(מתוך המדריך למורה "כימיה בתהליכי החיים" מיכל צלטנר ונעמי ארנסט, בהוצאת המחלקה להוראת המדעים, מכון וייצמן)

הנשימה – הקדמה

המונח נשימה מתייחס לשני תהליכים:

1. לחילופי הגזים בין האורגניזם לסביבתו, באמצעות אברי נשימה כמו ריאות באדם, או זימים בדגים, וגם ללא אברי נשימה מיוחדים, כמו בחיידקים או בצמחים.
2. לתהליכי חמצון-חיזור של תרכובות פחמן בתאים. תהליך זה נקרא לעתים גם בשם "נשימה תאית".

הפרק נשימה בספר הלימוד, וכן ההרחבה הניתנת כאן, מתייחסים לתהליכי חמצון-חיזור בתאים.
היצורים החיים, מחיידקים ועד האדם, צורכים אנרגיה לכל פעולות החיים שלהם. הנשימה היא התהליך שבצימוד אליו נוצר ,ATP נשא האנרגיה ביצורים החיים, המאפשר להם לבצע אותן פעולות הדורשות השקעת אנרגיה. כל היצורים החיים נושמים, חלקם נשימה אירובית, שבה המחמצן הסופי הוא החמצן, וחלקם נשימה אנאירובית.

הגליקוליזה, שלב המשותף לנשימה אירובית ואנאירובית, מתרחש בציטוסול. השלבים הבאים בנשימה אירובית – מעגל קרבס ושרשרת מעבר האלקטרונים, מתרחשים במיטוכונדריה. נשאים יחודיים בממברנה של המיטוכונדריה מאפשרים לחומצה פירובית, הנוצרת בגליקוליזה, לחדור אל המיטוכונדריה. (בחיידקים, שמבנה התא שלהם פשוט יותר מאשר של שאר האורגניזמים, מעגל קרבס ושרשרת מעבר האלקטרונים מתרחשים בקרום התא).
כל התהליכים הרבים המתרחשים בנשימה הם אנזימטיים. הסכימה הכללית הבאה עשויה לסייע לארגון המושגים השונים הקשורים באנזימים לסוגיהם.

השלבים העיקריים בתהליך הנשימה מוצגים באיור הבא. בהמשך נפרט כל אחד מהם.

גליקוליזה

הגליקוליזה היא החלק הראשון בתהליך הנשימה האירובית והאנאירובית כאחת. הגליקוליזה מתרחשת ב-10 שלבים שבמהלכם מולקולה 6 פחמנית של גלוקוז הופכת ל-2 מולקולות 3 פחמניות של חומצה פירובית.

חמישה השלבים הראשונים הם הפזה המכינה. בפזה זו מתרחש זרחון בצימוד ל"פרוק" ATP (ראה איור בעמוד הבא). השלב שבו פרוקטוז-6,1-ביפוספט הופך לגליצראלדהיד-3-פוספט הוא למעשה שלב ה-lysis – הפרוק שעל שמו נקרא החלק הזה בתהליך הנשימה.

חמישה השלבים הבאים הם הפזה של הרווח האנרגטי. בפזה זו מתרחש גם כן זרחון, אולם על ידי זרחן אי-אורגני (ולא על ידי ATP כמו בפאזה המכינה) ומתקבל 1,3-ביפוספוגליצראט. בצימוד להפיכת הביפוספוגליצראט לחומצה פירובית מתקבלות בשני שלבים שונים, 2 מולקולות ATP בכל שלב. ס"ה מתקבלות בפזה זו 4 מולקולות ATP. הרווח האנרגטי נטו של שלב הגליקוליזה הוא 2 מולקולות ATP (4 נוצרו בפזת הרווח, אך 2 נצרכו בפזה המכינה). בפזה השניה נוצרות גם 2 מולקולות NADH לכל מולקולה של גלוקוז.

החומצה הפירובית הנוצרת בגליקוליזה עוברת בתנאים אירוביים חמצון לאצטאלדהיד המשתלב במעגל קרבס ועובר חמצון לפחמן דו חמצני ומים. ה-NADH הנוצר בפזה השניה של הגליקולויזה עובר חמצון ל-NAD⁺ תוך מעבר אלקטרונים לחמצן בחלק הנשימה המתרחש במיטוכונדריה ונקרא שרשת מעבר האלקטרונים.

