تم إلغاء تنشيط البوابة. يُرجَى الاتصال بمسؤول البوابة لديك.

شارح الدرس: التنفس الهوائي الأحياء

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.

مصطلح رئيسي: التنفُّس الخلوي

التنفُّس الخلوي هو عملية كيميائية معقدة يتم فيها تكسير المغذيات والجزيئات الأخرى من أجل إطلاق الطاقة. وتنتقل الطاقة المنطلقة في هذه العملية إلى جزيء يسمى الأدينوسين الثلاثي الفوسفات (ATP).

مثال ١: تحديد مصدر الجلوكوز في التنفُّس الهوائي

يتطلب التنفُّس الهوائي في البشر توافر الجلوكوز. من أين يأتي الجلوكوز؟

الحل

يعد الجلوكوز من المغذيات المهمة بشكل خاص للبشر لأنه أحد متفاعلات التنفُّس الخلوي. والجلوكوز ضروري لخلايانا كي تقوم بوظائفها، مثله في ذلك مثل المتفاعل الآخر في التنفُّس الخلوي، أي الأكسجين. على عكس النباتات، التي يمكنها إنتاج الجلوكوز من خلال عملية البناء الضوئي، لا تستطيع الحيواناتُ مثلَ البشر تصنيع الجلوكوز بمفردها. بدلًا من ذلك، نحصل على الجلوكوز من الطعام الذي نتناوله. يتم تكسير هذا الطعام إلى مكوناته الأساسية خلال عملية الهضم ويتم امتصاصه في مجرى الدم. ينقل الدم الجلوكوز إلى الخلايا التي تستخدمه في عملية التنفُّس الخلوي.

ومن ثم، يأتي الجلوكوز اللازم للتنفُّس الخلوي من الطعام الذي يتناوله الشخص.

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.

تعريف: الهوائي

«الهوائي» هي كلمة تصف العملية التي تتضمن الأكسجين.

معادلة: التنفُّس الهوائي

ءأانأز+++

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.

تعريف: التفاعلات الطاردة للحرارة

«التفاعلات الطاردة للحرارة» هي التفاعلات الكيميائية التي تطلق الطاقة إلى ما يحيط بها.

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.

مصطلح رئيسي: الأدينوسين الثلاثي الفوسفات (ATP)

الأدينوسين الثلاثي الفوسفات هو الجزيء الذي تستخدمه الخلايا باعتباره مصدر طاقة يمكن الوصول إليه. تنفصل إحدى مجموعات الفوسفات لإطلاق الطاقة التي يمكن أن تستخدمها الخلية لأداء وظائفها، مما يُنتج الأدينوسين الثنائي الفوسفات (ATP). يتحول جزيء ADP إلى جزيء ATP مرة أخرى عن طريق تخزين بعض الطاقة المنطلقة أثناء التنفُّس الخلوي.

مثال ٢: تحديد جزيء تخزين الطاقة في الخلية

أثناء عملية التنفُّس الهوائي، تنطلق الطاقة نتيجة لتكسير الجلوكوز.

تُخزَّن هذه الطاقة في صورة جزيء داخل الخلية. ما الاسم الذي يطلق على هذا الجزيء؟

الحل

أثناء التنفُّس الهوائي، يعاد ترتيب ذرات الجلوكوز والأكسجين في جزيئات ثاني أكسيد الكربون والماء. هذه العملية عبارة عن تفاعل كيميائي طارد للحرارة، ما يعني أنها تطلِق الطاقة أثناء تقدُّمها. وبعد ذلك، تُنقل هذه الطاقة إلى جزيء تستخدمه الخلايا باعتباره مصدر الطاقة المتاح لها. يسمى الجزيء الذي تنتقل إليه الطاقة من التنفُّس الخلوي الأدينوسين الثلاثي الفوسفات، أو ATP. الأدينوسين الثلاثي الفوسفات هو جزيء يحتوي على ثلاث مجموعات فوسفات مرتبطة بعضها ببعض. عندما تحتاج الخلية إلى طاقة للانقسام، أو لصنع البروتينات، أو لنقل المواد، تنفصل إحدى مجموعات الفوسفات. يؤدي هذا إلى تحويل جزيء ATP، أو الأدينوسين الثلاثي الفوسفات إلى جزيء ADP، أو الأدينوسين الثنائي الفوسفات. أثناء التنفُّس الخلوي، يتم تحويل جزيء ADP مرة أخرى إلى جزيء ATP عن طريق إعادة ربط مجموعة فوسفات ثالثة بالجزيء، وهي عملية تمتص الطاقة التي ستستخدمها الخلية لاحقًا.

باستخدام هذه المعلومات، يمكننا استنتاج أن اسم الجزيء الذي يخزِّن الطاقة المنطلقة من عملية التنفُّس الخلوي هو ATP.

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 CHO6126. الصيغة الكيميائية للأكسجين هي O2؛ وذلك لأن جزيئًا واحدًا من الأكسجين يتكون من ذرتَي أكسجين مرتبطتين معًا. الصيغة الكيميائية للماء هيHO2، وهو ما يعني أن جزيئًا واحدًا من الماء يتكون من ذرتَي هيدروجين مرتبطتين بِذَرَّة واحدة من الأكسجين. وكذلك الصيغة الكيميائية لثاني أكسيد الكربون هي CO2 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.

