تنفس سلولی چیست؟ – به زبان ساده

تنفس سلولی

در این مطلب مروری بر انواع مختلف تنفس سلولی خواهیم داشت.

معادله تنفس سلولی

در این بخش به معرفی معادلات انواع مسیرهای تنفس سلولی که شامل تنفس هوازی، تخمیر اسید لاکتیک و تخمیر الکلی هستند، می‌پردازیم.

معادله تنفس هوازی

C₆H₁₂O₆ (Glucose)+ 6O₂ + 36 ADP (depleted ATP) + 36 P_i (Phosphate Groups)→ 6CO₂ + 6H₂O + 36 ATP

معادله تخمیر اسید لاکتیک

C₆H₁₂O₆ (Glucose) + 2 ADP (depleted ATP) + 2 P_i (Phosphate Groups) → 2 CH₃CHOHCOOH (Lactic Acid) + 2 ATP

معادله تخمیر الکلی

C₆H₁₂O₆ (Glucose) + 2 ADP (depleted ATP) + 2 P_i (Phosphate Groups)→ 2 C₂H₅OH (Ethyl Alcohol) + 2 CO₂ + 2 ATP

مراحل تنفس سلولی

تنفس سلولی در طی سه مرحله به انجام می‌رسد که در اینجا به واکنش‌هایی که در این مراحل انجام می‌شوند، می‌پردازیم.

مرحله اول

گلیکولیز تنها مرحله‌ای است که در همه انواع تنفس مشترک است. در گلیکولیز، یک مولکول قند مانند گلوکز به دو نیم تقسیم می‌شود و دو مولکول ATP تولید می‌کند.

معادله گلیکولیز به صورت زیر است:

C₆H₁₂O₆ (glucose) + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 P_i → 2 CH₃COCOO− + 2 NADH + 2 ATP + 2 H₂O + 2H

نام گلیکولیز از کلمه یونانی به نام گلیکو به معنی شکر و لیز به معنای شکافتن گرفته شده است. این نام ممکن است به شما کمک کند به یاد داشته باشید که فرایند گلیکولیز فرایندی است که در آن یک قند به دو نیم تقسیم می‌شود.

در اکثر مسیر‌ها، گلیکولیز با گلوکز شروع شده و سپس به دو مولکول اسید پیرویک تقسیم می‌شود. بعد از گلیکولیز، این دو مولکول پیروات برای تولید محصولات نهایی مختلف مانند اتیل الکل یا اسید لاکتیک بیشتر پردازش می‌شوند.

فیلم گلیکولیز چیست؟ + مراحل قندکافت در تجزیه گلوکز برای استخراج انرژی (آموزش رایگان) در فرادرس

کلیک کنید

مرحله دوم

کاهش یا احیا بخش بعدی این روند است. از نظر شیمیایی، کاهش یک مولکول به معنای اضافه کردن الکترون به آن است.

در مورد تخمیر اسید لاکتیک، NADH، یک الکترون به مولکول پیروات منتقل می‌کند و در نتیجه محصولات نهایی این نوع تخمیر، اسید لاکتیک و +NAD  هستند. تشکیل +NAD برای سلول مفید به شمار می‌آيد، زیرا این مولکول برای شروع فرایند گلیکولیز لازم است.

در مورد تخمیر مشروبات الکلی، مولکول پیروات یک مرحله اضافی را طی می‌کند که در آن اتم کربن را به شکل دی اکسید کربن از دست می‌دهد. سپس مولکول واسطه حاصل، به نام استالدهید تولید می‌شود و برای تولید +NAD به علاوه اتیل الکل یا اتانول مورد واکنش احیا قرار می‌گیرد.

مرحله سوم

محصولات تنفس سلولی

واکنش‌های تنفس سلولی محصولاتی را تولید می‌کنند که برای ادامه روند حیاتی سلول مورد نیاز هستند که در اینجا این محصولات مورد بحث قرار می‌گیرند.

