التنفس الخلوي

التنفس الداخلي أو التنفس الخلوي (بالإنجليزية Cellular respiration) أو (بالإنجليزية Internal respiration) هي مجموعة من التفاعلات الأيضية (الأيض) تحدث بالخلايا الحية لتحويل الطاقة الكيميائية الحيوية (التي تستمد من الغذاء والهواء) إلى أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP)، كما يتم فيها إخراج بعد الفضلات من الخلايا، يتضمن التنفس الداخلي نوع من التفاعلات يسمى "التفاعلات التقويضية" (و هي تفاعلات تستعمل الطاقة لتبسيط جزئيئات معينة) حيث تستعمل الطاقة لتبسيط جزيء الأكسجين (O2).
تحدث عملية التنفس الداخلي لـ الخلايا الحيوانية والخلايا النباتية أيضاً، خلال هذه العملية تستعمل المواد الغذائية لإنتاج مركبات هامة منها الجلوكوز والأحماض الأمينية والدهون بالإضافة إلى مادة متقبل الأكسجين (المادة التي تؤكسد أو تختزل في تفاعلات الأكسدة والاختزال)، الجدير بالذكر أن هناك بعض الكائنات الحية ذاتية التغذية مثل البكتريا تتمكن من إنتاج هذه المركبات من خلال وسائل أخرى حيث تستمل المركبات اللاعضوية كمتقبل للأكسجين، ومن ضمن هذه المركبات اللاعضوية الكبريت والميثان والأيونات الناتجة من المعادن، توجد العديد من الكائنات الحية تحتاج للأكسجين في عملية التنفس الذاتي تسمى "الهوائيات"، بينما بعضها لا يعتمد عليه وتسمى "اللاهوائيات"، وبهذا يقسم التنفس الداخلي إلى التنفس الهوائي والتنفس اللاهوائي.
تستعمل الطاقة الناتجة عن التنفس الداخلي لإنتاج أدينوسين ثلاثي الفوسفات وهي صورة الطاقة التي يستطيع الجسم استعمالها، الطاقة الكامنة في مركب أدينوسين ثلاثي الفوسفات تستعمل لعدة وظائف منها التخليق البيولوجي (عملية إنتاج المواد الكيميائية)و حركة وتنقل الجزيئات عبر غشاء الخلية، نظراً لوجود أدينوسين ثلاثي الفوسفات الدائم في جسم الإنسان يطلق عليه أيضاً اسم "الطاقة الشاملة الدائمة ".
.
1 التنفس الهوائي
1.1 محصول الطاقة الناتجة
1.2 التنفس اللاهوائي
1.3 مراجع
.التنفس الهوائي

