يقوم الكائن الحي بتحرير الطاقة من المركبات عالية الطاقة (السكريات) التي كونها النبات في عملية
:العملية التي تستخلص بها خلايا الكائن الحي الطاقة اللازمة لنشاطها من الطاقة المخزنة في الروابط الكيميائية لجزيئات الطعام التي يصنعها النبات أو يتناولها الحيوان .
- يعبر عن الغذاء المهضوم بجزء جلوكوز حيث تستخدمه أغلب خلايا الكائنات الحية لإنتاج الطاقة أكثر
- الطاقة المنطلقة من تكسير الروابط الكيميائية في جزئ الجلوكوز يخزن في مركبات خاصة تسمى
- خطوات دورة كربس وسلسلة نقل الالكترونات تحدث في الميتوكوندريا حيث توجد إنزيمات تنفس -
ماء - فوسفات - إنزيمات مساعدة - جزيئات حاملات الالكترونات ( السيتوكرومات ) التي تحمل
ب- ينشطر جزئ الجلوكوز ( 6 كربون ) إلى 2 جزئ من حمض البيروفيك ( 3 كربون ) وتتم هذه المرحلة كالأتي:
1- يتحول الجلوكوز إلى جلوكوز 6- فوسفات ثم فركتوز 6- فوسفات ثم فركتوز 1-6 فوسفات الذي يكون 2 جزئ فسفوجليسرالدهيدPGAL
- ينتج عن ذلك 4 ATP ( استهلك منها 2 ATP في التفاعلات السابقة ) ويتم اختزال 2NAD+ إلىNADH 2
- الطاقة الناتجة ( 2ATP ) غير كافية لأداء الوظائف الحيوية في الكائنات الحية, لذلك يدخل حمض
البيروفيك إلى الميتوكوندريا في وجود الأكسجين لإنتاج أكبر كمية من الطاقة تكفي لأداء جميع
- يمكن أن تنتج مجموعات أستيل من تكسير الأحماض الدهنية والأحماض الأمينية وتتحد مع مساعد
3- يمر حمض الستريك بعدد من المركبات الوسطية هي حمض كيتوجلوتاريك ثم حمض ساكسينك ثم
حمض ماليك لتنتهي التفاعلات بحمض اكسالوأستيك الذي يرتبط مع مجموعة أستيل جديدة مكونا
هي المرحلة الأخيرة من التنفس الهوائي , تتم مع نهاية دورة كربس حيث يمر الهيدروجين والالكترونات
- تمر الالكترونات من سيتوكروم إلى سيتوكروم أخر ويصاحب ذلك انطلاق طاقة تخزن في مركبات
تكوين جزيئات ATP من جزيئات ADP وذلك بتخزين الطاقة الناتجة من حركة الالكترونات على مستويات الطاقة المتدرجة للسيتوكرومات
- وبناء على ذلك يمكننا حساب عدد جزيئات ATP الناتجة من أكسدة جزئ واحد من الجلوكوز في عملية التنفس
الهوائي كالأتي:
1- ينتج 4 ATP أثناء تحول 2 جزئ فوسفوجليسرالدهيد إلى 2 جزئ حمض البيروفيك ( يستهلك منها 2 ATP أثناء انشطار الجلوكوز إلى 2 جزئ
فوسفوجليسرالدهيد ويبقى 2 ATP )
2- ينتج أثناء مرحلة انشطار الجلوكوز 2 NADH التي ينتج عنها في سلسلة نقل الإلكترون6 ATP
3- ينتج 2 NADH أثناء أكسدة 2 جزئ حمض البيروفيك
إلى 2 جزئ أستيل والتي ينتج عنها في سلسلة نقل
الإلكترون6 ATP
* يصبح عدد جزيئات ATP =
14 في المرحلة ما قبل دورة كربس 4- ينتج أثناء دورة كربس ( التي تتكرر مرتين ) 2 ATP
- 6 NADH (ينتج عنها في سلسلة نقل الإلكترون 18 ATP)
-FADH2 2 (ينتج عنها في سلسلة نقل الإلكترون4 ATP)
يصبح عدد جزيئات ATP = 24 في مرحلة دورة كربس وبذلك تصبح الطاقة المنطلقة من أكسدة جزئ جلوكوز واحد بالتنفس الهوائي = 38 ATP * التنفس اللاهوائي *
التخمر: تنفس بعض الكائنات الحية مثل البكتيريا والخميرة تنفسا لاهوائيا وذلك في حالة نقص أو انعدام الأكسجين .
