تفاوت از ماده به انرژی از انرژی به ماده
سلام به مشاورانی‌های عزیز دل‌مون !
تو اين مطلب قصد داريم دو عنوان خيلي مهم از سر فصل‌هاي کتاب درسي سال دوازدهم رو بررسي کنيم که ظاهراً خيلي بهم شبيه‌اند! اما در واقع به دو فرآيند مرتبط به هم اشاره داره که يکيش مربوط به فرآيند تنفس ياخته‌اي هستش (از ماده به انرژي) و دومي هم به فرآيند فتوسنتز مربوط ميشه (از انرژي به ماده). پس عجله نکنيد! کمي صبور باشيد تا تو ادامه مطلب، قشنگ اين دو تا فرآيند رو باز کنيم و تفاوت‌ها و احياناً شباهت‌هاشونم بررسي کنيم.
1.تنفس ياخته‌اي (از ماده به انرژی)
فرآيندي که به نظرم لازمه دبيران محترم از فصل 1 سال دهم و از همون بحث ويژگي‌هاي حيات و فرايند جذب و استفاده از انرژي رو اين بحث، مانور دهند و آروم آروم بحث رو براي دانش‌آموزها باز کنن؛ همون “فرآيند تنفس ياخته‌اي” هستش و علتشم اينه که اين فرآيند تو تمامي ياخته‌ها و بافت‌ها و اندام‌هاي بدن انجام ميشه و خيلي راحت ميشه عملکرد دستگاه‌هاي مختلف بدن رو بهش مرتبط ساخت. چون بحث مهمي هستش! اجازه بديد مرحله به مرحله پيش بريم و بفهميم که منظور از تنفس ياخته‌اي چيه؟!
تعريف تنفس ياخته‌ای:
اگه بخوام تو يه جمله تعريفش کنم بايد بگم «آزاد شدن انرژي ( ATP ) از مواد مغذي را گويند». بذاريد بحث رو بيشتر باز کنم. همۀ ما موقعي که مدت زيادي از غذا خوردن‌مون مي‌گذره و احساس گرسنگي زيادي مي‌کنيم و اگه اين روال به همين ترتيب ادامه پيدا کنه حتي ممکنه بي‌حال بشيم و احساس ضعف شديدي کنيم. علتشم اينه که ياخته‌هاي بدن‌مون انرژي‌شون تموم شده و نياز به شارژ شدن دارن تا دوباره انرژي‌شون تأمين بشه، تو يه همچين مواقعي اولين راهکاري که به ذهن‌مون مي‌رسه به‌دست آوردن و خوردن يه مقداري خوراکي هستش. حالا چرا همه به اين راهکار مي‌رسيم؟ چون ياخته‌هاي بدن‌مون واسه تأمين انرژي‌شون نياز به انجام تنفس ياخته‌اي دارن و واسه تنفس ياخته‌اي هم همونطور که تعريفش هم کرديم نياز به مواد مغذي دارن تا انرژي نهفته تو اين مواد رو با فرآيند تنفس ياخته اي آزادش کنن و ازش استفاده کنن. در این بین اجازه بديد يه نکته رو هم از فصل 1 سال دهم بگم که ذکر کردنش خالي از لطف نيست و اون هم اينه که بخشي از اين انرژي توليد شده به صورت گرما آزاد ميشه و قرار نيست همۀ اين انرژي مورد استفاده قرار بگيره. اگه تو مارکت‌ها به مختصات نوشته شده روي برخي محصولات غذايي دقت کنيد ميزان انرژي اون مواد رو بر حسب کالريش نوشتن و معنيش اينه که در صورتي اين محصول رو ميل کنيد و در صورت جذب مواد سازنده‌ش و رسيدن اين مواد به ياخته‌ها، ياخته ها مي‌تونن با فرآيند تنفس ياخته‌اي از اين مواد غذايي اين ميزان انرژي رو آزاد کنن.
خب حالا چرا واژۀ تنفس ياخته‌اي رو براش انتخاب کردن؟
اولاً علت انتخاب کلمه ياخته اينه که اين فرآيند توسط ياخته‌ها انجام ميشه نه مولکول‌ها ضمناً همه ياخته‌هاي بدن هم اين فرآيند رو انجام مي‌دن.
