Make your own free website on Tripod.com

נשימה תאית

נשימה תאית היא תהליך המשמש להפקת אנרגיה ביצורים חיים.

בתהליך הנשימה התאית מפורקות תרכובות אורגניות, אותן האורגניזם צרך ("אכל") קודם לכן. האנרגיה המשתחררת עם פירוק התרכובות משמשת ליצור הנוקלאוטיד ATP - "מטבע האנרגיה" של כל היצורים החיים.

לתהליך שלושה שלבים:

1.גליקוליזה
גליקוליזה היא מסלול להפקת אנרגיה ביצורים חיים.

הגליקוליזה היא התהליך הבסיסי והראשוני ביותר להפקת אנרגיה במערכות ביולוגיות. העובדה שתהליך זה קיים בכל היצורים החיים, מהחיידק הפשוט ביותר ועד לבני האדם, מוכיחה את קדמוניותו האבולוציונית ואת חשיבותו העליונה לחיים. הגליקוליזה מתרחשת בכל היצורים בציטופלזמת התא. התהליך מורכב משרשרת של 10 תגובות כימיות. החומר המתחיל את התהליך הוא הסוכר גלוקוז; בסופה של סדרת התגובות מפורק הגלוקוז, אשר מכיל 6 אטומי פחמן, לשתי מולקולות פירוּבט - כל אחת מכילה 3 אטומי פחמן. האנרגיה המופקת בתהליך הינה בצורת מולקולות של הנוקלאוטיד ATP - "מטבע האנרגיה" של כל היצורים החיים. במהלך הגליקוליזה מפורקות (נצרכות) שתי מולקולות ATP ומיוצרות ארבע; הרווח האנרגטי הוא, אם כן, שתי מולקולות ATP. היצורים השונים נבדלים זה מזה בדרך בה הם מנצלים את הפירובט, תוצר הגליקוליזה. היצורים האווירניים (אארובים), למשל, מפרקים את הפירובט לחומר הקרוי אצטיל קואנזים A ולפחמן דו-חמצני. הפחמן הדו-חמצני נפלט לסביבה (ואכן, כידוע, היצורים האווירניים, ובכללם האדם, צורכים חמצן ופולטים פחמן דו-חמצני). האצטיל קואנזים A ממשיך לעבור סדרת תגובות מורכבת (מעגל קרבס וזרחון חמצוני), כשבסופה מופקת אנרגיה גבוהה בהרבה מזו המופקת בגליקוליזה (כ-30 מולקולות ATP, בהשוואה ל-2 המופקות בגליקוליזה). יצורים אל-אווירניים (אנארוביים, חיידקים בעיקר) מסתפקים באנרגיה המועטה המספקת להם הגליקוליזה. הפירובט מומר ביצורים אלו לשלל תוצרים סופיים בתהליך הנקרא תסיסה; סוגים שונים של יצורים אנארוביים ממירים את הפירובט לתוצרים שונים (למשל: אתנול, חומץ, חומצת חמאה, חומצת חלב). כפי שניתן לראות, רבים מתוצרי התסיסה משמשים את בני האדם להפקת מזון. היצורים הראשוני על-פני כדור הארץ השתמשו בגליקוליזה באופן בלעדי לשם הפקת אנרגיה. התפתחותם של יצורים אווירניים, אשר פיתחו מסלולים חדשים (מוזכרים לעיל) להפקת אנרגיה, היוותה צעד משמעותי ביותר באבולוציה. יצורים הנסמכים על הגליקוליזה לבדה מפיקים, כאמור, 2 מולקולות ATP מכל מולקולת גלוקוז שהם צורכים; יצורים המשתמשים בזרחון חמצני מפיקים כמות אנרגיה גבוהה פי 15. ללא תוספת אנרגיה זו, לא היו מתפתחים יצורים גדולים, מורכבים ורב-תאיים, שכן הללו זקוקים לאנרגיה רבה, שתהליך הגליקוליזה לבדו לא מסוגל לספק.

