تنفس سلولی | بیوشیمی حیات

همانطورکه در فصل پنجم زیست‌شناسی دوازدهم راجع‌به تنفس سلولی خواندیم، سلول‌ها که کوچک‌ترین اجزای حیات هستند و تمام ویژگی‌های یک موجود زنده را دارند. یکی از این ویژگی‌ها تنفس است که آن‌ها را قادر می‌سازد که برای انجام وظایف گوناگون و بقای خود، انرژی مورد نیازشان را به دست آورند. حال جالب است بدانید که برای به دست آوردن این انرژی، سلول‌های بدن ما از میلیون‌ها سال پیش به کارخانه‌ای مجهز شدند که این کارخانه به صورت تخصصی و با بازدهی بالا انرژی مورد نیاز سلول را تامین می‌کند. آیا می‌دانید که این کارخانه یک اندامک است؟ نام آن چیست؟ و چه فرآیندی در آن طی می‌شود؟

برای پاسخ به سوالات بالا و آشنایی با روند تنفس سلولی، همراه مجله‌ی بیوزوم باشید تا مطالب جالب زیادی در این خصوص بیاموزیم.

تنفس چیست؟

تنفس سلولی یکی از فرآیندهای حیاتی است که توسط همه موجودات زنده برای بقا انجام می‌شود. وقتی می‌دوید تا به اتوبوس مدرسه خود برسید، متوجه تندتر نفس کشیدن خود می‌شوید؛ به این دلیل که بدن شما برای دویدن به انرژی اضافی نیاز دارد که از طریق تنفس تأمین‌شده و این نیاز به انرژی اضافی، منجر به تنفس سریع می‌شود.

نفس کشیدن بخشی جدایی‌ناپذیر از تنفس سلولی است و به‌طورکلی، این پدیده بدن ما را حفظ می‌کند. به عبارت ساده، تنفس سلولی فرآیندی است که از طریق آن، مواد مغذی که می‌خوریم به انرژی مفید تبدیل می‌شوند.

همان‌طور که می‌دانید، سلول واحد ساختاری و عملکردی حیات بوده و هر سلول برای انجام وظایف خود به انرژی نیاز دارد، بنابراین تنفسی که در کوچک‌ترین سطح بدن یعنی سطح سلولی انجام می‌گردد، تنفس سلولی نامیده می‌شود. این فرآیند تضمین می‌کند که هر سلول عملکرد خود را به‌خوبی انجام می‌دهد.

 در ادامه به این سؤال پاسخ می‌دهیم که چرا نفس می‌کشیم و انرژی مورد نیاز برای بقا چگونه تأمین می‌شود.

مطلب مرتبط: نگاهی بر انواع سلول ، سازندگان حیات

چرا نفس می‌کشیم؟

هر موجود زنده‌ای برای بقای خود به انرژی نیاز دارد، حتی زمانی که در حال خوردن یا خوابیدن هستید، به انرژی نیاز دارید. آیا فکر می‌کنید در صورت کمبود انرژی می‌توانید نفس بکشید؟ این انرژی از کجا می‌آید؟

این انرژی از غذا به دست می‌آید و این فرآیند تنفس سلولی است که غذا را به انرژی تبدیل می‌کند. در حین تنفس، هوای حاوی اکسیژن وارد بدن شده و هوای غنی از دی‌اکسید کربن خارج می‌شود. همان‌طور که نفس می‌کشید، هوای غنی از اکسیژن به تمام قسمت‌های بدن و درنهایت به هر سلول منتقل می‌شود. در داخل سلول، غذا که به شکل گلوکز وجود دارد، با کمک اکسیژن به دی‌اکسید کربن و آب تجزیه می‌شود.

مطلب مرتبط: کربوهیدرات‌ ها، سوخت اصلی سلول‌

فرآیند تجزیه گلوکز برای آزاد کردن انرژی که می‌تواند توسط بدن برای انجام کارهای روزانه مانند راه رفتن، نشستن یا حتی فکر کردن استفاده شود، به‌عنوان تنفس سلولی شناخته می‌شود.

