التنفس الخلوي هو مجمل العمليات الأنزيمية التي تحدث في كل خلية، ونتيجة لذلك يتم تكوين جزيئات الكربوهيدرات، الأحماض الدهنيةويتم تقسيم الأحماض الأمينية في النهاية إلى ثاني أكسيد الكربون والماء، ويتم إطلاقها بيولوجيًا طاقة مفيدةتستخدم لحياة الخلية. الطاقة المفيدة بيولوجيا هي تدفق الإلكترونات من مستويات الطاقة الأعلى إلى المستويات الأدنى. يحدث الأمر على النحو التالي: تحت تأثير الإنزيم، تتم إزالة البروتونات (أي ذرات الهيدروجين) ومعها الإلكترونات من جزيء المغذيات (الكربوهيدرات والدهون والبروتين). تُعرف هذه العملية باسم نزع الهيدروجين*< Передача электронов через систему переноса электронов происходит путем ряда последовательных реакций окисления - восстановления, которые в совокупности носят название «биологического окисления «.>. يتم نقل الإلكترونات المأخوذة إلى مادة خاصة تسمى المستقبل **<Специфические соединения, которые образуют систему переноса электронов и которые попеременно окисляются и восстанавливаются, называются "цитохромами ".>. بعد ذلك، تأخذ الإنزيمات الأخرى الإلكترونات من المستقبل الأولي وتنقلها إلى مستقبل آخر، وهكذا حتى يتم استهلاك طاقة الإلكترون بالكامل أو تخزينها على شكل طاقة الروابط الكيميائية(أدينوسين ثلاثي الفوسفات). وفي النهاية يتفاعل الأكسجين مع أيونات الهيدروجين والإلكترونات التي تتخلى عن الطاقة وتتحول إلى ماء يتم إخراجه من الجسم. يسمى تدفق الإلكترونات هذا بـ "شلال الإلكترون". ولمزيد من الوضوح يمكن تمثيلها على شكل سلسلة من الشلالات، يقوم كل شلال بتدوير توربين - مما يعطي الطاقة حتى يمنحها بالكامل. في الجزء العلوي من "الماء" توجد مادة غذائية سيتم إزالة الإلكترونات والبروتونات منها (الركيزة)، وفي الجزء السفلي توجد "المياه العادمة" - إلكترونات وبروتونات ذات طاقة منخفضة ومتصلة بالأكسجين (الماء)، وما بقايا الركيزة - ليتم تخصيصها. الآن دعونا ننظر إلى هذه العملية نفسها من منظور التدمير (الإنتروبيا، أي الاضمحلال). كل جزيء العناصر الغذائيةلها هيكلها المكاني الخاص. أثناء عملية نزع الهيدروجين، يستطيع إنزيم معين إزالة ذرات هيدروجين معينة فقط والتي تشغل موقعًا مكانيًا معينًا في الجزيء. ونتيجة لسلسلة من عمليات الإزالة المتعاقبة هذه، يتم تدمير المادة ذات البنية المعقدة إلى مكونات بسيطة. يستخدم جسمنا طاقة الاتصال، عند إطلاقها، لتقوية نفسه - فهو يدعم هياكله الخاصة من البروتينات والدهون والكربوهيدرات وما إلى ذلك. وهكذا، من خلال تدمير المواد الغذائية، يحافظ الجسم على بنية جسمه عند مستوى ثابت. إذا كان الطعام قد تم إتلافه مسبقًا ( المعالجة الحرارية، التمليح، التجفيف، التكرير، الطحن، وما إلى ذلك)، فإن جسمنا سيحصل على طاقة أقل بكثير موجودة في الاتصالات المكانية المتبقية. لذلك، فإن قوة التغذية لا تكمن في السعرات الحرارية، بل في بنية الطعام. متوسط ​​العمر المتوقع لا يعتمد على الغذاء الجيد التغذية، بل على الغذاء المنظم. إذن التنفس الخلوي هو عملية إنتاج الإلكترونات، أي الكهرباء. E. أجرى بول حسابات توضح مقدار الطاقة الكهربائية التي يتم إنتاجها في الجسم عندما يتم تحلل الركائز إلى ماء و ثاني أكسيد الكربون. واستنادًا إلى استهلاك الجسم البشري البالغ للأكسجين في حالة الراحة (264 سنتيمترًا مكعبًا في الدقيقة)، وحقيقة أن كل ذرة أكسجين تحتاج إلى ذرتي هيدروجين وإلكترونين لتكوين جزيء ماء، حسب بول أنه في كل دقيقة في جميع خلايا الجسم يتم نقل 2.86.10.22 إلكترون في الجسم من جزيئات العناصر الغذائية الممتصة في عملية الأكسدة البيولوجية إلى الأكسجين، أي أن التيار الإجمالي يصل إلى 76 أمبير (A). هذه قيمة مثيرة للإعجاب: بعد كل شيء، يمر حوالي 1 أمبير فقط من التيار عبر مصباح كهربائي عادي بقدرة 100 واط.
يتوافق انتقال الإلكترونات من الركيزة إلى الأكسجين مع فرق محتمل قدره 1.13 فولت (V)؛ ضرب فولت أمبير يعطي واط، لذلك 1.13 × 76 = 85.9 واط. وبالتالي استهلاك الطاقة جسم الإنسانتساوي تقريبًا الطاقة التي يستهلكها مصباح كهربائي بقدرة مائة واط، ولكن في نفس الوقت يستخدم الجسم تيارات أعلى بكثير بجهد أقل بكثير. وبناء على ما سبق دعونا نفهم دور كل مادة في عملية الحياة. تعمل العناصر الغذائية على بناء هياكل الجسم، وعندما يتم تدميرها، فإنها تزودنا بالطاقة على شكل إلكترونات. المنتجات النهائية لتدمير العناصر الغذائية: يوفر لنا الماء البيئة اللازمة لحدوث العمليات الحياتية؛ ثاني أكسيد الكربون هو منظم في شكل عمليات الحياة (يغير ACR، ينشط الجهاز الوراثي للخلية، يؤثر على امتصاص الجسم للأكسجين). يتم تعيين دور متواضع للأكسجين المستهلك أثناء التنفس في إزالة الإلكترونات ذات الطاقة المنخفضة من الجسم في شكل منتجات المرحلة النهائية من التدمير - ثاني أكسيد الكربون والماء.
من موقع العناصر الحيوية، يعتبر الكربون (18%) مادة رابطة تربط بين الأكسجين (70%) والهيدروجين (10%). ليس النيتروجين، بل الكربون هو أساس الحياة، ولذلك يسعى الجسم بكل الوسائل للحفاظ عليه، وتوجيه الجسم كله عملية التنفسللتخزين المستقر للكربون في شكل ثاني أكسيد الكربون ومركباته الأخرى. إن انخفاض نسبة الكربون ومركباته في الجسم يؤثر بشكل مباشر على كافة العمليات الحيوية، مما يسبب الكثير من الأمراض.
هكذا تحدث المرحلة الثالثة من التنفس - التنفس الخلوي. علاوة على ذلك، أكبر عدديتم الحصول على ثاني أكسيد الكربون عند تناول الأطعمة التي تحتوي على الكربوهيدرات، وأقل كمية يتم الحصول عليها من الأطعمة الدهنية والبروتينية.

