تنفس سلولی فرآیندی حیاتی است که به سلول ها اجازه می دهد آدنوزین تری فسفات (ATP)، پول انرژی اولیه سلول را تولید کنند. این مسیر پیچیده بیوشیمیایی شامل مجموعه ای از واکنش ها است که در حضور اکسیژن رخ می دهد و منجر به تولید ATP و دی اکسید کربن می شود. درک جزئیات پیچیده تنفس سلولی و تولید ATP برای درک فرآیندهای اساسی که خود حیات را تامین می کند ضروری است.
تنفس سلولی: بررسی اجمالی
تنفس سلولی مجموعه‌ای از واکنش‌ها و فرآیندهای متابولیک است که در سلول‌های موجودات زنده برای تبدیل انرژی بیوشیمیایی از مواد مغذی به آدنوزین تری فسفات (ATP) و سپس انتشار مواد زائد انجام می‌شود. فرآیند کلی را می توان به سه مرحله اصلی تقسیم کرد: گلیکولیز، چرخه اسید سیتریک (همچنین به عنوان چرخه کربس شناخته می شود)، و فسفوریلاسیون اکسیداتیو.
گلیکولیز
گلیکولیز مرحله اولیه در تنفس سلولی است که در سیتوپلاسم سلول ها اتفاق می افتد. این فرآیند شامل تجزیه گلوکز، یک مولکول قند شش کربنه، به دو مولکول پیروات، یک ترکیب سه کربنه است. اگرچه گلیکولیز می تواند در غیاب اکسیژن رخ دهد، مراحل بعدی تنفس سلولی برای ادامه کارآمد به حضور اکسیژن بستگی دارد.
معادله کلی برای گلیکولیز را می توان به صورت زیر خلاصه کرد:
گلوکز + 2 NAD + + 2 ADP + 2 Pi → 2 پیرووات + 2 NADH + 2 ATP + 2 H2O + 2 H+در طی گلیکولیز، دو مولکول ATP توسط فسفوریلاسیون در سطح بستر تولید می‌شوند و کوآنزیم NAD+ برای تشکیل NADH کاهش می‌یابد. دو مولکول پیروات تولید شده سپس در صورت در دسترس بودن اکسیژن به مرحله بعدی تنفس سلولی می روند.
چرخه اسید سیتریک (چرخه کربس)
چرخه اسید سیتریک، همچنین به عنوان چرخه کربس شناخته می شود، در میتوکندری سلول های یوکاریوتی انجام می شود. این سری از واکنش های شیمیایی تجزیه گلوکز را کامل می کند و حامل های الکترونی پرانرژی مانند NADH و FADH2 تولید می کند. چرخه اسید سیتریک با استیل CoA آغاز می شود که از پیرووات تولید شده در طی گلیکولیز به دست می آید.
واکنش های کلیدی در چرخه اسید سیتریک منجر به تشکیل ATP، NADH و FADH2 علاوه بر انتشار دی اکسید کربن به عنوان یک محصول زائد می شود. معادله کلی چرخه اسید سیتریک را می توان به صورت زیر خلاصه کرد:
استیل کوآ + 3 NAD+ + FAD + ADP + Pi → 2 CO2 + CoA + 3 NADH + FADH2 + ATPپس از تکمیل چرخه اسید سیتریک، حامل های الکترون پرانرژی NADH و FADH2 به مرحله نهایی تنفس سلولی می روند، جایی که الکترون های خود را به زنجیره انتقال الکترون اهدا می کنند.
فسفوریلاسیون اکسیداتیو و زنجیره انتقال الکترون
فسفوریلاسیون اکسیداتیو مکانیسم اصلی است که از طریق آن سلول ها ATP را در حضور اکسیژن تولید می کنند. این فرآیند در غشای داخلی میتوکندری رخ می‌دهد و بر انتقال الکترون‌ها از NADH و FADH2 به اکسیژن مولکولی از طریق مجموعه‌ای از مجتمع‌های پروتئینی معروف به زنجیره انتقال الکترون (ETC) متکی است.
همانطور که الکترون ها از طریق ETC حرکت می کنند، انرژی آزاد می کنند که پمپاژ پروتون ها را از ماتریکس میتوکندری به فضای بین غشایی هدایت می کند و یک گرادیان پروتون ایجاد می کند. سپس این گرادیان تولید ATP را از طریق فرآیندی به نام کیمیوسموز هدایت می کند، جایی که آنزیم ATP سنتاز با استفاده از انرژی پتانسیل ذخیره شده در گرادیان پروتون، ATP تولید می کند.
معادله کلی فسفوریلاسیون اکسیداتیو را می توان به صورت زیر خلاصه کرد:
NADH + FADH2 + ADP + Pi + O2 → NAD+ + FADH + ATP + H2Oبنابراین، از طریق عمل ترکیبی گلیکولیز، چرخه اسید سیتریک و فسفوریلاسیون اکسیداتیو، سلول ها می توانند از انرژی موجود در گلوکز برای تولید ATP استفاده کنند و انرژی لازم را برای فرآیندهای سلولی مختلف فراهم کنند.
تولید ATP و نقش آن در عملکرد سلولی
آدنوزین تری فسفات (ATP) اغلب به عنوان