در فرآیند تنفس سلولی، میتوکندری به‌عنوان یکی از مهره‌های اصلی ایفای نقش می‌کند که در ادامه به آن اشاره می‌کنیم.

نقش میتوکندری در تنفس سلولی چیست؟

یکی از اهداف تجزیه مواد غذایی، تبدیل انرژی موجود در پیوندهای شیمیایی به ترکیب غنی از انرژی آدنوزین تری فسفات (ATP) است. انرژی شیمیایی حاصل از تجزیه مولکول‌های غذا، در این مولکول غنی از انرژی ذخیره‌شده و سپس انرژی آن برای سوخت‌رسانی به سایر فرآیندهای سلولی آزاد می‌شود.

در سلول‌های یوکاریوتی (یعنی هر سلول یا موجودی که دارای هسته مشخص و اندامک‌های دارای غشا است) آنزیم‌هایی که مراحل دخیل در تنفس سلولی و حفظ انرژی را کاتالیز می‌کنند، در اندامک بسیار سازمان‌یافته، به نام میتوکندری قرار دارند. یک سلول کبدی حدود 1000 میتوکندری و سلول‌های بزرگ تخم برخی از مهره‌داران تا 200000 عدد میتوکندری دارند.

تنفس سلولی چیست؟

تنفس سلولی یک مسیر متابولیک است که از گلوکز برای تولید آدنوزین تری فسفات (ATP) استفاده می‌کند، گلوکز یک ترکیب آلی بوده و بدن می‌تواند برای کسب انرژی از آن استفاده کند. یک مولکول گلوکز می‌تواند 30-32 ATP خالص تولید کند.

هدف از تنفس سلولی چیست؟

تنفس سلولی برای تولید انرژی قابل‌استفاده ATP، به‌منظور پشتیبانی از بسیاری از واکنش‌های دیگر در بدن استفاده می‌شود. ATP به‌ویژه برای واکنش‌های نامساعد ازنظر انرژی، که بدون ورودی انرژی رخ نمی‌دهند، مهم است.

مراحل تنفس سلولی عموماً به سه بخش تقسیم می‌شود که در ادامه، هر یک از مراحل را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

بخش‌های تنفس سلولی

زیست شناسان نظرات متفاوتی در مورد مراحل تنفس سلولی ازنظر نام، توصیف و تعداد آن‌ها دارند. بااین‌حال، فرآیند کلی را می‌توان به سه مرحله متابولیک اصلی تقسیم کرد:

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

گلیکولیز

گلیکولیز (که به‌عنوان مسیر گلیکولیتیک یا مسیر Embden-Meyerhof-Parnas نیز شناخته می‌شود) یک توالی از 10 واکنش شیمیایی است که در اکثر سلول‌ها انجام شده و یک مولکول گلوکز را به دو مولکول پیرووات (پیروویک اسید) تجزیه می‌کند.

انرژی آزادشده در طی تجزیه گلوکز و سایر مولکول‌های سوختی آلی از کربوهیدرات‌ها، چربی‌ها و پروتئین‌ها در طی گلیکولیز گرفته‌شده و در ATP ذخیره می‌شود. علاوه بر این، ترکیب نیکوتین آمید آدنین دی نوکلئوتید (⁺NAD) در این مرحله به NADH تبدیل می‌شود. مولکول‌های پیرووات تولیدشده در طی گلیکولیز سپس وارد میتوکندری می‌شوند، جایی که هرکدام به ترکیبی به نام استیل کو آنزیم A تبدیل‌شده که سپس وارد چرخه TCA می‌شوند.

چرخه اسید تری کربوکسیلیک

چرخه TCA (که به‌عنوان چرخه کربس یا چرخه اسید سیتریک نیز شناخته می‌شود) نقش اصلی را در تجزیه یا کاتابولیسم مولکول‌های سوختی آلی ایفا می‌کند. این چرخه از هشت مرحله تشکیل‌شده که توسط هشت آنزیم مختلف کاتالیز می‌گردند که در چندین مرحله مختلف انرژی تولید می‌کنند.

