الصفحة 135

الصفحة 135

اسم الصورة: التنفس الخلوي داخل الميتوكندريون

5-3

التنفس الخلوي
Cellular Respiration

الفكرة الرئيسة تحصل المخلوقات الحية على الطاقة بتحليل الجزيئات العضوية في أثناء عملية التنفس الخلوي.

الربط مع الحياة يجب أن تتغذى طيور الخرشنة الوردية (خرشنة بحر قزوين) Sterna caspia باستمرار لتزويد طاقتها اللازمة لحياتها في هجرتها الشاقة إلى المملكة كل عام. وكذلك الإنسان والمخلوقات الحية الأخرى تحتاج إلى مصادر غذائية متنوعة تزودها بالطاقة الضرورية لبقائها ونموها.

الأهداف
تلخص مراحل التنفس الخلوي.
تحدد دور نواقل الإلكترونات في كل مرحلة من مراحل التنفس الخلوي.
تقارن بين التخمر الكحولي والتخمر اللبني.

مراجعة المفردات
البكتيريا الخضراء المزرقة: نوع من البكتيريا، الذاتية التغذي، تقوم بعملية البناء الضوئي.

المفردات الجديدة
عملية لاهوائية
التنفس الهوائي
عملية هوائية
التحلل السكري
حلقة كربس
التخمر

Cellular Respiration
التنفس الخلوي

تحصل المخلوقات الحية على الطاقة بعملية تسمى التنفس الخلوي. وتتمثل وظيفة التنفس الخلوي في جمع الإلكترونات من المركبات الكربونية، مثل الجلوكوز، واستخدام طاقتها في إنتاج جزيء ATP، الذي يزود الخلايا بالطاقة لتؤدي وظائفها. وتمثل المعادلة الآتية التنفس الخلوي:

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + طاقة

لاحظ أن عملية التنفس الخلوي تحدث في عكس اتجاه عملية البناء الضوئي. يحدث التنفس الخلوي في مرحلتين رئيسيتين، هما: التحلل السكري والتنفس الهوائي. المرحلة الأولى: التحلل السكري عملية لاهوائية anaerobic process لا تتطلب وجود الأكسجين. أما التنفس الهوائي aerobic respiration فيتطلب وجود الأكسجين، ويمثل الأكسجين وهو عملية هوائية aerobic process، وفيه تتطلب وجود الأكسجين. ويلخص الشكل 5-11 التنفس الخلوي الهوائي.

الشكل 5-11 يحدث التنفس الخلوي في الميتوكندريا التي تعد مصنع الطاقة في الخلية.

خلية حيوانية
ميتوكندريون
رايبوسومات
نواة
غشاء بلازمي
شبكة إندوبلازمية
جهاز جولجي
ميتوكوندريون
ATP
ADP
التحلل السكري
تفاعلات التحول
حلقة كربس
سلسلة نقل الإلكترون
CO2
O2
NADH
NADH, FADH2

الصفحة 136

اسم الصورة: التحلل السكري للجلوكوز

الشكل 5-12 يتحلل الجلوكوز خلال عملية التحلل السكري داخل سيتوبلازم الخلايا.
لخص المواد المتفاعلة والناتجة عن عملية التحلل السكري.

سكر الجلوكوز
ATP
ATP
ADP
ADP
G3P
G3P
2ADP
2ADP
2ATP
2ATP
+NAD
+NAD
NADH
NADH
بيروفات
بيروفات

Glycolysis
التحلل السكري

يتحلل الجلوكوز في السيتوبلازم خلال عملية التحلل السكري glycolysis. ويتكون جزيئان من ATP وجزيئان من NADH، عند تحلل جزيء واحد من الجلوكوز. تتبع الشكل 5-12 في أثناء قراءتك خطوات التحلل السكري.

أولاً: ترتبط مجموعة فوسفات مع الجلوكوز بعد انفصالها من جزيئين من ATP. لاحظ أن الفوسفات التي تنتج طاقة إضافية تحتاج إلى طاقة بسيطة جزيئين من ATP لكي تبدأ، حيث يتحلل جزيء الجلوكوز السداسي الكربون إلى مركبين ثلاثيي الكربون.

