ما المقصود بالتنفس الخلوي وانواع التنفس الخلوي ومراحله بالتفصيل

ما المقصود بالتنفس الخلوي ؟، سؤال من الأسئلة الهامة في مادة الأحياء، وقبل الإجابة على هذا السؤال سنوضح بعض المصطلحات والمفاهيم التي قد تفيدنا في الإجابة على السؤال، وفي هذا المقال سنوضح ايضاً ما هي أنواع ومراحل التنفس الخلوي.

ما المقصود بالتنفس الخلوي

إن المقصود بالتنفس الخلوي بإنه العملية الكيميائية التي تولد معظم الطاقة في الخلية، وتزود الجزيئات اللازمة لإجراء تفاعلات التمثيل الغذائي للكائن الحي، إذ أنها تحدث في جميع خلايا الكائنات الحية حقيقية النواة تحديداً في الميتوكوندريا، والتي تعتبر موقع معظم التفاعلات الكيميائية في الخلية، حيث أنه في هذه العملية تقوم الخلايا بتحويل الطعام إلى طاقة قابلة للاستخدام على شكل أدينوسين ثلاثي الفوسفات>

يتم تكسير الجلوكوز في وجود الأكسجين الجزيئي إلى ستة جزيئات من ثاني أكسيد الكربون، ويتم الحفاظ على الكثير من الطاقة المنبعثة عن طريق تحويل أدينوسين ثنائي الفوسفات والفوسفات الحر إلى أدينوسين ثلاثي الفوسفات، كما وأن عملية تحلل الجلوكوز الموجود في الجسم إلى شكل من الممكن أن تستخدمه الخلية من أجل الحصول على الطاقة يتم عن طريق عملية التنفس الخلوي، ومن الممكن أن تحدث عملية التنفس الخلوي بوجود الأكسجين أو حتى بعدم وجوده.[1]

ما هي أهمية التنفس الخلوي

يحدث التنفس  الخلوي في جميع الكائنات الحية لإطلاق الطاقة لتغذية عملياتها الحية والحيوية، وتتعدد أهمية التنفس الخلوي عند الكائنات فهي تساعد على:[2]

• حفظ درجة حرارة الجسم: حيث يطلق التنفس الخلوي الطاقة وهي عملية طاردة للحرارة تحدث باستمرار في جميع الخلايا الحية.
• التفاعلات الكيميائية داخل الجسم: حيث تساعد عملية التنفس الخلوي على تحريك التفاعلات الكيميائية اللازمة لإبقاء الكائنات الحية على قيد الحياة، حيث تتطلب تفاعلات بناء الكربوهيدرات المعقدة والبروتينات والدهون من منتجات التمثيل الضوئي في النباتات ونواتج الهضم في الحيوانات طاقة.
• الحركة: في جميع الكائنات الحية الطاقة مطلوبة لجعل العضلات تنقبض، بينما في النباتات، هناك حاجة إلى نقل المواد في اللحاء وكل هذا يتم بفضل عملية التنفس الخلوي والذي يوفر الطاقة لفعل ذلك.
• التدفئة للكائنات: عندما تحدث عملية التنفس الخلوي عند الحيوانات، تنطلق الحرارة أيضاً اثناء هذه العملية، كما ويتم توزيع هذه الحرارة في جميع أنحاء الجسم عن طريق الدم، حيث يحافظ هذا على دفء هذه الحيوانات ويساعد في الحفاظ على درجة حرارة داخلية ثابتة.
• تقسيم الخلايا: تساعد عملية التنفس الخلوي على تقسيم الخلايا داخل الجسم.
• التوازن: تساعد على الحفاظ على الظروف الثابتة في الخلايا والجسم.

أنواع التنفس الخلوي

إن عملية التنفس الخلوي تحدث من خلال وجود الأكسجين او عدم وجوده، وعلى هذا الأساس يتم تقسيم أنواع التنفس الخلوي إلى نوعين وهما كالأتي:[3]

• التنفس الخلوي الهوائي (بالإنجليزية: Aerobic Respiration): إن التنفس الهوائي هو العملية التي تستخدم من خلالها الكائنات الحية الأكسجين لتحويل الوقود، مثل الدهون والسكريات، إلى طاقة كيميائية، كما ويعتبر التنفس الهوائي أكثر كفاءة وينتج أدينوسين ثلاثي الفوسفات أسرع بكثير من التنفس اللاهوائي.
• التنفس الخلوي اللاهوائي (بالإنجليزية: Anaerobic respiration): وهو التنفس الخلوي الذي تلجأ إليه الكائنات الحية وخلاياها عند نقص أو انعدام الأكسجين، حيث تكون نهاية سلسلة تفاعلات تحلل سكر الجلوكوز وتحول حمض البيروفيك إلى حمض اللاكتيك، بدلا من دخول البيروفيك إلى دورة كريبس لينتهي إلى إنتاج طاقة وماء وثاني أكسيد الكربون.

