خصائص التنفس الهوائية والمراحل والكائنات الحية

ال التنفس الهوائية أو الأيروبيك عبارة عن عملية بيولوجية تتضمن الحصول على الطاقة من الجزيئات العضوية - خاصة الجلوكوز - من خلال سلسلة من تفاعلات الأكسدة ، حيث يكون المستلم النهائي للإلكترونات هو الأكسجين.

هذه العملية موجودة في الغالبية العظمى من الكائنات العضوية ، وخاصة حقيقيات النوى. تتنفس جميع الحيوانات والنباتات والفطريات الهوائية. بالإضافة إلى ذلك ، بعض البكتيريا تظهر أيضا الأيض الهوائي.

بشكل عام ، تنقسم عملية الحصول على الطاقة من جزيء الجلوكوز إلى انحلال السكر (هذه الخطوة شائعة في كل من الممرات الهوائية واللاهوائية) ودورة كريبس وسلسلة نقل الإلكترون.

يعارض مفهوم التنفس الهوائي التنفس اللاهوائي. في الأخير ، متقبل الإلكترون النهائي هو مادة غير عضوية أخرى ، بخلاف الأكسجين. إنه نموذجي لبعض بدائيات النوى.

مؤشر

• 1 ما هو الأكسجين?
• 2 خصائص التنفس
• 3 عمليات (مراحل)
  • 3.1 انحلال السكر
  • 3.2 دورة كريبس
  • 3.3 ملخص دورة كريبس
  • 3.4 سلسلة نقل الإلكترون
  • 3.5 أنواع جزيئات النقل
• 4 الكائنات الحية مع التنفس الهوائية
• 5 الاختلافات مع التنفس اللاهوائي
• 6 المراجع

ما هو الأكسجين?

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

إنه عنصر كيميائي ممثَّل في الجدول الدوري بالحرف O ، والرقم الذري 8. في ظل الظروف القياسية لدرجات الحرارة والضغط ، يميل الأكسجين إلى الارتباط في أزواج ، مما يؤدي إلى جزيء الديوكسجين.

هذا الغاز ، الذي يتكون من ذرتين هو الأكسجين ، ويفتقر إلى اللون أو الرائحة أو الذوق ، ويمثله الصيغة O₂. في الغلاف الجوي ، هو عنصر بارز ، ومن الضروري الحفاظ على معظم أشكال الحياة على الأرض.

بفضل الطبيعة الغازية للأكسجين ، فإن الجزيء قادر على اجتياز أغشية الخلايا بحرية - كلا الغشاء الخارجي الذي يفصل الخلية عن البيئة خارج الخلية ، وأغشية الأجزاء الخلوية ، من بين هذه الميتوكوندريا.

خصائص التنفس

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

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

تتمثل إحدى الميزات الأساسية التي تسمح بتنفيذ عمليات التنفس في وجود سلسلة نقل إلكترونية. في التنفس الهوائي ، يكون المستلم النهائي للإلكترونات هو جزيء الأكسجين.

في ظل الظروف العادية ، تكون هذه "الوقود" هي الكربوهيدرات أو الكربوهيدرات والدهون أو الدهون. مع دخول الجسم لظروف محفوفة بالمخاطر بسبب نقص الغذاء ، يلجأ إلى استخدام البروتينات في محاولة لتلبية مطالبه النشطة.

كلمة التنفس هي جزء من مفرداتنا في الحياة اليومية. لفعل الهواء في الرئتين ، في دورات مستمرة من الزفير والاستنشاق نسميه التنفس.

ومع ذلك ، في السياق الرسمي للعلوم البيولوجية ، يتم تعيين هذا الإجراء من خلال مصطلح التهوية. وبالتالي ، يتم استخدام مصطلح التنفس 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 الوصول إلى متلقي الأكسجين.

ينقسم هذا المسار الاستقلابي المعقد إلى انحلال سكري ودورة كريبس وسلسلة نقل الإلكترون:

تحلل

الخطوة الأولى لتدهور مونومر الجلوكوز هي تحلل السكر ، وتسمى أيضًا تحلل السكر. هذه الخطوة لا تتطلب الأكسجين مباشرة ، وهي موجودة في جميع الكائنات الحية تقريبا.

الهدف من هذا المسار الأيضي هو انقسام الجلوكوز إلى جزيئين من حمض البيروفيك ، والحصول على جزيئين من الطاقة الصافية (ATP) وتقليل جزيئين من NAD⁺.

في وجود الأكسجين ، يمكن أن يستمر الطريق إلى دورة كريبس وسلسلة نقل الإلكترون. في حالة غياب الأكسجين ، تتبع الجزيئات طريق التخمير. وبعبارة أخرى ، فإن تحلل السكر هو طريق استقلابي شائع للتنفس الهوائي واللاهوائي.

قبل دورة كريبس ، يجب أن يحدث نزع الكربوكسيل المؤكسد من حمض البيروفيك. تتم هذه الخطوة بوساطة مركب إنزيم مهم للغاية ، يسمى بيروفيت ديهيدروجينيز ، الذي ينفذ التفاعل المذكور أعلاه.

وبالتالي ، يصبح البيروفات جذريًا للأسيتيل يتم التقاطه لاحقًا بواسطة أنزيم أ ، المسؤول عن نقله إلى دورة كريبس..

دورة كريبس

تتألف دورة كريبس ، المعروفة أيضًا باسم دورة حمض الستريك أو دورة حمض الكربوكسيل ، من سلسلة من التفاعلات الكيميائية الحيوية التي تحفزها إنزيمات محددة تسعى إلى إطلاق الطاقة الكيميائية المخزنة في أنزيم الأسيتيل A تدريجيًا..

