درسنامه آموزشی زیست شناسی (3) کلاس دوازدهم علوم تجربی

اکنون که در حال مطالعه این درس هستید، یاخته‌های بدنتان انرژی مصرف می‌کنند. این انرژی از کجا و چگونه تأمین می‌شود؟
چرا ورزش و فعالیت‌های بدنی شدید، سبب می‌شوند تا احساس گرما کنیم و مقداری آب به شکل عرق از دست بدهیم؟
با همه تفاوت‌هایی که بین ما و زرافه‌ای که در تصویر می‌بینید، وجود دارد؛ انرژی مورد نیاز ما به شیوۀ یکسانی از غذایی که می‌خوریم تأمین می‌شود. در این فصل به فرایندهای آزاد شدن انرژی از مادۀ مغذی در یاخته‌ها می‌پردازیم.

تنفس یاخته‌ای

به یاد دارید چرا به اکسیژن نیاز داریم؟ در کتاب زیست شناسی 1، آموختید که نیاز ما به اکسیژن به علت انجام فرایندی به نام تنفس یاخته‌ای است؛ زیرا در این فرایند $ATP$ تولید می‌شود. مثلاً انرژی ذخیره شده در گلوکز در تنفس یاخته‌ای، برای تشکیل مولکول $ATP$ به کار می‌رود (واکنش 1).
واکنش 1- تنفس یاخته‌ای

    ${{C}^{6}}{{H}_{12}}{{O}_{6}}+6{{O}_{2}}+ADP+P$
  $\to 6C{{O}_{2}}+6{{H}_{2}}O+ATP$ (فسفات) 

این واکنش تنفس یاخته‌ای هوازی را نشان می‌دهد؛ زیرا تجزیۀ ماده مغذی و تولید $ATP$ با حضور اکسیژن انجام می‌شود. تجزیۀ ماده مغذی و تولید $ATP$ بدون نیاز به اکسیژن نیز انجام می‌شود که در گفتار 3 به آن می‌پردازیم.

$ATP$ مولکول پرانرژی

هیچ جانداری نمی‌تواند بدون انرژی زنده بماند، رشد و فعالیت کند. حفظ هریک از ویژگی‌های جانداران مانند رشد و نمو و تولید مثل به در اختیار داشتن $ATP$ وابسته است.

$ATP$ یا آدنوزین تری فسفات، شکل رایج و قابل استفادۀ انرژی در یاخته‌ها است. این نوکلئوتیدی از باز آلی آدنین، قند پنج کربنی ریبوز (که با هم آدنوزین نامیده می‌شود) و سه گروه فسفات تشکیل شده است. افزوده شدن فسفات به آدنوزین در سه مرحله روی می‌دهد. در نتیجه در ابتدا $AMP$ (آدنوزین مونو فسفات)، سپس $ADP$ ( آدنوزین دی‌فسفات) و در نهایت $ATP$ (آدنوزین تری‌فسفات) تشکیل می‌شود (شکل 1).

در شکل 2 تبدیل $ATP$ و $ADP$ را به یکدیگر می‌بینید. تشکیل $ATP$ از $ADP$، با مصرف انرژی و تبدیل آن به $ADP$ همراه با آزاد شدن انرژی است.

روش‌های ساخته شدن $ATP$: دیدیم که برای ساخته شدن $ATP$ به فسفات نیاز هست. یکی از روش‌های ساخته شدنِ $ATP$ برداشته شدن گروه فسفات از یک ترکیب فسفات‌دار (پیش ماده) و افزودن آن به $ADP$ است. به همین علت، این روش را ساخته شدن $ATP$ در سطح پیش ماده می‌نامند.

در کتاب «زیست‌شناسی 2» با نمونه‌ای از ساخته شدن $ATP$ در سطح پیش ماده آشنا شده‌اید، آیا آن را به یاد دارید؟ در آنجا دانستید که ماهیچه‌ها برای انقباض به $ATP$ نیاز دارند و یکی از راه‌های تأمین آن در ماهیچه‌ها، برداشتِ فسفات از مولکولِ کرآتین فسفات و انتقال آن به $ADP$ است (شکل 3). در این مثال کرآتین فسفات، پیش ماده‌ای است که فسفات آن برای ساخته شدن $ATP$ به کار می‌رود.

ساخته شدن اکسایشی و ساخته شدن نوری $ATP$، دو روش دیگرند. در ساخته شدن اکسایشی، $ATP$ از یون فسفات و انرژی حاصل از انتقال الکترون‌ها در راکیزه ساخته می‌شود که در ادامۀ این فصل با آن آشنا می‌شوید. روش دیگر ساخته شدن $ATP$، ساخته شدن نوری است که در سبزدیسه انجام می‌شود (فصل 6).