مراحل التنفس الخلوي

إن عملية النفس الخلوي عند الكائنات تحدث على مراحل متعددة وهي:[4]

تحلل السكر (بالإنجليزية: Glycolysis)

وهي المرحلة الأولى من التنفس الخلوي، وتحدث في العصارة الخلوية من السيتوبلازم، وتقسم إلى مرحلتين وهما:

• تقسيم الجلوكوز: حيث تقسم الإنزيمات جزيء الجلوكوز إلى جزيئين من البيروفات وهو المعروف أيضاً باسم حمض البيروفيك، ويحدث هذا في عدة خطوات.
• نتائج تحلل السكر: وهي الطاقة مطلوبة في بداية التحلل السكري لتقسيم جزيء الجلوكوز إلى جزيئين من البيروفات، حيث ينتقل هذان الجزيئان إلى المرحلة الثانية من التنفس الخلوي، ويتم توفير الطاقة لتقسيم الجلوكوز بواسطة جزيئين من أدينوسين ثلاثي الفوسفات، ومع تقدم عملية تحلل السكر، يتم إطلاق الطاقة، وتستخدم الطاقة في تكوين أربعة جزيئات من أدينوسين ثلاثي الفوسفات.

دورة حمض الستريك

تحدث في الخلايا حقيقية النواة، يتم نقل جزيئات البيروفات التي يتم إنتاجها في نهاية تحلل السكر إلى الميتوكوندريا، وهي مواقع للتنفس الخلوي، وإذا كان الأكسجين متاحاً، فسوف يحدث التنفس الهوائي، في الميتوكوندريا، حيث سيتحول البيروفات إلى مجموعة أسيتيل ثنائية الكربون وذلك عن طريق إزالة جزيء من ثاني أكسيد الكربون، والتي سيتم التقاطها بواسطة مركب ناقل.

دورة كريبس

تبدأ دورة كريبس بعد تفاعلات تحلل السكر الذي ينتج جزيئين من البيروفات، وبعدما تدخل هذه الجزيئات في مصفوفة ميتوكوندريا، وتبدأ دورة كريبس فعلياً عندما يتحد أسيتيل مع جزيء رباعي الكربون، وينتج عن هذا حمض الستريك، الذي يحتوي على ست ذرات كربون، وهذا هو السبب في أن دورة كريبس تسمى أيضاً دورة حمض الستريك، وبعد تكوين حامض الستريك، سيمر بسلسلة من التفاعلات التي تطلق الطاقة، ويتم التقاط الطاقة في جزيئات.

ويتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون أيضاً كمنتج نفايات لهذه التفاعلات، والخطوة الأخيرة من دورة كريبس، هي تجدد الجزيء الذي بدأ دورة كريبس، هذا الجزيء ضروري للدورة التالية، وهناك حاجة لدورتين لأن تحلل السكر ينتج جزيئين من حمض البيروفيك عندما ينشطر الجلوكوز، وبعد الدورة الثانية خلال دورة كريبس، يتم تكسير جزيء الجلوكوز الأصلي تماماً، ويتم دمج جميع ذرات الكربون الست مع الأكسجين لتشكيل ثاني أكسيد الكربون، حيث تخزين الطاقة من روابطها الكيميائية في ما مجموعه 16 جزيء حامل للطاقة.

الفسفرة التأكسدية

الفسفرة التأكسدية هي المرحلة الأخيرة من التنفس الخلوي الهوائي، وهناك نوعان من المراحل الفرعية للفسفرة المؤكسدة وهي:

• سلسلة نقل الإلكترون: خلال هذه المرحلة، يتم إطلاق الإلكترونات عالية الطاقة، وتتحرك على طول سلاسل نقل الإلكترون على الغشاء الداخلي للميتوكوندريا، وإن سلسلة نقل الإلكترون هي سلسلة من الجزيئات التي تنقل الإلكترونات من جزيء إلى جزيء عن طريق تفاعلات كيميائية، ويتم استخدام بعض الطاقة من الإلكترونات لضخ أيونات الهيدروجين عبر الغشاء الداخلي من المصفوفة إلى الفراغ بين الغشاء، ويخلق نقل الأيونات هذا تدرجاً كهروكيميائياً.
• كيميائيات: حيث يؤدي ضخ أيونات الهيدروجين عبر الغشاء الداخلي إلى زيادة تركيز الأيونات في الحيز بين الغشاء مقارنة بالمصفوفة، ويتسبب هذا التدرج في عودة تدفق الأيونات عبر الغشاء إلى المصفوفة، حيث يكون تركيزها أقل، ويعمل مركب أدينوسين ثلاثي الفوسفات كبروتين قناة، حيث يساعد أيونات الهيدروجين عبر الغشاء.

وفي ختام هذا المقال نكون قد تعرفنا على المقصود بالتنفس الخلوي، كما ووضحنا أهمية هذه العملية وذكرنا أنواعها، وجميع المراحل التي تحدث خلال عملية التنفس الخلوي.