تنفس سلولی: نیروگاه کوچک درون شما
سفر یک مولکول گلوکز: از غذا تا انرژی
تصور کنید یک قاشق برنج میخورید. کربوهیدراتهای موجود در آن در بدن به قند سادهای به نام گلوکز تبدیل میشوند. این گلوکز وارد جریان خون و سپس به سلولهای بدن میرسد. در اینجا، فرآیند شگفتانگیز تنفس سلولی آغاز میشود تا انرژی قفل شده در پیوندهای این مولکول را آزاد کند . معادله کلی این فرآیند به صورت زیر است:
این معادله نشان میدهد یک مولکول گلوکز با شش مولکول اکسیژن ترکیب شده و تولید شش مولکول دیاکسید کربن، شش مولکول آب و حدود ۳۰ تا ۳۲ مولکول ATP میکند .
این تبدیل یکباره اتفاق نمیافتد، بلکه در سه ایستگاه یا مرحله اصلی و در دو محل مختلف سلول انجام میشود. برای درک بهتر، مراحل و محل وقوع آنها در جدول زیر آمده است:
| مرحله | محل وقوع در سلول | محصولات اصلی | نیاز به اکسیژن |
|---|---|---|---|
| گلیکولیز (شکستن قند) | سیتوپلاسم | ۲ ATP، ۲ مولکول پیرووات | خیر |
| چرخه کربس | ماتریکس میتوکندری | ۲ ATP، دیاکسیدکربن، حاملهای پرانرژی الکترون (NADH و FADH2) | بله |
| زنجیره انتقال الکترون | غشای داخلی میتوکندری | حدود ۲۸-۳۰ ATP، آب | بله |
همانطور که در جدول مشخص است، میتوکندری[7] نقش نیروگاه اصلی سلول را دارد، زیرا بیش از ۹۰ درصد انرژی (ATP) در آن تولید میشود . سلولهای پرکار مانند سلولهای ماهیچهای قلب، تعداد زیادی میتوکندری دارند.
وقتی اکسیژن کم میآید: تنفس بیهوازی در عمل
همیشه اکسیژن به مقدار کافی در دسترس سلول نیست. در این شرایط، سلول نمیتواند مراحل بعدی تنفس هوازی[8] (چرخه کربس و زنجیره انتقال الکترون) را انجام دهد و به ناچار به سراغ روش جایگزین اما کمبازدهتری به نام تنفس بیهوازی[9] (تخمیر[10]) میرود . تفاوت کلیدی این دو مسیر در جدول زیر آمده است:
| ویژگی | تنفس هوازی | تنفس بیهوازی (تخمیر) |
|---|---|---|
| نیاز به اکسیژن | دارد | ندارد |
| محل انجام | سیتوپلاسم و میتوکندری | فقط سیتوپلاسم |
| میزان ATP تولیدی از یک گلوکز | حدود ۳۰-۳۲ مولکول | فقط ۲ مولکول |
| محصولات نهایی | آب و دیاکسید کربن | اسید لاکتیک (در جانوران) یا اتانول و CO₂ (در مخمر) |
یک مثال ملموس از تنفس بیهوازی در بدن خودمان اتفاق میافتد. وقتی برای مدت نسبتاً طولانی و با شدت میدوید، عضلات پا به سرعت انرژی مصرف میکنند. نفس کشیدن شما ممکن است نتواند اکسیژن کافی را به سرعت به این سلولها برساند. در این حالت، سلولهای ماهیچهای برای تولید فوری انرژی، مسیر تخمیر اسید لاکتیک را در پیش میگیرند. تجمع اسید لاکتیک در ماهیچه است که باعث احساس سوزش و خستگی میشود .
تنفس سلولی در سفره و صنعت: از نان تازه تا ماست خوشمزه
شاید جالب باشد که بدانید انسانها قرنهاست که ناخواسته از تنفس بیهوازی میکروبها برای تولید مواد غذایی استفاده میکنند .
