التنفس الخلوي في البشر

الغرض من التنفس الخلوي هو تحويل الجلوكوز من الطعام إلى طاقة.

تكسر الخلايا الجلوكوز في سلسلة من التفاعلات الكيميائية المعقدة وتجمع نواتج التفاعل مع الأكسجين لتخزين الطاقة فيه أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) جزيئات. تُستخدم جزيئات ATP لتشغيل أنشطة الخلايا وتعمل كمصدر طاقة عالمي للكائنات الحية.

التنفس الخلوي في البشر يبدأ في الجهاز الهضمي والجهاز التنفسي. يتم هضم الطعام في الأمعاء وتحويله إلى جلوكوز. يتم امتصاص الأكسجين في الرئتين وتخزينه في خلايا الدم الحمراء. ينتقل الجلوكوز والأكسجين إلى الجسم عبر الدورة الدموية للوصول إلى الخلايا التي تحتاج إلى طاقة.

تستخدم الخلايا الجلوكوز والأكسجين من الدورة الدموية لإنتاج الطاقة. ينقلون النفايات ، ثاني أكسيد الكربون ، إلى خلايا الدم الحمراء ويتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي من خلال الرئتين.

في حين أن الجهاز الهضمي والجهاز التنفسي والدورة الدموية يلعبان دورًا رئيسيًا في التنفس البشري ، فإن التنفس على المستوى الخلوي يحدث داخل الخلايا وفي الجسم. الميتوكوندريا من الخلايا. يمكن تقسيم العملية إلى ثلاث خطوات متميزة:

• تحلل السكر: تقسم الخلية جزيء الجلوكوز في العصارة الخلوية الخلوية.
  
instagram story viewer
• دورة كريبس (أو دورة حمض الستريك): تنتج سلسلة من التفاعلات الدورية متبرعات الإلكترون المستخدمة في الخطوة التالية وتحدث في الميتوكوندريا.
• سلسلة نقل الإلكترون: تحدث السلسلة الأخيرة من التفاعلات التي تستخدم الأكسجين لإنتاج جزيئات ATP على الغشاء الداخلي للميتوكوندريا.

في تفاعل التنفس الخلوي الكلي ، ينتج كل جزيء جلوكوز 36 أو 38 جزيء من ATP، حسب نوع الخلية. التنفس الخلوي عند البشر هو عملية مستمرة وتتطلب إمدادًا مستمرًا بالأكسجين. في حالة عدم وجود الأكسجين ، تتوقف عملية التنفس الخلوي عند تحلل السكر.

الغرض من تنفس الخلية هو إنتاج جزيئات ATP من خلال أكسدة من الجلوكوز.

على سبيل المثال ، صيغة التنفس الخلوي لإنتاج 36 جزيء ATP من جزيء الجلوكوز هي C₆ح₁₂ا₆ + 6O₂ = 6CO₂ + 6 ح₂O + الطاقة (36 جزيئات ATP). تخزن جزيئات ATP الطاقة في ثلاثة منها روابط مجموعة الفوسفات.

يتم تخزين الطاقة التي تنتجها الخلية في رابطة مجموعة الفوسفات الثالثة ، والتي تضاف إلى جزيئات ATP أثناء عملية التنفس الخلوي. عندما تكون هناك حاجة للطاقة ، يتم تكسير رابطة الفوسفات الثالثة واستخدامها في التفاعلات الكيميائية الخلوية. ان ثنائي فوسفات الأدينوزين (ADP) جزيء مع ترك مجموعتين من الفوسفات.

أثناء التنفس الخلوي ، يتم استخدام الطاقة من عملية الأكسدة لتغيير جزيء ADP مرة أخرى إلى ATP عن طريق إضافة مجموعة فوسفات ثالثة. ثم يصبح جزيء ATP جاهزًا مرة أخرى لكسر هذه الرابطة الثالثة لتحرير الطاقة لاستخدام الخلية.

في تحلل السكر ، ينقسم جزيء جلوكوز مكون من ستة كربون إلى جزأين ليشكل جزأين البيروفات الجزيئات في سلسلة من التفاعلات. بعد دخول جزيء الجلوكوز إلى الخلية ، يتلقى نصفيها المكونين من ثلاثة أجزاء من الكربون مجموعتين من الفوسفات في خطوتين منفصلتين.

أولا ، اثنان من جزيئات ATP فسفوريلات نصفي جزيء الجلوكوز بإضافة مجموعة فوسفات لكل منهما. ثم تضيف الإنزيمات مجموعة فوسفات أخرى إلى كل من نصفي جزيء الجلوكوز ، مما ينتج عنه نصفين من ثلاثة جزيئات كربون ، كل منهما بمجموعتين من الفوسفات.

في سلسلتين نهائيتين ومتوازيين من التفاعلات ، يفقد النصفان الثلاثة الفسفوريان من جزيء الجلوكوز الأصلي مجموعات الفوسفات الخاصة بهما لتكوين جزيئي البيروفات. يطلق الانقسام النهائي لجزيء الجلوكوز الطاقة المستخدمة لإضافة مجموعات الفوسفات إلى جزيئات ADP وتشكيل ATP.

يفقد كل نصف جزيء الجلوكوز مجموعتي الفوسفات وينتج جزيء البيروفات واثنين من جزيئات ATP.