2.מעגל קרבס
מעגל קרבס הוא מסלול מטבולי המשמש להפקת אנרגיה ביצורים חיים.

מעגל קרבס, הקרוי על שם הביולוג היהודי-גרמני הנס אדולף קרבס, נקרא גם מעגל חומצת הלימון (או מעגל החומצה הציטרית) ומעגל החומצות הטריקרבוקסיליות (ובקיצור באנגלית: מעגל TCA). ביצורים אווירניים (אארוביים) מהווה מעגל קרבס את השלב השני מתוך שלושה בתהליך הנשימה התאית. לפני המעגל מתרחשת הגליקוליזה; התוצר שלה, פירובט, מומר לאצטיל קואנזים A, אשר מהווה את תחילתו של מעגל קרבס. התוצר של המעגל הוא שני קואנזימים מחוזרים (כלומר - נושאי פרוטונים עודפים); שני אלו עוברים לשלב השלישי של הנשימה, הזרחון החמצוני, שם הם תורמים את הפרוטונים שלהם. מעגל קרבסמעגל קרבס מתרחש במיטוכונדריה ביצורים אוקריוטיים ובציטופלזמה ביצורים פרוקריוטיים. המעגל מורכב משרשרת של 9 תגובות כימיות; בתגובה הראשונה משתתף חומר הנקרא אוקסלואצטט; חומר זה נוצר גם בתגובה האחרונה בשרשרת, ולפיכך מדובר ב"מעגל": אוקסלואצטט מגיב בתחילת המעגל עם אצטיל קואנזים A, וגורם בכך להתנעת התהליך; מולקולת האוקסלואצטט הנוצרת בסוף התהליך יכולה להגיב עם עוד מולקולת אצטיל קואנזים A ולהתניע מעגל חדש; לפיכך, מולקולת אוקסלואצטט אחת יכולה להגיב עם מספר בלתי מוגבל של מולקולות אצטיל קואנזים A. במהלכו של מעגל קרבס נוצרת מולקולה אחת של הנוקלאוטיד GTP - גואנוזין טריפוספט. חומר זה מומר במהרה על-ידי אנזים ל-ATP, "מטבע האנרגיה" של כל היצורים החיים. מהו אם כן הרווח האנרגטי המתקבל במעגל קרבס ממולקולת גלוקוז אחת? מולקולה זו מפורקת בתהליך הגליקוליזה לשתי מולקולות פירובט; כל אחת מהן מומרת לאצטיל קואנזים A, המגיב עם אוקסלואצטט ומתניע את מעגל קרבס, שבסופו מתקבלת מולקולת ATP אחת. לפיכך, על כל מולקולת גלוקוז שאנו צורכים, מתקבלות שתי מולקולות ATP במעגל קרבס. בגליקוליזה מתקבלות גם כן שתי מולקולות ATP; לעומת זאת, בשלב הבא של הנשימה, הזרחון החמצוני, מתקבלות כ-30 מולקולות ATP. ברור, אם כן, שהזרחון החמצוני הוא השלב בו מופקת רוב האנרגיה; הגליקוליזה ומעגל קרבס הינם שלבים מקדימים בלבד.

מעגל קרבס

3.זרחון חימצוני
זרחון חמצוני הוא השלב האחרון בתהליך הנשימה התאית, תהליך המשמש להפקת אנרגיה ביצורים חיים.

