التفاعلات الكيميائية في الخلية

الأيض: ما الذي يجري داخل الخلية؟

الفكرة الرئيسة: تحدث داخل الخلايا المُكوِّنة لأجسام الكائنات الحيَّة تفاعلات كيميائية عدَّة منها ما يُخزِّن الطاقة في الروابط الكيميائية داخل المُركَّبات العضوية، ومنها ما يُحرِّر الطاقة المُخزَّنة اللازمة لأداء الأنشطة الحيوية.

• يتضمّن الأيض نوعين: عمليات البناء ⁦Anabolism⁩، وعمليات الهدم Catabolism.

فيمَ يستفاد من عمليات البناء؟

فكيف تحطّم الخلية الغلوكوز لتحصل على الطاقة؟

• أفسّر أهمية عمليات الأيض للكائنات الحيّة.
• أبيّن أهمية بعض العمليات التي تحدث في الخلية، مثل: البناء الضوئي، والتنفّس الخلوي.
• أستقصي آلية حدوث عملية التنفّس الخلوي.
• أقارن بين عملية التنفّس الهوائي وعملية التنفّس اللاهوائي والتخمّر.

التنفس الخلوي: أين يحدث وما معادلته؟

• معظم تفاعلات التنفس الخلوي في الخلايا حقيقية النوى تحدث في الميتوكندريا.

• تتكوّن الميتوكندريا من:
• غشاء خارجي
• غشاء داخلي: يكون في صورة انثناءات تُسمّى الأعراف، وتزيد من مساحة السطح لحدوث التفاعلات الكيميائية.
• الحيز بين غشائي
• الحشوة

• تفاعلات التنفس الخلوي تُمثَّل بالمعادلة الآتية:

• تحدث عملية التنفس الخلوي على مرحلتين:
• مرحلة التحلّل الغلايكولي (السُّكّري) في السيتوسول.
• ومرحلة التنفس الهوائي في الميتوكندريا.

فماذا يحدث لجزيء الغلوكوز أولًا في السيتوسول؟

التحلل الغلايكولي: يتحطّم الغلوكوز في السيتوسول

• نواتج التحلّل الغلايكولي ⁦Glycolysis⁩ لكل جزيء غلوكوز:
• يتحطّم إلى جزيئين من البيروفيت ثلاثي الكربون.
• يُختزل جزيئا $NAD^+$ إلى جزيئي ⁦NADH⁩، وينتج جزيئا ⁦ATP⁩.

وإذا توافر الأكسجين، فإلى أين يذهب البيروفيت؟

التنفس الهوائي: ماذا يحدث للبيروفيت؟

• عند توافر الأكسجين ينتقل جزيئا البيروفيت إلى حشوة الميتوكندريا.
• تشتمل عملية التنفس الهوائي على ثلاث خطوات: أكسدة البيروفيت إلى أستيل مُرافق إنزيم - أ، وحلقة كربس، والفسفرة التأكسدية.

• أكسدة البيروفيت في الحشوة:
• يُنتزع جزيء $CO_2$ من البيروفيت، فيتكوّن مُركّب ثنائي الكربون.
• يتأكسد المُركّب ثنائي الكربون الناتج، مُختزلًا $NAD^+$ إلى ⁦NADH⁩.
• يرتبط به مُرافق إنزيم - أ ⁦(CoA)⁩، فينتج أستيل مُرافق إنزيم - أ ⁨(Acetyl CoA)⁩.
• هذه الخطوة تربط بين التحلّل الغلايكولي وحلقة كربس.

أُحدِّد نواتج أكسدة جزيء واحد من البيروفيت إلى أستيل مُرافق إنزيم - أ.

ما نواتج أكسدة جزيئي بيروفيت؟

حلقة كربس: دورتان لكل جزيء غلوكوز

• سُمّيت حلقة كربس ⁦Krebs Cycle⁩ نسبةً إلى العالم الذي أسهمت بحوثه في اكتشافها.
• تُسمّى أيضًا حلقة حمض الستريك ⁦Citric Acid Cycle⁩، وتحدث في الحشوة داخل الميتوكندريا.

