تنفس سلولی: تعریف، معادله و مراحل

انرژی و ATP

۱. سلول ها چگونه انرژی مورد نیاز خود را برای عملکرد به دست می آورند؟

سلول ها برای واکنش های متابولیکی خود از شکستن مولکول های آلی با محتوای انرژی بالا انرژی دریافت می کنند. این انرژی بیشتر به صورت مولکول های ATP ذخیره می شود.

فرآیند به دست آوردن انرژی به منظور تولید مولکول های ATP را تنفس سلولی می نامند.

پرسش و پاسخ بیشتر با اندازه لقمه در زیر

۲. چه ترکیبی برای تشکیل ATP فسفریله می شود؟ هنگامی که ATP انرژی آزاد می کند، ترکیب حاصل چیست؟

ATP یا آدنوزین تری فسفات پس از اتصال یک مولکول فسفات (فسفوریلاسیون) به یک مولکول ADP (آدنوزین دی فسفات) تشکیل می شود. این فرآیندی است که انرژی را در مولکول ATP تولید شده ذخیره می کند.

هنگامی که ATP انرژی را برای متابولیسم سلولی فراهم می کند، یکی از یون های فسفات خود را آزاد می کند و ADP دوباره ظاهر می شود.

ADP همچنین می تواند یون های فسفات بیشتری آزاد کند و AMP (آدنوزین مونوفسفات) یا حتی آدنوزین غیر فسفریله تولید کند. تولید آدنوزین از ATP در بافت هایی که نیاز فوری به اکسیژن دارند، مانند قلب در هنگام انفارکتوس میوکارد (حمله قلبی) استفاده می شود. این به این دلیل است که آدنوزین یک اثر گشادکننده عروقی موضعی ایجاد می‌کند، بنابراین اتساع عروقی سریع‌تری نسبت به سایر روش‌های فیزیولوژیکی ایجاد می‌کند.

تنفس سلولی هوازی و بی هوازی

۳. انواع تنفس سلولی چیست؟

دو نوع تنفس سلولی وجود دارد: تنفس سلولی هوازی، واکنشی با مشارکت اکسیژن مولکولی (O2). و تنفس سلولی بی هوازی، بدون مشارکت اکسیژن مولکولی و به جای آن از مولکول های معدنی دیگر به عنوان اکسیدان استفاده می کند. انواع مختلفی از تنفس سلولی بی هوازی وجود دارد. اصلی ترین آنها تخمیر است.

تخمیر

۴. سلول های هوازی تحت چه شرایطی از تخمیر استفاده می کنند؟

برخی از سلول‌ها که معمولاً از تنفس سلولی هوازی انرژی دریافت می‌کنند، می‌توانند زمانی که اکسیژن در دسترس نیست از تخمیر استفاده کنند.

باکتری ها و قارچ هایی هستند که در غیاب اکسیژن از قابلیت متابولیک بی هوازی خود برای تامین انرژی استفاده می کنند. سلول‌های عضلانی نیز زمانی که اکسیژن کمیاب است از تخمیر استفاده می‌کنند.

۵. تفاوت موجودات هوازی و بی هوازی چیست؟

ارگانیسم‌های هوازی آنهایی هستند که سلول‌هایشان بدون اکسیژن زنده نمی‌مانند، زیرا برای تولید ATP به تنفس سلولی هوازی وابسته هستند. ارگانیسم های بی هوازی آنهایی هستند که در محیط های بدون اکسیژن زندگی می کنند یا می توانند زندگی کنند.

۶. تفاوت بی هوازی اختیاری با بی هوازی اجباری چیست؟

بی هوازی اختیاری، مانند قارچ Saccharomyces cerevisiae ، مخمر آبجو، می تواند با استفاده از تخمیر در محیط های فقیر از اکسیژن زنده بماند. با این حال، هنگامی که اکسیژن در دسترس باشد، این موجودات از تنفس هوازی استفاده می کنند.

بی هوازی های اجباری آنهایی هستند که با وجود اکسیژن نمی توانند زنده بمانند. برخی از قارچ ها، برخی باکتری ها (مانند عامل بوتولیسم کلستریدیوم بوتولینوم و عامل کزاز، کلستریدیوم تتانی) و برخی تک یاخته ها نمونه هایی از بی هوازی های اجباری هستند.

۷. دو نوع تخمیر چیست؟ معادلات شیمیایی آنها چیست؟

دو نوع اصلی تخمیر عبارتند از تخمیر الکلی و تخمیر لاکتیک.