زیستن با اکسیژن

اغلب، واژه تنفس یاخته‌ای را برای تنفس یاخته‌ای هوازی به کار می‌برند. در اینجا ما نیز تنفس یاخته‌ای را به جای تنفس یاخته‌ای هوازی به کار می‌بریم.

قند کافت (گلیکولیز): اولین مرحلهٔ تنفس یاخته‌ای، قندکافت و به معنی تجزیهٔ گلوکز است که در مادۀ زمینه سیتوپلاسم انجام می‌شود. تجزیه گلوکز در قندکافت، نه به‌صورت یک‌باره، بلکه به صورت مرحله‌ای انجام می‌شود (شکل 4).

برای انجام واکنش‌های مربوط به تجزیه گلوکز انرژی فعال سازی نیاز هست. این انرژی از $ATP$ تأمین می‌شود.

در شکل 4 می‌بینید که از گلوکز و $ATP$، قند فروکتوز با دو فسفات ایجاد می‌شود. از تجزیه این قند، دو قند سه کربنیِ فسفاته به‌ وجود می‌آید. هر یک از این قندها با گرفتن یک گروه فسفات به اسیدی سه کربنی تبدیل می‌شود. هر یک از این مولکول‌های سه کربنی در نهایت به پیرووات (بنیان پیروویک اسید) تبدیل می‌شود. در این واکنش‌ها مولکول‌های $ATP$ و $NADH$ به‌وجود می‌آیند.

$NADH$ حامل الکترون است، دو نوکلئوتید دارد و از $NA{{D}^{+}}$ به اضافه الکترون و پروتون تشکیل می‌شود. $NA{{D}^{+}}$ و $NADH$ گرفتن و از دست دادن الکترون و پروتون، به همدیگر تبدیل می‌شوند (واکنش 2). $NA{{D}^{+}}$ با گرفتن الکترون کاهش و $NADH$ با از دست دادن الکترون اکسایش می‌یابد.

واکنش 2- یک الکترون برای خنثی کردن $NA{{D}^{+}}$ به کار می‌رود. بنابراین محصول به صورت $NADH+{{H}^{+}}$ نوشته می‌شود.

 $NA{{D}^{+}}+2{{H}^{+}}+2{{e}^{-}}\rightleftarrows NADH+{{H}^{+}}$ 

راکیزه مقصد پیرووات

مرحلۀ دیگر تنفس یاخته‌ای به اکسیژن نیاز دارد و در یوکاریت‌ها در راکیزه انجام می‌شود.

راکیزه دو غشا دارد: غشای بیرونی صاف، و غشای درونی آن به داخل چین خورده است. درنتیجه، فضای درون آن به بخش داخلی و بخش بیرونی (فضای بین دو غشا) تقسیم می‌شود (شکل 5).

راکیزه دنای مستقل از هسته و رِناتَن مخصوص به خود را دارد، بنابراین در آن پروتئین‌سازی انجام می‌شود. در دنای راکیزه، ژن‌های موردنیاز برای ساخته شدنِ انواعی از پروتئین‌های مورد نیاز در تنفس یاخته‌ای وجود دارند.

راکیزه همراه با یاخته و نیز مستقل از آن تقسیم می‌شود. به نظر شما مستقل بودن تقسیم راکیزه از تقسیم یاخته چه اهمیتی دارد؟

به هر حال راکیزه برای انجام نقش خود در تنفس یاخته‌ای به پروتئین‌هایی وابسته است که ژن‌های آنها در هسته قرار دارند و به وسیلهٔ رِناتَن‌های سیتوپلاسمی ساخته می‌شوند.

اکسایش پیرووات: گفتیم که در انتهای قندکافت، پیرووات به‌وجود می‌آید. این مولکول از طریق انتقال فعال وارد راکیزه می‌شود و در آنجا اکسایش می‌یابد. پیرووات در راکیزه یک کربن‌دی‌اکسید از دست می‌دهد و به بنیان استیل تبدیل می‌شود. استیل با اتصال به مولکولی به نام کوآنزیم $A$، استیل کوآنزیم $A$ را تشکیل می‌دهد. در این واکنش $NADH$ نیز به وجود می‌آید (شکل 6).

اکسایش استیل کوآنزیم $A$ در چرخه‌ای از واکنش‌های آنزیمی، به نام چرخۀکِرِبس، در بخش داخلی راکیزه انجام می‌گیرد که در گفتار بعدی به آن می‌پردازیم.