נשימה תאית

תרשים מופשט של תהליך הנשימה התאית. מצד ימין: מסלול זרימת האלקטרונים. מצד שמאל: חומרים המיוצרים במהלך הנשימה - פחמן דו-חמצני ו-ATP

נשימה תאית היא התהליך להפקת אנרגיה זמינה, תוך ניצול תרכובות אורגניות, לשימוש ביצורים חיים.

הנשימה התאית מתרחשת בתוך התא ובתהליך זה מפורקות תרכובות אורגניות, בעיקר פחמימות. באורגניזמים הטרוטרופיים אלה חומרים שמקורם במזון, ואילו באורגניזמים אוטוטרופיים החומרים נוצרים בתהליך הפוטוסינתזה או, במיעוט המקרים, בכימוסינתזה. האנרגיה המשתחררת עם פירוק התרכובות משמשת להרכבת נוקלאוזיד מזורחן ATP, (A הוא אדנוזין, T הוא tri (שלוש) ו-P הוא פוספט, אטום זרחן עם 4 אטומי חמצן) מ-ADP (אדנוזין די פוספט, כלומר אדנוזין עם שני יוני פוספט) ו-Pi (פוספט אנאורגני). כשה-ATP יתפרק בתהליך הידרוליזה, האנרגיה שתשתחרר תשמש להנעת תהליכים צורכי אנרגיה. לפירוט עקרונות הפקת האנרגיה בתא ראו מטבוליזם.

ניתן לדמות באופן מטאפורי את מולקולת ה-ATP לסוללה טעונה ואת ה-ADP+P לסוללה פרוקה, כאשר בתהליך הנשימה התאית "נטענת הסוללה" ו-ADP+P הופכים ל-ATP. "הסוללה הטעונה", ATP, משמשת אחר כך להנעת תהליכים צורכי אנרגיה, שמפרקים את ה-ATP בתהליך הידרוליזה של ATP, ל-ADP+P ומנצלים חלק מהאנרגיה המשתחררת.

בתהליך הנשימה התאית מתרחש מעבר של אלקטרונים בין חומרים שונים. מעבר זה, בדומה למתרחש בסוללה החשמלית, הוא אחד הגורמים המניעים את תהליך ייצור ה-ATP.

טעות רווחת לחשוב שנשימה תאית קשורה בהכרח לצריכת חמצן. לדוגמה, חיידקים רבים מקיימים תהליכים של נשימה תאית אל-אווירנית. מקור הטעות הוא כדלהלן: בבסיסם של כל תהליכי הנשימה התאית עומדות תגובות חמצון-חיזור. אלו הן תגובות שבמהלכן אטומים מוסרים אלקטרונים לאטומים אחרים. בעבר היה פירוש המילה חמצון "התרכבות עם חמצן", אך בכימיה מודרנית שונתה משמעות המושג ל"מסירת אלקטרונים" (החומר שעובר חמצון מוסר אלקטרונים ל'מחמצן'). לכן אף על פי שבעבר קושרה הנשימה התאית באופן בלעדי להתרכבות עם חמצן, כיום ידוע שחמצן איננו קולט האלקטרונים היחידי במערכות ביולוגיות בכלל, ובתהליך הנשימה התאית בפרט.

שלושת רכיבי הנשימה התאית

• גליקוליזה: קיים כמעט בכל היצורים החיים; אינו דורש חמצן ומהווה הקדמה לנשימה תאית אווירנית וגם לנשימה תאית אל-אווירנית
• מעגל קרבס: קיים רק ביצורים אווירניים ומוצמד אליו הזרחון החמצוני
• זרחון חמצוני: קיים רק ביצורים אווירניים (אארוביים) ומתרחש רק בנוכחות חמצן.

ביצורים פרוקריוטיים (חיידקים) מתרחשת הנשימה התאית בציטופלזמה ויצירת ATP מתרחשת על-גבי ממברנת התא. ביצורים איקריוטיים מתרחשת הגליקוליזה בציטופלזמה, מעגל קרבס בתוך המרחב הפנימי של המיטוכונדריה, והזרחון החמצוני, היוצר ATP,מתרחש על-גבי הממברנה הפנימית של המיטוכונדריה. לכן מכוּנוֹת המיטוכונדריה "תחנות הכוח של התא"; בהן מתרחשים השלבים המכריעים ביותר בנשימה התאית האווירנית.

נשימה תאית אל-אווירנית

בתהליך הגליקוליזה מתפרק גלוקוז ומופקת ממנו אנרגיה כימית. הגלוקוז מתפרק לשתי מולקולות זהות (חומצה פירובית) 2C₃H₄O₃. במהלך הפירוק משתחררת אנרגיה כימית הבונה 2 מולקולות ATP. במקביל, מקבל המימנים NAD הופך ל $NADH_{2}$. אם חומר זה לא ימסור את המימנים, הגליקוליזה תיעצר עקב מחסור ב-NAD. את החימצון יכול התא לבצע באחת משתי פעולות:

1. חימצון לקבלת NAD חופשי מתרחש כאשר החומצה הפירובית מתחזרת לחומצת חלב ומקבלת את 2 המימנים. תהליך זה מתקיים בחיידקים, פטריות, חד-תאיים וגם בתאים של יצורים עילאיים, במצבי מחסור בחמצן. תהליך זו מתרחש גם בתאי שריר של האדם, בפעילות נמרצת הגורמת למחסור חמצן בשריר.
2. אפשרות אחרת, המוכרת מפעילות שמרים, היא פעילות אנזימטית בה משוחרר NAD והחומצה הפירובית הופכת לכוהל אתילי/אתנול (=אלכוהול) ותוך כך לקבל מחדש NAD. (התהליך נקרא תסיסה כוהלית)

נשימה תאית אווירנית

בתהליך זה, החומצה הפירובית מתחמצנת במיטוכונדריה, והתוצרים הסופיים הם H₂O ו-CO₂. התהליך הוא בעל מספר שלבים ומחייב מעורבות של חמצן: בשלב הראשון החומצה הפירובית מחומצנת על ידי NAD ויוצאת ממנה מולקולת CO_2. המולקולה שנוצרת נכנסת למעגל קרבס עוברת שינויים על ידי מספר אנזימים ובמקביל נוצרות עוד 36 מולקולות ATP. מכאן שבנשימה תאית אווירנית, ממולקולה אחת של גלוקוז מתקבלות סך הכל 38 מולקולות ATP.

התהליך האירובי המלא: $C_{6}H_{12}O_{6(aq)}+6O_{2(g)}\longrightarrow 6CO_{2(g)}+6H_{2}O_{(l)}$

ראו גם

• מחזור החמצן בגוף
• היפוקסיה
• תסיסה

קישורים חיצוניים

• נשימה תאית, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)