الفصل  الثالث

التنــفـــــس  فى الكائنات الحية

 

مفهوم التنفس الخلوى

·       يعتبر الجلوكوز والكربوهيدرات الأخرى صور مخزنة للطاقة وأيضا صور تنتقل فيها الطاقة من خلية الى أخرى  ومن كائن حى الى أخر

-التنفس الخلوى [هو العملية التى تستخرج بها خلايا الكائن الحي الطاقة من الروابط الكيميائية لجزيئات الطعام التى يصنعها النبات أو يتناولها الحيوان ]

ويستخدم الطاقة لبناء جزيئات أدينوسين ثلاثى الفوسفات (ATP )Adenosine triphosphate

ويعبر عن جزئ الغذاء بجزئ الجلوكوز عند إيضاح أسلوب وخطوات انحلاله(علل؟)     – لأن أغلب خلايا الكائنات الحية تستخدم الجلوكوز اكثر من جزئ غذاء أخر

- ويمكن تشبيه جزئATP العملة الصغيرة (الفكة)التى تتميز بسهولة تداولها وصرفها وكل طاقة تحتاج الخلية الى تدبيرها يلزمها  ATP أى أنها تعتبر العملة الدولية للخلية

تركيب جزئ ATP(لكى نفهم كيف تؤدى وظيفتها ) الجزئ الواحد يتكون من 3 تحت وحدات

1-      قاعدة نيتروجينية هى الأدينينAdenine

2-      سكر خماسى الكربون يسمى الريبوز Ribose  

3-      مجموعة الفوسفات (ثلاث مجموعات فوسفات )

وعند تحلل  ATP الى ADP ينطلق مقدار من الطاقة يساعد على التفاعلات الكيميائية التى تحتاج الى طاقة  وتقدر بحوالى من 7-12 سعر حرارى كبير لكل مول

وتبدأ عملية التنفس الخلوى بجزئ الجلوكوز

وتتلخص أكسدته فى المعادلة الآتية  ويتضح فيها كمية الطاقة الناتجة من مول واحد من الجلوكوز :-

C₆H₁₂O₆+6O₂              6CO₂ +6H₂O +2880 K.j             

- وتتم أكسدة الجلوكوز على مرحلتين

1-مرحلة أنشطار الجلوكوز (التخمرGlycolysis)تتم فى الجزء غير العضيى من السيتوبلازم (السيتوسول)

2-مرحلة التنفسRespiration(دورة كريبس –نقل الإلكترون) تتم فى الأجسام السبحية ( الميتوكوندريا) Mitochondria

تركيب الميتوكوندريا (الأجسام السبحية)

توجد فى الكائنات الحية وهى محاطة بغشائين

منفذين الخارجى ناعم   - والداخلى به التواءات

تعرف بالرفوف  Cristae تزيد من سطحه

وكلما زاد نشاط الأيض فى الخلية تزداد الأجسام السبحية والرفوف بداخلها

·       ويوجد بين الرفوف محلول مكثف من مادة الأساس Matrix التى تحتوى على أنزيمات وأنزيمات مساعدة وماء وفوسفات وجزيئات أخرى وتحدث فيه بعض  تفاعلات دورة كريبس 

·                   أما التفاعلات الأخرى لدورة كريبس وتفاعلات نقل الإلكترون  تحدث فى الغشاء الداخلى حيث توجد الأنزيمات الضرورية  وجزيئات حاملات الإلكترون

·       أى الأجسام السبحية تعتبر حقل التفاعلات الكيميائية فى الخلية

·                  الغشاء الخارجى يدع أغلب الجزيئات  الصغير تدخل وتخرج بحرية  والداخلى لايسمح إلا بمرور جزيئات معينة

·                         فى انشطار الجلوكوز  ودورة كريبس تزال ذرات الهيدروجين من الهيكل الكربونى لجزئ الجلوكوز  لتنتقل إلى مساعدات الأنزيم Coenzymes  التى تعمل كحاملات الكترون  وأولها NAD⁺ الذى يختزل الى  NADH₂    والثانى FAD  الذى يختزل الى FADH₂

