التنفس اللاهوائي Anaerobic Respiration

تنفذ جميع الميكروبات حقيقية النواة eukaryotic microbes تقريباً، وكذلك الحيوانات والنباتات متعددة الخلايا multicellular animals and plants، التنفس الهوائي aerobic respiration، باستخدام الأكسجين oxygen كمستقبل نهائي للإلكترون في سلسلة نقل الإلكترون electron transport chain. ومع ذلك، توجد العديد من الكائنات البكتيرية والأركية bacterial and archaeal organisms في بيئات environments حيث الأكسجين نادر، كما هو الحال في التربة الرطبة والمياه، وداخل الأجهزة الهضمية digestive tracts للإنسان والحيوان. في هذه البيئات، طورت الكائنات عملية تنفسية تسمى التنفس اللاهوائي anaerobic respiration التي تعتمد على مستقبلات إلكترون طرفية، عادة غير عضوية inorganic، أخرى غير الأكسجين لإنتاج أدينوسين ثلاثي الفوسفات adenosine triphosphate (ATP). بالأخذ في الإعتبار العدد الهائل من الأنواع التي تعيش في هذه البيئات اللاهوائية anaerobic environments، التنفس اللاهوائي مهم للغاية من الناحية البيئية.

يستخدم النوع الهوائي الاختياري facultative species إشيريشيا كولاي Escherichia coli، على سبيل المثال، النترات nitrate (^-NO₃) التي تتجمع فيها الإلكترونات electrons لتشكل النتريت nitrite (^-NO₂) أو منتج نيتروجيني آخر. يستخدم اللاهوائي الإجباري obligate anaerobe ديسلفوفيبريو Desulfovibrio الكبريتات sulfate (^-SO₄²) للتنفس اللاهوائي. تتحد الكبريتات مع الإلكترونات من سلسلة السيتوكروم cytochrome chain وتتغير إلى كبريتيد الهيدروجين hydrogen sulfide (H₂S). يعطي هذا الغاز رائحة البيض الفاسد rotten egg على البيئة (كما هو الحال في مكب النفايات المضغوط بإحكام). مثال أخير هي الأنواع الأركية المولدة للميثان archaeal methanogens، ميثانوباكتيريوم Methanobacterium وميثانوكوكس Methanococcus. تستخدم هذه اللاهوائيات الإجبارية obligate anaerobes الكربونات carbonate (CO₃) كمستقبل نهائي للإكترون، ومع أنوية الهيدروجين hydrogen nuclei, تشكل كميات كبيرة من غاز الميثان methane gas (CH₄).

في التنفس اللاهوائي، كمية ATP المنتجة أقل منها في التنفس الهوائي. هناك عدة أسباب لذلك. الأول، يعمل فقط جزء من دورة حمض الستريك في التنفس اللاهوائي، لذلك تتوفر مرافقات إنزيمية مختزلة reduced coenzymes أقل لسلسلة نقل الإلكترون. أيضا، لا تعمل كل المعقدات السيتوكرومية cytochrome complexes أثناء التنفس اللاهوائي، لذلك ATP الناتج سيكون أقل. الكمية المناسبة المنتجة من ATP بالتالي ستعتمد على الكائن الحي وأين تدخل الوسائط في المسار التنفسي.

الفسفرة التأكسدية Oxidative Phosphorylation

تشير الفسفرة التأكسدية Oxidative phosphorylation إلى سلسلة من التفاعلات reactions التي يحدث فيها حدثين: أزواج من الإلكترونات electrons تمر من مادة كيميائية إلى أخرى (نقل الإلكترون electron transport)، والطاقة energy المطلقة أثناء مرورها تستخدم لدمج الفوسفات phosphate مع أدينوسين ثنائي الفوسفات adenosine diphosphate لتشكّل أدينوسين ثلاثي الفوسفات adenosine triphosphate (تخليق أدينوسين ثلاثي الفوسفات ATP synthesis). الصفة "التأكسدية oxidative" مشتقة من المصطلح أكسدة oxidation، والذي يشير إلى فقدان أزواج الإلكترون من الجزيئات. نظيره هو الاختزال reduction, الذي يشير إلى اكتساب أزواج الإلكترون بواسطة الجزيئات. تعني الفسفرة Phosphorylation إضافة الفوسفات إلى جزيء آخر. لذلك، في الفسفرة التأكسدية، فقدان ونقل الإلكترونات سيمكن ADP من أن يفسفر إلى ATP. تحدث الفسفرة التأكسدية في الغشاء الخلوي cell membrane في الخلايا البكتيرية والأركية bacterial and archaeal cells وفي الغشاء الداخلي للميتوكندريا mitochondrial inner membrane في الميكروبات حقيقية النواة eukaryotic microbes.

الفسفرة التأكسدية هي المسؤولة عن إنتاج 34 جزيء من ATP من كل جلوكوز. التسلسل العام يتضمن المرافقات الإنزيمية نيكوتين اميد أدينين ثنائي النيوكليوتيد nicotinamide adenine dinucleotide (⁺NAD) وفلافين أدينين ثنائي النيوكليوتيد flavin adenine dinucleotide (FAD) التي تخضع للإختزال إلى NADH و FADH₂ أثناء مسار تحلل السكر glycolysis ودورة حمض الستريك citric acid cycle، حيث اكتسبت إلكترونين في تلك المسارات الأيضية metabolic pathways.

