التنفس الخلوي عند البشر

تعريف

يصف التنفس الخلوي ، المسمى أيضًا بالهوائي (من اليونانية القديمة "الهواء" - الهواء) ، انهيار العناصر الغذائية مثل الجلوكوز أو الأحماض الدهنية في البشر باستخدام الأكسجين (O2) لتوليد الطاقة ، وهو أمر ضروري لبقاء الخلايا. تتأكسد العناصر الغذائية ، أي يطلقون الإلكترونات عندما يتم تقليل الأكسجين ، مما يعني أنه يقبل الإلكترونات. المنتجات النهائية التي تنشأ من الأكسجين والمغذيات هي ثاني أكسيد الكربون (CO2) والماء (H2O).

وظيفة ومهام التنفس الخلوي

تتطلب جميع العمليات في جسم الإنسان طاقة. تتطلب التمارين الرياضية ، ووظائف المخ ، ونبض القلب ، واللعاب أو صنع الشعر ، وحتى الهضم ، طاقة لتعمل.

بالإضافة إلى ذلك ، يحتاج الجسم إلى الأكسجين للبقاء على قيد الحياة. التنفس الخلوي له أهمية خاصة هنا. بمساعدة هذا الغاز والأكسجين ، يمكن للجسم حرق المواد الغنية بالطاقة والحصول على الطاقة المطلوبة منها. الأكسجين نفسه لا يزودنا بأي طاقة ، ولكنه ضروري لإجراء عمليات الاحتراق الكيميائي في الجسم ، وبالتالي فهو ضروري لبقائنا على قيد الحياة.

يعرف الجسم أنواعًا مختلفة من ناقلات الطاقة:

• الجلوكوز (السكر) هو المصدر الرئيسي للطاقة ولبنة البناء الأساسية بالإضافة إلى المنتج النهائي المنفصل عن جميع الأطعمة النشوية
• الأحماض الدهنية والجلسرين هي المنتجات النهائية لتفكك الدهون ويمكن استخدامها أيضًا في إنتاج الطاقة
• المجموعة الأخيرة من مصادر الطاقة هي الأحماض الأمينية المتبقية كمنتج لانهيار البروتين. بعد تحول معين في الجسم ، يمكن أيضًا استخدامها في تنفس الخلية وبالتالي لتوليد الطاقة

اقرأ المزيد عن هذا تحت ممارسة الرياضة وحرق الدهون

مصدر الطاقة الأكثر شيوعًا الذي يستخدمه جسم الإنسان هو الجلوكوز. هناك سلسلة من التفاعلات التي تؤدي في النهاية إلى منتجات CO2 و H2O مع استهلاك الأكسجين. تتضمن هذه العملية تحلل السكر، لذلك انقسام الجلوكوز ونقل المنتج بيروفات عبر الخطوة الوسيطة من أسيتيل كو أ في ال دورة حمض الستريك (مرادف: دورة حامض الستريك أو دورة كريبس). تتدفق منتجات تحلل العناصر الغذائية الأخرى مثل الأحماض الأمينية أو الأحماض الدهنية أيضًا في هذه الدورة. تسمى العملية التي يتم فيها "تكسير" الأحماض الدهنية بحيث يمكنها أيضًا التدفق في دورة حمض الستريك أكسدة بيتا.

لذلك فإن دورة حمض الستريك هي نوع من نقطة الدخول حيث يمكن تغذية جميع ناقلات الطاقة في عملية التمثيل الغذائي للطاقة. الدورة تجري في الميتوكوندريا بدلا من ذلك ، "محطات الطاقة" للخلايا البشرية.

