نسخة الفيديو النصية
في هذا الفيديو، سوف نتعرف على عملية التنفس الخلوي، وكيف توفر الطاقة للخلايا والكائنات الحية. وبعد ذلك سنجيب على بعض الأسئلة التدريبية. وفي النهاية سنلخص ما تعلمناه.
لعلك تعلم أن أجسامنا تستخدم الطعام الذي نأكله من أجل توليد الطاقة. تذكر أن جسمك يتكون من العديد من الأجهزة التي يتكون كل منها من عدد من الأعضاء. وكل عضو يتكون من العديد من الأنسجة، والأنسجة بدورها تتكون من العديد من الخلايا. وخلايا جسدك تبدو مثل هذا الشكل تقريبًا. وتحتوي على العديد من العضيات، وهي تراكيب تحت خلوية متخصصة في تنفيذ وظيفة محددة. هل تعرف أي عضية هي المسئولة عن إنتاج الطاقة الخلوية؟ بالطبع، الميتوكوندريا هي المسئولة عن إنتاج الطاقة الخلوية.
تحتاج خلايا أجسامنا إلى الطاقة لأداء عملها، وهذا العمل يختلف باختلاف الخلية. فالخلايا العضلية تحتاج إلى الطاقة كي تنقبض وتحدث الحركة. والخلايا العصبية تحتاج إلى الطاقة كي تنقل السيال العصبي في جميع أجزاء الجسم. وخلايا الدم البيضاء تحتاج إلى الطاقة كي تحارب العدوى وتحافظ عليك في صحة جيدة. تحتاج الخلايا إلى الطاقة لأداء جميع الوظائف الأساسية التي تبقينا أحياء. والميتوكوندريا توفر الطاقة التي تحتاجها الخلايا لأداء وظائفها.
جميع الكائنات الحية تستخدم نوعًا من التنفس الخلوي لتكسير العناصر الغذائية من أجل توليد الطاقة. وتكون عادة هذه الطاقة في شكل جزيء يطلق عليه الأدينوسين الثلاثي الفوسفات، وسنتعرض له بمزيد من النقاش بعد ذلك. إذا اعتمد التنفس الخلوي على الأكسجين، نسميه التنفس الهوائي. وإذا لم يعتمد التنفس الخلوي على الأكسجين، نسميه التنفس اللاهوائي. و«لا هوائي» يعني عدم الحاجة إلى الأكسجين. في هذا الفيديو سندرس التنفس الهوائي، وسنبدأ بهذا الجزيء المسمى الأدينوسين الثلاثي الفوسفات. يعرف الأدينوسين الثلاثي الفوسفات اختصارًا بـ ATP. وهو الجزيء المسئول عن توفير الطاقة لجميع العمليات الخلوية في كل الكائنات الحية تقريبًا.
ربما يثير اهتمامك معرفة أن الأدينوسين الثلاثي الفوسفات يتكون من قاعدة الأدينين النيتروجينية وسكر الريبوز، وآمل أن يذكرك هذا بتركيب النيوكليوتيد. ولكن بدلًا من وجود مجموعة واحدة من الفوسفات كما في النيوكليوتيد، يحتوي جزيء الأدينوسين الثلاثي الفوسفات على ثلاث مجموعات، وهذا سبب استخدام كلمة ثلاثي في اسمه. الأدينوسين الثلاثي الفوسفات هو جزيء غني بالطاقة، ما يعني أن هناك الكثير من الطاقة المخزنة داخل روابطه الكيميائية، خاصة هنا بين المجموعتين الثانية والثالثة من الفوسفات. لذلك عندما تحتاج خلايا أجسامنا إلى الطاقة لأداء وظائفها، فإنها تستخدم جزيئًا من الأدينوسين الثلاثي الفوسفات وتكسر هذه المجموعة الأخيرة من الفوسفات، ما يحرر الطاقة المخزنة في هذه الرابطة الكيميائية الغنية بالطاقة. والجزيء المتبقي يطلق عليه الأدينوسين الثنائي الفوسفات، وثنائي هنا تعني وجود مجموعتين.
