الفصل الأول: تحرير الطاقة الكامنة

الفصل الأول: تحرير الطاقة الكامنة في المواد العضوية

• الكشف عن أنماط التفاعالت المسؤولة عن تحرير الطاقة الكامنة في المادة العضوية.
• التنفس ظاهرة خلوية لهدم الأغذية.

التجربة (الوثيقة 1، اللوحة 1)

• يتم عرض محلول عالق لخلايا الخميرة (10 جم/لتر) للتهوية بواسطة مضخة لمدة 30 ساعة.
• يوضع 5 مل من هذا المحلول داخل مفاعل حيوي لعدة EXAO.
• يتم تتبع تطور تركيز الأكسجين المذاب داخل المفاعل الحيوي باستخدام مجس قياس الأكسجين.
• يتم نقل الإشارات الكهربائية إلى المرافق البينية (محول)، التي تحولها إلى معطيات رقمية.
• يعالج الحاسوب هذه المعطيات ويترجمها إلى مبيان (الشكل 2).
• في الزمن 1، يتم حقن 0.1 مل من محلول الكليكوز بتركيز 5% داخل المفاعل.
• يتم وصف تطور تركيز الأكسجين في المفاعل الحيوي قبل وبعد إضافة الكليكوز، ثم استنتاج النتائج.

تحليل واستنتاج

• قبل إضافة الكليكوز، تكون نسبة الأكسجين مستقرة.
• مباشرة بعد إضافة الكليكوز، تنخفض نسبة الأكسجين في الوسط.
• خلايا الخميرة تستهلك الأكسجين لهدم الكليكوز، أي أن خلايا الخميرة تتنفس.

التخمر ظاهرة خلوية أخرى لهدم الأغذية

• التخمر اللبني (Fermentation lactique)

التجربة (الوثيقة 2، اللوحة 1)

• تؤخذ عينة من الحليب الكامل الطري وتفرغ في بوقال ذي حجم 250 مل مع الحرص على ملء البوقال بالكامل لطرد الهواء.
• يوضع مقياس ph داخل الحليب ويربط بعدة EXAO لمتابعة تطور حمضية الحليب أثناء عملية التخمر.
• يتحول الكليكوز المكون للاكتوز إلى حمض لبني، دون طرح co2.
• يترك التحضير لمدة 15 يوما في درجة حرارة ملائمة (40°C)، ثم يتم تتبع تطور قيمة ph بواسطة عدة EXAO.
• يتم وصف تطور المنحنى واستنتاج العلاقة بين هذا التطور وهدم الكليكوز.

تحليل واستنتاج

• بعد 15 يومًا في درجة حرارة مناسبة (40 درجة مئوية)، يلاحظ انخفاض في قيمة ph، مما يدل على ارتفاع في قيمة حمضية الحليب.
• تم هدم الكليكوز المكون للاكتوز وتحويله إلى حمض لبني (acide lactique) في غياب الأكسجين، وبهذا الحديث يدور حول ظاهرة التخمر اللبني.

التخمر الكحولي (Fermentation alcoolique)

• • التجربة (الوثيقة 3، اللوحة 1)

الوثيقة 3 البروتوكول التجريبي:

• يتم وضع محلول الكليكوز في قارورة (5 جم/لتر).
• يتم زرع الخميرة في محلول الكليكوز.
• يتم وضع التحضير في ماء ساخن (37 درجة مئوية).

النتائج:

• انخفاض كمية الكليكوز في الوسط.
• طرح CO2 في الأنبوب.
• ارتفاع طفيف لدرجة الحرارة.
• ظهور الكحول في وسط الزرع (يتم الكشف عن الكحول بواسطة التفاعل المبين في الشكل 5).
• من هذه البيانات التجريبية، تتم مقارنة التخمر اللبني والتخمر الكحولي، ومقارنة بين مظاهر التنفس ومظاهر التخمر.

تحليل واستنتاج:

• التخمر اللبني هو طريقة لهدم الكليكوز، وينتج حمض اللبني دون إطلاق CO2,. C6H12O6 ➡️ 2CH3 – CHOH - COOH

التخمر الكحولي

• طريقة لهدم الكليكوز، ينتج عنها كحول هو الإيثانول (Ethanol) مع إطلاق CO2. C6H12O6➡️ 2CH3 – CH2OH + 2CO2

خلاصة

• تستعمل الخلايا الكليكوز كمركب أيضي (مستقلب) للطاقة، ويمكنها أن تهدمها بطريقتين مختلفتين حسب الظروف:
  • التنفس: في وسط هوائي (Aérobie) غني بالأكسجين، يتم الهدم الكلي للكليكوز، وتحويله إلى CO2 وماء، وهما مواد معدنية بدون قيمة طاقية.
  • التخمر: في وسط لاهوائي (Anaérobie) غياب الأكسجين، يخضع الكليكوز لهدم غير تام، ويتحول إلى جزيئات عضوية لا تزال تختزن الطاقة الكيميائية.