ATP

دی اکسید کربن

سایر محصولات

در حالی که ATP و دی اکسید کربن به طور مرتب توسط کلیه اشکال تنفس سلولی تولید می‌شوند، انواع مختلف تنفس از مولکول‌های مختلفی استفاده می‌کنند تا به عنوان پذیرنده نهایی الکترون‌ها در فرایند تنفس به کار روند.

هدف تنفس سلولی چیست؟

تمام سلول‌ها باید بتوانند انرژی لازم را برای انجام عملکردهای حیاتی خود را بدست آورند. برای ادامه حیات سلول‌ها، آن‌ها باید بتوانند امکانات اساسی مانند پمپ‌هایی را در غشا‌های سلولی خود که محیط داخلی سلول را به شکلی مناسب برای زندگی حفظ می‌کنند، به کار گیرند.

رایج ترین واحد انرژی سلول‌ها ATP است. این مولکول انرژی زیادی را در پیوندهای فسفات خود ذخیره می‌کند. این پیوندها می‌تواند شکسته شوند تا انرژی آن‌ها آزاد شود و در سایر مولکول‌ها تغییراتی ایجاد کند، به عنوان مثال، استفاده از ATP برای عملکرد پمپ‌های غشای سلولی لازم هستند.

انواع تنفس سلولی

همان طور که در بالا اشاره شد، در موجودات مختلف مسیرهای مختلفی برای تنفس سلولی وجود دارد که در این بخش به معرفی انواع مسیرهای تنفس می‌پردازیم.

تنفس هوازی

ارگانیسم‌های یوکاریوتی تنفس سلولی را در میتوکندری خود انجام می‌دهند. میتوکندری‌ها، اندامک‌هایی هستند که برای تجزیه قند‌ها و تولید ATP بسیار کارآمد طراحی شده‌اند. میتوکندری‌ها غالباً «نیروگاه سلول» (Powerhouse of The Cell) نامیده می‌شوند، زیرا آن‌ها قادر به تولید ATP زیادی هستند.

همان طور که پیش‌تر نیز مطرح شد، تنفس هوازی بسیار کارآمد است، زیرا اکسیژن قدرتمندترین گیرنده الکترونی است که در طبیعت یافت می‌شود.

آناتومی ‌تخصصی میتوکندری طوری طراحی شده است که همه واکنش دهنده‌های لازم برای تنفس سلولی را در یک فضای کوچک و محدود به غشای سلول درون سلول جمع می‌کند. همچنین ساختار این اندامک به راندمان بالای تنفس هوازی کمک می‌کند.

در صورت عدم وجود اکسیژن، اکثر سلول‌های یوکاریوتی همچنین می‌توانند انواع مختلف تنفس بی هوازی مانند تخمیر اسید لاکتیک را انجام دهند. با این حال، این فرایند‌ها ATP کافی برای حفظ عملکرد زندگی سلول تولید نمی‌کنند و بدون اکسیژن، سلول‌ها در نهایت می‌میرند یا عملکرد آن‌ها متوقف می‌شود.

تخمیر

تخمیر نام فرایندی ‌است که بسیاری از انواع مختلف تنفس بی هوازی را در بر می‌گیرد که توسط گونه‌های مختلف باکتری‌ها، آرکی باکتر‌ها و همچنین توسط برخی سلول‌های یوکاریوتیک در صورت عدم وجود اکسیژن انجام می‌شود.

این فرایند‌ها می‌توانند از انواع پذیرنده الکترونی استفاده کنند و محصولات جانبی متنوعی را تولید کنند که بر این اساس انواع متفاوتی تخمیر وجود دارند که در ادامه به آن‌ها اشاره می‌شود:

• تخمیر الکلی (Alcoholic Fermentation): این نوع تخمیر که توسط سلول‌های مخمر و برخی سلول‌های دیگر انجام می‌شود، قند را متابولیزه کرده و الکل و دی اکسید کربن را به عنوان فرآورده‌های جانبی تولید می‌کند. مخمرها در طول فرایند تخمیر، اتانول و گاز دی اکسید کربن را (در قالب حباب‌ها) آزاد می‌کنند.
• تخمیر اسید لاکتیک (Lactic acid Fermentation): این نوع تخمیر در سلول‌های عضلانی به هنگام عدم وجود اکسیژن و همچنین توسط برخی باکتری‌ها انجام می‌شود. تخمیر اسید لاکتیک در واقع توسط انسان برای تهیه ماست مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای تهیه ماست، باکتری‌های بی‌ضرر در شیر رشد می‌کنند. اسید لاکتیک تولید شده توسط این باکتری‌ها به ماست طعم ترش خاصی را می‌بخشند و همچنین با پروتئین‌های شیر واکنش می‌دهند تا در آن‌ها بافتی ضخیم و خامه‌ای ایجاد کنند.
• تخمیر اسید پروپریونیک (Proprionic Acid Fermentation): این نوع تخمیر توسط بعضی از باکتری‌ها انجام می‌شود و برای تهیه پنیر سوئیسی مورد استفاده قرار می‌گیرد. پروپریونیک اسید مسئول طعم و مزه قوی پنیر سوئیسی است. حباب‌های گازی ایجاد شده توسط این باکتری‌ها عامل سوراخ‌های موجود در این نوع پنیر هستند.
• استئوژنز (Acetogenesis): استئوژنز نوعی تخمیر است که توسط باکتری‌ها انجام می‌شود و اسید استیک را به عنوان محصول فرعی آن تولید می‌کند. اسید استیک عنصر متمایز موجود در سرکه است که به آن طعم و بوی تیز و ترش می‌بخشد. جالب اینجا است که باکتری‌هایی که اسید استیک تولید می‌کنند از الکل اتیل به عنوان سوخت خود استفاده می‌کنند. این بدان معنی است که برای تولید سرکه، ابتدا یک محلول حاوی مواد قندی باید با مخمر تخمیر شده تا الکل تولید شود، سپس دوباره با باکتری‌هایی که الکل را به اسید استیک تبدیل می‌کنند، تخمیر صورت گیرد.

متانوژنز

محل انجام تنفس سلولی

یکی از اهداف تخریب مواد غذایی تبدیل انرژی موجود در پیوندهای شیمیایی به ترکیب آدنوزین تری فسفات غنی از انرژی (ATP) است که انرژی شیمیایی بدست آمده از تجزیه مولکول‌های غذایی را می‌گیرد و آن را برای تامین سوخت سایر فرآیندهای سلولی آزاد می‌کند.

فیلم آموزش زیست‌ شناسی سلولی در فرادرس

کلیک کنید

محل انجام تنفس سلولی در باکتری

فرآیندهای اصلی متابولیک

زیست شناسان با توجه به نام‌ها، توضیحات و تعداد مراحل تنفس سلولی، به طور کلی همه فرایندهای متابولیکی سلول را به بخش‌‌های متفاوتی تقسیم می‌کنند. فرایندهای متابولیکی شامل موارد زیر است:

• گلیکولیز (Glycolysis)
• چرخه تری کربوکسیلیک اسید (چرخه TCA)
• فسفوریلاسیون اکسیداتیو (فسفوریلاسیون زنجیره تنفسی)

گلیکولیز

گلیکولیز فرایندی است که به عنوان مسیر گلیکولیتیک یا مسیر «امبدن - میرهوف» (Embden-Meyerhof-Parnas) نیز شناخته می‌شود که مجموعه‌ای از 10 واکنش شیمیایی است که در اکثر سلول‌ها اتفاق می‌افتد و در طی آن یک مولکول گلوکز به دو مولکول پیروات (اسید پیرویک) تجزیه می‌شود. انرژی آزاد شده هنگام تجزیه گلوکز و سایر مولکول‌های سوخت آلی از جمله کربوهیدرات‌ها، چربی‌ها و پروتئین‌ها در حین گلیکولیز، در قالب مولکول ATP جذب و ذخیره می‌شود. علاوه بر این، ترکیب نیکوتین آمید آدنین دی‌نوکلئوتید (NAD) در این مرحله به NADH تبدیل می‌شود.