ثانياً علت انتخاب واژه تنفس هم اينه که اين فرآيند با توليد و مصرف گازهاي تنفسي (اکسيژن و کربن‌دي‌اکسيد) همراهه.
حالا بريم ببينيم چند نوع تنفس ياخته‌اي وجود داره؟
انواع تنفس ياخته‌اي:
بر اساس ميزان کافي يا ناکافي اکسيژن، تنفس ياخته‌اي رو به دو نوع تقسيم ميکنن، هوازي (که با مصرف اکسيژن رخ مي‌ده) و بي‌هوازي (که بدون مصرف اکسيژن انجام ميشه) . در هردو نوع تنفس ياخته‌ای، انرژي يا ATP آزاد ميشه اما ميزان انرژي که تو تنفس هوازي آزاد ميشه به مراتب بيشتر از تنفس بي‌هوازي هستش.
تنفس ياخته‌اي بي‌هوازي رو تخمير هم بهش مي‌گن (با مخمر که نوعي قارچه قاطي نشه لطفاً) و در واقع دو نوع تخمير داريم:
تخمير الکلي که در نتيجه اون الکل آزاد ميشه و تخمير لاکتيکي که لاکتيک اسيد رو آزاد مي‌کنه. بذاريد يه مثال واسه تخمير لاکتيکي بيارم. شايد تجربه کرده باشيد که بعد از مدت‌ها سراغ ورزش کردن مي‌ريد و تو جلسات اول به احتمال زياد دچار گرفتگي عضلات مي‌شيد که علتش انجام تخمير لاکتيکي توسط ياخته‌هاي ماهيچه‌اي‌تون هستش، چون هنوز دستگاه تنفسي‌تون، توانايي تأمين اکسيژن مورد نظر براي ماهيچه‌ها رو نداره بنابراين ماهيچه‌هاتون مجبورن از تنفس بي‌هوازي لاکتيکي (تخمير لاکتيکي) جهت تأمين انرژي استفاده کنن که در نتيجه اون ماده‌اي به اسم لاکتيک اسيد توليد ميشه که با تجمع اين ماده در ماهيچه‌ها باعث گرفتگي عضلات ميشه که تو اين مواقع ماساژ دادن مي‌تونه باعث دور شدن اين ماده از ماهيچه‌ها و رفع گرفتگي عضلات يا همون اسپاسم عضلاني بشه. ذکر اين نکته هم خالي از لطف نيست که لاکتيک اسيد با تحريک گيرنده‌هاي درد باعث ايجاد درد فراواني هم ميشه و علت دردهايي که در گرفتگي عضلات دارين به همين موضوع مربوط ميشه.
اشاره کردم که تنفس ياخته‌اي تو همه ياخته‌هاي جانداران (هم پروکاريوت و هم يوکاريوت) انجام ميشه اما تفاوت‌شون چيه؟
تنفس ياخته‌اي در ياخته‌هاي يوکاريوتي:
در مقايسه با ياخته‌هاي پروکاريوتي در اين ياخته‌ها طي فرآيند تنفس ياخته‌اي انرژي يا به عبارتي ATP بيشتري آزاد ميشه چون طبيعتاً متابوليسم (سوخت و ساز) ياخته‌هاي يوکاريوتي بيشتره و به انرژي بيشتري نياز دارن. اما تفاوت ديگه در مورد محل انجام اين فرآينده يعني در تنفس ياخته‌اي هوازي، بخشيش (يعني گليکوليز) درون سيتوپلاسم انجام ميشه و بقيۀ مراحل‌ش درون اندامکي دو غشايي به نام ميتوکندري رخ مي‌ده اما تنفس ياخته‌اي بي‌هوازي در يوکاريوت‌ها کلاً در سيتوپلاسم انجام ميشه.
