المحتوى
التنفس الهوائي والتنفس اللاهوائي والتخمير هي طرق للخلايا الحية لإنتاج الطاقة من مصادر الغذاء. بينما تقوم جميع الكائنات الحية بواحدة أو أكثر من هذه العمليات لإنتاج الطاقة ، فإن مجموعة مختارة فقط من الكائنات الحية قادرة على إنتاج الغذاء عن طريق التمثيل الضوئي من ضوء الشمس. ومع ذلك ، حتى في هذه الكائنات الحية ، يتم تحويل الطعام المنتج إلى طاقة خلوية ، من خلال التنفس الخلوي. السمة المميزة للتنفس الهوائي عبر طرق التخمير هي الشرط الأساسي للأكسجين وإنتاج طاقة أعلى بكثير لكل جزيء جلوكوز. يشترك التخمير والتنفس اللاهوائي في غياب الأكسجين ، ولكن التنفس اللاهوائي يستخدم سلسلة نقل إلكترونية لإنتاج الطاقة ، تمامًا مثل التنفس الهوائي ، بينما يوفر التخمير ببساطة الجزيئات اللازمة لتحلل السكر المستمر ، دون أي إنتاج للطاقة. إضافي.
تحلل السكر
التحلل السكري هو مسار عالمي بدأ في سيتوبلازم الخلايا لتحطيم الجلوكوز إلى طاقة كيميائية. تُستخدم الطاقة المنبعثة من كل جزيء جلوكوز لربط الفوسفات بكل من جزيئات ثنائي فوسفات الأدينوزين (ADP) لإنتاج جزيئين من الأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP) وجزيء NADH إضافي. تُستخدم الطاقة المخزنة في رابطة الفوسفات في تفاعلات خلوية أخرى وغالبًا ما تعتبر طاقة "العملة" للخلية. ومع ذلك ، نظرًا لأن تحلل السكر يتطلب إمدادًا بالطاقة من جزيئين من ATP ، فإن الناتج الصافي لتحلل السكر هو جزيئين فقط من ATP لكل جزيء من الجلوكوز. يتم تكسير الجلوكوز نفسه أثناء تحلل السكر ، ليصبح بيروفات. يتم استقلاب مصادر الوقود الأخرى ، مثل الدهون ، من خلال عمليات أخرى ، على سبيل المثال ، الأحماض الدهنية الحلزونية ، في حالة الأحماض الدهنية ، لإنتاج جزيئات الوقود التي يمكن أن تدخل الممرات الهوائية في نقاط مختلفة أثناء التنفس.
التنفس الهوائي
يحدث التنفس الهوائي في وجود الأكسجين وينتج معظم الطاقة للكائنات الحية التي تقوم بهذه العملية. في هذه العملية ، يتم تحويل البيروفات الناتج أثناء التحلل السكري إلى أسيتيل أنزيم أ (أسيتيل- CoA) قبل الدخول في دورة حمض الستريك ، والمعروفة أيضًا باسم دورة كريبس. يتم دمج Acetyl-CoA مع oxalacetate لإنتاج حامض الستريك في المرحلة المبكرة من دورة حمض الستريك. تحول السلسلة اللاحقة حمض الستريك إلى أوكسالاسيتات وتنتج طاقة نقل لجزيئات تسمى NADH و FADH2. يتم تحويل جزيئات الطاقة هذه إلى سلسلة نقل الإلكترون ، أو الفسفرة المؤكسدة ، حيث تنتج معظم الـ ATP أثناء التنفس الخلوي الهوائي. يتم إنتاج ثاني أكسيد الكربون كمنتج نفايات خلال دورة كريبس ، بينما يتم دمج أوكسالات الأسيتات التي تنتجها جولة واحدة من دورة كريبس مع أسيتيل CoA آخر لبدء العملية مرة أخرى. في الكائنات حقيقية النواة ، مثل النباتات والحيوانات ، تحدث كل من دورة كريبس وسلسلة نقل الإلكترون في بنية متخصصة تسمى الميتوكوندريا بينما تقوم البكتيريا القادرة على التنفس الهوائي بإجراء هذه العمليات على طول غشاء البلازما ، نظرًا لعدم وجود عضيات متخصصة موجودة في الخلايا حقيقية النواة. كل دورة في دورة كريبس قادرة على إنتاج جزيء واحد من جوانين ثلاثي الفوسفات (GTP) ، والذي يمكن تحويله بسهولة إلى ATP ، و 17 جزيءًا إضافيًا من ATP من خلال سلسلة نقل الإلكترون. نظرًا لأن تحلل السكر ينتج جزيئين من البيروفات لاستخدامهما في دورة كريبس ، فإن الناتج الإجمالي للتنفس الهوائي هو 36 ATP لكل جزيء من الجلوكوز ، بالإضافة إلى جزيئين ATP اللذين يتم إنتاجهما أثناء تحلل السكر. المستقبل النهائي للإلكترونات أثناء سلسلة نقل الإلكترون هو الأكسجين.
