تامین انرژی

اکنون که در حال مطالعه این درس هستید، یاخته های بدنتان انرژی مصرف می کنند. این انرژی از کجا و چگونه تامین می شود؟
ورزش و فعالیت های بدنی شدید، سبب می شوند تا احساس گرما کنیم و مقداری آب به شکل عرق از دست بدهیم. با همه تفاوت هایی که بین ما و زرافه وجود دارد؛ انرژی مورد نیاز ما به شیوه یکسانی از غذایی که می خوریم تأمین می شود. در این فصل به فرایندهای آزاد شدن انرژی از ماده مغذی در یاخته ها می پردازیم.

تنفس یاخته ای:
در کتاب زیست شناسی ۱ ،آموختید که نیاز ما به اکسیژن به علت انجام فرایندی به نام تنفس یاخته ای است؛ زیرا در این فرایند ATP تولید می شود؛ مثلا انرژی ذخیره شده در گلوکز در تنفس یاخته ای، برای تشکیل مولکول ATP به کار می رود.

این واکنش، تنفس یاخته ای هوازی را نشان می دهد؛ زیرا تجزیه ماده مغذی و تولید ATP با حضور اکسیژن انجام می شود. تجزیه ماده مغذی و تولید ATP بدون نیاز به اکسیژن نیز انجام می شود که در گفتار بعد به آن می پردازیم.

ATPمولکول پر انرژی:
هیچ جانداری نمی تواند بدون انرژی زنده بماند، رشد و فعالیت کند. حفظ هر یک از ویژگی های جانداران مانند رشد و نمو و تولید مثل به در اختیار داشتن ATP وابسته است.

ATP یا آدنوزین تری فسفات، شکل رایج و قابل استفاده انرژی دریاخته هاست. این نوکلئوتید از باز آلی آدنین، قند پنج کربنی ریبوز (که با هم آدنوزین نامیده می شوند) و سه گروه فسفات تشکیل شده است.

افزوده شدن فسفات به آدنوزین در سه مرحله روی می دهد. در نتیجه در ابتدا AMP( آدنوزین مونو فسفات)، سپسADP( آدنوزین دی فسفات) و در نهایت ATP (آدنوزین تری فسفات) تشکیل می شود.

در شکل زیر تبدیل ATP و ADP را به یکدیگر می بینید. تشکیل ATP از ADP ، با مصرف انرژی و تولید آب و تبدیل آن به ADP همراه با آزاد شدن انرژی و مصرف آب است.

روش های ساخته شدن ATP :
دیدیم که برای ساخته شدن ATP به فسفات نیاز هست. یکی از روش های ساخته شدن ATP برداشته شدن گروه فسفات از یک ترکیب فسفات دار (پیش ماده) و افزودن آن به ADP است. به همین علّت، این روش را ساخته شدن ATP در سطح پیش ماده می نامند.

در کتاب زیست شناسی ۲ با نمونه ای از ساخته شدن ATP در سطح پیش ماده آشنا شده اید، در آنجا دانستید که ماهیچه ها برای انقباض به ATP نیاز دارند و یکی از راه های تأمین آن در ماهیچه ها، برداشت فسفات از مولکول کرآتین فسفات و انتقال آن به ADP است. در این مثال کرآتین فسفات، پیش ماده ای است که فسفات آن برای ساخته شدن ATP به کار می رود.

ساخته شدن اکسایشی و ساخته شدن نوری ATP ، دو روش دیگرند. در ساخته شدن اکسایشی، ATP از یون فسفات و انرژی حاصل از انتقال الکترون ها در راکیزه ساخته می شود که در ادامه این فصل با آن آشنا می شوید. روش دیگر ساخته شدن ATP ، ساخته شدن نوری است که در سبزدیسه انجام می شود.

(یادآوری! تعریف جامع و امروزی اکسایش و کاهش بر اساس داد و ستد الکترون است، از دست دادن الکترون به معنی اکسایش
و گرفتن الکترون به معنی کاهش است.)

زیستن با اکسیژن
اغلب، واژه تنفس یاخته ای را برای تنفس یاخته ای هوازی به کار می برند. در اینجا ما نیز تنفس یاخته ای را به جای تنفس یاخته ای هوازی به کار می بریم.