مثال ٣: تحديد المعادلة الكيمائية الموزونة للتنفُّس الخلوي

باستبعاد الطاقة، أو الأدينوسين الثلاثي الفوسفات (ATP)، اذكر المعادلة الكيميائية (الرمزية) الصحيحة والموزونة للتنفُّس الهوائي.

الحل

التنفُّس الخلوي هو عملية كيميائية تستخدم الجلوكوز والأكسجين وتعيد ترتيب الذرات إلى جزيئات من الماء وثاني أكسيد الكربون. يؤدي هذا التفاعل الكيميائي المعقد إلى إطلاق طاقة تنتقل إلى جزيء يسمى ATP. تسمى المواد الكيميائية التي تدخل في التفاعل الكيميائي متفاعلات، وتوضع على الجانب الأيسر من السهم في المعادلة الكيميائية الرمزية. المتفاعلات المتضمَّنة في التنفُّس الخلوي هي الجلوكوز والأكسجين. تسمى المواد الكيميائية الناتجة عن التفاعل الكيميائي بالنواتج، وتوضع على الجانب الأيمن من السهم في المعادلة الكيميائية الرمزية. نواتج التنفُّس الخلوي هي ثاني أكسيد الكربون والماء. يمكننا تمثيل المعادلة الكيميائية للتنفُّس الخلوي باستخدام الكلمات: ءأانأز++

إذا استبدلنا بالكلمات «رموزها الكيميائية»، فسنحصل على: CHO+OCO+HO6126222

لاحظ أن السؤال يطلب المعادلة الكيميائية الموزونة. وهذا يعني أنه يجب أن يكون هناك نفس عدد ذرات الكربون، والهيدروجين، والأكسجين في الطرفين الأيسر والأيمن من السهم. لوزن هذه المعادلة الكيميائية، نستخدم المعاملات. المعاملات هي الأعداد التي تُكتب أمام رمز كيميائي وتضاعفه. في هذه الحالة، يسهُل تذكُّر المعامل؛ لأنه يساوي 6 لكل مكوَّن ما عدا الجلوكوز. إذن تكتب المعادلة الكيمائية الموزونة للتنفُّس الخلوي كما يأتي: CHO+6O6CO+6HO6126222

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.

مثال ٤: تحديد تأثير التمارين الرياضية على معدل التنفُّس الخلوي

حدِّد ممَّا يأتي إذا ما كان معدَّل التنفُّس الخلوي زاد أو نقص أو ظل ثابتًا. كلما زادت كثافة التمارين، معدل التنفُّس الخلوي.

الحل

التنفُّس الخلوي هو عملية كيميائية تستخدم الجلوكوز والأكسجين وتعيد ترتيب الذرات إلى جزيئات من الماء وثاني أكسيد الكربون. يؤدي هذا التفاعل الكيميائي المعقد إلى إطلاق طاقة تنتقل إلى جزيء يسمى الأدينوسين الثلاثي الفوسفات (ATP). الأدينوسين الثلاثي الفوسفات هو جزيء به ثلاث مجموعات فوسفات مرتبطة بعضها ببعض. عندما تحتاج الخلية إلى طاقة، تنفصل إحدى مجموعات الفوسفات. يؤدي هذا إلى تحويل جزيء ATP، أو الأدينوسين الثلاثي الفوسفات إلى جزيء ADP، أو الأدينوسين الثنائي الفوسفات. أثناء التنفُّس الخلوي، يتحول جزيء ADP مرة أخرى إلى جزيء ATP عن طريق إعادة الارتباط بمجموعة فوسفات ثالثة، وهي عملية تمتص الطاقة التي ستستخدمها الخلية لاحقًا.

إذا كان الشخص يمارس الرياضة، فإن خلاياه العضلية تستخدم طاقة إضافية لتحريك الجسم وضخ الدم بشكل أسرع. وهذا يعني أن الخلايا العضلية تحتاج إلى طاقة أكثر من المعتاد للقيام بهذه الوظائف. ويزداد معدل استخدام جزيئات ATP مع الحاجة لزيادة الطاقة داخل الخلية. وإذا تم استخدام المزيد من جزيئات ATP، فيجب إنتاج المزيد من هذا الجزيء باستمرار لاستبداله بما تم استهلاكه. ونظرًا لأن التنفُّس الخلوي يطلق الطاقة اللازمة لتكوين جزيئات ATP، فإن معدل التنفُّس الخلوي يزداد.

وكلما زادت كثافة التمرين، زاد معدل التنفُّس الخلوي.

لنلخص ما تعلمناه عن التنفُّس الهوائي.

النقاط الرئيسية

  • متفاعلات التنفُّس الخلوي هي الأكسجين والجلوكوز، والنواتج هي الماء وثاني أكسيد الكربون.
  • التنفُّس الخلوي هو تفاعل طارد للحرارة يطلق الطاقة.
  • تنتقل الطاقة المنطلقة من التنفُّس الخلوي إلى الأدينوسين الثلاثي الفوسفات (ATP) الذي يوفر الطاقة للوظائف الخلوية.

تستخدم نجوى ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. معرفة المزيد حول سياسة الخصوصية لدينا.