| استهلاك المــادة العضوية وتدفق الطــاقة |
I / مراحل تفكيك الكليكوز:
1 ـ داخل الجبلة الشفافة:
عندما يدخل الكليكوز إلى الخلية، يتحد مع الفوسفاط ليعطي كليكوز فوسفاط، مما يمنعه من جهة من مغادرة الخلية، ويمكنه من جهة أخرى من الدخول في سلسلة من التفاعلات، تمثل الوثيقة التالية مختلف مراحل تفكيك جزيئة الكليكوز.
www.biomultimedia.net
ـ اعتمادا على الوثيقة:
1 ـ صف مختلف التفاعلات التي تتعرض إليها جزيئة الكليكوز.
2 ـ استخلص التفاعل الإجمالي لانحلال الكليكوز، وذلك بسحب العناصر داخل الخانات المناسبة:
1 ـ داﺧﻞ اﻟﺠﺒﻠﺔ اﻟﺸﻔﺎﻓﺔ
يتعرض اﻟﻜﻠﯿﻜﻮز لسلسلة ﻣﻦ اﻟﺘﻔﺎﻋﻼت اﻟﻜﯿﻤﯿﺎﺋﯿﺔ اﻟﻤﺤﻔﺰة ﺑﺄﻧﺰﯾﻤﺎت ﻧﻮﻋﯿﺔ،
وﺗﺘﻢ ﻋﻠﻰ ﺛﻼث ﻣﺮاﺣﻞ:
ـ اﻟﻤﺮﺣﻠﺔ اﻷوﻟﻰ:
ﯾﺘﺤﻮل اﻟﻜﻠﯿﻜﻮز
إﻟﻰ ﻓﺮﯾﻜﺘﻮز ﺛﻨﺎﺋﻲ اﻟﻔﻮﺳﻔﺎت، ﺑﻌﺪ ﺗﺜﺒﯿﺖ مجموعتين فوسفاتيتن يتم انتزاعهما
من جزيئتي ATP، إذن هناك استهلاك للطاقة خلال هذه المرحلة.
ـ اﻟﻤﺮﺣﻠﺔ اﻟﺜﺎﻧﯿﺔ:
ﯾﻨﺸﻄﺮ اﻟﻔﺮﯾﻜﺘﻮز ﺛﻨﺎﺋﻲ اﻟﻔﻮﺳﻔﺎت إﻟﻰ ﺟﺰﯾﺌﺘﯿﻦ ﻣﻦ ﺳﻜﺮ ﺛﻼﺛﻲ
الكربون فوسفات(غليسرالدهيد
فوسفات).
ﺗﺨﻀﻊ ﻛﻞ ﻣﻦ ھﺎﺗﯿﻦ اﻟﺠﺰﯾﺌﺘﯿﻦ إﻟﻰ اﻧﺘﺰاع
الكترونات واﻟﮭﯿﺪروﺟﯿﻦ(أﻛﺴﺪة) ﺑﻮاﺳﻄﺔ ناقل NAD فيتحول إﻟﻰ NADH
ﻣﻊ ﺗﻔﺴﻔﺮ ﺟﺰﯾﺌﺘﻲ السكر ثلاثي الكربون فوسفات، وتحولهما
إﻟﻰ سكر ثلاثي
كربون ﺛﻨﺎﺋﻲ اﻟﻔﻮﺳﻔﺎت.
ـ اﻟﻤﺮﺣﻠﺔ اﻟﺜﺎﻟﺜﺔ:
ﺗﺴﻠﻢ ﺟﺰﯾﺌﺘﺎ السكر ثلاثي
الكربون ﺛﻨﺎﺋﻲ اﻟﻔﻮﺳﻔﺎت ﻣﺠﻤﻮﻋﺘﯿﮭﻤﺎ اﻟﻔﻮﺳﻔﺎﺗﯿﺔ إﻟﻰ جزيئتي ADP،
وﺗﺘﺤﻮﻻن إﻟﻰ ﺟﺰﯾﺌﺘﯿﻦ ﻣﻦ ﺣﻤﺾ اﻟﺒﯿﺮوﻓﯿﻚ (CH3COCOOH)، ﺑﯿﻨﻤﺎ ﯾﺘﺤﻮل ADP إﻟﻰ
ATP.