בנשימה אנאירובית ה-NADH המתקבל בגליקולויזה אינו עובר כמובן חמצון ע"י חמצן. יצירה מחדש של NAD⁺ מתרחשת על ידי מעבר אלקטרונים מ-NADH תוך קבלת תוצרים כמו חומצת חלב או אתאנול.

מעגל קרבס (מעגל חומצת לימון) 

ביצורים אירוביים לא רק גלוקוז וסוכרים אחרים, אלא גם חומצות שומניות ורוב החומצות האמינות עוברים חמצון לפחמן דו חמצני ומים דרך מעגל חומצת הלימון. שרשרת אטומי הפחמן של כל התרכובות הללו עוברת פירוק (לפני ההשתלבות במעגל קרבס) ליחידות הבנויות מזוג אטומי פחמן – קבוצה אצטילית קשורה לקו-אנזים A,  CH₃CO-S-CoA – אצטיל קואנזים A.

גם NADH הנוצר בשלב זה עובר חמצון ל-NAD⁺ בשרשרת מעבר האלקטרונים.

בעוד שהגליקוליזה היא סדרה קווית של תגובות, מעגל חומצת הלימון, כפי ששמו מעיד עליו, הוא סדרת תגובות מעגלית. בשלב הראשון של חלק זה הקבוצה האצטילית מאצטיל-קואנזים A מתקשרת לחומצה אוקסלואצטית COOHCOCH₂COOH (המצויה במיטוכנדריון) ומתקבלת חומצת לימון. את שרשרת התגובות שעוברת חומצת הלימון במעגל עד שמתקבלת מחדש חומצה אוקסלואצטית ניתן לראות באיור. חומצה אוקסלואצטית שהתקבלה יכולה להתקשר שוב לקבוצה אצטילית של אצטיל-קואנזים A ולהתחיל את המעגל מחדש.

בכל "סיבוב" נכנסת למעגל קבוצה אצטילית (2 אטומי פחמן) ושתי מולקולות של פחמן דו חמצני נפלטות (שלב 3 ו-4). היות שהכמות של החומצה האוקסלואצטית אינה משתנה, יכולה מולקולה אחת ממנה להספיק תיאורטית לחמצון מספר אינסופי של קבוצות אצטיליות. ארבעה מתוך שמונה השלבים במעגל חומצת הלימון הן תגובות חמצון-חיזור, שבמהלכן מתקבל NADH או FADH₂. קואנזימים מחוזרים אלו, כמו הקודמים שהוזכרו, עוברים חמצון בשרשרת מעבר האלקטרונים.

תוצרי הביניים של המעגל משמשים גם כמגיבים במסלולים ביוכימיים אחרים שהתוצרים שלהם הם חומצות אמיניות, חומצות גרעין, קבוצת הם ועוד. 

שרשרת מעבר האלקטרונים

שרשרת מעבר האלקטרונים מורכבת מנשאי אלקטרונים שברובם הם חלבונים אינטגרלים בממברנה הפנימית של המיטוכונדריון. אל החלבונים קשורים קו-פקטורים שהם הפעילים בתגובות חמצון-חיזור. נשאי האקטרונים ערוכים על הממברנה הפנימית המקופלת כך שכל נשא יכול לחמצן את זה המצוי לפניו על הקיפול, ויכול לעבור חמצון על ידי זה שאחריו על השרשרת, עד לחמצן, שהוא המחמצן האחרון בתהליך.
הקו-פקטורים פועלים באחד משלושה אופנים:

1. מעבר ישיר של אלקטרון או שנים, כמו Fe₃⁺ ל- Fe₂⁺.
2. מעבר כאטום מימן, H⁺ + e^–
3. מעבר של יון הידריד, H^–

הנשאים שדרכם עוברים האלקטרונים מ- NADH ו- FADH₂ (שנוצרו בשלבים הקודמים של הנשימה) לחמצן הם פלבופרוטאינים ,(Flbiquinone) חלבוני FeS וציטוכרומים. הקו-פקטורים בציטוכרומים הם מולקולות הם ,(Haem) המרכיבות גם את ההמוגלובין, או מולקולות דומות להן. חלק מהרעלים המוכרים פועלים על ידי עיכוב שלבים שונים בשרשרת מעבר האלקטרונים. ציאניד ופחמן חד חמצני מעכבים את הפעילות של האנזים ציטוכרום-אוקסידאז.