تحتاج الخلايا إلى الكثير من الطاقة، ويلزمها الكثير من الوقت والموارد لكي تصنع كل ما تحتاجه من الأدينوسين الثلاثي الفوسفات من الصفر. لذا يمكن بدلًا من ذلك إعادة تدوير جزيء الأدينوسين الثلاثي الفوسفات إلى أدينوسين ثنائي الفوسفات والعكس آلاف المرات. ولتوفير الطاقة للعمليات الخلوية، تتحرر الطاقة من الأدينوسين الثلاثي الفوسفات من خلال تكسير مجموعة فوسفات، ما ينتج عنه أدينوسين ثنائي الفوسفات. وجزيء الأدينوسين الثنائي الفوسفات نفسه يمكن تحويله مرة أخرى إلى الأدينوسين الثلاثي الفوسفات من خلال اكتساب مجموعة فوسفات. ويحدث هذا من خلال مجموعة معقدة من التفاعلات الأيضية المعروفة باسم التنفس الخلوي. التنفس الخلوي هو تفاعل كيميائي، ولذلك سنعبر عنه بمعادلة كيميائية. لعلك تعرف من دراستك للكيمياء أن المواد الكيميائية التي على يسار السهم في أي تفاعل كيميائي هي المتفاعلات، والمواد الكيميائية التي على يمين السهم هي النواتج.
ونظرًا لأننا نشرح التنفس الخلوي الهوائي، فنحن نعرف أن أحد المتفاعلات هو الأكسجين. عرفنا أيضًا قبل قليل أن التنفس الخلوي هو عملية تكسير الخلايا للعناصر الغذائية من أجل الحصول على الطاقة. والعنصر الغذائي الذي تعتمد عليه الخلايا من أجل التنفس الخلوي هو الجلوكوز، وهو نوع من السكريات البسيطة. يكسر الأكسجين والجلوكوز ويعاد تشكيلهما في صورة ثاني أكسيد الكربون والماء، وهي عملية تنطلق منها طاقة تستخدم في تكوين الأدينوسين الثلاثي الفوسفات. أي تفاعل كيميائي تنطلق منه طاقة يسمى تفاعلًا طاردًا للحرارة. وبعض الطاقة المتولدة في أثناء التنفس الخلوي تنبعث على هيئة حرارة. ومن المهم أيضًا أن تعرف أن الطاقة في هذه المعادلة الكيميائية تمثل بين قوسين. ويرجع هذا إلى أنه على الرغم من أن الطاقة تطلق من التفاعل الكيميائي، فإنها على وجه الدقة ليست أحد نواتجه.
والآن بعد أن شرحنا المعادلة الكيميائية للتنفس الخلوي باستخدام الكلمات، سنتعرف عليها باستخدام الرموز الكيميائية المناسبة. الرمز الكيميائي للأكسجين هو O2 لأنه يوجد ذرتا أكسجين في كل جزيء أكسجين. والرمز الكيميائي للجلوكوز هو C6H12O6، ويبدو جزيء الجلوكوز بهذا الشكل. إذا عددت الذرات الموجودة في هذا الجزيء، فستجد أن هناك ست ذرات من الكربون، و12 ذرة من الهيدروجين، وست ذرات من الأكسجين. ولتبسيط الأمر، سنمثل مكونات جزيء الجلوكوز بهذا الشكل. الرمز الكيميائي لثاني أكسيد الكربون هو CO2 لأنه يحتوي على ذرة كربون واحدة وذرتي أكسجين. والرمز الكيميائي للماء هو H2O. فجزيء الماء يحتوي على ذرتي هيدروجين وذرة أكسجين واحدة.