2 ـ التفاعل الإجمالي لانحلال الكليكوز: C6H12O6+2ADP+2Pi+2NAD--->2CH3COCOOH+2ATP+2NADH
| خلاصة
تتفكك جزيئة الكليكوز داخل الجبلة الشفافة تحت تأثير أنزيمات، لتعطي في النهاية جزيئتين من حمض البيروفيك، وتسمى هذه التحولات انحلال الكليكوز وتتم في غياب الأكسجين.
Graham R. Kent Dept. of Biological Sciences Smith College Northampton |
انظر الوثيقة 1 ـ الوثيقة 2 ـ الوثيقة 3 ـ الوثيقة 4 ـ الوثيقة 5
2 ـ داخل الميتوكوندري:
2 ـ 1 ـ فوق بنية الميتوكوندريات:
 |
هي عبارة عن عضيات خلوية يتراوح طولها بين1 و 2μm، عرضها بين 0,5 و1μm. يزداد عددها كلما كانت الخلايا أكثر نشاطا، وكلما كان الوسط غنيا بالأكسجين.
 |
تمثل الوثيقة 1 مقارنة ﺍﻟﺒﻨﻴﺔ ﺍﻟﺠﺯيئية ﻟﻠﻐﺸﺎئين ﺍﻟﺩاخلي ﻭﺍﻟﺨﺎﺭجي ﻟﻠﻤﻴﺘﻭﻜﻨﺩﺭﻱ، بينما تمثل الوثيقة2 اﻟﺘﺮﻛﯿﺐ اﻟﻜﯿﻤﯿﺎﺋﻲ ﻟﻜﻞ ﻣﻦ اﻟﻐﺸﺎء اﻟﺪاﺧﻠﻲ، واﻟﺨﺎرﺟﻲ واﻟﻤﺎﺗﺮﯾﺲ.
| الوثيقة1 |
 |
| الوثيقة2 |
 |
ـ اعتمادا على الوثيقتين1 و2، قاﺭن ﺍﻟﺒﻨﻴﺔ ﺍﻟﺠﺯيئية ﻟﻠﻐﺸﺎئين ﺍﻟﺩاخلي ﻭﺍﻟﺨﺎﺭجي، والتركيب الكيميائي لمختلف مكونات اﻟﻤﯿﺘﻮﻛﻨﺪري.
1ـ الوثيقة1: يتميز الغشاء الداخلي عن الغشاء الخارجي يتوفر وجهه الداخلي على كرات ذات شمراخ، وهي مركبات انزيمية(ATP سنتتاز)
الوثيقة2: نلاحظ اختلافا في التركيب بين الغشاء الخارجي والداخلي والماتريس حيث ان الماتريس غنية بالانزيمات المزيلة للهيدروجين والانزيمات المزيلة للكربون، غنية بنواقل البروتونات والالكنرونات و ATP ، بينما الغشاء الداخلي يتميز بوجود
مركبات أنزيمية مسؤولة عن تفاعلات الاكسدة اختزال وانزيمات ATP سنتتاز
2 ـ 2 ـ أكسدة حمض البيروفيك:
ـ المرحلة الأولى : تكوين أستيل كوأنزيم A (مساعد الأنزيم A)
 |
الحصيلة:
اسحب العناصر داخل الخانات المناسبة:
ـ المرحلة الثانية : تفاعلات حلقة KREBS
يدخل أستيل كوأنزيم A في حلقة من التفاعلات يتم خلالها انتزاع الكربون على شكل CO2، واختزال جزيئات ناقلة NAD و FAD إلى NADH و FADH2 ، مع تكون طاقة ATP. مجموع هذه التفاعلات تسمى حلقة KREBS .