التنفس الخلوي

العمليات الرئيسية التي تزود الخلية بالطاقة هي التمثيل الضوئي، والتركيب الكيميائي، والتنفس، والتخمر، وتحلل السكر كمرحلة من مراحل التنفس.

مع الدم، يخترق الأكسجين الخلية، أو بالأحرى إلى خلية خاصة الهياكل الخلوية- الميتوكوندريا. توجد في جميع الخلايا باستثناء الخلايا البكتيرية والطحالب الخضراء المزرقة وخلايا الدم الناضجة (خلايا الدم الحمراء). في الميتوكوندريا، يدخل الأكسجين في تفاعل متعدد المراحل مع العناصر الغذائية المختلفة - البروتينات والكربوهيدرات والدهون وما إلى ذلك. وتسمى هذه العملية بالتنفس الخلوي. ونتيجة لذلك، يتم إطلاق الطاقة الكيميائية، والتي تخزنها الخلية في مادة خاصة - حمض الأدينوزين ثلاثي الفوسفوريك، أو ATP. هذا مخزن عالمي للطاقة ينفقه الجسم على النمو والحركة والحفاظ على وظائفه الحيوية.

التنفس هو انهيار مؤكسد للمواد العضوية بمشاركة الأكسجين. العناصر الغذائية، مصحوبًا بتكوين المستقلبات النشطة كيميائيًا وإطلاق الطاقة التي تستخدمها الخلايا في العمليات الحيوية.

المعادلة العامةيبدو التنفس كالتالي:

حيث Q=2878 كيلوجول/مول.

لكن التنفس، على عكس الاحتراق، هو عملية متعددة المراحل. هناك مرحلتان رئيسيتان: تحلل السكر ومرحلة الأكسجين.

تحلل السكر

ATP، الثمين للجسم، لا يتشكل فقط في الميتوكوندريا، ولكن أيضًا في سيتوبلازم الخلية نتيجة لتحلل السكر (من الكلمة اليونانية "glykis" - "حلو" و "تحلل" - "التحلل"). تحلل السكر ليس عملية تعتمد على الغشاء. يحدث في السيتوبلازم. ومع ذلك، ترتبط الإنزيمات المحللة للسكر بالهياكل الهيكلية الخلوية.

تحلل السكر هو عملية معقدة للغاية. هذه عملية تحلل الجلوكوز تحت تأثير الإنزيمات المختلفة، والتي لا تتطلب مشاركة الأكسجين. من أجل التحلل والأكسدة الجزئية لجزيء الجلوكوز، من الضروري حدوث أحد عشر تفاعلًا متتابعًا بشكل منسق. في تحلل السكر، جزيء واحد من الجلوكوز يجعل من الممكن تصنيع جزيئين من ATP. يمكن بعد ذلك أن تدخل منتجات تحلل الجلوكوز في تفاعل تخمير، وتتحول إلى الإيثانولأو حمض اللاكتيك. التخمر الكحولي هو خاصية الخميرة، وتخمر حمض اللاكتيك هو خاصية الخلايا الحيوانية وبعض البكتيريا. العديد منها هوائية، أي. تعيش الكائنات الحية حصريًا في بيئة خالية من الأكسجين، ولديها ما يكفي من الطاقة المولدة نتيجة لتحلل السكر والتخمير. لكن الكائنات الهوائية تحتاج إلى تكملة هذا الاحتياطي الصغير، وبشكل كبير جدًا.