- عملية التخمر لا تحتاج أكسجين ولكنها تتم في وجود مجموعة من الأنزيمات
1- تمر عملية التنفس اللاهوائي بنفس المراحل الأولى من التنفس الهوائي حيث يحدث انشطار الجلوكوز وتكوين 2 جزئ حمض بيروفيك ، وينتج عن ذلك 2 ATP ( يعاد استهلاك 2 NADH الناتجة أثناء انشطار الجلوكوز في التحولات التالية )
2- يتحدد تحول حمض البيروفيك في التنفس اللاهوائي حسب :
نوع الخلية : أ- في الخلايا الحيوانية ( مثل خلايا العضلات ) تلجأ إلى التنفس اللاهوائي عند نقص O2
- يتحول حمض البيروفيك إلى حمض اللاكتيك الذي يتراكم في العضلات مسببا التعب العضلي
- إذا توافر الأكسجين بعد ذلك فان حمض اللاكتيك يتحول إلى حمض البيروفيك مرة أخرى ثم أستيل
CO – A ليدخل في دورة كربس ويتغير التنفس اللاهوائي إلى التنفس الهوائي
ب- في بعض أنواع من البكتيريا يتحول حمض البيروفيك إلى حمض اللاكتيك (مثل بكتيريا الزبادي) يعرف ذلك بالتخمر الحمضي
ج- في فطر الخميرة وبعض أنسجة النباتات يتحول حمض البيروفيك إلى كحول ايثيلي وينطلقCO2
يعرف ذلك بالتخمر الكحولي .
* التخمر الحمضي : - يحدث في بعض العضلات وبعض أنواع من البكتيريا
- يتحول حمض البيروفيك إلى 2 حمض اللاكتيك و2 ATP
- تعتمد عليه صناعة الزبادي والجبن والزبد .
* التخمر الكحولي : - يحدث في فطر الخميرة وبعض أنسجة النباتات
- يتحول حمض البيروفيك إلى 2 كحول ايثيلي و CO2 2 و 2 ATP
- تعتمد عليه صناعة الكحول .
التنفس في الإنسان
الجهاز التنفسي : يتكون من :
-
الأنف : مبطن بشعيرات دموية كثيرة وشعيرات ويفرز مخاط
-
البلعوم : طريق مشترك لكل من الهواء والماء
-
القصبة الهوائية : مزودة بحلقات غضروفية وتبدأ بالحنجرة ( صندوق الصوت )
-
الشعبتين الهوائيتين : تدخل كل شعبة في رئة وتتفرع بداخلها إلى شعيبات تنتهي بتفرعات دقيقة
تتصل بأكياس تسمى الحويصلات الهوائية
-
الرئتين : تحتوي على الحويصلات الهوائية التي يصل عددها في كل رئة حوالي 600 مليون حويصلة وجدرها رقيقة تحيط بها شعيرات دموية كثيفة ) .
الملائمة الوظيفية للجهاز التنفسي : 1- يحتوي الأنف على شعيرات دموية كثيرة (
لتدفئة الهواء الداخل إلى الرئتين ) ومخاط (
يرطب الأنف ) وشعيرات (
تعمل على ترشيح الهواء من الأتربة )
2- تحتوي القصبة الهوائية على حلقات غضروفية (
تجعلها مفتوحة باستمرار ) وتبطن من الداخل بأهداب تتحرك من أسفل إلى أعلى (
لطرد الأجسام الغريبة التي تدخل مع الهواء ).
3- جدر الحويصلات الهوائية رقيقة ومحاطة بشبكة كثيفة من الشعيرات الدموية (
حتى يتم تبادل الغازات ويحصل الدم على الأكسجين من الحويصلات الهوائية ) لذا تعتبر جدر الحويصلات الهوائية أسطح تنفسية فعلية .