 |
Graham R. Kent Dept. of Biological Sciences Smith College Northampton
التفاعل الإجمالي لحلقة KREBS :
Acetyl-CoA + ADP + Pi + 3NAD + FAD +3H2O -----------------------> 2CO2 + ATP + 3NADH + FADH2+ CoA
انظر الوثيقة1 ـ الوثيقة2 ـ الوثيقة3
ـ اعتمادا على الوثيقة التالية، اكتب التفاعل الإجمالي لأكسدة جزيئة واحدة من حمض البيروفيك داخل الميتوكوندري.
 |
التفاعل الإجمالي لأكسدة جزيئة واحدة من حمض بيروفيك:
pyruvate + ADP + Pi + 4NAD + FAD -----------------------> 3CO2 + ATP +4NADH + FADH2
جزيئات الماء غير ممثلة في التفاعل
ـ المرحلة الثالثة: مصير النواقل TH2 أي (NADH + FADH2 )
لابراز مصير النواقل المختزلة وعلاقتها بانتاج الطاقة، نقترح المعطيات التجريبية التالية:
ـ التجربة 1 : وضعت ميتوكندريات، على شكل محلول عالق، في وسط خال من O2 يحتوي على معطي للالكترونات TH2. تم تتبع تطور تركيز أيونات+H في هذا الوسط قبل وبعد إضافة محلول غني بالأكسجين، النتائج المحصل عليها مبينة في الوثيقة التالية:
 |
ـ التجربة 2 : بعد تعريض الميتوكوندريات لفعل موجات فوق صوتية، تشكلت تلقائيا حويصلات من أجزاء الأغشية الداخلية للميتوكوندريات.
 |
توضع هذه الحويصلات في وسط تجريبي يحتوي على O2 والمركبات المختزلة TH2 بالإضافة إلىADP و Pi ، ويمثل الجدول التالي النتائج المحصل عليها.
| ملاحظات | الظروف التجريبية |
| تركيب ATP وإعادة أكسدة TH2 إلى T | حويصلات ميتوكوندرية كرات ذات شمراخ |
| إعادة أكسدة TH2 إلى T لكن عدم تركيب ATP | حويصلات بدون كرات ذات شمراخ |
ـ التجربة 3 : يتم وضع الحويصلات التي تعرض فوق سطحها كريات ذات شمراخ في محاليل مختلفة من حيث pH تحتوي على ADP و Pi
|
ـ إذا كان pH الداخلي أصغر من pH الخارجي يلاحظ تفسفر ADP ـ إذا كان pH الداخلي يساوي pH الخارجي يلاحظ انعدام تفسفر ADP
|
 |
1 ـ اعتمادا على التجربة1 فسر النتائج المحصل عليها؟
2 ـ باستغلالك لنتائج التجربتين 2 و3 استخلص شروط تفسفر ADP إلى ATP.
3 ـ انطلاقا من المعطيات السابقة، أوجد العلاقة بين الأكسجين والنواقل المختزلة وإنتاج ATP .
1 ـ
قبل إضافة الأكسجين إلى الوسط، كان تركيز البروتوناتH+ منعدما، لكن مباشرة بعد إضافة الأكسجين إلى الوسط، عرف تركيز البروتوناتH+ ارتفاعا سريعا ثم بدأ بالانخفاض بشكل تدريجي.
يفسر ارتفاع تركيز البروتوناتH+ في الوسط بعد إضافة الأكسجين، بعملية أكسدة النواقل المختزلة TH2، الشيء الذي يؤدي إلى تحريرH+ ونقله إلى الوسط الخارجي. بعد مرور حوالي 25 ثانية، يلاحظ انخفاض تدريجي في تركيزH+ ، ويمكن تفسير ذلك بعودة البروتونات H+ إلى داخل الميتوكندريات(الماتريس)، لكن بشكل بطيء.
2 ـ
التجربة 2: في غياب الكرات ذات شمراخ على مستوى الحويصلات، لا يتم إنتاج ATP
التجربة 3: لا يتم تركيب ATP الا اذا كان pH الداخلي أصغر من pH الخارجي.
نستنتج من المعطيات السابقة أن شروط تركيب ATP هي:
ـ تواجد الكرات ذات شمراخ على مستوى غشاء الحويصلات.
ـ تواجد فرق في pH بين الوسطين الداخلي والخارجي للحويصلات.
