ביולוגיה- נשימה תאית

סיכום נשימה תאית

כל תא חי, חייב לנשום, זה אחד התנאים לקיום חיים. השאלה היא מה קורה בתהליך הזה.

שימו לב! אנחנו מדברים עכשיו על תהליך של הפקת חומר אנא-אורגני מחומר אורגני, אנרגיה מגלוקוז (או חומרים אחרים, אבל אנחנו נתרכז בגלוקוז) וממממש ממממש לא בתהליך של חילוף גזים כמו שמתבצע בריאות.

בואו נתחיל בשאלה שיכולה להישמע הכי טיפשית בעולם אבל היא דיי עושה חזרה על החומר אז זרמו:
למה בכלל צריך אנרגיה בתא?
חלק מהתהליכים בתא הם תהליכים צורכי אנרגיה, משמע דורשים אנרגיה כדי להתקיים. בתהליכים האלו נכללים: העברה פעילה (העברה של חומרים כנגד מפל הריכוזים למשל-משאבות),אנדוציטוזה ואקסוציטוזה (זוכרים את השלפוחיות החמודות שמסיעות חומרים או אל תוך התא או מחוצה לו?), שכפול DNA, מיטוזה, מיוזה, אנזימים שדורשים אנרגיה, שמירה על הומאוסטזיס או בקיצור מלא מלא מלאאאא תהליכים שקורים בתא או בגוף דורשים אנרגיה. את כל האנרגיה הזאת, מספק תהליך הנשימה התאית(מה שעוד יותר מראה לנו עד כמה הוא חשוב).

מאיפה בכלל באה האנרגיה? בתהליך התא מפרק חומר אורגני והופך אותו למולקולות ATP, שהן מולקולות שאוגרות בתוכן אנרגיה. בחומר אורגני יש קשרים בין פחמן לפחמן ובתוך הקשרים האלה יש את האנרגיה.אם אנחנו נצליח  לפרק את הקשרים האלו, אנחנו בעצם נצליח להפיק אנרגיה!

המולוקולה שבה אנחנו משתמשים לכל התהליכים דורשי האנרגיה בתא קרויה ATP (אדנוזין טרי פוספסט- אדונזין שאליו מחוברות שלוש קבוצות זרחה). אם ניקח אותה, ונוציא ממנה קבוצת זרחה אחת, אנחנו נקבל ADP (אדנוזין דו פוספט), ועצם הפירוק וההפרדה של קבוצת הזרחה משחרר אנרגיה. אם נמשיך, וADP נוציא עוד קבוצת זרחה אנחנו נקבל AMP (אדנוזין מונו(חד) פוספט) ושוב הפירוק וההפרדה של קבוצת הזרחה הוא זה ששחרר את האנרגיה.
התא מפרק את המולקולה וככה הוא צורך אנרגיה, וכשהוא מרכיב אותה, הוא בעצם מפיק אנרגיה (ובדיוק על זה אנחנו מיד נדבר).

גליקוליזה- שלב 1

השלב הראשון של הנשימה התאית בנוכחות גלוקוז, קרוי גליקוליזה. השלב הזה מתרחש בציטופלמה (כי אין מקום כיף יותר מזה), והוא כולל 10 שלבים אנזימתיים (כי אי אפשר לעשות שום דבר בלי אנזימים). בשורה התחתונה, מה שקורה בשלב הזה הוא שמולקולת גלוקוז אחת הופכת לשתי מולקולות של חומצה פירובית (או פירובט, same same new name), ונוצרות 4 מולוקלות ATP (שימו לב יש כאן קאץ').

נכנס הגלוקוז לתא, אנחנו משקיעים אנרגיה בשביל לפרק אותו (ליתר דיוק 2 מולוקולות ATP), עכשיו, עשינו 10 שלבים אנזימתיים (שאנחנו בתור תלמידי ביולוגיה חמודים, תמימים ועצלנים פשוט לא צריכים לדעת), ואנחנו יושבים עם גלוקוז שמחולק לשניים.

מולקולה חמודה בשם NAD, שהיא מחמצנת ממש ממש טובה (זה אומר שהיא טובה בלקחת מימנים\אלקטרונים ממולקולות אחרות - ממש כמו ילד בגן), ולוקחת מכל חצי גלוקוז 2 מימנים. עכשיו היא הפכה לNADH. התהליך שבו היא לוקחת את המימנים, הוא תהליך שמשחרר אנרגיה, זה מאפשר ל4 מולקולות ADP להתחבר עם קבוצת זרחה ולהפוך לATP.

אז בסופו של דבר, באמת נוצרו לי 4 מולקולות ATP, אבל השמשתי ב2 בשביל ליצר אותן, אז הרווח שלי מהתהליך הוא רק 2 מולקולות ATP.