إنه طريق يؤكسد جزيء البيروفات بالكامل ويحدث في مصفوفة الميتوكوندريا.

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

ملخص دورة كريبس

يتم تقسيم كل جزيء من حمض البيروفيك إلى ثاني أكسيد الكربون وجزيء ثنائي الكربون ، يعرف باسم مجموعة الأسيتيل. مع الربط إلى أنزيم A (المذكور في القسم السابق) يتم تشكيل مجمع أنزيم A الأسيتيل.

يدخل الكاربونان من حمض البيروفيك إلى الدورة ، ويتكثّفان مع أوكسالوسيتيت ويؤلفان جزيء السترات الكربوني. وبالتالي ، تحدث تفاعلات الخطوة المؤكسدة. يعود السيترات إلى أوكسالوسيتيت مع إنتاج نظري ل 2 مول من ثاني أكسيد الكربون ، 3 مول من NADH ، 1 من FADH₂ و 1 مول من GTP.

نظرًا لتكوين جزيئين من البيروفات في تحلل السكر ، فإن جزيء الجلوكوز يشتمل على ثورتين من دورة كريبس..

سلسلة نقل الإلكترون

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

يُترجم مرور الإلكترونات بواسطة مجمعات البروتين المذكورة إلى إطلاق تدريجي للطاقة يتم استخدامه لاحقًا في توليد ATP كيميائيًا. من المهم ملاحظة أن رد الفعل الأخير للسلسلة هو من النوع الذي لا رجعة فيه.

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

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

أنواع جزيئات الناقل

تتكون السلسلة من ثلاثة بدائل ناقل. الدرجة الأولى هي البروتينات الفلافوبروتينية التي تتميز بوجود الفلافين. يمكن لهذا النوع من الناقل إجراء نوعين من التفاعلات ، كل من الاختزال والأكسدة ، بشكل بديل.

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

الفئة الأخيرة من الناقل هي يوبيكوينون ، المعروف أيضًا باسم أنزيم ك. وهذه الجزيئات ليست بروتينية في الطبيعة..

الكائنات الحية مع التنفس الهوائية

معظم الكائنات الحية لديها التنفس من النوع الهوائية. وهو نموذجي للكائنات حقيقية النواة (كائنات لها نواة حقيقية في خلاياها ، محددة بواسطة غشاء). تتنفس جميع الحيوانات والنباتات والفطريات الهوائية.

الحيوانات والفطريات هي كائنات متغايرة التغذية ، مما يعني أن "الوقود" الذي سيتم استخدامه في مسار التنفس الأيضي يجب أن يستهلك بنشاط في النظام الغذائي. على النقيض من النباتات ، التي لديها القدرة على إنتاج طعامها عن طريق مسار التمثيل الضوئي.

بعض أجناس بدائيات النوى تحتاج أيضًا إلى أكسجين للتنفس. على وجه التحديد ، هناك البكتيريا الهوائية الصارمة - أي أنها تنمو فقط في البيئات التي تحتوي على الأكسجين ، مثل الزائفة.

أجناس أخرى من البكتيريا لديها القدرة على تغيير الأيض من الهوائية إلى اللاهوائية اعتمادا على الظروف البيئية ، مثل السالمونيلا. في بدائيات النوى ، يكون كونك الهوائية أو اللاهوائية سمة مهمة لتصنيفها.

الاختلافات مع التنفس اللاهوائي

العملية المعاكسة للتنفس الهوائي هي الطريقة اللاهوائية. الفرق الأكثر وضوحا بين الاثنين هو استخدام الأكسجين باعتباره متقبل الإلكترون النهائي. يستخدم التنفس اللاهوائي جزيئات غير عضوية أخرى كمقبلات.

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

هناك أيضا اختلافات من وجهة نظر الطاقة. في المسار اللاهوائي ، يتم إنتاج جزيئين فقط من ATP (المقابلة لمسار تحلل السكر) ، بينما في التنفس الهوائي يكون المنتج النهائي عمومًا حوالي 38 جزيءًا من ATP - وهو فرق كبير.

مراجع

1. Campbell، M. K. & & Farrell، S. O. (2011). الكيمياء الحيوية. الطبعة السادسة. طومسون. بروكس / كول.
2. كورتيس ، هـ. (2006). دعوة إلى علم الأحياء. الطبعة السادسة. بوينس آيرس: لعموم أمريكا الطبية.
3. Estrada، E & Aranzábal، M. (2002). أطلس الأنسجة الفقارية. الجامعة الوطنية المستقلة في المكسيك. ص 173.
4. هول ، ج. (2011). معاهدة علم وظائف الأعضاء الطبية. نيويورك: إلسفير للعلوم الصحية.
5. هاريشا ، س. (2005). مقدمة في التكنولوجيا الحيوية العملية. نيودلهي: جدار حماية الوسائط.
6. هيل ، ر. (2006). فسيولوجيا الحيوان مدريد: عموم أمريكا الطبية.
7. Iglesias، B.، Martín، M. & Prieto، J. (2007). أسس علم وظائف الأعضاء. مدريد: تبار.
8. Koolman، J.، & Röhm، K. H. (2005). الكيمياء الحيوية: النص والأطلس. Ed. Panamericana Medical.
9. Vasudevan، D. & Sreekumari S. (2012). نص الكيمياء الحيوية لطلاب الطب. الطبعة السادسة. المكسيك: JP Medical Ltd.