تنفس یک فرآیند بیولوژیکی اساسی است که موجودات زنده را قادر می سازد از مولکول های غذا انرژی دریافت کنند. در هسته خود، تنفس مجموعه ای از واکنش های شیمیایی است که انرژی بیوشیمیایی از مواد مغذی را به آدنوزین تری فسفات (ATP) تبدیل می کند، مولکولی که انرژی شیمیایی را در سلول ها ذخیره و انتقال می دهد. این درس به بررسی شیمی تنفس می پردازد و بر چگونگی تسهیل زندگی توسط این واکنش ها تمرکز می کند.
در کلی ترین مفهوم، تنفس را می توان به دو نوع اصلی تقسیم کرد: تنفس هوازی که به اکسیژن نیاز دارد و تنفس بی هوازی که نیازی به اکسیژن ندارد. تنفس هوازی کارآمدتر است و می توان آن را با معادله شیمیایی زیر نشان داد:
\( \textrm{سی}_6\textrm{اچ}_{12}\textrm{O}_6 + 6\textrm{O}_2 \rightarrow 6\textrm{CO}_2 + 6\textrm{اچ}_2\textrm{O} + \textrm{انرژی (ATP)} \)این معادله نشان می‌دهد که گلوکز ( \(\textrm{سی}_6\textrm{اچ}_{12}\textrm{O}_6\) ) با اکسیژن ( \(6\textrm{O}_2\) واکنش می‌دهد و تولید می‌کند. دی اکسید کربن ( \(6\textrm{CO}_2\) )، آب ( \(6\textrm{اچ}_2\textrm{O}\) ) و انرژی به شکل ATP.
از طرف دیگر، تنفس بی هوازی بدون اکسیژن انجام می شود و بسته به ارگانیسم، محصولات نهایی مختلفی را شامل می شود. به عنوان مثال، در مخمر، گلوکز به اتانول و دی اکسید کربن تبدیل می شود و انرژی آزاد می کند.
تنفس شامل مجموعه ای پیچیده از واکنش های شیمیایی است. اینها را می توان به طور کلی به سه مرحله اصلی دسته بندی کرد: گلیکولیز ، چرخه کربس (یا چرخه اسید سیتریک)، و زنجیره انتقال الکترون .
هدف از تنفس تبدیل انرژی شیمیایی ذخیره شده در گلوکز به شکلی است که سلول بتواند از آن استفاده کند - ATP. فرآیند تبدیل دقیق پیچیده است و شامل انتقال الکترون‌ها و پروتون‌ها از طریق غشاها می‌شود که در نهایت منجر به تولید ATP از طریق فرآیندی به نام کیمیوسموز می‌شود.
ATP یا آدنوزین تری فسفات به عنوان یک ارز انرژی در سلول عمل می کند. انرژی آزاد شده در طی هیدرولیز آن (واکنش ATP با آب) به ADP (آدنوزین دی فسفات) و فسفات معدنی برای تامین انرژی فرآیندهای سلولی مختلف از جمله انقباض عضلانی، انتشار تکانه های عصبی و سنتز شیمیایی استفاده می شود.
درک تنفس از دیدگاه شیمیایی، نقش اصلی شیمی را در زیست شناسی روشن می کند. فرآیندهایی که تنفس را هدایت می کنند، شامل برهمکنش ها و واکنش های مولکولی پیچیده ای است که تعامل بین شیمی و زندگی را به نمایش می گذارد. فراتر از آزاد شدن صرف انرژی، این واکنش‌ها بر متابولیسم سلولی تأثیر می‌گذارند، محیط‌های سلولی را تنظیم می‌کنند و سنتز مولکول‌های زیستی حیاتی را ممکن می‌سازند. بنابراین، تنفس نه تنها کلیدی برای بقا است، بلکه پنجره ای به دنیای مولکولی است که حیات را حفظ می کند.
علاوه بر این، مطالعه تنفس بینشی در مورد چگونگی سازگاری موجودات با محیط خود فراهم می کند. ارگانیسم‌هایی که در محیط‌های فقیر از اکسیژن رشد می‌کنند، از انواع تنفس بی‌هوازی، استفاده از گیرنده‌های مختلف الکترون و تولید مجموعه‌ای از محصولات نهایی استفاده می‌کنند. این سازگاری تطبیق پذیری فرآیندهای شیمیایی در زیست شناسی و اهمیت تکاملی مسیرهای بیوشیمیایی را برجسته می کند.
در حالی که آزمایش مستقیم با اجزای سلولی تنفس ممکن است به تجهیزات تخصصی نیاز داشته باشد، آزمایش‌های ساده می‌توانند به تشریح اصول تنفس کمک کنند. به عنوان مثال، مشاهده تخمیر مخمر یک نمایش عملی از تنفس بی هوازی ارائه می دهد. با مخلوط کردن مخمر، شکر و آب در یک فلاسک مهر و موم شده و اندازه گیری دی اکسید کربن تولید شده، می توان فرآیند تبدیل گلوکز به اتانول و دی اکسید کربن را مشاهده کرد.
آزمایش دیگر شامل استفاده از بذرهای جوانه زده برای نشان دادن تنفس هوازی است. قرار دادن دانه ها در یک ظرف در بسته با نشانگر دی اکسید کربن (مانند آب آهک که در حضور دی اکسید کربن کدر می شود) می تواند انتشار دی اکسید کربن را نشان دهد زیرا دانه ها به صورت هوازی تنفس می کنند، اکسیژن مصرف می کنند و دی اکسید کربن آزاد می کنند.
تنفس یک فرآیند بنیادی است که شیمی قابل توجهی را که سیستم های زنده را مشخص می کند، به نمایش می گذارد. با بررسی واکنش‌های شیمیایی زیربنای تنفس، بینشی در مورد چگونگی جریان انرژی در موجودات زنده به دست می‌آوریم و از فعالیت‌های بی‌شماری که حیات را تشکیل می‌دهند حمایت می‌کنیم. مطالعه تنفس، شیمی و زیست شناسی را پل می کند و بر ارتباطات عمیق بین مولکول ها و فرآیندهای زندگی تأکید می کند. بنابراین، درک تنفس نه تنها دانش ما از زیست شناسی را عمیق تر می کند، بلکه قدرت دگرگون کننده شیمی را در روشن کردن مکانیسم های زندگی نیز نشان می دهد.
