ثانوي · الصف 2

التنفس الخلوي

جاري تحضير الدرس المعاد صياغته وبناء الأنماط

9-3 التنفس الخلوي

Cellular Respiration

الأهداف

  • تلخص مراحل التنفس الخلوي.
  • تحدد دور نواقل الإلكترون 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.

الفكرة الرئيسية

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

الربط مع الحياة

يجب أن تتغذى طيور الخرشة القزوينية Sterna caspia باستمرار لتتزود بالطاقة لاستمرار حياتها في أثناء هجرتها الشتوية إلى المملكة كل عام. وكذلك الإنسان والمخلوقات الحية الأخرى تحتاج إلى مصادر غذائية متنوعة تزودها بالطاقة الضرورية لبقائها ونموها.

التنفس الخلوي

Cellular Respiration

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 بطاقة 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 فيشمل حلقة كربس ونقل الإلكترون، وهو عملية هوائية aerobic process تتطلب وجود الأكسجين.

ويلخص الشكل 9-11 التنفس الخلوي الهوائي.

الشكل 9-11

يحدث التنفس الخلوي في الميتوكندريا التي تعد مصنع الطاقة في الخلية.

التحلل السكري

Glycolysis

يتحلل الجلوكوز في السيتوبلازم خلال عملية التحلل السكري glycolysis.

ويتكون جزيئان من ATP وجزيئان من NADH، عند تحلل جزيء واحد من الجلوكوز. تتبع الشكل 9-12 في أثناء قراءتك خطوات التحلل السكري.

أولًا: ترتبط مجموعة فوسفات مع الجلوكوز بعد انفصالهما عن جزيئين من ATP. لاحظ أن التفاعلات التي تنتج طاقة الخلية تحتاج إلى طاقة بسيطة، جزيئين 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+ فيتكون جزيئان من NADH. يشبه جزيء NAD+ جزيء NADP، وهو ناقل إلكترونات يستخدم خلال عملية البناء الضوئي.

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

الشكل 9-12

يتحلل الجلوكوز خلال عملية التحلل السكري داخل سيتوبلازم الخلايا.

لخص المواد المتفاعلة والناتجة عن عملية التحلل السكري.

المفردات: أصل الكلمة

Glycolysis التحلل السكري

أصل الكلمة من اليونانية:

  • Glykys وتعني "حلو".
  • lysis وتعني "تحلل" أو "تحطم".

المطويات

ضمّن مطويتك معلومات من هذا القسم.

ماذا قرأت؟

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

حلقة كربس

Krebs Cycle

ينتج عن عملية التحلل السكري جزيئا ATP وجزيئان من البيروفيت، ومعظم الطاقة الناتجة عن تحلل سكر الجلوكوز لا تزال مخزنة في جزيئات البيروفيت.

ينتقل البيروفيت في وجود الأكسجين إلى الحشوة في الميتوكندريا؛ حيث يتحول في النهاية إلى CO2. وتسمى سلسلة التفاعلات التي يتحلل فيها البيروفيت إلى ثاني أكسيد الكربون حلقة كربس Krebs cycle أو دورة TCA، حمض الكربوكسيل الثلاثي، ويشار إلى هذه الحلقة أيضًا بحلقة حمض الستريك.

خطوات حلقة كربس

Steps of Krebs cycle

قبل أن تبدأ حلقة كربس يتفاعل البيروفيت مع مرافق إنزيم - أ Co-A، فينتج مركب وسطي ثنائي الكربون يسمى أستيل مرافق الإنزيم - أ.

وفي الوقت نفسه يتحرر غاز CO2، ويتحول NAD+ إلى NADH، ثم ينتقل أستيل CoA إلى الحشوة في الميتوكندريا. وينتج عن التفاعل جزيئان من CO2 وجزيئان من NADH. تتبع الشكل 9-13 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 ومولدًا جزيئًا واحدًا من ATP، وثلاثة جزيئات NADH وجزيئًا واحدًا من FADH2. ويعد جزيء FAD ناقلًا إلكترونيًا آخر شبيهًا بجزيء NAD+ وجزيء NADP+.
  • وأخيرًا يتم إعادة تكوين أستيل CoA، وحمض الستريك لكي تستمر الحلقة.

تذكر أن جزيئين من البيروفيت 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.

تنتقل جزيئات NADH و FADH2 لتؤدي دورًا مهمًا في المرحلة التالية من التنفس الهوائي.

الشكل 9-13

يتحلل البيروفيت داخل الخلايا إلى ثاني أكسيد الكربون خلال حلقة كربس في الميتوكندريا.

تتبع مسار جزيئات الكربون التي تدخل حلقة كربس وتخرج منها.

إرشادات الدراسة

جملة توضيحية: اعمل مع أحد زملائك على قراءة النص ومناقشة الكلمات غير المألوفة والمفاهيم الصعبة، واكتب فقرة توضيحية تلخص فيها حلقة كربس.

سلسلة نقل الإلكترون

Electron Transport

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 9-14، والتي تحدث كالتالي:

أولًا: 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 العملية الأسموزية الكيميائية.

تشابه 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 تنتقل البروتونات والإلكترونات إلى الأكسجين لإنتاج الماء.

ينتج عن عملية نقل الإلكترون 24 جزيئًا من ATP. وكل جزيء NADH ينتج ثلاثة جزيئات ATP. ويعطي كل جزيء FADH2 جزيئين من ATP.

وفي المخلوقات الحية الحقيقية النواة تنتج عن تحلل كل جزيء من الجلوكوز 38 جزيئًا من ATP، يستهلك منها الجزيئان اللذان ينتجان عن عملية التحلل السكري عند انتقال البيروفيت إلى حشوة الميتوكندريا.