وبذلك نكون قد مثلنا معادلة التنفس الخلوي باستخدام الرموز الكيميائية. ولكن عدد الذرات الموجودة في المتفاعلات أكبر من عدد الذرات في النواتج. ولكي تكون هذه المعادلة الكيميائية موزونة، يجب أن يكون عدد ذرات الكربون والهيدروجين والأكسجين في المتفاعلات مماثلًا لعددها في النواتج. ولموازنة هذه المعادلة الكيميائية، سنحتاج إلى إضافة بعض المعاملات. ومن ثم تبدو المعادلة الكيميائية الموزونة بهذا الشكل. يلزم وجود ستة جزيئات من الأكسجين وجزيء واحد من الجلوكوز لإنتاج ستة جزيئات من ثاني أكسيد الكربون وستة جزيئات من الماء، ولتوليد الطاقة التي تحتاجها خلايا أجسامنا لتصنيع الأدينوسين الثلاثي الفوسفات. جرب أن تعد الذرات الموجودة في كلا جانبي المعادلة لتتأكد من أننا جعلنا المعادلة موزونة بالشكل الملائم.
قبل أن ننتقل إلى الأسئلة التدريبية، دعونا نتناول سريعًا العلاقة بين عملية التنفس وعملية التنفس الخلوي. تحدث عملية التنفس الخلوي بشكل أساسي داخل ميتوكوندريا الخلية. والميتوكوندريا هي عضيات لها شكل الفاصولياء وبها غشاء داخلي مطوي وأنواع عديدة من الإنزيمات لتسهيل مجموعة التفاعلات الكيميائية المعقدة التي تحول الجلوكوز والأكسجين إلى ثاني أكسيد الكربون والماء والطاقة، حيث تستخدم هذه الطاقة في إنتاج الأدينوسين الثلاثي الفوسفات الذي يمد جميع العمليات الخلوية بالطاقة اللازمة لها. والجلوكوز هو نوع من السكريات يصنع من العناصر الغذائية التي نحصل عليها من الطعام، بينما يعد الجلوكوز في الخلايا النباتية أحد نواتج عملية البناء الضوئي. والماء الموجود في أجسامنا يعاد تدويره واستخدامه في العديد من الأغراض المختلفة. ولكن ماذا عن الأكسجين وثاني أكسيد الكربون؟
حسنًا، ربما تكون قد خمنت بالفعل. عندما نتنفس، نحصل على الأكسجين من الهواء الذي يدخل إلى رئتينا. ومن الرئتين يضخ الأكسجين إلى كل خلية من خلايا أجسامنا عبر مجرى الدم، حيث تستخدمه الميتوكوندريا لإجراء عملية التنفس الخلوي التي ينتج عنها ثاني أكسيد الكربون في نواتج الفضلات، ويدخل إلى الدم ويضخ إلى الرئتين، وهناك يخرج من أجسامنا عند الزفير. وهذا هو السبب في أن التنفس الذي يحدث في خلايا الجسم والتنفس الذي يحدث في رئتينا يحملان الاسم نفسه.
وهذا أيضًا يفسر لماذا تحتوي الخلايا الأكثر نشاطًا على عدد أكبر من الميتوكوندريا داخلها. على سبيل المثال، يمكنك أن تتوقع أن يكون عدد الميتوكوندريا في الخلايا العضلية أكبر من عددها في خلايا الجلد. وهذا أيضًا يفسر زيادة معدل تنفسك عندما تبذل المزيد من النشاط الجسدي مثل ممارسة التمارين الرياضية. فعندما يزداد نشاطك الجسدي، تحتاج إلى استنشاق المزيد من الأكسجين كي تتمكن الخلايا من صنع المزيد من الأدينوسين الثلاثي الفوسفات للحفاظ على حركة جسمك.
والآن بعد أن تعرفنا على التنفس الهوائي، دعونا نجب على بعض الأسئلة التدريبية معًا.
باستبعاد الطاقة أو الأدينوسين الثلاثي الفوسفات، اكتب المعادلة الكلامية الصحيحة لعملية التنفس الهوائي.