ميكانيكية التنفس في الإنسان:
تعمل عضلة الحجاب الحاجز والعضلات الصدرية الداخلية والخارجية على إتمام عملية التنفس
* عملية الشهيق : 1- تنقبض العضلات بين الضلوع فترتفع الضلوع إلى أعلى
2- تنقبض عضلة الحجاب الحاجز فيهبط الحجاب الحاجز إلى أسفل
3- يزيد اتساع التجويف الصدري ويقل ضغط الهواء داخل الرئتين
4- يندفع الهواء إلى داخل الرئتين مارا بالأنف ثم القصبة الهوائية .
* عملية الزفير : 1- تنبسط العضلات بين الضلوع فتهبط الضلوع إلى أسفل
2- تنبسط عضلة الحجاب الحاجز فيرتفع الحجاب الحاجز إلى أعلى
3- يقل اتساع التجويف الصدري ويزيد ضغط الهواء داخل الرئتين
4- يندفع الهواء إلى خارج الرئتين مارا بالقصبة الهوائية ثم الأنف .
- في كل دورة تنفسية (شهيق وزفير) يتم تهوية 10% فقط من السعة الكلية للرئتين وتتفاوت هذه النسبة حسب حالة الجسم فهي تزيد في حالة بذل المجهود وتقل أثناء الراحة .
- بعد إتمام الزفير يتخلف جزء من الهواء يسهم في : 1- تدفئة الهواء الجديد الداخل إلى الرئتين
2- يحافظ على عدم التصاق جدر الحويصلات الهوائية
- التغير في معدل التنفس من حيث السرعة أو عمق التنفس يصاحبه تغيرات مماثلة في معدل ضربات القلب
- يقوم مركز التنفس الموجود في النخاع المستطيل بالمخ بتنظيم معدل التنفس
- يلعب الجهاز التنفسي دورا هاما في إخراج بعض الماء ( على صورة بخار ) مع هواء الزفير حيث يفقد الإنسان حوالي 500 سم3 من الماء يوميا عن طريق الرئتين وهذا يمثل 20% من الماء الذي يخرجه الإنسان في اليوم ( يخرج الإنسان حوالي 2500 سم 3من الماء يوميا )
- يعمل بخار الماء الخارج مع هواء الزفير على:
1- ترطيب جدر الحويصلات الهوائية
2- سهولة إتمام عملية تبادل الغازات بين هواء الحويصلات والدم المار في الشعيرات الدموية المحيطة بها حيث تكون هذه الغازات ذائبة في بخار الماء .
التنفس في النبات : يخزن النبات الطاقة في جزيئات عضوية (جلوكوز) الذي يكونه بعملية البناءالضوئي ، وعند احتياج النبات لقدر من هذه الطاقة يقوم بتحريرها ببطء من تكسير روابط الكربون في المادة العضوية في سلسلة من التفاعلات .
أنواع التنفس في النبات : 1- تنفس هوائي ( يتم في وجود الأكسجين )
2- تنفس لاهوائي ( يتم في غياب الأكسجين ).
التنفس في النبات يتم بصورة مباشرة : - في كثير من النباتات البسيطة ينتشر O2 إلى داخل الخلايا وينتشر CO2 إلى خارجها
- في النباتات الوعائية يصل الأكسجين إلى الخلايا من خلال طرق مختلفة مثل :
1-
ثغور الأوراق : يدخل الهواء إلى الغرف الهوائية وينتقل إلى المسافات البينية ثم ينتشر خلال أسطح الخلايا ويذوب في ماء الخلية
2-
أنابيب اللحاء : يمر من خلالها الأكسجين والماء ويصل إلى أنسجة الساق والجذر
3-
الجذور : تمتص الشعيرات الجذرية الأكسجين ذائبا في ماء التربة
4-
التشققات والعديسات : الموجودة في قلف الأشجار الخشبية – يدخل منها الهواء
- يتخلص النبات من CO2 الناتج من التنفس بالانتشار المباشر من الخلايا المعرضة مباشرة للهواء
- أما الخلايا البعيدة فتمرر CO2 إلى الخشب أو اللحاء ثم إلى الثغور ثم إلى الخارج .
