تنفس به فرآیند تبادل گازها بین سلول های بدن و محیط اطراف اشاره دارد و شامل همه موجودات زنده از باکتری ها و آرکئاها تا پروتیست ها، قارچ ها، گیاهان و حیوانات می شود. تنفس می تواند به سه جنبه از این فرآیند اشاره کند.

نخست، تنفس به تنفس خارجی یا فرآیند نفس کشیدن (استنشاق و بازدم) اشاره دارد که به آن تهویه نیز گفته می شود. دوم، تنفس به تنفس داخلی اشاره دارد که تبادل گازها بین مایعات بدن (خون و مایع میان بافتی) و بافت ها است. در نهایت، تنفس به فرآیندهای متابولیکی تبدیل انرژی ذخیره شده در مولکول های زیستی به انرژی قابل استفاده در قالب ATP اشاره دارد. این فرآیند ممکن است شامل مصرف اکسیژن و تولید دی اکسیدکربن باشد که در تنفس سلولی هوازی دیده می شود یا ممکن است نیاز به مصرف اکسیژن نداشته باشد، مانند تنفس بی هوازی.

نکات کلیدی

• تنفس فرآیند تبادل گازها بین هوای محیط و سلول های یک موجود زنده است.
• سه نوع تنفس شامل تنفس داخلی، خارجی و سلولی است.
• تنفس خارجی فرآیند نفس کشیدن است که شامل استنشاق و بازدم گازها می باشد.
• تنفس داخلی شامل تبادل گاز بین خون و سلول های بدن است.
• تنفس سلولی شامل تبدیل غذا به انرژی است. تنفس هوازی نوعی از تنفس سلولی است که نیاز به اکسیژن دارد در حالی که تنفس بی هوازی نیاز به اکسیژن ندارد.

انواع تنفس: خارجی و داخلی

هنگام استنشاق، دیافراگم منقبض می شود و ریه ها گسترش می یابند که باعث بالا رفتن قفسه سینه می شود. هنگام بازدم، دیافراگم شل می شود و ریه ها منقبض می شوند و قفسه سینه دوباره به پایین برمی گردد.

تنفس خارجی

یکی از روش های به دست آوردن اکسیژن از محیط، تنفس خارجی یا نفس کشیدن است. در موجودات حیوانی، فرآیند تنفس خارجی به طرق مختلف انجام می شود. حیواناتی که فاقد اندام های تخصصی برای تنفس هستند، به تبادل گازها از طریق نفوذ در سطح بافت های خارجی برای به دست آوردن اکسیژن متکی هستند. دیگر جانداران دارای اندام های تخصصی برای تبادل گاز هستند یا یک سیستم تنفسی کامل دارند. در موجوداتی مانند نماتودها (کرم های گرد)، گازها و مواد مغذی از طریق نفوذ در سطح بدن از محیط خارجی تبادل می شود. حشرات و عنکبوت ها دارای اندام های تنفسی به نام تراشه ای هستند، در حالی که ماهی ها از آبشش ها به عنوان محل های تبادل گاز استفاده می کنند.

انسان ها و دیگر پستانداران دارای یک سیستم تنفسی با اندام های تنفسی تخصصی (ریه ها) و بافت ها هستند. در این نوع تنفس، اکسیژن از طریق استنشاق به ریه ها وارد و دی اکسیدکربن از ریه ها به وسیله بازدم خارج می شود. تنفس خارجی در پستانداران شامل فرآیندهای مکانیکی مربوط به نفس کشیدن است. این شامل انقباض و شل شدن دیافراگم و عضلات کمکی، همراه با نرخ تنفس است.

تنفس داخلی

فرآیندهای تنفس خارجی توضیح می دهند که چگونه اکسیژن به دست می آید، اما چگونه اکسیژن به سلول های بدن می رسد؟ تنفس داخلی شامل انتقال گازها بین خون و بافت های بدن است. اکسیژن موجود در ریه ها از طریق اپتیلیوم نازک آلوئول های ریه (کیسه های هوایی) به مویرگ های اطراف که حاوی خون کم اکسیژن هستند، نفوذ می کند. در عین حال، دی اکسیدکربن در جهت مخالف (از خون به آلوئول های ریه) حرکت کرده و خارج می شود. خون غنی از اکسیژن به وسیله سیستم گردش خون از مویرگ های ریه به سلول ها و بافت های بدن منتقل می شود. در حالی که اکسیژن در سلول ها تخلیه می شود، دی اکسیدکربن از سلول های بافت جمع آوری و به ریه ها منتقل می شود.

