تنفس:انرژی برای متابولیسم گیاه

[MOHSENEBRAHIMI]

تنفس فرایندی است که انرژی ذخیره شده در مولکولهای الی برای انجام کارمتابولیک را ازادمی کند. فرایندی که در همه سلولهای زنده انجام می شود .سرعت آن بوسیله انزیمها و دی اکسید کربن ازاد شده و آب کنترل می شود. تنفس ،دم و بازدم هوا بوسیله حیوانات مشابه تنفس در گیاهان نیست. حیوانات و گیاهان هر دو تنفس می کنند اما گیاهان مانند حیوانات نفس نمی کشند،سیستم تنفسی اختصاصی دارند. در گیاهان گازها درون گیاه منتشر می شوند.(از میان روزنه ها یا مستقیما در میان سلولهای اپیدرمی) جایی که انها اشغال می کنند در تماس با غشای سلولی مرطوب و سپس حرکت در آب با شیب انتشار بین و در داخل سلولهاست. انتقال دهنده های اختصاصی (از قبیل هموگلوبین در خون انسان )یا اندامهایکمک کننده در انتشار (از قبیل ششها یا آابشش ها) ندارند. گلوکز مولکول شروع کننده تنفس است. همچنین ذخایر دیگر مسیر های متفاوت یا حالت کمپلکس کربوهیدراتها را دنبال می کنند. قبل از تحمل اکسیداسیون تنفسی به گلوکز شکسته می شوند. تنفس می تواند به مراحل زیر تقسیم شود:

• گلیکولیز-یک مولکول گلوکز 6 کربنه به 2 مولکول پیروات 3 کربنه تفکیک می شود. این در سیتوپلاسم همه سلولهای زنده رخ می دهد.
• اگر اکسیژن باشد(تنفس هوازی )پیروات در واکنشهای به شرح ذیل استفاده می شود که در میتوکندری رخ می دهد:
  
  

     چرخه کربس (چرخه اسید سیتریک)در ماتریکس رخ می دهد.

      چرخه انتقال الکترون و فسفریل دار کردن اکسایشی که در میان کریستا رخ می دهد.

• اگر اکسیژن نباشد(تنفس بی هوازی) پیروات در تخمیر استفاده می شود:
  
  

      توليد اسید لاکتیک که در حیوان ،باکتری، قارچ و سلولهای آغازی رخ می دهد.

      تخمیر الکلی که در مخمر و سلولهای گیاهی رخ می دهد.

بازده ترمودینامیک- درصدی از انرژی پتانسیل مولکول گلوکز که با انجام کار در سلولها دریافت می کند- بین 38-22 درصد درتنفس هوازی تغییرمی کند وبطور قبل ملاحظه ای در تنفس غیرهوازی کمتر است.انرژی از دست رفته، گرما آزاد می کند که مقدار ی از آن بوسیله گیاهان در راههای جالبی استفاده می شود. اولین مرحله آزاد کردن انرژی (گلیکولیز) است که در همه ارگانیسم ها الگوی عمومی یکسانی را دنبال می کند.این الگو احتمالا در اوایل حيات در زمین با پروکاریوتهای تک سلولی آغاز شده است، قبل از اینکه اکسیژن مولکولی در اتمسفر فراوان شود و قبل از ظهور ارگانلهای سلولی. فقط بعد از فتوسنتز حجم گاز اتمسفر می تواند زنجیره ﺛانویه واکنشهای تنفسی ایجاد شده در اکسیژنی را که مورد استفاده یک پذیرنده الکترون است تغییر دهد.امروزه هنوز تعدادی از بی هوازی های اجباری و کوچک منحصرا با مسیر گلیکولیز تنفس می کنند، اما بیشتر ارگانیسم های بزرگتر به گلیکولیزفقط برای دوره های کوتاه زمانی که اکسیژن موقتا نیست (برای نمونه ریشه های گیاه در خاکهای سیل زده)یا وقتی اکسیژن نمی تواند به اندازه کافی بسرعت وارد سلولها شود (برای نمونه وقتی که عضلات انسان در طول تمرین سخت کار می کنند) متوسل می شوند.

