التفاعلات المسئولة عن تحرير الطاقة الكامنة في المادة العضوية على مستوى الخلية

التفاعلات المسئولة عن تحرير الطاقة الكامنة في المادة العضوية على مستوى الخلية

 (Iكيف يتم هدم المادة العضوية (الكليكوز) داخل الخلايا؟

تمرين :

لدراسة كيفية إستهلاك المادة العضوية من طرف الخلايا أنجزت التجربة التالية:

نزرع نفس الكمية من خلايا الخميرة (فطريات أحادية الخلية) في وسطين يحتويان على نفس الكمية من الكليكوز 150. أحد الوسطين هوائي والآخر لاهوائي. يلخص الجدول التالي ظروف ونتائج التجربة:

1) حلل معطيات التجربة؟

2) استنتج الظواهر البيولوجية التي تم الكشف عنها في كل وسط؟

3) أكتب التفاعل الإجمالي الخاص بكل ظاهرة؟

4) إنطلاقا من مقارنة شكلي الوثيقة جانبه استخلص العضيات المسؤولة عن التنفس عند الخلايا؟

5) إستنتج كيفية هدم الخلايا للمادة العضوية لاستخلاص الطاقة الكامنة فيها؟

  (IIهدم الكليكوز عن طريق التنفس:

1- الكشف عن دور التنفس في هدم الأغذية:

أ - تجربة  : في قارورة غنية بالأكسجين نضيف الخميرة + كليكوز + ماء .

نتيجة: بعد بضع ساعات يتعكر ماء الجير كما يتصاعد الماء الملون في الأنبوب.

1) كيف تفسر هذه النتائج؟

2) ماذا تستنتج؟

أجوبة:

1: • تعكر ماء الجير يدل على طرح CO2من طرف خلايا الخميرة.

 • صعود الماء الملون في الأنبوب الدقيق يدل على تقلص الهواء في القارورة نتيجة امتصاص O2 من طرف خلايا الخميرة.

(2استنتاج: خلايا الخميرة تمتص O2 و تطرح CO2 ، إنها ظاهرة التنفس.

ب -ما هو مصير O2 الممتص و مصدر CO2 المطروح؟

 للإجابة على هذا السؤال نستعمل مادة عضوية كالكليكوز الذي علم بكربون مشع.

يؤدي إستهلاك الكليكوز المعلم ب O18 أو ب C14 من طرف خلايا الخميرة إلى طرح CO2 مشع. أما إذا كان الكليكوز المستعمل عاديا ( أي غير مشع) و الاكسجين الممتص مشعا (O18) فيتكون على مستوى الخلايا ماء مشع.

إعط تفسيرا للنتائج المحصل عليها؟

أجوبة:

يدخل الأوكسجين المستنشق في تركيب الماء أما الكربون المكون ل CO2المطروح فمصدره تفكيك الكليكوز. و ذلك حسب التفاعل التالي :

C₆H₁₂O₆  +6 O₂  -------------> 6CO₂ +6 H₂O + طاقة

 -2ماهي مراحل التنفس الخلوي ؟

تمرين:

لمعرفة مراحل هدم الكليكوز من طرف الخلايا زرعت خلايا الخميرة في وسط غني ب  O2  يحتوي على كمية من الكليكوز المشع G ثم أخذت بعد ذلك عينات من خلايا الخميرة في الأزمنة T0 و T1 و T2 و T3 و T4  و  T5لتحليل محتواها، وبتقنيات ملائمة تم اكتشاف ظهور مواد جديدة مشعة و هي حمض البيروفيك الذي سنرمز له بالحرف P و مجموعة من الأحماض تسمى أحماض دورة كريبس التي سنرمز لها بالحرف K يالإضافة إلى CO2 . الجدول التالي يبين تموضع هذه النواتج داخل الخلية في مختلف الأزمنة.