الشكل 9-14

تحدث سلسلة نقل الإلكترون على طول غشاء الميتوكندريا.

قارن بين سلسلة نقل الإلكترون في التنفس الخلوي وعملية البناء الضوئي.

ينتقل البيروفيت إلى الميتوكندريا في المخلوقات الحية الحقيقية النواة، أما في المخلوقات الحية البدائية النواة فهذه الخطوة غير ضرورية؛ إذ تتوافر على الخلية البدائية النواة جزيئان من ATP.

ليصبح الناتج النهائي من عملية التنفس الخلوي 38 جزيئًا من ATP بدلًا من 36 جزيئًا في الخلايا الحقيقية النواة.

المفردات

الاستعمال العلمي مقابل الاستعمال الشائع

Concentration التركيز

الاستعمال العلمي: الكمية النسبية من المادة المذابة في مادة أخرى.
تركيز أيونات الهيدروجين في جانب واحد من الغشاء أكبر من الجانب الآخر.

الاستعمال الشائع: الاهتمام، الانتباه.
كان تركيز الطلاب موجهًا نحو الامتحان.

مهن مرتبطة مع علم الأحياء

عالم الطاقة الحيوية

Bioenergeticist

باحث يدرس انتقال الطاقة في الخلايا. وبعض علماء الطاقة الحيوية يدرسون الميتوكندريا وعلاقتها بالشيخوخة والمرض.

التنفس اللاهوائي

Anaerobic Respiration

يمكن أن تعمر بعض الخلايا فترة زمنية قصيرة عندما تكون مستويات الأكسجين منخفضة.

وبعض بدائيات النوى مخلوقات لاهوائية؛ أي تستطيع أن 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+، وينتج كمية قليلة من جزيئات ATP.

والتخمر نوعان:

  • التخمر اللبني، تخمر حمض اللاكتيك.
  • التخمر الكحولي.

تخمر حمض اللاكتيك

Lactic acid fermentation

عند تخمر حمض اللاكتيك تتحول الإنزيمات البيروفيت - الذي تكون في أثناء عملية التحلل السكري - إلى حمض اللاكتيك، كما في الشكل 9-15 B.

وتضم العملية نقل الإلكترونات العالية الطاقة والبروتونات من NADH.

وتنتج العضلات الهيكلية حمض اللاكتيك عند عدم وجود الأكسجين الكافي في الجسم نتيجة القيام بالتمارين الرياضية المجهدة مثلًا.

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.

التخمر الكحولي

Alcohol fermentation

يحدث التخمر الكحولي في الخميرة، وبعض أنواع البكتيريا.

انظر الشكل 9-15 A والذي يبين التفاعل الكيميائي الذي يحدث في أثناء التخمر الكحولي؛ حيث يتحول البيروفيت إلى الكحول الإيثيلي وثاني أكسيد الكربون.

وتوفر جزيئات NADH الإلكترونات، كما في تخمر حمض اللاكتيك، وتتحول إلى جزيئات NAD+.

الشكل 9-15

عند وجود الأكسجين بكمية محدودة أو عدم وجوده تحدث عملية التخمر.

قارن بين التخمر الكحولي والتخمر اللبني.

عمليتا البناء الضوئي والتنفس الخلوي

Photosynthesis and Cellular Respiration

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 9-16 الارتباط بين هاتين العمليتين.

مختبر تحليل البيانات 9-1

بناءً على بيانات حقيقية

فسر البيانات

كيف تؤثر العدوى الفيروسية في التنفس الخلوي؟

يمكن للالتهابات الناتجة عن الفيروسات أن تؤثر في عملية التنفس الخلوي، وفي قدرة الخلايا على إنتاج ATP.

ولاختبار أثر الالتهابات الفيروسية في مراحل التنفس الخلوي في الخلايا المصابة بالفيروسات تم قياس كمية حمض اللاكتيك وجزيئات ATP الناتجة.

البيانات والملاحظات

تأثير العدوى الفيروسية في إنتاج حمض اللاكتيك

المحور الرأسي: حمض اللاكتيك µmol/10^6 خلية
المحور الأفقي: الزمن ساعة

تأثير العدوى الفيروسية في إنتاج ATP

المحور الرأسي: ATP µmol/10^6 خلية
المجموعتان:

  • المجموعة الضابطة.
  • مجموعة الفيروس.

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 شعور الإنسان المصاب بفيروس الأنفلونزا بالتعب الشديد؟

أخذت البيانات في هذا المختبر من:

El-Bacha, T., et al. 2004. Mayaro virus infection alters glucose metabolism in cultured cells through activation of the enzyme 6-phosphofructo-1-Kinase. Molecular and Cellular biochemistry. 266: 191-198.

الشكل 9-16

تشكل عمليتا البناء الضوئي والتنفس الخلوي دورة؛ فالمواد الناتجة عن أحد هذه المسارات الأيضية تشكل مواد متفاعلة للمسار الأيضي الآخر.

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.

التقويم 9-3

الخلاصة

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

فهم الأفكار الرئيسية

  • الفكرة الرئيسية: سم الشكل النهائي من الطاقة الكيميائية الناتجة عن الخلايا في أثناء التنفس الخلوي.
  • حدد ما عدد ذرات الكربون من جزيء 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.

جاري تحضير الدرس المعاد صياغته وبناء الأنماط

نحافظ على المعنى العلمي ونربط كل فقرة بنواتجها ومفاهيمها.

إعادة إنتاج الدرس حسب نمط التعلم

طلب واحد ينتج المسارات البصري والسمعي والحركي والقرائي معًا، بصياغة تراعي سياق المناهج السعودية.

خبير مناهج سعودية

اختر نمط التعلم

تُنتج الأنماط الأربعة دفعة واحدة، ثم تُستدعى الحزمة المحفوظة في الزيارات التالية.