• تبدأ الحلقة بتفاعل أستيل مُرافق إنزيم - أ ثنائي الكربون مع مُركّب رباعي الكربون يُسمّى أوغسالوأسيتيت ⁦Oxaloacetate⁩.
• ينتج الستريت ⁦Citrate (⁩مُركّب سداسي الكربون).
• يدخل الستريت في سلسلة من التفاعلات يفقد خلالها جزيئي $CO_2$، ليعاد إنتاج أوغسالوأسيتيت.

• نواتج الدورة الواحدة:
• تُختزل ثلاثة جزيئات من $NAD^+$ إلى ⁦NADH⁩.
• يُختزل جزيء واحد من ⁦FAD⁩ إلى $FADH_2$.
• ينتج جزيء واحد من ⁦ATP⁩ بصورة مباشرة.
• يجب أن تتم دورتان من حلقة كربس لكل جزيء غلوكوز.

• في ما يأتي تلخيص لنواتج التحلّل الغلايكولي، وأكسدة البيروفيت، وحلقة كربس لجزيء غلوكوز واحد:

أُحدِّد نواتج دورتي حلقة كربس.

ما عدد جزيئات أستيل مُرافق إنزيم - أ التي تنتج من جزيء غلوكوز؟

الفسفرة التأكسدية: من الإلكترونات إلى الطاقة

• تستقبل سلسلة نقل الإلكترون ⁦Electron Transport Chain⁩ الإلكترونات الناتجة من أكسدة ⁦NADH⁩ و $FADH_2$، ثم تنقلها من بروتين ناقل إلى آخر.
• في نهاية السلسلة تصل الإلكترونات إلى مُستقبِلها النهائي، وهو الأكسجين، ثم تتّحد معه ومع البروتونات؛ فيتكوَّن الماء.
• انتقال الإلكترونات من ⁦NADH⁩ و $FADH_2$ إلى الأكسجين يؤدي إلى ضخّ البروتونات ($H^+$) من الحشوة إلى الحيّز بين غشائي.

• ينتج فرق في تركيز البروتونات بين الحيّز بين غشائي والحشوة.
• تعود البروتونات ($H^+$) نتيجةً لفرق التركيز على جانبي غشاء الميتوكندريا الداخلي إلى داخل الحشوة، عن طريق إنزيم إنتاج ⁦ATP⁩ ATP Synthase.

• يُسهم كل جزيء من ⁦NADH⁩ في إنتاج (2.5) جزيء من ⁦ATP⁩.
• يُسهم كل جزيء من $FADH_2$ في إنتاج (1.5) جزيء من ⁦ATP⁩.

فكم تنتج أكسدة جزيء غلوكوز كاملًا من الطاقة؟

حساب الطاقة: كم تنتج الفسفرة التأكسدية؟

أُحدِّد مكان حدوث العمليات الآتية في الخلية: التحلُّل الغلايكولي، أكسدة البيروفيت إلى مُرافق إنزيم - أ، حلقة كربس، الفسفرة التأكسدية.

ماذا تفعل الخلية بلا أكسجين؟

• تعمل بعض الخلايا على أكسدة المواد العضوية وإنتاج الطاقة ⁦ATP⁩ من دون استخدام الأكسجين.
• طريقتان: التنفس اللاهوائي، والتخمّر؛ وتحدثان في السيتوسول.

• التنفس اللاهوائي يلجأ إليه بعضُ أنواع البكتيريا؛ إذ تستخدم سلسلة نقل الإلكترون، ولكنّها لا تستخدم الأكسجين مُستقبلًا نهائيًا للإلكترونات.
• مثال: بكتيريا اختزال الكبريتات التي تعيش في بيئة تخلو من الأكسجين، وتستخدم الكبريتات مُستقبِلًا نهائيًا للإلكترونات.
• ينتج كبريتيد الهيدروجين $H_2S$ (مُركَّب غير عضوي).

