استهلاك المــادة العضوية و تدفق الطــاقة "التانية باكلوريا شعبة علوم فيزيائية" ~ ثانويية اجدير التاهيليية "خنيفرة"

تقديم:

تستعمل الكائنات ذاتية التغذية ( النباتات الخضراء) الطاقة الضوئية و المواد المعدنية لإنتاج المادة العضوية،بينما تستعمل الكائنات الغير ذاتية التغذية ( إنسان ، حيوانات ، نباتات لايخضورية) المادة العضوية لتمدها بالطاقة اللازمة لنموها و أنشطتها التركيبية و تعويض الخلايا الميتة و المواد المستعملة .

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

1 ـ تجربة:

الخميرة فطر مجهري وحيد الخلية يمكن أن يعيش في وسط غني بالأكسجين ( وسط حيهوائي) و وسط يفتقر للأكسجين ( وسط حيلاهوائي)

ـ توضع الخميرة في وسط يحتوي على الكليكوز و نوزعها على وسطين:وسط1 حيلاهوائي و وسط2 حيهوائي،ثم نتتبع تغيرات مكونات الوسطين حسب الزمن:

يمثل الجدول1 تغيرات كمية الكليكوز في الوسطين:

يمثل الجدول 2 تغيرات بعض العناصر في الوسطين:

و تمثل الوثيقة التالية ملاحظة مجهرية لخلايا الخميرة في الوسطين بعد 64 ساعة من الزرغ:

وسط1

وسط2

و تمثل الوثيقة التالية مظهر خلايا الخميرة في كل وسط:

2 ـ تحليل:

ـ في كلا الوسطين هناك استهلاك للكليكوز من طرف الخمائر.

ـ في الوسط2 الحيهوائي يلاحظ أن عدد الخمائر تضاعف كثيرا مع استهلاك للأكسجين و طرح لـ CO 2 في الوسط و تبين الملاحظة المجهرية أن خلايا الخمائر غنية بعضيات خلوية تسمى الميتوكوندريات .

ـ في الوسط1 الحي لاهوائي يلاحظ أن عدد الخمائر زاد نسبيا مع طرح لـ CO 2 و تكون كحول في الوسط و تبين الملاحظة المجهرية أن خلايا الخمائر تحتوي على ميتوكوندريات قليلة و ضامرة .

ـ استنتاج:

في كلتا الحالتين تستعمل خلايا الخميرة مستقلب الكليكوز لإنتاج الطاقة من اجل تكاثرها .

ـ في الوسط الحيهوائي تقوم الخلايا بهدم كلي لمستقلب الكليكوز مع استهلاك الأكسجين و طرح CO 2 (و ايضا H 2O)مع إنتاج طاقة مهمة استعملت في التكاثر الكبير للخلايا و هذا ما يعرف بالتنفس و يتطلب تدخل الميتوكوندريات.

C 6H 12O 6 +6 O 2 -------------> 6CO 2 +6 H 2O + طاقة مهمة

ــ في الوسط الحيلاهوائي تقوم الخلايا بهدم جزئي لمستقلب الكليكوز في غياب الأكسجين مع تشكل كحول(الاثانول C 2H 5OH) و CO 2 و إنتاج طاقة ضعيفة استعملت في التكاثر الضعيف للخلايا و هذا ما يعرف بالتخمر ولا يتطلب تدخل الميتوكوندريات.

C 6H 12O 6 ------------->2 CO 2 +2 C 2H 5OH + طاقة ضعيفة

4 ـ تجربة:

نقوم بعزل ميتوكوندريات مأخوذة من خلايا نباتية ثم نضعها في وسط به أكسجين و نقيس كمية هذا الأخير في الوسط بدلالة الزمن ، في الزمن t 0 نضع الميتوكوندريات في الوسط و في الزمن t 1 نضيف كمية قليلة من الكليكوز و في الزمن t 2 نضيف كمية قليلة من حمض البيروفيك ، و يمثل المبيان التالي النتائج المحصل عليها:

ـ تحليل:

عند إضافة الكليكوز إلى الوسط في الزمن t 1 يلاحظ عدم استهلاك الأكسجين أما عند إضافة حمض البيروفيك في الزمن t 2 فيلاحظ ارتفاع في استهلاك الأكسجين.

6 ـ استنتاج:

الميتوكوندريات تستعمل حمض البيروفيك بوجود الأكسجين و لا تستعمل الكليكوز مباشرة.

7 ـ خلاصة:

يتعرض مستقلب الكليكوز إلى تفككين :

ـ الأول خارج الميتوكوندري على مستوى الجبلة الشفافة ولا يحتاج إلى الأكسجين و يسمى انحلال الكليكوز glycolyse

ـ الثاني على مستوى الميتوكوندري و يحتاج إلى الأكسجين و يسمى التأكسدات التنفسية و يعتبر حمض البيروفيك هو المستقلب الذي يتعرض للتأكسدات التنفسية.

