شارح الدرس: التنفس الهوائي الأحياء • الصف الثاني الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نتعرَّف على متفاعلات ونواتج التنفُّس الهوائي، ونفسِّر أهمية التنفُّس للكائنات الحية.

عندما تسمع كلمة «التنفُّس»، قد تفكر أولًا في كيفية قيامك بالشهيق والزفير. تمتص الرئتان الأكسجين من الهواء وتُطلق ثاني أكسيد الكربون الذي تنتجه أجسامنا في صورة فضلات أثناء عملية تسمى التنفُّس الرئوي. لكن لماذا نحتاج إلى كل هذا الأكسجين؟ ومن أين يأتي ثاني أكسيد الكربون هذا؟ الإجابة عن هذين السؤالين تتمثَّل في عملية التنفُّس الخلوي الهوائي، وهو تفاعل كيميائي لا يشبه التنفُّس الرئوي، على الرغم من أن الاثنين مرتبطان.

تتكون أجسامنا من خلايا، وكل خلية من هذه الخلايا العديدة تحتاج إلى طاقة للقيام بعملها. يختلف العمل الذي تقوم به الخلية بناءً على نوعها. تحتاج بعض الخلايا إلى طاقة للتحرك، ويحتاج معظمها إلى طاقة للانقسام، وتَستخدم بعض الخلايا الطاقة للتواصل بعضها مع بعض. فالخلايا تحتاج إلى الطاقة للقيام بجميع الوظائف الأساسية التي تبقينا على قيد الحياة، مثل تحريك أجسامنا وهضم الطعام. يوفر التنفُّس الخلوي الطاقة التي تحتاجها هذه الخلايا للقيام بوظائفها. في الخلايا الحقيقية النوى، مثل تلك التي تتكون منها أجسامنا، يكون التنفُّس الخلوي هو وظيفة الميتوكوندريا.

تَستخدم جميع الكائنات الحية شكلًا من أشكال التنفُّس الخلوي الذي يؤدي إلى تكسير المغذيات لإطلاق الطاقة ثم تخزينها. في البشر، تُطلَق الطاقةُ عادةً من أحد أنواع السكريات الذي يسمى الجلوكوز، وتنتقل إلى جزيء يسمى الأدينوسين الثلاثي الفوسفات (ATP). يمكنك رؤية التركيب الكيميائي لجزيء ATP فيما يأتي. لاحِظ أنه يتكون من قاعدة الأدينين النيتروجينية، وسكر الريبوز الخماسي الكربون، وثلاث مجموعات فوسفات. يمكنك ملاحظة ذلك في الشكل 1 الآتي.

الجلوكوز عنصر غذائي نحصل عليه من الطعام. يُعرف الأدينوسين الثلاثي الفوسفات اختصارًا بـ ATP، وهو الجزيء الذي يوفِّر الطاقة لجميع العمليات الخلوية تقريبًا في معظم الكائنات الحية.

الجلوكوز ليس هو المكوِّن الوحيد المطلوب للتنفُّس الخلوي. فأجسامنا تستخدم أيضًا الأكسجين الذي نتنفسه عبر رئتينا خلال هذه العملية. ونظرًا لأن الخلايا تحتاج إلى الأكسجين للقيام بالتنفُّس الخلوي، فإننا نطلق عليه التنفُّس الخلوي «الهوائي». وكلمة «هوائي» تعني «أنه يتضمن الأكسجين». وبما أن كلًّا من الجلوكوز والأكسجين مطلوبان لعملية التنفُّس الخلوي، فإننا نطلق عليهما «متفاعلات». يمكنك رؤية متفاعلات ونواتج عملية التنفُّس الخلوي في الشكل 2.

يعاد ترتيب جزيئات الأكسجين وجزيئات الجلوكوز في عملية يتم فيها إطلاق الطاقة. وفي النهاية تتحول هذه الجزيئات إلى جزيئات ثاني أكسيد الكربون والماء. ونسمي هذه الجزيئات بـ «النواتج»؛ حيث إنها تنتُج عن التفاعل. يُطرد ثاني أكسيد الكربون الناتج عن التنفُّس الخلوي من أجسامنا عن طريق رئتينا عندما نقوم بالزفير. يعاد تدوير الماء الذي يتم إنتاجه إلى حد كبير بواسطة الخلية، ولكن سيتم إزالة أيِّ فائض من الجسم في صورة فضلات. يمكنك ملاحظة ذلك في الشكل 3.

يتم نقل معظم الطاقة التي تنطلق خلال التنفُّس الهوائي في جزيئات ATP. وتُطلَق بعض الطاقة الزائدة في صورة حرارة. يسمى التفاعل الكيميائي الذي يطلِق الطاقة تفاعلًا طاردًا للحرارة. تحتاج التفاعلات الطاردة للحرارة إلى مدخلات أولية من الطاقة حتى تحدُث، ولكن النواتج تحتوي على طاقة مخزنة أقل من المتفاعلات، مما يعني أن هناك فقدًا للطاقة بشكل عام في هذه العملية. يمكنك رؤية ذلك في الشكل 4.

