إليك كل المعلومات عن عملية التنفس الخلوي وما هي أهميتها للكائنات الحية

إن التنفس الخلوي هو العملية التي تقوم بها الكائنات بجمع الأكسجين مع جزيئات المواد الغذائية، ومن ثم تحويل الطاقة الكيميائية في هذه المواد إلى أنشطة تحافظ على الحياة والتخلص منها، كمخلفات، والماء وثاني أكسيد الكربون. الكائنات الحية التي لا تعتمد على الأكسجين تحلل المواد الغذائية في عملية تسمى التخمير. ويمكن تعريف التنفس الخلوي أيضاً على أنه مسار أيضي يكسر الجلوكوز وينتج ATP. إن مراحل التنفس الخلوي الأساسية تتضمن تحلل السكر والتفاعل الانتقائي أو أكسدة البيروفات ودورة كريبس أو حمض الستريك والفسفرة المؤكسدة.

إن الطاقة المطلوبة من أجل تشغيل الخلايا الحية تأتي من الشمس. حيث أن النباتات تلتقط هذه الطاقة وتقوم بتحويلها إلى جزيئات عضوية. كما يمكن للحيوانات بدورها اكتساب هذه الطاقة من خلال تناول النباتات أو الحيوانات الأخرى. حيث يتم الحصول على الطاقة التي تمد خلايانا بالطاقة من الأطعمة التي نتناولها. من خلال عملية التنفس الخلوي، تتحول الطاقة الموجودة في الطعام إلى طاقة يمكن لخلايا الجسم استخدامها. في البداية، يتم هضم السكريات الموجودة في الطعام الذي تتناوله في سكر الجلوكوز البسيط، وهو أحادي السكاريد. تذكر أن الجلوكوز هو السكر الذي ينتجه النبات أثناء عملية التمثيل الضوئي. يتم بعد ذلك تمرير الجلوكوز، أو السكاريد المصنوع من العديد من جزيئات الجلوكوز، مثل النشا، إلى الكائن الحي الذي يأكل النبات. قد يكون هذا الكائن هو أنت، أو قد يكون الكائن الحي الذي تأكله. في كلتا الحالتين، جزيئات الجلوكوز هي التي تحمل الطاقة.

قد تحب أن تقرأ: ما هي فوائد المشمش الصحية وأهم فوائده للرجال والنساء والجسم

نظرة عامة على عملية التنفس الخلوي

يحدث التنفس الخلوي في خلايا جميع الكائنات الحية. ولكن ماذا ينتج عنه؟ ينتج التنفس الخلوي الطاقة، وهو أمر حيوي لأن الطاقة تستخدم للحفاظ على الحياة. المسؤول عن تنفيذ هذه العملية كل من خلايا حقيقية النواة والخلايا بدائية النواة. تتم هذه العملية في الخلايا بدائية النواة، حيث يتم إجراؤها في سيتوبلازم الخلية، في الخلايا حقيقية النواة يبدأ في العصارة الخلوية ثم يتم تنفيذه في الميتوكوندريا. في حقيقيات النوى، تشمل المراحل الأربع للتنفس الخلوي تحلل السكر، والتفاعل الانتقالي (أكسدة البيروفات) ، ودورة كريبس (المعروفة أيضاً باسم دورة حمض الستريك)، والفسفرة التأكسدية من خلال سلسلة نقل الإلكترون.

آلية عمل التنفس الخلوي؟

يعمل التنفس الخلوي إما في وجود أو عدم وجود الأكسجين. لكن في الأساس، تسمى العملية التنفس الخلوي لأن الخلية تبدو وكأنها “تتنفس” بطريقة تأخذ الأكسجين الجزيئي (كمتقبل للإلكترون) وتطلق ثاني أكسيد الكربون (كمنتج نهائي). ومن ثم يتم وصف العملية بأنها هوائية. عندما لا يكون متقبل الإلكترون النهائي هو الأكسجين، يتم وصفه بأنه لا هوائي. يتم إجراء نوع من التنفس اللاهوائي بشكل رئيسي بواسطة الكائنات اللاهوائية (مثل البكتيريا اللاهوائية) التي تستخدم جزيئات معينة كمستقبلات إلكترونية بدلاً من الأكسجين. في عملية لاهوائية أخرى، مثل التخمير، لا يتم استقلاب البيروفات بنفس طريقة نوع التنفس الهوائي. لا يتم نقل البيروفات إلى الميتوكوندريا. بدلاً من ذلك ، يبقى في السيتوبلازم حيث يمكن تحويله إلى نفايات يتم إزالتها من الخلية.

أهمية هذه العملية

تتمثل الوظيفة الرئيسية للتنفس الخلوي في تصنيع الطاقة الكيميائية الحيوية. يعد التنفس الخلوي ضرورياً لكل من الخلايا حقيقية النواة والخلايا بدائية النواة لأن هذه الطاقة الكيميائية الحيوية يتم إنتاجها لتغذية العديد من عمليات التمثيل الغذائي، مثل التخليق الحيوي، والتنقل، ونقل الجزيئات عبر الأغشية.