هذا السؤال يطلب منا ذكر المعادلة الكلامية الصحيحة للتنفس الهوائي. ونظرًا لأن الحل النهائي سيكون معادلة كلامية، فلن نستخدم الرموز الكيميائية رغم معرفتنا بفائدتها. وهناك مطلوب آخر في السؤال، وهو استبعاد الطاقة أو الأدينوسين الثلاثي الفوسفات من هذه المعادلة الكلامية. لذلك على الرغم من أننا نعرف أنهما يمثلان الهدف من عملية التنفس الهوائي، فسوف نستبعدهما من الإجابة. وفي المعادلة الكلامية النهائية، يجب أن تكون متفاعلات عملية التنفس الهوائي على الجانب الأيسر من السهم والنواتج على الجانب الأيمن.
للإجابة عن هذا السؤال، دعونا نراجع ما نعرفه عن عملية التنفس الهوائي. نرى هنا طالب مادة أحياء مجتهدًا. وهو يتنفس ويتناول تفاحة كوجبة صحية خفيفة، كما أن قلبه ينبض ليضخ الدم إلى جميع أجزاء جسمه. وكل هذه الأمور مهمة للغاية لعملية التنفس الهوائي. التنفس الخلوي هو العملية التي تتضمن تكسير العناصر الغذائية لإنتاج الطاقة. وكل كائن حي يقوم بنوع ما من التنفس الخلوي. وكلمة هوائي تعني أن هذا النوع المحدد من التنفس الخلوي يعتمد على الأكسجين. لذلك، نعرف أن المتفاعلات يجب أن تتضمن بعض العناصر الغذائية بالإضافة إلى الأكسجين.
لنلق نظرة فاحصة على هذا الطالب وخلايا جسمه. يحصل الطالب على العناصر الغذائية من الطعام الذي يتناوله. وتكسر هذه العناصر في الأمعاء الدقيقة وتمتص في مجرى الدم حيث تنقل إلى خلايا الجسم في صورة جلوكوز بشكل أساسي. يستشنق الطالب أيضًا الأكسجين من الهواء، الذي يدخل إلى الرئتين ويمتص بدوره في مجرى الدم حيث يوزع على خلايا الجسم. تذكر أن كل خلية بها ميتوكوندريا، وهي عضية على شكل حبة الفاصولياء تحدث فيها عملية التنفس الخلوي. والميتوكوندريا لها غشاء داخلي +مطوي وبها أنواع عديدة من الإنزيمات التي تسهل التفاعلات الأيضية المعقدة التي تمكنها من تحويل الأكسجين والجلوكوز إلى ثاني أكسيد الكربون والماء، وتطلق الطاقة التي تستخدم لتكوين الأدينوسين الثلاثي الفوسفات، وهو جزيء مسئول عن توفير الطاقة لأداء جميع الوظائف الأساسية للخلايا.
يعاد تدوير الماء بشكل مكثف، ولكن ثاني أكسيد الكربون ينتشر من الخلايا ويعود إلى مجرى الدم حيث يعاد إلى الرئتين وهناك يتخلص منه في أثناء عملية الزفير. إذن يعمل التنفس على امتصاص الأكسجين والتخلص من ثاني أكسيد الكربون، ويمدنا تناول الطعام بالعناصر الغذائية خاصة الجلوكوز، ويحمل جهازنا الدوري، الذي يتحكم فيه القلب، هذه المواد جميعها من مكان إلى آخر، ما يمكن خلايا الجسم من تصنيع الأدينوسين الثلاثي الفوسفات الذي يوفر الطاقة الخلوية التي تستخدمها الخلايا في أداء وظائفها. لذلك في إجابتنا عن هذا السؤال، سنوضح أن التنفس الهوائي هو عملية تحويل الأكسجين والجلوكوز إلى ثاني أكسيد الكربون والماء، وهذا يؤدي إلى تحرير طاقة تمكن الخلايا من العمل.