ורק כי אני נחמדה אני אסדר את זה בטבלה:

מגיבים	תוצרים
גלוקוז (C6H12O6)	2 חומצות פירוביות (C3H4O3)
2 ATP	שהתפרקו והפכו ל: 2P+2ADP (זה מה שנתן את האנרגיה לקיום התהליך)
4P+4ADP	שהתרכבו והפכו ל: 4ATP
2NAD	שחימצנו חצאי גלוקוז והפכו ל: 2NADH

אז סיימנו את הגליקוליזה, שהתוצרים נטו שלה הם 2ATP ו2NADH, ומה, זהו, כל זה בשביל להפיק 2 מולקולות אנרגיה מסכנות? וואלה לא!

אם יש חמצן, אנחנו נמשיך לעוד שלב בנשימה התאית, ובו נפיק את רוב האנרגיה. מאיפה אפשר להפיק אותה? מהקשרים בין הפחמנים בפירובט כמובן!

שלב 2 - אמנם אין לו שם, אבל אנחנו נקרא לו -התלוי בחמצן

הדבר היפה שנתאר בעוד מספר שורות קורה אך ורק אם יש לי מספיק חמצן בתא, ואם יש לי את האנזימים המתאימים, משמע, גם אם אני שוחהההה בבלון חמצן להנאתי, אבל אין לי את האנזימים לתהליך הזה, אני לא אייצר אנרגיה.

הפעם, אנחנו כבר לא בציטופלסמה אלא הלכנו לאזור השמור למגניבים- המיטוכונדריון (זוכרים שקוראים לו תחנת הכוח של התא? עכשיו תראו למה).

השלב הזה מחולק ל3 חלקים:

החלק הראשון מתרחש ממש בכניסה למיטוכונדריון- החומצה הפירובית לא יכולה סתם ככה להיכנס אל המיטוכונדריון (שהוא כמו מן מועדון נחשק), היא צריכה לחדש את הצבע בשיער, אז היא מתחמצנת שוב, וכמובן שלא נכנסים לבד למועדון, אז כל חומצה פירובית מתחברת עם קו- אנזים A.

החלק השני, קורה בתוך המיטוכונדריון, או ליתר דיוק בנוזל של המיטוכונדריון. בחלק הזה כל החמצון שאפשר לעשות קורה, ומתקבלות 10 מולקולות NADH (תזכרו שכבר נוצרו לנו 2 בגליקוליזה- סה"כ, מגלוקוז אחד קיבלנו 12 NADH).
החלק השלישי מתרחש על הקרומים של המיטוכונדריון,זוכרים שאמרנו שאנחנו חייבים חמצן כדי שהתהליך הזה יקרה? אז הנה הוא בא- מימנים נמסרים ממולקולות NADH אל חמצנים (כי החמצן הוא מחמצן יותר טוב מNADH, הוא כאילו מושך יותר חזק) ובעצם נוצר לנו עכשיו H2O (או בשמו העממי, מים). קודם כל, כדאי שתדעו שלמים שנוצרו עכשיו, בתהליך המטבוליזם הזה, קוראים מים מטבוליים. בתהליך החמצון הזה, עכשיו,בחלק השלישי, נוצרו עוד בערך 30 ATP והוו איזה כיף, כמה אנרגיה יש לי עכשיו!

אוקי, אז התחלנו מגלוקוז חמוד, שמורכב ממימן,פחמן וחמצן. המימן והחמצן הבנו לאן הם הלכו- הם עשו מים מטבוליים, אבל מה קרה לפחמן? הפחמן שלנו גם כן נקשר עם החמצן (שוב, רואים עד כמה הוא חשוב?) ויוצא לנו פחמן דו חמצני, שעובר פשוט לדם ומתמוסס שם .

עוד משהו מאוד נחמד שנוצר לנו כאן זה המון אבל המוןןן חום. אנרגיה שאי אפשר לנצל… באסה, אבל התהליך הזה הוא עדיין מאוד מאוד מאוד יעיל. בחום הזה דרך אגב, בעלי חיים הומאותרמיים, משתמשים כדי לשמור על טמפרטורה יציבה.

והנה מולכם התהליך בשלמותו:

אין סיכום שלם בלי קצת התאמת מבנה לתפקיד אז הנה:

המיטוכונדריון (מלטינית ,אז מיטוכונריה זה הרבים)

המיטוכונדריון הוא אברון עטוף בקרום, בעל צורה מוארכת. בתוכו נמצא נוזל הקרוי מטריקס(כן,כן כמו הסרט), וקרום פנימי מאוד מפותל. על הקרום הזה יש את התהליך שבו המימנים נמסרים אל החמצן. מה עוזר לי שהקרום מאוד מפותל? דברים מפותלים הם בדרך כלל דברים עם יותר שטח פנים. במקרה שלנו, יותר שטח פנים אומר יותר מקום לקיים עליו את מסירת המימנים וזה מייעל את התהליך.