قد يهمك أيضاً: دليلك الكامل حول فوائد فيتامين ج الصحية والطبية ودوره في تعزيز صحة الجسم

مراحل عملية التنفس الخلوي

كما ذكرنا سابقاً فإن التنفس الخلوي هو عملية استخراج الطاقة في شكل ATP من الغلوكوز في الطعام الذي نتناوله. فكيف تحدث هذه العملية داخل الخلية؟ هناك ثلاث مراحل تمر بها هذه العملية:

• المرحلة الأولى، حيث يتم فيها تكسير الغلوكوز في سيتوبلازم الخلية، وتسمى هذه العملية تحلل السكر.
• المرحلة الثانية، يتم فيها نقل جزيئات البيروفات إلى الميتوكوندريا، وهي العضيات المعروفة باسم مراكز الطاقة في الخلايا. حيث يدخل البيروفات الذي تم تحويله إلى جزيء ثنائي الكربون في الميتوكوندريا، وتسمى هذه المرحلة دورة كريبس. ونلاحظ أن الميتوكوندريا تمتلك غشاء داخلي به الكثير من الطيات التي تزيد من مساحة سطح الغشاء بشكل كبير، مما يسمح بحدوث الكثير من تفاعلات التنفس الخلوي.
• المرحلة الثالثة، إن الطاقة المتواجدة في ناقلات الطاقة تدخل في سلسلة نقل الإلكترون، وخلال هذه المرحلة، يتم استخدام الطاقة الناتجة من أجل إنتاج ATP.

يعتبر الأكسجين مهماً للغاية من أجل المساعدة في عملية تحويل الغلوكوز إلى ATP. حيث أن الخطوة الأولى تطلق فقط جزيئين من ATP لكل غلوكوز، في حين أنه في الخطوات اللاحقة يتم إطلاق المزيد من جزيئات ATP.

المتفاعلات، ما الذي يدخل الخلية؟

الغلوكوز والأكسجين كلاهما متفاعلان في عملية التنفس الخلوي. إذ إن الغلوكوز يدخل إلى الجسم عندما يأكل الكائن الحي في حين أن الأكسجين يدخل الجسم عندما يتنفس الكائن الحي.

المنتجات، ماذا تنتج الخلية؟

إن نواتج عملية التنفس الخلوي هي الماء وثاني أكسيد الكربون. إذ يتم نقل غاز ثاني أكسيد الكربون من الميتوكوندريا الخاصة بك الموجودة خارج الخلية، إلى كريات الدم الحمراء، ومن ثم العودة إلى الرئتين حتى تتم عملية الزفير. ويتم إنشاء ATP في هذه العملية. عندما يتم تكسير جزيء واحد من الجلوكوز، يمكن تحويله إلى إجمالي صافٍ يبلغ 36 أو 38 جزيء من ATP. يحدث هذا فقط في وجود الأكسجين.

مقال قد يهمك: إليك كل المعلومات التي تود معرفتها عن أهمية وفوائد فيتامين ج الصحية والطبية

التفاعل الكيميائي

إن التفاعل الكيميائي العام للتنفس الخلوي هو عبارة عن جزيء واحد من الغلوكوز (C6H12O6) بالإضافة إلى 6 جزيئات من الأكسجين (O2) حيث تنتج 6 جزيئات من ثاني أكسيد الكربون (CO2) بالإضافة إلى 6 جزيئات من الماء (H2O). باستخدام الرموز الكيميائية، يمكن تمثيل المعادلة الكيميائية على الشكل التالي:

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O

يتم إنشاء جزيئات ATP خلال هذه العملية. رغم أن المعادلة السابقة من الممكن ألا تبدو معقدة، إلا أن التنفس الخلوي هو عبارة عن سلسلة من التفاعلات الكيميائية مقسمة إلى ثلاث مراحل: تحلل السكر، ودورة كريبس، وسلسلة نقل الإلكترون كما ذكرنا سابقاً وسنتعرف على هذه المراحل بشكل أكثر تفصيلاً:

مرحلة تحلل السكر

إن المرحلة الأولى من عملية التنفس الخلوي هي تحلل السكر. تحلل السكر بشكل مختصر هو تحلل أو انقسام الغلوكوز. حيث أن هذا التحلل يحول الجلوكوز 6 كربون إلى جزيئين من 3 كربون بيروفات. وتحدث هذه العملية تحديداً في سيتوبلازم الخلية، ويمكن حدوثها في وجود أو عدم وجود الأكسجين. أثناء هذه المرحلة، يتم تصنيع كمية صغيرة من NADH وكذلك أربعة جزيئات من ATP. يتم استخدام اثنين من ATP خلال هذه العملية، مما يترك جزيئين من ATP من تحلل السكر. كما يحتفظ NADH بالطاقة بشكل مؤقت، من أجل استخدامها في المرحلة الثالثة.