قند کافت (گلیکولیز):
اولین مرحله تنفس یاخته ای، قند کافت و به معنی تجزیه گلوکز است که در ماده زمینه سیتوپالسم انجام می شود. تجزیه گلوکز در قند کافت، نه به صورت یک باره، بلکه به صورت مرحله ای انجام می شود.برای انجام واکنش های مربوط به تجزیه گلوکز انرژی فعال سازی نیاز هست.

این انرژی از ATP تأمین می شود. از گلوکز و دو مولکول ATP ، قند فروکتوز شش کربنه با دو فسفاتایجاد می شود.از تجزیه این قند، دو قند سه کربنی فسفاته به وجود می آید. هر یک از این قندها با گرفتن یک گروه فسفات به اسیدی سه کربنی دو فسفاته تبدیل می شوند.

هر یک از این مولکول های سه کربنی دو فسفاته در نهایت، به مولکولی سه کربنی به نام پیرووات (بنیان پیروویک اسید) تبدیل می شوند.در این واکنش ها، مولکول های ATP و NADH( نیکوتین آمید آدنین دی نوکلئوتید) به وجود می آیند.

NADH حامل الکترون است، دو نوکلئوتید دارد و از ⁺NADH اضافه الکترون و پروتون تشکیل می شود. ⁺NAD و NADH با گرفتن و از دست دادن الکترون و پروتون، به همدیگر تبدیل می شوند. ⁺NAD با گرفتن الکترون کاهش و NADH با از دست دادن الکترون اکسایش می یابد.

یک الکترون برای خنثی کردن  ⁺NAD به کار می رود. بنابراین محصول به صورت  ⁺NADH + H در واکنش نوشته می شود.

راکیزه مقصد پیرووات
مرحله دیگر تنفس یاخته ای به اکسیژن نیاز دارد و در یوکاریوت ها در راکیزه انجام می شود.راکیزه دو غشا دارد: غشای بیرونی صاف، و غشای درونی آن به داخل چین خورده است. در نتیجه، فضای درون آن به بخش داخلی و بخش بیرونی (فضای بین دو غشا) تقسیم می شود.

راکیزه دنای مستقل از هسته و رِناتَن مخصوص به خود را دارد، بنابراین در آن پروتئین سازی انجام می شود. در دنای راکیزه، ژن های مورد نیاز برای ساخته شدن ِانواعی از پروتئین های مورد نیاز در تنفس یاخته ای وجود دارندراکیزه همراه با یاخته و نیز مستقل از آن تقسیم می شود. به هر حال راکیزه برای انجام نقش خود در تنفس یاخته ای به پروتئین هایی وابسته است که ژن های آنها در هسته قرار دارند و به وسیله رِناتَن های سیتوپلاسمی ساخته می شوند.

اکسایش پیرووات:
گفتیم که در انتهای قند کافت، پیرووات به وجود می آید. این مولکول از طریق انتقال فعال وارد راکیزه می شود و در آنجا اکسایش می یابد. پیرووات در راکیزه یک کربن دی اکسید از دست می دهد و به بنیان استیل تبدیل می شود.استیل با اتصال به مولکولی به نام کوآنزیم A استیل کوآنزیم A را تشکیل می دهد.

در این واکنش NADH نیز به وجود می آید.اکسایش استیل کوآنزیم A در چرخه ای از واکنش های آنزیمی، به نام چرخه ی کِرِبس، در بخش داخلی راکیزه انجام می گیرد.

نکات کنکوری

تنفس یاخته ای

📌 انرژی ذخیره شده در گلوکز (نوعی مونوساکارید) در تنفس یاخته ای، برای تشکیل مولکول ATP (نوعی نوکلئوتید) به کار میرود

📌 تولید ATP (نوعی نوکلئوتید سه فسفاته) در میتوکندری (اندامک دو غشایی) و سیتوسل (ماده زمینه ای سیتوپلاسم) میتواند انجام شود

📌 در تنفس هوازی تجزیة ماده مغذی و تولید ATP با حضور اکسیژن انجام میشود.

