كيف تلتقط الخلايا الطاقة الصادرة عن التنفس الخلوي؟

تشكل الكائنات الحية سلسلة طاقة تنتج فيها النباتات طعامًا تستخدمه الحيوانات والكائنات الأخرى للحصول على الطاقة. العملية الرئيسية التي تنتج الغذاء هي البناء الضوئي في النباتات والطريقة الرئيسية لتحويل الغذاء إلى طاقة هي التنفس الخلوي.

TL ؛ DR (طويل جدًا ؛ لم أقرأ)

جزيء نقل الطاقة الذي تستخدمه الخلايا هو ATP. تقوم عملية التنفس الخلوي بتحويل الجزيء ADP إلى ATP ، حيث يتم تخزين الطاقة. يحدث هذا من خلال عملية ثلاثية المراحل لتحلل السكر ودورة حامض الستريك وسلسلة نقل الإلكترون. ينقسم التنفس الخلوي ويؤكسد الجلوكوز لتشكيل جزيئات ATP.

أثناء عملية التمثيل الضوئي ، تلتقط النباتات الطاقة الضوئية وتستخدمها لتشغيل التفاعلات الكيميائية في الخلايا النباتية. تسمح الطاقة الضوئية للنباتات بدمج الكربون من ثاني أكسيد الكربون في الهواء مع الهيدروجين والأكسجين من الماء لتكوينها الجلوكوز.

في التنفس الخلويفالكائنات الحية مثل الحيوانات تأكل الأطعمة التي تحتوي على الجلوكوز وتكسر الجلوكوز إلى طاقة وثاني أكسيد الكربون والماء. يتم طرد ثاني أكسيد الكربون والماء من الكائن الحي ويتم تخزين الطاقة في جزيء يسمى ثلاثي فوسفات الأدينوزين أو ATP

الكائنات الحية إما وحيدة الخلية بدائيات النوى أو حقيقيات النواة، والتي يمكن أن تكون أحادية الخلية أو متعددة الخلايا. الفرق الرئيسي بين الاثنين هو أن بدائيات النوى لها بنية خلوية بسيطة بدون نواة أو عضيات خلوية. تمتلك حقيقيات النوى دائمًا ملف نواة والمزيد من العمليات الخلوية المعقدة.

يمكن للكائنات الحية أحادية الخلية من كلا النوعين استخدام عدة طرق لإنتاج الطاقة ويستخدم الكثير منها التنفس الخلوي أيضًا. النباتات والحيوانات المتقدمة كلها حقيقية النواة وتستخدم التنفس الخلوي بشكل حصري تقريبًا. تستخدم النباتات عملية التمثيل الضوئي للحصول على الطاقة من الشمس ولكن بعد ذلك تخزن معظم هذه الطاقة في شكل جلوكوز.

تستخدم كل من النباتات والحيوانات الجلوكوز المنتج من عملية التمثيل الضوئي مصدر طاقة.

ينتج التمثيل الضوئي الجلوكوز ، لكن الجلوكوز هو مجرد وسيلة لتخزين الطاقة الكيميائية ولا يمكن للخلايا استخدامه مباشرة. يمكن تلخيص عملية التمثيل الضوئي الشاملة بالصيغة التالية:

6CO₂ + 12 ح₂O + الطاقة الضوئية → ج₆ح₁₂ا₆ + 6O₂ + 6 ح₂ا

تستخدم النباتات التمثيل الضوئي للتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية ويقومون بتخزين الطاقة الكيميائية في الجلوكوز. هناك حاجة إلى عملية ثانية للاستفادة من الطاقة المخزنة.

يحول التنفس الخلوي الطاقة الكيميائية المخزنة في الجلوكوز إلى طاقة كيميائية مخزنة في جزيء ATP. تستخدم جميع الخلايا ATP لتقوية عملية التمثيل الغذائي وأنشطتها. تعد خلايا العضلات من بين أنواع الخلايا التي تستخدم الجلوكوز للحصول على الطاقة ولكنها تحوله إلى ATP أولاً.

يكون التفاعل الكيميائي العام للتنفس الخلوي كما يلي:

ج₆ح₁₂ا₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6 ح₂جزيئات O + ATP

تقوم الخلايا بتفكيك الجلوكوز إلى ثاني أكسيد الكربون والماء بينما تنتج الطاقة التي تخزنها في جزيئات ATP. ثم يستخدمون طاقة ATP لأنشطة مثل تقلص العضلات. عملية التنفس الخلوي كاملة ثلاث مراحل.

الجلوكوز هو كربوهيدرات بستة ذرات كربون. خلال المرحلة الأولى من عملية التنفس الخلوي تسمى تحلل السكر، تقسم الخلية جزيئات الجلوكوز إلى جزيئين من البيروفات ، أو جزيئات من ثلاثة كربون. لبدء العملية ، يتطلب الأمر طاقة لذلك يتم استخدام جزيئين ATP من احتياطيات الخلية.

