تحقيق مسبار
تحتاج الكائنات الحية إلى عملية التنفس الخلوي حتى تُنتج الطاقة، وهي واحدةٌ من العمليات الحيوية في الجسم، ويُبيّن هذا المقال المراحل التي تمرُّ بها هذه العملية، بالإضافة إلى بعض العوامل التي تؤثر عليها. كذلك يُسلّط المقال الضوء على مراحل دورة كريبس، التي تُعد واحدة من أبرز العمليات التي يقوم بها الجسم أثناء التنفس الخلوي الهوائي.
هل عملية التنفس الخلوي مهمة للكائنات الحيّة؟
إن عملية التنفس الخلوي من العمليات المُهمة للكائنات الحية بالفعل؛ فإنها تضمن استخراج الطاقة من المأكولات والأطعمة التي تتناولها هذه الكائنات بالاعتماد على بعض الوسائل البيوكيميائية، وهذا يعني أن الجسم لن يتمكّن من الحصول على كميات الطاقة التي يفتقر إليها دون هذه العملية.
ما هو التنفس الخلوي؟
يُعرف التنفس الخلوي بأنه عملية توليد الطاقة من خلال تكسير الأطعمة، وفي هذه العملية يتم إنتاج أدينوسين ثلاثي الفوسفات أيضًا، ولا يحدث التنفس الخلوي داخل الفجوات وإنما يُمكن تقسيمه إلى تنفس هوائي يحدث داخل الميتوكندريون في الخلية، أو لاهوائي يحدث داخل السيتوبلازم في الخلية، وتمرُّ هذه العملية بالعديد من المراحل المختلفة.
هل يتأثر التنفس الخلوي بأيّة عوامل؟
هُناك العديد من العوامل البيئية التي تؤثر على عملية التنفس الخلوي بالفعل، ومنها ما يأتي:
- درجات الحرارة: تؤثر درجات الحرارة على سرعة عملية التنفس الخلوي بشكل كبير؛ فإن السرعة تزداد عندما تصبح درجات الحرارة مرتفعة، وهو ما يؤدي إلى الحدّ من كمية المواد العضوية في المياه عند ارتفاع درجات حرارتها.
- التفاعل بين الكائنات الحية: يمكن لأشكال التفاعل المختلفة بين الكائنات الحية أن تؤثر على التنفس الخلوي، وخاصة التفاعل الذي يتعلق باستهلاك بعضها البعض من أجل الحصول على الغذاء.
- الأنشطة الزراعية: تزيد بعض الأنشطة الزراعية من كمية الثروة الحيوانية المطلوبة لإطعام البشر، ويُمكن لهذه الأنشطة أن تكون مؤثرة على عمليات التنفس الخلوي؛ إلّا إن بعضها ينتج غاز الميثان الذي يُعد أحد غازات الدفيئة.
- العوامل اللاأحيائية: تتأثر بعض التفاعلات الكيميائية للتنفس الخلوي بعوامل لاأحيائية؛ مثل كميات الأكسجين المتوفرة، بالإضافة إلى درجات حموضة الماء ومدى توفر المواد الغذائية.
ما الجزيئات الرئيسية التي تشارك في التنفس الخلوي؟
تشارك 4 جزيئات رئيسية في عملة التفس الخلوي للكائنات الحية، وهي الجزيئات الآتية:
- الأدينوسين ثلاثي الفوسفات: إن الأدينوسين ثلاثي الفوسفات هو الجُزيء الذي يحمل الطاقة في الخلايا، ويتكوّن من جزيء أدينوسين واحد مع 3 مجموعات فوسفات مُلحقة.
- الأدينوسين ثنائي الفوسفات: يتكون الأدينوسين ثنائي الفوسفات من جزيء أدينوسين مع مجموعتي فوسفات ملحقتين، ويتشكّل عندما تغادر مجموعات الأدينوسين ثلاثي الفوسفات الخلية.
- ثنائي نوكليوتيد الأدنين وأميد النيكوتين: يعمل هذا الإنزيم كحامل للإلكترون والهيدروجين، ويشارك في كل من دورة كريبس، بالإضافة إلى سلسلة نقل الإلكترون.
- ثنائي نيوكليوتيد الفلافين والأدينين: يتولّى هذا الإنزيم المُنظّم مهمة إزالة أيونات الهيدروجين من التفاعل أثناء التنفس الخلوي، وبمجرد حدوث التفاعل يتحوّل إلى مركبات أُخرى من ثنائي نيوكليوتيد الفلافين والأدينين.
