تنفس یاخته‌ای

تنفس یاخته‌ای مجموعه‌ای از دگرگشت (متابولیزم) یا سوخت‌وسازهایی است که به وسیله تغییرات ترکیبی و تخریبی در موجودات زنده انرژی شیمیایی درون خوراک‌ها را به آدنوزین تری‌فسفات و مواد زاید تبدیل می‌نماید. واکنش‌هایی که در تنفس یاخته‌ای رخ می‌دهند فروگشت یا کاتابولیسم نام دارند که در آن یاخته‌ها، مولکول‌های پیچیده را فرومیشکنند و ویران می‌سازند تا بتوانند از آنها انرژی گرفته و از نیروی آنها بکاهند. از این رو فروگشت یک فرایند برون‌گرمایی (اگزوترمیک) است. فروگشت نیمی از فرایند سوخت‌وساز بدن (دگرگشت یا متابولیسم) را تشکیل می‌دهد. نیمه دیگر فراگشت (آنابولیسم) نام دارد.
مواد خوراکی که توسط یاخته‌های حیوانی و گیاهی برای تنفس یاخته‌ای استفاده می‌گردد شامل قند، اسیدهای آمینه و اسیدهای چرب و مولکول اکسیژن به عنوان یک عامل اکسنده مشترک است. انرژی این مواد خوراکی درون آدنوزین تری‌فسفات دخیره گشته است که سومین گروه فسفات آن دارای پیوند ضعیفی با باقی مولکول خوراکی است که به راحتی شکسته شده و سبب ایجاد پیوندهای قوی‌تری می‌شود، بنابراین انرژی مورد نیاز برای تنفس یاخته‌ای را منتقل می‌نماید که در فرایندهایی در بدن همچون زیست‌ساخت، حرکت، جابه جایی مواد درون بدن و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد.
بازده تئوریک کلی تنفس یاخته‌ای ۳۸ مولکول آدنوزین تری‌فسفات است که بسته به شرایط بدن ممکن است تغییر کند.
تنفس هوازی
تنفس هوازی برای تولید آدنوزین تری‌فسفات به اکسیژن نیاز دارد، گرچه کربوهیدرات، چربی‌ها و پروتئین‌ها نیز می‌توانند به عنوان واکنش دهنده‌ها به هنگام شکستن پیرویک اسید در واکنش قندکافت تولید شوند. در طول واکنش قندکافت و به هنگام چرخه اسید سیتریک پیرویک اسید به میتوکندری وارد می‌شود و طی واکنش‌های چرخه اسید سیتریک به طور کامل اکسیده می‌شود. محصولات تنفس هوازی شامل آب و دای اکسید کربن می‌شود، اما انرژی (الکترون) که تولید می‌شود توسط واکنش فسفرگیری و به وسیله حامل‌های انرژی چون نیکوتین‌آمید آدنین دی‌نوکلئوتید و اف‌ای‌دی که در زنجیره انتقال الکترون در جریان اند برای شکاندن آدنوزین دی‌فسفات و تبدیل آن به آدنوزین تری‌فسفات مورد استفاده قرار می‌گیرد.
واکنش ساده شده:
گرما + C ۶ H ۱۲ O ۶ (s) + 6 O ۲ (g) → ۶ CO ۲ (g) + 6 H ۲ O
G = -۲۸۸۰ kJ در یک مول از C ۶ H ۱۲ O ۶
انرژی آزاد گیبس (G) منفی به این معنا است که این فرایند، فرایند خودبخودی است.
به طور کلی واکنش تنفس هوازی تا ۱۵ برابر کارآمد‌تر از واکنش تنفس بی‌هوازی در یاخته است زیرا واکنش هوازی به ازای هر مولکول گلوکز ۲۹ تا ۳۰ مولکول آدنوزین تری‌فسفات تولید می‌نماید، در حالی که واکنش تنفس غیر هوازی تنها ۲ مولکول آدنوزین تری‌فسفات تولید می‌نماید. گرچه موجوداتی چون متانوژنها آرکی‌باکتریهایی هستند که در شرایط بی‌هوازی، متان را توسط تنفس غیر هوازی بعنوان محصول حتمی متابولیسم تولید می‌کنند و در مقایسه با انسان‌ها تعداد مولکول آدنوزین تری‌فسفات بیشتری را طی واکنش تنفس غیر هوازی تولید می‌کنند.