علاقة البناء الضوئي بالتنفس في النبات : - الأكسجين الناتج من عملية البناء الضوئي في البلاستيدة يستخدمه النبات في تحرير الطاقة من المواد العضوية أثناء عملية التنفس في الميتوكوندريا
- ثاني أكسيد الكربون الناتج من عملية التنفس يستخدمه النبات في عملية البناء الضوئي
- أي أن ما يتم في البلاستيدة ينعكس في الميتوكوندريا
تجربة لإيضاح انطلاق CO2 خلال التنفس الهوائي : أ- تنفس الأجزاء غير الخضراء (
البذور ) :
الخطوات :
1- نجهز ثلاث معوجات ونضع في الأولى بذور بسلة جافة ونضع في الثانية والثالثة بذور نابتة
2- نغمر طرف ساق المعوجة الأولى والثالثة في محلول KOH والثانية في محلول NaCl
3- نترك المعوجات الثلاث لفترة من الوقت .
الملاحظة : - لا يحدث شئ في حالة المعوجة الأولى والثانية بينما يرتفع محلول KOH في ساق المعوجة الثالثة .
الاستنتاج : 1- البذور الجافة لا تتنفس بنشاط لذا لا يحدث تغير في التجربة
2- البذور النابتة تحتاج إلى طاقة لذا تتنفس بنشاط لتحصل على ما يلزمها من طاقة
- البذور في المعوجة الثانية تستهلك O2 الموجود في المعوجة وتطلق CO2 ولا يحدث تغير في التجربة لأن كمية O2 الممتصة = كمية CO2 المنطلقة من تنفس البذور
- لذا يظل حجم الهواء ثابت في المعوجة على الرغم من تغير نسب مكوناته من الغازات
3- ارتفاع KOH في ساق المعوجة الثالثة يرجع إلى ذوبان CO2 في محلول KOH لذا يقل حجم الهواء في المعوجة فيرتفع المحلول في ساق المعوجة مما يؤكد تنفس البذور وانطلاق CO2 .
يمكن أن تتنفس البذور لا هوائيا إذا وضعت في ظروف لاهوائية (غياب الأكسجين) ب- تنفس الأجزاء النباتية الخضراء : الخطوات: 1- نضع نبات أخضر مزروع في أصيص أسفل ناقوس زجاجي ونضع أيضا معه كأسا يحتوي ماء جير رائق
2- نغطي الناقوس الزجاجي بقطعة قماش سوداء
3- نضع أصيص خالي من النبات ومعه كأس به ماء جير وننكس فوقهما ناقوس زجاجي مغطى بقماش أسود أيضا
4- نضع كأسا به ماء جير رائق في الهواء
5- نترك هذه الأجهزة فترة من الوقت .
الملاحظة : يتعكر ماء الجير في الكأس الموجودة بجوار النبات أسفل الناقوس ولا يتعكر ماء الجير الموجود في الكأسين الآخرين ( أو يكون التعكير بسيط ) .
الاستنتاج : - النبات المزروع في الأصيص تنفس وأخرج CO2 الذي عكر ماء الجير - سبب تغطية الناقوس بقماش أسود حتى لا يقوم النبات بعملية البناء الضوئي ويستهلك CO2 الناتج من التنفس
- سبب عدم تعكر ماء الجير في الكأسين الآخرين يرجع إلى ضآلة نسبة CO2 سواء في الهواء الجوي أو في هواء الناقوس
- نستنتج من ذلك أن النبات الأخضر يتنفس وينطلق عن ذلك CO2 .
ج- تجربة توضح عملية التخمر الكحولي ( التنفس اللاهوائي ) الخطوات : 1- نضع محلول سكري من العسل الأسود المخفف بضعف حجمه من الماء في دورق ونضيف إليه قدر من الخميرة ( من الفطريات )
2- نسد الدورق بسدادة تنفذ منها أنبوبة توصيل نغمر طرفها في كأس به ماء جير
3- نترك الجهاز عدة ساعات في مكان دافئ .
الملاحظة : تتصاعد فقاعات تعكر ماء الجير ونشم رائحة من محتويات الدورق .
الاستنتاج : - تعكر ماء الجير دليل على تصاعد غاز CO2 ( ينتج من تنفس فطر الخميرة )
- الرائحة التي نشمها هي رائحة الكحول ( ينتج من تنفس فطر الخميرة )
- نستنتج من ذلك أن فطر الخميرة يتنفس لا هوائيا ونتيجة هذا التنفس تصاعد غاز CO2 وتكون الكحول الايثيلي لذا يطلق على هذا النوع من التنفس اسم ( التخمر الكحولي )
.
يتبع بمجموعة من الأسئلة العامة على الفصل