مرحلة الأكسجين في التنفس

تدخل منتجات انهيار الجلوكوز إلى الميتوكوندريا. هناك، يتم أولاً فصل جزيء ثاني أكسيد الكربون عنهم، والذي يتم إزالته من الجسم عند الخروج. يحدث "الحرق اللاحق" في ما يسمى بدورة كريبس (الملحق رقم 1) (سميت على اسم عالم الكيمياء الحيوية الإنجليزي الذي وصفها) - وهي سلسلة متتالية من التفاعلات. يدخل كل من الإنزيمات المشاركة فيه في مركبات، وبعد عدة تحولات يتم إطلاقها مرة أخرى في شكلها الأصلي. الدورة الكيميائية الحيوية ليست على الإطلاق المشي في دوائر بلا هدف. إنها أشبه بالعبّارة التي تنطلق بسرعة بين شاطئين، لكن في النهاية يتحرك الناس والسيارات للداخل في الاتجاه الصحيح. ونتيجة للتفاعلات التي تحدث في دورة كريبس، يتم تصنيع جزيئات ATP إضافية، ويتم فصل جزيئات ثاني أكسيد الكربون الإضافية وذرات الهيدروجين.

وتشارك الدهون أيضًا في هذه السلسلة، لكن تفكيكها يستغرق وقتًا، لذلك إذا كانت هناك حاجة إلى الطاقة بشكل عاجل، يستخدم الجسم الكربوهيدرات بدلاً من الدهون. لكن الدهون مصدر غني جدًا بالطاقة. يمكن أيضًا أكسدة البروتينات لتلبية احتياجات الطاقة، ولكن فقط داخلها كملاذ أخيرعلى سبيل المثال، أثناء الصيام لفترات طويلة. البروتينات هي مصدر طوارئ للخلية.

تحدث العملية الأكثر كفاءة لتخليق ATP بمشاركة الأكسجين في السلسلة التنفسية متعددة المراحل. الأكسجين قادر على أكسدة العديد من المركبات العضوية وفي نفس الوقت إطلاق الكثير من الطاقة دفعة واحدة. لكن مثل هذا الانفجار سيكون كارثيا على الجسم. دور السلسلة التنفسية وكل ما هو هوائي، أي. التنفس المرتبط بالأكسجين يتكون على وجه التحديد من تزويد الجسم بالطاقة بشكل مستمر وبأجزاء صغيرة - بالقدر الذي يحتاجه الجسم. يمكن إجراء تشبيه بالبنزين: انسكب على الأرض وأضرم النار فيه، وسوف يشتعل على الفور دون أي فائدة. وفي السيارة التي تحترق شيئًا فشيئًا، سوف يحترق البنزين لعدة ساعات. عمل مفيد. لكن هذا يتطلب جهازًا معقدًا مثل المحرك.

السلسلة التنفسيةبالاشتراك مع دورة كريبس وتحلل السكر، فإنه يجعل من الممكن زيادة "إنتاج" جزيئات ATP من كل جزيء جلوكوز إلى 38. ولكن أثناء تحلل السكر، كانت هذه النسبة 2:1 فقط. وبذلك يكون المعامل عمل مفيدهناك المزيد من التنفس الهوائي.

كيف تعمل السلسلة التنفسية؟

آلية تخليق ATP أثناء تحلل السكر بسيطة نسبيًا ويمكن إعادة إنتاجها بسهولة في المختبر. ومع ذلك، لم يكن من الممكن أبدًا محاكاة الجهاز التنفسي توليف ATP. في عام 1961، اقترح عالم الكيمياء الحيوية الإنجليزي بيتر ميتشل أن الإنزيمات - الجيران في السلسلة التنفسية - لا تراقب تسلسلًا صارمًا فحسب، بل أيضًا ترتيبًا واضحًا في مساحة الخلية. يتم تثبيت السلسلة التنفسية، دون تغيير ترتيبها، في الغلاف الداخلي (الغشاء) للميتوكوندريا و"تخيطها" عدة مرات كما لو كانت بالغرز. فشلت محاولات إعادة إنتاج التركيب التنفسي للـ ATP لأن الباحثين قللوا من أهمية دور الغشاء. لكن التفاعل يشمل أيضًا إنزيمات مركزة في نمو على شكل فطر داخلالأغشية. إذا تمت إزالة هذه النموات، فلن يتم تصنيع ATP.

التنفس ضار.

الأكسجين الجزيئي هو عامل مؤكسد قوي. ولكن كيف دواء قويفهو قادر على العطاء و آثار جانبية. على سبيل المثال، يؤدي التفاعل المباشر للأكسجين مع الدهون إلى تكوين بيروكسيدات سامة ويعطل بنية الخلايا. يمكن لمركبات الأكسجين التفاعلية أيضًا أن تلحق الضرر بالبروتينات و احماض نووية.

لماذا لا يحدث التسمم بهذه السموم؟ لأن لديهم الترياق. نشأت الحياة في غياب الأكسجين، وكانت الكائنات الأولى على الأرض لاهوائية. ثم ظهر التمثيل الضوئي، والأكسجين، ما اسمه؟ ثانويةبدأت تتراكم في الغلاف الجوي. في تلك الأيام، كان هذا الغاز خطيرا على جميع الكائنات الحية. ماتت بعض اللاهوائيات، ووجد البعض الآخر زوايا خالية من الأكسجين، على سبيل المثال، تستقر في كتل التربة؛ لا يزال البعض الآخر بدأ في التكيف والتغيير. عندها ظهرت الآليات للحماية خلية حيةمن الأكسدة العشوائية. هذه هي مجموعة متنوعة من المواد: الإنزيمات، بما في ذلك المدمرة لبيروكسيد الهيدروجين الضار - الحفز، وكذلك العديد من المركبات الأخرى غير البروتينية.

