الفصل الثاني : الطاقة الخلوية

الفصل الثاني :الطاقة الخلوية

الدرس الأول  : كيف تحصل المخلوقات الحية على الطاقة 

تحولات الطاقة

الطاقة energy  : هي القدرة على إنجاز شغل

الديناميكا الحرارية : هي دراسة تدفق الطاقة وتحولها في الكون

قوانين الديناميكا الحرارية 

القانون الأول في الديناميكا الحرارية( قانون حفظ الطاقة) :

الطاقة يمكن أن تتحول من شكل إلى آخر ولكن لا يمكن ان تفنى او تستحدث

القانون الثاني في الديناميكا الحرارية : حدوث فقدان في الطاقة عند تحولها من شكل إلى آخر

ذاتية التغذية وغير ذاتية التغذية

المخلوقات الذاتية التغذية مخلوقات قادرة على صنع غذائها بنفسها.

 1- بعضها تستخدم المواد غير العضوية مثل : كبريتيد الهيدروجين مصدرًا للطاقة.

2- بعضها الآخر يقوم بتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية  مثل النباتات

المخلوقات غير الذاتية التغذية : مخلوقات حية تحتاج إلى ابتلاع الطعام وهضمه للحصول على الطاقة (حشرة المن. الدعسوقة) 

عمليات الأيض

عملية الأيض جميع التفاعلات الكيميائية في الخلية

انواع مسارات الأيض : 1- مسارات الهدم    2- مسارات البناء

مسار الهدم تتحرر الطاقة نتيجة تحليل الجزيئات الكبيرة إلى جزيئات صغيرة

 مسار البناء  يستخدم الطاقة الناتجة عن مسار الهدم في بناء جزيئات كبيرة من جزيئات صغيرة.

سـ / ماذا ينتج عن العلاقة بين مسارات الهدم والبناء؟

 تدفق مستمر للطاقة في المخلوق الحي

عملية البناء الضوئي

عللي / تعد عملية البناء الضوئي مسار بناء  

لان الطاقة الشمس الضوئية  تتحول فيها إلى طاقة كيميائية تستخدمها الخلية

التنفس الخلوي يعد مسار هدم تتحلل فيه المواد العضوية لتُحرر الطاقة اللازمة للخلية

وحدة الطاقة الخلوية ATP

الأدينوسين الثلاثي الفوسفات Adenosine triphosphate ATP

يعد من أهم الجزيئات الحيوية التي تزود الخلايا بالطاقة الكيميائية.

تركيب جزئ الطاقة ATP

الأهمية :

Øمخزنًا للطاقة الكيميائية في الخلايا

Ø من الجزيئات الناقلة الأكثر انتشارًا في الخلايا

Ø يوجد في جميع أنواع المخلوقات الحية

 التركيب : عبارة عن نيوكليوتيد

س / مم يتكون النيوكليوتيد ؟

1-  قاعدة نيتروجينية هي الأدينين     2- سكر الرايبوز   3- ثلاث مجموعات من الفوسفات

وظيفة جزئ الطاقة ATP

يحرر الطاقة  من جزيء ATPعندما تتكسر الرابطة بين مجموعة الفوسفات الثانية والثالثة، مكوّنًا >> جزئADP  + مجموعة فوسفات حرّة

 ) ADP أدينوسين ثنائي الفوسفات(

تختزن الطاقة في الرابطة الفوسفاتية التي تتشكل عندما يرتبط جزيء  ADP  مع مجموعة فوسفات اخرى ليتكوّن جزيء  ATP 

•يمكن أن تتحول جزئيات  ATP و ADP  بإضافة أو حذف مجموعة فوسفات

• قد يتحول جزيء  ADP إلى جزيءAMP  (أدينوسين أحادي الفوسفات) بفقد مجموعة فوسفات إضافية (والطاقة المتحررة قليلة جدا)

 عللي / معظم تفاعلات الطاقة في الخلية تتضمن جزيئات ATP  و ADP وليس AMP !!

لأن الطاقة المتحررة من AMP قليلة جداً

الدرس الثاني : البناء الضوئي

عملية البناء الضوئي

- المعادلة الكيميائية التالية تمثل عملية البناء الضوئي:

6CO 2 + 6 H 2 O → C 6 H 12 O 6 +6o2

مراحل البناء الضوئي :

المرحلة الأولى (التفاعلات الضوئية )  :

vتحدث فيها التفاعلات التي تعتمد على الضوء

v  يتم امتصاص الطاقة الضوئية وتحويلها إلى طاقة كيميائية   (على شكل ATP  و NADPH )

البلاستيدات الخضراء هي عضيات كبيرة تمتص الطاقة الضوئية في المخلوقات الحية التي تقوم بعملية البناء الضوئي .