خلال كل هذه العمليات ، يتم استهلاك بعض الطاقة في شكل ATP ، ولكن يتم الحصول عليها بالفعل ، كما هو الحال ، على سبيل المثال ، في تحلل السكر. بالإضافة إلى ذلك ، هناك في الغالب مخازن طاقة وسيطة أخرى (مثل NADH ، FADH2) التي تؤدي وظيفتها فقط كمخازن طاقة وسيطة أثناء توليد الطاقة. ثم تتدفق جزيئات التخزين الوسيطة هذه إلى الخطوة الأخيرة من تنفس الخلية ، وهي خطوة الفسفرة المؤكسدة ، والمعروفة أيضًا باسم السلسلة التنفسية. هذه هي الخطوة التي عملت بها جميع العمليات حتى الآن. تتكون سلسلة الجهاز التنفسي ، التي تحدث أيضًا في الميتوكوندريا ، من عدة خطوات يتم فيها بعد ذلك استخدام جزيئات التخزين الوسيطة الغنية بالطاقة لاستخراج ناقل الطاقة متعدد الأغراض ATP. في المجموع ، ينتج عن انهيار جزيء جلوكوز واحد إجمالي 32 جزيء ATP.

لأولئك المهتمين بشكل خاص

تحتوي السلسلة التنفسية على مركبات بروتينية مختلفة تلعب دورًا مثيرًا للاهتمام هنا. تعمل كمضخات تضخ البروتونات (H + أيونات) في تجويف الغشاء المزدوج للميتوكوندريا بينما تستهلك جزيئات التخزين الوسيطة ، بحيث يكون هناك تركيز عالٍ من البروتونات هناك. يؤدي هذا إلى تدرج تركيز بين الفضاء بين الغشاء ومصفوفة الميتوكوندريا. بمساعدة هذا التدرج ، يوجد في النهاية جزيء بروتين يعمل بطريقة مشابهة لنوع من التوربينات المائية. مدفوعًا بهذا التدرج في البروتونات ، يصنع البروتين جزيء ATP من ADP ومجموعة الفوسفات.

يمكنك العثور على مزيد من المعلومات هنا: ما هي السلسلة التنفسية؟

ATP

ال أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) هو ناقل الطاقة لجسم الإنسان. يتم تخزين كل الطاقة التي تنشأ من التنفس الخلوي في البداية على شكل ATP. لا يمكن للجسم استخدام الطاقة إلا إذا كانت في شكل جزيء ATP.

إذا تم استخدام طاقة جزيء ATP ، يتم إنشاء ثنائي فوسفات الأدينوزين (ADP) من ATP ، حيث يتم فصل مجموعة فوسفات من الجزيء ويتم إطلاق الطاقة. يخدم التنفس الخلوي أو توليد الطاقة الغرض من تجديد ATP باستمرار مما يسمى ADP بحيث يمكن للجسم استخدامه مرة أخرى.

معادلة التفاعل

نظرًا لحقيقة أن الأحماض الدهنية لها أطوال مختلفة وأن الأحماض الأمينية لها أيضًا هياكل مختلفة جدًا ، فلا يمكن إعداد معادلة بسيطة لهاتين المجموعتين لتحديد خصائص إنتاجهما من الطاقة بدقة في التنفس الخلوي. لأن كل تغيير هيكلي يمكن أن يحدد في أي خطوة من دورة السترات يتدفق الحمض الأميني.
يعتمد تكسير الأحماض الدهنية فيما يسمى بأكسدة بيتا على طولها. كلما طالت مدة الأحماض الدهنية ، يمكن اكتساب المزيد من الطاقة منها. هذا يختلف بين الأحماض الدهنية المشبعة وغير المشبعة ، حيث توفر الأحماض غير المشبعة طاقة أقل ، بشرط أن تحتوي على نفس الكمية.

