נשימה אירובית: מאפיינים, שלבים ואורגניזמים - ביולוגיה - 2025

הנשימה האירובית או האירובית היא תהליך ביולוגי הכרוך בהשגת אנרגיה של מולקולות אורגניות - בעיקר גלוקוז - על ידי סדרה של תגובות חמצון, איפה את מקבל האלקטרונים הסופי הוא חמצן.

תהליך זה קיים ברוב המוחלט של היצורים האורגניים, ובמיוחד באוקראוטיות. כל בעלי החיים, הצמחים והפטריות נושמים בצורה אירובית. בנוסף, ישנם חיידקים שמגלים מטבוליזם אירובי.

באיקריוטות, המכונות לנשימה סלולרית ממוקמות במיטוכונדריה.
מקור: המכון הלאומי לחקר הגנום האנושי (NHGRI) מביתסדה, ד"ר ארה"ב, באמצעות ויקימדיה

באופן כללי, תהליך קבלת האנרגיה ממולקולת הגלוקוזה מחולק לגליקוליזה (שלב זה נפוץ הן במסלולי האירובי והאנאירובי), במחזור קרבס ושרשרת התחבורה האלקטרונית.

הרעיון של הנשימה אירובית מנוגד לנשימה אנאירובית. באחרון, המקבל הסופי של האלקטרונים הוא חומר אורגני נוסף, שונה מחמצן. זה אופייני לכמה פרוקריוטות.

מה זה חמצן?

לפני שנדון בתהליך הנשימה האירובית, יש לדעת היבטים מסוימים של מולקולת החמצן.

זהו יסוד כימי המיוצג בטבלה המחזורית עם האות O, והמספר האטומי 8. בתנאים סטנדרטיים של טמפרטורה ולחץ, החמצן נוטה להיקשר בזוגות, ומוליך את מולקולת הדיוקסין.

לגז זה, המורכב משני אטומי חמצן, אין צבע, ריח או טעם, והוא מיוצג על ידי הנוסחה O ₂ . באטמוספרה, זהו מרכיב בולט, והכרחי לקיום מרבית צורות החיים על פני האדמה.

הודות לאופי הגזי של החמצן, המולקולה מסוגלת לחצות באופן חופשי את ממברנות התא - הן הממברנה החיצונית המפרידה בין התא לסביבה החוץ תאי, והן ממברנות התאים התאים, כולל מיטוכונדריה.

מאפייני נשימה

תאים משתמשים במולקולות שאנו צורכים בתזונה כמעין "דלק" נשימתי.

הנשימה סלולרית היא התהליך המייצר אנרגיה, בצורה של מולקולות ATP, בהן המולקולות להידרדרות עוברות חמצון והמקבל הסופי של האלקטרונים הוא, ברוב המקרים, מולקולה אורגנית.

תכונה חיונית המאפשרת לבצע תהליכי נשימה היא נוכחותה של שרשרת הובלת אלקטרונים. בהנשמה אירובית, המקבל הסופי לאלקטרונים הוא מולקולת החמצן.

בתנאים רגילים, "דלקים" אלה הם פחמימות או פחמימות ושומנים או ליפידים. מכיוון שהגוף נכנס לתנאים רעועים בגלל חוסר מזון, הוא נוקט את השימוש בחלבונים כדי לנסות לספק את דרישות האנרגיה שלו.

המילה נשימה היא חלק מאוצר המילים שלנו בחיי היומיום. הפעולה של הכנסת אוויר לריאותינו, במחזורים רצופים של נשיפות ושאיפות, אנו מכנים נשימה.

עם זאת, בהקשר הפורמלי של מדעי החיים, פעולה כזו מיועדת למונח אוורור. כך, משתמשים במונח נשימה להתייחס לתהליכים המתרחשים ברמה התאית.

תהליכים (שלבים)

שלבי הנשימה האירובית כוללים את הצעדים הדרושים להפקת אנרגיה ממולקולות אורגניות - במקרה זה נתאר את המקרה של מולקולת הגלוקוזה כדלק נשימתי - עד שהיא מגיעה למקבל החמצן.

