כיצד תאים תופסים אנרגיה המופקת על ידי נשימה תאית?

אורגניזמים חיים יוצרים שרשרת אנרגיה בה צמחים מייצרים מזון שבעלי חיים ואורגניזמים אחרים משתמשים בו לצורך אנרגיה. התהליך העיקרי המייצר מזון הוא פוטוסינתזה בצמחים והשיטה העיקרית להמרת המזון לאנרגיה היא נשימה תאית.

TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)

המולקולה המעבירה אנרגיה המשמשת את התאים היא ATP. תהליך הנשימה התאית ממיר את המולקולה ADP ל- ATP, שם מאוחסנת האנרגיה. זה מתרחש בתהליך שלושת השלבים של הגליקוליזה, מחזור חומצות הלימון ושרשרת הובלת האלקטרונים. נשימה תאית מתפצלת ומחמצנת גלוקוז ליצירת מולקולות ATP.

במהלך הפוטוסינתזה, הצמחים לוכדים את אנרגיית האור ומשתמשים בה כדי להניע תגובות כימיות בתאי הצמח. אנרגיית האור מאפשרת לצמחים לשלב פחמן מפחמן דו חמצני באוויר עם מימן וחמצן מהמים ליצירתם גלוקוז.

ב נשימה תאיתאורגניזמים כמו בעלי חיים אוכלים מזון המכיל גלוקוז ומפרקים את הגלוקוז לאנרגיה, פחמן דו חמצני ומים. הפחמן הדו חמצני והמים מוציאים מהאורגניזם והאנרגיה מאוחסנת במולקולה הנקראת אדנוזין טריפוספט או ATP. המולקולה המעבירה אנרגיה המשמשת את התאים היא ATP, והיא מספקת את האנרגיה לכל שאר פעילויות התאים והאורגניזם.

אורגניזמים חיים הם תא אחד פרוקריוטים אוֹ אקריוטים, שיכולים להיות תאיים או רב תאיים. ההבדל העיקרי בין השניים הוא שלפרוקריוטים יש מבנה תא פשוט ללא גרעין או אברונים תאיים. לאוקריוטים תמיד יש גַרעִין ותהליכי תאים מסובכים יותר.

אורגניזמים של תאים בודדים משני הסוגים יכולים להשתמש בכמה שיטות להפקת אנרגיה ורבים משתמשים גם בנשימה תאית. צמחים ובעלי חיים מתקדמים הם כולם אקריוטים והם משתמשים בנשימה תאית כמעט אך ורק. צמחים משתמשים בפוטוסינתזה כדי ללכוד אנרגיה מהשמש, אך אז לאחסן את מרבית האנרגיה הזו בצורה של גלוקוז.

שני הצמחים ובעלי החיים משתמשים בגלוקוז המיוצר מפוטוסינתזה כ- מקור אנרגיה.

פוטוסינתזה מייצרת גלוקוז, אך הגלוקוז הוא רק דרך לאחסון אנרגיה כימית ולא יכול לשמש את התאים ישירות. ניתן לסכם את תהליך הפוטוסינתזה הכולל בנוסחה הבאה:

6CO₂ + 12H₂אנרגיית אור O + → ג₆ה₁₂או₆ + 6O₂ + 6H₂או

הצמחים משתמשים בפוטוסינתזה כדי להמיר אנרגיית אור לאנרגיה כימית והם אוגרים את האנרגיה הכימית בגלוקוז. יש צורך בתהליך שני בכדי להשתמש באנרגיה המאוחסנת.

נשימה תאית ממירה את האנרגיה הכימית המאוחסנת בגלוקוזה לאנרגיה כימית המאוחסנת במולקולת ATP. ATP משמש את כל התאים להפעלת חילוף החומרים שלהם ופעילותם. תאי שריר הם בין סוגי התאים המשתמשים בגלוקוז לאנרגיה אך ממירים אותו ל- ATP תחילה.

התגובה הכימית הכוללת לנשימה תאית היא כדלקמן:

ג₆ה₁₂או₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂מולקולות O + ATP

התאים מפרקים גלוקוז לפחמן דו חמצני ולמים תוך שהם מייצרים אנרגיה שהם אוגרים במולקולות ATP. לאחר מכן הם משתמשים באנרגיית ה- ATP לפעילויות כמו כיווץ שרירים. לתהליך הנשימה התאית השלם יש שלושה שלבים.

גלוקוז הוא פחמימה עם שישה אטומי פחמן. במהלך השלב הראשון של תהליך הנשימה התאית שנקרא גליקוליזה, התא שובר את מולקולות הגלוקוז לשתי מולקולות פירובט, או מולקולות שלוש פחמן. כדי להתחיל בתהליך לוקח אנרגיה ולכן משתמשים בשתי מולקולות ATP ממאגרי התא.