ماذا يحدث خلال التنفس الخلوي؟
أثناء التنفس الخلوي تحدث 4 خطوات أساسية، وتختلف هذه الخطوات في سرعتها وخصائصها الأُخرى، وهي كما يأتي حسب موقع سيانسنغ للعلوم:
- تحلّل الجلوكوز: تُعد هذه المرحلة أولى مراحل التنفس الخلوي، وتتضمن 10 تفاعلات لا تحتاج إلى الأكسجين، وتحدث في كل خلية حيّة، وهو تحلّل يحدث في سيتوبلازم الخلية.
- تفاعل الجسر: في هذه المرحلة يتم تحويل جزيئين من البيروفات إلى جزيئين من أسيتيل أنزيم، بالإضافة إلى جزيئين من ثاني أكسيد الكربون كنفايات أيضيّة، ولا يتم إنتاج أيّة جزيئات من الأدينوسين ثلاثي الفوسفات في هذه العملية.
- دورة كريبس: لا تولّد هذه الخطوة إلا جزيئين من الأدينوسين ثلاثي الفوسفات ولكنها مُهمة لسلسلة نقل الإلكترون، وتُنتج الخلية في هذه المرحلة 4 جزيئات من ثاني أكسيد الكربون كنفايات.
- تحلل الجلوكوز: تُعد هذه الخطوة خطوةً رئيسيةً في إنتاج الطاقة؛ فإنه ينتج عنها 32-34 جزيء أدينوسين ثلاثي الفوسفات، وهذا يعني مجموع جزيئات الطاقة التي تنتج عن التنفس الخلوي تتراوح بين 36-38 جُزيء.
في أي الكائنات الحية تجري عملية التنفس الخلوي؟
تجري عملية التنفس الخلوي في جميع الكائنات الحية دون استثناء لإنتاج الطاقة، ويُمكن تقسيم هذه الكائنات حسب عمليات التنفس الخاصة بها كما يأتي:
- الكائنات الحية ذاتية التغذية: تصنع هذه الكائنات الحية طعامها بنفسها، وتشمل النباتات وبعض أنواع البكتيريا والطلائعيات؛ مثل الطحالب، وتضم النباتات ضوئية التغذية وكيميائية التغذية كما يأتي:
- الكائنات ضوئية التغذية: تعتمد معظم النباتات على البناء الضوئي لإنتاج طعامها، وهي من أبرز الأمثلة على الكائنات الحية ضوئية التغذية، وتجري هذه الكائنات عملية التنفس الخلوي عندما لا تخضع إلى البناء الضوئي.
- الكائنات كيميائية التغذية: لا تعتمد هذه الكائنات على الضوء لصناعة غذائها وإنما تعتمد على العمليات الكيميائية، ومن خلال التنفس الخلوي يتم تحويل المغذيات الكيميائية إلى طاقة يستطيع الكائن الحي استخدامها.
- الكائنات الحية غيرية التغذية: لا يُمكن لهذه الكائنات الحية إنتاج الغذاء بنفسها، وإنما هي مُستهلكة تقوم بالحصول على غذائها من الكائنات الحية الأُخرى، ويتم الاعتماد على هذا الغذاء لإتمام عملية البناء الضوئي.
ما العمليتين اللتين يتضمنهما التنفس الهوائي؟
يُعرف التنفس الهوائي بأنه عملية كيميائية تعتمد على الأكسجين لإنتاج الطاقة من السُكّريات، ولهذه العملية العديد من الأسماء الأخرى؛ منها التمثيل الغذائي التأكسدي والتمثيل الغذائي الهوائي، ويشتمل التنفس الهوائي عمليتين مختلفتين كما يأتي:
- سلسلة نقل الإلكترون: تولّد هذه العملية مُعظم جزيئات الأدينوسين ثلاثي الفوسفات التي تنتج عن عملية التنفس الخلوي، وهي سلسلةٌ من الإنزيمات والإنزيمات المساعدة التي تعمل بمثابة المستقبلات للإلكترون، وتوجد على الغشاء الداخلي للميتوكوندريا.
- دورة كريبس: تُعرف دورة كريبس باسم دورة حمض الستريك، وهي دورةٌ تتضمن عدة خطوات لإضافة أسيتيل التميم أ إلى الأكسالوأسيتيك، الذي يتم تفكيكه لإنتاج ثاني أكسيد الكربون والإنزيمات المساعدة المخفضة.
ما هي خطوات دورة حمض الستريك؟
تتضمن دورة حمض الستريك 8 خطوات كما يأتي حسب موقع جامعة بوردو الأمريكية:
- تكوين السترات: في أولى خطوات هذه الدورة تتم إضافة أسيتيل التميم أ إلى الأكسالوأسيتيت لتشكيل السترات، وهي الخطوة التي تتضمن إزالة الإنزيم المُساعد المعروف باسم مرافق الإنزيم أ.