·                         فى المرحلة الأخيرة من التنفس  تعطى كل من جزيئات NADH₂ وجزيئات FADH₂ الكتروناتها  الى سلسلة نقل الإلكترون , لتمر منحدرة على طول سلسلة حاملات  الإلكترون  تسمى سيتوكرومات  Cytochromes ذات بناء متشابه ولكنها تختلف  لتمكينها من حمل إلكترونات على مستويات طاقة مختلفة

·                         وعند نزول الإلكترونات خطوة بخطوة الى مستويات طاقة أقل فان الطاقة المنطلقة تستخدم  فى تكوين جزئ ATP من جزئ ADP والفوسفات فى عملية الفسفرة التأكسدية  وعندما تصل الإلكترونات الى أقل مستوى منخفض خاص بها تتحد هى وبروتوناتها المرافقة لها مع الأكسجين مكونة جزئ ماء

·                        أولا مرحلة انشطار الجلوكوز أو( التخمر ) Glycolysis  

1- ينشطر جزئ الجلوكوز الى جزيئين من حمض البيروفيك مع تكوين جزيئين من ATP وجزيئين NADH₂  فى سيتوبلازم الخلية  

2- ينتقل جزيئا حمض البيروفيك من سيتوبلازم الخلية الى الميتوكوندريا يعبر الغشائين  الخارجى والداخلى  ويتأكسد كل جزئ الى مجموعة أستيل CH₃CO- وجزئ CO2 ويتكون  جزيئين NADH₂     محملين بجزء من الطاقة وناقلين  للهيدروجين والإلكترونات

     3- تتحد كل مجموعة أستيل مع مركب يسمى مساعد الإنزيم Co-enzymeA (Co-A) ويمكن لمجموعات الأستيل الأخرى الناتجة من تكسير جزيئات الدهون أو الأحماض الأمينية أن تتحد مع (Co-A) وتواصل مسيرتها فى دورة كريبس

·                        ثانياً مرحلة التنفس Respiration

1- دورة كريبس The Krebs Sycle(أو دورة حمض الستريك )

وصفها السير هانز كريبس (أخذ جائزة نوبل 1953)

1-   يدخل جزئ الأستيل كو أنزيم أ الى دورة كريبس حيث ينفصل عنه مساعد الأنزيم أ الذى يكرر عملة فى دورة أخرى

2-    تتحد مجموعة الأستيل ثنائى الكربون مع مركب رباعى الكربون (حمض الأكسالوأسيتيك ) ليكون مركب سداسى الكربون هو حمض الستريك

3-   يتأكسد اثنان من المركبات الوسطية وينتج جزيئان من CO₂ 

4-   يدار حمض الأكسالوأسيتيك ليعمل دورة أخرى  فكل دورة تستخدم مجموعة أستيل وتعيد جزئ من حامض الأكسالوأسيتيك ليبدأ دورة أخرى من جديد .

5-   تستخدم الطاقة الناتجة من أكسدة ذرات الكربون فى تحويل

·       تحويل جزئ ADP الى ATP(جزئ واحد فى الدورة )=2جزئ ATP

·       وتحويل NAD⁺  الى NADH₂ (3 جزيئات فى الدورة)=6جزئ NADH₂

·       وتحويل FAD   الى FADH₂  (جزئ واحد فى الدورة)=2جزئ FADH₂ 

انشطار الجلوكوز

دورة كريبس

3C

كربوهيدرات جلوكوز

حمض بيروفيك

أسيتيل كو انزيم أCoA

أحماض أمينية

أحماض دهنية

4C

6C

6C

4C

دهون

2NADH2

2NADH2

NADH2

FADH2

2NADH2

2CO2

CoA

2C

2CO2

2ATP

2جزئ

بروتين

دورة كريبس

حمض ستريك

حمض أكسالوأسيتيك

مركبات وسطية

مركبات وسطية

مركبات وسطية

ADP

ATP

4C

التخمر ودورة كريبس

4C

 

لا     ملحوظة

              دورة كريبس لاتتطلب وجود أكسجين (علل؟)

لأن كل الألكترونات والبروتونات التى تزال فى أكسدة الكربون تستقبل بواسطة NAD⁺  و FAD (الأكسدة هى فقد الإلكترونات

2-نقل الإلكترون Electron Transport

 جزئ الجلوكوز قد تم تأكسده وقد إستخدمت بعض طاقته فى إنتاج ATP من ADP ومجموعة الفوسفات