📌 همه یاخته های زنده در انسان (به غیر از گلبول قرمز بالغ در خون) دارای میتوکندری و تنفس هوازی هستند

📌 در گلبول قرمز بالغ درانسان ، فقط تنفس بی هوازی انجام میشود.

📌 در یاخته های بی هوازی تجزیة ماده مغذی و تولید ATP بدون نیاز به اکسیژن نیز انجام میشود

📌 تشکیل ATP  در حضور اکسیژن :

📌 یاخته های بی هوازی در کتاب درسی : گلبول قرمز بالغ در انسان + گروهی از باکتری ها

📌 یاخته هوازی با قابلیت تنفس بی هوازی : ماهیچه اسکلتی + مخمر نان

📌 یاخته های همیشه هوازی : یاخته های بافت پوششی + یاخته های بافت عصبی + یاخته های ماهیچه صاف و قلبی + یاخته های استخوانی + یاخته های غضروفی + گلبول های سفید + ماکروفاژ + یاخته دندریتی + ماستوسیت + گیرنده های حواس … +

📌 در جانداران هوازی ، انرژی مورد نیاز به شیوه یکسانی از غذای خورده شده تامین میشود

ATPمولکول پرانرژی

📌 7ویژگی حیات : نظم و ترتیب + هم ایستایی (هومئوستازی) + رشد و نمو + فرایند جذب و استفاده از انرژی + پاسخ به محیط + تولید مثل + سازش با محیط

📌 بخش های تشکیل دهنده نوکلئوتیدATP تامین کننده انرژی : 1- یک عدد باز آلی آدنین نیتروژن دار 2-یک عدد قند پنج کربنی ریبوز( بخش آلی) 3-سه گروه فسفات با بار منفی (بخش معدنی)

📌 یک مولکول آدنوزین: بخش 1 + بخش 2 = باز آلی آدنین + قند ریبوز پنج کربنی

📌 افزوده شدن فسفات به آدنوزین در سه مرحله رخ میدهد

1-درنتیجه در ابتدا AMP (آدنوزین مونو فسفات)

2-سپس ADP (آدنوزین دی فسفات)

 3-در نهایت ATP (آدنوزین تری فسفات) تشکیل میشود.

📌 هیچگاه یک AMP به صورت همزمان دو فسفات دریافت نمیکند

📌 فرآیند های زیر با مصرف ATP انجام می شوند 

-1اگزوسیتوز:

*خروج آنزیم های گوارشی از یاخته سازنده:  (آمیلاز + پپسینوژن + پروتئاز + لیپاز+ …)

*خروج  هورمون های پروتئینی از یاخته سازنده:  (انسولین + گلوکاگون + کلسیتونین + پاراتیروئیدی + گاسترین + سکرتین + آزاد کننده + مهار کننده + اکسیتوسین + ضد ادراری + محرک رشد + محرک تیروئیدی + محرک فوق کلیه + هورمون رشد+ …) (ترشح ناقل عصبی )

-2آندوسیتوز (فاگوسیتوز):

ماکروفاژ + یاخته دندریتی + ماستوسیت + نوتروفیل + مونوسیت + یاخته سرتولی… +

-3گروهی از انتقالهای فعال: (فعالیت پمپ سدیم – پتاسیم)

–4اتصال آمینواسید به tRNAی ویژه خود در سیتوپلاسم

-5فرایند رونویسی (ATP با قند ریبوز) و همانندسازی (ATP با قند دئوکسی ریبوز) که لازم است ATP  دو فسفات از دست بدهد و در رشته در حال ساخت قرار گیرد

📌 در حین تبدیل ADP به ATP ، یک مولکول فسفات مصرف شده و یک پیوند پر انرژی فسفات – فسفات (سنتز آبدهی) تشکیل میشود

📌 وقتی ATP مصرف شده و به ADP یا AMP تبدیل میشود ، بر میزان فسفات آزاد در یاخته افزوده میگردد

📌 یاخته های زنده همیشه در حال تولید و مصرف ATP هستند.

