التنفس الخلوي

التنفس الخلوي هو عملية أكسدة الوقود الحيوي باستخدام مستقبل إلكترونات غير عضوي ، مثل الأكسجين ، لإنتاج الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) ، الذي يخزن الطاقة الكيميائية في شكل قابل للاستخدام الحيوي. يمكن وصف التنفس الخلوي بأنه مجموعة من التفاعلات والعمليات الأيضية التي تحدث في الخلايا لنقل الطاقة الكيميائية من المغذيات إلى ATP، مع تدفق الإلكترونات إلى مستقبل الإلكترونات، ثم إطلاق الفضلات . ^{[ 1 ]}

إذا كان مستقبل الإلكترون هو الأكسجين، تُعرف العملية تحديدًا بالتنفس الخلوي الهوائي. أما إذا كان مستقبل الإلكترون جزيئًا آخر غير الأكسجين، فهذا يُسمى التنفس الخلوي اللاهوائي - ويجب عدم الخلط بينه وبين التخمر ، الذي يُعد أيضًا عملية لاهوائية، ولكنه ليس تنفسًا، لعدم وجود مستقبل إلكترون خارجي. ^{[ 2 ]}

تُعدّ التفاعلات المُشاركة في التنفس تفاعلات هدمية ، حيث تُفكّك الجزيئات الكبيرة إلى جزيئات أصغر، مُنتجةً جزيئات الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP). يُعتبر التنفس أحد الطرق الرئيسية التي تُطلق بها الخلية الطاقة الكيميائية لتغذية نشاطها الخلوي. يحدث التفاعل الكلي في سلسلة من الخطوات الكيميائية الحيوية، بعضها تفاعلات أكسدة واختزال . على الرغم من أن التنفس الخلوي يُصنّف تقنيًا كتفاعل احتراق ، إلا أنه يُعدّ تفاعلًا غير عادي نظرًا لإطلاق الطاقة ببطء وبشكل مُتحكّم به من سلسلة التفاعلات.

تشمل العناصر الغذائية التي تستخدمها الخلايا الحيوانية والنباتية عادةً في عملية التنفس السكريات والأحماض الأمينية والأحماض الدهنية ، وأكثر عوامل الأكسدة شيوعًا هو الأكسجين الجزيئي (O₂ ₎ . ويمكن استخدام الطاقة الكيميائية المخزنة في جزيء ATP (حيث يمكن كسر الرابطة بين مجموعة الفوسفات الثالثة وبقية الجزيء، مما يسمح بتكوين نواتج أكثر استقرارًا، وبالتالي إطلاق الطاقة لاستخدامها من قبل الخلية) لتشغيل العمليات التي تتطلب طاقة، بما في ذلك التخليق الحيوي ، والحركة ، أو نقل الجزيئات عبر أغشية الخلايا .

Aerobic respiration requires oxygen (O₂) in order to create ATP. Although carbohydrates, fats, and proteins are consumed as reactants, aerobic respiration is the preferred method of pyruvate production in glycolysis, and requires pyruvate be transported by the mitochondria in order to be oxidized by the citric acid cycle. The products of this process are carbon dioxide and water, and the energy transferred is used to make bonds between ADP and a third phosphate group to form ATP (adenosine triphosphate), by substrate-level phosphorylation, NADH and FADH₂.

The negative ΔG indicates that the reaction is exothermic (exergonic) and can occur spontaneously.^[3]

The potential of NADH and FADH₂ is converted to more ATP through an electron transport chain with oxygen and protons (hydrogen ions) as the "terminal electron acceptors". Most of the ATP produced by aerobic cellular respiration is made by oxidative phosphorylation. The energy released is used to create a chemiosmotic potential by pumping protons across a membrane. This potential is then used to drive ATP synthase and produce ATP from ADP and a phosphate group. Biology textbooks often state that 38 ATP molecules can be made per oxidized glucose molecule during cellular respiration (2 from glycolysis, 2 from the Krebs cycle, and about 34 from the electron transport system).^[4] However, this maximum yield is never quite reached because of losses due to leaky membranes as well as the cost of moving pyruvate and ADP into the mitochondrial matrix, and current estimates range around 29 to 30 ATP per glucose.^[4]