بااین‌حال، بیشتر انرژی به‌دست‌آمده از چرخه کربس در ترکیبات ⁺NAD و فلاوین آدنین دی نوکلئوتید (FAD) ذخیره‌شده و بعداً به ATP تبدیل می‌شود.

محصولات یک دور چرخه TCA شامل سه مولکول ⁺NAD است که از طریق فرآیند افزودن هیدروژن به تعداد برابر مولکول NADH احیاشده و یک مولکول FAD که به‌طور مشابه به یک مولکول FADH₂ احیا می‌گردد.

این مولکول‌ها به مرحله سوم تنفس سلولی سوخت می‌رسانند، درحالی‌که دی‌اکسید کربن، که توسط چرخه TCA نیز تولید می‌شود، به‌عنوان یک محصول زائد آزاد می‌شود.

فسفوریلاسیون اکسیداتیو

در مرحله فسفوریلاسیون اکسیداتیو، هر جفت اتم هیدروژن حذف‌شده از NADH و FADH₂ یک جفت الکترون را فراهم می‌کنند که از طریق عمل یک سری هموپروتئین‌های حاوی آهن و سیتوکروم‌ها، درنهایت یک اتم اکسیژن را احیا می‌کنند تا آب تشکیل شود.

بیشتر بدانید: در سال 1951 کشف شد که انتقال یک جفت الکترون به اکسیژن منجر به تشکیل سه مولکول ATP می‌شود.

فسفوریلاسیون اکسیداتیو مکانیسم اصلی است که توسط آن مقادیر زیاد انرژی در مواد غذایی، حفظ‌شده و در دسترس سلول قرار می‌گیرد. مجموعه مراحلی که طی آن الکترون‌ها به سمت اکسیژن جریان می‌یابند، امکان کاهش تدریجی انرژی الکترون‌ها را فراهم می‌کند. این بخش از مرحله فسفوریلاسیون اکسیداتیو گاهی اوقات زنجیره انتقال الکترون نامیده می‌شود. برخی از تعاریف تنفس سلولی که بر اهمیت زنجیره انتقال الکترون تمرکز دارند، نام مرحله فسفوریلاسیون اکسیداتیو را به زنجیره انتقال الکترون تغییر داده‌اند.

تنفس سلولی در کجا انجام می‌شود؟

تنفس سلولی در سیتوپلاسم و میتوکندری هر سلول بدن انجام می‌شود. گلیکولیز در داخل سیتوپلاسم رخ‌داده، درحالی‌که چرخه کربس در داخل ماتریکس میتوکندری رخ می‌دهد. در همین حال، فسفوریلاسیون اکسیداتیو در غشای داخلی میتوکندری اتفاق می‌افتد و پروتون‌ها در سراسر غشا پخش‌شده و بعداً به داخل ماتریکس پمپ می‌شوند.

بعد از آشنایی با فرآیند تنفس سلولی و هدف از آن، به معرفی بازیگران و واکنش‌دهنده‌های این توالی خواهیم پرداخت.

بازیگران تنفس سلولی

واکنش‌دهنده‌های تنفس سلولی در هر مرحله متفاوت هستند، اما در ابتدا نیاز به ورودی گلوکز، ATP و ⁺NAD دارد. ⁺NAD یک نیکوتین آمید مشتق شده از ویتامین B3 و یک گیرنده الکترون بوده که در فرآیند تنفس سلولی بسیار مهم است. یکی دیگر از گیرنده‌های مهم الکترون FAD، یک نوکلئوتید فلاوین از ویتامین B2 است. این گیرنده‌ها اغلب در فرآیندهای کاتابولیک استفاده می‌شوند و به ترتیب به NADH و FADH₂ احیا می‌شوند.

هر یک از مراحل تنفس سلولی به تفکیک، نیاز به بازیگران زیر دارند:

• گلیکولیز به ورودی یک گلوکز، دو ATP، چهار ADP و دو ⁺NAD نیاز دارد.
• واکنش‌دهنده‌ها برای اکسیداسیون پیرووات عبارت‌اند از پیرووات، ⁺NAD و کوآنزیم A (CoA).
• یک چرخه کربس به یک استیل-CoA، یک ADP، سه ⁺NAD و یک FAD نیاز دارد.
• فسفوریلاسیون اکسیداتیو و زنجیره انتقال الکترون از واکنش‌دهنده‌های ADP، NADH، FADH₂ و O₂ استفاده می‌کنند.

