مراحل التنفس الخلوي

ما هو التنفس الخلوي 

التنفس الخلوي هو العملية التي تقوم بها الكائنات الحية لتحويل الطعام إلى مصدر للطاقة، حيث يقوم الخلايا بتفكيك الجلوكوز وإطلاق الطاقة المخزنة، واستخدامها لإنتاج ATP، وكل جزيء من الجلوكوز يخضع لتلك العملية، ويتم إنتاج ما يصل إلى 38 جزيءا من ATP، ويتكون كل جزيء من ATP عند إضافة فوسفات إلى ADP أو ثنائي فوسفات الأدينوزين، وهذا يتطلب طاقة مخزنة في جزيء ATP، فعندما تحتاج الخلايا للطاقة، يمكن إزالة الفوسفات من ATP، وهذا يؤدي إلى إطلاق الطاقة وتشكل ADP مرة أخرى

أين تحدث عملية التنفس الخلوي

يحدث التنفس الخلوي في جميع خلايا الكائنات الحية، حيث يبدأ في السيتوبلازم وينتهي في الميتوكوندريا، والميتوكوندريا هي عضية محاطة بغشاء موجودة في السيتوبلازم، وتعد مركزا للقوة في الخلية بسبب دورها في التنفس الخلوي.

يحدث التنفس الخلوي في وجود

يمكن للتنفس الخلوي أن يحدث بوجود الأكسجين أو بدونه، لذلك هناك نوعان من التنفس، التنفس الهوائي الذي يحدث بوجود الأكسجين، والتنفس اللاهوائي الذي يحدث بغياب الأكسجين

 مكان حدوث التنفس الخلوي داخل الخلية في

مكان حدوث التنفس الخلوي داخل الخلية في الميتوكندريا ، حيث تحدث معظم تفاعلات التنفس الخلوي في أجزاء مختلفة منها ويتم إطلاق الطاقة بشكل أساسي في شكل ATP ، ينتج عن تكسير جزيئات الطعام المختلفة عددًا متفاوتًا من جزيئات ATP. ، يتم تحرير الطاقة من ATP عندما تنكسر الرابطة بين مجموعتين من الفوسفات ، ثم يتم استخدام هذه الطاقة من قبل خلايا مختلفة ، مثل الخلايا العضلية والخلايا العصبية ، للقيام بوظائفها الطبيعية.

معادلة التنفس الخلوي

يتضمن التنفس الخلوي العديد من التفاعلات الكيميائية الحيوية، ومع ذلك يمكن خلاص العملية بمعادلة كيميائية واحدة وهي:

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + طاقة (مخزنة في ATP)

• يتطلب التنفس الخلوي استخدام الأكسجين والجلوكوز، ويتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون والماء كنتيجة جانبية 
• يستخدم التنفس الخلوي الجلوكوز لإنتاج الطاقة، وبالتحديد يتم “حرق” الجلوكوز 
• يتم استخدام هذه الطاقة لتشكيل العديد من جزيئات ATP

مراحل التنفس الخلوي

• تحلل السكر
• دورة كريبس
• نقل الإلكترون

تتكون عملية التنفس الخلوي من ثلاث مراحل مختلفة عن مراحل عملية البناء الضوئي. فيما يلي سنعرض مراحل التنفس الخلوي وكمية الـ ATP المتكونة في كل مرحلة

تحلل السكر :  يتم تحطيم الجلوكوز في السيتوبلازم دون الحاجة إلى الأكسجين، وهذا يعتبر رد فعل غير هوائي للتنفس الخلوي 

وفي سلسلة من ثمانية تفاعلات فردية ، يتم استقلاب جزيء جلوكوز من ستة كربون باستخدام جزيئين من أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) لتكوين جزيئين من ثلاثة كربون بيروفات ، وجزيئين H 2 O (الماء) وأربعة جزيئات ATP لشبكة ، كسب اثنين من جزيئات ATP ، ATP هو مصدر رئيسي للطاقة في التمثيل الغذائي البشري.

يحدث هذا التفاعل في المصفوفة أو داخل الميتوكوندريا للخلايا ، ويتم دمج جزيئي البيروفات من تحلل السكر مع جزيئين من الإنزيم المساعد ( CoA) لإنتاج جزيئين من الأسيتيل CoA وجزيئين من ثاني أكسيد الكربون (CO 2 ) ، ويحدث هذا التفاعل في خطوة واحدة ، وهو مثل تحلل السكر فهو لا هوائي. 

دورة كريبس :  تدخل جزيئات البيروفات إلى مصفوفة الميتوكوندريا بعد تحلل السكر، ويحدث ذلك في المرحلة الثانية من التنفس الخلوي، والتي تسمى دورة كريبس، وخلال هذه المرحلة يتم إنتاج جزيئين آخرين من ATP 

يتم أيضًا إنتاج جزيئات تخزين الطاقة الأخرى لاستخدامها في إنتاج المزيد من ATP في المرحلة الثالثة ، وتتطلب دورة كريبس الأكسجين ، وأي شيء يحتاج إلى أكسجين يوصف بأنه هوائي ، ويتحد الأكسجين مع الكربون من جزيئات البيروفات ، وهذا يشكل ثاني أكسيد الكربون منتج النفايات.