ظهر التنفس لأول مرة كوسيلة لإزالة الأكسجين من الجسم المحيطة بالجسمالغلاف الجوي وعندها فقط أصبح مصدرا للطاقة. أصبحت الكائنات اللاهوائية التي تكيفت مع البيئة الجديدة كائنات هوائية تستقبل فوائد ضخمة. لكن الخطر الخفيكان الأكسجين لا يزال محفوظًا لهم. إن قوة "المضادات" المضادة للأكسدة ليست غير محدودة. هذا هو السبب في أن جميع الكائنات الحية تموت بسرعة كبيرة في الأكسجين النقي، وحتى تحت الضغط. إذا تعرضت الخلية للتلف بأي شكل من الأشكال عامل خارجي، الذي - التي الات دفاعيةعادة ما تفشل أولا، ثم يبدأ الأكسجين في الأذى حتى في التركيزات الجوية العادية

تحتاج خلايا الكائنات الحية باستمرار إلى الطاقة للقيام بعمليات الحياة المختلفة. المورد العالمي لهذه الطاقة هو ATP، الذي يتشكل في التفاعلات استقلاب الطاقة. في معظم الكائنات الحية، يتم تصنيع ATP بشكل أساسي من خلال عملية التنفس الخلوي. التنفس الخلوي— عملية صعبة، حيث يحدث الانقسام المواد العضوية(في النهاية - إلى أبسط المركبات غير العضوية)، ويتم تخزين الطاقة المنطلقة من روابطها الكيميائية ثم تستخدمها الخلية (الشكل 60).

تستخدم معظم الكائنات الحية (جميع النباتات ومعظم الحيوانات والفطريات والطلائعيات والعديد من البكتيريا) الأكسجين في عملية التنفس الخلوي. تسمى هذه الكائنات الهوائية (من اليونانية. aer- هواء، السير- الحياة)، ونوع تنفسهم هو التنفس الهوائي. دعونا نفكر في كيفية حدوث عملية التنفس الخلوي في ظل الظروف الهوائية (أي في ظل ظروف الوصول المجاني إلى الأكسجين).

مراحل التنفس الخلوي. المرحلة التحضيريةيتكون من تحطيم الجزيئات العضوية الكبيرة إلى مركبات أبسط. تحدث هذه العمليات في الجهاز الهضمي(في الحيوانات) وسيتوبلازم الخلايا دون استخدام الأكسجين. تحت تأثير الانزيمات الهاضمةيتم تقسيم السكريات إلى سكريات أحادية، والدهون إلى جلسرين وأحماض كربوكسيلية أعلى، والبروتينات إلى أحماض أمينية، والأحماض النووية إلى نيوكليوتيدات. وفي هذه الحالة، يتم إطلاق القليل من الطاقة، ولا يتم تخزينها على شكل ATP، بل تتبدد على شكل حرارة. علاوة على ذلك، تتطلب تفاعلات التحلل قدرًا معينًا من الطاقة لحدوثها.

يمكن للخلية استخدام المواد المتكونة نتيجة للمرحلة التحضيرية في تفاعلات تبادل البلاستيك وفي مزيد من التحلل لإنتاج الطاقة.

تسمى المرحلة الثانية من استقلاب الطاقة خالية من الأكسجينأو اللاهوائية.وهو يتألف من التحلل الأنزيمي للمواد العضوية التي تم الحصول عليها خلال المرحلة التحضيرية. ولا يشارك الأكسجين في تفاعلات هذه المرحلة، علاوة على ذلك، يمكن أن تحدث المرحلة اللاهوائية في ظل ظروف معينة الغياب التامالأكسجين. المصدر الرئيسي للطاقة في الخلية هو الجلوكوز، لذلك سننظر في المرحلة الثانية باستخدام مثال تحلل الجلوكوز بدون الأكسجين - تحلل السكر.

تحلل السكر- عملية متعددة المراحل لتحلل الجلوكوز بدون أكسجين (C6H1206) إلى حمض البيروفيك(ج3ح403). يتم تحفيز تفاعلات تحلل السكر بواسطة إنزيمات خاصة وتحدث في سيتوبلازم الخلايا.

أثناء تحلل السكر، يتحلل كل جزيء من الجلوكوز إلى جزيئين من حمض البيروفيك (PVA)، مما يؤدي إلى إطلاق الطاقة، والتي يتبدد بعضها على شكل حرارة، ويستخدم الباقي في عملية التوليف. 2 جزيئات ATP.تخضع المنتجات الوسيطة لتحلل السكر للأكسدة - حيث يتم فصل ذرات الهيدروجين عنها، والتي تُستخدم لاستعادة NDD +.

NAD - نيكوتيناميد أدينين ثنائي النوكليوتيد (لم يتم ذكر الاسم الكامل للحفظ) - مادة تعمل كحامل لذرات الهيدروجين في الخلية. يُسمى NAD الذي يرتبط بذرتي هيدروجين مخفضًا (مكتوبًا كـ NAD"H+H +). يمكن أن يتبرع NAD المخفض بذرات الهيدروجين إلى مواد أخرى وتصبح مؤكسدة (NAD +).

وبالتالي، يمكن التعبير عن عملية تحلل السكر بالمعادلة الموجزة التالية (للتبسيط، لا تتم الإشارة إلى جزيئات الماء المتكونة أثناء تخليق ATP في جميع المعادلات الخاصة بتفاعلات استقلاب الطاقة):

ج 6 ح 12 0 6 + 2NAD + + 2ADP + 2H 3 P0 4 ->. 2C 3 H 4 0 3 + 2NADH+H+ + 2ATP.

نتيجة لتحلل السكر، يتم تحرير حوالي 5٪ فقط من الطاقة الموجودة في الروابط الكيميائية لجزيئات الجلوكوز. يوجد جزء كبير من الطاقة في منتج تحلل السكر - PVK، لذلك، في التنفس الهوائي، بعد تحلل السكر، تتبع المرحلة النهائية -. أكسجين,أو الهوائية.

