تحويل الطاقة الكيميائية الكامنة إلى طاقة قابلة للاستعمال التنفس و التخمر

تحتوي المواد العضوية على طاقة كيميائية كامنة في روابطها الكيميائية ، و أن هدم هذه الروابط يؤدي إلى تحرير ما بها من طاقة . و يعتبر التنفس و التخمر أهم آليات هذا الهدم .

1- العلاقة بين درجة تفكيك مادة الأيض و الطاقة الناتجة: تجربة باستور: زرع باستور خميرة الجعة ( فطريات وحيدة الخلية) في وسطين يحتويان على سكر العنب أحدهما غني بالأكسجين، و الآخر خال من الأكسجين. النتائج المحصل عليها ممثلة في الجدول التالي:

الكمية الابتدائية للسكر الوسط اللاهوائي الوسط الهوائي الشروط التجريبية 3 أشهر 9 أيام المدة 5 150 غ 5 150 غ تركيز المحلول ( غ/ل) الكمية الابتدائية للسكر نعم لا انتاج الايثانول 45 غ 145 غ كتلة الغلوكوز المستهلك( G ) 0.255 غ 1.970 غ كتلة الخميرة المتشكلة (L) 3.000 ملل 3.000 ملل حجم المحلول

النتيجة التنفس هو تفكيك كلي لمادة الأيض ( سكر العنب )، لذا تكون كمية الطاقة الناتجة خلاله كبيرة. التخمر هو تفكيك جزئي لمادة الأيض، لذا تكون كمية الطاقة الناتجة خلاله قليلة. كلما زادت درجة تفكيك مادة الأيض زادت كمية الطاقة الناتجة.

مقر التنفس و التخمر تجربة (1 ): أخضر جانوس عبارة عن ملون حيوي يوجد على شكلين: - الشكل المؤكسد ذو لون أخضر. - الشكل المرجع يكون عديم اللون. يظهر الفحص المجهري للخلايا المعالجة بأخضر جانوس زوال لون أخضر جانوس في كل أجزاء الخلية ما عدا بعض العضيات التي تدعى بالميتوكندريات. إذن لهذه العضيات دور في الأكسدة الخلوية.

تجربة (2): يكشف الفحص المجهري لعينة معزولة من مزرعتين لخلايا الخميرة إحداهما معرضة للهواء الشكل(أ) و الأخرى بمعزل عن الهواء الشكل (ب) عن المظهرين الممثلين في الوثيقة التالية:

يلاحظ على مستوى هيولى الخلايا المأخوذة من الوسط الهوائي تواجد ميتوكندريات نامية جدا، في حين تكون هذه العضيات منعدمة تقريبا في هيولة الخلايا المأخوذة من الوسط اللاهوائي. تقابل الحالة الأولى حدوث ظاهرة حيوية هي التنفس، بينما تقابل الحالة الثانية حدوث ظاهر حيوية أخرى هي التخمر.

بنية الميتوكندري

مكونات الغشاء الداخلي و الحشوة DNA ،أنزيمات، نواقل، ريبوزومات، مكتنفات % 70- 80 % بروتينات، 20%إلى 30 % دهون. تنتمي البروتينات إلى ثلاثة أنماط:نواقل، كرات مذنبة، نواقل نوعية

التنفـــــس

مراحل التنفس تنتج الغازات المتبادلة بين الخلية و الوسط الخارجي أثناء عملية التنفس عن تفاعلات استقلابية يتم خلالها أكسدة كلية للمادة الأيضية. نبحث هنا عن الاليات و المراحل التي تمر بها هذه الأكسدة

تجربة: لهدف إظهار مراحل التنفس: متى يستعمل الأكسجين و متى يستعمل الغلوكوز، أنجزت التجربة التالية: بعد تعريض معلق خميرة لتهوية قصوى لمدة 24 ساعة، تؤخذ هذه الخلايا و تخضع لعملية ما فوق الطرد المركزي، فنعزل بذلك الميتوكندريات التي توضع في محلول معدل مناسب و في حيز مغلق لجهاز خاص. نقيس كمية الأكسجين الممتصة في غياب سكر العنب بدلالة الزمن. نتابع القياس بإضافة كمية من سكر العنب عند الزمن ز=2 و بإضافة كمية من حمض البيروفيك عند الزمن ز=3 النتائج المحصل عليها ممثلة في المنحنى التالي:

التحليل إن كمية الأكسجين المستهلكة من طرف الميتوكندريات المعزولة ضئيلة جدا في بداية التجربة، كما أن إضافة الجلوكوز إلى الوسط لا تغير من كمية الأكسجين المستهلكة، بينما إضافة حمض البيروفيك تكون متبوعة بارتفاع معتبر لكمية الأكسجين المستهلكة. يمكن بذلك القول أن الميتوكندريات تستعمل حمض البيروفيك كمادة أيض و ليس بامكانها استعمال الجلوكوز بصفة مباشرة. و يمكننا القول أن الجلوكوز الموفر للخلية يتحول أولا إلى حمض البيروفيك قبل أن يستهلك هذا الأخير على مستوى الميتوكندريات، حيث يتم ذلك على مستوى الهيولة وفقا لمرحلة تسمى بمرحلة التحلل السكري.

التحلل السكري تتم هذه المرحلة من الهدم عند خلايا الكائنات الحية الهوائية و اللاهوائية ، فهي عادة تتم بوجود أو غياب الأكسجين و ذلك على مستوى الهيولة. يتحول الجلوكوز خلال هذه المرحلة إلى حمض البيروفيك وفقا للتفاعلات التالية:

يتعرض الجلوكوز-6-فوسفات إلى تفاعل تماكب متحولا إلى فركتوز-6-فوسفات.

2- تحول الفركتوز 1-6-فوسفات

3- تشكل حمض ثنائي فوسفوغليسريك

4- تشكل حمض البيروفيك

2 حمض البيروفيك غلوكوز

مصير حمض البيروفيك و يتم على مستوى الميتوكوندري

الأكسدة التنفسية حلقة كريبس

تحول حمض البيروفيك إلى الأسيتيل مرافق الأنزيم (أ)

حمض البيروفيك CoA حمض الأسيتيك Acetyl-CoA أستيل مرافق الأنزيم أ 2 1 حمض الأسيتيك 3 Acetyl-CoA أستيل مرافق الأنزيم أ حمض البيروفيك Coenzyme A CO2

نواتج حلقة كريبس

دخول خروج Acetic acid 2 CO2 2 1 ADP 3 حلقة كريبس 3 NAD 4 FAD 5 6

الفسفرة التأكسدية مصير 2NADH و 2FADH تمر مرافقات الأنزيم المرجعة الناتجة من التحلل السكري و المتواجدة في المادة الأساسية للميتوكوندري إلى مستوى الغشاء الداخلي له (الأعراف الميتوكندرية) حيث تتدخل في سلسلة من التفاعلات المسماة بالسلسلة التنفسية.

الفسفرة التأكسدية: إن انتقال الالكترونات عبر السلسلة التنفسية و تشكل ATP ظاهرتان مترافقتان يطلق عليهما اسم الفسفرة التأكسدية. 1- يتأكسد كل من 2NADH و 2FADH إلى الكترونات و بروتونات و + NAD و + FAD. 2-تنتقل الالكترونات عبر نواقل الالكتروانت الموجودة ضمن الغشاء الداخلي للميتوكندري من كمون أكسدة و ارجاع منخفض إلى كمون أكسدة و ارجاع أعلى محررة طاقة تعمل على ضخ البروتونات من الحشوة إلى الفراغ بين غشائي مشكلة تدرجا في التركيز للبروتونات. 3- تستقبل الالكترونات من طرف الاكسجين حيث تعمل على ارجاعه. 4- تنتقل البروتونات حسب التدرج في التركيز و عبر الكرات المذنبة من الفراغ بين الغشائي إلى الحشوة محررة طاقة تعمل على فسفرة الـADP إلى ATP. 5- الأكسجين المنشط يستقبل البروتونات و يشكل الماء.

