التنفس في الكائنات الحية / التنفس الخلوى

مفهوم التنفس وحاجة الكائن الحى إليه :
يمتص النبات الأخضر الطاقة من ضوء الشمس ويخزنها بعد تحويلها إلى طاقة كيميائية فى مواد غنية بالطاقة فى عملية البناء الضوئى كالكربوهيدرات والسكريات بصفة خاصة.
تتم عملية التنفس فى :
1- الكائنات وحيدة الخلية عن طريق حصول الكائن على الأكسجين مباشرة من الهواء الجوى .
2- الكائنات عديدة الخلايا عن طريق جهاز التنفس ويخرج CO2 كمنتج نهائى .
ملاحظة : يجب عدم الخلط بين التبادل الغازى والتنفس الخلوى الذى فيه تهدم الخلية جزيئات الطعام وتتحرر الطاقة التى تستخدم فى اداء وظائف وأنشطة الخلية .

التنفس الخلوى

العملية التى تستخرج بها خلايا الكائن الحى الطاقة اللازمة لنشاطها من الطاقة المخزنة فى الروابط الكيميائية لجزيئات الطعام التى يصنعها النبات أو يتناولها الحيوان وذلك لأستخدامها فى بناء جزيئات ATP.
ملاحظة : يعبر عن جزئ الغذاء عادة بجزئ الجلوكوز عند إيضاح أسلوب وخطوات انحلاله.
ج: نظراً لأن أغلب خلايا الكائنات الحية تستخدم الجلوكوز لإنتاج الطاقة أكثر من استخدامها لأى جزئ غذاء أخر متوفر يعتبر الجلوكوز والكربوهيدرات الأخرى صورة مخزنة للطاقة وأيضاً صورة تنقل فيها الطاقة من خلية لخرى ومن كائن حى لأخر.
علل : يعتبر جزيئات ATP عملة الطاقة للخلية .
ج: لأن كل طاقة تحتاج إليها الخلية تحصل عليها من جزيئات ATP لأنها تتميز بسرعة انتقالها من خلية لخلية أو من كائن لكائن بسهوله كالعملة الصغيرة التى يمكن تداولها .
س: مما يتركب ATP وكيف يؤدى وظيفته ؟
يتركب جزئ ATP من ثلاث وحدات هى :
ج: 1- قاعدة نيتروجينية ( أدينين ) أى لها خواص القاعدة .
2- سكر خماسى الكربون ( ريبوز) 3- ثلاث مجموعات فوسفات لكل جزئ .
الوظيفة :عندما يتحلل جزئ ATP إلى جزئ ADP ينطلق مقدار من الطاقة يقدر ما بين ( 7 – 12 سعر حرارى كبير لكل مول ). تسهم فى دفع التفاعلات الكيميائية التى تحتاجها الخلية.
تبدأ عملية التنفس الخلوى بجزئ جلوكوز وفيما يلى معادلة أكسدته :
C6H12O6 + 6O2 6H2O + 6CO2 + 38 ATP ( هذه المعادلة توضح كمية الطاقة الناتجة لكل مول واحد من الجلوكوز )
مراحل أكسدة جزئ الجلوكوز
يتم أكسدة جزئ الجلوكوز على ثلاث مراحل هى :
أ- انشطار الجلوكوز ب- دورة كريبس ج- سلسلة نقل الإلكترون
* يحدث انشطار الجلوكوز فى الجزء الغير عضى من السيتوبلازم ( السيتوسول) أما خطوات كل من دورة كريبس وسلسلة نقل الإلكترون فتحدث داخل الميتوكوندريا حيث يوجد :
( إنزيمات تنفس – فوسفات – إنزيمات مساعدة – جزيئات حاملات الألكترونات أو السيتروكرومات ) والتى تحمل الإلكترونات على مستويات الطاقة المختلفة حيث تزال ذرات الهيدروجين أثناء التفاعل لتمر إلى مساعدات الأنزيم كوانزيم وأهمها ( NAD+ التى تختزل إلى NADH والثانى FAD يختزل إلى FADH2)
NAD+ + H2 NADH + H+
FAD + H2 FADH 2
أ- مرحلة انشطار الجلوكوز :
1- تتم مرحلة انشطار الجلوكوز فى حالة التنفس الهوائى والاهوائى لإنتاج الطاقة .
2-وفيها ينشطر الجلوكوز إلى جزيئين من حمض البيروفيك ( ثلاثى الكربون) مارا بمجموعة من التفاعلات فيها يتحول الجلوكوز إلى جلوكوز 6- فوسفات ثم فركتوز 1-6 ثنائى الفوسفات الذى يكون جزئين من فوسفوجلسر الدهيد ليتأكسد إلى جزئين من حمض البيروفيك وليختزل جزئين من مساعد الأنزيم NAD+ إلى NADH وينتج جزيئين من ATP فى سيتوسول الخلية .
3- هذه التفاعلات تحدث فى غياب الأكسجين وتعرف بالأكسدة اللاهوائية

