ما هو التنفس اللاهوائي
كثيرًا ما يتسائل الناس حول كيفية تحمل الجسم عدم وجود أكسجين بينما يظل هناك حياة لبعض الوقت ، وحين يمارس الإنسان الرياضات الشاقة وتنخفض جزيئات الأكسجين فكيف يستمر في ممارسة نشاطه دون تعب؟ تلك الأسئلة تجيبها عملية التنفس اللاهوائي ، التي تحدث تلقائيًا داخل الجسم ، نتعرف عليها في هذا المقال .
ما هو التنفس اللاهوائي
عندما لا يتوفر الأكسجين ، يعتمد الجسم على خلاياه ، وهي ما تسمى بعملية التنفس الخلوية ، والناتجة من تحلل الجلوكوز ” السكر ” حيث يعد السكر أبسط مصدر يدر طاقة للجسم ، ومن خلال حدوث عدة تفاعلات يتم إنتاج جزيئات ATP وتعتبر هي مخزن الطاقة الذي يتم إطلاقها عند الحاجة ، تلك الجزيئات عبارة عن حمض البيروفيك و الـ NADH ، في حالة التنفس اللاهوائي يتحول حمض البيروفيك وفقًا لنوع الخلية:
في حالة الخلايا النباتية، أي الخميرة الموجودة في أنسجة النبات، يتحول البيروفيك إلى كحول أثيلي .
عند ممارسة مجهود شاق مثل الرياضة أو الأعمال التي تتطلب مجهود عضلي عالٍ، تستنفد العضلات كمية كبيرة من الأكسجين وتحتاج إلى كمية أكبر لإنتاج الطاقة المطلوبة، وفي هذه الحالة تستخدم العضلات الكمية التي تم تخزينها من حمض البيروفيك .
يحدث الإرهاق العضلي أو الانقباض العضلي عندما تحصل العضلات على كمية أقل من الأكسجين المطلوبة، حيث يتفاعل حمض البيروفيك مع NADH ويتحول إلى لاكتيك، وعندالحصول على كمية كافية من الأوكسجين، يتحول اللاكتيك مرة أخرى إلى بيروفيك وينتج إنزيم مساعد A .
في حالة تنفس البكتيريا بدون الأكسجين، يتحول حمض البيروفيك إلى حمض اللاكتيك .
طرق التنفس اللاهوائي ” التخمير “
هو أسلوب للتنفس بدون هواء يعمل على تفكيك جزيئات الجلوكوز. وهو الأسلوب الأكثر شيوعا في الكائنات الحية والخلايا، ويعتمد بشكل كامل على تحلل السكر وبعض التفاعلات الأخرى. في عملية التخمير، لا تستمر البيروفات التي تنتج من تحلل السكر في خضوعها لعملية الأكسدة ودورة حمض الستريك، مما يمنع سلسلة نقل الإلكترون NAD من العمل. وبناء على ذلك، لا يمكن لـ NADH تفكيك الجلوكوز .
إذن الهدف من عملية التخمير هو إعادة بناء حامل الإلكترون NAD ، وفي حالة إنتاج تحلل الجولوكوز نسبة مرتفعة من الـ NAD والتي تتفاعل بدورها مع NADH لتقوم بإسقاط إلكتروناتها من خلال جزئ عضوي مثل ” البيروفات ” هذه التفاعلات تعمل على تحلل السكر بشكل مستمر وتوفر إمدادات ثابتة من الـ NAD .
تخمير حمض اللبنيك
في هذه الطريقة يقوم NADH بنقل الإلكترون مباشرة إلى البيروفات ، وينتج عنه حمض اللاكتاك ، وهو مجرد شكل منقوص من حمض اللبنيك ، تعمل البكتيريا المتواجدة في اللبن بتخمير حمض اللبنيك وتصنع خلايا الدم الحمراء في الجسم وهي لا تحتوي على الميتوكوندريا مما يجعلها غير قادرة على القيام بعملية التنفس اللاهوائي .
وعلى الرغم من عدم احتواء العضلات على كمية كافية من الأكسجين، إلا أنها تقوم بتخمير حمض اللبنيك. في الماضي، كان يعتقد أن تعب العضلات الذي ينتج عن مجهود عضلي شاق يكون نتيجة لحمض اللاكتيك. ومع ذلك، أثبتت الدراسات الحديثة أن حمض اللبنيك الذي يتم إنتاجه في العضلات ينتقل عبر الدورة الدموية إلى الكبد، حيث يتم تحويله مرة أخرى إلى البيروفات ويؤدي دوره في عملية التنفس غير الهوائي أو الاختناق .
تخمير الكحول
هذه هي الطريقة الثالثة للتخمير، وتسمى تخمير الكحول، حيث يحول NADH إلكتروناته إلى بيروفات وبعدها يتم إنتاج الإيثانول. تتم عملية تحويل البيروفات إلى إيثانول على مرحلتين، أولا يتم إزالة الكربوكسيل من البيروفات وتحريرها على شكل ثاني أكسيد الكربون، ويتكون بعدها جزئ ثنائي الكربون يسمى “الأسيتالديهيد.” ثم في الخطوة الثانية، ينقل NADH إلكتروناته إلى الأسيتالديهيد مما يؤدي إلى إنتاج نسبة عالية من NAD الذي يتحول إلى إيثانول .
فيما يتعلق بتخمير الكحول باستخدام الخميرة كما يحدث في المشروبات الكحولية مثل `البيرة والنبيذ`، يتم إنتاج الإيثانول، وهو سام مثله كما هو الحال مع البشر. لذا، يتم تحديد حد أقصى لنسبة الكحول في المشروبات، وتتراوح نسبة تحمل الإيثانول من الخميرة بين 5.55% إلى 2121.21%، وذلك يعتمد على الظروف البيئية ونوع الخميرة .
كائنات تختار التنفس اللاهوائي
غالبية البكتيريا والعتائق هم لاهوائيات اختيارية ، مما يعني أنها تتمكن من التنفس الهوائي واللاهوائي ، وتنتقل بينهم باختيارها وفقًا لتوفر الأكسجين ، تقوم هذه الكائنات بعملية التنفس اللاهوائي من أجل الحصول على مزيد من الـ ATP التي تنتجها جزيئات الجلوكوز لديهم ، وذلك من أجل الحفاظ على عملية الأيض والبقاء على قيد الحياة عندما يتعرضون لنقص في كمية الأكسجين .
كذلك هناك أنواع من البكتيريا والعتائق لاهوائية فقط ، وهي تعيش وتنمو بشكل طبيعي في بيئة لا تحتوي على الاكسجين ، بل يعتبر الاكسجين سامًا بالنسبة لهم يعرض حياتهم للخطر وأجسادهم الدقيقة للجروح ، وليس الكائنات الدقيقة فقط ، بل تم مؤخرًا اكتشاف حيوانات متعددة الخلايا تعيش في أعماق البحار ليس بها اكسجين نهائيًا .
الكائنات الحية التي تستخدم التنفس اللاهوائي
تعتمد بعض الكائنات الحية بدائية النوى على التنفس الخلوي أو اللاهوائي مثل البكتيريا والعتيقة التي تعيش في بيئات منخفضة الأكسجين مما يجعلها تحصل على الطاقة من التنفس اللاهوائي ، وذلك مثل الميثانوجين التي تعتمد على ثاني أكسيد الكربون كمسار للإلكترون الطرفي ، ونتيجة لذلك فهي تقوم بإنتاج غاز الميثان ، أيضًا هناك الميثانوجينات الموجودة في التربة وفي الجهاز الهضمي للحيوانات مثل الأبقار والأغنام .