در تخمیر الکلی، پیروویک اسید، یک مولکول واسطه، با آزاد شدن دی اکسید کربن به اتانول تبدیل می شود. معادله تخمیر الکلی به شرح زیر است:

C6H12O6 + 2 ADP + P –> 2 C2H5OH + 2 CO2 + 2 ATP

در تخمیر لاکتیک، اسید پیروویک به اسید لاکتیک تبدیل می شود و دی اکسید کربن تولید نمی شود. معادله تخمیر لاکتیکی به صورت زیر است:

C₆H12O6 + 2 ADP + P –> 2 C3H5OOH + 2 ATP

۸. به طور کلی معرف ها و محصولات تخمیر کدامند؟

در تخمیر، گلوکز (قند) به اسید پیروویک تجزیه می شود (هر مولکول گلوکز دو مولکول پیروویک اسید را تشکیل می دهد). در این فرآیند دو مولکول ATP تولید می شود.

بسته به نوع تخمیر، اسید پیروویک می تواند اتانول و دی اکسید کربن (در تخمیر الکلی) یا اسید لاکتیک (در تخمیر لاکتیک) تولید کند. انواع دیگری از تخمیر وجود دارد که در آنها اسید پیروویک می تواند اسید استیک (تخمیر استیک)، اسید پروپیونیک، ایزوپروپانول (همچنین نوعی الکل) و غیره تولید کند. نوع تخمیر به گونه های موجودات درگیر بستگی دارد.

۹. چرا در پخت کیک و نان از موجودات تخمیر کننده الکلی استفاده می شود و نه از موجودات تخمیر لاکتیک؟

تخمیر باعث رشد کیک و نان می شود. این امر با آزاد شدن دی اکسید کربن در تخمیر الکلی انجام می شود، زیرا گاز از خمیر عبور می کند و باعث رشد آن می شود. در تخمیر لاکتیک دی اکسید کربن آزاد نمی شود و نتیجه مطلوب حاصل نمی شود.

۱۰. چه ماده ای باعث طعم اسیدی شیر تخمیر شده می شود؟

برخی از باکتری ها لاکتوز شیر را از طریق تخمیر لاکتیک تخمیر می کنند و اسید لاکتیک تولید می کنند. این محصول مسئول طعم اسیدی ماست، کشک و شیر است.

۱۱. تخمیر دانش چگونه می تواند منشأ گرفتگی و دردهای عضلانی را پس از ورزش شدید بدنی توضیح دهد؟

یک فرآیند تخمیر معمولی به دلیل کمبود اکسیژن در بافت ماهیچه ای اتفاق می افتد. تحت استفاده شدید، ماهیچه ها به انرژی بیش از حد (ATP) نیاز دارند و برای تولید آن انرژی، اکسیژن بسیار بیشتری مصرف می کنند. مصرف زیاد منجر به کمبود اکسیژن می شود و سلول های ماهیچه ای شروع به استفاده از تخمیر لاکتیکی برای برآوردن نیازهای انرژی خود می کنند. در این شرایط، درد عضلانی، گرفتگی و خستگی ناشی از اسید لاکتیک آزاد شده از تخمیر است.

تنفس هوازی

۱۲. برای هر مولکول گلوکز مورد استفاده در تخمیر چند مولکول ATP تولید می شود؟ برای هر مولکول گلوکز مورد استفاده در تنفس هوازی چند مولکول ATP تولید می شود؟

در تخمیر، دو مولکول ATP از یک مولکول گلوکز تولید می شود. در تنفس هوازی، فرآیندی بسیار پربارتر، ۳۶ مولکول ATP از یک مولکول گلوکز ساخته می‌شوند.

۱۳. کدام اندامک سلولی در تنفس هوازی تخصص دارد؟

اندامک های سلولی متخصص در تنفس هوازی میتوکندری هستند.

۱۴- اجزای اصلی ساختار میتوکندری چیست؟

میتوکندری اندامک هایی هستند که توسط دو غشای لیپیدی محصور شده اند. غشای داخلی به داخل اندامک نفوذ می کند، کریستا را تشکیل می دهد و فضای داخلی به نام ماتریکس میتوکندری را محدود می کند.

۱۵. سه فاز تنفس سلولی کدامند؟

سه فاز تنفس سلولی هوازی عبارتند از گلیکولیز، چرخه کربس و زنجیره تنفسی (همچنین به عنوان زنجیره انتقال الکترون شناخته می شود).