למיטוכנדריון יש מולקולת DNA מעגלית משלו (ממש כמו לחיידק) והוא גם מתרבה באופן עצמאי, זה הוביל לתיאוריה האנדו-סימביוטית- או במילים פשוטות סימביוזה(יחסי הדדיות ווין ווין) תוכית. התיאוריה אומרת שפעם, לפני שנים רבות (לפני שאומת האש החליטה לתקוף), המיטוכונדריון היה חיידק בפני עצמו, שידע לעשות את הנשימה התאית הסופר מגניבה שמביאה מלא ATP, וחיידק אחר בלע אותו (גם למיטוכונדריון יצא מזה משהו בזמנו), ובאבולוציה הוא הפך לחלק בלתי נפרד מהתא.

בואו נזרוק עוד כמה דברים שכדאי לדעת:

סוכרים, חומצות אמיניות וחומצות שומן כולם יכולים להשתתף בתהליך הנשימה התאית- הם פשוט נכנסים בשלבים שונים.

למשל, אם אנחנו נשתמש בחומצות אמיניות, הן יכנסו בשלב השני, והפירוק שלהן יביא גם ליצירת אמוניה (איכסה פיכסה זה קצת הרבה רעיל), שתועבר אח"כ לכבד(תודה לך מערכת ההובלה) ושם היא תהפוך לשתנן שמועבר לכליות (שוב, תודה לך הובלה), ומשם הוא יוצא החוצה (איזה יופי שיש מערכת הפרשה חיצונית).

גם חומצות שומן יכנסו בשלב בשני, ובגלל שיש להן המון פחמנים הן אחלה מקור לייצור אנרגיה.

זה הכי כיף לנשום כשיש חמצן, אבל מה קורה אם אין אותו? או אם יש אותו, אבל אבוי, אין לי את האנזימים המתאימים?

אנחנו הולכים לנשימה אנאירובית- נשימה ללא נוכחות חמצן

יש לנו שני סוגים - תסיסה חלבית ותסיסה כהלית. (תסיסה זה בעצם נשימה אנאירובית)

בואו נתחיל מהחלבית:

את הגליקוליזה עשינו, כי אין לנו איתה בעיה, ועכשיו יש לי 2NADH ו2ATP. אז מה אנחנו עושים ? אם יש את האנזימים המתאימים לתסיסה חלבית, החומצה הפירובית בעצמהההה מחמצנת את NADH, ונוצרת לנו חומצת חלב.

בתאי שריר, בעת מאמץ גופני לפעמים לא מגיע מספיק דם עם מספיק חמצן, אז הם מתחילים לעשות תסיסה חלבית (כי זה האנזימים שיש בתאים האלו) ואז מצטברת חומצה לקטית (חומצת חלב).

עוד מישהו שמתשמש בסוג כזה של תסיסה הם כל מיני חיידקים, שמועילים בטובם, והתסיסה החלבית שלהם היא זו שמכינה לנו את כל מוצרי החלב הטעימים.

מצד שני, יש גם את התסיסה הכהלית :

שוב עשינו את הגליקוליזה, הכל טוב ויפה, אבל אין לי חמצן שיחמצן את NADH, אז שוב החומצה הפירובית מחמצנת אותו, אבל הפעם, האנזימים קצת שונים, והתוצר שייצא הוא אתנול(כוהל).

בו אנחנו מתמשים למשל כדי להכין את האלכוהול שאנחנו כל כך אוהבים.

שימו לב, הנשימה האנאירובית מתרחשת אך ורק בציטופלסמה!

חזרונת קטנה על דברים קשורים אבל לא ממש:

דיברנו מלא על אנזימים, ותהליך הנשימה התאית לא יכול לקרות בלי אנזימים. אבל האנזימים שלנו הם רגישים, יש להם מלא טווחים אופטימליים- טווח טמפרטורות, טווח רמת חומציות,וכל מיני חומרים אחרים גם כן יכולים להשפיע עליהם ולהרוס את המבנה המרחבי שלהם-דנטורציה(באסה), אז כדי שבאמת תמשיך להתקיים הפעילות שלהם, אנחנו חייבים איזה משהו שמגן מפני השינויים האלה,

במיוחד בשביל זה אני מביאה לכם את בופר!
תמיסה, ששומרת על רמת חומציות אחידה פחות או יותר גם בשינויים ברמת החומציות בסביבה.

רק היום בחנויות הנבחרות.

סתם כדי שתיזכרו- קצב פעילות האנזימים נקבע על ידי ריכוז האנזים,ריכוז הסובסטרט וכמובן ריכוז המעכבים.

ועוד פיפס אחרון על אנזימים, אל תשכחו שהם ספציפיים לסובסטרט שלהם - יש ביניהם התאמה- רק חומר שמתאים מבחינה מרחבית לאתר הפעיל של האנזים יוכל להגיב איתו.