تنفس سلولی چیست؟
تنفس سلولی یک روند است که به وسیله آن، سلولها قادر به تبدیل قندها به انرژی میشوند. برای تولید ATP و سایر شکلهای انرژی مورد نیاز برای واکنشهای سلولی، سلولها به سوخت و گیرندههای الکترونی نیاز دارند. این فرایند شیمیایی انرژی را به یک شکل قابل استفاده برای سلولها تبدیل میکند.
تنفس سلولی
یوکاریوتها، از جمله تمام موجودات چند سلولی و برخی از موجودات تک سلولی، از تنفس هوازی بهره میبرند تا انرژی تولید کنند. این فرآیند از اکسیژن به عنوان گیرنده الکترونی قدرتمندترین موجود در طبیعت استفاده میکند. تنفس هوازی باعث میشود یوکاریوتها بتوانند عملکردهای حیاتی پیچیده و یک زندگی فعال را تجربه کنند. این به این معناست که آنها بدون یک منبع ثابت از اکسیژن قادر به دریافت انرژی برای حفظ حیات نخواهند بود.
اُرگانیسمهای پروکاریوتی، همچون باکتریها و آرکی باکترها، میتوانند از اشکال مختلف تنفس بهرهمند شوند که به نسبت کارآیی کمتری نسبت به تنفس سلولی دارند. این اشکال دیگر تنفس این امکان را به آنها میدهد که در محیطهایی زندگی کنند که ارگانیسمهای یوکاریوتی قادر به حیات نیستند. به عبارت دیگر، پروکاریوتها در شرایط بدون اکسیژن میتوانند از راههای دیگر تنفسی استفاده کرده و به حالت زنده باقی بمانند.
معادله تنفس سلولی
در این بخش، به توضیح معادلات مختلف مرتبط با مسیرهای تنفس سلولی، از جمله تنفس هوازی، تخمیر اسید لاکتیک و تخمیر الکلی، پرداخته میشود.
معادله تنفس هوازی نشان میدهد که گلوکز با اکسیژن و ADP ترکیب میشود تا دیاکسید کربن، آب و ATP تولید کند:
C6H12O6 (Glucose)+ 6O2 + 36 ADP (depleted ATP) + 36 Pi (Phosphate Groups)→ 6CO2 + 6H2O + 36 ATP
در این فرآیند، گلوکز به همراه اکسیژن و ADP، با دیاکسید کربن، آب، و ATP به صورت دیگر ترکیب میشود. به طور کلی، مولکولهای کربن گلوکز پس از شکسته شدن کامل، به شش مولکول دیاکسید کربن تبدیل میشوند و از طریق فرآیند بازدم از سلول خارج میشوند.
معادله تخمیر اسید لاکتیک
در تخمیر اسید لاکتیک، یک مولکول گلوکز به دو مولکول اسید لاکتیک تقسیم میشود. انرژی شیمیایی که در پیوندهای شکسته شده گلوکز ذخیره شده است، به پیوند بین ADP و یک گروه فسفات منتقل میشود.
C6H12O6 (Glucose) + 2 ADP (depleted ATP) + 2 Pi (Phosphate Groups) → 2 CH3CHOHCOOH (Lactic Acid) + 2 ATP
معادله تخمیر الکلی
تخمیر الکل به شدت شبیه به تخمیر اسید لاکتیک است، زیرا در این مسیر نیز اکسیژن به عنوان پذیرنده الکترون نهایی شناخته نمیشود. در مسیر تخمیر الکل، سلول از فرم تبدیل شده پیروات برای پذیرش الکترونهای نهایی استفاده میکند. این عمل باعث تولید اتیل الکل میشود که در واقع همان الکلی است که در مشروبات الکلی یافت میشود. تجهیزات و دستگاههای تقطیر از سلولهای مخمر برای ایجاد این الکل استفاده میکنند، که در این شیوه از تخمیر بهطور ویژه مناسب هستند.
