تنفس سلولی چیست؟ – انواع و مراحل انجام آن چگونه است؟
تنفس سلولی به فرآیندی گفته می شود که انرژی (ATP) مورد نیاز برای انجام فعالیت های سلول های بدن جانداران را از گلوکز می سازد. پس همه ی سلول های تمام جانداران مجبور به تنفس سلولی هستند که با توجه به وجود یا عدم وجود اکسیژن در این تنفس، به دو شکل هوازی و بی هوازی انجام می شود. کتاب علوم پایه هفتم، تنفس سلولی را توضیح داده است. برای به دست آوردن اطلاعات بیشتر درباره چگونگی انجام تنفس سلولی، این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک را مطالعه بفرمایید.
فهرست مطالب :
۱- تنفس سلولی چیست؟
۲- مراحل تنفس سلولی
۳- مواد حاصل از تنفس های سلولی
۴- انواع تنفس سلولی
۱-۴- تنفس هوازی
۲-۴- تنفس بی هوازی
۱-۲-۴- تخمیر الکلی
۲-۲-۴- تخمیر اسید لاکتیک
۳-۲-۴- تخمیر اسید پروپریونیک
۴-۲-۴- استئوژنز
۵- تنفس سلولی در کجا انجام می شود؟
۶- اهمیت تنفس سلولی
۱- تنفس سلولی چیست؟
وقتی به وسیله یک سری واکنش های شیمیایی، انرژی شیمیایی که در مواد غذایی در بدن موجودات زنده وجود دارد، به ATP تبدیل شود، تنفس سلولی انجام شده است. این مواد غذایی می تواند اسید آمینه، قند و اسید چرب باشد. در این واکنش ها که از نوع گرماده می باشند، مولکول های پیچیده شکسته شده و از آن ها انرژی تولید می شود. این انرژی در مولکول آدنوزین تری فسفات (ATP) به شکل ذخیره می ماند و در هنگام فعالیت های بدن مانند حرکت، انتقال مواد در بدن و بیوسنتز به کار گرفته می شود. در سلول های یوکاریوتی تنفس سلولی با استفاده از اکسیژن، منجر به تولید انرژی می شود. ولی در سلول های پروکاریوتی مانند باکتری ها گونه دیگری از تنفس وجود دارد که بدون وجود اکسیژن، انجام می شود.
۲- مراحل تنفس سلولی :
در سه مرحله تنفس سلولی انجام می شود. مرحله اول در تنفس سلولی شامل شکستن یک مولکول قند مانند گلوکز و تولید مولکول های انرژی ATP می باشد که گلیکولیز نامیده می شود. از خود کلمه گلیکولیز نیز که یک واژه یونانی است، این موضوع درک می شود چون گلیکو به معنای شکر و لیز معنی شکستن را می دهد. در این مرحله که در هر تنفس سلولی مشترک می باشد، مولکول گلوکز دو نیمه شده و دو مولکول اسید پیرویک را می سازد.
در مرحله دوم احیاء مولکول اتفاق می افتد. در تنفس اسید لاکتیک (تخمیر) با انتقال یک الکترون از مولکول NADH به پیروات، اسید لاکتیک و NAD+ تشکیل می شود. همچنین در تخمیر الکل، علاوه بر احیای گفته شده، یک کربن از کربن های پیروات به شکل دی اکسید کربن خارج می شود و استالدهید به عنوان یک واسطه تشکیل می شود.
در مرحله سوم در تنفس هوازی، اکسیژن به عنوان گیرنده الکترونی نهایی می باشد. ابتدا پردازش الکترون ها از طریق زنجیره ی انتقال الکترونی انجام شده و انتقال پروتون ها به یک سمت غشا (با استفاده از انرژی الکترون ها)، باعث ایجاد نیروی الکتریکی می شود که باعث تبدیل ADP به ATP می شود.
۳- مواد حاصل از تنفس های سلولی :
محصولاتی که از یک تنفس سلولی حاصل می شود، ATP، دی اکسید کربن و برخی از مواد دیگر مانند آب می باشد.