يدخل حمض البيروفيك، الذي يتكون نتيجة تحلل السكر، إلى مصفوفة الميتوكوندريا، حيث يتم تكسيره بالكامل وتأكسده إلى المنتجات النهائية - CO 2 وH 2 0. ويدخل NAD المخفض، الذي يتكون أثناء تحلل السكر، أيضًا إلى الميتوكوندريا، حيث يخضع أكسدة. خلال المرحلة الهوائية للتنفس، يتم استهلاك الأكسجين وتوليفه 36 جزيء ATP(لكل جزيئين من PVC) - يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون من الميتوكوندريا إلى الهيالوبلازم في الخلية، ثم إلى بيئة. لذلك، يمكن تقديم المعادلة الشاملة لمرحلة الأكسجين في التنفس على النحو التالي:

2C 3 H 4 0 3 + 60 2 + 2NADH+H+ + 36ADP + 36H 3 P0 4 ->. 6C0 2 + 6H 2 0 + + 2NAD+ + 36ATP.

في مصفوفة الميتوكوندريا، يخضع PVK لانقسام إنزيمي معقد، منتجاته هي ذرات ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين. يتم تسليم الأخير بواسطة ناقلات NAD و FAD (فلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد) إلى الغشاء الداخلي للميتوكوندريا (الشكل 61).

يحتوي الغشاء الداخلي للميتوكوندريا على إنزيم ATP، والإنزيم الاصطناعي، بالإضافة إلى مجمعات البروتين التي تشكل سلسلة نقل الإلكترون (ETC). ونتيجة لعمل مكونات ETC، تنقسم ذرات الهيدروجين التي تم الحصول عليها من NAD وFAD إلى بروتونات (H +) وإلكترونات. يتم نقل البروتونات عبر الغشاء الداخلي للميتوكوندريا وتتراكم في الفضاء بين الغشاء. باستخدام ETC، يتم تسليم الإلكترونات إلى المصفوفة إلى المستقبل النهائي - الأكسجين (0 بوصة). ونتيجة لذلك، يتم تشكيل O 2- الأنيونات.

يؤدي تراكم البروتونات في الفضاء بين الغشاء إلى ظهور إمكانات كهروكيميائية على الغشاء الداخلي للميتوكوندريا. عند الوصول إلى تركيز معين، تبدأ البروتونات في التحرك إلى المصفوفة، مروراً عبر قنوات خاصة من إنزيم سينثيتاز ATP. يتم استخدام الطاقة الكهروكيميائية للتوليف كمية كبيرةجزيئات ATP. في المصفوفة، تتحد البروتونات مع أنيونات الأكسجين ويتكون الماء: 2H+ + O 2- - HoO.

وبالتالي، مع الانهيار الكامل لجزيء واحد من الجلوكوز، يمكن للخلية أن يتم تصنيعها 38 جزيء ATP(2 جزيء أثناء تحلل السكر و 36 جزيء خلال مرحلة الأكسجين). يمكن كتابة المعادلة العامة للتنفس الهوائي على النحو التالي:

ج 6 ح 12 0 6 + 60 2 + 38ADP + 38 ح 3 ف0 4 ->. 6C0 2 + 6H 2 0 + 38ATP.

المصدر الرئيسي للطاقة للخلايا هو الكربوهيدرات، ولكن عمليات استقلاب الطاقة يمكن أن تستخدم أيضًا منتجات تكسير الدهون والبروتينات.

1. هل التنفس الخلوي هو عملية الاستيعاب أو التشتت؟ لماذا؟

2. ما هي عملية التنفس الخلوي؟ من أين تأتي الطاقة اللازمة لتخليق ATP أثناء التنفس الخلوي؟

3. يعدد مراحل التنفس الخلوي. أي منها يرافقه تخليق ATP؟ ما مقدار ATP (لكل 1 مول من الجلوكوز) الذي يمكن تكوينه خلال كل خطوة؟

4. أين يحدث تحلل السكر؟ ما هي المواد الضرورية لحدوث تحلل السكر؟ أيّ المنتجات النهائيةهل تم تشكيلها؟

5. في أي العضيات تحدث مرحلة الأكسجين في التنفس الخلوي؟ ما هي المواد التي تدخل هذه المرحلة؟ ما هي المنتجات التي يتم تشكيلها؟

6. ب المرحلة التحضيريةيدخل 81 جرام من الجليكوجين إلى التنفس الخلوي. أيّ الحد الأقصى للمبلغهل يمكن تصنيع ATP (mol) نتيجة لتحلل السكر اللاحق؟ خلال المرحلة الهوائية للتنفس؟

7. لماذا يكون تحلل المركبات العضوية بمشاركة الأكسجين أكثر كفاءة من حيث الطاقة في غيابه؟

8. يتراوح طول الميتوكوندريا من 1 إلى 60 ميكرون، ويتراوح عرضها من 0.25-1 ميكرون. لماذا، مع هذه الاختلافات الكبيرة في طول الميتوكوندريا، يكون عرضها صغيرًا نسبيًا وثابتًا نسبيًا؟

الفصل 1. المكونات الكيميائيةكائنات حية

• § 1. محتوى العناصر الكيميائية في الجسم. العناصر الكلية والصغرى
• § 2. المركبات الكيميائية في الكائنات الحية. المواد غير العضوية

الفصل 2. الخلية - الهيكلية و وحدة وظيفيةكائنات حية

• § 10. تاريخ اكتشاف الخلية. إنشاء نظرية الخلية
• § 15. الشبكة الإندوبلازمية. مجمع جولجي. الجسيمات المحللة

