Sciences de la nature et de la vie🎓 objectif bac

آليات تحويل الطاقة الكيميائية الكامنة في الجزيئات إلى ATP الفسفرة التأكسدية

الفسفرة التأكسدية و الهدم في غياب الأكسجين

🔊 La maîtresse lit pour toi
إشكالية: تنتهي مرحلتا التحلّل السكّري وحلقة كريبس وقد امتلأت الخلية بمرافقات أنزيمية مرجَعة، ولم تُنتَج إلّا جزيئات ATP قليلة العدد. ولا تستطيع هاتان المرحلتان أن تستمرّا ما لم تُجدَّد هذه المرافقات بأكسدتها. غير أنّ خلايا أخرى — كالخميرة والخلية العضلية — تواصل هدم الغلوكوز وإنتاج ATP في وسط خال من ثنائي الأكسجين. فأين تُؤكسَد النواقل المرجَعة وكيف يُنتَج بذلك ATP، وماذا يبقى من هدم الغلوكوز حين يغيب ثنائي الأكسجين ؟
🎓في نهاية هذا الدرس ستكون قادرا على:
  • أن تحدّد مقرّ الفسفرة التأكسدية داخل الميتوكوندري انطلاقا من نتائج تجريبية
  • أن تستخرج الشرطين اللازمين لفسفرة ADP إلى ATP على مستوى الغشاء الداخلي
  • أن تشرح آلية الفسفرة التأكسدية اعتمادا على تدرّج البروتونات وقيم كمون الأكسدة الإرجاعية
  • أن تحسب الحصيلة الطاقوية للتنفّس الهوائي وتوزّعها على مراحله الثلاث
  • أن تتابع مراحل هدم الغلوكوز في غياب ثنائي الأكسجين وتسمّي نواتج التخمّر الكحولي
  • أن تعلّل ضعف مردود التخمّر بمقارنة حصيلته الطاقوية بحصيلة التنفّس
  • أن تشرح كيف تُجدَّد المرافقات الأنزيمية خلال التخمّر ليستمرّ التحلّل السكّري
🔑يفترض هذا الدرس أنّك تتقن:
  • أنّ التحلّل السكّري يتمّ في الهيولى ويعطي حمض البيروفيك ومرافقات أنزيمية مرجَعة
  • أنّ حلقة كريبس تتمّ في المادّة الأساسية للميتوكوندري وتنزع الهيدروجين من الركيزة
  • أنّ الأكسدة فقدان للإلكترونات وأنّ الإرجاع اكتساب لها
  • أنّ الميتوكوندري عضية يحدّها غشاءان، والداخلي منهما مطويّ على شكل أعراف
قبل أن تبدأ، افهم الرمز والأداة. الرمز أوّلا: يُكتب الناقل المرجَع في هذا الدرس ⁦TH,H+⁩ ويُكتب الناقل نفسه بعد أكسدته ⁦T+⁩ — وهي كتابة عامّة تصلح لكلّ النواقل التي خرجت من المرحلتين السابقتين. والأداة ثانيا: الأمواج فوق الصوتية تمزّق الغشاء الداخلي فيلتئم على نفسه في حويصلات مغلقة، لكنّها تلتئم مقلوبة، فيصير ما كان متّجها نحو الداخل متّجها نحو الخارج. وهذا الانقلاب هو ما يجعل التجربة ممكنة.

النشاط 1: مقرّ تركيب ATP على الغشاء الداخلي للميتوكوندري

💭الفرضيات: يكون الغشاء الداخلي للميتوكوندري هو مقرّ أكسدة النواقل المرجَعة وتشكّل الماء، ويكون تركيب ATP مرتبطا بجزء محدّد من هذا الغشاء دون سائره.

لإظهار دور الغشاء الداخلي للميتوكوندري في الفسفرة التأكسدية، جُزّئت ميتوكوندريات معزولة بالأمواج فوق الصوتية فتشكّلت حويصلات من أغشيتها الداخلية «مقلوبة» تحمل كريات مذنّبة. ثمّ فُصل الجزء الكرويّ F1 من الأنزيم عن الجزء المتواجد ضمن الغشاء F0، واختُبرت قدرة كلّ ناتج على نقل الإلكترونات وعلى تركيب ATP في شروط تجريبية مناسبة.