يحدث تحلل السكر في العصارة الخلوية الخلوية ، لكن بقية عملية التنفس الخلوي تنتقل إلى الميتوكوندريا. لا يتطلب تحلل السكر الأكسجين ، ولكن بمجرد انتقال البيروفات إلى الميتوكوندريا ، يكون الأكسجين مطلوبًا لجميع الخطوات الإضافية.

الميتوكوندريا هي مصانع الطاقة التي تسمح للأكسجين والبيروفات بالدخول من خلال الغشاء الخارجي و ثم اترك نواتج التفاعل ثاني أكسيد الكربون و ATP للخروج مرة أخرى إلى الخلية وإلى الدورة الدموية النظام.

ال دورة حمض الستريك عبارة عن سلسلة من التفاعلات الكيميائية الدائرية التي تولد NADH و FADH₂ الجزيئات. يدخل هذان المركبان إلى الخطوة التالية من التنفس الخلوي ، و سلسلة نقل الإلكترون، والتبرع بالإلكترونات الأولية المستخدمة في السلسلة. الناتج NAD⁺ يتم إرجاع مركبات FAD إلى دورة حمض الستريك ليتم تغييرها مرة أخرى إلى NADH الأصلي و FADH₂ الأشكال والمعاد تدويرها.

عندما تدخل جزيئات البيروفات المكونة من ثلاثة كربون إلى الميتوكوندريا ، فإنها تفقد أحد جزيئات الكربون الخاصة بها لتكوين ثاني أكسيد الكربون ومركب ثنائي الكربون. يتأكسد منتج التفاعل هذا فيما بعد وينضم إليه أنزيم أ لتشكيل اثنين أسيتيل CoA الجزيئات. على مدار دورة حامض الستريك ، ترتبط مركبات الكربون بمركب رباعي الكربون لإنتاج ستة سيترات كربون.

في سلسلة من التفاعلات ، تطلق السترات ذرتين من الكربون كثاني أكسيد الكربون وتنتج 3 NADH و 1 ATP و 1 FADH₂ الجزيئات. في نهاية العملية ، تعيد الدورة تكوين المركب رباعي الكربون الأصلي وتبدأ مرة أخرى. تحدث ردود الفعل في داخل الميتوكوندريا ، و NADH و FADH₂ ثم تشارك الجزيئات في سلسلة نقل الإلكترون على الغشاء الداخلي للميتوكوندريا.

تتكون سلسلة نقل الإلكترون من أربعة مجمعات البروتين تقع على الغشاء الداخلي للميتوكوندريا. NADH يتبرع بالإلكترونات لأول مركب بروتين بينما FADH₂ يعطي إلكتروناته إلى مجمع البروتين الثاني. تمرر مجمعات البروتين الإلكترونات إلى أسفل سلسلة النقل في سلسلة من الأكسدة المختزلة أو الأكسدة والاختزال تفاعلات.

يتم تحرير الطاقة خلال كل مرحلة من مراحل الأكسدة والاختزال ، ويستخدمها كل مجمع بروتيني لضخها البروتونات عبر غشاء الميتوكوندريا في الفضاء بين الغشاء بين الأغشية الداخلية والخارجية. تمر الإلكترونات عبر مجمع البروتين الرابع والأخير حيث تعمل جزيئات الأكسجين كمستقبلات نهائية للإلكترون. تتحد ذرتان من الهيدروجين مع ذرة أكسجين لتكوين جزيئات الماء.

مع زيادة تركيز البروتونات خارج الغشاء الداخلي ، يتحول تدرج الطاقة تميل إلى جذب البروتونات مرة أخرى عبر الغشاء إلى الجانب الذي يحتوي على تركيز أقل من البروتون. يسمى إنزيم الغشاء الداخلي سينسيز ATP يوفر للبروتونات ممرًا للخلف عبر الغشاء الداخلي.

عندما تمر البروتونات عبر سينسيز ATP ، يستخدم الإنزيم طاقة البروتون لتغيير ADP إلى ATP ، وتخزين طاقة البروتون من سلسلة نقل الإلكترون في جزيئات ATP.

تتضمن العمليات البيولوجية والكيميائية المعقدة التي تشكل التنفس على المستوى الخلوي إنزيمات ومضخات بروتون وبروتينات تتفاعل على المستوى الجزيئي بطرق معقدة للغاية. في حين أن مدخلات الجلوكوز والأكسجين هي مواد بسيطة ، فإن الإنزيمات والبروتينات ليست كذلك.

لمحة عامة عن تحلل السكرتساعد دورة كريبس أو حمض الستريك وسلسلة نقل الإلكترون في توضيح كيفية عمل التنفس الخلوي على المستوى الأساسي ، لكن العملية الفعلية لهذه المراحل أكثر تعقيدًا.

وصف عملية التنفس الخلوي أبسط على المستوى المفاهيمي. يأخذ الجسم المغذيات والأكسجين ويوزع الجلوكوز في الطعام والأكسجين إلى الخلايا الفردية حسب الحاجة. تؤكسد الخلايا جزيئات الجلوكوز لإنتاج الطاقة الكيميائية وثاني أكسيد الكربون والماء.

تُستخدم الطاقة لإضافة مجموعة فوسفات ثالثة إلى جزيء ADP لتشكيل ATP ، ويتم التخلص من ثاني أكسيد الكربون من خلال الرئتين. تُستخدم طاقة ATP من رابطة الفوسفات الثالثة لتشغيل وظائف الخلايا الأخرى. هكذا يشكل التنفس الخلوي الأساس لجميع الأنشطة البشرية الأخرى.