في الفسفرة التأكسدية، سيعاد أكسدة المرافقات الإنزيمية عن طريق نقل تلك الإلكترونات إلى سلسلة من حاملات الإلكترون electron carriers. تسمى هذه الحاملات، سيتوكرومات cytochromes، هي مجموعة من البروتينات proteins التي تحتوي على عوامل مساعدة حديدية iron cofactors تقبل وتطلق أزواج الإلكترون. تشكل المعقدات السيتوكرومية cytochrome complexes (I– IV) معا، سلسلة نقل الإلكترون electron transport chain. آخر وصلة في السلسلة هي غاز الأكسجين oxygen gas.

في عملية الفسفرة التأكسدية، يمر الالكترونين مع كل من NADH و FADH₂ إلى المعقد السيتوكرومي الأول في السلسلة. المرافقات الإنزيمية المعاد أكسدتها، ⁺NAD و FAD، تعود إلى العصارة الخلوية cytosol لتستخدم مرة أخرى في مسار تحلل السكر أو دورة حمض الستريك. يمر كل زوج من الإلكترون من معقد سيتوكرومي إلى المعقد التالي على السلسلة إلى أن ينقل زوج الإلكترون أخيرا من المعقد الرابع إلى الأكسجين oxygen. يكتسب الأكسجين أيضا اثنين من البروتونات protons (⁺4H) من العصارة الخلوية ويصبح الماء (2H₂O). دور الأكسجين له أهمية كبيرة لأنه إذا كان الأكسجين غير موجود، لن يكون هناك أي وسيلة للسيتوكرومات لتفريغ إلكتروناتها والنظام بأكمله سيتوقف. ينعكس دور الأكسجين أيضا في معادلة التنفس الهوائي aerobic respiration:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 38 ADP + 38 P     →          6CO₂ + 6H₂O + 38 ATP

لذلك، ما هي أهمية سلسلة نقل الإلكترون لأنه لم يتم تصنيع أي أدينوسين ثلاثي الفوسفات ATP؟ الآلية الفعلية لتخليق ATP تأتي من ضخ البروتونات عن طريق عملية تسمى التناضح الكيميائي chemiosmosis. اقترح التناضح الكيميائي للمرة الأولى من قبل الحائز على جائزة نوبل Nobel Prize–winner بيتر ميتشل Peter Mitchell، وتستخدم قوة حركة البروتون عبر الغشاء للحفاظ على الطاقة لتخليق ATP.

عندما تمر الإلكترونات بين المعقدات السيتوكرومية، تفقد الإلكترونات الطاقة تدريجيا. لا تفقد الطاقة بمعنى أنها تزول إلى الأبد. بدلا من ذلك، الطاقة تستخدم في ثلاث نقاط انتقال transition points "لتضخ pump" البروتونات (⁺H) عبر الغشاء من العصارة الخلوية إلى منطقة خارج الغشاء الخلوي. سرعان ما يتراكم عدد كبير من البروتونات خارج الغشاء، ولأنها لا يمكن أن تعاود الدخول في الخلية بسهولة، فأنها تمثل تركيز كبير من الطاقة الكامنة (تشبه إلى حد كبير صخرة في قمة تل). البروتونات موجبة الشحنة positively charged، لذلك هناك أيضا تراكم للشحنات خارج الغشاء.

فجأة، تفتح سلسلة من القنوات channels ويتدفق البروتون عكسياً. كل "قناة" محتواه داخل معقد إنزيمي enzyme complex كبير، ممتد عبر الغشاء membrane-spanning يسمى ATP synthase، والذي لديه مواقع إرتباط للفوسفات phosphate وأدينوسين ثنائي الفوسفات ADP. عندما تندفع البروتونات عبر القناة، فإنها تطلق طاقتها، وتستخدم الطاقة لتخليق جزيئات ATP من ADP وأيونات الفوسفات. يمكن تخليق ثلاثة جزيئات من ATP من كل زوج من الإلكترونات الناشئة من NADH؛ يتم إنتاج جزيئين من ATP من كل زوج من الإلكترونات من FADH₂ لأن المرافق الأنزيمي يتفاعل أكثر أسفل السلسلة.

إذا تضرر الغشاء الخلوي بحيث لا يمكن أن يحدث التناضح الكيميائي، يتوقف تخليق ATP ويموت الكائن الحي بسرعة. هذا هو أحد الأسباب التي تجعل تلف الغشاء الخلوي البكتيري ضار جدا، مثل  استخدام المضادات الحيوية antibiotics أو المطهرات المنظفة detergent disinfectants.

يمكن أن تولد التفاعلات ما يصل إلى 38 جزيء من ATP من جزيء جلوكوز واحد. هي تكمل أيضا معادلة التنفس الهوائي:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 38 ADP + 38 P      →      6CO₂ + 6H₂O + 38 ATP