محصولات تنفس سلولی چیست؟

محصولات نهایی تنفس سلولی ATP و H₂O هستند. گلیکولیز دو مولکول پیرووات، چهار ATP، دو NADH و دو H₂O تولید می‌کند. بنابراین، بدون حضور اکسیژن، گلیکولیز تنها فرآیندی است که می‌تواند رخ دهد و امکان تولید تنها دو مولکول ATP برای هر مولکول گلوکز وجود دارد.

هنگام حضور اکسیژن، اکسیداسیون پیرووات، یک استیل-CoA، یک NADH و یک CO₂ از هر مولکول پیرووات تولید می‌کند.

چرخه کربس یک GTP (یعنی یک ترکیب غنی از انرژی مشابه ATP که عمدتاً در محیط‌های با pH پایین‌تر استفاده می‌شود)، سه NADH، یک FADH₂ و دو CO₂ تولید می‌کند.

NADH و FADH₂ می‌توانند توسط زنجیره انتقال الکترون برای ایجاد ATP بیشتر به‌عنوان بخشی از فسفوریلاسیون اکسیداتیو استفاده شوند. درنهایت، فسفوریلاسیون اکسیداتیو و زنجیره انتقال الکترون 28-30 ATP و 28-30 H₂O از هر گلوکز تولید می‌کنند.

آنزیم‌های دخیل در تنفس سلولی

سه آنزیم اصلی تعیین‌کننده سرعت در تنفس سلولی وجود دارد. این آنزیم‌ها مراحل محدودکننده سرعت را کاتالیز می‌کنند که کندترین واکنش‌ها در این توالی هستند.

مطلب مرتبط: پروتئین چیست به زبان ساده

آنزیم تعیین‌کننده سرعت در گلیکولیز، فسفوفروکتوکیناز-1 یا PFK-1 است که فروکتوز-6-فسفات را به فروکتوز-1،6-بیس فسفات تبدیل می‌کند. این آنزیم توسط AMP و فروکتوز-2،6-بیس فسفات تحریک‌شده و توسط ATP و سیترات مهار می‌گردد.

اکسیداسیون پیرووات فقط از پیرووات دهیدروژناز استفاده می‌کند که با افزایش NAD⁺، ADP یا ⁺Ca² فعال می‌شود.

در چرخه کربس، آنزیم تعیین‌کننده سرعت، ایزوسیترات دهیدروژناز است که ایزوسیترات را به آلفا-کتوگلوتارات تبدیل می‌کند. این واکنش خاص توسط ADP تحریک‌شده و توسط ATP و NADH مهار می‌شود.

جمع‌بندی

تنفس سلولی مجموعه‌ای از واکنش‌های شیمیایی است که گلوکز را برای تولید ATP تجزیه می‌کند و ممکن است به‌عنوان انرژی برای تحریک بسیاری از واکنش‌ها در سراسر بدن استفاده شود. سه مرحله اصلی تنفس سلولی وجود دارد: گلیکولیز، چرخه اسید سیتریک و فسفوریلاسیون اکسیداتیو. گلیکولیز در سیتوزول، چرخه اسیدسیتریک در ماتریکس میتوکندری و فسفوریلاسیون اکسیداتیو در غشای داخلی میتوکندری رخ می‌دهند. واکنش‌دهنده‌های آغازین تنفس سلولی شامل گلوکز، ATP و ⁺NAD هستند و محصولات نهایی شامل ATP و H₂O است. آنزیم‌های تعیین‌کننده سرعت برای تنفس سلولی شامل فسفوفروکتوکیناز-1، پیرووات دهیدروژناز و ایزوسیترات دهیدروژناز هستند و بیماری‌هایی که بر تنفس سلولی تأثیر می‌گذارند، معمولاً یک یا چند آنزیم دخیل در این فرآیند، مانند پیرووات کیناز یا سوکسینیل-کوآ-سنتاز را مختل می‌کنند.