گلیکولیز

۱۶. گلیکولیز چیست؟ محصولات این فرآیند چیست؟

گلیکولیز، اولین مرحله تنفس سلولی هوازی، فرآیندی است که در آن گلوکز تجزیه می شود تا دو مولکول اسید پیروویک همراه با تشکیل دو مولکول ATP و دو مولکول NADH تشکیل شود.

گلیکولیز یک واکنش پیچیده است که شامل تشکیل چندین مولکول واسطه است تا زمانی که مولکول های پیروویک اسید ساخته شود. اگرچه دو مولکول ATP در واکنش مصرف می شود، چهار مولکول ATP نیز تولید می شود. بنابراین، تعادل مثبت دو مولکول ATP به دست می آید. دو مولکول NADH نیز تولید می شود. در گلیکولیز، ساختار ۶ کربنی گلوکز شکسته می شود و دو زنجیره آلی از هر کدام از سه کربن تولید می شود. این زنجیره ها دو مولکول اسید پیروویک تولید می کنند.

۱۷. آیا گلیکولیز در داخل میتوکندری اتفاق می افتد؟

گلیکولیز در سیتوزول و نه در میتوکندری اتفاق می افتد. مولکول‌های اسید پیروویک بعداً وارد میتوکندری می‌شوند تا در مرحله بعدی تنفس سلولی هوازی شرکت کنند.

۱۸- چند مولکول ATP بعد از گلیکولیز ساخته می شود؟

گلیکولیز فرآیندی شبیه به تجزیه گلوکز در تخمیر است. برای هر گلوکز تجزیه شده، دو مولکول ATP تولید می کند.

۱۹. NAD چیست؟ نقش مولکول NAD در گلیکولیز چیست؟

NAD (نیکوتین آدنین دی نوکلئوتید) یک گیرنده هیدروژن و احیا کننده لازم (برای دریافت هیدروژن) در برخی واکنش ها است که در آن کاهش یافته و به NADH2 تبدیل می شود. در طی گلیکولیز، دو مولکول NAD یون هیدروژن آزاد شده پس از یک واکنش میانی را به دست می آورند، بنابراین NADH2 را تشکیل می دهند.

چرخه کربس

۲۰. برای مولکول های اسید پیروویک که در طی تنفس هوازی در اثر گلیکولیز ساخته می شوند چه اتفاقی می افتد؟ ترتیب واکنش های بعدی چیست؟

مولکول های اسید پیروویک ساخته شده در سیتوزول از طریق گلیکولیز وارد میتوکندری می شوند.

در داخل میتوکندری، هر مولکول اسید پیروویک به یک مولکول استیل کوآ (استیل کوآنزیم A) تبدیل می شود و یک مولکول دی اکسید کربن آزاد می کند. سپس چرخه کربس (همچنین به عنوان چرخه اسید سیتریک شناخته می شود)، مرحله دوم تنفس هوازی، آغاز می شود.

۲۱. نام رسمی اسید پیروویک چیست؟

اسید پیروویک اسید ۲-oxopropanoic است. بنابراین، از سه اتم کربن متصل خطی تشکیل شده است که یک انتهای آن تابع اسید آلی (COOH) را تشکیل می دهد و اتم کربن میانی با پیوند دوگانه به اتم اکسیژن متصل می شود.

۲۲. چرا می توان گفت که هر مولکول گلوکز چرخه کربس را دو بار حرکت می دهد؟

هر مولکول گلوکز چرخه کربس را دو بار چرخش می دهد زیرا پس از گلیکولیز، هر مولکول گلوکز استفاده شده دو مولکول اسید پیروویک تولید کرده و هر مولکول اسید پیروویک به نسبت ۱:۱ به استیل CoA تبدیل می شود. سپس هر مولکول استیل CoA از چرخه کربس عبور می کند.

۲۳. چرا چرخه کربس آخرین مسیر مشترک تجزیه ترکیبات آلی نیز نامیده می شود؟

چرخه کربس آخرین مسیر مشترک تجزیه ترکیبات آلی نامیده می‌شود، زیرا امکان تولید استیل CoA از تجزیه لیپیدها و پروتئین‌ها نیز وجود دارد. از آنجایی که استیل CoA بستری است که چرخه کربس را تحریک می کند، این فرآیند آخرین مسیر مشترک نامیده می شود زیرا توسط سایر مولکول های آلی (لیپیدها و پروتئین ها) و نه تنها توسط گلوکز فعال می شود.

بدن از ذخایر انرژی چربی و پروتئین خود برای چرخه چرخه کربس در هنگام تجربه سوء تغذیه یا زمانی که گلوکز برای سلول ها وجود ندارد استفاده می کند.