يُعدّ الأيض الهوائي أكثر كفاءةً بما يصل إلى 15 مرة من الأيض اللاهوائي (الذي يُنتج جزيئين من الأدينوسين ثلاثي الفوسفات لكل جزيء جلوكوز). مع ذلك، تستطيع بعض الكائنات اللاهوائية، مثل الميثانوجينات، الاستمرار في التنفس اللاهوائي ، مُنتجةً المزيد من الأدينوسين ثلاثي الفوسفات باستخدام جزيئات غير عضوية أخرى غير الأكسجين كمستقبلات نهائية للإلكترونات في سلسلة نقل الإلكترون. تشترك هذه الكائنات في المسار الأولي لتحلل الجلوكوز، لكن الأيض الهوائي يستمر بدورة كريبس والفسفرة التأكسدية. تحدث التفاعلات اللاحقة لتحلل الجلوكوز في الميتوكوندريا في الخلايا حقيقية النواة ، وفي السيتوبلازم في الخلايا بدائية النواة . ^{[ 5 ]}

على الرغم من أن النباتات تستهلك ثاني أكسيد الكربون وتنتج الأكسجين عبر عملية التمثيل الضوئي ، فإن تنفس النبات يمثل حوالي نصف كمية ثاني أكسيد الكربون _التي تنتجها النظم البيئية الأرضية سنويًا . ^{[ 6 ] [ 7 ] : 87}

تحلل الجلوكوز

Glycolysis is a metabolic pathway that takes place in the cytosol of cells in all living organisms. Glycolysis can be literally translated as "sugar splitting",^[8] and occurs regardless of oxygen's presence or absence. The process converts one molecule of glucose into two molecules of pyruvate (pyruvic acid), generating energy in the form of two net molecules of ATP. Four molecules of ATP per glucose are actually produced, but two are consumed as part of the preparatory phase. The initial phosphorylation of glucose is required to increase the reactivity (decrease its stability) in order for the molecule to be cleaved into two pyruvate molecules by the enzyme aldolase. During the pay-off phase of glycolysis, four phosphate groups are transferred to four ADP by substrate-level phosphorylation to make four ATP, and two NADH are also produced during the pay-off phase. The overall reaction can be expressed this way:^[9]

Glucose + 2 NAD⁺ + 2 P_i + 2 ADP → 2 pyruvate + 2 NADH + 2 ATP + 2 H⁺ + 2 H₂O + energy

Starting with glucose, 1 ATP is used to donate a phosphate to glucose to produce glucose 6-phosphate. Glycogen can be converted into glucose 6-phosphate as well with the help of glycogen phosphorylase. During energy metabolism, glucose 6-phosphate becomes fructose 6-phosphate. An additional ATP is used to phosphorylate fructose 6-phosphate into fructose 1,6-bisphosphate by the help of phosphofructokinase. Fructose 1,6-biphosphate then splits into two phosphorylated molecules with three carbon chains which later degrades into pyruvate.^[7]:88–90

الفسفرة التأكسدية

في حقيقيات النوى، تحدث الفسفرة التأكسدية في أعراف الميتوكوندريا . وتشمل سلسلة نقل الإلكترون التي تُنشئ تدرجًا بروتونيًا (جهدًا كيميائيًا أسموزيًا) عبر غشاء الميتوكوندريا الداخلي عن طريق أكسدة NADH الناتج من دورة كريبس. يُصنّع ATP بواسطة إنزيم ATP سينثاز عندما يُستخدم التدرج الكيميائي الأسموزي لدفع فسفرة ADP. تُنقل الإلكترونات في النهاية إلى الأكسجين الخارجي ، ومع إضافة بروتونين، يتكون الماء. ^{[ 14 ]}

يوضح الجدول أدناه التفاعلات التي تحدث عند أكسدة جزيء جلوكوز واحد بالكامل إلى ثاني أكسيد الكربون. ويُفترض أن جميع الإنزيمات المساعدة المختزلة تتأكسد بواسطة سلسلة نقل الإلكترون وتُستخدم في الفسفرة التأكسدية.

على الرغم من أن الناتج النظري للتنفس الخلوي يبلغ 38 جزيء ATP لكل جزيء جلوكوز، إلا أن هذه الظروف لا تتحقق عادةً بسبب الفاقد الناتج عن نقل البيروفات (من عملية تحلل الجلوكوز)، والفوسفات، وADP (ركائز تخليق ATP) إلى الميتوكوندريا. ويتم نقل جميع هذه المواد بنشاط باستخدام نواقل تستغل الطاقة المخزنة في التدرج الكهروكيميائي للبروتونات .