التخمير
لا ينبغي الخلط بينه وبين التنفس اللاهوائي ، يحدث التخمير في غياب الأكسجين داخل سيتوبلازم الخلايا ويحول البيروفات إلى منتج نفايات ، مما ينتج طاقة لشحن الجزيئات اللازمة لمواصلة تحلل السكر. نظرًا لأن الطاقة لا يتم إنتاجها إلا أثناء التخمير من خلال تحلل السكر ، فإن إجمالي العائد لكل جزيء جلوكوز هو اثنين من ATP. على الرغم من أن إنتاج الطاقة أقل بكثير من التنفس الهوائي ، إلا أن التخمير يسمح بتحويل الوقود إلى طاقة للاستمرار في غياب الأكسجين. تشمل أمثلة التخمير تخمير حمض اللاكتيك في البشر والحيوانات الأخرى ، وتخمير الإيثانول بواسطة الخميرة. يتم إعادة تدوير النفايات عندما يعود الجسم إلى الحالة الهوائية أو يتم إزالته من الجسم.
التنفس اللاهوائي
يستخدم التنفس اللاهوائي ، الموجود في بعض بدائيات النوى ، سلسلة نقل إلكترونية تمامًا مثل التنفس الهوائي ، ولكن بدلاً من استخدام الأكسجين كمتقبل طرفي للإلكترون ، يتم استخدام عناصر أخرى. وتشمل هذه المستقبلات البديلة النترات ، والكبريتات ، والكبريت ، وثاني أكسيد الكربون والجزيئات الأخرى. هذه العمليات هي مساهمات مهمة في دورة المغذيات في التربة ، فضلا عن السماح لهذه الكائنات باستعمار مناطق غير صالحة للسكن من قبل الكائنات الحية الأخرى. يمكن أن تكون هذه الكائنات لاهوائية إلزامية ، وقادرة على أداء هذه العمليات فقط في حالة عدم وجود الأكسجين ، أو اللاهوائية الاختيارية ، القادرة على إنتاج الطاقة في وجود أو عدم وجود الأكسجين. ينتج التنفس اللاهوائي طاقة أقل من التنفس الهوائي ، لأن مستقبلات الإلكترونات البديلة هذه ليست بنفس كفاءة الأكسجين.
البناء الضوئي
على عكس مسارات التنفس الخلوي المختلفة ، تستخدم النباتات والطحالب وبعض البكتيريا عملية التمثيل الضوئي لإنتاج الغذاء الضروري لعملية التمثيل الغذائي. في النباتات ، يحدث التمثيل الضوئي في هياكل متخصصة تسمى البلاستيدات الخضراء بينما تقوم بكتيريا التمثيل الضوئي عادةً بإجراء التمثيل الضوئي على طول الامتدادات الغشائية لغشاء البلازما. يمكن تقسيم التمثيل الضوئي إلى مرحلتين: تفاعلات تعتمد على الضوء وتفاعلات مستقلة عن الضوء. أثناء التفاعلات المعتمدة على الضوء ، تُستخدم الطاقة الضوئية لتنشيط الإلكترونات التي تمت إزالتها من الماء وإنتاج تدرج من البروتونات ، والتي بدورها تنتج جزيئات عالية الطاقة تغذي تفاعلات الضوء المستقلة. عندما يتم سحب الإلكترونات من جزيئات الماء ، يتم تقسيمها إلى أكسجين وبروتونات. تساهم البروتونات في التدرج اللوني للبروتونات ، ولكن يتم إطلاق الأكسجين. أثناء تفاعلات الضوء المستقلة ، تُستخدم الطاقة الناتجة أثناء تفاعلات الضوء لإنتاج جزيئات السكر من ثاني أكسيد الكربون من خلال عملية تسمى دورة كالفين. تنتج دورة كالفين جزيءًا واحدًا من السكر لكل ستة جزيئات من ثاني أكسيد الكربون. إلى جانب جزيئات الماء المستخدمة في التفاعلات المعتمدة على الضوء ، فإن الصيغة العامة لعملية التمثيل الضوئي هي 6 H2O + 6 CO2 + light -> C6H12O6 + 6 O2.