قندکافت
گلیکولیز یا قندکافت مجموعه‌ای از واکنش‌های درون یاخته‌ای است که توسط آن یک قند شش کربنه (معمولا گلوکز) به ترکیبات کربن‌دار کوچک‌تری (دو مولکول سهکربنه پیروات) شکسته می‌شود و بخشی از انرژی آزاد قند در تشکیل حاملین الکترون مانند ATP، NADH و NADPH ذخیره می‌شود. قندکافت و شناخته‌شده‌ترین مسیر از مسیرهای سوخت و ساز است. قندکافت، خود انواع مختلفی دارد که مهم‌ترین آنها مسیر امبدن - میرهوف و مسیر انتنر - دودروف می‌باشند. به طور کلی مسیر اصلی فروگشت گلوکز در همه انواع یاخته‌ها، مسیر امبدن - میرهوف است. فرایند امبدن - میرهوف در درون سیتوپلاسم یاخته‌های پروکاریوتی و یوکاریوتی انجام می‌شود در حالی که مسیر انتنر - دودروف تنها در پروکاریوت‌ها رخ می‌دهد. بسیاری از اندامگان بی‌هوازی برای تامین انرژی مورد نیاز خود کاملا به قندکافت وابسته‌اند. با توجه به بررسی‌های توالی ژنی بسیاری از جانوران و این که جو اولیه زمین فاقد اکسیژن بوده‌است، پژوهشگران احتمال می‌دهند که قندکافت یکی از ابتدایی‌ترین مسیرهای تولید انرژی از مولکول‌های سوختی آلی باشد.
چرخه اسید سیتریک
چرخه اسید سیتریک که به آن چرخه تری‌کربوکسیلیک اسید و چرخه کربس (به افتخار کاشف آن، هانس کربس) نیز گفته می‌شود، مسیری چرخشی برای اکسایش ریشه‌های استیل به دی‌اکسید کربن است که اولین مرحله آن تشکیل سیترات می‌باشد. چرخه اسید سیتریک نقش بزرگی را در دگرگشت ایفا می‌کند: مسیرهای فروگشت به آن جاری می‌شوند و مسیرهای فراگشت از آن آغاز می‌شوند. ترکیبات میانه چرخه اسید سیتریک، پیش‌سازهای بسیاری از زیست‌مولکول‌ها هستند.
فسفرگیری اکسایشی
فسفرگیری اکسایشی فرایندی آنزیمی است که طی آن مولکول ADP به کمک انتقال الکترون از یک پیش‌ماده به اکسیژن مولکولی، فسفرگیری کرده و ATP تولید می‌شود. این مجموعه واکنش‌ها درون میتوکندری یاخته‌های یوکاریوتی و روی غشای داخلی یاخته‌های پروکاریوتی رخ می‌دهد. این فرایند سنگ بنای ذخیره انرژی در سلولهای اغلب جانداران بخصوص چندسلولیها است.
زنجیره انتقال الکترون
زنجیره انتقال الکترون مجموعه‌ای است از پروتئین‌های پیچیده که انرژی ذخیره شده ناقلین الکترونی حاصل از واکنش‌های اکسیداسیون و احیای یاخته را برای تشکیل ATP و سایر مولکول‌های پرانرژی مصرف می‌کنند. این مجموعه پروتئینی در غشای داخلی میتوکندری، غشای تیلاکوییدی کلروپلاست و غشای پلاسمایی پروکاریوت‌ها دیده می‌شود. کلروپلاست موجود در گیاهان دارای دو لایه غشا بوده که لایه داخلی تشکیل اجزایی به نام تیلاکویید می‌دهد. در غشا تیلاکویدها دو سری مجموعه پروتیی وجود دارد به نام فتوسیستم۱وفتوسیستم۲ که نور ابتدا توسط فتوسیستم ۲ جذب می‌شود. علت نامگذاری آنها مربوط به زمان کشف است نه شروع فعالیت.
ای‌تی‌پی سینتیز
ATP سنتاز نامی کلی برای هر آنزیمی است که می‌تواند با صرف انرژی از آدنوزین دی‌فسفات (ADP) و فسفات غیرآلی آدنوزین تری‌فسفات (ATP) تولید کند. این انرژی معمولا به صورت پروتونی است که در جهت خلاف شیب الکتروشیمیایی حرکت می‌کند. واکنش کلی به صورت زیر است:
ADP + P i → ATP
AMP + 2P → ATP
از آن‌جایی که ای‌تی‌پی متداول‌ترین عامل مبادله انرژی در سلول‌های زیستی است، این آنزیم‌ها اهمیت زیادی در اکثر اندامگان دارند.
تنفس