شرح مراحل التنفس الخلوي

تحلل الجلوكوز

يُعرف تحلل الجلوكوز بأنّه مسار أيضي لا يحتاج لوجود الأكسجين، ويحدث في جميع أنواع الكائنات الحية، ويتحوّل وفيه سكر الجلوكوز إلى جزيئين من البيروفات، وينتج عن التفاعل أيضاً جزيئين من أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP)، وجزيئين من العامل المُختزل نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد (NADH)، وجزيئين من الماء، ويحدث تحلل الجلوكوز في عشر تفاعلات، وهي كلآتي:^[١]

• التفاعل الاول: فسفرة الجلوكوز من قِبل إنزيمات الهكسوكيناز لتكوين جلوكوز سداسي الفوسفات (بالإنجليزية: glucose-6-phosphate)، وهو تفاعل يستهلك (ATP)، ويُساعد على حجز الجلوكوز داخل الخلية لأنّ الخلية تحتوي على نواقل للجلوكوز الحرّ فقط ولا تمتلك نواقل للجلوكوز المفسفر.
• التفاعل الثاني: يتحول الجلوكوز سداسي الفوسفات إلى فركتوز سداسي الفوسفات (بالإنجليزية: fructose 6-phosphate) بتأثير إنزيم فسفوجلوكوميوتاز، ويكون هذا التفاعل عكوساً يُمكن عكسه.
• التفاعل الثالث: تُؤدي فسفرة مجموعة الهيدروكسيل إلى تكوين الفروكتوز ثنائي الفوسفاتاز (بالإنجليزية: Fructose 1,6-bisphosphatase)؛‏ ويكون هذا التفاعل غير عكوس، ويتطلب طاقة (ATP).
• التفاعل الرابع: يفصل إنزيم الألدولاز الفركتوز ثنائي الفوسفاتاز إلى جزيئين، هما؛ فوسفات ثنائي هيدروكسي الأسيتون (DHAP)، و3-فوسفات غليسيرالدهيد (GAP).
• التفاعل الخامس: يُحول الإنزيم إيزوميراز ثلاثي الفوسفات فوسفات ثنائي هيدروكس أسيتون إلى 3-فوسفات غليسيرالدهيد، وبذلك يُعطي جزيء الجلوكوز الذي ابتُدأ التفاعل به جزيئين من (GAP)، ممّا يجعل نواتج التفاعلات القادمة مضاعفة.
• التفاعل السادس: ينزع إنزيم نازعة الهيدروجين ذرة الهيدروجين من مركب 3-فوسفات غليسيرالدهيد، ويُستخدم الهيدروجين لاختزال جزيء ال (NAD+) لإنتاج (+NADH) وأيون هيدروجين، وفي الوقت نفسه يُنتج جزيء ثنائي الفوسفوغليسيرات (1,3-bisphosphoglycerate).
• التفاعل السابع: ينقل إنزيم فوسفوغليسرات كيناز مجموعة الفوسفات الموجودة على ذرة الكربون الأولى في 1,3-ثنائي الفوسفوغليسيرات إلى مركب (ADP) لتحويله إلى (ATP) وينتج عن ذلك 3 -فوسفوغليسرات.^[٢]
• التفاعل الثامن: يتحول 3 فوسفوغليسرات إلى 2-فوسفوغليسرات وذلك بتأثير إنزيم فوسفوغليسيرات موتاز.^[٢]
• التفاعل التاسع: يُنتزع جزيء ماء من 2-فوسفوغليسرات فيتحول إلى فوسفوإينول بيروفات.^[٢]
• التفاعل العاشر: يتحول الفوسفوإينول بيروفات إلى بيروفات، ويُنتج جزيء (ATP) وذلك بتأثير إنزيم بيروفات كيناز.^[٢]

أكسدة البيروفات

تُعد مرحلة أكسدة البيروفات المرحلة الثانية من مراحل التنفس الخلوي؛ حيث تنتقل فيها جزيئات البيروفات الناتجة من مرحلة تحلل الجلوكوز إلى مصفوفة الميتوكوندريا في الخلية، ويتحول كل جزيء إلى أسيتيل مرافق الإنزيم-أ، وينتج عن التحول غاز ثاني أكسيد الكربون، و(NADH).^[٣]