• يتم امتصاص البيروفات بواسطة ناقل محدد ذي قيمة K _m منخفضة لإدخاله إلى مصفوفة الميتوكوندريا لأكسدته بواسطة مركب نازعة هيدروجين البيروفات.
• _يقوم ناقل الفوسفات (PiC) بالتوسط في التبادل المتعادل كهربائيا ( النقل المضاد ) للفوسفات ( H2PO4-4 ؛ Pi ₎ مقابل OH- ^أو النقل المتزامن للفوسفات والبروتونات (H ^{+ ) عبر الغشاء} الداخلي ، والقوة الدافعة لتحريك أيونات الفوسفات إلى الميتوكوندريا هي قوة دافعة البروتون .
• ناقل ATP -ADP (يُسمى أيضًا ناقل نيوكليوتيدات الأدينين، ANT ) هو ناقل مضاد يقوم بتبادل ADP وATP عبر الغشاء الداخلي . وتعود القوة الدافعة إلى أن ATP (-4) يحمل شحنة سالبة أكبر من ADP (-3)، وبالتالي يُبدد جزءًا من المكون الكهربائي لتدرج البروتون الكهروكيميائي.

نتيجةً لعمليات النقل هذه، التي تستخدم التدرج الكهروكيميائي للبروتونات، يلزم أكثر من 3 أيونات بروتون (H ⁺⁾ لإنتاج جزيء واحد من الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP). من الواضح أن هذا يقلل من الكفاءة النظرية للعملية برمتها، ومن المرجح أن يكون الحد الأقصى أقرب إلى 28-30 جزيء ATP. ^{[ 4 ]} عمليًا، قد تكون الكفاءة أقل من ذلك لأن الغشاء الداخلي للميتوكوندريا نفاذ قليلاً للبروتونات. ^{[ 15 ]} قد تُبدد عوامل أخرى تدرج البروتونات، مما يُنتج ميتوكوندريا تبدو نفاذة. يُعبَّر عن بروتين فاصل يُعرف باسم الثيرموجينين في بعض أنواع الخلايا، وهو قناة قادرة على نقل البروتونات. عندما يكون هذا البروتين نشطًا في الغشاء الداخلي، فإنه يُعطِّل اقتران سلسلة نقل الإلكترون بتخليق ATP . لا تُستخدم الطاقة الكامنة من تدرج البروتونات لإنتاج ATP، بل تُولِّد حرارة. يُعد هذا الأمر بالغ الأهمية في توليد الحرارة في الدهون البنية لدى الثدييات حديثة الولادة والثدييات في فترة السبات الشتوي.

إنزيم سينثاز الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP synthase) هو إنزيم أساسي في التنفس الخلوي، حيث ينتج الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) باستخدام تدرج البروتونات في الميتوكوندريا. إذا انحرفت درجة الحرارة عن النطاق الأمثل، ينخفض ​​نشاط الإنزيم، مما يقلل من إنتاج الأدينوسين ثلاثي الفوسفات. وهذا بدوره يحد من قدرة الأعضاء المؤثرة، كالعضلات والغدد، على أداء وظائفها، مما يهدد التوازن الداخلي للجسم.

وفقًا لبعض المصادر الحديثة، فإن إنتاج ATP أثناء التنفس الهوائي ليس 36-38، بل حوالي 30-32 جزيء ATP لكل جزيء جلوكوز ^{[ 16 ]} ، وذلك للأسباب التالية:

• يبدو أن نسب ATP  : NADH+H ⁺ و ATP  : FADH ₂ أثناء الفسفرة التأكسدية ليست 3 و 2، بل 2.5 و 1.5 على التوالي. على عكس الفسفرة على مستوى الركيزة ، يصعب تحديد النسبة الكمية هنا.
  • ينتج إنزيم ATP synthase جزيء ATP واحد لكل 3 جزيئات H ⁺ . ومع ذلك، فإن تبادل ATP الموجود في المادة الخلوية مع ADP وPi الموجودين في السيتوبلازم (عن طريق النقل المعاكس مع OH- ^أو النقل المتزامن مع H ⁺ ) والذي يتم بوساطة ناقل ATP-ADP وناقل الفوسفات ، يستهلك جزيء H ⁺ واحد لكل جزيء ATP نتيجة لتجديد جهد الغشاء المتغير أثناء هذا النقل، لذا فإن النسبة الصافية هي 1 ATP  : 4 H ⁺ .
  • تقوم مضخة البروتون في سلسلة نقل الإلكترون الميتوكوندرية بنقل 10 H ⁺ / 1 NADH+H ⁺ (4 + 2 + 4) أو 6 H ⁺ / 1 FADH ₂ (2 + 4) عبر الغشاء الداخلي .

