كيف تحصل الخلية على الطاقة اللازمة للقيام بأنشطتها

عملية حصول الخلية على الطاقة اللازمة للقيام بأنشطتها 

تحصل الخلية على الطاقة اللازمة للقيام بأنشطتها بأكثر من طريقة واعتمادًا على نوع الكائن الحي، وذلك كما يأتي:

• الكائنات ذاتية التغذية

الكائنات ذاتية التغذية (بالإنجليزية: Autotrophic Organisms) مثل النباتات والطحالب، والتي تعمل على تحويل المواد غير العضوية إلى جزيئات حيوية مثل؛ السكريات والدهون باستخدام الطاقة المستمدة من ضوء الشمس أثناء عملية البناء الضوئي.

• الكائنات غير المتجانسة

الكائنات غير المتجانسة (بالإنجليزية: Heterotrophic Organisms) وهي الكائنات التي لا تستطيع تحويل المواد غير العضوية إلى جزيئات حيوية، وبالتالي تحصل على الطاقة بتكسير الروابط الكيميائية في مركبات الكربون التي تنتجها الكائنات ذاتية التغذية، وتجمع الطاقة منها، وهذا ما يسمّى بالتنفس الخلوي.

التنفس الخلوي 

يُكسّر السكر في عملية التنفس الخلوي للحصول على الطاقة، فيتمّ تجديد مركب الطاقة (ATP) من ثنائي فوسفات الأدينوسين (ADP)، وتحدث عملية التنفس الخلوي في الخلايا الحيوانية والنباتية، ومن الجدير بالذكر أنّه يوجد نوعين من التنفس الخلوي، وهما: التنفس الهوائي والتنفس اللاهوائي.

التنفس الهوائي

يُعدّ التنفس الهوائي (بالإنجليزية: Aerobic Respiration) من أنواع التنفس الخلوي التي تحدث في الخلايا النباتية والحيوانية لإنتاج الطاقة، حيث تكون هناك الحاجة لعنصر الأكسجين (O 2 )، فيتفاعل الجلوكوز مع الأكسجين لينتج ثلاثي فوسفات الأدينوسين (ATP) وثاني أكسيد الكربون، والماء، وذلك ضمن التفاعل الكيميائي الآتي:

C6H12O6 6O2 ➝ 6CO2 6H2O 36ATP

لذلك يمكن أكسدة الجلوكوز (C 6 H 12 O 6 ) عبر مجموعة من التفاعلات الأنزيمية لإنتاج ثاني أكسيد الكربون (CO 2 ) والماء (H 2 O)، وذلك عن طريق 3 خطوات:

1. تكسير جزيء الغلوكوز (المكون من 6 ذرات كربون) إلى جزيئين (كلاهما يتكون من 3 ذرات كربون)، بحيث تنتج جزيئات ثلاثي فوسفات الأدينوسين (ATP).
2. دخول الجزيء ثلاثي الكربون في دورة حمض الستريك لإنتاج جزيئات (ATP) ونقل الإلكترونات إلى حاملات الإلكترون.
3. نقل الإلكترونات عبر الغشاء الداخلي للميتوكندريا لإنتاج الكم الأكبر من جزيئات (ATP) عبر عملية الفسفرة المؤكسدة.

التنفس اللاهوائي

هو نوع من أنواع التنفس الخلوي الذي يعرف أيضًا باسم التخمير، وتحدث هذه العملية في الكائنات الحية التي تعيش بأماكن لا يتوفر فيها الأكسجين بسهولة مثل البكتيريا التي تعيش في الكهوف تحت الماء، إذ تستخدم مستقبلات غير عضوية مثل النترات أو الكبريت بدلاً من الأكسجين للقيام بعملية التنفس الخلوي.