- تشكيل الأيزوسيتريك: عندما تنتهي الخلية من تشكيل السترات تقوم بمصاوغة هذه السترات؛ ذلك حتى يتم تكوين الأيزوسيتريك الذي يتمتع بدرجات ثبات منخفضة مقارنةً مع الستريك، وتشهد هذه الخطوة إزالة جُزيء ماء واحد وإضافة آخر.
- تكوين الألفا كيتوجلوتاريت: عند الوصول إلى هذه الخطوة تتم إزالة الكربوكسيل من الأيزوسيتريك مع التقليل من ثنائي نوكليوتيد الأدنين وأميد النيكوتين؛ ليُنتج جزيء هيدروجين والإنزيمات المساعدة المخفضة، وهي الخطوة التي تتشكّل فيها الألفا كيتوجلوتاريت.
- تشكيل سكسينايل مرافق انزيم أ: في الخطوة الرابعة من خطوات دورة حمض الستريك تقوم الخلية بتحويل الألفا كيتوجلوتاريت إلى سكسينايل مرافق إنزيم أ؛ ذلك من خلال إضافة الإنزيم المُساعد أ إضافةً إلى عدة عمليات أُخرى.
- تكوين السكسينيت: يتم تحويل السكسينايل مرافق إنزيم أ إلى السكسينيت في المرحلة الخامسة من هذه الدورة، وفي هذه المرحلة كذلك يتم تشكيل جزيء من الأدينوسين ثلاثي الفوسفات.
- إنتاج الفوماريت: يتم الاعتماد على السكسينيت التي أنتجتها الخلية في إنتاج الفوماريت، وخلال هذه العملية يتم تقليل ثنائي نيوكليوتيد الفلافين والأدينين حتى يتم تشكيل بعض الإنزيمات المساعدة المخفضة.
- تكوين حمض الماليك: يقوم الجسم بتحويل الفوماريت الذي تشكل في المرحلة السابقة إلى حمض الماليك، كما ينتج عن هذه المرحلة تكوين ماء إضافي.
- تكوين السترات: يتحول حمض الماليك إلى الأكسالوأسيتيت في الخطوة الأخيرة من دورة حمض الستريك، وبقبول أسيتيل التميم أ مرة أُخرى تتكرر الدورة من جديد بخطواتها المختلفة.
ما هو التنفس اللاهوائي؟
خلافًا للتفس الهوائي لا يحتاج التنفس اللاهوائي إلى الأكسجين، ولكنه يشبه التنفس الهوائي في عبور الإلكترونات المستخرجة من جزيء الطاقة عبر سلسلة نقل الإلكترون، وهُناك العديد من أنواع الكائنات الحية التي تعتمد على التنفس اللاهوائي؛ منها بدائيات النوى التي تعيش في البيئات ذات المستويات المنخفضة من الأكسجين.
هل يمكن عمل تجربة في المختبر لقياس زمن التنفس الخلوي؟
يستطيع الشخص إجراء تجربة لقياس زمن التنفس الخلوي في المختبر من خلال اتباع الخطوات الآتية:
- تجهيز الأدوات: تحتاج هذه التجربة إلى توفير دورق أو أنبوب اختبار أو كوب، بالإضافة إلى قطّارة ومُركّب أزرق البروموثيمول والماصّة، وكذلك ينبغي توفير ساعة إيقاف لحساب الوقت، وأسطوانة مدرجة.
- تعبئة المياه في الدورق: بعد تجهيز الأدوات تتم تعبئة الأسطوانة المدرجة بكمية 20 ملليلتر من المياه، ثم ينبغي صب المياه في الدورق المخصص للتجربة.
- إضافة أزرق البروموثيمول: يتم وضع مُركّب أزرق البروموثيمول في القطّارة، ثم يتم صب 8 قطرات من هذا المركب إلى الماء فحسب لتشكيل محلول أزرق البروموثيمول.
- الزفير في المحلول: في هذه الخطوة يحتاج الشخص إلى استخدام الماصة للزفير في محلول محلول أزرق البروموثيمول، مع ضرورة تجنّب استنشاق المحلول أو سحبه إلى الفم.
- تحديد الوقت اللازم لتحوّل اللون: في النهاية ينبغي تحديد الوقت الذي يحتاجه محلول أزرق البروموثيمول حتى يتحوّل إلى اللون الأصفر.
- إعادة التجربة: بعد أخذ نتيجة التجربة الأولى ينبغي على المرء غسل الدورق جيدًا، ثم إعادة القياس من جديد عن طريق تكرار الخطوات السابقة مرتين لزيادة الدقة، ويُمكن إجراء بعض التمارين ثم تكرار التجربة حتى يتم قياس الاختلاف في سرعة التنفس.
اقرأ/ي أيضًا:
هل يمكن توليد الكهرباء من الرياح؟
هل توجد فوائد لظاهرة الاحتباس الحراري؟