تحدث عملية التنفس الهوائي في الهوائيات، التنفس لهوائي (aerobic respiration) يحتاج إلى أكسجين لتوليد الطاقة (أدينوسين ثلاثي الفوسفات)، في عملية التنفس الهوائي تتعطل البايروفات (مركب كيميائي صيغته CH3COCOOH) عن العمل عن طريق تحليل السكر ويستنفد هنا بعضاً من أدينوسين ثلاثي الفوسفات لإنتاج بايروفات جديدة، بعد ذلك تذهب البايروفات إلى المتقدرة (الميتوكندريا) حيث تحدث للبايروفات عملية الأكسدة وهو ما يعرف بـ دورة كريبس، بعد انتقال البايروفات إلى المتقدرة تتولد بعض الطاقة من تحلل السكر على شكل أدينوسين ثلاثي الفوسفات عن طريق عملية الفسفتة (إضافة الفوسفور إلى أدينوسين ثنائي الفوسفات مع ملاحظة بلا تأكسدها) ومركب ثنائي نيكليوتيدة الأدنين وأميد النيكوتنك (FAD - ناتج من FADH2) ومركب ثنائي نوكليوتيد الأدنين والنيكوتيناميد (NADH2).
المعادلة الكيميائية التالية تضع شكلاً مبسطاً جداً للتفاعلات التي تحدث أثناء التنفس الداخلي :
ملف:تحلل السكر.jpg
يتفاعل الأكسجين مع المركبين (NADH2) و(FADH2) (الموجودان أعلاه) حيث يلعب الأكسجين دور المستقبل للاكترونات بأحد أنواع التفاعلات الكيميائية تسمى سلسلة نقل الإلكترون، وبطريقة سلسلة نقل الالكترون يتكون معظم أدينوسين ثلاثي الفوسفات في الهوائيات خلال هذا التفاعل بالتنفس الهوائي، كما ذكرنا.. الطاقة اللازمة لهذه التفاعلات توفرها عملية أكسدة البايروفات حيث تنتج طاقة كامنة تدفع البروتونات للحركة عبر الغشاء الخلوي، الجدير بالذكر أن أكسدة جلوكوز واحد فقط نظرياً وأركز على كلمة نظرياً كفيل بإنتاج 38 جزيء من أدينوسين ثلاثي الفوسفات (2 من تحلل الجلوكوز (علماً أن الجلوكوز هو أحد أنواع السكر)، 2 من دورة كريبس، 34 من عملية سلسلة نقل الالكترون)، أما عملياً فانه ينتج حوالي 29 إلى 30 مركب أدينوسين ثلاثي الفوسفات وذلك بسبب نفاذية الغشاء الخلوي، حيث يحدث أن ترشح بعض مركبات البايروفات أدينوسين ثنائي الفوسفات مما يقلل من كفاءة إنتاج أدينوسين ثلاثي الفوسفات.
الطاقة الهوائية تعد ذات كفاءة أكبر بـ19 ضعفاً من الطاقة اللاهوائية (ينتج فقط 2 أديونسين ثلاثي الفوسفات لكل جزيء جلوكوز)، يبدأ التنفس الهوائي واللاهوائي بنفس الأسلوب حيث ينتج كلاً منهما جزيئا أدينوسين ثلاثي الفوسفات عن طريق تحلل السكر (الجلوكوز)، إلا أن التنفس اللاهوائي يتوقف عند هذا الحد بسبب افتقاره للأكسجين والنقاط التالية تبين الخطوات الثلاث لإنتاج أدينوسين ثلاثي الفوسفات.
تحلل السكر (تحلل الجلوكوز) : هو تفاعل أيضي يحدث في السيتوبلازم للكائنات الحية اللاهوائية وتحدث أيضاً في السيتوبلازم في الكائنات الحية الهوائية في حال عدم وصول الأكسجين، عملية تحلل السكر ينتج عنها جزيئان من البايروفات لكنها تستنفد جزيئان من أدينوسين ثلاثي الفوسفات، لذلك تظهر أهمية تحلل السكر في إنتاج البايروفات اللازمة لبقية عملية التنفس الهوائي، ان عملية الفسفتة (إضافة فوسفور لأدينوسين ثنائي الفوسفات) يلزمها أيضاً تحلل الجلوكوز(هو أحد أنواع السكر)، وعند تحلل الجلوكوز تبدأ معادلة مهمة تدخل في عملية تكوين البايروفات والأكسجين لأدينووسين ثلاثي الفوسفات، تتحد 4 مجموعات من الفوسفور مع 4 مركبات من ADP التكوين 4 ATP (و هي عملية الفسفتة اللاتأكسدية).
المعادلة التالية توضح كيفية تحلل السكر مكونةً بذلك 4 أدينوسين ثلاثي الفوسفات (هناك خطأ بسيط في المعادلة حيث يوجد 4 فوسفور و 4 ADP و 4 ATP)
ملف:تحلل الجلوكوز.jpg
أكسدة مجموعة الكربوسكيل من البايروفات : تتأكسد البايروفات لتنتج التميم الأنزيمي A وثاني أكسيد الكربون، تتم عملية الأكسدة هذه بواسطة نازعة هيدروجين البايروفات (و هي مجموعة من الأنزيمات توجد في الميتوكندريا للخلايا حقيقية النواة أو في العصارة الخلوية للكائنات الحية أحادية الخلية)، خلال عملية الأكسدة ينتج أيضاً جزيء NADH (مختصر ثنائي نوكليوتيد النيكوتين والأدنين المختزل) بالإضافة إلى مركبين من أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP)، يطلق على هذه الخطوة أحياناً "حلقة الوصل" لأنها تصل بين تحلل السكر ودورة كريبس (دورة حمض السيتريك).
دورة كريبس (دورة كريبس) : هنا تحدث عمليتان مختلفتان في حال تواجد الأكسجين أو عدم تواجده (للكائنات الحية الهوائية فقط)، إذا لم يتوفر الأكسجين تحدث عملية تخمر البايروفات (أي لا تتأكسد لعدم توفر الأكسجين)، أما إذا توفر الأكسجين فتحدث عمليات عديدة في الميتوكندريا، في وجود الأكسجين ينتج التميم الأنزيمي A بعد تأكسد البايروفات كما ذكرنا في الخطوة السابقة، يدخل هذا المركب خطوة دورة كريبس، عند دخول التميم الأنزيمي A فانه يحفز تفاعل الهيدروجين (الذي تكون في عملية تحلل السكر) مع NAD لإنتاج NADH وتحويل FAD إلى FADH، المركب الأخير يدخل عملية تسمى سلسلة نقل الإلكترون التي تستعمل لإنتاج ATP خلال عملية أكسدة الفوسفور التي ستذكر لاحقاً، ينتج عن دورة كريبس أيضاً اثنان من التميم الأنزيمي A، كما تنتج عنه بعض الفضلات تطلق خارجاً عن طريق الزفير أهمها ثاني أكسيد الكربون، اما أنواع الطاقة الناتجة عن دورة كريبس فهي على ثلاثة أشكال : ATP 2، FADH 2، NADH 6 (مباشرة).
فسفتة تأكسدية (فسفتة تأكسدية) : تحدث عملية الفسفتة الأكسدية في الكائنات الحية أحادية الخلية في أعراف المتقدرات (أعراف الميتوكندريا)، بينما تحدث على غشاء خلية الكائنات عديدة خلية، تتضمن عملية الفسفتة الأكسدية عملية سلسلة نقل الالكترون من خلال مرورها عبر غشاء الداخلي مرات عديدة، يتحرك أدينوسين ثنائي الفوسفات خروجاً ودخولاً غشاء الخلية عدة مرات حتى يتأكسد، عملية الأكسدة هذه تساعد تحول أدينوسين ثنائي الفوسفات إلى أدينوسين ثلاثي الفوسفات كما قلنا سابقاً..، ويتكون أيضاً بروتونين (2 هيدروجين) وماء خلال هذه العملية.
.محصول الطاقة الناتجة

