ביוכימיה בנשימה סלולרית

נשימה תאית, התהליך שבאמצעותו אורגניזמים משלבים חמצן עם מולקולות מזון, ומסיטים את האנרגיה הכימית בחומרים אלו לפעילות מקיימת חיים ומשליכים אותם, כמוצרי פסולת, פחמן דו חמצני ומים. אורגניזמים שאינם תלויים בחמצן מבדרים את המזון בתהליך שנקרא תסיסה. (לטיפולים ארוכים יותר בהיבטים שונים של הנשימה סלולרית, ראו מחזור חומצה טריקרבוקסילית וחילוף חומרים.)

אצות: נשימה תאית

נשימה תאית באצות, כמו בכל האורגניזמים, היא התהליך שבו מטבוליות מולקולות מזון בכדי להשיג כימיקלים

תפקיד המיטוכונדריה

מטרה אחת להשפלת המזון היא להמיר את האנרגיה הכלולה בקשרים כימיים לתרכובת אדנוזין טריפוספט (ATP) העשירה באנרגיה, הלוכדת את האנרגיה הכימית המתקבלת מהתמוטטות מולקולות מזון ומשחררת אותה לדלק תהליכים סלולריים אחרים. בתאים אוקריוטיים (כלומר, כל תאים או אורגניזמים המחזיקים בגרעין מוגדר בבירור ובאברונים קשורים ממברנה) האנזימים המזרזים את הצעדים האישיים הכרוכים בהנשמה ובשימור אנרגיה ממוקמים בתאים בצורת מוט מאורגנים מאוד הנקראים מיטוכונדריה. במיקרואורגניזמים האנזימים מופיעים כרכיבים של קרום התא. בתא כבד יש כאלף מיטוכונדריה; תאי ביצה גדולים של כמה חוליות הם בעלי עד 200,000.

תהליכים מטבוליים עיקריים

הביולוגים נבדלים זה מזה ביחס לשמות, לתיאורים ולמספר שלבי הנשימה התאית. עם זאת, ניתן לזקק את התהליך הכולל לשלושה שלבים או שלבים מטבוליים מטבוליים: גליקוליזה, מחזור החומצה הטריקארבוקסילית (מחזור TCA) וזרחן חמצוני (זרחן שרשרת נשימתית).

גליקוליזה

גליקוליזה (המכונה גם מסלול הגליקוליטי או מסלול Embden-Meyerhof-Parnas) הוא רצף של 10 תגובות כימיות המתרחשות במרבית התאים המפרק מולקולת גלוקוז לשתי מולקולות פירובטיות (חומצה פירובית). אנרגיה המשתחררת במהלך פירוק גלוקוזה ומולקולות דלק אורגניות אחרות מפחמימות, שומנים וחלבונים במהלך גליקוליזה נלכדת ונשמרת ב- ATP. בנוסף, המתחם ניקוטינאמיד אדנין דינוקלוטייד (NAD ⁺) מומר ל- NADH בשלב זה (ראה להלן). מולקולות פירובט המיוצרות במהלך גליקוליזה נכנסות למיטוכונדריה, שם הן הופכות כל אחת לתרכובת המכונה אצטיל קו-אנזים A, שנכנסת אז למחזור ה- TCA. (מקורות מסוימים רואים את ההמרה של פירובט לאצטיל קו-אנזים A כצעד מובהק, המכונה חמצון פירובט או תגובת המעבר, בתהליך ההנשמה התאית.)

מחזור חומצה טריקארבוקסילית

מחזור ה- TCA (המכונה גם קרבס, או חומצה לימונית, מחזור) ממלא תפקיד מרכזי בפירוק, או קטבוליזם, של מולקולות דלק אורגניות. המחזור מורכב משמונה שלבים המסונבלים על ידי שמונה אנזימים שונים המייצרים אנרגיה במספר שלבים שונים. מרבית האנרגיה המתקבלת ממחזור TCA, לעומת זאת, נלכדת על ידי התרכובות NAD ⁺ והפלין אדרנין דינוקלוטיד (FAD) והומר לאחר מכן ל- ATP. המוצרים של סיבוב בודד של מחזור TCA מורכבים משלוש מולקולות NAD ⁺, המופחתות (בתהליך הוספת מימן, H ⁺) לאותו מספר של מולקולות NADH, ומולקולת FAD אחת, המופחתת באופן דומה ל מולקולה FADH ₂ יחידה. מולקולות אלה ממשיכות לדלק את השלב השלישי של הנשימה התאית, ואילו פחמן דו חמצני, המיוצר גם על ידי מחזור ה- TCA, משתחרר כמוצר פסולת.

זרחן חמצוני

בשלב הזרחן החמצוני, כל זוג אטומי מימן שהוסרו מ- NADH ו- FADH ₂ מספק זוג אלקטרונים שבאמצעות פעולת סדרת המופרוטאינים המכילים ברזל, הציטוכרומים - מפחית בסופו של דבר אטום אחד של חמצן ליצירת מים. בשנת 1951 התגלה כי העברת זוג אלקטרונים אחד לחמצן מביאה להיווצרותן של שלוש מולקולות של ATP.

זרחן חמצוני הוא המנגנון העיקרי שבאמצעותו נשמרים כמויות האנרגיה הגדולות במוצרי המזון וזמינים לרשות התא. סדרת הצעדים באמצעותם זורמים אלקטרונים לחמצן מאפשרת הורדה הדרגתית של האנרגיה של האלקטרונים. חלק זה שלב הזרחן החמצוני נקרא לעיתים שרשרת הובלת האלקטרונים. כמה תיאורים של הנשימה סלולרית המתמקדים בחשיבותה של שרשרת ההובלה האלקטרונית שינו את שם שלב הזרחן החמצוני לשרשרת ההובלה האלקטרונית.