📌 باز آلی آدنین از طریق حلقه 5 ضلعی خود به مونوساکارید ریبوز اتصال یافته است

روش های ساخته شدن ATP

📌 یکی از روش های ساخته شدنِ ATP برداشته شدن گروه فسفات از یک ترکیب فسفات دار (پیشماده) و افزودن آن به ADP است. به همین علت، این روش را ساخته شدن ATP در سطح پیش ماده می نامند.

📌 ساخته شدن ATP در سطح پیش ماده: گلیکولیز (تجزیه ناقص گلوکز و تولید ATP در سیتوسل (ماده زمینه ای سیتوپلاسم)) + برداشتن فسفات از مولکول کراتین فسفات و انتقال آن به ADP

📌 گلیکولیز در تمام یاخته های زنده (حتی گلبول قرمز بالغ در انسان) رخ میدهد.

📌 کراتین فسفات در یاخته های ماهیچه اسکلتی حضور داشته و سبب ساخته شدن ATP در سطح پیش ماده میشود.

📌 انواع ساخت ATP  در سطح پیش ماده ماهیچه اسکلتی : گلیکولیز + مصرف کراتین فسفات + چرخه کربس

📌 انواع  روش های تولید ATP  در ماهیچه اسکلتی : تنفس هوازی + تنفس بی هوازی + مصرف کراتین فسفا

📌 برداشتن فسفات از کراتین فسفات و اضافه کردن به ADP توسط آنزیم انجام میشود. (تولید ATP در سطح پیش ماده)

📌 فرایند گلیکولیز با حضور آنزیم ها انجام میشود. (تولید ATP در سطح پیش ماده)

📌 با ورزش تارهای نوع تند به نوع کند تبدیل میشوند

📌 انواع  روش های تولید ATP  در یاخته هوازی فتوسنتزکننده : در سطح پیش ماده (گلیکولیز) + اکسایشی (زنجیره انتقال الکترون) + نوری (حین فتوسنتز)

📌 سیانوباکتر هوازی ، توانایی فتوسنتز دارد ؛ پس میتواند به هر سه روش ATP بسازد. (باکتری اندامک غشادار ، میتوکندری ، کلروپلاست و … ندارد)

📌 در تمام جانداران امکان تولید ATP بدون حضور میتوکندری (اندامک دو غشایی) وجود دارد

📌 در یاخته یوکاریوتی (میتوکندری دار) ، ساخته شدن اکسایشی ATP نیز رخ میدهد. در ساخته شدن اکسایشی، ATP از یون فسفات و انرژی حاصل از انتقال الکترون ها در راکیزه ساخته میشود

📌 انواع  روش های تولید ATP  در باکتری بی هوازی : گلیکولیز (در سطح پیش ماده و درون سیتوپلاسم)

📌 انواع  روش های تولید ATP  در باکتری هوازی غیرفتوسنتزکننده: گلیکولیز (در سطح پیش ماده و درون سیتوپلاسم) + اکسایشی (مصرف یون فسفات و استفاده از انرژی حاصل از زنجیره انتقال الکترون در غشای پلاسمایی)

📌 انواع  روش های تولید ATP  در باکتری هوازی فتوسنتزکننده: گلیکولیز (در سطح پیش ماده و درون سیتوپلاسم)+ اکسایشی (مصرف یون فسفات و استفاده از انرژی حاصل از زنجیره انتقال الکترون در غشای پلاسمایی) + تولید نوری ATP در حین فتوسنتز

📌 انواع  روش های تولید ATP  در باکتری بی هوازی فتوسنتزکننده: (گلیکولیز در سطح پیش ماده و درون سیتوپلاسم) + تولید نوری ATP در حین فتوسنتز

📌 انواع  روش های تولید ATP  در یاخته یوکاریوتی هوازی : (گلیکولیز در سطح پیش ماده و درون سیتوپلاسم) + اکسایشی (مصرف یون فسفات و استفاده از انرژی حاصل از زنجیره انتقال الکترون در غشای داخلی میتوکندری)

 زیستن با اکسیژن

 📌 NADH حامل الکترون و انرژی است، دو نوکلئوتید دارد و از NAD+به اضافه الکترون و پروتون تشکیل میشود

📌 NAD+ 📌 با گرفتن الکترون کاهش و NADH با از دست دادن الکترون اکسایش می یابد.