·       ولكن أغلب الطاقة تبقى منتزعة من ذرات الكربون وتمر إلى حاملات الإلكترون والهيدروجين NAD+ وFAD  وهذه الإلكترونات مازالت عند مستوى عال من الطاقة

·       وفى المرحلة الأخيرة من التنفس  تمر هذه الإلكترونات ذات مستوى الطاقة العالى خطوة بخطوة حتى تصل الى مستوى الطاقة المنخفض للأكسجين  وتستغل الطاقة المنطلقة فى هذا المسار المنحدر للإلكترونات فى عملية فسفرة تأكسدية لتكوين جزيئاتATP  من جزيئات ADP وفى سلسلة نقل الإلكترونات ومعها البروتونات بواسطة عدة نواقل مثل NAD ,FAD  و السيتوكرومات والتى يحمل كل منها إلكترونين فى مستويات طاقة تقل تدريجياً

·       وفى النهاية يتحد كل إلكترونين مع بروتينين مع ذرة أكسجين لتكوين الماء               حسب المعادلة 2H⁺   +  2e^-  + 1/2  O₂                   H₂O            

2H                                                         2H+                                                                                      H2O                          2H   +         +  1/2O2 ماء                        منخفض الطاقة

حمض بيروفيك

أستيل كو أنزيم أ

دورة كريبس

2e

2e

NAD

FAD

ATP

ATP

ATP

سلسلة نقل الإلكترون

 

فى مرحلة انشطار الجلوكوز  ينتج 2جزئ   ATPو2جزئNADH₂

وعند تحول حمض البيروفيك (2جزئ) الى الأسيتيل  ينتج 2جزئ NADH₂

وخلال دورة كريبس (مرتين) 2جزئ ATP- 6جزئ  NADH₂ - و2جزئ FADH₂ 

وخلال سلسلة نقل الالكترون ينتج عن كل جزئ  NADH₂عدد 3جزيئات ATP=10×3=30جزئ ATP

     وينتج عن كل جزئ  FADH₂عدد 2جزئ ATP=2×2=4جزئ  ATP

الناتج الكلى ل ATP =2جزئ (من انشطار الجلوكوز) +30جزئ من (10جزيئات NADH2 ) +4جزئ من2 جزئ  FADH2)+2جزئ من دورتى كريبس

س فسر ينتج عن الأكسدة الهوائية الكاملة لجزئ واحد من الجلوكوز 38جزئ ATP  حسابياً(مايو 2003)

                   

التنفس الخلوى اللاهوائى

التنفس الهوائى هو السبيل الأساسى للحصول على الطاقة لمعظم الكائنات الحية فى وجود الأكسجين

·       ولكن فى غياب الأكسجين أو نقصة  يتنفس الكائن الحى (تنفس لاهوائى )أو التخمر الذى لايتطلب أكسجين  ولكن يتطلب مساعدة مجموعةمن الأنزيمات

·       تبدأ عملية التنفس اللاهوائى بأنشطار الجلوكوز(كما فى الهوائى) الى جزيئين من حمض البيروفيك وتنطلق طاقة ضئيلة   ويتحول حمض البيروفيك اما الى كحول ايثيلى او حمض لاكتيك حسب نوع الخلية   = ولابد من تحول جزئ حمض البيروفيك الى جزئ استيل كو أنزيم أ  كما يحدث فى التنفس الهوائى

(أ) فى الخميرة وبعض الكائنات الحية الأخرى(تخمر كحولى)

يتحول حمض البيروفيك الى كحول ايثيلى وثانى أكسيد كربون - حسب المعادلة  

C₆H₁₂O₆                 2C₂H₅OH + 2CO₂ + energy (210KJ) (2ATP)

× 2                                                             اختزال بالهيدروجين               التخمر فى العضلات وبعض انواع البكتريا                          التخمر فى الخميرة

جلوكوز C6H12O6

حمض بيروفيك       O     O          ║         ║ C H 3-C-  C-O H

حمض لاكتيك CH3  CHOH-COOH

كحول –ايثيلى  CH3  CH2OH

NADH2

2NADH2

NAD

2NADH2

NAD

NAD

2ADP

2ATP

 

