تنفس بیهوازی: نیروگاه پنهان سلول در نبود اکسیژن
انرژی سلولی: سوخت و ساز پایه
همه موجودات زنده برای انجام فعالیتهای خود مانند حرکت، رشد و حتی فکر کردن به انرژی نیاز دارند. این انرژی از غذا تأمین میشود. اما سلول نمیتواند مستقیماً از قند موجود در یک سیب انرژی بگیرد. فرآیندی پیچیده به نام تنفس سلولی3 این کار را انجام میدهد و انرژی شیمیایی غذا را به شکلی قابل استفاده برای سلول به نام ATP4 تبدیل میکند. ATP واحد پول انرژی سلول است.
دو نوع اصلی تنفس سلولی وجود دارد: هوازی5 و بیهوازی1. تنفس هوازی مانند یک موتور پرقدرت است که برای کارکرد به اکسیژن زیادی نیاز دارد و در ازای آن، انرژی فراوانی (ATP زیادی) تولید میکند. اما تنفس بیهوازی مانند یک موتور کممصرف اضطراری است که وقتی اکسیژن در دسترس نیست، روشن میشود. البته در ازای عدم نیاز به اکسیژن، انرژی کمتری هم تولید میکند.
مراحل و انواع تنفس بیهوازی
تنفس بیهوازی نیز مانند هوازی با مرحلهای به نام گلیکولیز6 آغاز میشود. گلیکولیز به معنی «شکستن قند» است و در سیتوپلاسم سلول اتفاق میافتد. در این مرحله، یک مولکول گلوکز (قند ساده) به دو مولکول کوچکتر به نام اسید پیروویک7 تبدیل میشود و در این مسیر، مقدار کمی ATP (خالص ۲ مولکول) تولید میشود. این مرحله نیازی به اکسیژن ندارد.
پس از گلیکولیز، راه سلول به دو مسیر مختلف بسته به نوع موجود زنده و شرایط محیطی تقسیم میشود:
| نوع فرآیند | محل وقوع و موجودات | محصول(های) نهایی | مثال کاربردی |
|---|---|---|---|
| تخمیر الکلی8 | مخمرها (قارچهای میکروسکوپی)، برخی باکتریها. در سیتوپلاسم. | اتانول (C2H5OH) + دیاکسید کربن (CO2) | تولید نان، نوشیدنیهای الکلی، سوخت بیواتانول. |
| تخمیر اسید لاکتیک9 | باکتریهای اسید لاکتیک، سلولهای عضلانی انسان در هنگام فعالیت شدید. | اسید لاکتیک (C3H6O3) | تولید ماست و پنیر، ایجاد خستگی و درد عضلانی. |
| تنفس بیهوازی باکتریایی (مانند متانسازی) | باکتریهای بیهوازی اجباری در لجنزارها، دستگاه گوارش نشخوارکنندگان. | متان (CH4)، آب، ترکیبات گوگردی. | تولید بیوگاز از زبالههای آلی. |
معادله ساده شده تخمیر الکلی توسط مخمر را میتوان اینگونه نشان داد:
$ C_6H_{12}O_6 \rightarrow 2C_2H_5OH + 2CO_2 + \text{(مقدار کمی ATP)} $
همانطور که میبینید، یک مولکول گلوکز به دو مولکول اتانول (الکل) و دو مولکول گاز دیاکسید کربن تبدیل میشود. حبابهای روی خمیر در حال ور آمدن یا نوشابه، همان گاز CO2 است.