تنفس ياخته‌اي در ياخته‌هاي پروکاريوتي:
در ياخته‌هاي پروکاريوتي ميزان آزاد شدن انرژي يا همون ATP از ياخته‌هاي يوکاريوتي کمتره چون متابوليسم‌شون هم انرژي کم‌تري لازم داره. اما در مورد محل انجام تنفس ياخته‌اي در ياخته‌هاي پروکاريوتي بايد بگم که هر دو نوع تنفس ياخته‌اي يعني هم هوازي و هم بي‌هوازي درون سيتوپلاسم رخ مي‌ده. لازمه اين نکته رو يادآور بشم که ياخته‌هاي پروکاريوتي اندامک‌هاي غشادار مثل ميتوکندري رو ندارن.
اينم بگم که يادتون بمونه که تو تنفس ياخته‌اي دو مادۀ جانبي هم توليد مي‌شن که H2O و CO2 هستش. اهميت اين مطلب ترکيب اون با فصل 3 سال دهمه که اگه يادتون باشه گفتيم که کربن‌دي‌اکسيد بايد از ياخته‌ها دور بشه و در صورت دور نشدن اگه با آب ترکيب بشه منجر به توليد اسيد کربنيک ميشه که اون هم باعث اختلال تو کار آنزيم‌ها و پروتئين‌ها ميشه.
چون هدف اصلي از اين مطلب، مقايسۀ دو فرآيند تنفس ياخته‌اي و فتوسنتز هستش نمي‌خوايم زياد وارد جزئيات و مراحل اين دو فرآيند بشيم وگرنه ذکر مراحل و واکنش‌ها و نکته‌هاي تنفس ياخته‌اي خودش يه مطلب جداگونه رو مي‌طلبه!
2. فتوسنتز ( از انرژی به ماده )
اجازه بديد فرآيند فتوسنتز رو تو 5 کلمه خلاصه کنم:
تشکيل مواد آلي به وسيله نور و کربن دي اکسيد
اگر دقت کرده باشيد واژه‌اي به اسم سنتز رو داشتيم، که در واقع به واکنش‌هاي سنتز آب‌دهي اشاره مي‌کنه که در واقع به واکنش‌هاي مربوط به ساخته شدن و تشکيل مواد اشاره مي‌کنه، پس تا اين‌جا باید ياد بگيريم که در فرآيند فتوسنتز قراره ماده‌اي تشکيل بشه حالا اون ماده چيه؟
ماده‌اي که قراره فتوسنتزکنندگان که در واقع جزء جانداران توليدکننده محسوب مي‌شن توليد کنن قطعاً جزء مواد آلي يا همون درشت مولکول‌ها هستش حالا سؤال بعدي اينه کدوم درشت مولکول؟
تو فصل 1 سال دهم که بارها روش تاکيد کردم که زيست پايه‌تون هستش و خوب و با تمرکز بخونيدش ياد گرفتيد که درشت مولکول‌ها يا مواد آلي يا همون مولکول‌هاي زيستي در واقع چهار نوع‌اند: 1. نوکلئيک اسيدها 2. پروتئين‌ها 3. ليپيدها 4. کربوهيدرات‌ها
ماده‌اي که قراره فتوسنتزکنندگان توليد کنن در واقع همون کربوهيدرات‌ها هستن مثل گلوکز.
اما فتوسنتزکنندگان براي توليد مواد آلي به دو چيز نياز دارن: 1. نور خورشيد 2. کربن‌دي‌اکسيد اما چرا؟
مجموعه واکنش‌هايي که در فرآيند فتوسنتز انجام ميشه در واقع به دو دسته تقسيم مي‌شن: 1. واکنش‌هاي روشنايي (که واکنش‌هاي تيلاکوئيدي هم بهش مي‌گن) که در واقع همونطور که از اسمشون هم مشخصه اين واکنش‌ها به نور خورشيد نياز دارن تا شروع بشن بنابراين بدون وجود نور خورشيد انجام فتوسنتز غير ممکنه. تو اين واکنش‌ها، دو مادۀ انرژي‌زا توليد مي‌شن به اسم ATP و NADPH که در واقع سوخت واکنش‌هاي بعدي رو تأمين ميکنن.
