الفصل الثالث

الفصل الثالث
التنــفـــــس فى الكائنات الحية

مفهوم التنفس الخلوي
· 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 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 تقدر 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 +38 ATP

- وتتم أكسدة الجلوكوز على ثلاث مراحل

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

2-مرحلة التنفسRespirationتتم فى الأجسام السبحية ( الميتوكوندريا) Mitochondria

3-نقل الإلكترون Electron Transport

تركيب الميتوكوندريا (الأجسام السبحية)

· ويوجد بين الرفوف محلول مكثف من مادة الأساس Matrix التى تحتوى على أنزيمات وأنزيمات مساعدة وماء

وفوسفات وجزيئات حاملات الالكترونات أو السيتوكرومات التى تحمل الالكترونات على مستويات الطاقة المختلفة حيث تزال ذرات الهيدروجين أثناء التفاعل لتمر الى مساعد الإنزيم Co-Enzymes التى تعمل كحاملات إلكترون وأولها NAD+ الذى يختزل الى NADH2 والثانى FAD الذى يختزل الى FADH2

رسم تخطيطى لخطوات أنشطار الجلوكوز

جلوكوز( 6C )

جلوكوز-6-فوسفات

فركتوز-6-فوسفات

فركتوز-6,1-ثنائى فوسفات

2-فوسفوجليسرالدهيد

(PGAL)

2-حمض البيروفيك

دورة كريبس

( 6C )

( 6C )

( 6C )

( 3C )

( 3C )

2كحول ايثيلى +2CO2

2حمض بيروفيك

ATP

ADP

ATP

ADP

4ADP

4ATP

2NAD+

2NADH

تنفس هوائى

تنفس

لا هوائى

NADH+H H2 + NAD+

FADH2 H2 FAD+

أ-مرحلة أنشطار الجلوكوز Glycolysis

تتم فى حالتى التنفس الهوائى واللاهوائى لإنتاج الطاقة

1- ينشطر جزئ الجلوكوز الى جزيئين من حمض البيروفيك (ثلاثى الكربون )- ماراً بمجموعة من التفاعلات يتحول فيها الجلوكوز الى جلوكوز –6 فوسفات ثم فركتوز 1,6 ثنائى فوسفات الذى يكون جزيئين فوسفوجليسرالدهيد (PGAL)

ليتأكسد الى جزيئين حمض بيروفيك – ويختزل جزيئين من مساعد الإنزيم NAD+ الذى NADH وينتج جزيئين منATP

تنفس لاهوائى

وهذه التفاعلات تحدث فى غياب الأكسجين لذلك تعرف بالأكسدة اللاهوائية

انزيمات تنفس

C6H12O6+6O2 2C3 H4O3 +2 ATP



والطاقة الناتجة غير كافية لأداء الوظائف الحيوية فى الكائنات الحية ولذلك يدخل حمض البيروفيك الى الميتوكوندريا فى وجود الأكسجين لإنتاج طاقة اكبر ويتم ذلك فى خطوتين هما دورة كريبس وسلسلة نقل الإلكترون

ب- دورة كريبس The Krebs Cycle(أو دورة حمض الستريك )

وصفها السير هانز كريبس عام 1937(وأخذ جائزة نوبل 1953) وخطواتها :-

1- يتحول كل جزئ من حمض البيروفيك فى وجود مساعد الأنزيم أ(co.A) الى أستيل مساعد الأنزيم أ Acetyl co.A ينتج عن ذلك جزيئين NADH وجزيئين CO2

- يمكن لمجموعة الأستيل الأخرى الناتجة من تكسير جزيئات الدهون والأحماض الأمينية أن تتحد مع مساعد الإنزيم (أ)لتلحق بدورة كريبس

2- يدخل جزئ أستيل مساعد الإنزيم (أ) الى دورة كريبس حيث ينفصل عنه مساعد الإنزيم (أ) ليكرر عمله فى دورة أخرى بينما تتحد مجموعة الأستيل ثنائى الكربون (2C) مع مركب رباعى الكربون (4C) (حمض الإكسالو أسيتيك لينتج مركب سداسى الكربون (6C) حمض الستريك والذى يمر بثلاث مركبات وسطية تبدأ بحمض الكيتوجلوتاريك ثم حمض الساكسينك ثم حمض الماليك لتنتهى التفاعلات بحمض الستريك مرة أخرى (لذلك تسمى دورة حمض الستريك)

3- يتحرر أثناء الدورة جزيئان من CO2 وجزئ ATP وينتج ثلاث جزيئات من NADH وجزئ واحد FADH2 وذلك فى كل دورة (تتكرر الدورة مرتين لكل جزئ من مجموعة الأستيل )

4- دورة كريبس لا تتطلب وجود أكسجين (علل؟)لأن كل الألكترونات والبروتونات التى تزال فى أكسدة الكربون تستقبل بواسطة NAD+ و FAD (الأكسدة هى فقد الإلكترونات)













دورة كريبس




دورة كريبس
رسم تخطيطى يوضح دورة كريبس

جلوكوز6c))

2جزئ حمض بيروفيك (2C)



2جزئ أسيتيل مساعد إنزيم(أ)

(2C)

