למה אתם נושמים
עצרו את הנשימה, ותוך דקה הגוף שלכם יתעקש שתפסיקו. הריאות אינן הסיבה; הן רק שירות המשלוחים. החמצן שהן קולטות נישא בדם אל כל תא, ובתוך כל תא הוא מנוצל בגופיפים קטנים שנקראים מיטוכונדריה. שם המזון שאכלתם מפורק, והאנרגיה שלו נלכדת בצורה שהתא יכול להשתמש בה. התהליך הזה הוא נשימה תאית, והוא מתרחש כמעט בכל יצור חי, משמרים ועד עצי אלון ועד אתכם.
התוצאה הכוללת נראית כמו שרפה: סוכר וחמצן נכנסים, פחמן דו־חמצני ומים יוצאים, ואנרגיה משתחררת. נר עושה את אותה כימיה בפרץ חם אחד. תא עושה אותה בעשרות צעדים קטנים, בטמפרטורת הגוף, כדי שאפשר יהיה ללכוד את האנרגיה מעט בכל פעם במקום שתברח כחום וכאור.
המטבע של התא
האנרגיה נלכדת במולקולה שנקראת ATP (אדנוזין טריפוספט). זו מולקולה קטנה עם זנב של שלוש קבוצות פוספט. ניתוק הפוספט האחרון משחרר מנה נוחה של אנרגיה, מספיק כדי להניע צעד אחד במשיכה של סיב שריר, פעימה אחת של משאבה בקרום של תא עצב, או הוספה של חוליה אחת לחלבון. אחר כך התא בונה את ה־ATP מחדש ומוציא אותו שוב. בכל יום אתם מייצרים ומפרקים ATP בכמות ששוקלת בערך כמו הגוף שלכם, ולכן השאלה שהנשימה התאית עונה עליה היא איך לטעון אותו מחדש מהר מספיק.
פיצול הסוכר
השלב הראשון מתרחש מחוץ למיטוכונדריון, בנוזל שממלא את התא. מולקולת גלוקוז, שרשרת של שישה אטומי פחמן, עוברת לאורך שורה של עשרה אנזימים. באמצע הדרך היא נחתכת לשתיים, ובסוף היא הופכת לשתי מולקולות של פירובט, בנות שלושה פחמנים כל אחת. זו גליקוליזה, שפירוש שמה פיצול סוכר. היא עולה 2 ATP בהתחלה ומחזירה 4, רווח של 2. היא גם מסירה מהסוכר חלק מהמימן ואת האלקטרונים שלו, שנטענים על מולקולות נשא לשימוש בהמשך.
גליקוליזה אינה צריכה חמצן כלל. זה כנראה החלק העתיק ביותר של התהליך כולו, שעבר בירושה ממיקרואורגניזמים שחיו לפני שהיה חמצן באוויר.
בתוך המיטוכונדריון
כשיש חמצן, כל פירובט מועבר אל תוך המיטוכונדריון, אל הנוזל הסמיך שבמרכזו, שנקרא מטריקס. שם הוא מפורק לגמרי בלולאה של תגובות שנקראת מעגל קרבס, על שם הביוכימאי שפענח אותה. בכל סיבוב של הלולאה החלקים עוברים מיד ליד סביב טבעת של מולקולות ביניים. אטומי הפחמן יוצאים כפחמן דו־חמצני, אותו פחמן דו־חמצני שאתם נושפים. המעגל מייצר רק עוד 2 ATP לכל גלוקוז. התוצר האמיתי שלו הוא אלקטרונים: הוא טוען עוד הרבה מולקולות נשא באלקטרונים שהוסרו מהסוכר.
שרשרת האלקטרונים והטורבינה
הקרום הפנימי של המיטוכונדריון מקופל למדפים שנקראים קריסטות, והם דוחסים הרבה קרום למקום קטן. בקרום הזה משובצת שרשרת מעבר האלקטרונים, שורה של חלבונים גדולים. הנשאים הטעונים מורידים את האלקטרונים שלהם בתחילת השורה, והאלקטרונים עוברים מחלבון לחלבון, ובכל צעד האנרגיה שלהם נמוכה מעט יותר. בסוף הם נמסרים לחמצן, שקולט גם מימן והופך למים. זה התפקיד היחיד של החמצן בנשימה התאית, אבל שום דבר אחר לא יכול למלא אותו: בלי משהו שייקח את האלקטרונים המנוצלים, כל השרשרת נתקעת.