מסלול מטבולי מורכב זה מחולק לגליקוליזה, למחזור קרבס ולשרשרת הובלת האלקטרונים:

גליקוליזה

איור 1: גליקוליזה לעומת גלוקונאוגנזה. תגובות ואנזימים מעורבים.

השלב הראשון בפירוק מונומר הגלוקוז הוא גליקוליזה, המכונה גם גליקוליזה. שלב זה אינו דורש ישירות חמצן, והוא קיים כמעט בכל היצורים החיים.

מטרת מסלול מטבולי זה היא המחשוף של גלוקוז לשתי מולקולות של חומצה פירובית, השגת שתי מולקולות אנרגיה נטו (ATP), והפחתת שתי מולקולות של NAD ⁺ .

בנוכחות חמצן, המסלול יכול להמשיך למחזור קרבס ולשרשרת הובלת האלקטרונים. במקרה שנעדר חמצן, המולקולות היו עוברות בדרך התסיסה. במילים אחרות, גליקוליזה היא מסלול מטבולי נפוץ לנשימה אירובית ואנאירובית.

לפני מחזור קרבס, חייבת להתרחש decarboxylation מחמצון של חומצה פירובית. שלב זה מתווך על ידי קומפלקס אנזים חשוב מאוד, הנקרא פירובטה דהידרוגנאז, המבצע את התגובה הנ"ל.

כך, הפירובאט הופך לרדיקל אצטיל שנלכד לאחר מכן על ידי קו אנזים A, האחראי להובלתו למחזור קרבס.

מחזור קרבס

מחזור קרבס, המכונה גם מחזור חומצות לימון או מחזור חומצה טריק-קרבוקסילית, מורכב מסדרה של תגובות ביוכימיות המנותזות על ידי אנזימים ספציפיים המבקשים לשחרר בהדרגה את האנרגיה הכימית שנאמצת בקואנזים אצטיל A.

זהו מסלול המחמצן לחלוטין את מולקולת הפירובט ומתרחש במטריקס של המיטוכונדריה.

מחזור זה מבוסס על סדרה של תגובות חמצון והפחתה המעבירות אנרגיה פוטנציאלית בצורת אלקטרונים לגורמים המקבלים אותם, במיוחד מולקולת NAD ⁺ .

סיכום מחזור קרבס

כל מולקולה של חומצה פירובית מתפרקת לפחמן דו חמצני ומולקולת דו-פחמנית, המכונה קבוצת אצטיל. עם האיחוד לקואנזים A (מוזכר בסעיף הקודם) נוצר קומפלקס אצטיל קואנזים A.

שתי הפחמימות של חומצה פירובית נכנסות למעגל, מתעבות באוקסלואצטט ויוצרות מולקולת ששת פחמן. כך, מתרחשות תגובות שלב חמצוני. הציטראט חוזר לאוקסלואצטט עם ייצור תיאורטי של 2 שומות של פחמן דו חמצני, 3 שומות NADH, 1 של FADH _2, ו 1 שומה של GTP.

מכיוון ששתי מולקולות פירובט נוצרות בגיליקוליזה, מולקולת גלוקוז אחת כוללת שתי סיבובים של מחזור קרבס.

שרשרת העברת אלקטרונים

שרשרת תובלה אלקטרונית מורכבת מרצף של חלבונים שיש להם יכולת לבצע תגובות חמצון והפחתה.

מעבר האלקטרונים דרך מתחמי החלבון הללו מביא לשחרור הדרגתי של אנרגיה המשמשת בהמשך לייצור ATP על ידי כימוזמוטיקה. חשוב לציין שתגובת השרשרת האחרונה היא מהסוג הבלתי הפיך.

באורגניזמים אאוקריוטים, שיש להם תאים תת-תאיים, יסודות שרשרת הטרנספורטר מעוגנים לקרום המיטוכונדריה. בפרוקריוטות, חסרות תאים אלה, יסודות השרשרת ממוקמים בקרום הפלזמה של התא.

התגובות של שרשרת זו מובילות להיווצרות ATP, דרך האנרגיה המתקבלת על ידי עקירת מימן דרך הובלות, עד שהיא מגיעה למקבל הסופי: חמצן, תגובה המייצרת מים.