)ب)فى العضلات وأنسجة الحيوانات التى تؤدى تدريبات شاقة أو عنيفة ويكون الأكسجين غير كاف للحصول على الطاقة الكبيرة التى تحتاجها الخلية  تلجأالخلية الى تحويل كمية من الجليكوجين (النشا الحيوانى ) الى جلوكوز  ثم تحولة الخلية الى حمض لاكتيك لتحصل على طاقة ضئيلة    -  حسب المعادلة الاتية :-

جلوكوز                                    حمض لاكتيك +طاقة ((2ATP

C₆H₁₂O₆                        2C₃H₆O   + energy (150KJ) (2ATP)

ملحوظة الطاقة المنطلقة فى التنفس اللاهوائى صغيرة((2ATP بينما فى التنفس الهوائى كبيرة((36ATP

تبادل الغازات فى الحيوان

·        فى الكائنات البسيطة (من خلية واحدة)  أو عدة خلايا معرضة للوسط التنفسى  فانها تحصل على أكسجين التنفس مباشرة

·       أما فى الحيوانات الكبيرة  فان خلاياة توجد فى أعماق الجسم  بعيدة عن الوسط التنفسى  مما يتطلب أن يتصل الدم بالوسط التنفسى حيث يأخذ منه الأكسجين ويخرج الية غاز CO₂ المنتج النهائى للتنفس الذى حصل علية من أنسجة الجسم فى جهاز يسمى الجهاز التنفسى

·       لاحظ هناك فرق التبادل

الغازى والتنفس الخلوى

 حيث تهدم الخلية جزيئات الطعام

 لتحصل منه على الطاقة التى

 يمكن لها أن تستخدم فى وظائفها

وأنشطتها الحيوية ولذلك يخرج 

غاز CO₂ والماء

التنفس فى الإنسان

الجهاز التنفسى فى الإنسان

1-  الأنف أو الفم يدخل الهواء  الجسم من الأنف أو الفم  ومن الأنف أفضل لأن الأنف ممر دافئ (مبطن بشعيرات دموية كثيرة) ورطب(لأفرازة المخاط) ومرشح (لاحتوائه على شعيرات ومخاط )

2-  البلعوم  مشترك لكل من الهواء والغذاء  

3-  الحنجرة   صندوق الصوت

4-  القصبة الهوائية  تحتوى جدرها على حلقات غضروفية تجعلها مفتوحة بأستمرار (علل؟) ومبطنة بأهداب تتحرك من أسفل لأعلى لتنقية الهواء وطرد الدقائق الغريبة الى البلعوم-وتتفرع القصبة الهوائية الى فرعين ويتفرع كل فرع الى أفرع أرفع (شعبيبات )وتنتهى بأكياس تسمى الحويصلات (600مليون) وجدرها الرقيقة أسطح تنفس فعلية لأنها محاطة بشبكة من الشعيرات الدموية

5-  الرئتين  تتشكل الرئة من مجموعة من الحويصلات الهوائية والشعيبات المتصلة بها  والشعيرات الدموية وهما رئتان يمن ويسرى

تهوية الرئتين (ميكانيكية التنفس فى الإنسان)

6-  يوجد بالجهاز التنفسى عضلة تنفسية تسمى الحجاب الحاجز  تسهم بصفة رئيسية فى آلية التنفس ووجود مجموعتين من العضلات الصدرية الداخلية والخارجية  تعملان على تحريك الضلوع

ملاحظات

·        بعد عملية الزفير يتبقى فى الرئتين جزء من الهواء بصفة مستمرة ويسهم هذا الهواء بدفئة فى تدفئة الهواء الجديد الداخل للرئتين بسرعة  ويحافظ على التصاق جدار الحويصلات

·       والرئتين تتميزان بأن لهما مسطح كبير يتم من خلالة تبادل الغازات

·       خلال كل دورة تنفسية (شهيق وزفير )لاتتجاوز تهوية الرئتين 10% فقط من السعة الكلية  وتتفاوت هذة النسبة زيادة ونقصاً حسب حالة الأنسان (راحة أو تعب ) ومدى عمق الشهيق .