C6H12O6 (Glucose) + 2 ADP (depleted ATP) + 2 Pi (Phosphate Groups)→ 2 C2H5OH (Ethyl Alcohol) + 2 CO2 + 2 ATP
مراحل تنفس سلولی
تنفس سلولی از طریق سه مرحله انجام میشود و در اینجا به واکنشهای مربوط به هر یک از این مراحل میپردازیم.
مرحله اول
گلیکولیز تنها مرحلهای است که در همه انواع تنفس مشترک دخیل میشود. در این فرایند، یک مولکول قند مانند گلوکز به دو نیم تقسیم میشود و دو مولکول ATP تولید میکند.
معادله گلیکولیز به صورت زیر است:
C6H12O6 (glucose) + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi → 2 CH3COCOO− + 2 NADH + 2 ATP + 2 H2O + 2H
نام گلیکولیز از کلمه یونانی “گلیکو” به معنای “شکر” و “لیز” به معنای “شکافتن” گرفته شده است. این نام میتواند به یادآوری کمک کند که فرآیند گلیکولیز، فرآیندی است که در آن یک قند به دو نیم تقسیم میشود.
در اکثر مسیرها، گلیکولیز با شروع از گلوکز انجام میشود و سپس به دو مولکول اسید پیرویک تقسیم میشود. پس از گلیکولیز، این دو مولکول پیروات برای تولید محصولات نهایی مختلف مانند اتیل الکل یا اسید لاکتیک بیشتر پردازش میشوند.
مرحله دوم
کاهش یا احیا، مرحلهای است که در ادامه این روند اتفاق میافتد و از نظر شیمیایی، کاهش یک مولکول به اضافه کردن الکترون به آن اشاره دارد.
در تخمیر اسید لاکتیک، NADH یک الکترون به مولکول پیروات منتقل میکند و نتیجتاً محصولات نهایی این نوع تخمیر، اسید لاکتیک و +NAD هستند. تشکیل +NAD برای سلول اهمیت دارد، زیرا این مولکول برای شروع فرآیند گلیکولیز ضروری است.
در تخمیر مشروبات الکلی، مولکول پیروات یک مرحله اضافی را طی میکند که در آن اتم کربن به شکل دی اکسید کربن از دست میدهد. سپس، مولکول واسطه حاصل به نام استالدهید تولید میشود و برای تولید +NAD به علاوه اتیل الکل یا اتانول، مورد واکنش احیا قرار میگیرد.
مرحله سوم
تنفس هوازی این فرآیندها را به سطح دیگری ارتقاء میدهد. به جای کاهش مستقیم واسطههای چرخه کربس، تنفس هوازی از اکسیژن به عنوان گیرنده الکترونی نهایی استفاده میکند. در ابتدا، الکترونها و پروتونهای متصل به حاملهای الکترونی مانند NADH از طریق زنجیره انتقال الکترونی پردازش میشوند. این زنجیره پروتئین درون غشای میتوکندری از انرژی الکترونها برای پمپ کردن پروتونها به یک طرف غشا استفاده میکند. انتقال پروتونها، یک نیروی الکتریکی ایجاد میکند که توسط پروتئین ATP سنتاز، تعداد زیادی از مولکولهای ADP را مورد فسفریلاسیون قرار میدهد و ATP ایجاد میکند.
