مقدمة
عمليات الأيض والحصول على الأغذية واكتساب الطاقة وفقدها، وغيرها من عمليات حيوية، كل هذه عمليات بُنيت عليها الأسس العلمية للنباتات ، حتى وقد تم مقارنة العمليات خاصة النبات بتلك التي تقوم بها الحيوانات بأنواعها، وهناك عمليات تحدث ليلاٌ وأخرى نهاراٌ، ومنها ما قد يحدث داخل الخلية فيسمى خلوي، ومنها ما هو ليس خلوي أي أنه العملية التي قامت بها النبتة لم تتم في داخل الخلية، ومن أهم هذه العمليات هي عملية تسمى عملية التنفس الخلوي، فماذا تعني هذه العملية؟ وماذا يحدث في مراحلها؟ وما هي المخرجات التي يتم انتاجها من هذه العملية؟
عملية التنفس الخلوي
عبارة عن مجموعة من التفاعلات الحيوية "أي التي تتم في الخلية" التي تعتبر على شكل سلسلة مترابطة ومرتبة، حيث تقوم النباتات فيها بتحطيم الجزيئات العضوية والمركبات صعبة التحليل وتحويلها إلى طاقة يستفيد بها النبات، وتحدث هذه العملية ليلاٌ، وتتم هذه العملية في جزء من الخلية يسمى الميتوكندريا، حيث تعتبر مركز إنتاج الطاقة في الخلية.
أهمية التنفس الخلوي
تساعد العملية على حفظ درجة الحرارة للجسم، حيث لها دور كبير في إعطاء الثبات للحرارة، الهدف الأهم من العملية وهو الحصول على الطاقة التي تنتج من تحليل تلك المركبات العضوية، ومن أشكال الطاقة المنتجة: (الجلكوز) وتستخدم لتساعد بالقيام بالنشاطات داخل الخلية. تلعب دوراٌ كبيراٌ في توفير وبناء الهيكل الكربوني المهم لعملية البناء الضوئي في النباتات.
مراحل التنفس الخلوي
تمر عملية التنفس بعدة مراحل، وتم تقسيمها إلى أ{بعة مراحل ليسهل فهمها ودراستها ولتوضح كيف تتم العملية بشكل واضح، وهذه المراحل هي:
مرحلة التحلل السكري
ومن المميز بهذه المرحلة أنها تحدث في جميع الكائنات الحية، حتى تلك التي تتنفس لاهوائياٌ، أما عن المكان الذي يتم في التفاعل فتقوم بكل تفاعلاتها في جزء يسمى السيتوسول وهو عبارة عن السائل داخل السيتوبلازم، وتتم التفاعلات في السيتوسول على وجه الخصوص لما فيه من انزيمات محفزة ومساعدة لهذه التفاعلات. وتبدأ هذه المرحلة خطوة إنتاج جزأين من حمض البير وفيك، الذين يتم انتاجهما نتيجة دخول الغلوكوز للخلية وتحلله لهذين الجزأين بعد مروره بعدة تفاعلات، ومن نتائج هذه التجربة طاقة، حمض بيروفيك، ونواقل هيدروجينية تنتج طاقة.
مرحلة إنتاج أستيل مرافق إنزيم "أ"
وهي المرحلة التي يتم فيها تحول حمض البيروفيك لهذا لمرافق الإنزيم هذا، ومن شروط هذه المرحلة هو وجود الأكسجين، وفي حال توفر الأكسجين يتحول حمض البيروفيك إلى مجموعة أستيل ويعمل على انتاج ثاني أكسيد الكربون، وهذا بعد دخوله إلى ما يسمى بالميتوكندريون، وبوجود مرافق الإنزيم "أ" المتواجد داخل الميتوكندريون يتحد مع تلك الجزئيات منتجاٌ ما يسمى بمرافق الإنزيم، ومن نواتج هذه المرحلة غاز ثاني اكسيد الكربون أولاٌ، ثم نواقل هيدروجينية، كما والحصول على مرافق إنزيم "أ".
مرحلة كربس "حلقة كربس"
وهذه المرحلة عبارة عن عملية متواصلة لهذه تم وصفها بالحلقة، فيتحد الناتج من المرحلة الثانية مع مركب فيه أربع ذرات كربون، فيتحدا سوياٌ وينتجا مركباٌ جديداٌ سداسي الكربون، وبعد ذلك تبدأ عمليات تفاعلات الأكسدة، والتي تعمل على إعادة ترتيب الذرات من جديد، وتتواصل العملية مراراٌ، ومن نواتج العملية ثاني أكسيد الكربون، نواقل هيدروجينية، وجزئيات طاقة، وبالنسبة للنواقل الموجودة في جميع المراحل فيستقبلها نوعان من النواقل الكيميائية ولكل منهما المنتج الجديد بعد أن يتحدا سوياٌ.
