נשימה תאית – סיכום

הפקת האנרגיה בתאים של אורגניזמים שונים נעשית בתהליך המכונה נשימה תאית. תהליך הנשימה התאית הוא תהליך של בעירה איטית הדומה לתהליך שרפת חומר אורגני מחוץ לגוף. במהלכו משתחררת אנרגיה האצורה בחומרים אורגניים. ברוב התאים מתבצעת הנשימה בנוכחות חמצן, זוהי נשימה אירובית  (אווירית). בחלק מהתאים או האורגניזמים מתבצעת הנשימה בהיעדר חמצן, בתהליך של תסיסה, וזוהי נשימה אנאירובית (לא אווירית).

תהליך הנשימה האירובית

הנשימה התאית כוללת שורה ארוכה של תהליכים שבמהלכם משתחררת אנרגיה, משתחררים מימנים (כוח מחזר בתא – NADH₂) ופחמן דו – חמצני CO₂)). היא נעשית בשני שלבים: שלב ראשון – אנאירובי ושלב שני – אירובי. השלב האנאירובי מתבצע בציטופלסמה של התא בהיעדר חמצן, ואילו השלב האירובי מתבצע במיטוכונדריה בנוכחות חמצן.

השלב הראשון, האנאירובי, נקרא גליקוליזה (פירוק גלוקוז). בשלב זה מתפרקת כל מולקולת גלוקוז לשתי מולקולות של חומצה פירובית, תוך שחרור אנרגיה בצורה של ATP.

פירוק הגלוקוז לחומצה פירובית מתבצע בתהליך רב-שלבי הכולל עשר ריאקציות (תגובות) כימיות עוקבות. בריאקציה הראשונה והשלישית מושקעת אנרגיה של ATP (סה"כ שתי מולקולות – אחת לכל ריאקציה). בריאקציה השביעית והעשירית (האחרונה) משתחררות שתי מולקולות של ATP בכל אחת ובסה"כ ארבע מולקולות. אם נזכור שבתחילת התהליך הושקעו שתי מולקולות של ATP, הרי שהרווח האנרגטי נטו מתהליך הגליקוליזה הוא שתי מולקולות של ATP.

בסיכום, ממולקולה המורכבת מששה פחמנים (גלוקוז) מתקבלות שתי מולקולות המורכבות משלושה פחמנים (חומצה פירובית) כל אחת:

השלב השני, האירובי, מורכב משני תהליכים עיקריים:

1. רצף תהליכים מעגלי, הנקרא מעגל חומצת הלימון או מעגל החומצה הציטרית, או מעגל קרבס  (ע"ש החוקר). החומצה הפירובית מתפרקת בשרשרת תהליכים תוך שחרור יוני מימן ופחמן דו חמצני.
2. שרשרת  העברת אלקטרונים או זרחון חמצוני. יוני המימן משחררים אלקטרונים המועברים דרך שורת נשאים (בעזרת אנזימים) למים. בכל מעבר כזה משתחררת מעט אנרגיה. האנרגיה המשתחררת בחלק מהשלבים נלכדת בקשרי ATP.

תוצרי תהליך הנשימה התאית

בתהליך כולו נוצרות 38 מולקולות ATP מפירוק מולקולת גלוקוז אחת. הרווח האנרגטי נטו הוא 36 מולקולות ATP.

אנרגיה          מים   פחמן דו-חמצני      חמצן       גלוקוז

C₆H₁₂O₆ + 6O₂             6CO₂ + 6H₂O + 686 kKal

בסיכום: בנשימה הארובית מבחינים בשלושה שלבים עיקריים:

1. גליקוליזה
2. מעגל קרבס
3. שרשרת העברת אלקטרונים

בנשימה הארובית הגלוקוז מתפרק עד תום לשני תוצרים אי אורגניים שאינם מכילים אנרגיה. כ-45% מהאנרגיה המשתחררת בתהליכי שריפת הגלוקוז בנשימה, הופכים לאנרגית חום. השאר נאצר בקשרים הכימיים במולקולת ה-ATP.

נשימה תאית אנאירובית (תסיסה)

אורגניזמים חד תאיים רבים מפיקים את האנרגיה מגלוקוז ומחומרי מזון אחרים בתהליך אנאירובי (תסיסה). תהליך זה מבוקר על ידי אנזימים מיוחדים האופייניים לאורגניזמים השונים. על פי התוצר הסופי מבדילים בין תהליכי התסיסה. התהליכים העיקריים הם: תסיסה כוהלית ותסיסת חומצת החלב.

השלב הראשון בכל תהליכי התסיסה זהה לשלב הראשון של נשימה אירובית – הגליקוליזה. כאמור, בשלב זה מתפרק הגלוקוז עד לחומצה פירובית. החומצה הפירובית ממשיכה להתפרק עד לקבלת תרכובות שונות בהתאם לאנזימים המצויים בכל אורגניזם. בתסיסה כמו בנשימה האירובית, משתחררת אנרגיה. חלקה משתחרר בצורת חום וחלקה נאצר במולקולות ATP.

תסיסת חומצת החלב: רוב המיקרואורגניזמים מפיקים את האנרגיה מפירוק הגלוקוז לחומצת החלב. המעבר מחומצה פירובית לחומצת החלב הוא ישיר ומזורז על ידי האנזים לקטט דהידרוגנז. בתהליך כולו נוצרות 4 מולקולות ATP מפירוק מולקולת גלוקוז אחת. הרווח האנרגטי נטו הוא ATP2.

נשימה אנאירובית של השריר

בתאי שריר בשעת מאמץ, כמו למשל ריצה, זקוקים תאי השריר לכמות גדולה של חמצן כדי להפיק כמות רבה של אנרגיה. מערכת ההובלה לא מצליחה לספק את כמות החמצן הדרושה. כתוצאה מכך, נוצר בתאי השריר מחסור בחמצן והם לא יכולים להמשיך להפיק אנרגיה בתהליך האירובי. לכן, המשך הפקת האנרגיה נעשה בתהליך האנאירובי בלבד. בתהליך זה החומצה הפירובית הופכת לחומצת חלב המצטברת בשריר. הצטברות זו גורמת לעליית דרגת החומציות (pH) ומונעת את פעילות אנזימי הנשימה הרגישים ל –  pH נמוך. בזמן מנוחה, בנוכחות חמצן שקולט את אטומי המימן, חוזרת ומתחמצנת חומצת החלב לחומצה פירובית. בתהליך כולו נוצרות ארבע מולקולות ATP מפירוק מולקולת גלוקוז אחת. הרווח האנרגטי נטו הוא ATP2.

לסיכום: בשני הסוגים של תהליך הנשימה התאית, האירובית והאנאירובית, מקור האנרגיה הוא גלוקוז. בשניהם יש פליטה של פחמן דו חמצני ובשניהם יש יצירת אנרגיה. אך קיים הפרש גדול בכמות האנרגיה המופקת בשניהם. תהליך הנשימה האירובי יעיל יותר מתהליך הנשימה האנאירובי ומפיק פי 18 יותר מולקולות של ATP ופי כ- 14 יותר קלוריות. הבדל זה נובע מכך שבתהליך הנשימה האירובי מתפרק הגלוקוז עד תום לשני תוצרים אנאורגניים שאינם מכילים אנרגיה, בעוד שבתהליך הנשימה האנאירובי פירוק הגלוקוז הוא חלקי בלבד ותוצרי הפירוק הם חומרים אורגניים האוצרים בתוכם אנרגיה נוספת.

ראו גם: נשימה תאית בצמחים ופוטוסינתזה

חזרה אל: סיכומים בביולוגיה