الثايلاكويدات هي مجموعة من الأغشية المُسطحة تشبه الكيس تترتب في رزم متراصة تسمى الغرانا

 الأهمية:  تحدث فيها التفاعلات الضوئية  

اللُّحمة هي سائل يملأ الفراغات المحيطة بالغرانا

س / ما أهمية اللحمة ؟

تعد مكان حدوث التفاعلات اللاضوئية في المرحلة الثانية من عملية البناء الضوئي

الأصباغ : الجزيئات الملونة التي تمتص الضوء

 توجد في أغشية الثايلاكويد في البلاستيدات الخضراء.

أهميتها  تمتص الأصباغ المختلفة أطوالا موجية محددة من الضوء

 من أهم الاصباغ:  ( الكلوروفيل a  والكلوروفيل b ) و(  الكاروتين -الزانثوفين -  الفايكوسيانين)

سـ / ما أهمية أن معظم المخلوقات الحية التي تقوم بعملية البناء الضوئي تحوي أصباغًا إضافية بالإضافة إلى الكلوروفيل ؟

 تسمح للنباتات بامتصاص طاقة ضوئية إضافية من مناطق أخرى من الطيف المرئي.

الكلوروفيل : من الأصباغ الأكثر شيوعًا ووفرة من الأصباغ الأخرى والتي تطغى عليها وتمنع ظهور ألوانها

نقل الألكترون

تركيب غشاء الثايلاكويد : يُشكِّل الأساس في الانتقال الفعال للطاقة في أثناء نقل الإلكترون

يتميز غشاء الثايلاكويد بـ:

1- مساحة سطح كبيرة(للاحتفاظ بأعداد كبيرة من الجزيئات الناقلة للإلكترون)

2- وجود نوعين من البروتينات المعقدة التي تسمى (الأنظمة الضوئية)

النظامين الضوئيين  (I  و II) يحويان :

-أصباغًا تمتص الضوء - بروتينات تؤدي دورًا مهمًّا في التفاعلات الضوئية

الأسموزية الكيميائية عملية نقل الإلكترون التي تتم بالتزامن مع إنتاج جزيء ATP

إنتاج ATP  : نتيجة انتقال الإلكترونات مع تدرج التركيز.

أهمية عملية تحلل جزيء الماء :

- توفير الإلكترونات اللازمة لبدء سلسلة نقل الإلكترون

- توفير البروتونات +H الضرورية لتنشيط عملية بناء جزيء ATP

سـ / ماهي القنوات الأيونية ؟

هي عبارة عن أنزيمات توجد في غشاء الثايلاكويد وتسمى أنزيمات بناء الطاقة

سـ / فسري ظاهرة  انتقال  أيونات H+ من داخل الثايلاكويد  إلى اللحمة

بسبب تراكم أيونات +H على الجانب الداخلي للثايلاكويد التي تحررت خلال عملية نقل الإلكترون

( فاصبح تركيزها عالي داخل الثايلاكويد ومنخفض في اللحمة )
 انتقلت هذه الأيونات مع تدرج التركيز الى اللحمة عبر القنوات الأيونية 

 المرحلة الثانية (التفاعلات اللاضوئية) حلقة كالفن 

تحدث فيها التفاعلات التي لا تعتمد على الضوء

vتستخدم جزيئات ATP و NADPH  التي تكوّنت في المرحلة الأولى لإنتاج الجلوكوز

v يتحد الجلوكوز مع جزيئات سكريات بسيطة أخرى لتكوين جزيئات أكبر (كربوهيدرات معقدة مثل النشا)

v قد يُستخدم الناتج النهائي لعملية البناء الضوئي في بناء جزيئات عضوية أخرى مثل البروتينات والدهون والأحماض النووية

جزيئات NADPH و  ATP تزود الخلايا بكميات كبيرة من الطاقة إلا أنها جزيئات غير مستقرة بصورة كافية فلا تُخزن الطاقة الكيميائية لفترات زمنية طويلة

  NADPH يمثل " نيكوتين اميد ثنائي النوكليوتيد فوسفات "

 ATP        يمثل ”أدينوسين ثلاثي الفوسفات“

حلقة كالفن: المرحلة الثانية من عملية البناء الضوئي يتم فيها تخزين الطاقة في جزيئات عضوية مثل الجلوكوز

وتعد من التفاعلات التي لا تعتمد على الضوء 

سـ / عللي يعد أنزيم روبيسكو  من أهم الإنزيمات الحيوية 

لأنه يحول جزيئات  غير العضوية إلى جزيئات عضوية تستخدمها الخلية .

 استخدام السكر الناتج عن حلقة كالفن :

1- مصدر للطاقة

2- يستخدمه النبات كوحدات بناء أساسية في الكربوهيدرات المعقدة  و منها السيلوز الذي يوفر الدعم للنبات .

مسارات بديلة

تحوي النباتات التي تعيش في مناخات قاسية مسارات بديلة في عملية البناء الضوئي تمكّنها من تحويل الحد الأقصى من الطاقة.