أحماض أمينية

أحماض دهنية

دهون
CO2

بروتين
2NAD+

2NADH



انشطارالجلوكوز

2ADP

2ATP



2NAD+

2NADH



CO2

CoA

حمض ستريك 6C



حمض أكسالوأسيتيك 4C



حمض الماليك4C



كيتوجلوتاريك6C



حمض الساكسينك4C



CO2

NADH NAD+





2FADH2

2FAD



2NAD+

2NADH



ADP

ATP
جـ-نقل الإلكترون Electron Transport

1-يمر الهيدروجين والالكترونات العالية الطاقة والمحمولة على NADH , FADH2 خلال تتابع من مساعدات الأنزيمات فى الغشاء الداخلى للميتوكوندريا (تسمى السيتوكرومات) أو حاملات الالكترونات وتحمل الالكترونات على مستويات طاقة مختلفة وبمرور الالكترونات من جزئ لآخر من السيتوكرومات تنطلق طاقة لتكون جزيئات ATP من جزيئات ADP وتعرف بالفسفرة التأكسدية

2- يعتبر الأكسجين هو المستقبل الأخير فى سلسلة نقل الالكترونات حيث يتحد كل إلكترونين مع بروتينين مع ذرة أكسجين لتكوين الماء حسب المعادلة

2H+ + 2e- + 1/2 O2 H2O

فى سلسلة نقل الالكترونات يعطى كل جزئ من NADH ثلاث جزيئات ATP بينما يعطى جزئ FADH2 جزيئين من

3- أى أن تأكسد جزئ واحد من الجلوكوز فى وجود الأكسجين فى عملية التنفس الهوائى ينتج عنه 38 جزئ ATP منهما جزيئان فى السيتوبلازم (أثناء أنشطار الجلوكوز) و36 جزئ فى الميتوكوندريا (فى مرحلة التنفس

2H









ماء H2 O 1/2O2 + 2H+

منخفض الطاقة

2e

2e

NAD

FAD

ATP

ATP

ATP

سلسلة نقل الإلكترون

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

حاملات الالكترونات

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 NADH2 3جزيئات ATP=10×3=30جزئ ATP

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

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

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 مجموعة من الأنزيمات

· تبدأ عملية التنفس اللاهوائى بأنشطار الجلوكوز(كما فى الهوائى) الى جزيئين من حمض البيروفيك وتنطلق طاقة ضئيلة2جزئ ATP و2جزئ NADH 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 النباتات (تخمر كحولى) ويستخدم فى الصناعة

يتحول حمض البيروفيك الى كحول ايثيلى وثانى أكسيد كربون -

ب)فى العضلات وأنسجة الحيوانات تحوله الخلية الى حمض لاكتيك على طاقة ضئيلة ويسمى التعب العضلى

· إذا توافر الأكسجين يتحول حمض اللاكتيك الى حمض بيروفيك مرة أخرى ثم أستيل مساعد إنزيم أ

· وفى حالة البكتريا يتحول حمض بيروفيك الى حمض اللاكتيك فى عدم وجود الأكسجين















O2



O2



فى قلة أو عدم وجود الأكسجين



















جلوكوز

6

2جزئ حمض بيروفيك



2جزئ حمض لاكتيك

العضلات و البكتريا

كحول إيثيلى

الخميرة وأنسجة النبات



2ATP

أنشطار الجلوكوز



أكسدة تنفسية (هوائية)

التخمر



مخطط التنفس اللاهوائى

تبادل الغازات فى الحيوان

الجهاز التنفسى 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(علل؟) لتنقية الهواء وطرد الدقائق الغريبة الى البلعوم- وتتفرع القصبة الهوائية الى فرعين ويتفرع كل فرع الى أفرع أرفع (شعيبات) وتنتهى بأكياس تسمى الحويصلات (600مليون) وجدرها الرقيقة أسطح تنفس فعلية لأنها محاطة بشبكة من الشعيرات الدموية التى يلتقط دمها الأكسجين من هواء الحويصلات الهوائية وما يتصل بها من شعيبات

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

(ميكانيكية التنفس فى الإنسان)

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

الشهيق
الزفير

· تنقبض العضلات بين الضلوع

· ترتفع الضلوع لأعلى

· تنقبض عضلة الحجاب الحاجز

· يتسع حجم التجويف الصدرى

· يقل الضغط داخل الرئتين

· يدخل الهواء الى داخل الرئتين
· تنبسط العضلات بين الضلوع

· تهبط الضلوع لأسفل

· ترتخى عضلة الحجاب الحاجز

· يقل حجم التجويف الصدرى

· يزداد الضغط داخل الرئتين

· يخرج الهواء خارج الرئتين


















































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

· 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 (الجلوكوز) 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)

· تنفس لاهوائى فى غياب الأكسجين

التنفس الهوائى فى النبات

· 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

· ضوء







CO2+ H2O O2











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

علاقة البناء الضوئى فى النبات بالتنفس

ما يتم فى البلاستيدة ينعكس فى الميتوكوندريا لتحرير الطاقة بالتنفس

ATP

دور البناء الضوئى والتنفس الخلوى







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 فى الكأس

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

ونترك المعوجات الثلاثة 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 به 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

الاستنتاج :-

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 الألبان مثل الجبن والزبد والزبادى

-=-بذور النباتات البذرية لها القدرة على التنفس اللاهوائى اذا وضعت فى ظروف لا هوائية