گفتار 1
تأمین انرژی
مقدمه و ضرورت انرژی
هنگامی که در حال مطالعه این درس هستید، یاخته‌های بدن شما به طور مداوم در حال مصرف انرژی‌اند. اما این انرژی از کجا و چگونه تأمین می‌شود؟ چرا فعالیت‌های بدنی شدید مانند ورزش باعث احساس گرما و تعریق می‌شوند؟ بخشی از انرژی حاصل از تغذیه، هنگام استفاده در بدن به گرما تبدیل می‌شود.
با وجود تفاوت‌های آشکار میان انسان و جاندارانی همچون زرافه، روش تأمین انرژی در همه آن‌ها یکسان است. انرژی مورد نیاز ما از غذایی که مصرف می‌کنیم، تأمین شده و در فرآیندهای یاخته‌ای آزاد می‌شود. بخشی از این انرژی در قالب ATP ذخیره شده و مقداری از آن نیز به صورت گرما از دست می‌رود.
در این فصل، به بررسی سازوکارهای آزاد شدن انرژی از مواد مغذی در یاخته‌ها می‌پردازیم.
تنفس یاخته‌ای و انواع آن
تنفس یاخته‌ای
بدن ما برای انجام فعالیت‌های حیاتی به اکسیژن نیاز دارد.
علت این نیاز، انجام فرایندی به نام تنفس یاخته‌ای است که طی آن، مولکول‌های پرانرژی ATP تولید می‌شوند.
در تنفس یاخته‌ای، انرژی ذخیره‌شده در گلوکز برای تشکیل ATP به کار می‌رود.
نیاز بدن به اکسیژن برای انجام این فرآیند، در زیست‌شناسی پایه دهم نیز بررسی شده است.
ورزش و فعالیت‌های بدنی شدید باعث افزایش مصرف انرژی و آزاد شدن گرما می‌شود.
واکنش تنفس یاخته‌ای هوازی:
این واکنش، تنفس یاخته‌ای هوازی را نشان می‌دهد، زیرا در حضور اکسیژن، تجزیه مواد مغذی و تولید ATP انجام می‌شود.
ADP و
در این واکنش به‌عنوان مواد پیش‌ساز برای تشکیل ATP عمل می‌کنند.
در کنار تنفس یاخته‌ای هوازی، نوعی دیگر از تنفس یاخته‌ای نیز وجود دارد که در آن تولید ATP بدون نیاز به اکسیژن صورت می‌گیرد.
در گفتار ۳، به بررسی این نوع تنفس یاخته‌ای (تنفس بی‌هوازی) پرداخته خواهد شد.
انواع تنفس یاخته‌ای
یاخته‌ها می‌توانند برای تولید انرژی از دو مسیر متفاوت استفاده کنند:
یکی مبتنی بر مصرف اکسیژن (تنفس هوازی)
بدون حضور اکسیژن (تنفس بی‌هوازی) که معمولاً در شرایط کم‌اکسیژن فعال می‌شود.
مقایسه تنفس یاخته‌ای هوازی و بی‌هوازی
ویژگی | تنفس هوازی | تنفس بی‌هوازی |
نیاز به اکسیژن | بله (در حضور اکسیژن) | خیر (بدون نیاز به اکسیژن) |
میزان تولید ATP | بیشتر (پرانرژی) | کمتر |
مواد اولیه اصلی | گلوکز، اکسیژن | گلوکز |
تأمین انرژی میان جانداران: تمام جانوران، از جمله انسان و زرافه، انرژی مورد نیاز خود را از مواد غذایی دریافت کرده و با فرایندهای یاخته‌ای، آن را به ATP تبدیل می‌کنند.
ATP مولکول پرانرژی
هیچ جانداری نمی‌تواند بدون انرژی زنده بماند، رشد و فعالیت کند و وجود ATP برای حفظ توانایی‌هایی همچون رشد، تولیدمثل و سایر فعالیت‌های زیستی در جانداران ضروری است؛ زیرا یاخته‌ها برای انجام فعالیت‌های زیستی خود که به صرف انرژی نیاز دارند، از ATP بهره می‌گیرند.
ساختار ATP
ATP که مخفف آدنوزین تری‌فسفات است،یکی از رایج‌ترین اشکال انرژی قابل مصرف در یاخته‌هاست، هرچند شکل‌های دیگری نیز وجود دارد. ATP به‌عنوان نوکلئوتیدی حاوی آدنین، هم در ساختار اسیدهای نوکلئیک مانند RNA نقش دارد و هم عملکردهای حیاتی دیگری در یاخته انجام می‌دهد.
ATP از سه بخش تشکیل شده است:
باز آلی آدنین
قند پنج‌کربنی ریبوز (که همراه با آدنین، آدنوزین را تشکیل می‌دهد)
سه گروه فسفات
آدنوزین: زمانی که باز آلی آدنین به قند ریبوز متصل می‌شود، ساختاری به نام آدنوزین به‌وجود می‌آید.
مراحل تشکیل ATP
افزوده شدن فسفات به آدنوزین در سه مرحله روی می‌دهد و با پیوستن متوالی گروه‌های فسفات انجام می‌شود:
آدنوزین + فسفات: AMP (آدنوزین مونوفسفات)
AMP + فسفات: ADP (آدنوزین دی‌فسفات)
ADP + فسفات: ATP (آدنوزین تری‌فسفات)
شکل 1 - ساخته شدن ATP
تبدیل ATP و ADP به یکدیگر
بین دو مولکول ATP و ADP قابلیت تبدیل متقابل وجود دارد:
در مواقعی که یاخته به انرژی نیاز دارد، مولکول ATP با تجزیه در حضور آب (هیدرولیز) به ADP تبدیل می‌شود و انرژی آزادشده، فعالیت‌های یاخته‌ای را تأمین می‌کند.
