ملخص تدفق الطاقة في الخلية الحية، العلوم الحياتية

الفصل الأول: تدفق الطاقة

• التعرف إلى حاملات الطاقة ⁦ATP⁩، وأهمية الطاقة في العمليات الحيوية، ومصادرها في المركبات العضوية.
• توضيح دور الموجات الضوئية الضرورية لعملية البناء الضوئي.
• تتبع مراحل التفاعلات الضوئية اللاحلقية والحلقية، والمقارنة بينها.
• تتبع التفاعلات التي تحدث في حلقة كالفن، وذكر نواتجها.
• إستنتاج العلاقة بين معدل البناء الضوئي وبعض العوامل البيئية.
• التعرف إلى تركيب الميتوكندريون.
• تتبع مراحل التنفس الخلوي.
• المقارنة بين التخمر اللبني والتخمر الكحولي.
• تبيان التكامل بين عمليتي البناء الضوئي والتنفس الخلوي.

تركيب حاملات الطاقة في الخلية الحية

• $ATP \rightarrow ADP + P_i + 7.3 \text{ kcal/mol}$
• $ADP \rightarrow AMP + P_i + 7.3 \text{ kcal/mol}$

2.1 البناء الضوئي

• البناء الضوئي: تدار الحياة على الأرض بالطاقة الشمسية التي تقطع مسافة 150 مليون كيلومتر من الشمس، وتستخدمها النباتات مثلاً لتحويلها إلى طاقة كيميائية مخزنة في السكر وغيره من الجزيئات العضوية. وتسمى هذه العملية البناء الضوئي.
• ألاحظ المعادلة الآتية: $6CO_2 + 12H_2O \xrightarrow{\text{طاقة ضوئية، كلوروفيل}} C_6H_{12}O_6 + 6O_2 + 6H_2O$
• يشير الشكل إلى حدوث نوعين من التفاعلات في البناء الضوئي، أذكرهما.

التفاعلات الضوئية والتفاعلات اللاضوئية (حلقة كالفن -

• التفاعلات اللاضوئية: أما التفاعلات اللاضوئية (حلقة كالفن) فإنها تقوم بتثبيت ثاني أكسيد الكربون $CO_2$ باستخدام نواتج التفاعلات الضوئية (⁦ATP⁩ و⁦NADPH⁩) لإنتاج سكر غليسر الدهايد أحادي الفوسفات ⁦(G3P)⁩، الذي يمثل الهيكل الكربوني للمركبات العضوية، وهو أول مركب كربوهيدراتي ثابت ينتجه النبات، علماً بأن هذه التفاعلات لا تحتاج إلى الضوء بشكل مباشر؛ لذلك سميت بالتفاعلات اللاضوئية.
• يتطلب حدوث التفاعلات الضوئية وجود الضوء، حيث ينشطر فيها الماء باستخدام الطاقة الضوئية إلى إلكترونين وأيوني هيدروجين التي تستخدم في اختزال نواقل الإلكترونات، والأكسجين الذي يتصاعد في الهواء الجوي.
• ويتم بوساطتها تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة مختزنة في ⁦ATP⁩ و⁦NADPH⁩.

امتصاص الطاقة الضوئية

• يوجد الكلوروفيل في أغشية الثايلاكويد، الذي يكسب النبات اللون الأخضر، ويمكن النبات من القيام بعملية البناء الضوئي، ويوجد عدة أنواع من الكلوروفيل، منها كلوروفيل ⁦a⁩ و ⁦b⁩، حيث تشترك في التركيب الأساسي وتختلف بشكل بسيط عن بعضها.
• ويُعد امتصاص الطاقة الضوئية ضرورياً لحدوث عملية البناء الضوئي.
• ويمتد طول موجات الضوء المرئي من 380-750 نانومتر تقريباً، أنظر الشكل (4).

التفاعلات الضوئية

• يتم امتصاص الضوء في البلاستيدات بوساطة صبغة الكلوروفيل، والصبغات الأخرى الضرورية لعملية البناء الضوئي.
• وتترتب هذه الأصباغ في نظامين ضوئيين وظيفيين في غشاء الثايلاكويد ⁦(Thylakoid Membrane)⁩، يسميان النظام الضوئي الأول ⁦(Photosystem I)⁩ والنظام الضوئي الثاني ⁦(Photosystem II)⁩.
• مركز التفاعل ⁦(Reaction Center)⁩: نظام بروتيني يحتوي على جزيئين من كلوروفيل ⁦a⁩، ومستقبل إلكتروني أولي ⁦(Primary Electron Acceptor)⁩، ويكون جزيئا الكلوروفيل في مركز التفاعل قادرين على إطلاق إلكترونات منشطة، أنظر الشكل (5).
• أنواع مختلفة من الصبغات، مثل: كلوروفيل ⁦a⁩، وكلوروفيل ⁦b⁩، والكاروتين، وتكون مرتبطة ببروتينات، وتعمل هذه الأصباغ كلاقطات تمتص الطاقة الضوئية، ومن ثم تمررها لمركز التفاعل.

المسار الإلكتروني اللاحلقي

• يحتوي المسار الإلكتروني اللاحلقي على نظام ضوئي أول ونظام ضوئي ثان، إلا أن بداية المسار تكون عند النظام الضوئي الثاني. كيف أفسر ذلك؟

مراحل المسار الإلكتروني اللاحلقي

• تمتص الجزيئات الصبغية في النظام الضوئي الثاني الموجات الضوئية؛ مما يسبب انتقال الإلكترونات إلى مستوى طاقة أعلى في جزيء الصبغة الواحدة، بعد ذلك تنتقل طاقة الإلكترونات من جزيء كلوروفيل إلى آخر حتى تصل مركز التفاعل ليتم تنشيطه ليصبح مانحاً قوياً للإلكترونات.
• تمر هذه الإلكترونات المحملة بالطاقة إلى مستقبل الإلكترونات الأولي، الذي له جاذبية قوية للإلكترونات.
• نتيجة لاستمرار امتصاص الضوء يعمل أنزيم خاص في النظام الضوئي الثاني على فصل جزيئات الماء حسب المعادلة الآتية: $H_2O \xrightarrow{\text{أنزيم}} 2H^+ + \frac{1}{2}O_2 + 2e^-$
• تنتقل الإلكترونات المنشطة من المستقبل الأولي عبر سلسلة من النواقل البروتينية؛ حتى تصل إلى السايتوكروم، الذي يتم من خلاله بناء جزيئات ⁦ATP⁩ كما في المعادلة الآتية: $ADP + P_i + \text{طاقة} \xrightarrow{\text{أنزيم بناء ATP}} ATP$
• بعد ذلك تصل الإلكترونات إلى مركز التفاعل في النظام الضوئي الأول وقد استنفدت طاقتها؛ ليتم إعادة تنشيطها من جديد من خلال…