כיצד מביא "זרם האלקטרונים בשרשרת" לסינתיזה של ATP? מעבר האלקטרונים לאורך השרשרת מלווה בשאיבה החוצה של פרוטונים דרך הממברנה הפנימית של המיטוכונדריה. תהליך זה מביא להבדלים בריכוז יוני הידרוניום ומכאן להבדלים ב-pH בין המטריקס לבין הצד החיצוני של הממברנה. ההבדל Proton Motive Force המספק את האנרגיה הדרושה לסינתזה של ATP.
(פיטר מיצ'ל, (1920-1992, Peter Michell) קיבל את פרס נובל על מחקריו בנושא זה).

יצורים אירובים, אנאירובים ואדפטציה

בזמן שנוצרו היצורים החיים הראשונים על פני כדור הארץ, לא הכילה האטמוספירה חמצן. היצורים הראשונים היו אם כן אנאירוביים, כלומר – הפיקו אנרגיה מתרכובות פחמן ללא נוכחות חמצן. חמצן הופיע לראשונה באטמוספירה עם הופעתם של היצורים הפוטוסינתטיים. אחד מתוצרי הפוטוסינתיזה הוא חמצן גזי, הנוצר מחמצון המים בתהליך. הופעת החמצן באטמוספירה אפשרה את התפתחותם של היצורים האירוביים, אלה המפיקים אנרגיה מחמצון תרכובות פחמן בנוכחות חמצן.

בצימוד לחמצון מולקולה אחת של גלוקוז מתקבלות בנשימה אירובית 36 מולקולות של ATP ואילו בצימוד לחמצון גלוקוז בנשימה אנאירובית מתקבלות רק 2 מולקולות .ATP היות ש-ATP הוא התוצר המבוקש בתהליך הנשימה, יש לנשימה אירובית יתרון ברור מבחינת הניצולת על פני נשימה אנאירובית. מהו אם כן היתרון של יצורים אנאירוביים שאיפשר להם לשרוד במהלך האבולוציה? רוב היצורים האירובים הם אירוביים אובליגטורים, כלומר יכולים להתקיים אך ורק בסביבה המכילה חמצן גזי. יצורים אנאירובים, מאידך, יכולים להתקיים גם בבתי גידול דלים או חסרים חמצן כמו מערות, מחילות, מקווי מים בטמפרטורה גבוהה וכיו"ב. כלומר – למרות שלתהליך האנאירובי ניצולת מנמוכה בהרבה מאשר לאירובי, ליצורים האנאירוביים יש יתרון הסתגלותי. היצורים האנאירוביים הם בעיקר חלק מהחיידקים והפטריות. יש גם יצורים שהם אירוביים פקולטטיביים כמו שמרים, המפיקים אנרגיה בנשימה אירובית בסביבה שיש בה חמצן ואנירובית בהיעדרו.

רוב מיני היצורים החיים כיום הם אירוביים – צמחים, בעלי חיים וחלק מהחיידקים. (למרות שהחולייתנים הם יצורים אירוביים, מתקיימת בהם בזמן מאמץ הפקת אנרגיה בתהליך אנאירובי – התהליך נדון בספר "כימיה בתהליכי החיים", עמ' 164-165, וכן בסעיף הבא – מעגל קורי).

מעגל קורי

בחולייתנים, שהם יצורים אירוביים, מתקבל ATP בזמן מאמץ בצימוד לנשימה אנאירובית שהתוצר שלה הוא חומצת חלב (חומצה לקטית). ככל שהמאמץ מתמשך, ריכוז חומצת החלב בדם עולה. במנוחה שלאחר המאמץ הופכת החומצה בכבד מחדש לגלוקוז, בתהליך הצורך אספקת חמצן רבה. מכאן שמו של מצב העייפות בתום מאמץ (שבו ריכוז הלקטאט גבוה) – חוב חמצן. קצב הנשימה במנוחה שלאחר מאמץ גבוה, והוא הולך ויורד ככל שריכוז לקטאט בדם קטן.