ـ وجود ADP و Pi.
3ـ
عند وجود الأكسجين تتم أكسدة النواقل المختزلة TH2 قيتم تحرير البروتوناتH+ ونقلها إلى الوسط الخارجي، مسببة اختلافا في pH بين داخل وخارج الحويصلات، نقول أن هناك ممال للبروتونات، هذا الممال يسمح بانتقال البروتونات عبر الغشاء على مستوى الكرات ذات شمراخ، مما يسهل تركيب ATP.
2 ـ 3ـ السلسلة التنفسية:
يحتوي الغشاء الداخلي للميتوكوندريات على سلسلة من نواقل الالكترونات قادرة على أكسدة جزيئات NADH و FADH2 ،ونقل الالكترونات إلى المستقبل النهائي (الأكسجين O2). تسمى السلسلة التنفسية.
انظر الوثيقة
 |
1/2O2 + 2e- --------------------> O2-
على مستوى الماتريس تتفاعل ايونات +H مع O2- لتعطي جزيئة الماء:
O2-+ 2H+ --------------------> H2O
الطاقة الناتجة عن انتقال الالكترونات تعمل على إخراج ايونات +H من الماتريس إلى الحيز البيغشائي. ينتج عن هذا ممال للبروتونات من جهتي الغشاء الداخلي للميتوكندري(حدوث فرق في pH بين الماتريس والحيز البيغشائي) وهو ضروري لتدفق ايونات +H على مستوى الكرات ذات شمراخ نحو الماتريس، حيث يتم تركيب جزيئات ATP عن طريق تفسفر ADP .انظر الرابط.
تركيب ATP الذي يستغل الطاقة الناتجة عن تفاعلات الأكسدة والاختزال يسمى التفسفر المؤكسد. انظر الوثيقة1 ـ الوثيقة2
 |
|
ـ إعادة أكسدة جزيئة واحدة من NADH تعطي 3ATP
ـ إعادة أكسدة جزيئة واحدة من FADH2 تعطي 2ATP
Graham R. Kent Dept. of Biological Sciences Smith College Northampton |
3ـ الحصيلة الطاقية للتنفس:
للكشف عن الحصيلة الطاقية للتفكيك التام للكليكوز خلال ظاهرة التنفس، نقترح الوثيقة التالية:
 |
1ـ اعتمادا على مكتسباتك السابقة، إملأ الخانات بما يناسب.
2 ـ استخلص الحصيلة الطاقية للتنفس.
اذا علمت أن النواقل المنتجة في الجبلة الشفافة لا تدخل إلى الميتوكوندري، لكنها تعوض في العديد من الخلايا بنواقل FADH2 .
3 ـ احسب الحصيلة الطاقية في هذه الحالة.
1 ـ
2 ـ الحصيلة الطاقية للتفكيك التام للكليكوز خلال التنفس هي:
2ATP+6ATP+6ATP+4ATP+18ATP+2ATP=38ATP
3ـ عندما يتم تعويض NADH بنواقل FADH2 ستصبح الحصيلة الطاقية:
2ATP+4ATP+6ATP+4ATP+18ATP+2ATP=36ATP
ملحوظة:
الكائنات ذات النواة غير الحقيقية PROCARYOTE لا تتوفر على ميتوكوندريات، حيث يلعب غشائها دور الغشاء الداخلي للميتوكوندريات وبالتالي يتم إنتاج 38ATP في الوسط الحيهوائي.
4ـ مصادر أخرى للطاقة : في حالة نقص الكليكوز يمكن للخلايا استعمال سكريات أخرى أو ذهون أو أحماض أمينية، تحولها إلى أستيل كوأنزيم A الذي يلتحق بدورة كريبس.
II / التخمر La fermentation
1 ـ معطيات تجريبية:
ـ التجربة1: نملأ حوجلة بحليب طري إلى آخرها(قصد طرد
الهواء).نترك
التحضیر لمدة 15 یوما في درجة حرارة (حوالي 41 درجة مئوية)
بعد ذلك نتتبع تطور قیمة
pH الحليب بواسطة عدة
EXAO. النتائج المحصل عليها ممثلة في المبيان التالي:
 |
ـ التجربة2: نضع الخمیرة في محلول الكلیكوز في درجة حرارة( 30 °C )، تم نتتبع تغيرات الوسط. النتائج المحصل عليها ممثلة في الوثيقة التالية:
 |
ـ استنادا إلى التجربتين 1 و2 ، فسر النتائج المحصل عليها.