تبدأ عملية التخمير بتحلل الجلوكوز للحصول على الطاقة المخزنة بداخله وتحويله إلى ثلاثي فوسفات الأدينوسين (ATP)، لينتج منه كميات قليلة فقط، ويُشار إلى أنّ عملية التنفس اللاهوائي (بالإنجليزية: Anaerobic Respiration) تحدث في خلايا الدم الحمراء للإنسان التي تفتقر إلى الميتوكوندريا.

يمكن استخدام هذه العملية في إنتاج مواد كيميائية مختلفة مثل الإيثانول، وكحول البوتيل، وحمض اللبنيك، وحمض الخليك، وغاز الهيدروجين، ويكون التفاعل في التنفس اللاهوائي للخميرة وفقًا للمعادلة الآتية:

C₆H₁₂O₆ → 2CO₂  2C₂H₆O 2ATP

البناء الضوئي

هي عملية كيميائية حيوية تحدث في الخلايا النباتية فقط وبعض الميكروبات، إذ تُحوّل الكائنات الطاقة المستمدة من ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية، وتقسم عملية البناء الضوئي (بالإنجليزية: Photosynthesis ) إلى نوعين: البناء الضوئي الأكسجيني، والبناء الضوئي غير الأكسجيني.

البناء الضوئي الأكسجيني 

تحتاج الخلية النباتية إلى ضوء الشمس، والأكسجين، والماء، وتحصل عليها من البيئة المحيطة بها للقيام بعملية البناء الضوئي، إذ تحدث هذه العملية داخل خلايا النباتات والبكتيريا الزرقاء التي تحتوي على بلاستيدات خضراء مكوّنة من ثايلاكويدات، وغشاء خارجي، وغشاء داخلي.

يُقسم جزيء الماء في عملية البناء الضوئي الأكسجيني (بالإنجليزية: Oxygenic Photosynthesis) باستخدام الطاقة المتنقلة، مما يؤدي إلى إرسال إلكترون إلى مركز التفاعل، وخروج الأكسجين كناتج ثانوي من هذه العملية.

ثم يقدّم مركز التفاعل إلكتروناته العالية الطاقة إلى حاملات الإلكترونات (ATP NADPH / NADH)، والتي تُستخدم لتخزين الطاقة مؤقتًا، ثم يحوّل ثاني أكسيد الكربون إلى سكريات (غلوكوز)، وبهذا تقوم الخلية النباتية بصنع الغذاء ، ويتبين التفاعل الكيميائي في البناء الضوئي الأكسجيني في المعادلة الآتية:

6CO2 12H2O light energy ➝ C6H12O6 6O2 6H2O

البناء الضوئي غير الأكسجيني 

عندما لا يتواجد الأكسجين فإنّ بعض المركبات التي تحتوي على الكبريت تمنح الإلكترونات اللازمة لاستمرار عملية البناء الضوئي، وبذلك تحدث عملية البناء الضوئي غير الأكسجيني (بالإنجليزية: Anoxygenic Photosynthesis) في خلايا البكتيريا لإنتاج الطاقة اللازمة من أجل القيام بأنشطتها، فيتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع مانح الإلكترون والطاقة الضوئية لينتج الكربوهيدرات والماء.

ويتضّح ذلك من خلال المعادلة الآتية:

CO2 2H2A light energy ➝ [CH2O] 2A H2O

تحصل الخلية على الطاقة اللازمة للقيام بأنشطتها عبر عدة طرق مثل عملية التنفس الخلوي والبناء الضوئي، وفي عملية التنفس الخلوي يتم الحصول على الطاقة بتكسير جزيئات السكر، كما يُقسم التنفس الخلوي إلى نوعين؛ التنفس الهوائي الذي يحتاج لعنصر الأكسجين، والتنفس اللاهوائي الذي يحدث في الأماكن التي لا يتوفّر فيها الأكسجين.

في عملية البناء الضوئي يتمّ تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية داخل خلايا النباتات والكائنات الضوئية، وهي تقسم إلى قسمين؛ البناء الضوئي الأكسجيني، والبناء الضوئي غير الأكسجيني.