הזרחון החמצני, המתרחש תמיד לאחר הגליקוליזה ומעגל קרבס, הוא השלב המכריע, החשוב והיעיל ביותר בנשימה התאית. בהשוואה לשני השלבים הקודמים, בהם מתקבלות מולקולות ATP בודדות, מיוצרות בתהליך הזרחון החמצוני למעלה מ-30 מולקולות ATP על כל מולקולת גלוקוז שנצרכה. להספק עצום זה חשיבות אבולוציונית עליונה: מאז שפיתחו היצורים הארובּיים הראשונים על-פני כדור הארץ את מנגנון הזרחון החמצוני, ועמו בעצם את תהליך הנשימה האווירנית, הפכו היצורים שבאו אחריהם במרוצת הדורות לגדולים יותר ומורכבים יותר. המגוון המרשים הקיים כיום בעולם החי נוצר בעיקר בזכות אותן 30 מולקולות ATP המיוצרות בזרחון החמצוני, אנרגיה שבלעדיה יכולתם של היצורים לגדול ולהתפתח מוגבלת ביותר. כראיה לכך, היצורים היחידים כיום שאינם משתמשים בזרחון חמצוני לשם הפקת אנרגיה הם מיקרואורגניזמים - רובם חיידקים ומיעוטם פרוטיסטים ופטריות.

התהליך:
תהליך הזרחון החמצוני נראה פשוט על פניו: אלקטרונים הנפלטים ממעגל קרבס, השלב הקודם לזרחון החמצוני, נקלטים על-ידי אטומי חמצן. מקורו של החמצן הוא האוויר שהיצור נושם. כשאטום חמצן קולט אלקטרון, הוא פולט אנרגיה; זו משמשת לייצור מולקולות ATP. למעשה מדובר בשרשרת ארוכה של תגובות; זאת חיונית כיוון שהאנרגיה הנפלטת עם חיזור החמצן גבוהה מדי. אם היה מדובר בתהליך בן שלב אחד, היתה רוב האנרגיה מתפזרת בסביבה כחום, ומתבזבזת. במקום זאת, האלקטרונים מועברים אל אטום החמצן דרך מולקולות הנקראות נשאי אלקטרונים. תהליך הזרחון החמצוני מתרחש בתא תמיד על-גבי ממברנה: ביצורים אוקריוטיים מתרחש התהליך בממברנה הפנימית של המיטוכונדריה; ביצורים פרוקריוטיים (חיידקים) מתרחש התהליך על-גבי ממברנת התא עצמו. יצור מולקולת ATP, המהווה את מטרת התהליך, מתרחש כשקבוצת זרחה (פוספט) מתווספת ל-ADP (ראו ערך נוקלאוטיד). ADP, אדנוזין דיפוספט, מכיל שתי קבוצות זרחה; כשנוספת לו קבוצת זרחה שלישית, הוא הופך ל-ATP. תהליך זה, כאמור, צורך אנרגיה, וזאת מתקבלת כתוצאה ממעבר האלקטרונים לאטומי החמצן. הוספת קבוצת הזרחה ל-ADP במקביל להעברת אלקטרונים לאטומי חמצן מקנה לתהליך את שמו: זרחון חמצוני (בלועזית נקרא הזרחון פוֹספוֹרילציה). כיצד מתווספת קבוצת הזרחה ל-ADP? לכך אחראי האנזים סינתטאז ה-ATP, המקובע בתוך ממברנת התא או המיטוכונדריה. האנזים מאפשר מעבר פרוטונים בין שני עברי הממברנה; כשפרוטונים עוברים דרך האנזים בכיוון מפל הריכוזים שלהם, נוצרת אנרגיה חשמלית, אותה מסוגל האנזים לנצל לשם צירוף קבוצות זרחה למולקולות ATP. מניין מגיעים הפרוטונים העוברים דרך סינתטאז ה-ATP? הללו נתרמים על-ידי חלק מנשאי האלקטרונים שהוזכרו לעיל. גם הפרוטונים נקלטים על-ידי החמצן, ביחד עם האלקטרונים, לקבלת מים; מולקולות מים מורכבת, למעשה, מאטום חמצן, שני פרוטונים ושני אלקטרונים (פרוטון ואלקטרון מהווים יחדיו אטום מימן).

משוואת התהליך:

אנרגיה כימית זמינה+C6H12O6+ADP+6O2->6CO2 + 6H2O+ATP

חזרה למעלה