الوثيقة ⁦(1)⁩: نتائج التجارب على الحويصلات الناتجة عن تفريق الغشاء الداخلي للميتوكوندري بالأمواج فوق الصوتية.
🎯التعليمة
  1. صف ما نتج عن معاملة الغشاء الداخلي بالأمواج فوق الصوتية، وبيّن ما الذي تغيّر في اتّجاه الكريات المذنّبة.
  2. استخرج من نتائج الوثيقة ⁦(1)⁩ دور كلّ من الكريات المذنّبة والجزء الغشائي في نقل الإلكترونات وفي تركيب ATP.
إظهار الإجابة
🔍التحليل
  1. نصف ما نتج: تمزّق الغشاء الداخلي تحت أثر الأمواج فوق الصوتية، ثمّ التأمت أجزاؤه على نفسها فأعطت حويصلات مغلقة. وقد التأمت مقلوبة: فالكريات المذنّبة التي كانت تتّجه نحو المادّة الأساسية صارت تتّجه نحو خارج الحويصلة. وهذا الانقلاب هو الذي يسمح بملامسة الكريات لوسط التجربة، ومن ثمّ باختبار عملها مباشرة.
  2. نستخرج الدورين: الحويصلة الكاملة تنقل الإلكترونات وتركّب ATP معا. فإذا نُزعت منها الكريات المذنّبة بقيت تنقل الإلكترونات ولم تعد تركّب ATP: فالنقل إذن من عمل بروتينات السلسلة التنفّسية المغروسة في الغشاء. وإذا أُخذت الكريات وحدها لم تركّب شيئا. فالكرية المذنّبة هي مقرّ فسفرة ADP، لكنّها لا تعمل إلّا وهي مثبّتة على الغشاء.
الاستنتاج: الكريات المذنّبة المثبّتة على الغشاء الداخلي هي مقرّ تركيب ATP، إذ تلعب دور أنزيمات فسفرة ADP. أمّا نقل الإلكترونات فيتمّ على مستوى الغشاء نفسه، مستقلّا عن هذه الكريات.
انتبه إلى قوّة الاستدلال بالطرح: ثلاث حالات لا أكثر، والفرق بينها جزء واحد يُنزع في كلّ مرّة. حين تختفي وظيفة مع الجزء الذي نُزع، فذلك الجزء هو مقرّها. وحين تبقى وظيفة بعد نزعه، فهي ليست من عمله. هذا هو المنطق الذي يُطلب منك في الامتحان أكثر ممّا يُطلب منك حفظ النتيجة.

النشاط 2: شروط تركيب ATP على جانبي الغشاء الداخلي

لتحديد سلوك الغشاء الداخلي للميتوكوندري تجاه البروتونات ⁦H+⁩، قيس pH الوسط الخارجي لمعلّق من ميتوكوندريات معزولة يحتوي على معطي الإلكترونات ⁦TH,H+⁩. ويكون الوسط خاليا من ثنائي الأكسجين في بداية التجربة، ثمّ تُحقن فيه جرعات من O₂، أو مادّة ثنائي نتروفينول المرمّزة DNP، عند أزمنة محدّدة. وفي تجربة ثانية وُضعت حويصلات غشائية محتوية على كريات مذنّبة في أوساط مختلفة الـ pH، بوجود ADP و Pi، وكُشف عن فسفرة ADP في كلّ حالة.

الوثيقة ⁦(2)⁩: تركيب قياس pH وسط معلّق من ميتوكوندريات معزولة، وتطوّر هذا الـ pH بعد حقنتين من ثنائي الأكسجين ثمّ حقنة من DNP.
📌المعطيات
التجربةpH الداخليpH الخارجيوجود الكريات المذنّبةالملاحظات
177نعمعدم فسفرة ADP
247نعمفسفرة ADP
347لاعدم فسفرة ADP
الوثيقة ⁦(3)⁩: نتائج التجارب الثلاثة على حويصلات غشائية وُضعت في أوساط مختلفة الـ pH بوجود ADP و Pi، لتحديد شروط تركيب ATP.
🎯التعليمة
  1. حلّل منحنى الوثيقة ⁦(2)⁩، وبيّن كيف يتطوّر pH الوسط الخارجي بعد كلّ حقنة.
  2. حدّد تأثير كلّ من ثنائي الأكسجين ومادّة DNP، مبرزا مصدر البروتونات ⁦H+⁩.
  3. علّل انخفاض pH خارج الميتوكوندري ثمّ عودته إلى وضعه الأصلي.
  4. قارن زمن عودة pH إلى وضعه الأصلي في غياب DNP وفي وجوده، وقدّم تفسيرا لذلك.
  5. استنتج من نتائج الوثيقة ⁦(3)⁩ الشرطين اللازمين لفسفرة ADP إلى ATP.
إظهار الإجابة
🔍التحليل
  1. نحلّل المنحنى: يكون الوسط الخارجي متعادلا عند بداية التجربة، أي في غياب ثنائي الأكسجين. وبمجرّد حقن O₂ ينخفض pH انخفاضا حادّا فيصير الوسط حامضيّا، ثمّ يعود ببطء إلى التعادل بعد مدّة. وتعيد الحقنة الثانية من O₂ المشهد نفسه: انخفاض حادّ ثمّ صعود بطيء. أمّا حقن DNP فيُرجع pH إلى 7 في الحين، ويثبّته هناك.
  2. نحدّد التأثيرين: يسمح توفير O₂ بتنشيط بروتينات السلسلة التنفّسية المتواجدة في الغشاء الداخلي. فتسلّم النواقل المرجَعة ⁦TH,H+⁩ إلكتروناتها إلى الناقل T1، فتُؤكسَد وتتحرّر منها البروتونات ⁦H+⁩ — وهذا هو مصدرها. تعبر هذه البروتونات بعض نواقل الغشاء الداخلي إلى الخارج فتخفض pH الوسط. وأمّا DNP فيخرّب بنية الغشاء الداخلي فيصير نفوذا للبروتونات.
  3. نعلّل الانخفاض ثمّ العودة: ينخفض pH خارجا لأنّ البروتونات تُضخّ عكس تدرّج تركيزها، نقلا فعّالا عبر بروتينات الغشاء الداخلي T1 و T3 و T5. ثمّ يعود pH إلى قيمته الأصلية لأنّ هذه البروتونات ترجع إلى المادّة الأساسية وفق تدرّج تركيزها، عابرة الكريات المذنّبة. فنقصها في الخارج هو الذي يُرجع الوسط إلى التعادل.
  4. نقارن الزمنين: العودة إلى التعادل بطيئة في غياب DNP وسريعة في وجوده. ونفسّر ذلك بأنّ هذه المادّة تفتح على مستوى الغشاء الداخلي منافذ جديدة غير الكريات المذنّبة، فتمرّ البروتونات منها بطريقة عشوائية عوض أن تمرّ من الكرية وحدها. والكرية هي التي كانت تُبطئ العودة، لأنّها ممرّ ضيّق واحد.
  5. نستنتج الشرطين: تقارن التجربتان 1 و2 حالتين لا تختلفان إلّا في الـ pH، فلا تحدث الفسفرة إلّا حين يكون pH الداخلي مخالفا للخارجي. وتقارن التجربتان 2 و3 حالتين لا تختلفان إلّا في الكريات، فتزول الفسفرة بزوالها. فالشرطان معا لازمان: وجود فرق في تدرّج تركيز ⁦H+⁩ على جانبي الغشاء، ووجود الكريات المذنّبة.
الاستنتاج: لا يتمّ تركيب ATP إلّا باجتماع شرطين لا يكفي أحدهما وحده — وجود فرق في تدرّج تركيز البروتونات ⁦H+⁩ على جانبي الغشاء الداخلي، ووجود الكريات المذنّبة التي تعبرها هذه البروتونات عائدة.
لا تقرأ الجدول سطرا سطرا، بل سطرين سطرين. قارن السطر 1 بالسطر 2: كلّ شيء ثابت إلّا الـ pH، فالفرق في النتيجة يعود إليه وحده. ثمّ قارن السطر 2 بالسطر 3: كلّ شيء ثابت إلّا الكريات. هكذا يُقرأ كلّ جدول ذو متغيّرين، وهكذا تُكتب الإجابة.