نقل الإلكترون :  يسمى نقل الإلكترون المرحلة الثالثة والأخيرة من التنفس الخلوي، وفي هذه المرحلة يتم استخدام طاقة جزيئات تخزين الطاقة الأخرى من تحلل السكر ودورة كريبس لإنتاج المزيد من جزيئات ATP 

وخلال هذه المرحلة ، يتم إنتاج ما يصل إلى 34 جزيءًا من ATP ، يتطلب نقل الإلكترون الأكسجين ، لذا فإن هذه المرحلة هي أيضًا هوائية ، ويتحد الأكسجين مع الهيدروجين من جزيئات تخزين الطاقة ، وهذا يشكل الماء منتج نفايات آخر.

التنفس الخلوي والبناء الضوئي

الاختلاف بين عملية البناء الضوئي والتنفس الخلوي يكمن في أنهما وجهان لعملة واحدة، حيث تكون منتجات البناء الضوئي ضرورية للتنفس الخلوي، ومنتجات التنفس الخلوي ضرورية أيضا لعملية التمثيل الضوئي، وتعمل العمليتان معا على تخزين الطاقة وإطلاقها في معظم الكائنات الحية

التنفس الخلوي في النبات 

تستخدم جميع الكائنات الحية عملية التنفس للحصول على الطاقة اللازمة للبقاء على قيد الحياة، وفي النباتات، يتم استخدام عملية التنفس الخلوي لتحويل الجلوكوز الذي يتم إنتاجه أثناء عملية التمثيل الضوئي إلى طاقة تدعم الأنشطة الخلوية للنبات.

 يتضح الاختلاف بين عملية البناء الضوئي وعملية التنفس الخلوي، فالأولى هي تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية مخزنة في الجلوكوز، والتي يمكن استخدامها في التنفس لاحقا، وتحدث هذه العملية في الأجزاء الخضراء من النبات التي تحتوي على الكلوروفيل

فوائد التنفس الخلوي

عند البحث عن التنفس الخلوي، سنجد أن له عدة فوائد كالتالي

• يزود التنفس الخلوي الخلايا بالطاقة التي تحتاجها للعمل، وإذا لم تتمكن الكائنات الحية من الحصول على الطاقة التي تحتاجها من الطعام، فستموت جميع الكائنات الحية، بغض النظر عن جودة الطعام وكميته.
• يستخدم التنفس الخلوي لتوليد طاقة قابلة للاستخدام من خلال الأطعمة التي تأكلها الكائنات الحية ، والتفاعلات التي ينطوي عليها التنفس الخلوي تقويضية ، مما يعني أنها تكسر الجزيئات إلى جزيئات أصغر ، فهذا يختلف عن التفاعلات الابتنائية ، التي تبني جزيئات أكبر من الجزيئات الأصغر.
•  يشمل التنفس الخلوي تفاعلًا تحطيميًا للطعام لتحويله إلى طاقة يمكن استخدامها، وبالتالي يمكن للكائنات الحية والخلايا التي تحتويها العيش والنمو.

التنفس الهوائي واللاهوائي

يتم تقسيم التنفس الخلوي إلى قسمين؛ التنفس الهوائي والتنفس اللاهوائي. يحتاج عملية التنفس الهوائي إلى الأكسجين للعمل بشكل صحيح، بينما يتم العكس في التنفس اللاهوائي الذي يتم بسرعة نسبية

التنفس الهوائي

يتطلب التنفس الهوائي الأكسجين ، وهذا هو السبب الذي يجعلنا نستنشق الأكسجين من الهواء ، ويطلق هذا النوع من التنفس كمية كبيرة من الطاقة من الجلوكوز والتي يمكن تخزينها على شكل ATP ، ويحدث التنفس الهوائي طوال الوقت في الحيوانات والنباتات ، حيث تحدث معظم التفاعلات في الميتوكوندريا. 

حتى بعض البدائيات ذات النوى يمكنها إجراء التنفس الهوائي، على الرغم من عدم وجود الميتوكوندريا في هذه الكائنات. ومع ذلك، فإن التفاعلات تختلف قليلًا.

التنفس اللاهوائي

التنفس اللاهوائي يحدث في غياب الأكسجين، ويطلق كمية أقل بكثير من الطاقة مقارنةً بالتنفس الهوائي،وهو غير كافي لتشغيل الخلايا البشرية لفترة طويلة 

يحدث التنفس اللاهوائي في خلايا العضلات خلال التمارين الشاقة (بعد استهلاك الأكسجين)، ويحدث أيضًا في الخميرة عند التخمر، وتؤدي العديد من بدائيات النواة إلى التنفس اللاهوائي.

يمكن اعتبار التنفس الهوائي فعالًا أكثر من التنفس اللاهوائي، حيث يمكن لجزيء واحد من الجلوكوز أن يولد ما يصل إلى 38 جزيءًا من ATP عند استخدام التنفس الهوائي، بينما يتم إنتاج جزيئين فقط من ATP في التنفس اللاهوائي.

يعتمد التنفس اللاهوائي على الكربوهيدرات فقط لتوليد الطاقة، في حين تستخدم العملية الهوائية الدهون والكربوهيدرات لتوليد الطاقة .