للأسباب التي سبق ذكرها ، يمكن وصف أفضل معادلة لتكسير الجلوكوز. ينتج عن هذا إجمالي 6 جزيئات من ثاني أكسيد الكربون (CO2) و 6 جزيئات ماء (H2O) من جزيء الجلوكوز (C6H12O6) و 6 جزيئات أكسجين (O2):

• C6H12O6 + 6 O2 يصبح 6 CO2 + 6 H2O

ما هو تحلل الجلوكوز؟

يصف تحلل السكر تحلل الجلوكوز ، أي سكر العنب. يحدث هذا المسار الأيضي في الخلايا البشرية وكذلك في الخلايا الأخرى ، على سبيل المثال. في حالة الخميرة أثناء التخمير. المكان الذي تؤدي فيه الخلايا تحلل السكر في السيتوبلازم. يوجد هنا إنزيمات تعمل على تسريع تفاعلات تحلل السكر من أجل تخليق ATP مباشرة وتوفير ركائز لدورة حمض الستريك. تنتج هذه العملية طاقة على شكل جزيئين من ATP وجزيئين من NADH + H +. يمثل تحلل السكر ، جنبًا إلى جنب مع دورة حمض الستريك وسلسلة الجهاز التنفسي ، وكلاهما يقع في الميتوكوندريون ، مسار انهيار جلوكوز السكر البسيط إلى الناقل العالمي للطاقة ATP. يحدث التحلل الجلدي في العصارة الخلوية لجميع الخلايا الحيوانية والنباتية.المنتج النهائي لتحلل السكر هو البيروفات ، والذي يمكن بعد ذلك إدخاله في دورة حمض الستريك عبر خطوة وسيطة.

في المجموع ، يتم استخدام 2 ATP لكل جزيء جلوكوز في تحلل السكر من أجل التمكن من تنفيذ التفاعلات. ومع ذلك ، يتم الحصول على 4 ATP بحيث يكون هناك ربح صافٍ فعال لجزيئات ATP.

خطوات تفاعل التحلل السكري عشر حتى يتحول السكر الذي يحتوي على 6 ذرات كربون إلى جزيئين من البيروفات ، يتكون كل منهما من ثلاث ذرات كربون. في خطوات التفاعل الأربع الأولى ، يتم تحويل السكر إلى فركتوز -1،6-ثنائي فوسفات بمساعدة اثنين من الفوسفات وإعادة ترتيب. ينقسم هذا السكر المنشط الآن إلى جزيئين يحتوي كل منهما على ثلاث ذرات كربون. تؤدي عمليات إعادة الترتيب الإضافية وإزالة مجموعتي الفوسفات في النهاية إلى ظهور اثنين من البيروفات. إذا كان الأكسجين (O2) متاحًا الآن ، يمكن استقلاب البيروفات بشكل أكبر في acetyl-CoA وإدخاله في دورة حمض الستريك. بشكل عام ، يحتوي تحلل السكر مع جزيئين من ATP وجزيئين من NADH + H + على عائد طاقة منخفض نسبيًا. ومع ذلك ، فإنه يضع الأساس لمزيد من تفكك السكر وبالتالي فهو ضروري لإنتاج ATP في تنفس الخلية.

في هذه المرحلة ، من المنطقي فصل تحلل السكر الهوائي واللاهوائي. يؤدي تحلل السكر الهوائي إلى البيروفات الموصوفة أعلاه ، والتي يمكن استخدامها بعد ذلك لتوليد الطاقة.
من ناحية أخرى ، فإن تحلل السكر اللاهوائي ، والذي يحدث في ظل ظروف نقص الأكسجين ، لم يعد من الممكن استخدام البيروفات ، لأن دورة حمض الستريك تتطلب الأكسجين. في سياق تحلل السكر ، يتم أيضًا إنشاء جزيء التخزين الوسيط NADH ، وهو غني بالطاقة في حد ذاته ويمكن أن يتدفق أيضًا إلى دورة كريبس في ظل الظروف الهوائية. ومع ذلك ، فإن الجزيء الأصل NAD + ضروري للحفاظ على تحلل السكر. هذا هو السبب في أن الجسم "يعض" هنا "التفاحة الحامضة" ويحول هذا الجزيء عالي الطاقة إلى شكله الأصلي. يستخدم البيروفات لإجراء التفاعل. يتكون ما يسمى حمض اللاكتات أو اللاكتيك من البيروفات.