C6H12O6 2C3H4O3 + 2 ATP

الطاقة الناتجة غير كافية لأداء الوظائف الحيوية فى الكائنات لذا يدخل حمض البيروفيك إلى الميتوكوندريا فى وجود الأكسجين لإنتاج طاقة أكبر ويتم ذلك فى خطوتين هما دورة كريبس وسلسلة نقل الإلكترون .
ب- دورة كريبس
أول من وصفها السيد هانز كريبس عام 1937 ومنح جائزة نوبل عن هذا العمل فى 1953.
وتتم فى الخطوات التالية :
أ- يتحول كل جزئ من حمض بيروفيك فى وجود مساعد الإنزيم CO.A إلى استيل الإنزيم CO.A وينتج عن ذلك جزيئين NADH وجزيئين CO2
ويمكن لمجموعات الاستيل الأخرى والناتجة من تكسير جزيئات الدهون والأحماض الأمينية أن تتحد مع مساعد الإنزيم CO.A لتلحق بدورة كريبس .
ب- يدخل جزئ استيل CO.A إلى دورة كريبس حيث ينفصل عنه مساعد الإنزيم ليكرر عمله فى دورة أخرى بينما تتحد مجموعة استيل ثنائى الكربون مع مركب رباعى الكربون ( حمض الأكسالواسيتك ) لينتج مركب سداسى الكربون ( حمض الستريك ) والذى يمر بثلاث مركبات وسطية تبدأ بحمض الكيتوجلورتاريك ثم حمض الساكسينك ثم حمض الماليك لتنتهى التفاعلات بحمض الستريك مرة أخرى لذلك قد تسمى دورة كريبس بدورة حمض الستريك.
ج- يتحرر أثناء الدورة جزيئات من CO2 وجزئ ATP.
كما ينتج ثلاث جزيئات NADH وجزئ واحد FADH2 وذلك فى كل دورة .
( تتكرر دورة كريبس مرتين لكل جزئ جلوكوز ومرة لكل جزئ من مجموعة الأستيل )
علل : لا تتطلب دورة كريبس وجود O2 فكل الالكترونات التى تزال فى أكسدة جزئ الكربون أثناء التفاعلات تستقبل بواسطة FAD , NAD+

ج) سلسلة نقل الإلكترون
1- مع نهاية دورة كريبس وفى المرحلة الأخيرة من التنفس الهوائى يمر الهيدروجين والإلكترونات ذات المستوى العالى من الطاقة والمحمولة على كل من ` FADH2 , NADH خلال تتابع مساعدات الإنزيمات توجد فى الغشاء الداخلى للميتوكوندريا وتعرف بالسيتوكرومات ( حاملات الإلكترونات ) وتحمل الإلكترونات على مستويات طاقة مختلفة .
* بمرور الإلكترونات من جزئ إلى آخر للسيتوكرومات تنطلق الطاقة لتكوين جزيئات ATP من جزيئات ADP وتعرف ذلك بالفسفرة التأأكسدية .
2- يعتبر الأكسجين هو المستقبل الأخير فى سلسلة نقل الإلكترونات حيث أن زوج من الالكترونات تتحد مع زوج من H+ ثم مع الأكسجين لتكوين الماء :
2e- + 2H+ + 1/2 o2 H2O
( فى سلسلة نقل الالكترونات يعطى كل جزئ من NADH ثلاث جزيئات ATP بينما يعطى جزئ FADH2 وجزيئين من ATP)
3-وعلى ذلك فإن تأكسد جزئ واحد من الجلوكوز فى وجود الأكسجين فى عملية التنفس الهوائى ينتج عنها 38ATP منها 2ATP فى سيتوبلازم الخلية ( انشطار الجلوكوز ) ، 36ATP فى الميتوكوندريا ( فى مرحلة التنفس )

تمنياتى لكم بالتوفيق
جمال السعيد