II / مراحل انحلال الكليكوز:

1 ـ داخل الجبلة الشفافة:

عندما يدخل الكليكوز إلى الخلية يتحد مع الفوسفاط ليعطي كليكوز فوسفاط مما يمنعه من جهة من مغادرة الخلية و يمكنه من جهة أخرى من الدخول في سلسلة من التفاعلات تؤدي إلى تفككه تحت تأثير أنزيمات ليعطي في النهاية جزيئتين من حمض البيروفيك و تسمى هذه التحولات بانحلال الكليكوز و تتم في غياب الأكسجين

1 2 3 4 5 6 7

التفاعل الإجمالي لانحلال الكليكوز:

C 6H 12O 6 + 2ADP + 2Pi + 2NAD -----------------------> 2Ac.pyruvique + 2ATP + 2NADH

2 ـ داخل الميتوكوندري:

2 ـ 1 ـ فوق بنية الميتوكوندري:

هي عبارة عن عضيات خلوية يتراوح طولها بين1 و 2μm و عرضها بين 0,5 و 1μm . يزداد عددها كلما كانت الخلايا أكثر نشاطا و كلما كان الوسط غنيا بالأكسجين

يتميز الغشاء الداخلي بتوفر وجهه الداخلي على كرات ذات شمراخ و هي مركبات أنزيمية مسئولة عن تفسفر ADP إلى ATP .

ـ 2 ـ أكسدة حمض البيروفيك:

ـ المرحلة الأولى : تكوين أستيل كوأنزيم A

الحصيلة:

2Ac.pyruvique + 2CoA + 2NAD -----------------------> 2Acetyl-CoA + 2CO 2+ 2NADH

انظر الوثيقة

ـ المرحلة الثانية : تفاعلات حلقة KREBS

يدخل أستيل كوأنزيم A في حلقة من التفاعلات يتم خلالها انتزاع الكربون على شكل CO 2 و تكون طاقة ATP و اختزال جزيئات ناقلة NAD و FAD إلى NADH و FADH 2 مجموع هذه التفاعلات تسمى حلقة KREBS .

التفاعل الإجمالي لحلقة KREBS :

2Acetyl-CoA + 2ADP + 2Pi + 6NAD + 2FAD -----------------------> 4CO 2 + 2ATP + 6NADH + 2FADH 2+ 2CoA

2 ـ 3ـ السلسلة التنفسية:

يحتوي الغشاء الداخلي للميتوكوندريات على سلسلة من نواقل الالكترونات قادرة على أكسدة جزيئات NADH و FADH 2 و نقل الالكترونات إلى المستقبل النهائي (الأكسجين O 2 )

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 .انظر الوثيقة

تركيب ATP الذي يستغل الطاقة الناتجة عن تفاعلات الأكسدة و الاختزال يسمى التفسفر المؤكسد . انظر الوثيقة 1 ـ الوثيقة2

على مستوى الماتريس تتفاعل ايونات +H مع O 2- لتعطي جزيئة الماء:

O 2-+ 2H + --------------------> H 2O

إعادة أكسدة جزيئة واحدة من NADH تعطي 3ATP

ـ إعادة أكسدة جزيئة واحدة من FADH 2 تعطي 2ATP

3ـ الحصيلة الطاقية:

نظريا نحصل على 38ATP لكن في الواقع نحصل على 36ATP فقط لأن نواقل NADH الناتجة في الجبلة الشفافة لا تدخل إلى الميتوكوندري و لكن تعوض بنواقل FADH 2 باستثناء خلايا القلب و الكبد حيث تعوض بنواقل NADH .

الكائنات ذات النواة غير الحقيقية PROCARYOTE لا تتوفر على ميتوكوندريات حيث غشائها الداخلي يلعب دور الغشاء الداخلي للميتوكوندريات و بالتالي يتم إنتاج 38ATP في الوسط الحيهوائي.

4ـ خلاصة:انظر الوثيقة1 ـ الوثيقة2

III / التخمر La fermentation

1 ـ ملاحظات أولية:

ـ يحمض الحليب تحت تأثير بكتيريات حيلاهوائية تحول اللاكتوز ( سكر الحليب) إلى حمض لبني الذي يتسبب في تخثر بروتين الحليب الجبنين.

ـ يتكون الحمض اللبني داخل العضلات المتعبة بعد القيام بنشاط عضلي قوي و طويل.

2 ـ تفسير:

عندما يصبح تزويد الخلية بالأكسجين غير كاف يمنع حمض البيروفيك من الدخول في سلسلة الأكسدة التنفسية فيتحول إلى حمض لبني بأكسدته لــ NADH حسب التفاعل التالي:

CH 3-CO-COOH + NADH ------------------------->CH 3-CHOH-COOH + NAD

حمص لبني حمض بيروفيك

تسمى هذه الظاهرة بالتخمر اللبني و تحدث في الجبلة الشفافة. انظر الوثيقة1 ـ الوثيقة2

هناك أنواع أخرى من التخمرات كالتخمر الكحولي الذي ينتج الاثانول و التخمر الزبدي الذي ينتج الحمض الزبدي ...

3ـ الحصيلة الطاقية:

التفاعل الإجمالي للتخمر اللبني:

C 6H 12O 6 + 2ADP + 2Pi -----------------------> 2(CH 3-CHOH-COOH) + 2ATP

التفاعل الإجمالي للتخمر الكحولي:

C 6H 12O 6 + 2ADP + 2Pi -----------------------> 2C 2H 5OH + 2CO 2 +2ATP

الوثيقة

في كلا الحالتين يتم إنتاج 2ATP

IV / مقارنة الحصيلة الطاقية للتنفس و التخمر:

التخمر	التنفس
2ATP	36 ATP

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).

V / مقارنة المردود الطاقي للتنفس و التخمر:

ـ جزيئة كليكوز تحتوي على طاقة كامنة تقدر بــ 686Kcal

ـ حلمأة جزيئة ATP تعطي طاقة تقدر بـ 7,3Kcal

المردود الطاقي للتخمر	المردود الطاقي للتنفس
2 x 7,3/686 x 100= 2,13%	36 x 7,3/686 x 100= 38,31%

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.

اتمنى ان يعجبكم الدرس ان شاء الله