۲۴. محصولات نهایی انرژی هر دور از چرخه کربس چیست؟ اکثر انرژی مفید در پایان چرخه کربس کجاست؟

پس از هر دور چرخه کربس، دو مولکول دی اکسید کربن، هشت پروتون (یون هیدروژن) جذب شده توسط NAD و FAD (همچنین گیرنده هیدروژن) و یک مولکول ATP تولید می شود.

در طول چرخه کربس، استیل CoA تجزیه می شود. در پایان، انرژی مفید به اتم‌های هیدروژن منتقل شده توسط مولکول‌های FADH2 و NADH2 وارد می‌شود.

۲۵. بعد از هر چرخه چرخه کربس چند مولکول دی اکسید کربن آزاد می شود؟ برای یک مولکول گلوکز، چند مولکول دی اکسید کربن قبلاً توسط تنفس هوازی تا آن نقطه آزاد شده است؟

هر دور چرخه کربس دو مولکول دی اکسید کربن آزاد می کند.

در پایان چرخه، تمام اتم‌های کربن از مولکول گلوکز اصلی که در طی گلیکولیز شکسته می‌شوند، قبلاً آزاد می‌شوند و در مولکول‌های دی اکسید کربن گنجانده شده‌اند. این به این دلیل است که برای هر گلوکز، دو مولکول اسید پیروویک در طی گلیکولیز ساخته شده است. سپس هر یک از این دو مولکول اسید پیروویک با آزاد شدن یک مولکول دی اکسید کربن (در مجموع دو مولکول) به استیل CoA تبدیل می شود. از آنجایی که هر یک از دو مولکول استیل CoA تولید شده یک بار چرخه کربس را چرخانده، مولکول گلوکز اولیه دو دور چرخه کربس را تحریک می کند و در نتیجه، چهار مولکول دی اکسید کربن دیگر تولید می شود.

سپس تمام شش اتم کربن مولکول گلوکز در شش مولکول دی اکسید کربن (دو تا در طول تشکیل استیل CoA و چهار اتم در طول دو چرخه چرخه کربس) ترکیب می شوند.

زنجیره تنفسی

۲۶. فرآیندی به نام زنجیره تنفسی در کجای میتوکندری اتفاق می افتد؟ کدام محصولات از چرخه کربس در آن مرحله نهایی تنفس هوازی استفاده می شود؟

زنجیره تنفسی یا زنجیره انتقال الکترون توسط سیستم های پروتئینی واقع در غشای داخلی میتوکندری انجام می شود. الکترون های پر انرژی اتم های هیدروژن که توسط NADH2 و FADH2 منتقل می شوند، محصولات فازهای قبلی هستند که در زنجیره تنفسی استفاده می شوند.

۲۷. سیتوکروم ها چیست؟

سیتوکروم ها پروتئین های غشای داخلی میتوکندری هستند که در انتقال الکترون تخصص دارند و در زنجیره تنفسی شرکت می کنند. الکترون‌های پرانرژی آزاد شده توسط اهداکنندگان هیدروژن NADH2 و FADH2 (سپس دوباره به NAD و FAD تبدیل می‌شوند) از میان دنباله‌ای از سیتوکروم‌ها عبور می‌کنند و هر بار انرژی خود را از دست می‌دهند. سپس انرژی در سنتز ATP استفاده می شود.

۲۸. الکترون های FADH2 و NADH2 که از سیتوکروم ها عبور می کنند در طول کدام قسمت از زنجیره تنفسی انرژی برای سنتز ATP آزاد می کنند؟ این سنتز ATP چیست؟

FADH2 و NADH2 به FAD و NAD اکسید می شوند و یون های هیدروژن و الکترون های بسیار پرانرژی را در ابتدای زنجیره تنفسی آزاد می کنند.

انرژی از دست رفته توسط الکترون‌هایی که از سیتوکروم‌ها عبور می‌کنند برای پمپ کردن پروتون‌ها (یون‌های هیدروژن) از غشای داخلی میتوکندری (به ناحیه بین غشای داخلی و خارجی میتوکندری) استفاده می‌شود. گرادیان غلظت هیدروژن بین فضای داخلی و خارجی که توسط غشای داخلی جدا شده اند، پروتون ها (یون های هیدروژن) را وادار می کند تا به ماتریکس میتوکندری (ناحیه داخل غشای داخلی) بازگردند. با این حال، این بازگشت تنها در صورتی امکان پذیر است که یون های هیدروژن از یک مجتمع آنزیمی به نام سنتتاز ATP که در غشای داخلی جاسازی شده است عبور کنند. در طی آن عبور، ATP سنتتاز مولکول های ADP و ATP را فسفریلات می کند.