الجدول الموجود أدناه يمثل الطاقة النظرية (و ليس العملية) الناتجة عن تحلل جلوكوز واحد.
ملف:تنفس داخلي.jpg
.التنفس اللاهوائي

لا تستطيع البايروفات الدخول بالتفاعلات الأيضية السابقة دون وجود الأكسجين.. لكنها تمر في عملية تسمى التخمر، في التنفس اللاهوائي البايروفات لا تنتقل إلى المتقدرة (الميتوكندريا) بل تبقى في السيتوبلازم، تتعرض البايروفات لمجموعة من التحولات تؤدي إلى تغيير تركيبها وتحويلها إلى فضلات تتخلص منها الخلية فيما بعد، ان عملية تحويل البايروفات إلى فضلات مفيد للخلايا حيث أنه يسرع عملية استغلال جلوكوز آخر فيزيد من سرعة الحصول على طاقة (أدينوسين ثلاثي الفوسفات)، في العضلات الهيكلية تتحول البايروفات إلى نوع من الفضلات يسمى حمض اللاكتيك وكما يسمى تخمرها تخمر حمض اللاكتيك، في الخميرة (نوع من الفطريات) تتحول البايروفات إلى فضلات من الايثانول وثاني أكسيد الكربون ويسمى تخمرها تخمر الايثانول، ان طريقة جلب أدينوسين ثلاثي الفوسفات الوحيدة في التخمر هي عن طريق سلسلة طويلة من العمليات تسمى (ركيزة الفسفتة) وهي (تحدث أيضاً في التنفس الهوائي)، حيث لا تحتاج ركيزة الفسفتة إلى أكسجين، الطريقة الوحيدة التي بإمكان التنفس اللاهوائي إنتاج ATP هي فقط عملية سلسلة نقل الكترون، أي أنها تستنفد 2 ATP لتحلل الجلوكوز وتنتج 4 ATP خلال عملية سلسلة نقل الالكترون
ان كفاءة التنفس اللاهوائي أقل بكثير من التنفس الهوائي حيث أن التنفس اللاهوائي ينتج فقط 2 ATP مقارنةً بـ38 ATP في التنفس الهوائي، يحدث هذا بسبب إنتاج التنفس اللاهوائي لفضلات تحمل بعض الطاقة لكنها لا تستغلها، الايثانول مثلاً يمكن انتج منه صورة من صور الطاقة تسمى محلول الجازولين، فيما يخص الخلايا بدائية النواة عندما تنتقل هذه الخلايا من وسط هوائي (يحتوي على أكسجين) إلى وسط لاهوائي (لا يحتوي على أكسجين) تبدأ هذه الخلايا بالتنفس اللاهوائي وهذا يلزمها مزيداً من الجلوكوز وسرعة أكبر في العمليات الأيضية لتبقى الخية على قيد الحياة، كما يمكن أن تتنفس الخلايا العضلية تنفساً لاهوائياً مثل ما يحدث عندما نمارس الرياضة، فأثناء ممارستنا لها إذا قمنا بتمرين متعب يصبح الجسم غير قادر على امداد الخلية بسرعة بالأكسجين فتبدأ عملية التنفس اللاهوائي، وبالمناسبة حمض اللاكتيك هو سبب الآلام التي نشعر بها في العضلات عند التعب.

تحياتي للجميع

بارك الله فيك

العفو

جزاك الله خيرا موضوع في غاية الأهمية بالتوفيق شكراااااااااااااااااااااااااااااااااااا