الفصل 3. التمثيل الغذائي وتحويل الطاقة في الجسم

• § 24. الخصائص العامة لعملية التمثيل الغذائي وتحويل الطاقة

الفصل 4. التنظيم الهيكلي وتنظيم الوظائف في الكائنات الحية

التنفس النسيجي أو الخلوي عبارة عن مجموعة من التفاعلات الكيميائية الحيوية التي تحدث في خلايا الكائنات الحية، والتي يحدث خلالها أكسدة الكربوهيدرات والدهون والأحماض الأمينية إلى ثاني أكسيد الكربون والماء. يتم تخزين الطاقة المنطلقة في الروابط الكيميائية للمركبات عالية الطاقة (جزيئات حمض الأدينوزين ثلاثي الفوسفوريك وغيرها من المركبات عالية الطاقة) ويمكن للجسم استخدامها حسب الحاجة. المدرجة في مجموعة العمليات التقويضية. على المستوى الخلويفكر في نوعين رئيسيين من التنفس: الهوائية (بمشاركة عامل الأكسدة الأكسجين) واللاهوائية. حيث، العمليات الفسيولوجيةالنقل إلى الخلايا الكائنات متعددة الخلايايعتبر الأكسجين وإزالة ثاني أكسيد الكربون منها وظيفة للتنفس الخارجي.

التنفس الهوائي. في دورة كريبس، يتم إنتاج الكمية الرئيسية من جزيئات ATP بواسطة الفسفرة التأكسدية عند اخر مرحلةالتنفس الخلوي: في سلسلة نقل الإلكترون. هنا تحدث أكسدة NADH وFADH 2، وتنخفض في عمليات تحلل السكر، وأكسدة بيتا، ودورة كريبس، وما إلى ذلك. وترجع الطاقة المنبعثة خلال هذه التفاعلات إلى سلسلة حاملات الإلكترون المترجمة في الغشاء الداخلي للميتوكوندريا (في بدائيات النوى - في الغشاء السيتوبلازمي)، تتحول إلى إمكانات بروتون عبر الغشاء. يستخدم إنزيم سينسيز ATP هذا التدرج لتصنيع ATP، وتحويل طاقته إلى طاقة الروابط الكيميائية. تم حساب أن جزيء NADH يمكن أن ينتج 2.5 جزيء من ATP خلال هذه العملية، وFADH 2 - 1.5 جزيء. المتقبل النهائي للإلكترون في سلسلة الاستنشاق الهوائية هو الأكسجين.

التنفس اللاهوائي - عملية كيميائية حيويةأكسدة الركائز العضوية أو الهيدروجين الجزيئي باستخدام ETC التنفسي كمستقبل نهائي للإلكترون بدلاً من O2 العوامل المؤكسدة الأخرى ذات الطبيعة غير العضوية أو العضوية. كما هو الحال في التنفس الهوائي، يتم تخزين الطاقة الحرة المنطلقة أثناء التفاعل على شكل بروتون محتمل عبر الغشاء، والذي يستخدمه سينسيز ATP لتصنيع ATP.

البطني يتنفسيتم تنفيذها عن طريق تقلص الحجاب الحاجز والعضلات تجويف البطنمع الباقي النسبي لجدران الصدر. عندما تستنشق، تنخفض كتفيك، عضلات الصدريضعف، وينقبض الحجاب الحاجز وينزل. وهذا يزيد من الضغط السلبي في تجويف الصدر، ويمتلئ بالهواء الجزء السفليرئتين. وفي الوقت نفسه، يزداد الضغط داخل البطن وتبرز المعدة. أثناء الزفير، يرتخي الحجاب الحاجز، ويرتفع، جدار البطنيعود إلى وضعه الأصلي.

خلال التنفس البطنييتم توفير التدليك اعضاء داخلية. في أغلب الأحيان، يحدث هذا النوع من التنفس عند الرجال. ويحدث أيضًا عندما يكون الشخص في حالة راحة، عادةً أثناء النوم.

أدنى صدر يتنفسيشغل العضلات الوربية. نتيجة لتقلص العضلات. .القفص الصدرييتوسع للخارج وللأعلى، ويدخل الهواء إلى الرئتين، ويتم الاستنشاق. خلال انخفاض التنفسيمتلئ جزء فقط من الرئتين ويتم استخدام الأضلاع فقط، أما باقي الجسم فيبقى بلا حراك. ونتيجة لذلك، لا تحدث عملية تبادل الغازات الكاملة.

عادة ما يتم استخدام التنفس من أسفل الصدر من قبل النساء. يتم استخدامه أيضًا من قبل الأشخاص الذين يتواجدون غالبًا وضعية الجلوس، لأنه يجب عليهم دائمًا أن يميلوا إلى الأمام للقراءة أو الكتابة.

العلوي صدر يتنفسيحدث بسبب عمل عضلات الترقوة. عندما تستنشق، ترتفع عظام الترقوة والكتفين، ويدخل الهواء إلى الرئتين. في هذه الحالة، عليك أن تبذل الكثير من الجهد، لأن تواتر الاستنشاق والزفير يزداد، وإمدادات الأكسجين ضئيلة. يمكن إحداث هذا النوع من التنفس عمدًا عن طريق سحب البطن. في الجزء العلوي التنفس في الصدريشارك فقط جزء صغير من الرئتين ويتم تبادل الغازات بشكل غير كامل. ونتيجة لذلك، لا يتم تنظيف الهواء وتدفئته بشكل صحيح.

تلجأ النساء إلى هذا النوع من التنفس أثناء الولادة.

مختلطأو مكتمل يتنفسيضع كل شيء في الحركة آلة تساعد على التنفس. في الوقت نفسه، تعمل جميع أنواع العضلات، بما في ذلك الحجاب الحاجز، ويتم تهوية الرئتين بالكامل.