محصولات تنفس سلولی
تنفس سلولی یک فرآیند پیچیده است که در سلولها برای تولید انرژی از قندها و سایر مواد غذایی صورت میگیرد. در طول مراحل مختلف تنفس سلولی، محصولات متنوعی تولید میشوند. این محصولات به صورت خلاصه به شرح زیر هستند:
- گلیکولیز:
- محصولات خروجی:
- دو مولکول پیروات از هر مولکول گلوکز
- دو مولکول ATP تولید شده به صورت غیرمستقیم (در حالت نتATP)
- دو مولکول NADH
- محصولات خروجی:
- اکسیداسیون پیروات (اگر تنفس هوازی باشد):
- محصولات خروجی:
- دی اکسید کربن (CO2)
- آب (H2O)
- انتقال الکترون و پمپاژ پروتون در زنجیره تنفس الکترونی
- محصولات خروجی:
- زنجیره تنفس الکترونی:
- محصولات خروجی:
- انتقال الکترون از NADH و FADH2
- پمپاژ پروتون به داخل فضای میتوکندری
- ایجاد نیروی الکتریکی
- محصولات خروجی:
- فسفریلاسیون اکسیداتیوه (اکسیداتیو فسفریلاسیون):
- محصولات خروجی:
- تولید ATP از ADP با استفاده از نیروی الکتریکی وارد شده از زنجیره تنفس الکترونی
- آب
- محصولات خروجی:
به طور کلی، در تنفس هوازی، محصولات نهایی شامل CO2 و H2O به عنوان محصولات کمانرژی و ATP به عنوان محصول اصلی انرژی میباشند. در تخمیر اسید لاکتیک یا تخمیر الکلی، محصولات متفاوتی تولید میشوند، اما این فرآیندها از تنفس هوازی به کمک اکسیژن متمایز هستند.
هدف تنفس سلولی
تمام سلولها باید توانایی به دست آوردن انرژی مورد نیاز برای اجرای فعالیتهای حیاتی خود را داشته باشند. برای ادامه زندگی و انجام وظایف حیاتی، سلولها نیاز به استفاده از امکانات اساسی همچون پمپهای موجود در غشاهای سلولی خود دارند که محیط داخلی سلول را به شکلی مناسب برای حیات حفظ میکنند.
ATP به عنوان رایجترین واحد انرژی در سلولها شناخته میشود. این مولکول انرژی زیادی را در پیوندهای فسفات خود ذخیره میکند. این پیوندها قابلیت شکسته شدن را دارند و انرژی مختص آنها آزاد میشود تا تغییراتی در سایر مولکولها ایجاد شود. به عنوان مثال، استفاده از ATP برای انجام عملکرد پمپهای موجود در غشای سلولی ضروری است و به دلیل ناپایداری طولانیمدت، از آن برای ذخیره انرژی در طولانی مدت استفاده نمیشود. به جای آن، قندها و چربیها به عنوان فرمهای ذخیرهسازی طولانیمدت مورد استفاده قرار میگیرند و سلولها باید به طور مداوم این مولکولها را برای تولید ATP جدید پردازش کنند. این فرآیند با نام تنفس شناخته میشود.
تنفس هوازی مقدار زیادی ATP از هر مولکول قند تولید میکند. به عبارت دیگر، هر مولکول قند که توسط گیاه یا سلول حیوانی هضم میشود، میتواند 36 مولکول ATP تولید کند. این با تخمیر که معمولاً تنها 2 تا 4 مولکول ATP تولید میکند، مقایسه شده و تنفس هوازی به عنوان یک فرآیند بسیار کارآمد شناخته میشود.
هرچند فرآیندهای تنفس بی هوازی توسط باکتریها و آرکی باکترها از مقادیر کمتری از ATP تولید میکنند، اما این مسیرهای تنفسی از مزیت این جهت برخوردارند که در محیطهای بدون اکسیژن نیز قابل اجرا هستند. در زیر، ما در مورد نحوه تولید ATP در انواع مختلف تنفس سلولی بحث خواهیم کرد.
انواع تنفس سلولی
همانطور که گفتیم، موجودات مختلف از مسیرهای متنوعی برای تنفس سلولی استفاده میکنند. در این بخش به معرفی انواع مسیرهای تنفس میپردازیم.
تنفس هوازی
تنفس هوازی در ارگانیسمهای یوکاریوتی در میتوکندریهای خود انجام میشود. این اندامکها به عنوان نیروگاه سلول شناخته میشوند به دلیل قدرت بالایی که در تجزیه قندها و تولید ATP دارند.
