العلوم الحياتية فصل أول

التفاعلات الكيميائية في الخلية

C h e m i c a l  R e a c t i o n s  i n  t h e  C e l l

عمليات الأيض Metabolism

 

- تحدث داخل خلايا الكائن الحيِّ آلاف التفاعلات الكيميائية التي تُعرَف بعمليات الأيض Metabolism ، وتتضمَّن عمليات البناء Anabolism ؛ وعمليات الهدم Catabolism.

عمليات البناء: هي مجموعة التفاعلات الكيميائية التي تُبْنى فيها جزيئات كبيرة ومُعقَّدة من جزيئات بسيطة، مثل عملية البناء الضوئي.

عمليات الهدم: هي مجموعة التفاعلات الكيميائية التي تُُحطَّم فيها بعض الجزيئات الكبيرة إلى جزيئات أبسط؛ لإنتاج الطاقة الكيميائية المُخزَّنة في روابطها، مثل عملية التنفُّس الخلوي،

  

التنفُّس الخلوي Cellular Respiration

تحدث في عملية التنفُّس الخلوي سلسلة من التفاعلات، تشمل تحطيم المُركَّبات العضوية (مثل الغلوكوز) داخل الخلايا لإنتاج الطاقة. وتحدث معظم تفاعلات التنفُّس الخلوي في الخلايا حقيقية النوى في الميتوكندريا.

أ- مرحلة التحلُّل الغلايكولي (السُّكَّري) في السيتوسول.

التحلُّل الغلايكولي Glycolysis : هو سلسلة من التفاعلات الكيميائية. تحدث في السيتوسول. ولا تحتاج إلى أكسجين، يتحطَّم فيها كل جزيء غلوكوز إلى جزيئين من البيروفيت ثلاثي الكربون.  ويختزَل جزيئا ⁺ NAD إلى جزيئي NADH ، وينتج جزيئا ATP. .

 

ب - ومرحلة التنفُّس الهوائي في الميتوكندريا.

- عند توافر الأكسجين، فإنَّ جزيئي البيروفيت ينتقلان إلى حشوة الميتوكندريا. وتشتمل عملية التنفُّس الهوائي على ثلاث خطوات، هي:

 أكسدة البيروفيت إلى أستيل مُرافِق إنزيم – أ.

 حلقة كربس.

 الفسفرة التأكسدية.

 

التنفُّس اللاهوائي والتخمُّر Anaerobic Respiration and Fermentation

تعمل بعض الخلايا على أكسدة المواد العضوية وإنتاج الطاقة  ATP، من دون استخدام الأكسجين، عن طريق التنفُّس اللاهوائي، والتخمُّر.

تحدث عمليتا التنفُّس اللاهوائي والتخمُّر في السيتوسول.

التخمُّر Fermentation.

- تحدث عملية التخمُّر Fermentation في السيتوسول عند عدم توافر كمِّيات كافية من الأكسجين. وتبدأ بالتحلُّل الغلايكولي، ثم تنتقل الإلكترونات من NADH إلى البيروفيت (أو أحد مشتقاته) بوصفه مُستقبِلا نهائيًّا للإلكترونات؛ ليعاد استخدام + NAD في التحلُّل الغلايكولي.
 توجد أنواع عِدَّة من التخمُّر تُصنَّف بناءً عى الناتج النهائي من العملية، مثل: تخمُّر حمض اللاكتيك، والتخمُّر الكحولي.

 

 

وجه المقارنة	التخمَّر في الخميرة (التخمُّر الكحولي)	التخمر في إحدى الخلايا العضلية (تخمُّر حمض اللاكتيك)
أوجه التشابه	يحدث فيها التحلل الغلايكولي، وينتج جزيئان من البيروفيت.  ينتج جزيئان ATP	يحدث فيها التحلل الغلايكولي،وينتج جزيئان من البيروفيت .  ينتج جزيئان ATP.
أوجه الاختلاف	يتحول كل جزيء بيروفيت إلى مركب ثنائي الكربون يسمى أسيتالدهيد. ويُختزَل أسيتالدهيد إلى كحول إيثيلي .	يتحول كل جزيء بيروفيت إلى حمض اللاكتيك الذي يتأيَّن في الجسم إلى لاكتيت .
	ينتج:  جزيئان كحول إيثيلي وجزيئان CO2	ينتج:  جزيئان من حمض اللاكتيك .