إذن، النسبة الكيميائية النهائية هي

1 NADH+H ⁺  : 10 H ⁺  : 10/4 ATP = 1 NADH+H ⁺  : 2.5 ATP

1 FADH ₂  : 6 H ⁺  : 6/4 ATP = 1 FADH ₂  : 1.5 ATP

• نسبة ATP  إلى NADH+H ⁺ الناتجة عن تحلل الجلوكوز أثناء الفسفرة التأكسدية هي
  • 1.5، كما هو الحال بالنسبة لـ FADH ₂ ، إذا تم نقل ذرات الهيدروجين (2H ⁺ +2e ^{− ) من NADH+H +} السيتوبلازمي إلى FAD الميتوكوندري بواسطة مكوك فوسفات الجلسرين الموجود في الغشاء الميتوكوندري الداخلي.
  • 2.5 في حالة نقل ذرات الهيدروجين من NADH+H ⁺ السيتوبلازمي إلى NAD ^{+ الميتوكوندري،} عبر مكوك مالات-أسبارتات

إذن لدينا في النهاية، لكل جزيء من الجلوكوز

• الفسفرة على مستوى الركيزة : 2 جزيء ATP من عملية تحلل الجلوكوز + 2 جزيء ATP (مباشرة إلى GTP) من دورة كريبس
• الفسفرة التأكسدية
  • 2 NADH+H ⁺ من عملية تحلل الجلوكوز: 2 × 1.5 ATP (إذا كان مكوك فوسفات الجلسرين ينقل ذرات الهيدروجين) أو 2 × 2.5 ATP (مكوك الماليت-الأسبارتات)
  • 2 جزيء NADH+H ⁺ من عملية نزع الكربوكسيل التأكسدي للبيروفات و6 جزيئات من دورة كريبس: 8 × 2.5 جزيء ATP
  • 2 جزيء FADH2 _من دورة كريبس: 2 × 1.5 جزيء ATP

وبذلك نحصل على 4 + 3 (أو 5) + 20 + 3 = 30 (أو 32) جزيء ATP لكل جزيء جلوكوز

These figures may still require further tweaking as new structural details become available. The above value of 3 H⁺ / ATP for the synthase assumes that the synthase translocates 9 protons, and produces 3 ATP, per rotation. The number of protons depends on the number of c subunits in the Fo c-ring, and it is now known that this is 10 in yeast Fo^[17] and 8 for vertebrates.^[18] Including one H⁺ for the transport reactions, this means that synthesis of one ATP requires 1 + 10/3 = 4.33 protons in yeast and 1 + 8/3 = 3.67 in vertebrates. This would imply that in human mitochondria the 10 protons from oxidizing NADH would produce 2.72 ATP (instead of 2.5) and the 6 protons from oxidizing succinate or ubiquinol would produce 1.64 ATP (instead of 1.5). This is consistent with experimental results within the margin of error described in a recent review.^[19]

The total ATP yield in ethanol or lactic acid fermentation is only 2 molecules coming from glycolysis, because pyruvate is not transferred to the mitochondrion and finally oxidized to the carbon dioxide (CO₂), but reduced to ethanol or lactic acid in the cytoplasm.^[16]

