عملية التنفس الخلوي وأنواعها ووظائفها

ال التنفس الخلوي إنها عملية تولد الطاقة في شكل ATP (أدينوسين ثلاثي الفوسفات). بعد ذلك ، يتم توجيه هذه الطاقة إلى العمليات الخلوية الأخرى. خلال هذه الظاهرة ، تخضع الجزيئات للأكسدة ويكون المتقبل النهائي للإلكترون ، في معظم الحالات ، جزيء غير عضوي.

تعتمد طبيعة متقبل الإلكترون النهائي على نوع التنفس للكائن المدروس. في الأيروبكس - مثل الإنسان العاقل - يكون متلقي الإلكترون النهائي هو الأكسجين. في المقابل ، بالنسبة للأفراد الذين يعانون من التنفس اللاهوائي ، يمكن أن يكون الأكسجين سامًا. في هذه الحالة الأخيرة ، يكون المستلم النهائي هو جزيء غير عضوي يختلف عن الأكسجين.

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

في الكائنات الحية حقيقية النواة ، جميع الآلات اللازمة للتنفس تقع داخل الميتوكوندريا ، سواء في مصفوفة الميتوكوندريا أو في نظام الغشاء في هذه العضية..

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

مؤشر

• 1 المصطلحات
• 2 أين يحدث التنفس الخلوي؟?
  • 2.1 موقع التنفس في حقيقيات النوى
  • 2.2 عدد الميتوكوندريا
  • 2.3 موقع التنفس بدائية النواة
• 3 أنواع
  • 3.1 التنفس الهوائية
  • 3.2 التنفس Anerbic
  • 3.3 أمثلة للكائنات اللاهوائية
• 4 عملية
  • 4.1 دورة كريبس
  • 4.2 ردود الفعل من دورة كريبس
  • 4.3 سلسلة نقل الإلكترون
  • 4.4 اقتران كيميائي
  • 4.5 كمية ATP المشكلة
• 5 وظائف
• 6 المراجع

مصطلحات

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.

ينطوي التنفس الرئوي على عمل إلهام وانتهاء الصلاحية ، وتؤدي هذه العملية إلى تبادل الغازات: الأكسجين وثاني أكسيد الكربون. المصطلح الصحيح لهذه الظاهرة هو "التهوية".

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

أين يحدث التنفس الخلوي؟?

موقع التنفس في حقيقيات النوى

يحدث التنفس الخلوي في عضية معقدة تسمى الميتوكوندريا. هيكليا ، الميتوكوندريا هي 1.5 ميكرومتر واسعة وطول 2 إلى 8. وتتميز بوجود مواد وراثية خاصة بها وتقسيمها على الخصائص الانشطارية الأثرية ذات الأصل الفطري المنشأ..

لديهم اثنين من الأغشية ، واحد على نحو سلس وواحد داخلي مع طيات تشكل التلال. وكلما كانت الميتوكوندريا أكثر نشاطًا ، زادت قوتها.

يسمى الداخلية من الميتوكوندريا المصفوفة الميتوكوندريا. في هذا الحيز توجد الإنزيمات والإنزيمات والماء والفوسفات اللازمة لتفاعلات الجهاز التنفسي.

يسمح الغشاء الخارجي بمرور معظم الجزيئات الصغيرة. ومع ذلك ، فإن الغشاء الداخلي هو الذي يقيد بالفعل 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 في الأغشية وخالية في مصفوفة الميتوكوندريا.

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

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

بالإضافة إلى ذلك ، تقع هذه المناطق في مناطق معينة تتطلب الطاقة ، على سبيل المثال تحيط بسوط الحيوانات المنوية.

موقع التنفس بدائية النواة

منطقيا ، تحتاج الكائنات الحية بدائية النواة إلى التنفس وهذه ليست لديها الميتوكوندريا - ولا عضيات معقدة من حقيقيات النوى. لهذا السبب ، تتم العملية التنفسية في غزوات صغيرة من غشاء البلازما ، تشبه الميتوكوندريا..

نوع

هناك نوعان أساسيان من التنفس ، وهذا يتوقف على الجزيء الذي كان بمثابة المستلم النهائي للإلكترونات. في التنفس الهوائي ، يكون المستلم هو الأكسجين ، بينما في التنفس اللاهوائي يكون جزيء غير عضوي - رغم أنه في بعض الحالات النادرة يكون المستلم جزيءًا عضويًا. بعد ذلك سوف نصف كل واحد بالتفصيل:

التنفس الهوائية

في الكائنات ذات التنفس الهوائي ، يكون المستلم النهائي للإلكترونات هو الأكسجين. تنقسم الخطوات التي تحدث إلى دورة كريبس وسلسلة نقل الإلكترون.

سيتم تطوير شرح مفصل لردود الفعل التي تحدث في هذه المسارات الكيميائية الحيوية في القسم التالي.

التنفس اللاهوائي

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

ومع ذلك ، فإن إنتاج الطاقة يكون دائمًا أكبر في التنفس الهوائي ، لأن دورة كريبس تعمل جزئيًا فقط ولا تشارك جميع جزيئات الناقل في السلسلة في التنفس.