حلقة كريبس

تُعدّ حلقة كريبس والتي تُعرف أيضاً باسم دورة حمض الستريك ودورة الحموض ثلاثية الكربوكسيل، المصدر الرئيسي للطاقة في الكائنات الحية،^[٤] علماً بأنّها لا تُنتج الكثير من ال(ATP)، إلا أنّها تُنتج جزيئات (NADH)، و(FADH2)، اللازمة للمرحلة الأخيرة من التنفس الخلوي وهي سلسلة نقل الإلكترون، وتتضمن حلقة كريبس سلسلة من تفاعلات الأكسدة والاختزال التي تؤدي إلى أكسدة مجموعة الأسيتيل في أسيتيل مرافق الإنزيم-أ الناتج من الخطوة السابقة إلى جزيئين من ثاني أكسيد الكربون، ويحدث ذلك بالخطوات الآتية:^[٥]

• تفاعل أو تكاثف مجموعة الأستيل ثنائية الكربون على مركب أكسالوأسيتيك رباعي الكربون لإنتاج حمض الستريك سداسي الكربون.
• نزع مجموعة كربوكسيل من حمض الستريك لتكوين ألفا-كيتوغلوتارات خماسي الكربون.
• نزع مجموعة كربوكسيل من ألفا-كيتوغلوتارات وتكوين جزيء السكسينيك رباعي الكربون.
• تحول السكسينيك إلى أكسالوأسيتيك لتُعاد الدورة من جديد.

سلسلة نقل الإلكترون

تُمثل سلسلة نقل الإلكترونات سلسلة من المركبات البروتينية والجزيئات الحاملة للإلكترون الموجودة داخل الغشاء الداخلي لميتوكوندريا الخلية، وأثناء انتقال الإلكترونات بينها تُنتج الطاقة على شكل (ATP)؛ حيث تمر الإلكترونات من مركب بروتيني لآخر ضمن السلسلة إلى أنّ ترتبط بالأكسجين لتكوين الماء، وفي هذه الأثناء تُضخ أيونات الهيدروجين خارج مصفوفة الميتوكوندريا لتصل إلى الحيز ما بين الغلاف الداخلي والغلاف الخارجي للميتوكوندريا، ويؤدي ذلك إلى حالة عدم توازن في تركيز البروتونات على طرفي الغشاء الداخلي.^[٦]

تبدأ أيونات الهيدروجين مع استمرار الضخ بالتدفق إلى الحشوة، ويبدأ إنزيم أدينوسين ثلاثي الفوسفات سينثاز‏ باستخدام الطاقة المتولدة من حركة أيونات الهيدروجين لتحويل ال (ADP) إلى|(ATP) وتُعرف عملية أكسدة الجزيئات لتوليد الطاقة لإنتاج الـ (ATP) باسم الفسفرة التأكسدية، وبشكلٍ عام ينتج عن سلسلة نقل الإلكترون ما بين 32-34 جزيء من (ATP)؛ وذلك اعتماداً على كيفية جمع مردود الطاقة، أيّ أنّه ينتج عن التنفس الخلوي كاملاً ما مجموعه 36-38 جزيء (ATP)، وذلك عند احتساب جزيئات (ATP) الأربعة التي نتجت مباشرة من تحلل الجلوكوز، وحلقة كربس.^[٦][٧]

المراجع

1. ↑ "Glycolysis", www.csun.edu, Retrieved 19-4-2021. Edited.
2. ^ ^{أ ب ت ث} "التحلل السكري"، aspu.edu.sy، اطّلع عليه بتاريخ 29-4-2021. صفحة:7-8، بتصرّف.
3. ↑ "Steps of cellular respiration", www.khanacademy.org, Retrieved 19-4-2021. Edited.
4. ↑ "Krebs Cycle", www.sciencedirect.com, Retrieved 19-4-2021. Edited.
5. ↑ "The Citric Acid Cycle", www.ncbi.nlm.nih.gov, Retrieved 19-4-2021. Edited.
6. ^ ^{أ ب} Regina Bailey (8-8-2019), "Electron Transport Chain and Energy Production Explained"، www.thoughtco.com, Retrieved 19-4-2021. Edited.
7. ↑ Kevin Beck (11-6-2019), "Four Stages of Cellular Respiration"، www.sciencing.com, Retrieved 19-4-2021. Edited.