تنفس هوازی به دلیل استفاده از اکسیژن که به عنوان قویترین گیرنده الکترون در طبیعت شناخته میشود، بسیار کارآمد است. میتوکندریها با طراحی آناتومیای خاص، تمام واکنشهای لازم برای تنفس سلولی را در فضای کوچک داخل سلول جمع میکنند و به بهرهوری بالای تنفس هوازی کمک میکنند.
در شرایطی که اکسیژن در دسترس نباشد، بسیاری از سلولهای یوکاریوتی قابلیت اجرای انواع تنفس بی هوازی مانند تخمیر اسید لاکتیک را دارند. با این حال، این فرآیندها تولید ATP کافی برای حفظ عملکرد سلول را فراهم نمیکنند و بدون اکسیژن، سلولها در نهایت میمیرند یا عملکرد آنها متوقف میشود.
تخمیر
تخمیر نام فرایندی است که بسیاری از انواع مختلف تنفس بی هوازی را در بر میگیرد که توسط گونههای مختلف باکتریها، آرکی باکترها و همچنین توسط برخی سلولهای یوکاریوتیک در صورت عدم وجود اکسیژن انجام میشود. این فرآیندها میتوانند از انواع پذیرنده الکترونی استفاده کنند و محصولات جانبی متنوعی را تولید کنند که بر این اساس انواع متفاوتی تخمیر وجود دارند.
- تخمیر الکلی (Alcoholic Fermentation): این نوع تخمیر که توسط سلولهای مخمر و برخی سلولهای دیگر انجام میشود، قند را متابولیزه کرده و الکل و دی اکسید کربن را به عنوان فرآوردههای جانبی تولید میکند. مخمرها در طول فرآیند تخمیر، اتانول و گاز دی اکسید کربن را (در قالب حبابها) آزاد میکنند.
- تخمیر اسید لاکتیک (Lactic acid Fermentation): این نوع تخمیر در سلولهای عضلانی به هنگام عدم وجود اکسیژن و همچنین توسط برخی باکتریها انجام میشود. تخمیر اسید لاکتیک در واقع توسط انسان برای تهیه ماست مورد استفاده قرار میگیرد.
- تخمیر اسید پروپریونیک (Proprionic Acid Fermentation): این نوع تخمیر توسط بعضی از باکتریها انجام میشود و برای تهیه پنیر سوئیسی مورد استفاده قرار میگیرد. پروپریونیک اسید مسئول طعم و مزه قوی پنیر سوئیسی است.
- استئوژنز (Acetogenesis): استئوژنز نوعی تخمیر است که توسط باکتریها انجام میشود و اسید استیک را به عنوان محصول فرعی آن تولید میکند. این بدان معنی است که برای تولید سرکه، ابتدا یک محلول حاوی مواد قندی باید با مخمر تخمیر شده تا الکل تولید شود، سپس دوباره با باکتریهایی که الکل را به اسید استیک تبدیل میکنند، تخمیر صورت گیرد.
متانوژنز
متانوژنز (Methanogenesis) یک نوع منحصر به فرد از تنفس بی هوازی است که تنها با استفاده از باکتریها ممکن است انجام شود. در این فرایند، یک منبع سوخت کربوهیدرات تجزیه میشود تا دی اکسید کربن و متان تولید شود.
متانوژنز توسط برخی باکتریهای همزیست در دستگاه گوارش انسان، گاو و برخی حیوانات دیگر انجام میشود. برخی از این باکتریها قادر به هضم سلولز هستند، که در واقع سلولز قند موجود در گیاهان است و از طریق تنفس سلولی قابل تجزیه نیستند. باکتریهای همزیست به گاوها و حیوانات دیگر اجازه میدهند، مقداری انرژی از این قندهای غیرقابل هضم دریافت کنند.
دیدگاهتان را بنویسید