1)حلل نتائج هذه التجربة ؟

2) ماذا تستنتج؟

أجوبة:

1) في الزمن t1 ينتقل الكليكوز من الوسط الخارجي إلى إلى الجبلة الشفافة (سيتوبلازم) ثم بعد ذلك في الزمن t2 يتحول الكليكوز إلى حمض البيروفيك الذي ينتقل تدريجيا إلى داخل المتوكندري . في الزمن t4 يتحول حمض البيروفيك إلى أحماض دورة كريبس و CO2 الذي يطرح خارج الخلية .

2) استنتاج: نستنتج إذن أن تفكيك جزئية الكليكوز أثناء التنفس الخلوي تتم عبر مراحل :

في المرحلة الأولى : يتحول الكليكوز إلى حمض بيروفيك في الجبلة الشفافة.

في المرحلة الثانية: يدخل حمض بيروفيك إلى الميتوكندري الذي يتحول إلى سلسلة من الأحماض تسمى أحماض كريبس و إلى CO2 الذي يطرح خارج الخلية.

3 ـ إنحلال الكليكوز داخل الجبلة الشفافة:

تمرين:

تمثل الوثيقة مراحل إنحلال الكليكوز:

 (1كم من مرحلة يستلزمها انحلال الكليكوز ؟ علق على كل مرحلة؟

 (2على أي مستوى من الخلية تتم هذه التفاعلات.

 (3اكتب الحصيلة العامة لانحلال الكليكوز .

 (4حدد الحصيلة الطاقية لانحلال الكليكوز .

أجوبة:

1) يتم انحلال الكليكوز عبر ثلاث مراحل :

2) تتم هذه التفاعلات على مستوى الجبلة الشفافة.

 (3التفاعل الإجمالي لانحلال الكليكوز:

(4الحصيلة الطاقية لانحلال الكليكوز :                                     2ATP + 2 NADH₂

4) التأكسدات التنفسية و دور الميتوكوندريات:

أ) الكشف عن دور الميتوكوندريات في التنفس:

* عزل الميتوكوندريات:

نعرض خلايا الكبد لهرس ميكانيكي معتدل من أجل فصل مختلف العضيات الخلوية دون تحطيمها ثم نقوم بتعريض المسحوق الناتج عن الهرس لعملية النبذ من أجل عزل الميتوكوندريات. وتتمثل عملية النبذ في وضع الخليط المدوس في أنبوب اختبار يضم محلولا خاصا ثم تعريضه لقوة النبذ الناتجة عن دوران الانابيب مما يؤدي إلى ترسب مختلف عضيات الخلية حسب الكثافة و الكتلة و المدة الزمنية.

* الجزيئة العضوية المستهلكة على مستوى الميتوكوندري أثناء التنفس:

بعد عزل مجموعة من الميتوكوندريات من خلايا حيوانية (خلايا كبد فأر) وضعت في وسط ملائم غني ب O2 وبواسطة عدة ملائمة تم قياس تغير O2 المذاب في الوسط بدلالة الزمن وذلك بعد إضافة كمية من الكليكوز إلى الوسط في الزمن  t1، وكمية من حمض البيروفيك في الزمن  t2. يبين المبيان التالي النتائج المحصل عليها.

  

1) حلل هذا المبيان؟

 (2 فسرهذه النتائج؟

3) ماذا تستنتج ؟

أجوبة:

1) بعد إضافة الكليكوز تبقى كمية O2 تابثة لكن بعد إضافة حمض البيروفيك انخفضت كمية O2 بشكل مباشر.

 (2بقيت كمية O2 تابثة بين الزمن t1 و t2 نظرا. بعدم استهلاك الكليكوز من طرف الميتوكندري بينما انخفضت في الزمن t2.. نظرا لاستهلاك O2 من طرف الميتوكندري لأكسدة حمض البيروفيك.