يتم نقل الطاقة المنبعثة أثناء التنفُّس الخلوي في جزيء يسمى الأدينوسين الثلاثي الفوسفات، أو ATP. وكلمة «ثلاثي» في مصطلح «الثلاثي الفوسفات» تعني أن هناك ثلاث مجموعات فوسفات مرتبطة بعضها ببعض في هذا الجزيء. وعندما تحتاج الخلايا إلى طاقة لأداء وظيفةٍ ما، فإنها تفصل آخر مجموعة فوسفات، ومن ثم تنطلق الطاقة. وهذا يؤدي إلى تحويل جزيء ATP، أو الأدينوسين الثلاثي الفوسفات إلى جزيء ADP، أو الأدينوسين الثنائي الفوسفات، كما ترى في الشكل 5. وكلمة «ثنائي» هنا تعني أن هناك مجموعتَي فوسفات.

أثناء التنفُّس الخلوي، يتم استخدام الطاقة المنطلقة من تكسير الجلوكوز لتحويل جزيء ADP مرة أخرى إلى جزيء ATP عن طريق ربط مجموعة فوسفات ثالثة بالجزيء. نظرًا لأن الخلايا تحتاج باستمرار إلى جزيئات ATP لأداء جميع وظائفها المهمة، يحدث التنفُّس الخلوي باستمرار. وهذا يعني أنه، بوجه عام، يتم تصنيع جزيئات ATP بواسطة الخلايا بمجرد أن يتم استخدامها.

لقد أصبحنا على دراية بعملية التنفُّس الخلوي الهوائي بشكل مبسَّط. كما يمكننا تمثيل هذه العملية بمعادلة كيميائية موزونة توضِّح كميات كل جزيء من الجزيئات المتضمنة.

يتضمن الجزيء الواحد من الجلوكوز 6 ذرات من الكربون و12 ذرة من الهيدروجين، و6 ذرات من الأكسجين. وهي تمثَّل بالصيغة الكيميائية . الصيغة الكيميائية للأكسجين هي ؛ وذلك لأن جزيئًا واحدًا من الأكسجين يتكون من ذرتَي أكسجين مرتبطتين معًا. الصيغة الكيميائية للماء هي، وهو ما يعني أن جزيئًا واحدًا من الماء يتكون من ذرتَي هيدروجين مرتبطتين بِذَرَّة واحدة من الأكسجين. وكذلك الصيغة الكيميائية لثاني أكسيد الكربون هي لأن الجزيء الواحد من ثاني أكسيد الكربون يحتوي على ذرة واحدة من الكربون وذرتين من الأكسجين. يمكنك رؤية المعادلة غير الموزونة في الشكل 6 الآتي.

الآن بعد أن عرفنا الصيغ الكيميائية للنواتج والمتفاعلات في التنفُّس الهوائي، يمكننا وزن المعادلة الكيميائية. لا بد أن تحتوي المتفاعلات على نفس عدد ذرات الكربون والهيدروجين والأكسجين الموجودة في النواتج. ولحسن الحظ، يمكن تحقيق ذلك ببساطة بإضافة المعامل 6 إلى رموز الأكسجين والماء وثاني أكسيد الكربون. هذا يعني أن التنفُّس الخلوي الهوائي يَستخدم جزيئًا واحدًا من الجلوكوز و6 جزيئات من الأكسجين، وينتُج عن ذلك 6 جزيئات من الماء و6 جزيئات من ثاني أكسيد الكربون وينتُج عنه طاقة خلال هذه العملية. تبلغ كمية الطاقة الناتجة عن أكسدة جزيء واحد من الجلوكوز حوالي 38 جزيئًا من ATP. يمكن رؤية المعادلة الكيمائية الموزونة للتنفُّس الخلوي الهوائي في الشكل 7.

يحدث التنفُّس الخلوي في المقام الأول داخل الميتوكوندريا. وهذا يساعد أيضًا في تفسير سبب احتواء الخلايا الأكثر نشاطًا على المزيد من الميتوكوندريا بداخلها. على سبيل المثال، يمكنك توقُّع العثور على المزيد من الميتوكوندريا في الخلية العضلية أكثر مما هو موجود في خلية الجلد. وهذا يساعد أيضًا في توضيح سبب زيادة معدل التنفُّس الخلوي والتنفُّس الرئوي عند القيام بنشاط بدني، مثل أداء التمارين الرياضية. عندما تكون أكثر نشاطًا من الناحية البدنية، فأنت تحتاج إلى استنشاق المزيد من الأكسجين بحيث تتمكن خلاياك من إنتاج المزيد من جزيئات ATP للحفاظ على حركة جسمك.

لنلخص ما تعلمناه عن التنفُّس الهوائي.