ATP :
مهمترین ماده ای که در یک تنفس سلولی حاصل می شود و در واقع اساس انجام این تنفس می باشد، ATP است که به عنوان مولکول هایی هستند که انرژی را که در تنفس آزاد شده، ذخیره می کنند و به قسمت های مختلفی که به عنوان منابع انرژی هستند رفته و مورد استفاده قرار می دهند. از جمله فرآیندهایی که به این انرژی نیاز دارند می توان به نیاز آنزیم ها در هنگام ترکیب مولکول ها و یا انتقالات سلولی اشاره کرد.
دی اکسید کربن :
از مواد حاصله ای که در یک تنفس ایجاد می شود می توان دی اکسید کربن دفع شده را نام برد. اگر این مولکول در محلول آبی قرار گیرد با اسیدی کردن محیط، باعث کاهش PH سلول شده و می تواند سلول را از فعالیت خود باز دارد. به این دلیل باید دی اکسید کربن از سلول حذف شود.
۴- انواع تنفس سلولی :
۱-۴- تنفس هوازی :
در ارگانیسم های یوکاریوتی در تنفس هوازی در تبدیل گلوکز به ATP، اکسیژن لازم است. در عمل تنفس در بدن موجودات وقتی اکسیژن وارد می شود، از طریق گردش خون به سلول ها می رود. سلول ها اکسیژن همراه با گلوکز جذب شده از دستگاه گوارش عمل تنفس هوازی را انجام می دهند. در تنفس هوازی انرژی، دی اکسید کربن و آب تولید می شود که انرژی تولید شده برای انجام فعالیت سلول ها استفاده می شود ولی دی اکسید کربن به عنوان ماده دفعی، از طریق بازدم از بدن خارج می شود. میزان انرژی که طی تنفس هوازی که در سیتوپلاسم و داخل اندامک میتوکندری (نیروگاه سلول) انجام می شود، از هر مولکول گلوکز به اندازه ۳۶ مولکول ATP خواهد بود. فرمول این نوع از تنفس به شکل زیر می باشد :
C۶H۱۲O۶ + ۶ O۲ + ۳۸ ADP + 38 phosphate → ۶CO۲ + ۶ H۲O + 36 ATP
۲-۴- تنفس بی هوازی :
در تنفس بی هوازی، گلوکزی که در خون وجود دارد در سیتوپلاسم، بدون اکسیژن، تنفس بی هوازی انجام می دهد. در تنفس بی هوازی ATP، دی اکسید کربن و اسید لاکتیک یا اتانول تولید می شود و میزان انرژی تولید شده از هر مولکول گلوکز کمتر از تنفس هوازی و به اندازه ۲ مولکول ATP خواهد بود. یکی از فرآیندهایی که بیشتر انواع تنفس بی هوازی را در بر می گیرد، تخمیر می باشد. فرمول مولکولی تنفس بی هوازی به شکل زیر می باشد :
C۶H۱۲O۶ + ۲ ADP + 2 phosphate → ۲ C۲H۵OH + 2 CO۲ + ۲ ATP
بعضی از انواع تخمیرها در زیر توضیح داده می شود.
۱-۲-۴- تخمیر الکلی :
سلول های مخمر می توانند این نوع از تخمیر را با متابولیزه کردن قند به اتانول و دی اکسید کربن انجام دهند.
۲-۲-۴- تخمیر اسید لاکتیک :
وقتی در سلول های عضلانی، اکسیژن موجود نباشد تخمیر اسید لاکتیک انجام می شود. بعضی از باکتری ها نیز این نوع تخمیر را انجام می دهند. در تهیه ماست، تخمیر اسید لاکتیک با رشد دادن باکتری های غیر مضر انجام می شود. طعم ترش ماست به دلیل تولید اسید لاکتیک و بافت خامه ای آن نیز به دلیل ترکیب این اسید با پروتئین های شیر می باشد.