في نهاية العملية ، عندما يتم تكوين جزيئي البيروفات ، يتم إطلاق الطاقة وتخزينها في أربعة جزيئات ATP. يستخدم التحلل السكري اثنين من جزيئات ATP وينتج أربعة لكل جزيء جلوكوز معالج. الربح الصافي هو جزيئين ATP.

يبدأ تحلل السكر في السيتوبلازم الخلوي ولكن عملية التنفس الخلوي تحدث بشكل رئيسي في الميتوكوندريا. تشمل أنواع الخلايا التي تستخدم الجلوكوز للحصول على الطاقة تقريبًا كل خلية في جسم الإنسان باستثناء الخلايا عالية التخصص مثل خلايا الدم.

الميتوكوندريا عبارة عن عضيات صغيرة مرتبطة بالغشاء وهي مصانع الخلايا التي تنتج ATP. لديهم غشاء خارجي أملس ومطوي للغاية الغشاء الداخلي حيث تحدث تفاعلات التنفس الخلوي.

تحدث التفاعلات أولاً داخل الميتوكوندريا لإنتاج تدرج للطاقة عبر الغشاء الداخلي. تنتج التفاعلات اللاحقة التي تتضمن الغشاء الطاقة المستخدمة لتكوين جزيئات ATP.

البيروفات التي ينتجها تحلل السكر ليست المنتج النهائي للتنفس الخلوي. تعالج المرحلة الثانية جزيئي البيروفات إلى مادة وسيطة أخرى تسمى أسيتيل CoA. يدخل acetyl CoA إلى دورة حمض الستريك ويتم تحويل ذرات الكربون من جزيء الجلوكوز الأصلي بالكامل إلى ثاني أكسيد الكربون₂. ال حمض الستريك يُعاد تدوير الجذر ويرتبط بجزيء أسيتيل CoA جديد لتكرار العملية.

تنتج أكسدة ذرات الكربون جزئين آخرين من ATP وتحول الإنزيمات NAD⁺ و FAD إلى NADH و FADH₂. تُستخدم الإنزيمات المحولة في المرحلة الثالثة والأخيرة من التنفس الخلوي حيث تعمل كمانحين للإلكترون في سلسلة نقل الإلكترون.

تلتقط جزيئات ATP بعض الطاقة المنتجة ولكن معظم الطاقة الكيميائية تبقى في جزيئات NADH. تحدث تفاعلات دورة حمض الستريك داخل الميتوكوندريا.

ال سلسلة نقل الإلكترون (إلخ) يتكون من سلسلة من المركبات الموجودة على الغشاء الداخلي للميتوكوندريا. يستخدم الإلكترونات من NADH و FADH₂ الإنزيمات التي تنتجها دورة حامض الستريك لضخ البروتونات عبر الغشاء.

في سلسلة من التفاعلات ، الإلكترونات عالية الطاقة من NADH و FADH₂ يتم تمريرها إلى أسفل سلسلة مركبات ETC مع كل خطوة تؤدي إلى حالة طاقة إلكترون منخفضة ويتم ضخ البروتونات عبر الغشاء.

في نهاية تفاعلات ETC ، تقبل جزيئات الأكسجين الإلكترونات وتشكل جزيئات الماء. تم تحويل طاقة الإلكترون التي تأتي في الأصل من انقسام وأكسدة جزيء الجلوكوز إلى a تدرج طاقة البروتون عبر الغشاء الداخلي للميتوكوندريا.

نظرًا لوجود اختلال في توازن البروتونات عبر الغشاء الداخلي ، تتعرض البروتونات لقوة تنتشر مرة أخرى في داخل الميتوكوندريا. انزيم يسمى سينسيز ATP مضمنًا في الغشاء ويخلق فتحة ، مما يسمح للبروتونات بالرجوع عبر الغشاء.

عندما تمر البروتونات عبر فتحة سينسيز ATP ، يستخدم الإنزيم الطاقة من البروتونات لتكوين جزيئات ATP. يتم التقاط الجزء الأكبر من الطاقة من التنفس الخلوي في هذه المرحلة ويتم تخزينه في 32 جزيء ATP.

ATP عبارة عن مادة كيميائية عضوية معقدة ذات قاعدة أدينين وثلاث مجموعات فوسفاتية. يتم تخزين الطاقة في الروابط التي تحتفظ بمجموعات الفوسفات. عندما تحتاج الخلية إلى طاقة ، فإنها تكسر إحدى روابط مجموعات الفوسفات وتستخدم الطاقة الكيميائية لإنشاء روابط جديدة في مواد الخلية الأخرى. يصبح جزيء ATP ثنائي فوسفات الأدينوزين أو ADP.

في التنفس الخلوي ، تُستخدم الطاقة المحررة لإضافة مجموعة فوسفات إلى ADP. إضافة مجموعة الفوسفات تلتقط الطاقة من تحلل السكر ودورة حمض الستريك وكمية كبيرة من الطاقة من ETC. يمكن استخدام جزيئات ATP الناتجة بواسطة الكائن الحي في أنشطة مثل الحركة والبحث عن الغذاء والتكاثر.