اقرأ المزيد عن هذا تحت

• اللاكتات
• عتبة اللاهوائية

ما هي السلسلة التنفسية؟

السلسلة التنفسية هي الجزء الأخير من مسار انهيار الجلوكوز. بعد أن يتم استقلاب السكر في دورة تحلل السكر وحمض الستريك ، فإن السلسلة التنفسية لها وظيفة تجديد معادلات الاختزال (NADH + H + و FADH2) التي يتم إنشاؤها. هذا يخلق الناقل العالمي للطاقة ATP (أدينوسين ثلاثي الفوسفات). مثل دورة حمض الستريك ، تقع السلسلة التنفسية في الميتوكوندريا ، والتي يشار إليها أيضًا باسم "محطات توليد الطاقة في الخلية". تتكون السلسلة التنفسية من خمسة مجمعات إنزيمية مدمجة في غشاء الميتوكوندريا الداخلي. أول مركبين من الإنزيمات يقوم كل منهما بتجديد NADH + H + (أو FADH2) إلى NAD + (أو FAD). أثناء أكسدة NADH + H + ، يتم نقل أربعة بروتونات من مساحة المصفوفة إلى الفضاء بين الغشاء. يتم أيضًا ضخ بروتونين في الفضاء بين الغشاء لمجمعات الإنزيم الثلاثة التالية. يؤدي هذا إلى إنشاء تدرج تركيز يتم استخدامه لإنتاج ATP. لهذا الغرض ، تتدفق البروتونات من الفضاء بين الغشاء عبر سينسيز ATP مرة أخرى إلى مساحة المصفوفة. تُستخدم الطاقة المنبعثة في النهاية لإنتاج ATP من ADP (ثنائي فوسفات الأدينوزين) والفوسفات. مهمة أخرى لسلسلة الجهاز التنفسي هي اعتراض الإلكترونات الناتجة عن أكسدة مكافئات الاختزال. يتم ذلك عن طريق نقل الإلكترونات إلى الأكسجين. من خلال الجمع بين الإلكترونات والبروتونات والأكسجين ، يتم تكوين الماء الطبيعي في مركب الإنزيم الرابع (السيتوكروم سي أوكسيديز). وهذا يفسر أيضًا سبب حدوث السلسلة التنفسية فقط عندما يكون هناك ما يكفي من الأكسجين.

ما هي المهام التي تقوم بها الميتوكوندريا في التنفس الخلوي؟

الميتوكوندريا هي عضيات توجد فقط في الخلايا حقيقية النواة. يشار إليها أيضًا باسم "محطات توليد الطاقة للخلية" ، حيث يتم التنفس الخلوي فيها. المنتج النهائي للتنفس الخلوي هو ATP (أدينوزين ثلاثي الفوسفات). هذا هو ناقل طاقة عالمي مطلوب في الكائن البشري بأكمله. تعتبر أجزاء الميتوكوندريا شرطًا أساسيًا لتنفس الخلية. هذا يعني أن هناك مساحات تفاعل منفصلة في الميتوكوندريا. يتم تحقيق ذلك من خلال غشاء داخلي وخارجي بحيث يكون هناك مساحة بين الغشاء ومساحة مصفوفة داخلية.

في سياق سلسلة الجهاز التنفسي ، يتم نقل البروتونات (أيونات الهيدروجين ، H +) إلى الفضاء بين الغشاء ، بحيث ينشأ اختلاف في تركيز البروتونات. تأتي هذه البروتونات من معادلات الاختزال المختلفة ، مثل NADH + H + و FADH2 ، والتي يتم إعادة توليدها بالتالي إلى NAD + و FAD.

