يتعرض الكثير من الطلاب إلى هذا السؤال في مادة الأحياء، وهو يعد من أهم الأسئلة التي تتضمنها هذه المادة، ومن ثم تكمن الإجابة في أن التنفس الخلوي، هو العملية الكيميائية التي تعلم على توليد الطاقة في الخلية، بالإضافة إلى أنها تمد الجزئيات اللازمة لحدوث التفاعلات الخاصة بالتمثيل الغذائي للكائن الحي، حيث أنها تتم في جميع خلايا الكائنات الحية حقيقية النواة ولاسيماً في الميتوكوندريا، ومن الجدير بالذكر أن الميتوكوندريا تعد هي مركز العديد من التفاعلات الكيميائية في الخلية، ومن ثم تقوم الخلايا بتحويل الطعام إلى طاقة للاستخدام في أدينوسين ثلاثي الفوسفات.
ويجب أن ننوه أنه يتم تكسير الجلوكوز في وجود الأكسجين الغذائي ليصبح بستة جزيئات من ثاني أكسيد الكربون، حيث يتم الحفاظ على الكثير من الطاقة من خلال تحويل أدينوسين ثنائي الفوسفات والفوسفات الحر إلى أدينوسين ثلاثي الفوسفات، ومن الممكن الحصول على طاقة من خلال تحلل الجلوكوز الموجود في الجسم، ويتم ذلك عن طريق التنفس الخلوي، ومن الجدير بالذكر أن عملية التنفس الخلوي من الممكن أن تحدث في حالة وجود الأكسجين أو في حالة عدم وجوده.
ما هي أهمية التنفس الخلوي
يكون للتنفس الخلوي أهمية كبيرة، حيث تحدث في جميع الكائنات الحية، وتلك العملية تساعد الكثير من الكائنات على العديد من العوامل التي سوف نذكرها في النقاط التالية:
حفظ درجة حرارة الجسم: وذلك عن طريق إطلاق التنفس الخلوي الطاقة وهي عملية طاردة للحرارة تحدث باستمرار في جميع الكائنات الحية.
التفاعلات الكيميائية داخل الجسم: يعمل التنفس الخلوي على تحريك التفاعلات الكيميائية اللازمة لإبقاء الكائنات الحية حية، حيث تتطلب هذه العملية تفاعلات بناء الكربوهيدرات المعقدة والبروتينات والدهون من منتجات التمثيل الضوئي في النباتات، ونواتج الهضم في الحيوانات.
الحركة: تنقبض العضلات في الكائنات الحية من خلال الحركة المطلوبة، ولكن في النباتات يلزم الحاجة إلى نقل المواد إلى اللحاء، ويتم هذا الأمر من خلال التنفس الخلوي حيث يمد الكائنات كافة بالطاقة اللازمة للقيام بذلك.
التدفئة للكائنات: يتم انطلاق الحرارة في الكائنات من خلال عملية التنفس الخلوي، ومن ثم يقوم الدم بتوزيع الحرارة في كافة أنحاء الجسم، ومن الجدير بالذكر أن الدم يعمل على تدفئة الحيوانات وتثبيت الحرارة الداخلية لهم.
تفسيم الخلايا: تساهم عملية التنفس الخلوي على تقسيم الخلايا داخل الجسم.
التوازن: يساهم في الحفاظ على الظروف الثابتة داخل الكائنات الحية.
أنواع التنفس الخلوي
أسلفنا في الفقرات السابقة أن التنفس الخلوي يحدث في حالة وجود أكسجين أو بدونه، ومن خلال النقاط التالية نذكر أنواع التنفس الخلوي:
التنفس الخلوي الهوائي (بالإنجليزية: Aerobic Respiration): يقصد بالتنفس الخلوي الهوائي أنه تلك العملية التي تحدث في كافة الكائنات الحية، حيث تقوم الكائنات الحية بتحويل الأكسجين إلى وقود، كما تعمل على تحويل الدهون والسكريات إلى طاقة، ومن الجدير بالذكر أن التنفس الهوائي يعد من أكثر كفاءة وينتج أدينوسين ثلاثي الفوسفات بشكل أسرع من التنفس الخلوي اللاهوائي.
التنفس الخلوي اللاهوائي (بالإنجليزية: Anaerobic respiration): يعد هذا النوع من التنفس الخلوي من الأمور التي تلجأ إليها الكائنات الحية في حالة نقص شديد في الأكسجين أو انعدام وجوده، وذلك حيث تكون نهاية سلسلة تفاعلات تحلل سكر الجلوكوز وتقوم بتحويل حمض البيروفيك إلى حمض اللاكتيك، ويكون ذلك بديلاً عن دخول البيروفيك إلى دورة كريبس، ومن ثم يتم إنتاج كلاً من الطاقة والماء وثاني أكسيد الكربون.