 تنفس بي هوازي

مراحل بيوشيميايي که در موجودات زنده به موجب آن قندها و ترکيبات مشابه حاصل از تجزيه و هضم غذا شکسته مي شوند تا در غياب اکسيژن انرژي آزاد کنند. تنفس بي هوازي به معناي بدون اکسيژن ناميده مي شود. بنابراين با فرايند پيوسته تنفس هوازي که نياز به حضور اکسيژن دارد متفاوت است. مراحل زندگي مثل رويش و ترميم بافت ها نياز به انرژي دارد و اين انرژي به وسيله شکستن پيوندهاي مولکولهاي آلي مثل قندها و کربوهيدراتها ، که در غذاي هضم شده وجود دارد، به دست مي آيد. انرژي شيميايي با اين مراحل در سلولها آزاد مي شود و به مولکول  ADP منتقل مي شود که به ATP تغيير شکل مي دهد و انرژي ذخيره براي سلول ها را مهيا مي کند.

 محصولات تنفس بي هوازي:

فرايند تنفس بي هوازي شامل سه مرحله ي اصلي شيميايي است. ماده ي آغازگر يا سوخت مولکولي که معمولا يک قند 6 کربني (گلوکز) است. مرحله شيميايي که بوسيله آن اين ترکيب شکسته مي شود و گليکوليز ناميده مي شود. فراورده هاي حاصل از اين مرحله معمولا ترکيباتي مثل لاکتيک اسيد (لاکتات) و پيرويک اسيد (پيروات) يا اتيل الکل (اتانول) هستند. واکنش مي تواند با معادله ي زير بيان شود:

 

C[sub]6[/sub]H[sub]12[/sub]O[sub]6[/sub] → 2C[sub]3[/sub]H[sub]4[/sub]O[sub]3[/sub] + 2H[sub]2[/sub] + energy

 قند و اکسيژن به همراه هم براي تشکيل دو ترکيب سه کربني کوچکتر، هيدروژن و انرژي شيميايي که آزاد مي شود،  واکنش مي كنند.

تنفس بي هوازي در سيتوپلاسم رخ مي دهد و فقط نسبت کوچکي از کل انرژي مولکولهاي سوخت (مثل گلوکز ) را آزاد كرده توليد 8 مولکول پر انرژي ATP مي کند. اگر اکسيژن موجود باشد محصولات گليکوليز مي توانند در مراحل شکسته شدن که نياز به اکسيژن دارد در چرخه کربس يا سيتريک اسيد براي توليد 30 مولکول ATP پرانرژي مورد استفاده قرار گيرد.  به اين طريق گليکوليز اولين مرحله تنفس هوازي مي باشد.

 تنوع تنفس بي هوازي:

مخمرها مي توانند در گليکوليز پيرويک اسيد را به اتيل الکل (اتانول) و کربن دي اکسيد بشکنند به اين فرايند تخمير الکلي مي گويند. تخمير الکل در صنعت آبجوسازي و همچنين پخت نان - در جايي که گاز کربن دي اکسيد  به وسيله تخمير آزاد مي شود و باعث پف کردن نان مي شود- کاربرد دارد.

تنفس بي هوازي بسيار کم کاربرد تر از تنفس هوازي است اما بسياري از موجودات مي توانند آن را به هنگام ضرورت به کار گيرند مخصوصا در زماني که کمبود اکسيژن است ، اينها بي هوازي اختياري ناميده مي شوند و شامل مخمرها و ساير کپک ها و قارچ ها،  باکتري ها، بخشي از زندگي گياهان شامل دانه هاي در حال جوانه زدن و ريشه هاي غوطه ور در آب ، يک سري از کرم هاي خاص و جانوران که در آبهاي راکد يا کف درياها يافت مي شوند و سلول هاي ماهيچه اي پستانداران مي شود.

تعداد کمي از باکتري ها و ميکروبهاي نيز بي هوازي اجباري اند. آنها اصلا نمي توانند از اکسيژن استفاده کنند بلکه ممکن است اکسيژن به شدت برايشان سمي باشد . در سلول هاي ماهيچه اي حيوانات و انسان که به شدت در حال فعاليت هستند گردش خون نمي تواند اکسيژن کافي مورد نياز را وارد آنها کند و تنفس هوازي نمي تواند رخ دهد. تنفس بي هوازي پيرويک اسيد توليد مي کند که آن به لاکتيک اسيد تغيير شکل مي دهد اين شرايط oxygen debt  ناميده مي شود و انباشتگي لاکتيک اسيد ممکن است موجب گرفتگي عضلات شود . وقتي که فعاليت فيزيکي کاهش مي يابد و ميزان اکسيژن مجددا افزوده مي شود، اکسيژن به شکل هوازي شروع به شکستن لاکتيک اسيد مي کند.