מעגל קורי כולל שני חלקים עיקריים:
1. תהליכי הנשימה האנאירובית המתרחשים בשרירים בזמן מאמץ, שבהם הופכת גלוקוז לחומצת חלב.
2. הפיכה מחדש של חומצת חלב לגלוקוז – תהליך המתרחש בכבד.

המעגל נקרא על שם קרל וגרטי קורי (Carl & Gerty Cori) אשר חקרו אותו בשנות ה-30 וה-40 של המאה העשרים.
קבלת לקטאט מגלוקוז בשרירים בזמן מאמץ היא תהליך ספונטני. מכאן ברור שהפיכת לקטאט לגלוקוז אותו. התהליך הספונטני שאליו מצומדת היצירה מחדש של גלוקוז הוא "פירוק" ATP המתקבל בנשימה האירובית.

בצמחים מתרחשת פוטוסינתזה וגם נשימה

את היצורים החיים ניתן לחלק לשתי קבוצות על פי תהליכי ההזנה, כלומר על פי האופן שבו הם מקבלים תרכובות פחמן. חלק מהיצורים החיים מייצרים את תרכובות הפחמן בעצמם (צמחים וחיידקים מסוימים), ונקראים אוטוטרופים. האחרים מקבלים תרכובות פחמן מן החוץ (בעלי חיים, פטריות ורוב החיידקים) ונקראים הטרוטרופים.
פוטוסינתזה היא תהליך ההזנה של צמחים. בעוד בעלי חיים, כמו האדם, מקבלים תרכובות פחמן מן המוכן במזון, הצמחים מייצרים את תרכובות הפחמן בעצמם. הפוטוסינתזה מתרחשת בצמחים בשעות האור בלבד. נשימה היא, כאמור, תהליך של חימצון תרכובות פחמן שבצימוד אליו נוצר ATP. הנשימה האירובית שהיא צורת הנשימה הקיימת בצמחים מתרחשת כל שעות היממה. היות שבשני התהליכים הללו מתקיימים חילופי גזים עם הסביבה – במהלך הפוטוסינתזה נקלט פחמן דו חמצני ונפלט חמצן, ואילו בנשימה להיפך, יש המתבלבלים ביניהם. וחושבים כי הפוטוסינתזה הוא תהליך הנשימה של הצמח. כדי לבצע עבודה מכל סוג שהוא זקוק גם הצמח לנשא אנרגיה ATP, שאותו הוא מקבל בצימוד לתהליך הנשימה.
כאשר התאורה היא אופטימלית לביצוע פוטוסינתזה, עצמת התהליך יכולה להיות פי 30 מעוצמת הנשימה, ואז כמות החמצן הנפלטת גדולה כמובן באותה מידה מכמות החמצן הנקלטת. בחשכה פוטוסינתזה אינה מתרחשת ואז קיימת רק קליטה של חמצן לתהליך הנשימה. תופעה זו עשויה לגרום לתפישה השגויה ש "צמח עושה פוטוסינתזה ביום ונושם בלילה".

אתר מצוין מלווה בסכימות ואנימצית המסביר את השלבים של הנשימה התאית

מקור נוסף למידע, ברמה בסיסית, על תהליכים צמודים ותהליכים צמודים בתא החי ניתן לקרוא בספר "עולם של אנרגיה", מדע וטכנולוגיה בחטיבת הביניים, הוצאת האוניברסיטה העברית, המחלקה להוראת המדעים, עמוד 211 ואילך ועמוד 232 ואילך.