ثانيًا: تضاف مجموعتا فوسفات، ثم تتحد الإلكترونات وأيونات H+ مع جزيئين من +NAD فيكون جزيئان من NADH. يشبه جزيء +NAD جزيء +NADP، وهو ناقل للإلكترونات يستخدم خلال عملية البناء الضوئي.

ثالثًا: تتحول الجزيئات الثلاثية الكربون إلى جزيئين من بيروفيت، وفي الوقت نفسه يتم إنتاج أربعة جزيئات ATP.

ماذا قرأت؟ فسر لماذا يكون الناتج النهائي من الطاقة في عملية التحلل السكري جزيئين فقط من ATP وليس أربعة جزيئات.

المفردات
أصل الكلمة

Glycolysis التحلل السكري
أصل الكلمة من اليونانية.
Glykys- وتعني "حلو"،
-lysis وتعني "تحلل أو تحطم".

المطويات
ضمن مطويتك معلومات من هذا القسم.

الصفحة 137

اسم الصورة: خطوات حلقة كربس

Krebs Cycle
حلقة كربس

ينتج عن عملية التحلل السكري جزيئا ATP وجزيئان من البيروفات، ومعظم الطاقة الناتجة عن تحلل سكر الجلوكوز لا تزال مخزنة في جزيئات البيروفات. ينتقل البيروفات في وجود الأكسجين إلى الميتوكندريا، وفي الميتوكندريا يحدث نوعان من التفاعلات في النهاية إلى CO2. وتسمى سلسلة التفاعلات التي يتحلل فيها البيروفات إلى ثاني أكسيد الكربون حلقة كربس Krebs cycle أو دورة TCA حمض الكربوكسيلي الثلاثي، ويشار إلى هذه الحلقة أيضًا بحلقة حمض الستريك.

Steps of Krebs cycle
خطوات حلقة كربس

قبل أن تبدأ حلقة كربس يتفاعل البيروفات مع مرافق إنزيم-أ (Co-A)، فينتج مركب وسطي ثنائي الكربون يسمى أستيل مرافق الإنزيم-أ. وفي الوقت نفسه يتحرر جزيء CO2، ويتحول +NAD إلى NADH، ثم ينتقل أستيل CoA إلى الحشوة في الميتوكندريا. وينتج عن التفاعل جزيئان من CO2 وجزيئان من NADH. تتبع الشكل 5-13 في أثناء قراءتك خطوات حلقة كربس.

• تبدأ حلقة كربس بارتباط أستيل CoA مع مركب رباعي الكربون لتكوين مركب سداسي الكربون يسمى حمض الستريك.
• يتحلل حمض الستريك في سلسلة الخطوات اللاحقة من التفاعل، منتجًا جزيئين من CO2، وتولّد جزيئًا واحدًا من ATP، وثلاثة جزيئات NADH، وجزيئًا واحدًا من FADH2، وهو جزيء FAD ناقلًا إلكترونًا آخر شبيهًا بجزيء +NAD وجزيء +NADP.
• أخيرًا، يعاد تكوين أستيل CoA، وحمض الستريك لكي تستمر الحلقة. تذكر أن جزيئين من البيروفات يتكونان خلال عملية التحلل السكري، مما ينتج عنهما دورتا كربس - لكل حلقة - من جزيء السكر الواحد. وتكون النواتج النهائية لحلقة كربس على النحو التالي: ستة جزيئات من CO2، وجزيئا ATP، وثمانية جزيئات NADH، وجزيئا FADH2. تنقل جزيئات NADH و FADH2 دورًا مهمًّا في المرحلة التالية من التنفس الهوائي.

الشكل 5-13 يدخل البيروفات ناتجًا من التحلل السكري داخل حلقة كربس في الميتوكندريا.
تتبع مسار جزيئات الكربون التي تدخل حلقة كربس وتخرج منها.