 

البناء الضوئي Photosynthesis

- تحدث في عملية البناء الضوئي سلسلة من التفاعلات، تشمل امتصاص الطاقة الضوئية، ثم تحويلها إلى طاقة كيميائية تختزَن في المُركَّبات العضوية. وتحدث العملية  في البلاستيدات الخضراء؛ وهي عُضَيّات تحوي غشاءين (داخلي، وخارجي) يحيطان بالثايلاكويدات Thylakoids. وهي مجموعة من الأكياس الغشائية عى هيئة أقراص يترتَّب بعضها فوق بعض، وتُسمّى الغرانا (Grana)مفردها غرانم Granum))، وتمتلئ الفراغات المحيطة بها بسائل كثيف يُسمّى اللُّحْمة  Stroma

النظامان الضوئيان الأوَّل والثاني Photosystems: I and II

تحتوي أغشية الثايلاكويدات على نظامين ضوئيين ،Photosystems هما: النظام الضوئي الأوَّل PS I ، والنظام الضوئي الثاني PS II.

يتكوّن النظام الضوئي من   معقّد مركز تفاعل Reaction Center Complex  يحتوي على زوج خاص من الكلوروفيل (أ)، ويحاط معقّد مركز التفاعل بأصباغ أُخرى، مثل: الكلوروفيل (ب)، والكاروتين،  ومُستقبِل إلكترون أوَّلي Primary Electron Acceptor.

يُعرَف النظام الضوئي الأوَّل بِ P700 ؛ لأنَّ الكلوروفيل أ في معقّد مركز التفاعل يمتص الضوء الذي طوله الموجي 700 نانومتر بأقصى فاعلية.

 أمّا النظام الضوئي الثاني فيُعرَف بِ P680 ؛ لأنَّ الكلوروفيل أ يمتص الضوء الذي طوله الموجي 680 نانومترًا بأقصى فاعلية.

مراحل عملية البناء الضوئي

 التفاعلات الضوئية Light Reactions

 تُصنَّف التفاعلات الضوئية إلى مسارين، هما:

أ- مسار التفاعلات الضوئية اللاحلقية Non Cyclic Light Reactions Pathway

ب- مسار التفاعلات الضوئية الحلقية Cyclic Light Reactions Pathway

حلقة كالفن Calvin Cycle

 تحدث تفاعلات حلقة كالفن في اللُّحْمة؛ إذ تحتوي اللُّحْمة على المواد والإنزيمات اللازمة لحدوثها، وتمثل هذه المرحلة مرحلة التصنيع التي تُستخدَم فيها نواتج التفاعلات الضوئية ATP و NADPH لإنتاج مُركَّبات عضوية حيث تمرُّ تفاعلات حلقة كالفن بثلاث مراحل:

 مرحلة تثبيت الكربون.

 ومرحلة الاختزال.

 ومرحلة إعادة تكوين مُستقبِل ثاني أكسيد الكربون.

 

التفاعلات الضوئية (تعتمد على الضوء):
- تُستخدَم فيها الطاقة الضوئية.
- يُستهلَك الماء.
- يتحلَّل كل جزيء من الماء إلى ⁺2H، و ^-2e ، و O₂

- ينتج O₂

حلقة كالفن (لا تعتمد على الضوء):
لإنتاج جزيء PGAL يغادر حلقة كالفن:
- تُستهلَك (3) جزيئات CO_2.
- تُستهلَك (9) جزيئات ATP.
- تُستهلَك (6) جزيئات NADPH.
 

لإنتاج جزيء غلوكوز: يتحد (2) جزيء PGAL.