 (3نستنتج أن الميتوكوندريات لا تستعمل الكليكوز كمستقلب بل تستعمل حمض البيروفيك الذي يتعرض للاكسدة داخلها.

ب) بنية و مكونات الميتوكندري:

* فوق بنية الميتوكوندري:

الميتوكندريات عضيات خلوية طولها بضع ميكروميترات و عرضها   0,5µmإلىµm1 يحيط بها غشاءان متراكبان، يرسل غشا ؤها الداخلي عدة أعراف تقسم الماتريس إلى مقصورات متصلة فيما بينها.

* التركيب البيوكيميائي لمختلف أجزاء الميتوكندري: (وثيقة 4 ص 17)

بينت التحاليل البيوكيميائية أن الغشاء الخارجي يتميز  بتركيب كيميائي وبنية تشبهان الغشاء السيتوبلازمي، أما الغشاء الداخلي فيتميز بغناه بالبروتينات (80% عوض %50 في الغشاء الخارجي).

يتميز الغشاء الداخلي بتوفره على كرات ذات شمراخ على وجهه الداخلي وهي مركبات أنزيمية مسؤولة عن تفسفر ADP إلى ATP .

ج) التأكسدات التنفسية و دورها في إنتاج :ATP

 *أكسدة حمض البيروفيك:

يمكن تقسيم أكسدة حمض البيروفيك على مستوى الميتوكندري إلى مرحلتين تبينهما الوثيقة التالية:

1) على أي مستوى من الميتوكندري تتم هذه المراحل؟

2) إستخرج خصائص كل مرحلة؟

أجوبة:

1)  تتم هذه المراحل على مستوى الماتريس.

2)  

*المرحلة1: تكون أستيل كوأنزيم : تحت تأثير أنزيمات نوأعية، يخضع حمض بيروفيك إلى إنتزاع جزيئةCO2 و انتزاع ذرتي هيدروجين. يرتبط الشق استيل المتبقي من حمض بيروفيك بجزيئة كوأنزيم ليعطي استيل كوأنزيم.

الحصيلة:

2Ac.pyruvique + 2CoA + 2NAD -----------------> 2Acetyl-CoA + 2CO₂+ 2NADH₂

* المرحلة 2 : تفاعلات حلقة :KREBS  يدخل أستيل كوأنزيم A  في حلقة من التفاعلات يتم خلالها انتزاع الكربون على شكل CO2  و تكون طاقة ATP و اختزال جزيئات ناقلة NAD و FAD إلى NADH2 و  FADH2  حسب التفاعلات التالية:

NAD+ + 2H+ + 2 e- ------------------>    NADH,H+

FAD + 2H+ + 2 e-  -------------------> FADH2

التفاعل الإجمالي لحلقة KREBS :

2Acetyl-CoA+2ADP + 2Pi +6NAD+2FAD ----> 4CO₂+2ATP +6NADH₂ +FADH₂+2CoA

 *السلسلة التنفسية:

يحتوي الغشاء الداخلي للميتوكوندريات على سلسلة من نواقل الالكترونات قادرة على أكسدة جزيئات NADH2 و FADH2 و نقل الالكترونات إلى المستقبل النهائي (الأكسجين O2 ) .

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 إدخال ايونات +H من الماتريس إلى الحيز البيغشائي . حدوث فرق في PH بين الماتريس و الحيز البيغشائي ضروري لتدفق ايونات +H على مستوى الكرات ذات شمراخ نحو الماتريس ليتم تركيب جزيئات ATP عن طريق تفسفر  ADP حسب التفاعلات التالية:

ADP + Pi --------------------> ATP

تركيب ATP الذي يستغل الطاقة الناتجة عن تفاعلات الأكسدة و الاختزال يسمى التفسفر المؤكسد .