الميتوكندريا
بيروفيت
الناتج عن التحلل السكري
CO2
+NAD
NADH
CoA
أستيل CoA
حمض الستريك
مركب خماسي الكربون
مركب رباعي الكربون
حلقة كربس دورة TCA
ATP
ADP
FADH2
FAD
NADH
+NAD

إرشادات الدراسة
جملة توضيحية اعمل مع أحد زملائك على قراءة النص ومناقشة الكلمات في الفقرة والمفاهيم الصعبة، واكتب فقرة توضيحية تلخص فيها حلقة كربس.

الصفحة 138

اسم الصورة: سلسلة نقل الإلكترون في التنفس الخلوي

الشكل 5-14 تحدث سلسلة نقل الإلكترون على طول غشاء الميتوكندريا.
قارن بين سلسلة نقل الإلكترون في التنفس الخلوي وعملية البناء الضوئي.

حشوة الميتوكندريون
سلسلة نقل الإلكترون
حيز بين غشائي
غشاء الميتوكندريون الداخلي
NADH
FADH2
حلقة كربس
حشوة الميتوكندريون
O2
H2O
32 ATP
ADP + P
ATP
إنزيم بناء ATP

Electron Transport
سلسلة نقل الإلكترون

تعد سلسلة نقل الإلكترون في التنفس الهوائي الخطوة النهائية من عملية تحلل سكر الجلوكوز، وهي أيضًا النقطة التي يتم فيها إنتاج معظم جزيئات ATP. وتستخدم الإلكترونات العالية الطاقة وأيونات الهيدروجين من جزيئات NADH و FADH2 التي أنتجت في حلقة كربس لتحويل ADP إلى ATP.

ويمكنك تتبع هذه العملية كما يبين الشكل 5-14، والتي تحدث كالتالي:

أولاً: تنتقل الإلكترونات على طول غشاء الميتوكندريا من بروتين إلى آخر، وعندما تتحرر جزيئات الإلكترونات من نواقل الإلكترون NADH و FADH2، فإنها تتحول إلى +NAD و FAD، وتتحرر كذلك أيونات الهيدروجين (H+) في اتجاه حشوة الميتوكندريا.

ثانيًا: يتم ضخ أيونات H+ من الحشوة عبر الغشاء الداخلي للميتوكندريا.

ثالثًا: بسبب اختلاف فرق التركيز لأيونات H+ على جانبي الغشاء الداخلي للميتوكندريا فإنها تنتشر لتعود مرة أخرى من الحيز بين الغشائي للميتوكندريا الأكثر تركيزًا من H+ إلى الحشوة عبر الغشاء الداخلي مرورًا بجزيئات إنزيم بناء ATP بوساطة الأسموزية الكيميائية، تشبه عملية الأسموزية الكيميائية وسلسلة نقل الإلكترون في التنفس الخلوي مع العمليات التي تحدث في البناء الضوئي. ويعد الأكسجين المستقبل النهائي للإلكترون في سلسلة نقل الإلكترون في عملية التنفس الخلوي، حيث تنقل البروتونات والإلكترونات إلى الأكسجين لإنتاج الماء.

ينتج عن عملية نقل الإلكترون 24 جزيء ATP، وكل جزيء NADH ينتج ثلاثة جزيئات ATP، ويعطي كل جزيء FADH2 جزيئين من ATP. وفي المخلوقات الحية الحقيقية النواة ينتج عن تحلل كل جزيء من الجلوكوز 38 جزيئًا من ATP يستهلك منها الجزيئان اللذان ينتجان من عملية التحلل السكري عند انتقال البيروفات إلى حشوة الميتوكندريا.

المفردات
الاستعمال العلمي مقابل الاستعمال الشائع

التركيز Concentration
الاستعمال العلمي: الكمية النسبية من المادة المذابة في مادة أخرى.
تركيز أيونات الهيدروجين في جانب واحد من الثايلاكويد أعلى بكثير من الجانب الآخر.
الاستعمال الشائع: الاهتمام والانتباه.
كان تركيز الطلاب موجهًا نحو الامتحان.

مهن مرتبطة مع علم الأحياء
حامل الطاقة الحيوية
Bioenergeticist

يدرس حامل حيوي انتقال الطاقة في الخلايا، ويطبق علم الطاقة الحيوية بدراسة تكوينها وعلاقتها بالشيخوخة والمرض.