مقایسه دقیق تنفس هوازی و بیهوازی
برای درک بهتر، این دو فرآیند را از جنبههای مختلف مقایسه میکنیم:
| ویژگی | تنفس هوازی | تنفس بیهوازی |
|---|---|---|
| نیاز به اکسیژن | ضروری | غیرضروری |
| محل انجام | سیتوپلاسم و میتوکندری10 | فقط سیتوپلاسم |
| محصولات نهایی | CO2 + H2O | اتانول + CO2یا اسید لاکتیک (بسته به نوع) |
| مقدار ATP تولیدی از هر گلوکز | ~36-38 مولکول (زیاد) | 2 مولکول (بسیار کم) |
| بازده انرژی | بسیار بالا (حدود 40%) | پایین |
تنفس بیهوازی در خدمت انسان: از آشپزخانه تا عضلات
شاید ندانید که روزانه از نتایج این فرآیند استفاده میکنید. وقتی یک لیوان ماست میخورید، باکتریهای لاکتوباسیلوس با انجام تخمیر اسید لاکتیک بر روی قند شیر (لاکتوز)، اسید لاکتیک تولید کردهاند. این اسید باعث غلیظ و ترش شدن شیر و تبدیل آن به ماست میشود. در تولید پنیر، خیارشور و حتی کلم ترش نیز همین فرآیند نقش دارد.
حالا یک مثال از درون بدن خودتان: هنگام دویدن سریع یا بلند کردن وزنههای سنگین، عضلات شما به انرژی زیادی نیاز فوری دارند. قلب و ریهها نمیتوانند به سرعت اکسیژن کافی به عضلات برسانند. در این شرایط، سلولهای عضلانی برای تأمین انرژی اضطراری، به تنفس بیهوازی (تخمیر اسید لاکتیک) روی میآورند. محصول این فرآیند، اسید لاکتیک است که تجمع آن در عضله احساس سوزش و خستگی ایجاد میکند. پس از استراحت، اکسیژن به بافت بازمیگردد و بخشی از این اسید لاکتیک متابولیزه میشود.
در مقیاس بزرگتر، باکتریهای بیهوازی در هاضمه گاوها زندگی میکنند و به هضم سلولز گیاهان کمک میکنند و در این فرآیند گاز متان تولید میکنند. انسان نیز از این خاصیت در تولید بیوگاز از فضولات حیوانی و زبالههای آلی استفاده میکند. این گاز میتواند به عنوان سوخت مورد استفاده قرار گیرد.
پرسشهای مهم و تصورات نادرست
پاسخ: بله، بسیاری از باکتریهای بیهوازی اجباری در حضور اکسیژن از بین میروند زیرا اکسیژن برای آنها سمی است. آنها فاقد مکانیزمهای دفاعی در برابر مواد اکسیدکننده تولیدشده توسط اکسیژن هستند. به همین دلیل برای رشد در آزمایشگاه باید در محیطهای بدون اکسیژن کشت داده شوند.
پاسخ: خیر، این یک باور رایج اما نادرست است. اسید لاکتیک معمولاً ظرف مدت کوتاهی (حدود یک ساعت) پس از توقف ورزش از عضله پاک میشود. درد عضلانی با تأخیر11 که یک یا دو روز بعد احساس میشود، عمدتاً ناشی از پارگیهای میکروسکوپی در فیبرهای عضلانی و فرآیند ترمیم و التهاب پس از آن است، نه وجود اسید لاکتیک.
پاسخ: زیرا در این فرآیند، محصول نهایی (مانند اتانول یا اسید لاکتیک) هنوز مقدار زیادی انرژی شیمیایی ذخیره شده در خود دارد. در تنفس هوازی، این مولکولهای واسطه (مانند اسید پیروویک) به میتوکندری میروند و در چرخههای بعدی با کمک اکسیژن به طور کامل تجزیه میشوند و انرژی بسیار بیشتری آزاد میکنند. در واقع، تنفس بیهوازی تنها از مرحله اول (گلیکولیز) استفاده میکند.
پاورقی
1 تنفس بیهوازی (Anaerobic Respiration). 2 انرژی (Energy). 3 تنفس سلولی (Cellular Respiration). 4 آدنوزین تریفسفات (Adenosine Triphosphate). 5 هوازی (Aerobic). 6 گلیکولیز (Glycolysis). 7 اسید پیروویک (Pyruvic Acid). 8 تخمیر الکلی (Alcoholic Fermentation). 9 تخمیر اسید لاکتیک (Lactic Acid Fermentation). 10 میتوکندری (Mitochondrion). 11 درد عضلانی با تأخیر (Delayed Onset Muscle Soreness - DOMS).