في غياب الأكسجين، لا يتم استقلاب البيروفات ( حمض البيروفيك ) عن طريق التنفس الخلوي، بل يخضع لعملية تخمير . لا يُنقل البيروفات إلى الميتوكوندريا، بل يبقى في السيتوبلازم، حيث يتحول إلى نواتج نفايات يمكن التخلص منها من الخلية. يخدم هذا الغرض من أكسدة نواقل الإلكترونات لتمكينها من إعادة عملية تحلل الجلوكوز، وإزالة فائض البيروفات. يؤكسد التخمير NADH إلى NAD ⁺ ليُعاد استخدامه في تحلل الجلوكوز. في غياب الأكسجين، يمنع التخمير تراكم NADH في السيتوبلازم، ويوفر NAD ⁺ لتحلل الجلوكوز. يختلف ناتج النفايات هذا باختلاف الكائن الحي. في العضلات الهيكلية، يكون ناتج النفايات هو حمض اللاكتيك . يُسمى هذا النوع من التخمير بتخمير حمض اللاكتيك . أثناء التمارين الشاقة، عندما يتجاوز الطلب على الطاقة المعروض منها، لا تستطيع سلسلة التنفس معالجة جميع ذرات الهيدروجين المرتبطة بـ NADH. أثناء عملية التحلل السكري اللاهوائي، يتجدد NAD ⁺ عندما تتحد أزواج من الهيدروجين مع البيروفات لتكوين اللاكتات. ويحفز إنزيم نازع هيدروجين اللاكتات تكوين اللاكتات في تفاعل عكسي. كما يمكن استخدام اللاكتات كمصدر غير مباشر للجليكوجين في الكبد. أثناء فترة التعافي، عندما يتوفر الأكسجين، يرتبط NAD ⁺ بالهيدروجين من اللاكتات لتكوين ATP. في الخميرة، تكون نواتج الفضلات هي الإيثانول وثاني أكسيد الكربون . يُعرف هذا النوع من التخمر بالتخمر الكحولي أو تخمر الإيثانول . يُنتج ATP في هذه العملية عن طريق فسفرة مستوى الركيزة ، والتي لا تتطلب الأكسجين.

تُعدّ عملية التخمر أقل كفاءة في استخدام الطاقة المُستمدة من الجلوكوز، إذ لا يُنتج سوى جزيئين من الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) لكل جزيء جلوكوز، مقارنةً بـ 38 جزيء ATP لكل جزيء جلوكوز تُنتجها عملية التنفس الهوائي. مع ذلك، يُنتج الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) الناتج عن عملية تحلل الجلوكوز بسرعة أكبر. ولكي تحافظ بدائيات النوى على معدل نمو سريع عند انتقالها من بيئة هوائية إلى بيئة لاهوائية، يجب عليها زيادة معدل تفاعلات تحلل الجلوكوز. أما بالنسبة للكائنات متعددة الخلايا، فخلال فترات قصيرة من النشاط البدني الشاق، تستخدم خلايا العضلات عملية التخمر لتعويض نقص إنتاج الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) الناتج عن التنفس الهوائي الأبطأ، لذا قد تستخدم الخلية عملية التخمر حتى قبل استنفاد مستويات الأكسجين، كما هو الحال في الرياضات التي لا تتطلب من الرياضيين تنظيم سرعتهم، مثل العدو السريع .

تستخدم الكائنات الدقيقة، سواءً كانت بكتيريا أو عتائق ، التنفس اللاهوائي ، حيث لا يُعد الأكسجين (التنفس الهوائي) ولا مشتقات البيروفات (التخمر) مستقبلًا نهائيًا للإلكترونات. بل يُستخدم مستقبل غير عضوي مثل الكبريتات ( SO₄²⁻)، أو النترات (NO₃⁻)، أو الكبريت (S). يمكن العثور على هذه الكائنات في أماكن غير مألوفة مثل الكهوف تحت الماء أو بالقرب من الفتحات الحرارية المائية في قاع المحيط، ^{[ 7 ] : 66-68} في الجهاز الهضمي، وكذلك في التربة أو الرواسب الخالية من الأكسجين في النظم البيئية للأراضي الرطبة. ^{[ 2 ]}

في يوليو/تموز 2019، كشفت دراسة علمية أجريت في منجم كيد بكندا عن وجود كائنات حية تتنفس الكبريت وتعيش على عمق 2400 متر (7900 قدم) تحت سطح الأرض. وتتميز هذه الكائنات أيضاً بقدرتها على استهلاك معادن مثل البيريت كمصدر غذائي. ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]}

• التنفس الصيانة : الصيانة كمكون وظيفي للتنفس الخلوي
• القياسات الفيزيائية الدقيقة
• نقطة باستور
• قياس التنفس : أداة بحثية لاستكشاف التنفس الخلوي
• كلوريد التترازوليوم : مؤشر التنفس الخلوي
• المركب 1 : مختزلات أوكسيدوريدوكتس NADH:يوبيكوينون

• وصف تفصيلي للتنفس مقابل التخمر
• مورد كيمبال الإلكتروني للتنفس الخلوي
• التنفس الخلوي والتخمر في كلية كليرمونت