الصفحة 139

ينتقل البيروفات إلى الميتوكندريا في المخلوقات الحية الحقيقية النواة، أما في المخلوقات الحية البدائية النواة فهذه الخطوة غير ضرورية؛ إذ لا تتوفر على الخلية البدائية النواة جزيئين من ATP. ليصبح الناتج النهائي من عملية التنفس الخلوي 38 جزيئًا من ATP بدلاً من 36 جزيئًا في الخلايا الحقيقية النواة.

Anaerobic Respiration
التنفس اللاهوائي

يمكن أن تعمل بعض الخلايا فترة زمنية قصيرة عندما تكون مستويات الأكسجين منخفضة. وبعض الخلايا، ومنها مخلوقات لا هوائية، أي تعيش في بيئة لا تنمو وتتكاثر دون وجود الأكسجين. وتستمر هذه الخلايا في بعض الأحيان في إنتاج ATP عن طريق التحلل السكري. ومع ذلك فهناك مشكلات تنتج عن الاعتماد على التحلل السكري وحده في الحصول على الطاقة. فالتحلل السكري يزود الخلية بجزيئي ATP فقط لكل جزيء جلوكوز. ولأن للخلية كمية محددة من جزيء +NAD تتوقف عملية التحلل السكري عند استهلاك جميع جزيئات +NAD، وخصوصًا عند عدم وجود عملية تعوض النقص في هذه الجزيئات.

فالمسار اللاهوائي الذي يتبع عملية التحلل السكري هو التنفس اللاهوائي أو التخمر. ويحدث التخمر fermentation في السيتوبلازم، وهو يعيد تزويد الخلية بجزيئات +NAD المستخدمة السابقة من جزيئات ATP والخضراوات، التخمر اللبني، وتخمر حمض اللاكتيك، والتخمر الكحولي.

الربط مع الصحة
Lactic acid fermentation
تخمر حمض اللاكتيك

عند تخمر حمض اللاكتيك تحول الإنزيمات البيروفات - الذي تكون في أثناء عملية التحلل السكري - إلى حمض اللاكتيك، كما في الشكل 5-15 B. وتقوم العملية بنقل الإلكترونات العالية الطاقة من NADH إلى حمض اللاكتيك، ونتج العضلات الهيكلية حمض اللاكتيك عند عدم وجود الأكسجين الكافي في الجسم نتيجة القيام بالتمارين الرياضية المجهدة مثلاً.

اسم الصورة: التخمر الكحولي وتخمر حمض اللاكتيك

الشكل 5-15 عند وجود الأكسجين بكمية محدودة أو عدم وجوده تحدث عملية التخمر.
قارن بين التخمر الكحولي والتخمر اللبني.

التخمر الكحولي
جلوكوز
2ADP
ATP
NADH
+NAD
Glycolysis
2 بيروفيت
2 إيثانول
2 ثاني أكسيد الكربون

تخمر حمض اللاكتيك
جلوكوز
2ADP
ATP
NADH
+NAD
Glycolysis
2 بيروفيت
2 حمض اللاكتيك

الصفحة 140

وعندما يتجمع حمض اللاكتيك يحدث إجهاد للخلايا العضلية، وتشعر بالألم. كما ينتج حمض اللاكتيك بواسطة العديد من المخلوقات الحية الدقيقة التي تستخدم في إنتاج أطعمة معينة، مثل الجبن واللبن الرائب (الزبادي) والقشدة الحامضة.

Alcohol fermentation
التخمر الكحولي

يحدث التخمر الكحولي في الخميرة، وبعض أنواع البكتيريا. انظر الشكل 5-15 A الذي يبين التفاعل الكيميائي الذي يحدث في أثناء التخمر الكحولي، حيث يتحول البيروفات إلى الكحول الإيثلي وثاني أكسيد الكربون، وتوفر جزيئات NADH الإلكترونات، كما في تخمر حمض اللاكتيك، وتتحول إلى جزيئات +NAD.