- پخت نان: مخمر موجود در خمیر نان، قندهای آرد را طی فرآیند تخمیر الکلی مصرف میکند. محصول این فرآیند، گاز دیاکسید کربن است که در خمیر حبس شده و باعث ور آمدن و پف کردن نان میشود. اتانول تولیدی هم در حین پخت تبخیر میشود .
- تولید ماست و دوغ: باکتریهای مخصوصی به نام «باکتریهای اسید لاکتیک»، قند شیر (لاکتوز) را طی تخمیر اسید لاکتیک به اسید لاکتیک تبدیل میکنند. این اسید باعث میشود پروتئینهای شیر دلمه بسته و بافت غلیظ ماست ایجاد شود .
- دویدن طولانی مدت: همانطور که پیشتر گفته شد، در ورزشهای استقامتی، عضلات زمانی که اکسیژن کافی دریافت نمیکنند به تنفس بیهوازی روی میآورند. به همین دلیل است که ورزشکاران استقامتی باید توانایی قلب و ریه خود را برای رساندن اکسیژن افزایش دهند تا دیرتر خسته شوند .
پرسشهای مهم و باورهای نادرست
خیر، این یک اشتباه رایج است. نفس کشیدن یک فرآیند فیزیکی است که طی آن اکسیژن از هوا به ریهها وارد و دیاکسید کربن از بدن خارج میشود. در حالی که تنفس سلولی یک فرآیند شیمیایی درون سلولها است. در واقع، نفس کشیدن اکسیژن مورد نیاز برای تنفس سلولی هوازی را فراهم و دیاکسید کربن تولیدشده در آن را دفع میکند .
بله، قطعاً. یک باور غلط این است که گیاهان فقط فتوسنتز میکنند. گیاهان در فتوسنتز، با استفاده از نور خورشید، گلوکز و اکسیژن تولید میکنند. اما سلولهای گیاهان نیز برای انجام فعالیتهای خود مانند جذب مواد از خاک، رشد و تقسیم سلولی، به انرژی (ATP) نیاز دارند. آنها این انرژی را دقیقاً از طریق همان تنفس سلولی که در جانوران رخ میدهد، به دست میآورند. گیاهان در طول روز همزمان هم فتوسنتز و هم تنفس سلولی را انجام میدهند .
زنجیره انتقال الکترون که در غشای داخلی میتوکندری اتفاق میافتد، با تولید حدود ۲۸ تا ۳۰ مولکول ATP، مسئول بیش از 90% انرژی کل فرآیند است. به همین دلیل است که میتوکندری را «نیروگاه سلول» مینامند .
پاورقی
[1] Cellular Respiration: مجموعهای از واکنشهای شیمیایی در سلول برای آزادسازی انرژی از مواد غذایی.
[2] Glucose (گلوکز): یک قند ساده شش کربنه که منبع اصلی انرژی در تنفس سلولی است.
[3] ATP (آدنوزین تریفسفات): مولکول حامل انرژی در سلول که با شکسته شدن پیوند فسفری آن، انرژی آزاد میشود.
[4] Glycolysis (گلیکولیز): به معنای «شکستن قند»؛ اولین مرحله تنفس سلولی که در سیتوپلاسم و بدون نیاز به اکسیژن رخ میدهد.
[5] Krebs Cycle (چرخه کربس): دومین مرحله تنفس هوازی که در ماتریکس میتوکندری اتفاق میافتد.
[6] Electron Transport Chain (زنجیره انتقال الکترون): آخرین و پربازدهترین مرحله تنفس هوازی که در غشای داخلی میتوکندری صورت میگیرد.
[7] Mitochondrion (میتوکندری): اندامک دوغشایی سلول که به نیروگاه سلول معروف است.
[8] Aerobic Respiration (تنفس هوازی): نوعی تنفس سلولی که برای تکمیل نیاز به اکسیژن دارد.
[9] Anaerobic Respiration (تنفس بیهوازی): نوعی تنفس سلولی که در نبود اکسیژن انجام میشود.
[10] Fermentation (تخمیر): یک نوع تنفس بیهوازی که در آن از ترکیبات آلی به عنوان پذیرنده نهایی الکترون استفاده میشود.