سلسلة نواقل الالكترونات معقد بروتيني نواقل الالكترونات فقد الكتونات سلسلة نواقل الالكترونات ATP سنتيتاز

المواقع الثلاثة هي مناطق السلسلة التنفسية أين يتم تحرير طاقة كافية لتشكيل ثلاثة جزيئات من الـ ATP

ملاحظة: انتقال الالكترونات من TH2 إلى الناقل النهائي الأكسجين يتم من كمون أكسدة و ارجاع منخفض إلى كمون أكسدة و ارجاع أعلى ، أي أن الانتقال تلقائي و يحرر طاقة.

سلسلة انتقال الالكترونات 1/2 NAD) من الطعام إلى 2 H 2 e سلسلة انتقال الالكترونات 2 e 1/2 2 H

الحصيلة الطاقوية للتنفس يقصد بها مجموع جزيئات الـ ATP التي تنجم عن هدم جزيئة واحدة من مادة الجلوكوز. كل جزيئة 2NADH =3 ATP كل جزيئة الـ 2FADH =2 ATP

الهيولة ميتوكوندري NADH NADH +FADH التحلل السكري 2 حمض البيروفيك حلقة كريبس نواقل الالكترونات غلوكوز

التحلل السكري حلقة كريبس الهيولة ميتوكوندري 2 Acetyl- CoA نواقل الالكترونات

المعادلة الاجمالية للتنفس أكســــدة يفقد الغلوكوز الكترونات و بروتونات Carbon dioxide غلوكوز إلكترونات و بروتونات Energy إرجــــــاع يكتسب الأكسجين الكترونات و بروتونات أكسجين

الجلوكوز يفقد الكترونات و بروتونات أكسدة الجلوكوز يفقد الكترونات و بروتونات Oxygen ارجـــــاع [الأكسجبن يكتسب الكترونات و بروتونات

بنزين حرارة ثاني أكسيد الكربون احتراق ماء أكسجين طاقة قابلة للاستعمال Gasoline ماء أكسجين طاقة قابلة للاستعمال

حرارة طعام ثاني أكسيد الكربون تنفس خلوي ماء أكسجين طاقة قابلة للاستعمال

التخمر يتم التخمر في مستوى الهيولة الأساسية و في غياب الأكسجين. يتفكك الغلوكوز تدريجيا ليعطي جزيئتين من حمض البيروفيك الذي يتفكك بدوره حسب الحالتين التاليتين (أ، ب)

(أ) التخمر اللبني 2 ADP+ 2 التحلل السكري 2 NAD 2 NAD 2 غلوكوز + 2 H حمض البيروفيك + 2 H 2 حمض اللبن

ايثانول (ب) تخمر كحولي 2 ADP+ 2 2 CO2 2 ATP التحلل السكري 2 NAD غلوكوز 2 ايثانول 2 حمض البيروفيك + 2 H

معادلة التخمر البني

معادلة التخمر الكحولي

Food Polysaccharides Fats Proteins Sugars Glycerol Fatty acids Amino acids Amino groups Acetyl- CoA Krebs Cycle Glycolysis Electron Transport Figure 6.13

الحصيلة الطاقوية للتخمر الحصيلة الطاقوية للتخمر و الناتجة من جزيئة واحدة من سكر العنب هي:2ATP فقط.

المردود الطاقوي للتنفس و التخمر

- يحتوي جزيء واحد من الغلوكوز على طاقة كامنة = 2860 كيلو جول - يحتوي جزيء واحد من الغلوكوز على طاقة كامنة = 2860 كيلو جول. - يتطلب تشكيل جزيئة واحدة من الـATP كمية من الطاقة = 30.5 كيلو جول

العلاقات بين الصانعات الخضراء و الميتوكندريات هذه العلاقات تكون مباشرة داخل الخلية النباتية و غير مباشرة من خلية نباتية إلى خلية حيوانية

ملخص عن مفهوم الطاقة Heat Sunlight Cellular respiration Photosynthesis