هیدروژن آزاد شده در میتوکندری سپس با اکسیژن پیوند می یابد و آب را تشکیل می دهد. به عنوان واکنشی که به اکسیژن بستگی دارد، این نوع سنتز ATP فسفوریلاسیون اکسیداتیو نامیده می شود.

۲۹. تا چرخه کربس، تنفس هوازی را می توان بدون ذکر اکسیژن توصیف کرد، عنصر شیمیایی که پس از آن واکنش نام خود را گرفت. این عنصر شیمیایی در کدام بخش از فرآیند شرکت می کند؟ اهمیت آن چیست؟

اکسیژن در تنفس هوازی در فاز نهایی آن یعنی زنجیره تنفسی نقش دارد. اهمیت اساسی دارد زیرا مسئول حفظ گرادیان غلظت هیدروژن بین فضاهای جدا شده توسط غشای میتوکندری داخلی است. این گرادیان عملکرد سنتتاز ATP و در نتیجه فسفوریلاسیون ADP برای تشکیل ATP را ارتقا می دهد. در فضای داخل غشای داخلی، اکسیژن به اتم های هیدروژن آزاد متصل می شود و آب را تشکیل می دهد. این مصرف هیدروژن باعث حفظ گرادیان هیدروژن و ترافیک پروتون ها از طریق سنتتاز ATP می شود.

کل فرآیند تنفس هوازی برای ایجاد ATP سنتتاز انجام می شود. برای مثال، موجودات هوازی، مانند ما انسان ها، برای حفظ گرادیان غلظت هیدروژن و حفظ عملکرد سنتتاز ATP، نیاز به تنفس اکسیژن دارند.

۳۰. سیانید سمی چه تأثیری بر تنفس هوازی دارد؟

سیانید سمی است که آخرین سیتوکروم زنجیره تنفسی را مهار می کند و تشکیل ATP را مختل می کند و در نتیجه باعث مرگ سلول می شود.

۳۱. آنوکسی چیست؟

آنوکسی وضعیتی است که در آن اکسیژن موجود در سلول وجود ندارد. بدون اکسیژن، زنجیره تنفسی متوقف می شود، تولید ATP وجود ندارد، سلول انرژی دریافت نمی کند و می میرد.

آنوکسی می تواند به عنوان مثال در اثر نارسایی ریوی (غرق شدگی، آسیب های ریوی گسترده و غیره)، انسداد، توقف و نقص در گردش بافتی (آترواسکلروز شریان های کرونری که میوکارد را شستشو می دهند، تورنیکت ها، ایست قلبی)، با همولیز ایجاد شود. (لیز گلبول قرمز) یا بیماری های هموگلوبین (کم خونی، اریتروبلاستوز جنین) و غیره.

کارایی تنفس هوازی

۳۲. پس از تنفس هوازی چند مولکول ATP تولید می شود و انرژی خالص حاصل از این فرآیند چقدر است؟

پس از تنفس هوازی، ۳۸ مولکول ATP از مصرف یک مولکول گلوکز تولید می شود (اما دو مورد از این مولکول های ATP توسط گلیکولیز مصرف می شوند). سود خالص فرآیند ۳۶ مولکول ATP در هر مولکول گلوکز است.

۳۳. معادله کلی برای تنفس هوازی (همچنین نشان دهنده ADP و فسفات) چیست؟

معادله کلی برای تنفس هوازی:

C₆H12O6 + 6 O2 + 36 ADP + 36 P –> 6 CO2 + 6 H2O + 36 ATP

۳۴. چرا مصرف اکسیژن مولکولی می تواند میزان متابولیسم موجودات هوازی را نشان دهد؟

مصرف اکسیژن مولکولی (O2) رابطه مستقیمی با میزان متابولیک سلول های هوازی و در نتیجه نرخ متابولیک موجودات دارد. سلول هایی که فعالیت متابولیکی بیشتری دارند به انرژی بیشتری نیاز دارند و این انرژی از مولکول های ATP می آید. از آنجایی که تولید ATP مورد نیاز است، شدت تنفس سلولی هوازی نیز بیشتر است و اکسیژن بیشتری مصرف می شود.

اکنون که مطالعه تنفس سلولی را به پایان رسانده اید ، این گزینه های شما هستند:

  • این موضوع را مرور کنید، همه پرسش و پاسخ ها را دوباره بخوانید.
  • موضوع بعدی را مطالعه کنید: به سنتز پروتئین بروید .