בסוף התהליך, כאשר שתי מולקולות הפירובט נוצרות, אנרגיה משתחררת ומאוחסנת בארבע מולקולות ATP. גליקוליזה משתמש בשתי מולקולות ATP ומייצר ארבע עבור כל מולקולת גלוקוז שעובדה. הרווח הנקי הוא שתי מולקולות ATP.

הגליקוליזה מתחילה בציטופלזמה של התא, אך תהליך הנשימה של התא מתרחש בעיקר ב מיטוכונדריה. סוגי התאים המשתמשים בגלוקוזה לאנרגיה כוללים כמעט כל תא בגוף האדם, למעט תאים מיוחדים במיוחד כגון תאי דם.

המיטוכונדריה הם אברונים קטנים הקשורים לקרום והם מפעלים התאים המייצרים ATP. יש להם קרום חיצוני חלק ומקופל מאוד קרום פנימי שם מתרחשות תגובות הנשימה התאית.

התגובות מתרחשות תחילה בתוך המיטוכונדריה כדי לייצר שיפוע אנרגיה על פני הממברנה הפנימית. תגובות עוקבות הכוללות את הממברנה מייצרות את האנרגיה המשמשת ליצירת מולקולות ATP.

הפירובט המיוצר על ידי גליקוליזה אינו התוצר הסופי של נשימה תאית. שלב שני מעבד את שתי מולקולות פירובט לחומר ביניים אחר הנקרא אצטיל CoA. CoA אצטיל נכנס אל מעגל החומצה הציטרית ואטומי הפחמן ממולקולת הגלוקוז המקורית מומרים לחלוטין ל- CO₂. ה חוּמצַת לִימוֹן שורש ממוחזר ומקשר למולקולת אצטיל CoA חדשה כדי לחזור על התהליך.

החמצון של אטומי הפחמן מייצר שתי מולקולות ATP נוספות וממיר את האנזימים NAD⁺ ו- FAD ל- NADH ו- FADH₂. האנזימים שהומרו משמשים בשלב השלישי והאחרון של נשימה תאית בו הם משמשים כתורמים אלקטרונים לשרשרת הובלת האלקטרונים.

מולקולות ה- ATP לוכדות חלק מהאנרגיה המיוצרת, אך מרבית האנרגיה הכימית נותרת במולקולות ה- NADH. התגובות של מחזור חומצת לימון מתרחשות בתוך המיטוכונדריה.

ה שרשרת העברת אלקטרונים (וכו) מורכב מסדרת תרכובות הממוקמות על הקרום הפנימי של המיטוכונדריה. הוא משתמש באלקטרונים מה- NADH ו- FADH₂ אנזימים המיוצרים על ידי מחזור חומצת לימון לשאיבת פרוטונים על פני הממברנה.

בשרשרת של תגובות, האלקטרונים הגבוהים באנרגיה מ- NADH ו- FADH₂ מועברים בסדרה של תרכובות ETC כאשר כל צעד מוביל למצב אנרגיית אלקטרונים נמוכה יותר ופרוטונים נשאבים על פני הממברנה.

בסוף תגובות ה- ETC, מולקולות חמצן מקבלות את האלקטרונים ויוצרות מולקולות מים. אנרגיית האלקטרונים המגיעה במקור מפיצול וחמצון מולקולת הגלוקוז הוסבה ל- שיפוע אנרגיית פרוטון על פני הממברנה הפנימית של המיטוכונדריה.

מכיוון שקיים חוסר איזון של פרוטונים על פני הממברנה הפנימית, הפרוטונים חווים כוח להתפזר חזרה אל פנים המיטוכונדריה. אנזים הנקרא ATP סינתזה מוטבע בקרום ויוצר פתח המאפשר לפרוטונים לנוע בחזרה על פני הממברנה.

כאשר הפרוטונים עוברים דרך פתח הסינתזה של ה- ATP, האנזים משתמש באנרגיה מהפרוטונים ליצירת מולקולות ATP. עיקר האנרגיה מנשימה תאית נלכדת בשלב זה ומאוחסנת ב -32 מולקולות ATP.

ATP הוא כימיקל אורגני מורכב עם בסיס אדנין ושלוש קבוצות פוספט. אנרגיה מאוחסנת בקשרים המחזיקים את קבוצות הפוספט. כאשר תא זקוק לאנרגיה, הוא שובר את אחד מהקשרים של קבוצות הפוספט ומשתמש באנרגיה הכימית ליצירת קשרים חדשים בחומרים תאים אחרים. מולקולת ה- ATP הופכת להיות אדנוזין דיפוספט או ADP.

בנשימה תאית משתמשים באנרגיה המשוחררת להוספת קבוצת פוספט ל- ADP. תוספת קבוצת הפוספט לוכדת את האנרגיה מגליקוליזה, מחזור חומצת לימון וכמות האנרגיה הגדולה מה- ETC. מולקולות ה- ATP המתקבלות יכולות לשמש את האורגניזם לפעילויות כמו תנועה, חיפוש מזון ורבייה.