مثل هذا التنفس يزيل السموم ويحفز عملية التمثيل الغذائي ويجدد الجسم.

في هذه الحالة، يمكن أن يكون التنفس عميقًا وضحلًا. التنفس الضحلسهل وسريع. تكرار حركات التنفسما يصل إلى 60 حركة في الدقيقة. في هذه الحالة، يتم إجراء شهيق صامت وزفير شديد صاخب. هذا يسمح لك بتخفيف التوتر من جميع عضلات الجسم. مع التنفس الضحل، تمتلئ الرئتان بالهواء جزئيًا فقط.

الأطفال الصغار فقط يتنفسون بسطحية. كلما كبر الطفل، قل عدد الأنفاس التي يأخذها في الدقيقة. يصبح تنفس شخص بالغ شخصية عميقة. أثناء التنفس العميق، يتباطأ التردد، وتمتلئ الرئتان بالهواء قدر الإمكان. حجم الاستنشاق يتجاوز القاعدة المسموح بها.

لكن هل هذا التنفس مفيد لصحتنا؟ و أيّ على الاطلاق يكتب عمليه التنفس يكون الأفضل؟

التنفس الخلوي

العمليات الرئيسية التي تزود الخلية بالطاقة هي التمثيل الضوئي، والتركيب الكيميائي، والتنفس، والتخمر، وتحلل السكر كمرحلة من مراحل التنفس.

مع الدم، يخترق الأكسجين الخلية، أو بالأحرى، في الهياكل الخلوية الخاصة للميتوكوندريا. توجد في جميع الخلايا باستثناء الخلايا البكتيرية والطحالب الخضراء المزرقة وخلايا الدم الناضجة (خلايا الدم الحمراء). في الميتوكوندريا، يدخل الأكسجين في تفاعل متعدد المراحل مع العناصر الغذائية المختلفة: البروتينات والكربوهيدرات والدهون وغيرها. وتسمى هذه العملية بالتنفس الخلوي. ونتيجة لذلك، يتم إطلاق الطاقة الكيميائية، والتي تخزنها الخلية في مادة خاصة، حمض الأدينوزين ثلاثي الفوسفوريك، أو ATP. هذا مخزن عالمي للطاقة ينفقه الجسم على النمو والحركة والحفاظ على وظائفه الحيوية.

التنفس هو تحلل مؤكسد للعناصر الغذائية العضوية بمشاركة الأكسجين، مصحوبًا بتكوين مستقلبات نشطة كيميائيًا وإطلاق الطاقة التي تستخدمها الخلايا في العمليات الحيوية.

معادلة التنفس العامة هي كما يلي:

حيث Q=2878 كيلوجول/مول.

لكن التنفس، على عكس الاحتراق، هو عملية متعددة المراحل. هناك مرحلتان رئيسيتان: تحلل السكر ومرحلة الأكسجين.

تحلل السكر

لا يتشكل ATP، الثمين للجسم، ليس فقط في الميتوكوندريا، ولكن أيضًا في سيتوبلازم الخلية نتيجة لتحلل السكر (من الكلمة اليونانية غليسيس - التحلل الحلو والليزك). تحلل السكر ليس عملية تعتمد على الغشاء. يحدث في السيتوبلازم. ومع ذلك، ترتبط الإنزيمات المحللة للسكر بالهياكل الهيكلية الخلوية.

تحلل السكر هو عملية معقدة للغاية. هذه عملية تحلل الجلوكوز تحت تأثير الإنزيمات المختلفة، والتي لا تتطلب مشاركة الأكسجين. من أجل التحلل والأكسدة الجزئية لجزيء الجلوكوز، من الضروري حدوث أحد عشر تفاعلًا متتابعًا بشكل منسق. في تحلل السكر، جزيء واحد من الجلوكوز يجعل من الممكن تصنيع جزيئين من ATP. يمكن بعد ذلك أن تدخل منتجات تحلل الجلوكوز في تفاعل تخمير، وتتحول إلى كحول إيثيلي أو حمض اللاكتيك. التخمر الكحولي هو خاصية الخميرة، وتخمر حمض اللاكتيك هو خاصية الخلايا الحيوانية وبعض البكتيريا. العديد منها هوائية، أي. تعيش الكائنات الحية حصريًا في بيئة خالية من الأكسجين، ولديها ما يكفي من الطاقة المولدة نتيجة لتحلل السكر والتخمير. لكن الكائنات الهوائية تحتاج إلى تكملة هذا الاحتياطي الصغير، وبشكل كبير جدًا.

مرحلة الأكسجين في التنفس

تدخل منتجات انهيار الجلوكوز إلى الميتوكوندريا. هناك، يتم أولاً فصل جزيء ثاني أكسيد الكربون عنهم، والذي يتم إزالته من الجسم عند الخروج. ويحدث الحرق اللاحق فيما يسمى بدورة كريبس (الملحق رقم 1) (سميت على اسم عالم الكيمياء الحيوية الإنجليزي الذي وصفها) في سلسلة متتابعة من التفاعلات. يدخل كل من الإنزيمات المشاركة فيه في مركبات، وبعد عدة تحولات يتم إطلاقها مرة أخرى في شكلها الأصلي. الدورة الكيميائية الحيوية ليست على الإطلاق المشي في دوائر بلا هدف. إنها أشبه بالعبّارة التي تنطلق بسرعة بين شاطئين، ولكن في النهاية يتحرك الناس والسيارات في الاتجاه الصحيح. ونتيجة للتفاعلات التي تحدث في دورة كريبس، يتم تصنيع جزيئات ATP إضافية، ويتم فصل جزيئات ثاني أكسيد الكربون الإضافية وذرات الهيدروجين.