لنحل سؤالًا تدريبيًّا آخر.
أي مما يلي صحيح حول العلاقة بين نشاط الخلايا وعدد الميتوكوندريا؟ (أ) كلما كانت الخلية أكثر نشاطًا، انخفض عدد الميتوكوندريا. (ب) - لا يوجد أي علاقة بين نشاط الخلية وعدد الميتوكوندريا فيها. (ج) - كلما كانت الخلية أكثر نشاطًا، زاد عدد الميتوكوندريا.
هذا السؤال يطلب منا قراءة كل عبارة من العبارات الثلاث لنختار العبارة الصحيحة أو المنطبقة على العلاقة بين نشاط الخلية وعدد الميتوكوندريا. لتوضيح المعلومات حول العلاقات بشكل مرئي، يكون من المفيد عادة رسم تمثيل بياني بسيط. سنجعل المحور x يمثل نشاط الخلية، والمحور y يمثل عدد الميتوكوندريا. الاختيار (أ) يذكر أنه كلما زاد نشاط الخلية، انخفض عدد الميتوكوندريا. لذا نتوقع أن يبدو التمثيل البياني بهذا الشكل. الاختيار (ب) يذكر أنه لا يوجد أي علاقة بين نشاط الخلية وعدد الميتوكوندريا. لذا يمكن أن يبدو التمثيل البياني لهذه المعلومة بهذا الشكل. الاختيار (ج) يذكر أنه كلما زاد نشاط الخلية، زاد عدد الميتوكوندريا. لذلك، نتوقع أن يبدو التمثيل البياني بهذا الشكل.
حسنًا، ماذا نعرف عن الميتوكوندريا؟ تذكر أن الميتوكوندريا هي عضيات على شكل حبة الفاصولياء توجد في جميع الخلايا حقيقية النوى تقريبًا. تذكر أيضًا أن الميتوكوندريا هي المكان الذي تجري فيه عملية التنفس الخلوي، وهي عملية تحويل الأكسجين والجلوكوز إلى ثاني أكسيد الكربون والماء، وهي عملية تطلق طاقة. هذه الطاقة تستخدم لإنتاج جزيء يطلق عليه الأدينوسين الثلاثي الفوسفات الذي يوفر الطاقة لأداء جميع الوظائف والأنشطة الخلوية. لذلك إذا كانت الخلية أكثر نشاطًا، فإنها تحتاج إلى المزيد من الطاقة التي تتولد داخل الميتوكوندريا.
وكلما زاد النشاط الخلوي، نتوقع أن يزداد احتياج الخلية للطاقة أيضًا. ونظرًا إلى أن الميتوكوندريا هي مكان إنتاج الطاقة الخلوية من خلال عملية التنفس الخلوي، فمن المنطقي أيضًا أن نتوقع زيادة عددها. وهكذا بالعودة إلى اختيارات الإجابة نجد أن العبارة الصحيحة بشأن العلاقة بين نشاط الخلية وعدد الميتوكوندريا هي أنه كلما زاد نشاط الخلية، زاد عدد الميتوكوندريا.
لنلخص سريعًا ما تعلمناه في هذا الفيديو. لقد تعلمنا أن التنفس الخلوي هو عملية تكسير العناصر الغذائية لتحرير الطاقة وأن كلمة هوائي تعني الاعتماد على استخدام الأكسجين. ومن ثم فإن التنفس الهوائي هو تنفس خلوي يعتمد على استخدام الأكسجين. تعرفنا أيضًا على المعادلات الكيميائية التي تمثل عمليات الأيض المعقدة التي تدخل في عملية التنفس الخلوي. وراجعنا معًا كيف تعمل الرئتان والميتوكوندريا معًا في هذه العملية لإنتاج جزيء يطلق عليه الأدينوسين الثلاثي الفوسفات الذي يوفر الطاقة اللازمة لجميع أنشطة الخلايا تقريبًا.