📌NAD+  با گرفتن الکترون و پروتون به NADH تبدیل و  NADHبا از دست دادن الکترون و پروتون به NAD+ تبدیل میشود

 NADH 📌 در حمل الکترون ، پروتون و انرژی نقش دارد

📌 بخش های تشکیل دهنده : NADH دو عدد نوکلئوتید ( فسفات ، باز آلی نیتروژندار آدنین ، قند پنج کربنی ریبوز+…)

📌 NADH  در ماده زمینه ای سیتوپلاسم (طی گلیکولیز) و درون میتوکندری (طی اکسایش پیرووات و چرخه کربس) تولید میشود.

📌 همه جانداران و همه یاخته های زنده ، گلیکولیز دارند

📌 گلیکولیز (تجزیه ناقص گلوکز به صورت مرحله ای) در سیتوسل (ماده زمینه ای سیتوپلاسم) انجام میشود.

📌 گلیکولیز (قندکافت) درون میتوکندری رخ نمیدهد

📌 تجزیه گلوکز در قندکافت، نه به صورت یکباره، بلکه به صورت مرحله ای در 4 گام  انجام میشود

📌 گام 1

در گام 1 ، مولکول شش کربنی دو فسفاته (فروکتوزفسفاته) و دو عدد ADP تولید میشود. فروکتوزفسفاته ، ترکیب شش کربنی ناپایدار است.

*مصرف شوندگان در گام 1 : گلوکز (مونوساکارید شش کربنی) + دو عدد ATP

*تولید شوندگان در گام 1 : فروکتوزفسفاته (ترکیب شش کربنی دو فسفاته) + دو عدد ADP

📌 گام 2

در گام 2 ، مولکول فروکتوزفسفاته (6 کربنی دو فسفاته) تجزیه شده و دو عدد قند فسفاته (مولکول سه کربنی یک فسفاته) ایجاد میشود

*مصرف شوندگان در گام 2 : یک عدد فروکتوزفسفاته (ترکیب شش کربنی دو فسفاته)

*تولید شوندگان در گام 2 : دو عدد قندفسفاته (ترکیب سه کربنی یک فسفاته)

📌 در گام 2 مولکول حامل{… + NADH + ATP } تولید یا مصرف نمیشوند

📌 گام 3

 NAD+با گرفتن الکترون کاهش یافته و ترکیب سه کربنی فسفات دار با از دست دادن الکترون اکسایش می یابد

*مصرف شوندگان در گام 3 : دو عدد قند فسفاته (ترکیب سه کربنی ، یک فسفاته) + دو عدد گروه فسفات + دو عدد NAD+

*تولید شوندگان در گام 3 : دو عدد اسید دو فسفاته (سه کربنی دو فسفاته) + دو عدد مولکول حامل الکترونNADH+H⁺

📌 گام 4

تولید پیرووات

*مصرف شوندگان در گام 4 : دو عدد اسید دو فسفاته (ترکیب سه کربنی دو فسفاته) + چهار عدد ADP (نوکلئوتید دو فسفاته)

*تولید شوندگان در گام 4 : دو عدد پیرووات (ترکیب سه کربنی بدون فسفات و آغازگر مرحله بعدی تنفس سلولی) + چهار عدد ATP (رایج ترین شکل انرژی در یاخته)

 📌 همه جانداران دارای گلیکولیز هستند. شروع گلیکولیز همراه با تامین انرژی فعال سازی (مصرف 2 عدد ATP) است

📌 اسید دوفسفاته در گام 3 گلیکولیز در ماده زمینه ای سیتوپلاسم ، تولید میشود. این ترکیب از بیرون یاخته وارد یاخته نمیشود

📌 در حین گلیکولیز ترکیبات مختلف سه کربنی (قندفسفاته + اسید دوفسفاته + پیرووات) تشکیل میشود.