ATP در فرایندهای زیستی، به‌ویژه تنفس یاخته‌ای، با استفاده از انرژی آزادشده و پیوند ADP و فسفات ساخته می‌شود.
شکل 2 - تبدیل ADP و ATP به یکدیگر
نقش ATP در فرایندهای زیستی
واکنش‌های انرژی‌خواه همچون ساخت پروتئین، حرکت ماهیچه‌ها و جابجایی مواد از غشا به انرژی نیاز دارند که توسط ATP فراهم می‌شود.
مصرف ATP در سلول‌ها موجب شکسته شدن آن به ADP و فسفات می‌شود و طی این فرایند انرژی آزاد می‌گردد.
روش‌های ساخته شدن ATP
ATP در یاخته‌ها از سه مسیر متفاوت تولید می‌شود: ساخته شدن در سطح پیش‌ماده، ساخته شدن اکسایشی، و ساخته شدن نوری. هر یک از این روش‌ها در شرایط خاصی رخ می‌دهند و نقش مهمی در تأمین انرژی یاخته‌ها دارند.
ساخته شدن ATP در سطح پیش‌ماده
یکی از روش‌های تولید ATP است که در آن یک گروه فسفات از یک ترکیب فسفات‌دار (پیش‌ماده) به ADP منتقل می‌شود.
نمونه‌ای از ساخته شدن ATP در سطح پیش‌ماده
در زیست‌شناسی پایه یازدهم با این روش آشنا شدید:
برای انقباض ماهیچه‌ها، ATP مورد نیاز است.
یکی از راه‌های تأمین آن، انتقال فسفات از کراتین فسفات به ADP است.
در این فرآیند، کراتین فسفات به‌عنوان پیش‌ماده عمل کرده و فسفات موردنیاز را برای تولید ATP فراهم می‌کند.
ساخته شدن ATP در سطح پیش‌ماده در تنفس یاخته‌ای
برخی مراحل در فرایند تنفس یاخته‌ای نیز شامل تولید ATP در سطح پیش‌ماده هستند:
مرحله چهارم قندکافت (گلیکولیز) که در ماده زمینه‌ای سیتوپلاسم رخ می‌دهد. در این مرحله، اسید سه‌کربنی دو فسفاته (پیش‌ماده) فسفات خود را به ADP منتقل می‌کند.
در داخل میتوکندری، بخشی از واکنش‌های چرخه کربس به تولید ATP از طریق انتقال فسفات به ADP اختصاص دارد.
با توجه به اینکه قندکافت (گلیکولیز) مرحله ابتدایی تنفس یاخته‌ای است که در همه یاخته‌ها رخ می‌دهد، می‌توان نتیجه گرفت که ساخته شدن ATP در سطح پیش‌ماده در همه یاخته‌ها وجود دارد.
شکل 3 - ساخته شدن ATP در سطح پیش‌ماده
ساخته شدن اکسایشی ATP
ساخته شدن اکسایشی ATP، روشی است که در آن ATP از یون فسفات و انرژی حاصل از انتقال الکترون‌ها در راکیزه (میتوکندری) ساخته می‌شود. این نوع تولید ATP مختص سلول‌هایی است که از تنفس هوازی بهره می‌برند و در فرایند تنفس یاخته‌ای فعال است. سلول‌هایی که فاقد مسیر تنفس هوازی هستند، برای ساخت ATP به مسیرهای جایگزین متکی هستند.
نکته 1 : ساخته شدن اکسایشی ATP در یاخته‌هایی که تنفس بی‌هوازی دارند، وجود ندارد.
نکته 2 : تولید اکسایشی ATP در یوکاریوت‌ها درون میتوکندری صورت می‌گیرد.
ساخته شدن نوری ATP
در موجوداتی که توانایی انجام فتوسنتز دارند، نوع خاصی از تولید ATP در مرحله نوری این فرایند صورت می‌گیرد. در تیلاکوئیدهای سبزدیسه (کلروپلاست)، انرژی آزادشده از عبور الکترون‌ها در واکنش نوری، به اتصال فسفات به ADP و تولید ATP منجر می‌شود.
مقایسه روش‌های تولید ATP
روش تولید ATP | مکان اصلی | منبع انرژی/فسفات | موجودات هدف | ویژگی‌های کلیدی |
ساخته شدن در سطح پیش‌ماده | سیتوپلاسم (قندکافت)، میتوکندری (چرخه کربس) | انتقال فسفات از پیش‌ماده فسفات‌دار | همه یاخته‌ها | عدم نیاز به اکسیژن |
ساخته شدن اکسایشی | میتوکندری (یوکاریوت)، غشای پلاسمایی (پروکاریوت) | انرژی حاصل از انتقال الکترون‌ها و یون فسفات | یاخته‌های دارای تنفس هوازی | مختص تنفس هوازی |
ساخته شدن نوری | تیلاکوئیدهای سبزدیسه (کلروپلاست) | انرژی آزادشده از عبور الکترون‌ها در واکنش نوری فتوسنتز | موجودات فتوسنتز کننده | متکی به نور، مختص فتوسنتز |