انحلال الكليكوز على مستوى الجبلة الشفافة (Le hyaloplasme)

• تحديد التراكيب الخلوية المشاركة في التنفس والتخمر.

التجارب والملاحظات (الوثيقة 1، اللوحة 2)

• خميرة البيرة هي فطر وحيد الخلية مجهري، يمكنه العيش في وسط غني بالأكسجين (وسط هوائي) وفي وسط يفتقر للأكسجين (وسط لاهوائي).
  • يتم وضع الخميرة في وسط غني بالكليكوز، وبعد يوم يلاحظ أن عدد الخمائر تضاعف بشكل كبير مع انخفاض كميات الكليكوز والأكسجين وارتفاع كميات CO2 و H2O في الوسط.
  • يتم توضيح بالملاحظة المجهرية أن خلايا الخميرة غنية بعضيات خلوية تسمى الميتوكوندريا.
  • يتم وضع الخميرة في وسط يفتقر إلى الأكسجين، يحتوي على الكليكوز، بعد مرور يوم يلاحظ أن عدد الخمائر زاد نسبيا مع انخفاض كمية الكليكوز وارتفاع كمية CO2 وتكوين كحول الإيثانول C2H5OH في الوسط.
  • يتم توضيح بالملاحظة المجهرية أن خلايا الخميرة تحتوي على ميتوكوندريا قليلة وضامرة.
  • يجب تحديد العلاقة بين وجود الميتوكوندريا ووجود ثنائي الأكسجين في الخلية، وتحديد مواقع كل من التنفس والتخمر داخل الخلية بناء على هذه البيانات التجريبية.
    • يتبين من هذه المعطيات وجود عضيات خلوية خاصة هي الميتوكوندريا(Mitochondries)في الظروف الهوائية (أثناء ظاهرة التنفس)،أما في الظروف اللاهوائية (أثناء ظاهرة التخمر) -لا يتطلب هدم الكليكوز وجود الميثوكندريات.
    • يبدأ كل من التنفس والتخمر بمرحلة مشتركة تتم داخل الجبلة الشفافة، وهي انحلال الكليكوز (glycolyse). -تستمر تفاعلات التخمر في الجبلة الشفافة، بينما يتطلب التنفس تدخل الميتوكوندريات.

مراحل انحلال الكليكوز

• تفاعلات انحلال الكليكوز
• يظهر التفاعل الكيميائي لانحلال الكليكوز في الوثيقتين 2 و 3 باللوحة 2.
• استخراج الطاقة المولدة من انحلال الكليكوز من هذه البيانات.

التحليل والاستنتاج

• يتم تحلل الكليكوز في هيالوبلازم وفقًا لسلسلة من التفاعلات الكيميائية التي تحفزها إنزيمات محددة.
• العملية لا تستهلك الأكسجين وتتكون من ثلاث مراحل:

المرحلة الأولى

• يتحول الكليكوز فوسفات إلى فريكتوز ثنائي الفوسفات بعد إضافة مجموعة فوسفات من ATP

المرحلة الثانية

• ينقسم الفركتوز ثنائي الفوسفات إلى جزيئين من سكر ثلاثي الفوسفات (2-جليسرالدهيد الفوسفات).
• تخضع كلتا هاتين الجزيئتين لعملية إزالة الهيدروجين (الأكسدة) بواسطة مستقبل الهيدروجين ) (NAD+ nicotinamide dinucleotide).
• يختزل الشكل المؤكسد NAD+ ويتحول إلىH + NADH+ مع فسفرة جزيئات غليسرالدهيد الفوسفات، والتي تتحول إلى حمض جليسيرول ثنائي الفوسفات.

المرحلة الثالثة

• تقوم جزيئات حمض الجلسيريك ثنائي الفوسفات بنقل مجموعاتها الفوسفاتية إلى ADP وتتحول إلى جزيئتين من حمض البيروفيك )C3H4O3(، بينما يتحول ADP إلىATP,.