لهذا السبب ، نمو وتطور الأفراد اللاهوائية أقل بكثير من التمارين الرياضية.

أمثلة للكائنات اللاهوائية

الأكسجين سامة في بعض الكائنات ويسمى اللاهوائية الصارمة. المثال الأكثر شهرة هو البكتيريا التي تسبب الكزاز والتسمم الغذائي: كلوستريديوم.

بالإضافة إلى ذلك ، هناك كائنات أخرى يمكن أن تتناوب بين التنفس الهوائي والهوائي ، وتسمى اللاهوائية الاختيارية. بمعنى آخر ، يستخدمون الأكسجين عندما يناسبهم وفي غيابه يلجئون إلى التنفس اللاهوائي. على سبيل المثال ، البكتيريا المعروفة الإشريكية القولونية لديه هذا التمثيل الغذائي.

يمكن أن تستخدم بعض البكتيريا أيونات النترات (NO₃^-) كالمتقبل النهائي للإلكترونات ، مثل الأنواع من الزائفة و بكتير مسبب لمرض. يمكن اختزال هذا الأيون إلى أيون النتريت أو أكسيد النيتروز أو غاز النيتروجين.

في حالات أخرى ، يكون المستلم النهائي من أيون الكبريتات (SO)₄^2-) مما يؤدي إلى كبريتيد الهيدروجين والذي يستخدم كربونات لتشكيل الميثان. جنس البكتيريا منتزعة الكبريت مثال على هذا النوع من المتقبل.

يعد هذا الاستقبال للإلكترونات في جزيئات النترات والكبريتات أمرًا بالغ الأهمية في الدورات الجيوكيميائية الحيوية لهذه المركبات - النيتروجين والكبريت.

عملية

تحلل السكر هو طريق سابق للتنفس الخلوي. ويبدأ بجزيء الجلوكوز والمنتج النهائي هو بيروفيت ، وهو جزيء ثلاثي الكربون. يحدث تحلل السكر في السيتوبلازم في الخلية. يجب أن يكون هذا الجزيء قادراً على دخول الميتوكوندريا لمواصلة تدهورها.

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

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

أولاً ، يتفاعل مع جزيء يسمى أنزيم أ. يتم تشذيب كل بيروفيت في ثاني أكسيد الكربون وفي مجموعة الأسيتيل ، التي ترتبط بالإنزيم أ ، مما يؤدي إلى مركب أسيتيل أنزيم أ..

في هذا التفاعل ، يتم نقل إلكترونين وأيون الهيدروجين إلى NADP⁺, تسفر عن NADH ويتم تحفيزها بواسطة إنزيم هيدروجيناز البيروفات المركب الأنزيمي. يحتاج التفاعل إلى سلسلة من العوامل المساعدة.

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

دورة كريبس

دورة كريبس هي واحدة من أهم ردود الفعل الدورية في الكيمياء الحيوية. وكما هو معروف في الأدب باسم دورة حمض الستريك أو دورة حمض الكربوكسيل (TCA).

يتلقى اسمها على شرف مكتشفه: عالم الكيمياء الحيوية هانز كريبس. في عام 1953 ، حصل كريبس على جائزة نوبل بفضل هذا الاكتشاف الذي تميز بمجال الكيمياء الحيوية.

الهدف من الدورة هو الإطلاق التدريجي للطاقة الموجودة في أنزيم الأسيتيل أ. وهو يتكون من سلسلة من تفاعلات الأكسدة والاختزال التي تنقل الطاقة إلى جزيئات مختلفة ، وخاصة إلى NAD.⁺.

لكل جزيئين من أنزيم الأسيتيل A الذي يدخل في الدورة يتم إطلاق أربعة جزيئات من ثاني أكسيد الكربون ، ويتم إنشاء ستة جزيئات من NADH واثنين من FADH₂. CO₂ يتم إطلاقه في الغلاف الجوي كمادة مضبوطة من العملية. يتم إنشاء GTP أيضا.

بما أن هذا المسار يشارك في كل من عمليات الابتنائية (تخليق الجزيء) وعمليات التقويص (تدهور الجزيء) ، فإنه يطلق عليه "الأمفيبولية".

ردود الفعل من دورة كريبس

تبدأ الدورة بدمج جزيء أسيتيل أنزيم A مع جزيء أوكسالو أسيتات. ينتج عن هذا الاتحاد جزيء مكون من ستة كربون: السترات. وهكذا ، يتم إطلاق الإنزيم المساعد A. وفي الحقيقة ، يتم إعادة استخدامه عدة مرات. إذا كان هناك الكثير من ATP في الخلية ، فسيتم منع هذه الخطوة.

يحتاج التفاعل أعلاه إلى طاقة ويتم الحصول عليه من انهيار رابطة الطاقة العالية بين مجموعة الأسيتيل وأنزيم A.