وماذا عن التخمّر؟

التخمّر: كيف تواصل الخلية إنتاج الطاقة؟

• تبدأ العملية بالتحلُّل الغلايكولي.
• تنتقل الإلكترونات من ⁦NADH⁩ إلى البيروفيت (أو أحد مشتقاته) بوصفه مُستقبِلًا نهائيًا للإلكترونات.
• الغاية: إعادة استخدام $NAD^+$ في التحلُّل الغلايكولي.
• يُصنَّف التخمّر بناءً على الناتج النهائي من العملية، مثل: تخمّر حمض اللاكتيك، والتخمّر الكحولي.

فما الناتج النهائي في تخمّر حمض اللاكتيك؟

تخمّر حمض اللاكتيك: من البيروفيت إلى اللاكتيك

• تلجأ العضلات الهيكلية إلى هذه العملية عند عدم توافر كمّيات كافية من الأكسجين.
• ينتج من تخمّر جزيء غلوكوز واحد إلى حمض اللاكتيك:
• جزيئان من ⁦ATP⁩.
• جزيئان من حمض اللاكتيك.
• ملحوظة: يتأيّن حمض اللاكتيك في الجسم إلى لاكتيت ⁦Lactate⁩.

أُقارن بين التنفس اللاهوائي وعملية التخمّر من حيث المُستقبل النهائي للإلكترونات.

أُحدّد مصير جزيئات $NAD^+$ في نهاية عملية التخمّر.

التخمّر الكحولي: كيف ينتفخ العجين؟

• يعمل فطر الخميرة وبعض أنواع البكتيريا اللاهوائية على تحويل البيروفيت إلى كحول إيثيلي Ethanol.
• يتحوَّل البيروفيت إلى مُركَّب ثنائي الكربون يُسمَّى أسيتالدهيد، فيتحرَّر غاز ثاني أكسيد الكربون $CO_2$.
• يُختزل الأسيتالدهيد إلى كحول إيثيلي.

أُحدِّد عدد جزيئات $CO_2$ الناتجة من عملية التخمُّر الكحولي لكل جزيء من الغلوكوز.

أُحدِّد أوجه التشابه والاختلاف بين عمليتي التخمُّر في كلٍّ من الخميرة وإحدى الخلايا العضلية.

اختبر نفسك على الدرس كلّه

الفكرة الرئيسة: ما المقصود بعمليات الأيض؟

أدرس الشكل الآتي الذي يُبيِّن مراحل التنفُّس الخلوي، ثم أُجيب عن السؤالين التاليين:

أ. أكتب ما يشير إليه كل رقم من الأرقام (1-6) في الشكل، باستخدام المفاهيم الآتية:

جزيئا بيروفيت، فسفرة تأكسدية، غلوكوز، ⁦ATP⁩، دورتان من حلقة كربس، جزيئا مُرافق إنزيم - أ.

ب. ما عدد جزيئات ⁦ATP⁩ الكلية الناتجة من أكسدة جزيء واحد من الغلوكوز؟

أ. ما مُستقبل الإلكترونات النهائي في كلٍّ مما يأتي:

سلسلة نقل الإلكترون في عملية التنفُّس الهوائي.

عملية التنفُّس اللاهوائي لبكتيريا اختزال الكبريتات.

ب. أذكر اسم المُركَّب الناتج من كلٍّ منهما.

أُوضِّح أهمية عملية التخمُّر في إنتاج الطاقة.

البكتيريا والطاقة: البناء الكيميائي

• تعمل بعض الكائنات الحيَّة الدقيقة اللاهوائية على إنتاج مواد عضوية في عملية تُسمَّى البناء الكيميائي.
• تستخدم بعض المواد التي تتأكسد بسهولة بوصفها مصدرًا للإلكترونات، مثل $H_2S$، بدلًا من الماء.
• أمثلة: بعض أنواع الأثريات، وبكتيريا المياه الحارَّة التي تعيش في بيئات لا يصلها الضوء، وبكتيريا الكبريت.

• يسعى العلماء إلى الاستفادة من خصائص البكتيريا الموصلة للكهرباء في إنتاج تكنولوجيا حيَّة وصديقة للبيئة.
• تُستخدم في المجالات الطبية، وتوليد الكهرباء، وتعقيم المياه الجوفية.
• نشاط: أُصمِّم مطويَّةً أُلخِّص فيها عملية البناء الكيميائي.