چرخه اسید تری کربوکسیلک اسید

چرخه تری کربوکسیلیک اسید که به عنوان چرخه کربس یا اسید سیتریک نیز شناخته می‌شود، نقش مهمی در تجزیه یا کاتابولیسم مولکول‌های سوخت آلی دارد. این چرخه از هشت مرحله ساخته شده و توسط هشت آنزیم مختلف کاتالیز می‌شوند که در چندین مرحله مختلف انرژی تولید می‌کنند. با این حال‌، بیشتر انرژی به دست آمده از چرخه کربس، توسط ترکیبات +NAD  و فلاوین آدنین دی‌نوکلئوتید (FAD) به دام می‌افتند و در مراحل بعدی به ATP تبدیل می‌شوند.

محصولات یک دور از چرخه کربس از سه مولکول +NAD تشکیل شده است که (از طریق فرآیند اضافه کردن هیدروژن یا پروتون) به همان تعداد مولکول NADH احیا می‌شوند، علاوه بر این در پایان یک دور از این چرخه یک مولکول FAD به همین ترتیب به یک مولکول FADH₂ کاهش می‌یابد. این مولکول‌ها پس از تولید برای انجام مرحله سوم تنفس سلولی به عنوان سوخت مورد استفاده قرار می‌گیرند. دی اکسید کربنی که توسط چرخه کربس نیز تولید می‌شود، به عنوان یک ماده دفعی آزاد می‌شود.

فسفوریلاسیون اکسیداتیو

در مرحله فسفوریلاسیون اکسیداتیو (Oxidative Phosphorylation)، هر جفت اتم هیدروژن برداشته شده از NADH و FADH₂ یک جفت الکترون را فراهم می‌کنند که با عملکرد یک سری هموپروتئین‌های حاوی آهن به نام سیتوکروم‌ها در نهایت یک اتم اکسیژن را برای تشکیل آب احیا می‌کنند. در سال 1951 کشف شد که انتقال یک جفت الکترون به اکسیژن منجر به تشکیل سه مولکول ATP می‌شود.

فیلم آموزش زیست‌ شناسی سلولی در فرادرس

کلیک کنید

فسفوریلاسیون اکسیداتیو مکانیسم اصلی است که توسط آن مقادیر زیادی انرژی در مواد غذایی حفظ و در دسترس سلول قرار می‌گیرد. مجموعه مراحلی که الکترون‌ها به وسیله اکسیژن در آن جریان می‌یابند، باعث کاهش تدریجی انرژی الکترون‌ها می‌شود. این قسمت از مرحله فسفوریلاسیون اکسیداتیو گاهی «زنجیره انتقال الکترونی» (Electron Transport Chain) نامیده می‌شود. برخی از توصیفات مربوط به تنفس سلولی که بر اهمیت زنجیره انتقال الکترونی تمرکز دارد، نام مرحله اکسیداتیو فسفوریلاسیون را به زنجیره انتقال الکترونی تغییر داده است.

متابولیسم گلبول‌های قرمز

در گلبول‌های قرمز تولید انرژی از سایر مسیرها و همچنین گلیکولیز انجام می‌شود. تقریبا ۹۰ درصد مولکول‌های قندی که وارد گلبول‌های قرمز می‌شوند، از مسیر گلیکولیز می‌توانند ATP تولید کنند. در این مسیر گلوکز به لاکتات شکسته می‌شود که در انتها NADH و ATP تولید می‌شوند.

علاوه بر گلیکولیز سه مسیر اکسیداتیو یا «پنتوز فسفات» (Pentose PhosphatePathway) و «مت هموگلوبین رودکتاز» (Methemoglobin Reductase) و مسیر «راپاپورت» (Rapaport Pathway) در متابولیسم گلبول‌های قرمز دخالت دارند.