سينسيز ATP هو آخر إنزيم في السلسلة التنفسية ، حيث يتم إنتاج ATP في النهاية. مدفوعًا بالاختلاف في التركيز ، تتدفق البروتونات من الفضاء بين الغشاء عبر سينسيز ATP إلى مساحة المصفوفة. يطلق تدفق الشحنة الموجبة هذا الطاقة المستخدمة لإنتاج ATP من ADP (ثنائي فوسفات الأدينوزين) والفوسفات. تعتبر الميتوكوندريا مناسبة بشكل خاص للسلسلة التنفسية ، حيث تحتوي على مساحتين للتفاعل بسبب الغشاء المزدوج. بالإضافة إلى ذلك ، فإن العديد من المسارات الأيضية (تحلل السكر ، دورة حمض الستريك) ، والتي توفر المواد الأولية (NADH + H + ، FADH2) لسلسلة الجهاز التنفسي ، تحدث في الميتوكوندريون. هذا القرب المكاني هو ميزة أخرى ويجعل الميتوكوندريا المكان المثالي لتنفس الخلية.

هنا يمكنك معرفة كل شيء عن موضوع سلسلة الجهاز التنفسي

توازن الطاقة

يمكن تلخيص توازن الطاقة في التنفس الخلوي في حالة الجلوكوز على النحو التالي ، مع تكوين 32 جزيء ATP لكل جلوكوز:

C6H12O6 + 6 O2 يصبح 6 CO2 + 6 H2O + 32 ATP

(من أجل الوضوح ، تم حذف ADP وبقايا الفوسفات Pi من المحاولات)

في ظل الظروف اللاهوائية ، أي نقص الأكسجين ، لا يمكن تشغيل دورة حمض الستريك ولا يمكن الحصول على الطاقة إلا من خلال التحلل الهوائي:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP تصبح 2 لاكتات + 2 ATP. + 2 H2O. لذلك يتم الحصول على حوالي 6٪ فقط من النسبة لكل جزيء جلوكوز ، كما هو الحال مع التحلل الهوائي.

الأمراض المتعلقة بالتنفس الخلوي

ال التنفس الخلوي ضروري للبقاء على قيد الحياةبمعنى آخر. أن العديد من الطفرات في الجينات المسؤولة عن بروتينات تنفس الخلية ، على سبيل المثال إنزيمات تحلل السكر ، والترميز ، والقاتلة (قاتلة - مهلك) هي. ومع ذلك ، فإن الأمراض الجينية للتنفس الخلوي تحدث. يمكن أن تنشأ هذه من الحمض النووي أو من الحمض النووي للميتوكوندريا. تحتوي الميتوكوندريا نفسها على المادة الوراثية الخاصة بها ، والتي تعد ضرورية لتنفس الخلية. ومع ذلك ، فإن هذه الأمراض تظهر أعراضًا متشابهة ، حيث تشترك جميعها في شيء واحد: فهي تتدخل في التنفس الخلوي وتعطله.

غالبًا ما تظهر أمراض الجهاز التنفسي الخلوية أعراضًا سريرية مماثلة. إنه مهم بشكل خاص هنا اضطرابات الأنسجة, التي تحتاج إلى الكثير من الطاقة. وتشمل هذه بشكل خاص الخلايا العصبية والعضلية والقلب والكلى والكبد. غالبًا ما تحدث أعراض مثل ضعف العضلات أو علامات تلف الدماغ حتى في سن مبكرة ، إن لم يكن في وقت الولادة. يتحدث أيضا وضوحا الحماض اللبني (زيادة حموضة الجسم باللاكتات ، والتي تتراكم لأن البيروفات لا يمكن تكسيرها بشكل كافٍ في دورة حمض الستريك). يمكن أن تتعطل الأعضاء الداخلية أيضًا.

يجب أن يتم تشخيص وعلاج أمراض التنفس الخلوي من قبل متخصصين ، حيث يمكن أن تكون الصورة السريرية متنوعة ومختلفة للغاية. حتى اليوم لا يزال لا يوجد علاج سببي وعلاجي يعطي. يمكن علاج الأمراض فقط من خلال الأعراض.

نظرًا لأن الحمض النووي للميتوكوندريا ينتقل من الأم إلى الأطفال بطريقة معقدة للغاية ، يجب على النساء اللواتي يعانين من مرض في التنفس الخلوي استشارة أخصائي إذا رغبن في إنجاب الأطفال ، حيث إنهن وحدهن القادرات على تقدير احتمالية الوراثة.