השפעת האלכוהול על גוף האדם

גורמים המשפיעים על התוצאות של צריכת האלכוהול באדם מסוים הם:

1. גיל
2. מגדר (מין)
3. מצב גופני
4. כמות המזון שנאכלה וטיבו
5. תרופות וסמים אחרים שנצרכו

ככל שהאדם צעיר יותר, כמות קטנה יותר של אלכוהול גורמת לתוצאות מזיקות. הנזק הגדול ביותר, עד כדי מוות, נגרם לעוברים שאמם צורכת כמויות גדולות של משקאות חריפים.
נשים הצורכות אותה כמות אלכוהול כמו גברים, ריכוז האלכוהול בדמן גבוה יותר והן מגיבות באופן קיצוני יותר מהם. יש, כנראה, שתי סיבות להבדל בין המגדרים – החלק של הפאזה המימית בגופן של נשים קטן יותר מזה של גברים ( אחוז השומן גדול יותר) ולכן אותה כמות אלכוהול מתפזרת בנפח קטן יותר. אצל נשים בגילאים 18-40 אחוז המים בגוף הוא 52, ואילו אצל גברים מאותו הגיל הוא 61%. בגיל מבוגר יותר ההבדלים מצטמצמים. בנוסף, יש הסבורים כי האנזים ADH (אלכוהול דהידרוגנאז) המזרז את הפיכת האתנול לאצטאלדהיד, פועל לאט יותר בקיבתן של נשים ולכן חלק גדול יותר (כ-30% יותר) מהאלכוהול שנשתה חודר לדמן.
בקיבה ובמערכת עיכול בכלל שיש בהם מזון, ספיגת האלכוהול תהיה איטית יותר. במיוחד אמור הדבר לגבי מזון המכיל שומן המאט את ספיגת האלכוהול. זו הסיבה להבדל בהשפעה בין שתייה על קיבה ריקה לבין שתייה בארוחה.
מצבו הגופני של אדם והשפעות הדדיות בין תרופות שונות שנטל לבין האלכוהול עלולים גם הם להחמיר את התגובה לשתיית אלכוהול. בעלונים המצורפים לתרופות שונות ניתן למצוא הנחיה להימנע משתית אלכוהול כל זמן לקיחת התרופה.

אתר המתאר את הגורמים המשפיעים על התגובה לצריכת אלכוהול

המסלול שהאלכוהול עושה בגוף האדם:

1. האלכוהול נכנס דרך הפה.
2. בקיבה נספג חלק מהאלכוהול לתוך זרם הדם וחלק קטן ממנו עובר חמצון.
3. במעיים הדקים רוב האלכוהול נספג לתוך זרם הדם דרך דפנות המעיים.
4. הלב מזרים את הדם המכיל אלכוהול לכל חלקי הגוף.
5. האלכוהול מגיע עם זרם הדם למוח.
6. עם הדם מגיע האלכוהול גם לכבד שם רובו עובר חמצון, בשיעור של כ-15 גרם לשעה. שאר האלכוהול יוצא בזיעה, באוויר הנשיפה ובשתן.

השפעת האלכוהול על מערכת העצבים המרכזית:

האלכוהול פועל באופנים שונים על מערכת העצבים המרכזית. היות שהאתנול הוא מולקולה קטנה, הוא נספג בקלות לדם וגם עובר דרך מחסום דם-מוח שמולקולות גדולות יותר אינן יכולות לעבור.

1. האלכוהול מגביר את יצור הנור-אפינפרין והדופאמין (נוירוטרנסמיטורים במח).
2. מקטין את ההולכה העצבית במערכות האצטיל-כולין. (מפעיל בעיקר פעולות שרירים רצוניות).
3. מגביר הולכה במערכות GABA.
   (GABA – גמא-אמינו- חומצה בוטירית, מצמצם רגישות של תאי עצב. הגברה של הפרשתו היא הגורם להשפעה המנמנמת של אלכוהול).
4. מגביר יצור בטא-אנדורפינים. (אנדורפינים הם "סמים" טבעיים שמייצר המוח וגורמים לתחושות טובות. מופרשים גם בעקבות פעילות גופנית נמרצת).

אנימציה לאופן שבו אלכוהול פועל בסינפסות במוח

אתר המסביר את המסלול של האלכוהול בגוף ואת השפעתו על הטרנסמיטרים השונים במוח

מקור למידע על זמן תגובה בעת נהיגה ניתן למצוא בספר "עולם של אנרגיה" בהוצאת האוניברסיטה העברית, עמוד 142 ואילך.