שיעורים של מולקולות נשאות

השרשרת מורכבת משלוש גרסאות מסוע. המחלקה הראשונה הם פלבופרוטאינים, המאופיינים בנוכחות פלבין. טרנספורטר מסוג זה יכול לבצע שני סוגים של תגובות, הן הפחתה והן חמצון, לחילופין.

הסוג השני מורכב מציטוכרומים. לחלבונים אלה יש קבוצת hem (כמו זו של המוגלובין), שיכולה להציג מצבי חמצון שונים.

המחלקה האחרונה של הטרנספורטר היא ubiquinone, המכונה גם קו אנזים Q. מולקולות אלה אינן חלבון בטבען.

אורגניזמים עם נשימה אירובית

לרוב האורגניזמים החיים יש נשימה אירובית. זה אופייני לאורגניזמים אוקריוטיים (יצורים עם גרעין אמיתי בתאים שלהם, תוחמים על ידי קרום). כל בעלי החיים, הצמחים והפטריות נושמים בצורה אירובית.

בעלי חיים ופטריות הם אורגניזמים הטרוטרופיים, מה שאומר שצריך לצרוך באופן פעיל את "הדלק" שישמש במסלול חילוף החומרים של הנשימה. בניגוד לצמחים, שיש להם יכולת לייצר מזון משלהם באמצעות פוטוסינתזה.

כמה סוגים של פרוקריוטים זקוקים גם לחמצן לצורך הנשמתם. באופן ספציפי, ישנם חיידקים אירוביים קפדניים - כלומר הם גדלים רק בסביבות עשירות חמצן, כמו pseudomonas.

לסוגים אחרים של חיידקים יש את היכולת לשנות את חילוף החומרים שלהם מאירובי לאנאירובי על בסיס תנאים סביבתיים, כמו סלמונלה. בפרוקריוטות, היותם אירובי או אנאירובי הוא מאפיין חשוב לסיווגם.

הבדלים מהנשמה אנאירובית

התהליך ההפוך לנשימה אירובית הוא המצב האנאירובי. ההבדל הבולט ביותר בין השניים הוא השימוש בחמצן כמקבל האלקטרונים הסופי. נשימה אנאירובית משתמשת במולקולות אנאורגניות אחרות כקולטנים.

יתר על כן, בנשימה אנאירובית התוצר הסופי של התגובות הוא מולקולה שעדיין יש לה פוטנציאל להמשיך להתחמצן. לדוגמא, חומצה לקטית שנוצרה בשרירים במהלך התסיסה. לעומת זאת, תוצרי הקצה של הנשימה אירובית הם פחמן דו חמצני ומים.

ישנם גם הבדלים מבחינה אנרגטית. במסלול האנאירובי מיוצרים רק שתי מולקולות ATP (המתאימות למסלול הגליקוליטי) ואילו בהנשמה אירובית התוצר הסופי הוא בדרך כלל כ- 38 מולקולות ATP - וזה הבדל משמעותי.

הפניות

1. קמפבל, ח"כ ופארל, SO (2011). בִּיוֹכִימִיָה. המהדורה השישית. תומסון. ברוקס / קול.
2. קרטיס, ח. (2006). הזמנה לביולוגיה. המהדורה השישית. בואנוס איירס: רפואה פאן-אמריקאית.
3. Estrada, E & Aranzábal, M. (2002). אטלס של היסטולוגיית חוליות. האוניברסיטה האוטונומית הלאומית במקסיקו. עמוד 173.
4. הול, ג'יי (2011). אמנת הפיזיולוגיה הרפואית. ניו יורק: Elsevier Health Sciences.
5. Harisha, S. (2005). מבוא לביוטכנולוגיה מעשית. ניו דלהי: חומת אש מדיה.
6. היל, ר '(2006). פיזיולוגיה של בעלי חיים. מדריד: פאן-אמריקאית רפואית.
7. Iglesias, B., Martín, M. & Prieto, J. (2007). בסיסי הפיזיולוגיה. מדריד: טבר.
8. Koolman, J., & Röhm, KH (2005). ביוכימיה: טקסט ואטלס. פנמריקנית רפואית אד.
9. Vasudevan, D. & Sreekumari S. (2012). טקסט ביוכימיה לסטודנטים לרפואה. המהדורה השישית. מקסיקו: JP Medical Ltd.