ملحوظة:

ـ إعادة أكسدة جزيئة واحدة من NADH2 تعطي.3 ATP

ـ إعادة أكسدة جزيئة واحدة من FADH2 تعطي.2 ATP

5ـ الحصيلة الطاقية للتنفس:

مستعينا بالوثيقة أحسب المردود الطاقي لهدم جزيئة واحدة من الكليكوز أثناء التنفس علما أن إعادة أكسدة جزيئة واحدة من NADH2 تعطي3 ATP و إعادة أكسدة جزيئة واحدة من FADH2 تعطي.2 ATP

III / هدم الكليكوز عن طريق التخمر :

  1) التخمر الكحولي:

أ -الكشف عن التخمر الكحولي:

في وسط يفتقر إلى O2 نضيف ماء + كليكوز + خميرة بوجود إناء يتوفر على ماء الجير. الرسم التالي يلخص ظروف هذه التجربة .

1) كيف تفسر هذه النتائج؟

2) ماذا تستنتج؟

أجوبة:

(1

* تعكر ماء الجير دليل على طرح CO2.

 *إرتفاع درجة الحرارة دليل على أن التفاعل يحرر طاقة.

 *تلون محلول كرومات البوتاسيوم بالأخضر دليل على تكون الإيثانول.

  ((2استنتاج: في غياب الأوكسجين يتحول الكليكوز إلى كحول إيتيلي و ثاني أوكسيد الكربون و تسمى هذه الظاهرة : التخمر الكحولي و ذلك حسب التفاعل التالي :

C₆H₁₂O₆ ------>2 CO₂+2C₂H₅OH طاقة+

ب  -مراحل التخمر الكحولي:

* المرحلة الأولى :إنحلال الكليكوز في الجبلة الشفافة.

C₆H₁₂O₆+ 2ADP + 2Pi + 2NAD⁺--------------> 2 CH₃-CO-COOH + 2ATP + 2NADH

       ناقل مختزل          حمض البيروفيك                         ناقل مؤكسد                     كليكوز             

* المرحلة الثانية: في غياب O2 يعود حمض البيروفيك لتلقي البروتونات و الإلكترونات المثبتة في المرحلة الأولى على الناقل المختزل NADH2. يؤدي تفاعل الأكسدة إختزال هذا إلى تكوين كحول الإيثانول و CO2 و تجديد الناقل المؤكسد NAD+ حسب التفاعل التالي:

CH₃-CO-COOH + NADH₂ --------------->CH₃-CH₂OH +CO₂+ NAD⁺

                                        كحول الإيثانول                                  حمض بيروفيك                   

2) التخمر اللبني:

    أ -الكشف عن التخمر اللبني:

يوجد في الحليب الطري عدة أنواع من البكتيريات من بينها عصية الحليبLactobacillus  التي تتميز بقدرتها على تحويل سكر الحليب إلى حمض لبني وهذا ما يسمى ب التخمر اللبني.

للكشف عن التخمر اللبني نأخذ عينة من الحليب الطري ونفرغها في إناء ذي حجم  ml250 ونحرص على ملئ الإناء إلى آخره لطرد الهواء. نضع داخل الإناء مقياس Ph قصد تتبع تطور حمضية الحليب فنحصل على النتائج الممثلة في الجدول التالي:

الايام	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Ph	6,8	6,8	6,8	6,4	6	5,6	5,2	4,8	4,8	4,8	4,8

1) حول معطيات هذا الجدول إلى مبيان مناسب؟

2) حلل هذا المبيان؟

3) فسر النتائج المحصل عليها؟

أجوبة:

1) إنجاز مبيان تغير P الحليب بدلالة الأيام.

2) ينخفض PH الحليب بعد يومين إلى أن يستقر في اليوم السابع في قيمة. Ph = 4,8

3) تعمل بكتيريات موجودة في الحليب تدعى Lactobacillus على تحويل الكليكوز إلى حمض لبني الذي يجعل PH ينخفض مما يؤدي إلى تخثر بروتينات الحليب و نقول إنه أصبح رائبا و تسمى هذه الظاهرة التخمر اللبني .