את האנרגיה שהאלקטרונים מוסרים בדרך, התא מנצל כדי לשאוב פרוטונים (יוני מימן) דרך הקרום, אל החלל שבתוך הקפלים. הם מצטברים שם כמו מים מאחורי סכר. הדרך היחידה חזרה עוברת דרך ATP סינתאז, חלבון בצורת סוכרייה על מקל עם רוטור בתוך המקל. כשפרוטונים זורמים דרכו, הרוטור מסתובב, עד מאה פעמים בשנייה, וכל סיבוב שלם מצמיד פוספט ל־ADP ויוצר שלוש מולקולות ATP חדשות. זה מנוע סיבובי של ממש, ברוחב של כעשר מיליוניות המילימטר. שרשרת מעבר האלקטרונים וה־ATP סינתאז מייצרים יחד כ־28 מתוך כ־32 מולקולות ה־ATP שמולקולת גלוקוז אחת מניבה.
נסו: תחת מעקב אחר הגלוקוז, התקדמו עד שרשרת האלקטרונים וצפו באלקטרונים שרצים לאורך הקפלים אל החמצן. אחר כך קבעו את אספקת החמצן על 0% ועברו שוב על השלבים: הפירובט הופך הפעם ללקטט, והספירה שליד הניסוי יורדת ל־2 ATP לכל גלוקוז.
כשחסר חמצן
בלי חמצן שרשרת מעבר האלקטרונים נעצרת, הפרוטונים כבר לא נשאבים וה־ATP סינתאז עומד מלכת. הפירובט כבר לא נכנס למיטוכונדריון. התא עדיין יכול להפעיל את הגליקוליזה, אבל רק אם הוא מרוקן את נשאי האלקטרונים איפשהו, ולכן הוא מעביר את המימן שלהם בחזרה אל הפירובט, וזה הופך אותו ללקטט. שמרים עושים את אותו תרגיל, אבל מייצרים במקום זה אתנול ופחמן דו־חמצני, ולכן לחם תופח ומיץ ענבים הופך ליין.
המחיר כבד. בלי חמצן, גלוקוז אחד נותן 2 ATP במקום כ־32, ולכן תא צריך לשרוף סוכר מהר בערך פי שישה־עשר כדי לקבל אותה אנרגיה. השרירים שלכם עושים את זה בזמן ספרינט, כשהם מנצלים ATP מהר יותר ממה שהדם מספיק להביא חמצן. זה מהיר, אבל זה לא יכול להימשך, וזו הסיבה שאצן מתנשף עוד הרבה אחרי שחצה את קו הסיום: הנשימה הנוספת משלימה את החוסר.
בין שני המצבים האלה, תא שמקבל רק חלק מהחמצן שהוא צריך שורף רק את החלק הזה מהפירובט שלו, ואת השאר הוא מתסיס. קבעו את אספקת החמצן על 50%, והספירה תראה כ־17 ATP לכל גלוקוז.
החצי השני של הפוטוסינתזה
נשימה תאית היא פוטוסינתזה בכיוון ההפוך. עלה משתמש באנרגיה של האור כדי לבנות סוכר מפחמן דו־חמצני וממים, ומשחרר חמצן. כל יצור חי, כולל הצמחים, מקבל אחר כך את האנרגיה הזאת בחזרה כשהוא מחבר את הסוכר עם חמצן ומחזיר את הפחמן הדו־חמצני ואת המים. ייתכן שהמיטוכונדריה שבתאים שלכם היו פעם חיידקים שחיו חיים עצמאיים, שנבלעו בידי תא גדול יותר ומעולם לא יצאו: הם עדיין נושאים לולאה קטנה של DNA משלהם ומתחלקים בעצמם.
מה המודל הזה משאיר בחוץ
הסצנה מקבצת כעשרים תגובות לשלושה שלבים, ואינה מראה את מולקולות הנשא (NADH ו־FADH₂) כמולקולות; היא מראה את האלקטרונים שהן נושאות כחרוזים. היא מציירת מיטוכונדריון אחד וכמה אנזימים, בעוד שבתא שריר יש מאות או אלפי מיטוכונדריה ומיליוני עותקים של כל אנזים. המולקולות מצוירות גדולות פי אלפים מגודלן האמיתי, והן נעות לאט ובסדר רב הרבה יותר מההמולה האמיתית בתוך תא.
אספקת החמצן מפושטת למספר אחד: החלק מהחמצן שהתא צריך שמגיע אליו באמת. החלק הזה מהפירובט נשרף והשאר הופך ללקטט, ולכן מספר ה־ATP לכל גלוקוז עולה בקו ישר מ־2 עד 32. תא אמיתי גם מאיץ את הגליקוליזה כשחסר חמצן, והמיטוכונדריה שלו ממשיכים לעבוד גם ברמות חמצן נמוכות למדי. התפוקה של כ־32 ATP לכל גלוקוז היא ההערכה המודרנית; חלק מהאנרגיה דולף בחזרה דרך הקרום, וספרי לימוד ישנים יותר נותנים 36 או 38, על פי ספירה פחות זהירה.