·       من الطبيعى أن التغيرات فى معدل سرعة وعمق التنفس لابد أن يصاحبها تغيرات مماثلة فى معدل ضربات القلب (وينظم ذلك مركز التنفس فى النخاع المستطيل فى المخ)

·       للجهاز التنفسى دور هام فى اخراج بعض الماء مع هواء الزفير (فى صورة بخار ماء )  فالانسان يفقد يومياً 500سم³ من الماء خلال الرئتين من المجموع الكلى من الماء الذى يخرجة وهو حوالى 2500 سم³ ويتم هذا الفقد نتيجة تبخر الماء الذى يرطب جدر الحويصلات الهوائية واللازم لذوبان O₂ , CO₂  ليتم تبادل الغازات بين هواء الحويصلة الهوائية والدم المحيط بها فى الشعيرات الدموية .

التنفس فى النبات

·       يمتص النبات الطاقة الضوئية من الشمس ويحولها الى طاقة كيميائية فى عملية البناء الضوئى  تخزن فى صورة جزيئات عضوية معقدة غنية بالطاقة

·       (التنفس فى النبات ) ويقوم النبات بتحرير هذه الطاقة ليؤدى وظائفه الحيوية فى سلسلة من الخطوات لتفاعلات تتضمن تكسير روابط الكربون فى المادة العضوية

·       تنفس هوائى عن طريق الأكسدة  ( فى وجود الأكسجين بصفة أساسية )

·       تنفس لاهوائى فى غياب الأكسجين

التنفس الهوائى فى النبات

·       تتنفس غالبية النباتات تنفس هوائى أى أن خلاياها تحتاج الأكسجين لتحرير الطاقة من المادة الغذائية العضوية

·       كل خلية حية فى النباتات تكون على اتصال بالبيئة الخارجية مما يسهل كثيراً من إنجاز عملية تبادل الغازات فى التنفس 

·       أى أن غاز الأكسجين ينتشر داخل الخلية بينما ينتشر غاز CO₂ خارج الخلية

طرق دخول الأكسجين

فى النباتات الوعائية معقدة البناء يصل الأكسجين الى الخلايا بطرق مختلفة

1- فعند فتح ثغور الأوراق يدخل الهواء الى الغرف الهوائية ومنها الى الغرف الهوائية ومنها الى المسافات البينية

2-أو يذوب مع ماء التربة خلال ممرات اللحاء ويصل الى أنسجة الساق والجذر

3- خلال عديسات الساق أو آية تشققات فى القلف

4- الأكسجين الناتج من عملية البناء الضوئى

طرق خروج غاز CO2

1-فى النباتات البسيطة   ينتشر مباشرة من خلال الخلايا المعرضة للهواء أو التربة 

2-   فى النباتات الراقية ( الخلايا فى عمق النبات ) تمرر غاز CO2الى الثغر فالجو الخارجى  وجزء من غاز CO2 الناتج من التنفس يستخدم فى البناء الضوئى

·       أى أن تبادل الغازات (التنفس) يتم بطريقة مباشرة لأن أغلب الأنسجة الحية تكون على اتصال مباشر بالبيئة الخارجية  وبانتشار الغازات من والى خلايا العمق  وبكمية محدودة عن طريق الخشب واللحاء

تجربة لإيضاح انطلاق ثانى أكسيد الكربون خلال التنفس الهوائى

(أ)الأجزاء الغير خضراء (البذور)

 1- نضع محلول هيدروكسيد البوتاسيوم فى كأس  وندخل بذور جافة فى معوجة  ونغمر طرف ساقها فى محلول KOH

 2- نضع محلول ملح طعام فى كأس أخرى وندخل بذور منقوعة فى الماء (نابتة)  فى معوجة أخرى ونغمر طرفها فى محلول ملح الطعام NaCl  فى الكأس

3- نضع محلول هيدروكسيد البوتاسيوم

  KOH  فى كأس ثالثة  ونضع بذور

منقوعة فى الماء(نابتة) فى معوجة ثالثة ونغمر طرف المعوجة فى محلول  KOH  ونتركهما فترة من الوقت

المشاهدة :- لا يحدث تغير فى الأنبوبتين 1و2 . أما فى الأنبوبة 3 يرتفع محلول KOH   فى ساق المعوجة

النتيجة :- (الاستنتاج)