- واکنش‌هاي تاريکي (که واکنش‌هاي تثبيت کربن هم بهش مي‌گن) که قبل از اين واکنش‌ها حتماً بايد واکنش‌هاي روشنايي انجام شده باشه، يه جورايي ميشه به اين واکنش‌ها چرخۀ کالوين هم گفت که سوخت اين چرخه از همون موادي که گفتم از واکنش‌هاي روشنايي تأمين ميشه. تو اين چرخه است که کربوهيدرات‌هايي مثل گلوکز توليد مي‌شن، واسه انجام اين چرخه هم وجود کربن‌دي‌اکسيد ضروريه و بدون اين ماده اين چرخه پيش نميره.
ذکر اين مطلب هم خالي از لطف نخواهد بود که اشاره کنيم جاندارن رو از لحاظ تأمين انرژي‌شون به دو دسته تقسيم ميکنن:
- هتروتروف‌ها (مصرف کننده‌ها) مثل انسان که اين جانداران، مواد مورد نيازشون رو توليد نمي‌کنن بلکه صرفاً مصرف‌کنند هستن.
- اتوتروف‌ها (توليدکننده‌ها) که مواد مورد نياز خودشون رو توليد ميکنن که اونا هم دو دسته هستن:
- فتوتروف‌ها (فتوسنتزکننده‌ها) مثل گياهان يا سيانوباکتري‌ها که مواد مورد نياز خودشون رو از نور خورشيد تأمين ميکنن.
- شيميوتروف‌ها (شيميوسنتزکننده‌ها) مثل باکتري نيتروزوموناس يا نيتروباکتر که مواد مورد نياز خودشون رو از مواد شيميايي توليد ميکنن.
1.تنفس ياخته‌اي (از ماده به انرژی)
دوست دارم مقايسه بين اين دو فرايند رو بر اساس دانسته‌هاتون از اين مطلب و بر اساس واکنش‌هاي شيميايی‌شون انجام بدم:
واکنش تنفس ياخته‌اي:
C6H12O6 + O2 + ADP ====== ATP + CO2 + H2O
C6H12O6 همون گلوکزه و همين‌طور که ملاحظه مي‌کنيد در تنفس ياخته‌اي از يه مادۀ غذايي مثل گلوکز انرژي‌هاش يا همون ATP آزاد ميشه و تو اين بين موادي مثل آب و کربن‌دي‌اکسيد هم به عنوان محصولات جانبي توليد مي‌شن. در واقع تنفس ياخته‌اي انرژي شيميايي رو از يه حالتي به حالتي ديگه تبديل مي‌کنه که منظور تبديل از گلوکز به ATP يه.
اينم بگم واکنشي که نوشتم مربوط به تنفس ياخته‌اي هوازيه چون اکسيژن تو اين واکنش مصرف شده و تو واکنش تنفس ياخته‌اي بي‌هوازي يا همون تخمير، ديگه اکسيژن مصرف نمي‌شه.
واکنش فتوسنتز:
CO2 + H2O ========= C6H12O6 + O2 + انرژي نوراني خورشيد
همونطور که ملاحظه مي‌فرماييد تو فرآيند فتوسنتز از انرژي نوراني خورشيد يه مادۀ غذايي توليد ميشه مثل گلوکز. يعني در واقع در فتوسنتز انرژي نوراني خورشيد به انرژي شيميايي (گلوکز) تبديل ميشه يعني تبديل انرژي رخ مي‌ده و اين تبديل انرژي هم توسط سيستم‌هايي به اسم فتوسيستم انجام ميشه.
پس با نگاهی کلي مي‌تونيم اين نتيجه رو هم برداشت کنيم که تو فرآيند تنفس ياخته‌اي، اکسيژن مي‌تونه مصرف بشه (اگه هوازي باشه) ولي تو فتوسنتز قطعاً اکسيژن توليد ميشه. ضمن اين‌که مي‌تونيم بگيم تو فرآيند تنفس ياخته‌اي، آب و کربن‌دي‌اکسيد قطعاً توليد مي‌شن اما همين مواد تو فرآيند فتوسنتز قطعاً مصرف خواهند شد.