ملاحظة

• لكي تستمر عملية تحلل الجلوكوز، يجب إعادة أكسدة NADH + H+.
• تحدث هذه الأكسدة إما عن طريق التنفس الخلوي في وجود الأكسجين، أو عن طريق التخمر في غياب الأكسجين.

الحصيلة الطاقية لانحلال الكليكوز

C6H12O6 + 2ADP + 2Pi + 2NAD+ → (2CH3COOH+ 2ATP + 2(NADH+H+

• نتيجة لذلك، فإن ناتج الطاقة المتحصل عليها في انشطار الجلوكوز هو تصنيع جزيئين من ATP لكل جزيء من الجلوكوز.

التأكسدات التنفسية ودور الميتوكوندريا

• ماذا يحدث على مستوى الميتوكوندريا؟

التجارب:

• لتحديد مصير حمض البيروفيك داخل الميتوكوندريا، تم إجراء التجارب الموضحة في الوثيقة 1 باللوحة .3

النتائج:

قبل t1 ، يكون استهلاك الأكسجين من قبل الميتوكوندريا ضعيفًا جدًا، وعند إضافة الجلوكوز في t1 ، لا يتغير استهلاك الأكسجين، لكن عند إضافة حمض البيروفيك، يزداد معدل استهلاك الأكسجين.

• يشير التغير في كمية الأكسجين في الوسط إلى أن الميتوكوندريا تستهلكه أثناء نشاطها.
• يعني استهلاك الميتوكوندريا للأكسجين أن الأمر يتعلق بظاهرة التنفس الخلوي.
• نستنتج أن الميتوكوندريا لا تستهلك الكليكوز مباشرة، بل تستعمل مستويات تحليل الكليكوز الذي هو حمض البيروفيك.
• التفاعلات الكيميائية التي تحدث لحمض البيروفيك في وجود الأكسجين داخل الميتوكوندريا تشكل التأكسدات التنفسية وهي تفاعلات انتاج الطاقة.

الخلاصة:

• يخضع مستقلب الكليكوز (النواتج الوسيطة) لعمليتي تفكيك:
  • الأولى خارج الميتوكوندري في الهيولى الشفافة ولا تحتاج إلى الأكسجين وتسمى تحلل الكليكوز.
  • والثانية على مستوى الميتوكوندري وتحتاج إلى الأكسجين وتسمى بالتأكسد التنفسي، ويعتبر حمض البيروفيك هو المستقلب الذي يتعرض للتأكسدات التنفس.

بنية ومكونات الميتوكوندريات:

• البنية الفوقية للميتوكوندري (ر: الوثيقة 2 لوحة 3):
  • يمثل الشكل 3 مخطط تفسيري للبنية الفوقية للميتوكوندري.
  • تعتبر الميتوكوندريا من بين عضيات الخلية وتتكون من غشاء مزدوج يحيط بمادة عديمة اللون تسمى الحشوة Matrix، تتخللها انثناءات للغشاء الداخلي تسمى أعراف crêtes.

التركيب البيوكيميائي للميتوكوندري: (ر: الوثيقة 3 أو4 اللوحة 3)

• يلاحظ اختلاف في التركيب بين الغشاء الخارجي والداخلي والماتريس، الغني بالأنزيمات المزيلة للهيدروجين والمزيلة للكربون، كما أنه غني بناقلات الإلكترونات والبروتونات و ATبينما يتميز الغشاء الداخلي بوجود مركبات أنزيمية مسؤولة عن فسفرة ADP إلى ATP.
• وتدخل هذه الأنزيمات في تركيب الكرات ذات شمراخ . sphère pédonculée

دور التأكسدات التنفسية في إنتاج ATP:

• تفاعلات دورة كريب Krebs والأكسدة التنفسية
• حمض البيروفيك يخضع لسلسلة من التفاعلات بوجود الأوكسجين وتُسمى هذه التفاعلات بالتأكسدات التنفُّسية.

المرحلة الأولى: تكوّن أسيتيل كوإنزيم A

• بفضل تأثير إنزيمات نوعية، يُزالُ الهيدروجين وتزال مجموعة الكَربُوكسيل ويتكون أسيتيل كوإنزيم A في الماتريس، انطلاقًا من حمض البيروفيك: CH3CO - COOH + Co-AH + NAD+ ➡️ CH3CO – CoA + NADH2 + CO2

المرحلة الثانية :دورة كريبس Krebs :

• ينضم أسيتيل كوأنزيم A إلى حمض األوكسالو أسيتيك ) رباعي الكربون( )C4 ليعطي حمض الستريك )سداسي الكربون( C6

• يُحررُ الإنزيم الوسيط A - قصد تثبيت شق ألستيل جديد.