تنفس سلولی

سه فرآیند تولید ATP یا تنفس سلولی شامل گلیکولیز، چرخه اسید سیتریک و فسفوریلاسیون اکسیداتیو است.

اکسیژن به دست آمده از تنفس داخلی توسط سلول ها در تنفس سلولی استفاده می شود. برای دسترسی به انرژی موجود در غذاهایی که می خوریم، مولکول های بیولوژیکی تشکیل دهنده غذا (کربوهیدرات ها، پروتئین ها و ...) باید به اندازه هایی که بدن می تواند از آن استفاده کند، تقسیم شوند. این فرآیند از طریق فرآیند هضمی انجام می شود که غذا شکسته و مواد مغذی به خون جذب می شوند. در حالی که خون در سرتاسر بدن گردش می کند، مواد مغذی به سلول های بدن منتقل می شوند. در این نوع تنفس، گلوکز به دست آمده از هضم به اجزای سازنده اش تقسیم می شود تا انرژی تولید کند. از طریق مجموعه ای از مراحل، گلوکز و اکسیژن به دی اکسیدکربن (CO2)، آب (H2O) و مولکول با انرژی بالا آدنوزین تری فسفات (ATP) تبدیل می شوند. دی اکسیدکربن و آبی که در این فرآیند تولید می شود، به مایع میان بافتی اطراف سلول ها نفوذ می کند. از آنجا، CO2 به پلاسما و گلبول های قرمز خون نفوذ می کند. ATP تولید شده در این فرآیند انرژی مورد نیاز برای انجام عملکردهای طبیعی سلولی، مانند سنتز ماکرومولکول ها، انقباض عضلات، حرکت مژک ها و پرچمک ها و تقسیم سلولی را تأمین می کند.

تنفس هوازی

این نمودار تنفس سلولی هوازی را شامل گلیکولیز، چرخه کربس (چرخه اسید سیتریک) و زنجیره انتقال الکترون نشان می دهد.

تنفس سلولی هوازی شامل سه مرحله است: گلیکولیز، چرخه اسید سیتریک (چرخه کربس) و انتقال الکترون همراه با فسفوریلاسیون اکسیداتیو.

• گلیکولیز در سیتوپلاسم رخ می دهد و شامل اکسیداسیون یا تقسیم گلوکز به پیروات است. در این فرآیند، دو مولکول ATP و دو مولکول NADH با انرژی بالا نیز تولید می شود. در حضور اکسیژن، پیروات به ماتریکس داخلی میتوکندری سلول وارد شده و در چرخه کربس اکسیداسیون بیشتری انجام می دهد.
• چرخه کربس: در این چرخه دو مولکول ATP اضافی به همراه CO2، پروتون ها و الکترون های اضافی و مولکول های با انرژی بالا NADH و FADH2 تولید می شود. الکترون های تولید شده در چرخه کربس از طریق چین خوردگی های غشای داخلی میتوکندری (کریسته ها) که ماتریکس میتوکندری (محفظه داخلی) را از فضای میان غشایی (محفظه خارجی) جدا می کند، حرکت می کند. این یک شیب الکتریکی ایجاد می کند که به زنجیره انتقال الکترون کمک می کند تا پروتون های هیدروژن را از ماتریکس به فضای میان غشایی پمپاژ کند.
• زنجیره انتقال الکترون مجموعه ای از مجموعه های پروتئینی حامل الکترون در غشای داخلی میتوکندری است. NADH و FADH2 تولید شده در چرخه کربس انرژی خود را در زنجیره انتقال الکترون منتقل می کنند تا پروتون ها و الکترون ها را به فضای میان غشایی منتقل کنند. غلظت بالای پروتون های هیدروژن در فضای میان غشایی توسط مجموعه پروتئینی ATP synthase برای انتقال پروتون ها به داخل ماتریکس مورد استفاده قرار می گیرد. این انرژی مورد نیاز برای فسفوریلاسیون ADP به ATP را فراهم می کند. انتقال الکترون و فسفوریلاسیون اکسیداتیو مسئول تولید ۳۴ مولکول ATP هستند.

در مجموع، ۳۸ مولکول ATP در اکسیداسیون یک مولکول گلوکز توسط پروکاریوت ها تولید می شود. این تعداد در یوکاریوت ها به ۳۶ مولکول ATP کاهش می یابد، زیرا دو ATP در انتقال NADH به میتوکندری مصرف می شود.