مرحلة نقل الالكترونات
هناك مجموعة من الإنزيمات والبروتينات الموجودة في الغشاء الداخلي لجزيء الميتوكندريا، وهذه الانزيمات عبارة عن مكونات لنواقل تكون موجودة ومتمركزة داخل ذاك الغشاء، ولهذه المرحلة خطوات مهمة في نقل الالكترونات، ففيها يتم انتاج جزئيات الطاقة والنقل في آن واحد وهذه الخطوات هي: تبدأ أولى خطوات هذه السلسلة بنقل ما يسمى بالإلكترونات بالإضافة إلى أيونات الهيدروجين، من مكانها وهو "النواقل الكيميائية"، وتبدأ تمر عبر سلسلة نقل الالكترون، وتفقد هذه الجزيئات جزءٌ من طاقتها التي تحمل، والجزء الآخر من الطاقة يتم استخدامه في نقل أيونات الهيدروجين، إذ أنها تمر عبر الحيز بين الغشائي حتى يرتفع نسبة التركيز، ثم تعود هذه الأيونات "أيونات الهيدروجين" كي تنتقل عبر إنزيم بناء الطاقة في الجزيئات، فتعمل على تنشيط الجزئيات فيها، هذه الخطوات الأربع هي تلخيص بسيط لما يحدث في عملية التنفس الخلوي.
مظاهر أخرى لعملية التنفس الخلوي
التخمر
وفي خضم دراستك لعملية التنفس الخلوي، وماهيتها وكيف تتم هذه العملية، وبعد أن تتبعت جميع خطوات هذه العملية ومراحلها، يجدر بك ألا تنهي قراءتك للموضوع إلا وقد أحطت عقلك بمعلومات حول ظاهر التخمر، فماذا تعني كلمة التخمر وما هو؟ وهل للتخمر من أنواع؟ وإن أتينا لنصيغ تعريفاٌ لظاهرة التخمر، يمكنك بعد الاطلاع على ما توصل إليه العلماء، الإجابة وبكل يسر على السؤال، فالتخمر هو عبارة عن تحليل المواد والمركبة العضوية صعبة التحليل، ولكن عند اختلال الشرط الرئيسي لتحقق عملية التنفس وهو وجود الأكسجين، فتتم عمليا التخمر في حال عدم وجود الأوكسجين، وهناك نوعان له وهما التخمر اللبني، والتخمر الكحولي.
التخمر اللبني
في هذا النوع من التخمر، اختزال الحمض ، ولكن دون وجحود الأكسجين فيتم تحويل البيروفيك لحمض اللبن نتيجة اختزاله باستخدام الهيدروجين وليس الأكسجين، ويكثر هذا النوع من التخمر في بعض أنواع البكتيريا، وبعض الخلايا العضلية كما قد تم الاجماع عليه.
التخمر الكحولي
وقد تسمية هذا النوع من التخمر إلى الكحولي؛ لأن يعمل على إنتاج كحول الايثانول، وتتم عملية التخمر الكحولي بخطوتين أساسيتين وهما: يتم نزع جزئ ثاني أكيد الكربون من حمض البيروفيك، حتى ينتج لدينا ما يسما أستالدهايد. اختزال "أستالداهايد" بواسطة الحوامل الهيدروجينية، ويتم تحويله إلى مركب الإيثانول، ومن هذه الخطوة يتم توليد الطاقة اللازمة لعملية التحليل السكري، ويستخدم أيضاً التخمر في بعض أنواع البكتيريا، ويمكن استخدام هذه الكائنات في صناعات كحولية.
التكامل بين البناء الضوئي والتنفس الخلوي
فرغم أن لكل من العمليات لها إنتاجها ودورها التي تقوم به، ومساعدها للخلية وللنبات بشكل عام، إلا أن هناك روابط وتكامل لهاتين العمليتين سوياٌ، ومن خلال فهمك لكل من معادلة التنفس الخلوي ونواتجها، ومعادلة البناء الضوئي وما تنتجه تجدنا نستنتج ما يلي:
- أن المواد التي تنتج من عملية البناء الضوئي أي النواتج تعتبر مواد داخلة في عملية التنفس الخلوي، أما المواد الداخلة في عملية البناء الضوئي فهي مواد ناتجة لعملية التنفس الخلوي.
- يتم استخدام مرحلة سلسلة نقل الالكترونات، في مرحلتي التنفس والبناء الضوئي، لإنتاج الطاقة.
- تحتوي كل من حلقتا كربس وكالفن عملية إعادة ترتيب ذرات الكربون في مركبات عضوية، وتعدان مصدراً للهيكل الكربوني الذي يستخدم في تفاعلات البناء الحيوية.
- هناك بعض النواتج في العمليتين متشابهة.
- جزئ ثاني أكسيد الكربون يعمل على الربط بين حلقتين كربس وكالفن.
وفي حقيقة الأمر أن العمليات الحيوية التي تحدث نجد معظمها مترابطة مع بعضها، فقد تكون أحداهما نتيجة للأخرى أو سبباٌ لها أو ما شابه ذلك، فكل العمليات الحيوية لها دور كبير في إنتاج الطاقة الازمة للنبات وكي يستطيع القيام بالعمليات الأخرى التي تحتاجها النباتات بشكلٍ ضروري ويومي وبشكلٍ مستمر داخل الخلية.