    ب  -مراحل التخمر اللبني:

* المرحلة الأولى :إنحلال الكليكوز في الجبلة الشفافة.

C₆H₁₂O₆+ 2ADP + 2Pi + 2NAD ⁺-------------->  2 CH₃-CO-COOH + 2ATP + 2NADH₂

       ناقل مختزل           حمض البيروفيك                             ناقل مؤكسد                      كليكوز     

* المرحلة الثانية: في غياب O2 يعود حمض البيروفيك لتلقي البروتونات و الإلكترونات المثبتة في المرحلة الأولى على الناقل المختزل NADH2 . يؤدي تفاعل الأكسدة إختزال هذا إلى تكوين الحمض اللبني و تجديد الناقل المؤكسدNAD+ حسب التفاعل التالي:

CH₃-CO-COOH + NADH₂ --------------->CH₃-CHOH-COOH + NAD⁺

                        حمص لبني                                               حمض بيروفيك                   

تمرين تطبيقي 3 :

قد يحدث التخمر اللبني على مستوى الخلايا العضلية خلال نشاط عضلي طويل و عنيف حيث يصبح تزويد الخلايا بالأوكسجين غير كاف مما يؤدي إلى تراكم الحمض اللبني في العضيات و بالتالي إلى تعب شديد الذي قد يؤدي إلى تشنجات عضلية.

تمثل الوثيقة أهم مراحل التخمر اللبني على مستوى الخلية العضلية.

1) بين كيف يتكون الحمض اللبني؟

2) اكتب التفاعل الإجمالي للمرحلة الأخيرة للتخمر اللبني؟

3) ما هي الحصيلة الطاقية للتخمر اللبني ؟

أجوبة:

1) في غياب الأوكسجين يقوم حمض البيروفيك بدور المتقبل للهيدروجين حيث ينتزع أيونات H+ منNADH2  وهكذا يتحول إلى حمض لبني. أثناء التخمر المتقبل للأيونات H+ هو حمض بيروفيك و يتم ذلك على مستوى الجبلة الشفافة بينما اثناء التنفس فإن المتقبل لأيونات الهيدروجين هو O2 حيث يتحول إلى الماء و يتم ذلك على مستوى المتوكندري.

2)                     CH₃-CO-COOH + NADH₂ --------------->CH₃-CHOH-COOH + NAD⁺

                                       حمص لبني                                                   حمض بيروفيك       

3) الحصيلة الطاقية للتخمر هي  ATP2 .

IV / مقارنة الحصيلة الطاقية و المردود الطاقي للتنفس و التخمر:

1 / مقارنة الحصيلة الطاقية للتنفس و التخمر:

التخمر	التنفس
2ATP	36ATP

  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 بعض الفضلات( الحمض اللبني أو الكحول).

  2/ مقارنة المردود الطاقي للتنفس و التخمر:

إذا علمت أن حلمأة مول واحد من ATP تحرر 30,5Kj، وأن الطاقة الكامنة في مول من الكليكوز تقدر بحوالي Kj2840، أحسب وقارن المردودية الطاقية لكل من التخمر و التنفس مستعينا بالعلاقة التالية:

R=E’/E *100

مع:  r:المردودية الطاقية ويعبر عنها بالنسبة المئوية.

      E’:الطاقة الكامنة في  الناتج عن التخمر أو التنفس.

      E:الطاقة الكامنة في مول من الكليكوز.

أجوبة:

المردود الطاقي للتخمر	المردود الطاقي للتنفس
2 x 30,5/2840 x 100= 2,14%	38 x 30,5/2840 x 100= 40,8%

 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 و إنما يضيع جزء منها على شكل حرارة ، حيث لا يتم الاستفادة إلا من  40,8% من الطاقة الكامنة في الكليكوز خلال التنفس و  2,14% فقط خلال التخمر