📌 گلیکولیز در غیاب اکسیژن انجام شده و منجر به تولید ATP(مولکول پرانرژی سه فسفاته) ، NADH (مولکول حامل الکترون + پروتون + انرژی) و پیرووات (مولکول سه کربنی بدون فسفات)میشود

📌 در گلیکولیز ، هیچ وقت اکسیژن و CO2 تولید یا مصرف نمی شوند.

📌 به ازای مصرف یک گلوکز در گلیکولیز، دو عدد NAD+ مصرف ، دو عدد NADH تولید ، دو عدد ATP مصرف ، دو عدد ADP تولید ، 4 عدد ADP مصرف و چهار عدد ATP تولید میشود

📌 فسفات های فروکتوز فسفاته از ATP و فسفاتی که در گام 3 مصرف میشود ، از سیتوسل تامین میگردد.

راکیزه مقصد پیرووات

📌 پیرووات (یکی از محصولات گلیکولیز)در حضور اکسیژن وارد راکیزه (میتوکندری) میشود

📌 راکیزه اندامکی بوده که در صورت حضور اکسیژن در آن اکسایش پیرووات ، چرخه کربس و زنجیره انتقال الکترون (تولید اکسایشی ATP) رخ میدهد

📌 راکیزه دو غشا دارد : غشای بیرونی صاف، و غشای درونی آن به داخل چین خورده است. درنتیجه، فضای درون راکیزه به بخش داخلی و بخش بیرونی (فضای بین دو غشا) تقسیم میشود. راکیزه (میتوکندری) ، دارای دو فضا است

📌 در فضای درونی میتوکندری موارد زیر وجود دارد :

*چندین دنای حلقوی (به غشا متصل نیست)

*ریبوزوم با توانایی ترجمه رنای پیک

*آنزیم های رونویسی کننده ویژه خود

*آنزیم های همانندسازی کننده ویژه خود

 *آنزیم های دخیل در تنفس هوازی

*رنای پیک + رنای ناقل

📌 درون فضای درونی میتوکندری ، رونویسی ، همانندسازی ، ترجمه توسط ریبوزوم، تولید آب ، تولید ATP و … رخ میدهد

📌 منشا آنزیم ها و پروتئین های میتوکندری:

*ژن های دناهای حلقوی و ریبوزوم میتوکندری

 *ژن های دناهای خطی و ریبوزوم آزاد در سیتوپلاسم

📌 شبکه آندوپلاسمی زبر و ریبوزوم های متصل به آن ، در ساختن پروتئین های میتوکندری مستقیما نقش ندارند

📌 راکیزه همراه با یاخته و نیز مستقل از آن تقسیم میشود

📌 اگر در فردی هورمون های تیروئیدی T3 + T4 افزایش یابد ، میتواند سبب افزایش تقسیم در میتوکندری ها شود ، در این حالت میزان تکثیر دنای حلقوی ، میزان پروتئین سازی در میتوکندری و تعداد آن در گروهی از یاخته های هدف افزایش می یابد.

📌 زمان تکثیر دناهای حلقوی در میتوکندری: 1-در مرحله G2 چرخه یاخته ای 2 -مستقل از چرخه یاخته ای با توجه به نیاز یاخته

اکسایش پیرووات در میتوکندری

📌 پیرووات در طی گلیکولیز در سیتوپلاسم تولید میشود. پیرووات از طریق انتقال فعال (مصرف انرژی زیستی + به کمک پمپ نوعی پروتئین سراسری) وارد راکیزه میشود و در آنجا اکسایش می یابد.

📌 در طی اکسایش پیرووات ، CO2 ، NADH ، بنیان استیل و استیل کوآنزیم A ، ایجاد میشود اما ATP تولید نمیشود.

📌 پیرووات (سه کربنی بدون فسفات) با از دست دادن الکترون اکسایش و مولکول  NAD+ با دریافت الکترون کاهش می یابد

📌 کوآنزیم A به بنیان استیل (مولکول دو کربنی فاقد فسفات) اتصال یافته و استیل کوآنزیم A را ایجاد میکند. کوآنزیم A به پیرووات متصل نمی شود

📌 اولین CO2 در تنفس هوازی ، طی اکسایش پیرووات تولید میشود

📌 گلیکولیز بدون تولید CO2 انجام میشود