ماذا يحدث عندما يقل الأكسجين؟
تحتاج الخلايا إلى الطاقة باستمرار. في الظروف العادية، تستخدم كثير من الخلايا الأكسجين لإكمال التنفس الخلوي وإنتاج كمية كبيرة من ATP. لكن أحيانًا تقل كمية الأكسجين المتاحة، كما يحدث في الخلايا العضلية أثناء مجهود شديد، أو في بعض الكائنات الدقيقة التي تعيش في بيئات قليلة الأكسجين. هنا لا تتوقف الخلية فورًا؛ بل قد تستخدم عملية تسمى التخمر.
التحلل السكري هو البداية
قبل التخمر يحدث التحلل السكري. التحلل السكري يكسر الجلوكوز في السيتوبلازم وينتج كمية قليلة من ATP. هذه الخطوة لا تحتاج إلى الأكسجين مباشرة. لذلك يمكنها الاستمرار حتى عند نقص الأكسجين، بشرط أن تعيد الخلية تدوير بعض المواد اللازمة لها. هنا يأتي دور التخمر.
ما التخمر؟
التخمر عملية تحصل بها الخلايا على الطاقة من الغذاء عندما تنخفض مستويات الأكسجين. لا ينتج التخمر كمية كبيرة من الطاقة مثل التنفس الخلوي الهوائي، لكنه يسمح باستمرار إنتاج كمية قليلة من ATP عندما لا يكون الأكسجين كافيًا. لذلك إذا سأل السؤال: ما العملية التي تحصل بها الخلايا على الطاقة من الغذاء عند انخفاض مستويات الأكسجين؟ فالجواب هو التخمر.
أين يحدث التخمر؟
يحدث التخمر في السيتوبلازم. لا يحدث في النواة، ولا في الفجوة المركزية، ولا يعتمد على الميتوكوندريا بالطريقة نفسها التي يعتمد عليها التنفس الهوائي. هذه نقطة امتحانية مباشرة: إذا جاء السؤال: يحدث التخمر في أين؟ فالجواب السيتوبلازم.
لماذا ينتج التخمر طاقة أقل؟
ينتج التخمر كمية طاقة أصغر من تلك الناتجة عن التنفس الخلوي، لأنه لا يكسر الجلوكوز بالكامل. في التنفس الخلوي الهوائي تستكمل الخلية تكسير نواتج الجلوكوز في الميتوكوندريا بوجود الأكسجين، فتستخرج طاقة أكبر. أما في التخمر فالتكسير جزئي، والنتيجة كمية قليلة من ATP. باختصار: التخمر حل إسعافي، لا محطة كهرباء كاملة.
أنواع التخمر
هناك نوعان مهمان في المنهج: تخمر حمض اللاكتيك والتخمر الكحولي. في تخمر حمض اللاكتيك يتحول الجلوكوز إلى ATP قليل وفضلات تسمى حمض اللاكتيك. وفي التخمر الكحولي تنتج بعض الكائنات مثل الخميرة كحولًا إيثيليًا وثاني أكسيد الكربون وطاقة قليلة. كلاهما يحدث عند نقص الأكسجين، لكن النواتج تختلف.
عندما يتحول الجلوكوز إلى ATP وحمض اللاكتيك
إذا كان السؤال يقول: عند تحول الجلوكوز إلى ATP وفضلات تسمى حمض اللاكتيك يحدث ماذا؟ فالجواب هو تخمر حمض اللاكتيك. أما التخمر الكحولي فينتج كحولًا وثاني أكسيد الكربون، وليس حمض اللاكتيك.
التخمر وإجهاد العضلات
أثناء النشاط العضلي الشديد قد لا يصل الأكسجين بالسرعة الكافية إلى الخلايا العضلية. حينها قد تلجأ الخلايا إلى تخمر حمض اللاكتيك لإنتاج ATP قليل بسرعة. تراكم حمض اللاكتيك يرتبط بالشعور بالتعب أو الألم العضلي في الشرح المدرسي المبسط. لا يعني ذلك أن التخمر أفضل من التنفس الخلوي؛ هو فقط طريقة مؤقتة عند نقص الأكسجين.
التنفس دون أكسجين
إذا سأل السؤال: ما نوع إنتاج الطاقة الذي يحدث دون أكسجين؟ فالاختيار المناسب هو التخمر. البناء الضوئي يحتاج إلى ضوء، والنقل النشط يحتاج ATP لكنه ليس طريقة إنتاج للطاقة من الغذاء، والانتشار حركة مواد لا تنتج طاقة.
مفاتيح الحل
- نقص الأكسجين في الخلايا = التخمر.
- يحدث التخمر في السيتوبلازم.
- التخمر ينتج طاقة أقل من التنفس الخلوي.
- سبب قلة الطاقة = الجلوكوز لا يتكسر بالكامل.
- جلوكوز → ATP قليل + حمض اللاكتيك = تخمر حمض اللاكتيك.
- دون أكسجين = تخمر.
مثال امتحاني محلول
السؤال: تنتج الخلية ATP قليلًا عند نقص الأكسجين، وتبقى العملية في السيتوبلازم. ما العملية؟
الإجابة: التخمر.
السؤال: لماذا يعطي التخمر طاقة أقل من التنفس الخلوي؟
الإجابة: لأنه لا يكسر الجلوكوز بالكامل.