قد تحب أن تقرأ: دليلك الكامل حول نبات بابونج وفوائده البالغة للشعر والبشرة والجسم وعلاج الأمراض

المرحلة الثانية دورة كريبس

في وجود الأكسجين، أي تحت وجود الظروف الهوائية، يدخل البيروفات الميتوكوندريا من أجل البدء في دورة كريبس. المرحلة الثانية من عملية التنفس الخلوي هي نقل الطاقة في البيروفات، وهي الطاقة في البداية في الجلوكوز، إلى ناقلتين للطاقة، NADH و FADH2. كما يتم إنتاج كمية صغيرة من جزيئات ATP خلال هذه الدورة. تحدث هذه العملية في دورة مستمرة، وقد سميت بهذا الاسم نسبة لمكتشفها، هانز كريبس. تستخدم دورة كريبس جزيء 2-كربون (أسيتيل- CoA) مشتق من البيروفات وينتج ثاني أكسيد الكربون.

قد تحب أن تقرأ: فوائد شاي البابونج لجميع أجزاء الجسم وطريقة تحضيره للاستفادة منه بالشكل الأمثل

المرحلة الثالثة سلسلة نقل الإلكترون

المرحلة الثالثة من عملية التنفس الخلوي هي استخدام ناقلات الطاقة NADH و FADH2 من أجل إنتاج جزيئات ATP، حيث يحدث هذا في جزأين. في البداية، تدخل ناقلات الطاقة NADH و FADH2 في سلسلة نقل الإلكترون، حيث يتم استخدام طاقتهما في ضخ البروتونات (H +) في الفضاء بين الغشاء في الميتوكوندريا. إن هذه العملية تؤسس تدرج بروتون من خلال الغشاء الداخلي. بعد ذلك تتدفق هذه البروتونات إلى أسفل تدرج تركيزها، ومن ثم تعود إلى المصفوفة من خلال الانتشار السهل. خلال هذه المرحلة، يتم تصنيع جزيئات ATP من خلال إضافة الفوسفات غير العضوي إلى ADP. يتم إنتاج معظم جزيئات ATP أثناء عملية التنفس الخلوي خلال هذه المرحلة. لكل جلوكوز يبدأ التنفس الخلوي، في وجود الأكسجين (الظروف الهوائية)، يتم إنتاج 36-38 ATP. بدون أكسجين ، وفي ظل الظروف اللاهوائية، يتم إنتاج أقل بكثير (اثنان فقط) من جزيئات ATP.

قد تحب أن تقرأ: فيتامين ك: تعرف على فوائده الصحية والطبية ودوره في تعزيز الصحة العامة للجسم

ما هو دور الأكسجين في التنفس الخلوي؟

يستخدم الأكسجين في التنفس الخلوي. إنه جزيء ثنائي الذرة (أي يتكون من جزيئين أكسجين مرتبطين برابطة تساهمية) وهو كهرسلبي، مما يعني أنه يجذب أزواج الترابط من الإلكترونات. عندما تسحب الإلكترونات نحوها، فإنها تطلق الطاقة من الروابط الكيميائية. يتم الجمع بين الطاقة الكامنة من طعامنا والأكسجين وتنتج منتجات من ثاني أكسيد الكربون (CO2) والماء (H2O) التي تطلق الطاقة لتشكيل جزيء ATP. على سبيل المثال، يمكن دمج الجلوكوز أحادي السكاريد (الشكل الأساسي للكربوهيدرات) مع الأكسجين. يتم نقل الإلكترونات عالية الطاقة الموجودة في الجلوكوز إلى الأكسجين ويتم إطلاق الطاقة الكامنة، حيث يتم تخزين الطاقة في شكل ATP. تحدث هذه العملية النهائية للتنفس الخلوي على الغشاء الداخلي للميتوكوندريا. بدلاً من إطلاق كل الطاقة دفعة واحدة، تنخفض الإلكترونات في سلسلة نقل الإلكترون. يتم إطلاق الطاقة في أجزاء صغيرة وتستخدم تلك الطاقة لتشكيل ATP.

قد تحب أن تقرأ: دليلك الكامل لتتعرف على مفهوم التغذية الصحية وأهميتها للكبار والصغار

في النهاية، فإن الوظيفة الرئيسية للتنفس الخلوي تتمثل في تصنيع الطاقة الكيميائية الحيوية. ويعد التنفس الخلوي ضرورياً لكل من الخلايا حقيقية النواة والخلايا بدائية النواة لأن هذه الطاقة الكيميائية الحيوية يتم إنتاجها لتغذية العديد من عمليات التمثيل الغذائي، مثل التخليق الحيوي، والتنقل، ونقل الجزيئات عبر الأغشية.