH أيضًا في هذه الخطوة ، وكخطوة أولية ، يتم تثبيطه بواسطة ATP الزائد.

المنتج التالي هو سكسينات. يحدث تكوين GTP في إنتاجه. يتغير السكسينات إلى فومارات. ينتج عن هذا التفاعل FADH. ويصبح الفومارات بدوره مالات وأخيراً أوكسالو أسيتات.

سلسلة نقل الإلكترون

الهدف من سلسلة نقل الإلكترون هو أخذ الإلكترونات من المركبات المتولدة في الخطوات السابقة ، مثل NADH و FADH ₂ ، والتي تكون عند مستوى طاقة عالٍ ، وتقودهم إلى مستوى طاقة أقل.

يحدث هذا الانخفاض في الطاقة خطوة بخطوة ، أي أنه لا يحدث فجأة. يتكون من سلسلة من الخطوات حيث تحدث تفاعلات الأكسدة والاختزال.

المكونات الرئيسية للسلسلة هي معقدات تتكون من البروتينات والإنزيمات المقترنة بالسيتوكرومات: ميتالوبورفيرينات من نوع الهيم.

تتشابه السيتوكرومات تمامًا من حيث بنيتها ، على الرغم من أن كل واحدة لها خصوصية تسمح لها بأداء وظيفتها المحددة داخل السلسلة ، وغناء الإلكترونات عند مستويات طاقة مختلفة.

تؤدي حركة الإلكترونات عبر السلسلة التنفسية إلى مستويات أقل إلى إطلاق الطاقة. يمكن استخدام هذه الطاقة في الميتوكوندريا لتكوين ATP ، في عملية تعرف باسم الفسفرة المؤكسدة.

اقتران كيميائي

لفترة طويلة كانت آلية تشكيل ATP في السلسلة لغزًا ، حتى اقترح عالم الكيمياء الحيوية بيتر ميتشل اقترانًا كيميائيًا.

في هذه الظاهرة ، يتم إنشاء تدرج بروتوني عبر غشاء الميتوكوندريا الداخلي. يتم تحرير الطاقة الموجودة في هذا النظام واستخدامها لتجميع ATP.

كمية ATP المتكونة

كما رأينا ، لا يتشكل ATP مباشرة في دورة كريبس ، ولكن في سلسلة نقل الإلكترون. لكل إلكترونين ينتقلان من NADH إلى الأكسجين ، يحدث تخليق ثلاثة جزيئات ATP. قد يختلف هذا التقدير إلى حد ما اعتمادًا على الأدبيات التي تم الرجوع إليها.

وبالمثل ، لكل إلكترونين يمرون من FADH ₂ ، يتم تكوين جزيئين من ATP.

المميزات

تتمثل الوظيفة الرئيسية للتنفس الخلوي في توليد الطاقة على شكل ATP لتتمكن من توجيهها إلى وظائف الخلية.

تحتاج كل من الحيوانات والنباتات إلى استخراج الطاقة الكيميائية الموجودة في الجزيئات العضوية التي يستخدمونها في الغذاء. في حالة الخضروات ، هذه الجزيئات هي السكريات التي يصنعها النبات نفسه باستخدام الطاقة الشمسية في عملية التمثيل الضوئي الشهيرة.

من ناحية أخرى ، الحيوانات غير قادرة على تصنيع طعامها. وهكذا ، تستهلك الكائنات غيرية التغذية الطعام في النظام الغذائي - مثلنا ، على سبيل المثال. عملية الأكسدة هي المسؤولة عن استخلاص الطاقة من الطعام.

يجب ألا نخلط بين وظائف التمثيل الضوئي ووظائف التنفس. النباتات ، مثل الحيوانات ، تتنفس أيضًا. كلتا العمليتين مكملتان وتحافظان على ديناميكيات العالم الحي.

المراجع

1. ألبرتس ، ب ، وبراي ، د. (2006). مقدمة في بيولوجيا الخلية. عموم أمريكا الطبية Ed.
2. Audesirk ، T. ، Audesirk ، G. ، & Byers ، BE (2003). علم الأحياء: الحياة على الأرض. تعليم بيرسون.
3. كورتيس ، هـ ، وشنيك ، أ. (2008). كورتيس. مادة الاحياء. عموم أمريكا الطبية Ed.
4. هيكمان ، سي بي ، روبرتس ، إل إس ، لارسون ، إيه ، أوبر ، دبليو سي ، وجاريسون سي (2007). المبادئ المتكاملة لعلم الحيوان. ماكجرو هيل.
5. راندال ، د. ، بورجرين ، و. ، فرنسي ، ك. ، وإيكرت ، ر. (2002). فسيولوجيا الحيوان إكيرت. ماكميلان.
6. Tortora، GJ، Funke، BR، & Case، CL (2007). مقدمة في علم الأحياء الدقيقة. عموم أمريكا الطبية Ed.
7. يونغ ، ب ، هيث ، جي دبليو ، لوي ، شبيبة ، ستيفنز ، أ. ، وويتر ، بي آر (2000). الأنسجة الوظيفية: النص والأطلس بالألوان. هاركورت.