يمر السيترات إلى cis aconitato ، ويحدث إلى isocitrato بواسطة الإنزيم aconitasa. والخطوة التالية هي تحويل الإيزوسيترات إلى كيتوغلوتارات ألفا بواسطة الإيزوسيترات المجففة. هذه المرحلة مناسبة لأنها تؤدي إلى الحد من NADH وتطلق ثاني أكسيد الكربون.

يتم تحويل ألفا كيتوجلوتارات إلى إنزيم إنزيم أ سوسينيل ، عن طريق ألفا كيتوغلوتارات ديهيدروجينيز ، الذي يستخدم نفس العوامل المساعدة مثل بيروفات كيناز. في هذه الخطوة ، يتم إنشاء NADH أيضًا ، وكخطوة أولية ، يتم تثبيته بواسطة زيادة ATP.

المنتج التالي هو سكسينات. في إنتاجها ، يحدث تشكيل GTP. يمر succinate إلى fumarate. هذا رد فعل غلة FADH. الفومارات ، بدوره ، يصبح مالات وأخيرا أكسالات الأسيتات.

سلسلة نقل الإلكترون

تهدف سلسلة نقل الإلكترون إلى أخذ الإلكترونات من المركبات التي تم إنشاؤها في الخطوات السابقة ، مثل NADH و FADH₂, التي هي في مستوى طاقة عالية ، وتؤدي بهم إلى مستوى طاقة أقل.

يحدث هذا الانخفاض في الطاقة خطوة بخطوة ، وهذا لا يحدث فجأة. يتكون من سلسلة من الخطوات التي تحدث فيها تفاعلات الحد من الأكسدة.

المكونات الرئيسية للسلسلة هي مجمعات تتكون من البروتينات والإنزيمات مقرونة بالكرات السيتوكرومية: metoroporphyrins من نوع الهيم.

تتشابه السيتوكرومات من حيث بنيتها ، على الرغم من أن لكل منها خصوصية تسمح لها بأداء وظيفتها المحددة داخل السلسلة ، وتغني الإلكترونات على مستويات طاقة مختلفة..

إن إزاحة الإلكترونات عبر السلسلة التنفسية إلى مستويات أقل ، ينتج عنه إطلاق الطاقة. يمكن استخدام هذه الطاقة في الميتوكوندريا لتجميع ATP ، في عملية تعرف باسم الفسفرة المؤكسدة.

اقتران كيميائي

لفترة طويلة كانت آلية تشكيل ATP في السلسلة لغزًا ، حتى اقترح الكيميائي الحيوي بيتر ميتشل اقتران كيميائي.

في هذه الظاهرة ، يتم إنشاء التدرج البروتوني من خلال غشاء الميتوكوندريا الداخلي. يتم تحرير الطاقة الموجودة في هذا النظام وتستخدم لتوليف ATP.

كمية ATP المشكلة

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

وبالمثل ، لكل إلكترونين يمران من FADH₂, يتم تشكيل جزيئين من ATP.

وظائف

تتمثل الوظيفة الرئيسية للتنفس الخلوي في توليد الطاقة في صورة ATP من أجل توجيهها إلى وظائف الخلية..

تتطلب كل من الحيوانات والنباتات استخراج الطاقة الكيميائية الموجودة في الجزيئات العضوية التي تستخدمها كغذاء. في حالة الخضروات ، فإن هذه الجزيئات هي السكريات التي يجمعها النبات نفسه باستخدام الطاقة الشمسية في عملية التمثيل الضوئي الشهيرة.

الحيوانات ، من ناحية أخرى ، ليست قادرة على توليف طعامهم. وهكذا ، تستهلك التغذية المتغايرة الغذاء في النظام الغذائي - مثلنا ، على سبيل المثال. عملية الأكسدة هي المسؤولة عن استخراج الطاقة من الطعام.

يجب ألا نخلط بين وظائف التمثيل الضوئي ووظائف التنفس. النباتات ، مثل الحيوانات ، تتنفس أيضا. كلا العمليتين متكاملتان وتحافظان على ديناميات العالم الحي.

مراجع

1. Alberts، B.، & Bray، D. (2006). مقدمة في بيولوجيا الخلية. Ed. Panamericana Medical.
2. Audesirk، T.، Audesirk، G.، & Byers، B. E. (2003). علم الأحياء: الحياة على الأرض. بيرسون التعليم.
3. كورتيس ، هـ. ، وشانك ، أ. (2008). كورتيس. علم الاحياء. Ed. Panamericana Medical.
4. Hickman، C. P.، Roberts، L.S.، Larson، A.، Ober، W.C.، & Garrison، C. (2007). مبادئ متكاملة لعلم الحيوان. ماكجرو هيل.
5. Randall، D.، Burggren، W.، French، K.، & Eckert، R. (2002). فسيولوجيا الحيوان Eckert. ماكميلان.
6. تورتورا ، ج. ج. ، فونك ، ب. ر. ، وكيس ، س. ل. (2007). مقدمة في علم الأحياء المجهرية. Ed. Panamericana Medical.
7. Young، B.، Heath، J.W.، Lowe، J.S.، Stevens، A.، & Wheater، P.R. (2000). الأنسجة الوظيفية: أطلس النص واللون. هاركورت.