فى [1]البذور الجافة لا تتنفس بنشاط فلا يحدث تغير فى هذه الظروف

فى [2]البذور نابتة  وهى فى حالة نمو وإنبات يتطلب أن تتنفس بنشاط لتحصل على ما يلزمها من طاقة -   فتمتص الأكسجين من الهواء المحيط وينطلق CO₂ مقداره مساو للأكسجين الممتص بدليل عدم ظهور أي تغير فى حجم الهواء داخل المعوجة و CO₂لا يذوب فى محلول ملح الطعام (أى أن مكونات هواء  المعوجة تغيرت ولكن حجمة ثابت )

فى[3]البذور النابتة ينشط تنفسها وينطلق غاز CO₂  بمقدار مساو للأكسجين ولأن CO₂   يذوب فى محلول KOH   لذلك يندفع محلول KOH   فى ساق المعوجة

- أى ينطلق غاز ثانى أكسيد الكربون ( CO₂   ) من عملية التنفس [فى البذور ] غير الخضراء

وبمقارنة الحالات الثلاث نستنتج أن :-

1-   البذور الجافة لا ينشط تنفسها

2-   البذور النابتة نشطة التنفس ويبقى حجم الهواء ثابتاً لأن CO₂  الناتج = حجم O₂  الممتص

3-   تنفس البذور النابتة (أجزاء غير خضراء) ينطلق منها CO₂   

النبات الأخضر يتنفس           ماء الجير                                                   أصيص يتعكر ماء الجير                                                   ناقوس                                                                      لايتعكر                                                  زجاجى    كأس                                                         لوح                                                                زجاجى

 

(ب) الأجزاء النباتية الخضراء

CO2

تجربة 1- نأخذ نبات أخضر مزروع فى أصيص ونضعة على لوح زجاجى وبجواره كأس بة محلول ماء جير رائق وننكس فوقهما ناقوس زجاجى  ونغطية بقطعة قماش سوداء

2- نعد جهاز مماثل له ولكن الأصيص لايحتوى على نبات مزروع

3- نضع ماء جير رائق فى كأس بين الجهازين      - ونتركهما فترة من الزمن

المشاهدة :-  يتعكر ماء الجير فى [1]النبات تحت الناقوس فقط

الأستنتاج :-

فى [1]  النبات الأخضر المزروع فى الأصيص يتنفس ويخرج CO₂ الذى يعكر ماء الجير الرائق

 ملحوظة :- القماش الأسود يحجب الضوء عن النبات الأخضر فتتوقف عملية البناء الضوئي  التى تستهلك [ (CO₂ من هواء الناقوس أو الناتج من التنفس

فى [2]  ,[3] لايتعكر ماء الجير لصغر نسبة CO₂ فى  أو الهواء الجوى أو هواء الناقوس

·       أى أن النبات الأخضر يتنفس ويطرد CO₂

تجربة توضح عملية التخمر الكحولى 

تصاعد CO2                 كأس                          محلول سكرى ماء                             مضاف الية جير                               خميرة

1- نأخذ دورق مخروطى الشكل نضع به محلول من السكر أو[العسل لأسود المخفف بضعف حجمه ماء ]

2- نضيف قدراً من الخميرة ونمزجها بالمحلول

4-   نسد الدورق بسدادة من الفلين ينفذ منها أنبوبة توصيل نغمر طرفها فى كأس به ماء جير 

- ونترك الجهاز فى مكان دافئ عدة ساعات

المشاهدة  تصاعد فقاعات غازية  وتعكر ماء الجير

الأستنتاج  _#  تعكر ماء الجير يدل على تصاعد غاز CO₂ من تنفس الخميرة

_# تغير رائحة الدورق  الى رائحة الكحول دليل على تنفس الخميرة

أنواع التخمر:- 1-   تخمر كحولى (فى الخميرة) ينتج كحول 2-   تخمر حمضى (فى بعض أنواع البكتريا ) ينتج حمض بدلا من الكحول                 ويستخدم  فى صناعة الآلبان مثل الجبن والزبد والزبادى -=-بذور النباتات البذرية لها القدرة على التنفس الاهوائى اذا وضعت فى ظروف لاهوائية

 

my web sits www galifaz.jeeran.com www.alifazology.jeeran.com My Emials:- alifazology@yahoo.com alifazology@gawab.comalifazology@hotmail.com