تخمیر

تخمیر الکلی و لاکتیک." width="1500" height="1000" loading="lazy" />

فرآیندهای تخمیر الکلی و لاکتیک.

تنفس هوازی تنها در حضور اکسیژن انجام می شود. هنگامی که ارائه اکسیژن کم است، تنها مقدار کمی ATP می تواند در سیتوپلاسم سلول از طریق گلیکولیز تولید شود. اگرچه پیروات نمی تواند بدون اکسیژن به چرخه کربس یا زنجیره انتقال الکترون وارد شود، اما همچنان می تواند برای تولید ATP بیشتری از طریق تخمیر استفاده شود. تخمیر یک نوع دیگر از تنفس سلولی است، یک فرآیند شیمیایی برای تجزیه کربوهیدرات ها به ترکیبات کوچکتر برای تولید ATP. در مقایسه با تنفس هوازی، تنها مقدار کمی ATP در این نوع تنفس تولید می شود. این به این دلیل است که گلوکز تنها به طور جزئی تجزیه می شود. برخی از موجودات به عنوان بی هوازی های اجباری عمل می کنند و می توانند از هر دو راه تخمیر (هنگامی که اکسیژن کم یا موجود نیست) و تنفس هوازی (هنگامی که اکسیژن موجود است) استفاده کنند. دو نوع رایج تخمیر شامل تخمیر اسید لاکتیک و تخمیر الکلی (اتانول) هستند. گلیکولیز مرحله اول در هر فرآیند است.

تخمیر اسید لاکتیک

در تخمیر اسید لاکتیک، NADH، پیروات و ATP توسط گلیکولیز تولید می شوند. سپس NADH به فرم کم انرژی خود، NAD+ تبدیل می شود، در حالی که پیروات به لاکتات تبدیل می شود. NAD+ دوباره به گلیکولیز برمی گردد تا پیروات و ATP بیشتری تولید کند. تخمیر اسید لاکتیک معمولاً توسط سلول های عضلانی انجام می شود زمانی که سطح اکسیژن کاهش می یابد. لاکتات به اسید لاکتیک تبدیل می شود که می تواند در سطوح بالا در سلول های عضلانی طی ورزش تجمع کند. اسید لاکتیک اسید عضلانی را افزایش داده و باعث ایجاد احساس سوزش در حین کار سخت می شود. وقتی سطح اکسیژن به حالت طبیعی بازگردانده می شود، پیروات می تواند به تنفس هوازی وارد شده و انرژی بیشتری برای کمک به بهبودی تولید کند. افزایش جریان خون به ارائه اکسیژن به سلول های عضلانی و حذف اسید لاکتیک از آن ها کمک می کند.

تخمیر الکلی

در این نوع تنفس، پیروات به اتانول و CO2 تبدیل می شود. NAD+ نیز در تبدیل تولید می شود و مجدداً به گلیکولیز برمی گردد تا مولکول های ATP بیشتری تولید کند. تخمیر الکلی توسط گیاهان، مخمرها و برخی گونه های باکتری انجام می شود. این فرآیند در تولید نوشیدنی های الکلی، سوخت و محصولات پخته شده استفاده می شود.

تنفس بی هوازی

بیفیدوباکتریا باکتری های بی هوازی مثبت گرم هستند که در دستگاه گوارش زندگی می کنند.

چگونه موجودات اکسترموفیل مانند برخی باکتری ها و آرکئاها در محیط های بدون اکسیژن زنده می مانند؟ جواب این است: تنفس بی هوازی. این نوع تنفس بدون اکسیژن انجام می شود و شامل مصرف یک مولکول دیگر (نیتریت، سولفور، آهن، دی اکسیدکربن و ...) به جای اکسیژن است. برخلاف تخمیر، تنفس بی هوازی شامل تشکیل یک شیب الکتروشیمیایی از طریق سیستم انتقال الکترون است که منجر به تولید چندین مولکول ATP می شود. برخلاف تنفس هوازی، گیرنده نهایی الکترون یک مولکول غیر از اکسیژن است. بسیاری از موجودات بی هوازی به عنوان بی هوازی های اجباری شناخته می شوند؛ آن ها فسفوریلاسیون اکسیداتیو انجام نمی دهند و در حضور اکسیژن می میرند. دیگران بی هوازی های اختیاری هستند و می توانند در صورت موجود بودن اکسیژن، تنفس هوازی نیز انجام دهند.