ـ التجربة1:نلاحظ أن pH الحليب ينخفض مع مرور الزمن، وهذا يعني ارتفاع حمضية الحليب. ويمكن تفسير ذلك بتراكم حمض لبني انتجته بكتيريات حيلاهوائية قامت بتحويل اللاكتوز (سكر الحليب) واستعمال الكليكوز في استقلابها الطاقي لتفكيكه إلى حمض بيروفيك الذي يمنع من الدخول في سلسلة الأكسدة التنفسية بسبب غياب الاكسجين.
خلال هذه الظاهر يقوم حمض البيروفيك بأكسدة NADH حسب التفاعل التالي:
CH3-CO-COOH + NADH ------------------------->CH3-CHOH-COOH + NAD
حمص لبني حمض بيروفيك
تسمى هذه الظاهرة بالتخمر اللبني، وتحدث في الجبلة الشفافة.
ـ التجربة2: تعكر ماء الجير دليل على طرح CO2 كما يظهر اختبار الاثانول أن الوسط غني بهذا الكجول.
يمكن تفسير ذلك بكون الخميرة تقوم بتفكيك الكليكوز في وسط حيلاهوائي وتنتج خلال هذا الاستقلاب CO2 والإثانول.
نسمي هذه الظاهرة بالتخمر الكحولي.
3ـ الحصيلة الطاقية للتخمر:
ـ التخمر اللبني:
 |
التفاعل الإجمالي للتخمر اللبني:
C6H12O6 + 2ADP + 2Pi -----------------------> 2(CH3-CHOH-COOH) + 2ATP
ـ التخمر الكحولي:
 |
التفاعل الإجمالي للتخمر الكحولي:
C6H12O6 + 2ADP + 2Pi -----------------------> 2C2H5OH + 2CO2 +2ATP
في كلا الحالتين يتم إنتاج 2ATP
III / مقارنة الحصيلة الطاقية للتنفس والتخمر:
1 ـ اعتمادا على المعطيات السابقة، قارن الحصيلة الطاقية لكل من التنفس والتخمر.
2 ـ فسر اختلاف الحصيلة الطاقية لكل من التنفس والتخمر.
1 ـ
| التخمر | التنفس |
| 2ATP | 36ATP |
2 ـ الحصيلة الطاقية للتنفس أكبر من التخمر لأن جزيئة الكليكوز تخضع خلال التنفس لتفكيك تام أما خلال التخمر فيكون التفكيك غير تام حيث تبقى كمية من الطاقة داخل الحثالة العضوية (الحمض اللبني أو الكحول).
IV / مقارنة المردود الطاقي للتنفس والتخمر:
إذا علمت أن
جزيئة كليكوز تحتوي على طاقة كامنة تقدر بــ
686Kcal
1 ـ احسب المردود الطاقي لكل من التنفس والتخمر.
2 ـ فسر النتائج المحصل عليها.
1 ـ
| المردود الطاقي للتخمر | المردود الطاقي للتنفس |
| 2 x 7,3/686 x 100= 2,13% | 36 x 7,3/686 x 100= 38,31% |
2 ـ المردود الطاقي للتنفس أكبر من التخمر لأن جزيئة الكليكوز تخضع خلال التنفس لتفكيك تام أما خلال التخمر فيكون التفكيك غير تام حيث تبقى كمية من الطاقة داخل الحمض اللبني أو الكحول.
ـ في كلتا الحالتين لا يتم تحويل كل الطاقة الكامنة في الكليكوز إلى ATP على مستوى الخلية وإنما يضيع جزء منها على شكل حرارة، حيث لا يتم الاستفادة إلا من 38,31% من الطاقة الكامنة في الكليكوز خلال التنفس و 2,13% فقط خلال التخمر.