وتشارك الدهون أيضًا في هذه السلسلة، لكن تفكيكها يستغرق وقتًا، لذلك إذا كانت هناك حاجة إلى الطاقة بشكل عاجل، يستخدم الجسم الكربوهيدرات بدلاً من الدهون. لكن الدهون مصدر غني جدًا بالطاقة. يمكن أيضًا أكسدة البروتينات لتلبية احتياجات الطاقة، ولكن فقط في الحالات القصوى، على سبيل المثال، أثناء الصيام لفترات طويلة. البروتينات هي مصدر طوارئ للخلية.

تحدث العملية الأكثر كفاءة لتخليق ATP بمشاركة الأكسجين في السلسلة التنفسية متعددة المراحل. الأكسجين قادر على أكسدة العديد من المركبات العضوية وفي نفس الوقت إطلاق الكثير من الطاقة دفعة واحدة. لكن مثل هذا الانفجار سيكون كارثيا على الجسم. دور السلسلة التنفسية وكل ما هو هوائي، أي. التنفس المرتبط بالأكسجين يتكون على وجه التحديد من ضمان تزويد الجسم بالطاقة بشكل مستمر وبأجزاء صغيرة بالقدر الذي يحتاجه الجسم. يمكن إجراء تشبيه بالبنزين: انسكب على الأرض وأضرم النار فيه، وسوف يشتعل على الفور دون أي فائدة. وفي السيارة، التي تحترق شيئا فشيئا، سيقوم البنزين بعمل مفيد لعدة ساعات. لكن هذا يتطلب جهازًا معقدًا مثل المحرك.

تتيح السلسلة التنفسية، بالاشتراك مع دورة كريبس وتحلل السكر، زيادة إنتاج جزيئات ATP من كل جزيء جلوكوز إلى 38. ولكن أثناء تحلل السكر، كانت هذه النسبة 2:1 فقط. وبالتالي، فإن كفاءة التنفس الهوائي أكبر بكثير.

كيف تعمل السلسلة التنفسية؟

آلية تخليق ATP أثناء تحلل السكر بسيطة نسبيًا ويمكن إعادة إنتاجها بسهولة في المختبر. ومع ذلك، لم يكن من الممكن أبدًا محاكاة تخليق ATP التنفسي في المختبر. في عام 1961، اقترح عالم الكيمياء الحيوية الإنجليزي بيتر ميتشل أن الإنزيمات المجاورة في السلسلة التنفسية لا تلاحظ تسلسلًا صارمًا فحسب، بل أيضًا ترتيبًا واضحًا في مساحة الخلية. يتم تثبيت السلسلة التنفسية، دون تغيير ترتيبها، في الغلاف الداخلي (الغشاء) للميتوكوندريا وتخيطها عدة مرات كما لو كانت بالغرز. فشلت محاولات إعادة إنتاج التركيب التنفسي للـ ATP لأن الباحثين قللوا من أهمية دور الغشاء. لكن التفاعل يشمل أيضًا إنزيمات مركزة في نمو على شكل فطر على الجانب الداخلي للغشاء. إذا تمت إزالة هذه النموات، فلن يتم تصنيع ATP.

التنفس ضار.

الأكسجين الجزيئي هو عامل مؤكسد قوي. ولكن كدواء قوي، يمكن أن يكون له أيضًا آثار جانبية. على سبيل المثال، يؤدي التفاعل المباشر للأكسجين مع الدهون إلى تكوين بيروكسيدات سامة ويعطل بنية الخلايا. يمكن لمركبات الأكسجين التفاعلية أيضًا أن تلحق الضرر بالبروتينات والأحماض النووية.

لماذا لا يحدث التسمم بهذه السموم؟ لأن لديهم الترياق. نشأت الحياة في غياب الأكسجين، وكانت الكائنات الأولى على الأرض لاهوائية. ثم ظهر التمثيل الضوئي، وبدأ الأكسجين كناتج ثانوي له يتراكم في الغلاف الجوي. في تلك الأيام، كان هذا الغاز خطيرا على جميع الكائنات الحية. ماتت بعض اللاهوائيات، ووجد البعض الآخر زوايا خالية من الأكسجين، على سبيل المثال، تستقر في كتل التربة؛ لا يزال البعض الآخر بدأ في التكيف والتغيير. عندها ظهرت الآليات التي تحمي الخلية الحية من الأكسدة العشوائية. هذه هي مجموعة متنوعة من المواد: الإنزيمات، بما في ذلك المدمرة لحفز بيروكسيد الهيدروجين الضار، وكذلك العديد من المركبات الأخرى غير البروتينية.

التنفس بشكل عام ظهر لأول مرة كوسيلة لإزالة الأكسجين من الغلاف الجوي المحيط بالجسم، وبعد ذلك فقط أصبح مصدرًا للطاقة. أصبحت الكائنات اللاهوائية التي تكيفت مع البيئة الجديدة كائنات هوائية، واكتسبت مزايا هائلة. لكن الخطر الخفي للأكسجين لا يزال قائما بالنسبة لهم. قوة مضادات الأكسدة ليست غير محدودة. هذا هو السبب في أن جميع الكائنات الحية تموت بسرعة كبيرة في الأكسجين النقي، وحتى تحت الضغط. إذا تعرضت الخلية للتلف بسبب أي عامل خارجي، فعادةً ما تفشل آليات الحماية أولاً، ومن ثم يبدأ الأكسجين في الأذى حتى عند التركيزات الجوية الطبيعية