مراحل التنفس الخلوي
يتم التنفس الخلوي في عدد من المراحل التي سوف نذكرها في السطور التالية:
تحلل السكر (بالإنجليزية: Glycolysis)
تعد من أهم وأول المراحل في التنفس الخلوي، ومن الجدير بالذكر أنها تحدث في العصارة داخل السيتوبلازم، وتنقسم هذه المرحلة إلى قسمين نذكرهما في النقاط التالية:
تقسيم الجلوكوز: حيث يتم تقسيم الإنزيمات جزئ الجلوكوز إلى جزيئين من البيروفات التي تسمى حمض البيروفيك، ويحدث ذلك في عدة خطوات.
نتائج تحلل السكر: وهي الطاقة المطلوبة في بداية التحلل السكري لتقسيم جزئ الجلوكوز إلى جزيئين من البيروفات، ويتم انتقلهما إلى المرحلة الثانية من التنفس الخلوي، ومنها يتم توفير الطاقة حتى يتم تقسيم الجلوكوز عن طريق جزيئين، أدينوسين ثلاثي الفوسفات، ومن الجدير بالذكر أنه يتم انطلاق الطاقة مع تقدم عملية تحلل السكر، ويتم استخدام الطاقة في أربع جزيئات في أدينوسين ثلاثي الفوسفات،.
دورة حمض الستريك
تحدث دورة حمض الستريك في حلايا حقيقية النواة، حيث يتم نقل جزيئات البيروفات التي يتم انتاجها عند نهاية تحلل السكر إلى الميتوكوندريا، وهي مواقع للتنفس الخلوي، وفي حالة وجود الأكسجين سوف يتم التنفس الهوائي في الميتوكوندريا، ويتم ذلك عن طريق تحول البيروفات إلى مجموعة أسيتيل ثنائية الكربون، حيث يتم إزالة جزئ من ثاني أكسيد الكربون، ويتم التقاطخا من خلال مركب ناقل.
دورة كريبس
تبدأ بعد تفاعلات تحلل السكر الذي ينتج جزئين من البيروفات، وذلك في حالة دخول هذه الجزئيات في مصفوفة ميتوكوندريا، ومن الجدير بالذكر أن هذه الدورة تبدأ بشكل فعلي في حالة اتحاد أسيتيل مع جزيء رباعي الكربون، ومن خلال هذا الاتحاد ينتج حمض الستريك، ومن ثم يمر هذا الحمض بسلسلة من التفاعلات التي تطلق الطاقة، ويتم التقاط الطاقة في جزيئات.
وومن الجدير بالذكر أنه ينتج عن نفايات هذه التفاعلات غاز ثاني أكسيد الكربون، حيث يعد تجدد الجزئ الذي بدأ دورة كريبس واحداً من أهم عوامل الخطر في هذه المرحلة من مراحل التنفس الخلوي، ويكون الجزئ من الأمور الهامة في المرحلة التي تليها، ومن الجدير بالذكر أنه يوجد حاجة لدورتين ويرجع السبب في ذلك إلى أن تحلل السكر ينتج عنه جزيئين من حمض البيروفيك عندما ينشطر الجلوكوز، وبعد الانتهاء من دورة كريبس يتم تكسير جزئ الجلوكوز الأصلي، ثم يتم خلط كافة ذرات الكربون الست مع الأكسجين حتى يتم إنتاج ثاني أكسيد الكربون، ومن الجدير بالذكر أنه يتم تخزين الطاقة من روابطها الكيميائية مع عدد ستة عشر جزئ يحمل الطاقة.
الفسفرة التأكسدية
تعد هي المرحلة الأخيرة من مراحل التنفس الخلوي الهوائي، ويوجد نوعان من الفسفرة التأكسدية، نذكر تلك الأنواع بالتفصيل في النقاط التالية:
سلسلة نقل الإلكترون: وهي تلك التي يتم بها إطلاق الإلكترونات ذات الطاقة العالية، ويتم تحريكها على طول سلاسل نقل الالكترون على الغشاء الداخلي للميتوكوندريا، وتعد سلسلة نقل الإلكترون عبارة عن سلسلة من الجزيئات التي تقوم بنقل الإلكترونيات من جزئ لأخر، من خلال التفاعلات الكيميائية، ومن الجدير بالذكر أنه يتم استخدام بعض الطاقة من الإلكترونيات بهدف ضخ أيونات الهيدروجين من خلال الغشاء الداخلي من المصفوفة إلى الفراغ بين الغشاء، ويتم التدريج الكهروكميائياً عن طريق نقل الأيونات.
كيميائيات: يساهم ضخ أيونات الهيدروجين عبر الغشاء الداخلي في زيادة تركيز الأيونات في الحيز بين الغشاء وذلك مقارنة بالصفوف، حيث يعمل هذا التدرج على عودة تدفق الأيونات عبر الغشاء إلى المصفوفة، وبذلك يكون تركيزها أقل، ومن ثم يقوم مركب أدينوسين ثلاثي الفوسفات بعمل بروتين قناة، ويقوم بمساعدة أيونات الهيدروجين من خلال الغشاء.