۳-۲-۴- تخمیر اسید پروپریونیک :
در تهیه پنیرهای سوئیسی که توسط باکتری ها انجام می شود، این نوع از تخمیر استفاده می شود. دلیل طعم قوی این نوع از پنیر، تشکیل اسید پروپریونیک و علت سوراخ های موجود در این نوع از پنیرها، خروج حباب ها می باشد.
۴-۲-۴- استئوژنز :
باکتری هایی نیز وجود دارند که با استفاده از الکل اتیل به عنوان سوخت، می توانند در فرآیند تخمیر، تولید اسید استیک کنند. این اسید ترکیبی است که در سرکه وجود دارد. تخمیر مواد قندی با مخمرها و تولید اتانول و سپس تبدیل الکل های تولید شده به اسید استیک، توسط باکتری ها، باعث تولید سرکه است.
نکته :
باکتری های همزیستی که در دستگاه گوارش انسان و گاو وجود دارد، می تواند در طی یک تنفس بی هوازی، کربوهیدرات ها را به متان و دی اکسید کربن تبدیل کند که به این تنفس، متانوژنز می گویند. با این روش گاوها می توانند سلولز غیرقابل تجزیه با تنفس هوازی را، تجزیه و انرژی تولید کنند.
توجه :
از تفاوت هایی که بین تنفس های هوازی و بی هوازی وجود دارد می توان نیاز به اکسیژن در تنفس هوازی و عدم نیاز به اکسیژن در تنفس بی هوازی، اشاره کرد. همچنین در هوازی از هر مولکول گلوکز، ۳۶ مولکول ATP و در تنفس بی هوازی ۲ مولکول ATP حاصل می شود. تنفس هوازی در اکثر سلول های یوکاریوتی و پروکاریوت ها و داخل میتوکندری در سیتوپلاسم انجام می شود. اما تنفس بی هوازی در مخمرها، پروکاریوت ها و سلول های عضلانی و داخل فقط سیتوپلاسم انجام می شود.
۵- تنفس سلولی در کجا انجام می شود؟
همان طور که گفته شد، تنفس سلولی فرآیندی است که در آن پیوندهای شیمیایی که در ترکیب مواد غذایی مصرف شده در موجودات است، شکسته و انرژی آن ها به ATP تبدیل می شود که این انرژی می تواند سوخت لازم برای انجام فعالیت های سلول ها را در اختیار آن ها بگذارند. آنزیم هایی که فرآیندهای مربوط به این تنفس را کاتالیز می کنند، در انواع سلول های یوکاریوتی در اندامک میله ای شکل میتوکندری وجود دارند. ۱۰۰۰ میتوکندری در یک سلول کبدی و ۲۰۰۰۰۰ میتوکندری در یک سلول تخم بعضی از مهره داران وجود دارد. آنزیم هایی که در میکروارگانیسم ها، فرآیند تنفس را کاتالیز می کنند، در غشای سلولی هستند. اما محل انجام این تنفس در سلول های پروکاریوتی مانند باکتری ها، طول غشای سلولی در سیتوپلاسم می باشد.
۶- اهمیت تنفس سلولی :
برای این که سلول های موجودات زنده بتوانند به تمام فعالیت های خود برسند، حتما باید انرژی مصرف کنند. مهمترین واحد انرژی، ATP می باشد که پیوندهای فسفات آن حاوی مقدار زیادی انرژی می باشد که در صورت نیاز سلول ها، با شکستن این پیوندها، نیاز آن ها را برآورده می کند. اما چون ATP به مدت طولانی پایداری ذخیره انرژی را ندارد و این چربی ها و قندها هستند که می توانند این ذخیره را طولانی مدت داشته باشند. پس تنفس که این عمل تبدیل را انجام می دهد، دارای اهمیت زیادی می باشد. در تنفس هوازی مقدار زیادی انرژی (۳۸ مولکول ATP) در مقایسه با تنفس های بی هوازی و تخمیر (دو مولکول ATP) تولید می شود.