Photosynthesis and Cellular Respiration
عمليتا البناء الضوئي والتنفس الخلوي

كما تعلمت سابقًا فإن البناء الضوئي والتنفس الخلوي عمليتان مهمتان تستخدمهما الخلايا في الحصول على الطاقة، وهما من المسارات الأيضية التي تنتج الكربوهيدرات البسيطة وتحللها. ويبين الشكل 5-16 الارتباط بين هاتين العمليتين.

اسم الصورة: مختبر تحليل البيانات 5-1 تأثير العدوى الفيروسية في التنفس الخلوي

مختبر تحليل البيانات 5-1

بناء على بيانات حقيقية

فسر البيانات

كيف تؤثر العدوى الفيروسية في التنفس الخلوي؟ يمكن للالتهابات الناجمة عن الفيروسات أن تؤثر في عملية التنفس الخلوي، وفي قدرة الخلايا على إنتاج ATP. ولاحظ الباحثون أن الالتهابات الفيروسية في مراحل التنفس الخلوي في خلايا مصابة بالفيروس. قياس كمية حمض اللاكتيك وجزيئات ATP المنتجة.

البيانات والملاحظات

تأثير العدوى الفيروسية في إنتاج حمض اللاكتيك

تأثير العدوى الفيروسية في إنتاج ATP

التفكير الناقد

• حلل كيف يؤثر الفيروس في إنتاج حمض اللاكتيك في الخلايا؟

• احسب بعد مرور 8 ساعات، ما نسبة ارتفاع إنتاج حمض اللاكتيك في الفيروس مقارنة بالمجموعة الضابطة؟ وما نسبة انخفاض إنتاج جزيئات ATP؟

• استنتج ما سبب تعرض الإنسان المصاب بفيروس الإنفلونزا للتعب الشديد؟

أخذت البيانات في هذا المختبر من:

الصفحة 141

اسم الصورة: العلاقة بين البناء الضوئي والتنفس الخلوي

الشكل 5-16 تشكل عمليتا البناء الضوئي والتنفس الخلوي دورة؛ فالمواد الناتجة عن إحدى هذه المسارات الأيضية تشكل مواد متفاعلة للمسار الأيضي الآخر.

النظام الضوئي II
النظام الضوئي I
ATP
NADPH
حلقة كالفن
سكر
O2
H2O
CO2
تحلل سكري
بيروفيت
NADH
+NAD
سلسلة نقل الإلكترون
حلقة كربس
ATP
ATP
ميتوكندريون

تذكر أن المواد الناتجة عن عملية البناء الضوئي هي الأكسجين والجلوكوز، وهي المواد المتفاعلة التي تتطلبها عملية التنفس الخلوي. والمواد الناتجة عن عملية التنفس الخلوي هي ثاني أكسيد الكربون والماء، وهي المواد المتفاعلة اللازمة لعملية البناء الضوئي.

اسم الصورة: التقويم 5-3

التقويم 5-3

الخلاصة

• تستخدم العديد من المخلوقات الحية عملية التنفس الخلوي لتحليل الجلوكوز.
• تتضمن مراحل التنفس الخلوي التحلل السكري وحلقة كربس ونقل الإلكترون.
• NADH و FADH2 نواقل الإلكترونات تسهم جدًّا في عملية التنفس الخلوي.
• تقوم الخلايا بعملية التحلل السكري بواسطة التخمر عند عدم توافر الأكسجين.

فهم الأفكار الرئيسة

• الفكرة الرئيسة سم الشكل النهائي من الطاقة الكيميائية الناتجة عن الخلايا في أثناء التنفس الخلوي.

• حدد ما عدد ذرات الكربون في مركب جلوكوز واحد التي تدخل في دورة كربس واحدة؟

• فسر كيف تستخدم الإلكترونات العالية الطاقة في سلسلة نقل الإلكترون؟

• صف دور التخمر في الحفاظ على مستويات ATP و +NAD.

التفكير الناقد

• الرياضيات في علم الأحياء ما عدد جزيئات ATP و NADH و FADH2 الناتجة في كل خطوة من خطوات التنفس الخلوي؟ كيف يختلف عدد جزيئات ATP الناتجة الفعلية عن عدد جزيئات ATP الكلية المتوقعة؟

• قارن بين نوعي التخمر.