أمثلة :

نباتات C4 plants C4

نباتات أيض الحمض العشبي  CAM plants 

الدرس الثالث : التنفس الخلوى

التنفس الخلوى

الأهمية :تحصل المخلوقات الحية على الطاقة من التنفس الخلوي

الوظيفة :

- جمع الإلكترونات من المركبات الكربونية مثل الجلوكوز 

- واستخدام طاقتها في إنتاج جزيء ATP

 -  ATP يزود الخلايا بالطاقة لتؤدي وظائفها

 يحدث التنفس الخلوي في مرحلتين رئيسيتين هما: التحلل السكري & التنفس الهوائي

1- التحلل السكري عملية لاهوائية لا تتطلب وجود الأكسجين

2- التنفس الهوائي  عملية هوائية تتطلب وجود الأكسجين.    وتشمل:* حلقة كربس و *نقل الإلكترون

فرقي بين التحلل السكري والتنفس الهوائي في عملية التنفس الخلوي 

التحلل السكري هي العملية التي يتحلل فيها الجلوكوز في السيتوبلازم 

يتكون جزيئان من ATP  وجزيئان من NADH عند تحلل جزيء واحد من الجلوكوز 

حلقة كربس : سلسلة التفاعلات التي يتحلل فيها البيروفيت إلى ثاني أكسيد  الكربون 

ســ/اين تحدث ؟ هل يلزم وجود O2 ؟ وما كمية الطاقة الناتجة عنها 

تحدث في حشوة الميتوكندريا - ويلزم وجود O2 - كمية الطاقة الناتجة عالية 

سـ / ماهي النواتج النهائية لحلقة كربس ؟

- ستة  جزيئات  CO2

- جزيئي ATP

- ثمانية جزيئات NADH

- جزيئي FADH2

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

سلسلة نقل الألكترون : - الخطوة النهائية  من عملية تحلل سكر الجلوكوز - النقطة التي يتم فيها إنتاج معظم جزيئات ATP

س/ ما هو الهدف (الناتج النهائي ) من سلسلة نقل الألكترون ؟  

انتاج الطاقة (تكوين مركبات ATP) 

س/ إلى ماذا تتحول نواقل الألكترون NADH و FADH2 بعد تحرر الألكترونات منها ؟ 

تتحول إلى +NAD و FAD 

عملية الأسموزية الكيميائية      تنتشر أيونات الهيدروجين   + H  لتعود مرة أخرى من الحيز بين الغشائي للميتوكندريا  (الأكثر تركيزًا من +H )   إلى الحشوة عبر الغشاء الداخلي مرورًا بجزيئات إنزيم بناء  ATP

س/ ما وجه الشبه بين عمليات التنفس الخلوي و العمليات التي تحدث في البناء الضوئي ؟ 

الأسموزية الكيميائية و سلسلة نقل الإلكترون 

س/ ما دور الأكسجين في عملية التنفس الخلوي ؟ 

يعد الأكسجين المستقبِل النهائي للإلكترون حيث تنتقل البروتونات والإلكترونات إلى الأكسجين لإنتاج الماء

س/ ماذا ينتج عن عملية نقل الإلكترون ؟

24 جزيئًا من ATP

في  المخلوقات الحية الحقيقية النواة ينتج عن كل جزيء من الجلوكوز 36 جزيئًا من ATP

التنفس اللاهوائي

يحدث هذا النوع من التنفس في :

1-  البدائيات (مخلوقات لاهوائية أي تستطيع أن تنمو وتتكاثر دون وجود الأكسجين)

2-  بعض الخلايا 

أهمية التنفس اللاهوائي :  يعيد تزويد الخلية بجزيئات + NAD، وينتج كمية قليلة من جزيئات ATP

س/ عللي  لا يمكن اعتماد التحلل السكري (التنفس اللا هوائي) وحده في الحصول على الطاقة

لأن للخلية كمية محدودة من جزيء NAD + و اذا استهلكت تتوقف عملية التحلل السكري 

التخمر:هو المسار اللاهوائي الذي يتبع عملية التحلل السكري ويحدث في السيتوبلازم 

وهونوعان: 1- التخمر اللبني ( تخمر حمض اللاكتيك ) 2- التخمر الكحولي

1- التخمر اللبني

    تخمر حمض اللاكتيك

تحوِّل الإنزيمات البيروفيت -الذي  تكوّن في أثناء عملية التحلل السكري - إلى حمض اللاكتيك

2- التخمر الكحولى

يحدث في: 1- الخميرة  2- بعض أنواع البكتيريا

العملية : بيروفيت --> كحول إيثيلي+ CO2

عمليتا البناء الضوئى والتنفس الخلوي

س / ما العلاقة بين هاتين العمليتين ؟

المواد الناتجة عن عملية البناء الضوئي هي الأكسجين والجلوكوز وهي المواد المتفاعلة التي تتطلبها عملية التنفس الخلوي

المواد الناتجة عن عملية التنفس الخلوي هي:   ثاني أكسيد الكربون والماء وهي المواد المتفاعلة اللازمة لعملية البناء الضوئي