• يخضع حمض السيتريك لتفاعلات إزالة الكربون وإزالة الهيدروجين، بتواجدِ أنزيمات خاصةً،وذلك لنحصل،في الأخير، على حمض الأوكسالو أسيتيك، هذا الأخير سيَعود للتفاعل مع أستيل كوانزيم .A

• و خلال دورةKrebs يتم تحرير : CO2 - ويتم اختزال جزيئية nad و fad NAD⁺ + 2 (H⁺ + e¯) ➡️ NADH + H⁺ FAD⁺ + 2(H⁺ + e¯) ➡️ FADH2

• وتركب جزيئة ATP انطلاقاً من أكسدة جزيئة .GTP

• التفاعل الإجمالي لهدم حمض البيروفيك في الماتريس:

CH3-CO-COOH + 4NAD+ + FAD + GDP + P₁ + 3H2O➡️ 4NADH2 + ATP + 3CO2

مصير NADHH و FADH2.

• انطلاقا من الوثيقة 2 ، والوثيقة 3 ، اللوحة ،4 ، وضح كيف تحصل الأكسدة التنفسية، وأبرز أهميتها في تكون ممال البروتونات H+ من جهتي الغشاء الداخلي للميتوكندري.
• خلال تفاعلات أكسدة الكليكوز، يتم اختزال NAD و FAD+ ، إذن هذه جزيئات ناقلة للبروتونات والالكترونات، يجب أن تعود إلى حالتها المؤكسدة. - تتم أكسدة هذه المتقبلات داخل الغشاء الداخلي للميثوكندري. حيث تطرح البروتونات في الحيز البيغشائي، بينما تسلم الالكترونات إلى نواقل توجد على مستوى الغشاء الداخلي للميثوكندري، وتكون السلسلة التنفسية la .chaîne respiratoire إن الالكترونات تتدفق انطلاقا من المعطي الأول NAD+/NADH+H+إلى المستقبل النهائي وهو الزوج O2/H2O. يسمى هذا التدفق الأكسدة التنفسية.
• يتفاعل الأوكسجين 2 المختزل O مع 2H+،ليعطي جزيئة الماء، وتتم هذه العملية داخل ماتريس الميثوكندري وتفاعالت الأكسدة‪.
• خلال مرور الالكترونات من أول معط NADH + H+إلى أخر متقبل O2 ، يتم طرح بروتونات H+ داخل الحيز البيغشائي، فيرتفع بذلك تركيز H+ في هذا الحيز، مما يترتب عنه ممال للبروتونات من جهتي .
• الغشاء الداخلي

اختزال الأوكسجين والتفسفر المؤكسد: :

معطيات تجريبية

• وضعت میثوکندریات، في وسط يحتوي على معطي بروتونات، خال من O2، ثم تم تتبع تطور تركيز أيونات في هذا الوسط قبل وبعد إضافة فحصلنا على النتائج المبينة علىالوثيقة اللوحة .

• ماذا نستنتج من تحليل ھذه المعطیات التجریبیة؟

• للكشف عن شروط إنتاجATP علي مستوى الكرات ذات شمراخ نقوم بالتجارب المبينة علي الوثيقة لورةه.

خلاصات

في وجود مستقبلات الإكترونات تتم أكسدة للمادة المعطية للاكترونات" وبالتالي طرح وتزيد نسبتها داخل الحييز البيغشائي .

– يؤدي الاختلاف في تركيز H+ من جهتي الغشاء الداخلي للميتوكندريا إلى تدفُّق البروتونات إلى الحشوة Matrix عبر الكرات ذات شمراخ، والتي تستغل هذه الطاقة لإنتاج .ATPتُسمى هذه العملية الفسْفرة التأكسدية

مقارنة الحصيلة الطاقية للتنفس والتخمر:

• قياس مردودية التنفس والتخمر :
• المردود الطاقي للتنفس:

إعتماداً على معلوماتك وعلى معطیات الوثیقة لوحة حدد عدد جزییات المنتجة إنطلاقا من الأكسدة الكاملة لجزیئة واحدة من الكليكوزفي حالة. علما أن أكسدة جزيئة واحدة من تمكن من تركيب ثلاث من وأكسدة جزيئة واحدة من تتمكن من تركيب جزیئتين من.