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. في هذه العملية ، تتأكسد العناصر الغذائية ، أي أنها تطلق الإلكترونات ، بينما يتم تقليل الأكسجين ، مما يعني أنها تقبل 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. التمرين ، ووظائف المخ ، ونبض القلب ، واللعاب أو صنع الشعر ، وحتى الهضم ، كلها تتطلب 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 يمدنا بأي طاقة ، ولكنه مطلوب لإجراء عمليات الاحتراق الكيميائي في الجسم ، وبالتالي فهو ضروري لبقائنا على قيد الحياة.

يعرف الجسم أنواعًا مختلفة من ناقلات الطاقة:

• الجلوكوز (السكر) هو الناقل 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 ناقلات الطاقة هي الأحماض الأمينية ، والتي تُركت 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 المتوسطة 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 مصادر 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 تم 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 التأكسدية ، والمعروفة أيضًا باسم السلسلة التنفسية. هذه هي الخطوة التي عملت بها جميع العمليات حتى الآن. تتكون السلسلة التنفسية ، التي تحدث أيضًا في الميتوكوندريا ، من عدة خطوات ، يتم فيها الحصول بعد ذلك على حامل الطاقة متعدد الأغراض ATP من جزيئات التخزين الوسيطة الغنية بالطاقة. في المجموع ، ينتج عن انهيار جزيء جلوكوز واحد إجمالي 32 جزيء ATP.

لأولئك المهتمين بشكل خاص

تحتوي السلسلة التنفسية على معقدات 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 مجموعة 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 التجديد المستمر لـ ATP مما يسمى بـ ADP حتى يتمكن الجسم من 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 لتوصيف محصول طاقتهما بدقة في التنفس الخلوي. لأن كل تغيير هيكلي يمكن أن يحدد في أي خطوة من دورة السترات يتدفق الأحماض الأمينية.
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 الدهنية غير المشبعة طاقة أقل ، بشرط أن تحتوي على نفس الكمية.

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

• C6H12O6 + 6 O2 يصبح 6 CO2 + 6 H2O

ما هو تحلل الجلوكوز؟

يصف التحلل السكري انهيار الجلوكوز ، أي سكر العنب. يحدث هذا المسار الأيضي في الخلايا البشرية وكذلك في الخلايا الأخرى ، على سبيل المثال الخميرة أثناء التخمير. المكان الذي تجري فيه الخلايا تحلل السكر هو في السيتوبلازم. توجد هنا الإنزيمات التي تسرع تفاعلات تحلل السكر من أجل تخليق ATP مباشرة وتوفير الركائز 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 الميتوكوندريا ، مسار انهيار جلوكوز السكر البسيط إلى ناقل الطاقة العالمي 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 صاف لـ 2 جزيء ATP بشكل فعال.

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 الأخرى وإزالة مجموعتي الفوسفات في النهاية إلى ظهور اثنين من البيروفات. إذا كان الأكسجين (O2) متاحًا الآن ، يمكن استقلاب البيروفات بشكل أكبر إلى acetyl-CoA وإدخاله في دورة حمض الستريك. بشكل عام ، تحلل السكر مع جزيئين من ATP وجزيئين من NADH + H + له 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.
في المقابل ، فإن تحلل السكر اللاهوائي ، الذي 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 نفسه غني بالطاقة ويتدفق 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 مرة أخرى 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 تحلل السكر ودورة حمض 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 حامض 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. يقوم أول مركبان إنزيميان بتجديد NADH + H + (أو FADH2) إلى NAD + (أو FAD). أثناء أكسدة NADH + H + ، يتم نقل أربعة بروتونات من حيز المصفوفة إلى الفضاء بين الغشاء. يتم أيضًا ضخ بروتونين في الفضاء بين الغشاء في كل من مجمعات الإنزيم الثلاثة التالية. يؤدي هذا إلى إنشاء تدرج تركيز يستخدم لإنتاج ATP. لهذا الغرض ، تتدفق البروتونات من الفضاء بين الغشاء عبر سينسيز ATP مرة أخرى إلى مساحة المصفوفة. تُستخدم الطاقة المنبعثة لإنتاج ATP أخيرًا 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 مهام الميتوكوندريا في تنفس الخلية؟

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

في سياق السلسلة التنفسية ، يتم نقل البروتونات (أيونات الهيدروجين ، H +) إلى الفضاء بين الغشاء ، بحيث ينشأ اختلاف في تركيز البروتون. 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 هذا التدفق للشحنة الموجبة 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 الحياة، أي أن العديد من الطفرات في الجينات التي ترمز لبروتينات تنفس الخلية ، مثل إنزيمات تحلل السكر ، مميتة (قاتلة - مهلك) نكون. ومع ذلك ، فإن الأمراض الوراثية للتنفس الخلوي تحدث. يمكن أن تنشأ هذه من الحمض النووي وكذلك 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: أنها 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 المتخصصين ، حيث يمكن أن تظهر الصورة السريرية متنوعة ومختلفة للغاية. حتى اليوم لا يزال لا يوجد علاج سببي وعلاجي يعطي. لا يمكن علاج الأمراض إلا من خلال الأعراض.

نظرًا لأن الحمض النووي للميتوكوندريا ينتقل من الأم إلى الأطفال بطريقة معقدة للغاية ، يجب على النساء اللاتي يعانين من مرض في التنفس الخلوي الاتصال بأخصائي إذا رغبن في إنجاب الأطفال ، حيث يمكنهم فقط تقدير احتمالية الوراثة.