النشاط 3: آلية الفسفرة التأكسدية وحصيلتها

مكّنت الدراسات المختلفة من تحديد آلية حدوث الفسفرة على الغشاء الداخلي للميتوكوندري. وتلخّص الوثيقة ⁦(4)⁩ مراحل هذه الآلية، وتحمل تحت الغشاء سبع قيم لكمون الأكسدة الإرجاعية بالفولت، مرتّبة من الأدنى إلى الأعلى. وتأتي بعدها الوثيقة ⁦(5)⁩ لتوزّع الحصيلة على مراحل التنفّس الثلاث.

الوثيقة ⁦(4)⁩: آلية الفسفرة التأكسدية على مستوى الغشاء الداخلي للميتوكوندري، مع قيم كمون الأكسدة الإرجاعية بالفولت.
🎯التعليمة
  1. حدّد، مع الشرح، الآلية الفيزيائية لانتقال الإلكترونات في السلسلة التنفّسية معتمدا على قيم كمون الأكسدة الإرجاعية.
  2. أحسب فرق كمون الأكسدة الإرجاعية بين معطي الإلكترونات والناقل T2، ماذا تستنتج ؟
  3. سمّ المستقبل الأخير للإلكترونات في السلسلة التنفّسية، وبيّن ما يتشكّل عنده.
  4. استنتج فيم تُستعمل الطاقة المتحرّرة من نزول الإلكترونات، وحدّد الحصيلة الكلّية لهدم جزيئة غلوكوز واحدة في وسط هوائي.
إظهار الإجابة
🔍التحليل
  1. نحدّد الآلية: تتحرّك الإلكترونات وفق تدرّج كمون الأكسدة الإرجاعية، من الناقل الأوّل T1 ذي الكمون المنخفض إلى الناقل الأخير T5 ذي الكمون المرتفع. فالنواقل المرجَعة ⁦TH,H+⁩ هي أوّل مانح للإلكترونات إلى T1، وثنائي الأكسجين هو آخر مستقبل لها من T5. وقيم الكمون تتزايد من سالب 0,32 فولت عند المانح إلى 0,84 فولت عند المستقبل، فالنزول طبيعيّ ولا يحتاج إلى دفع.
  2. نحسب الفرق: كمون معطي الإلكترونات يقدَّر بسالب 0,32 فولت، وكمون الناقل T2 يقدَّر بـ 0,05 فولت، فالفارق بينهما 0,37 فولت. ونستنتج أنّه فارق كبير لخطوتين فقط، أي أنّ الإلكترون يفقد قدرا معتبرا من طاقته وهو ينتقل عبر بروتينات السلسلة التنفّسية. والفارق الكلّي من أوّل السلسلة إلى آخرها يبلغ 1,16 فولت.
  3. نسمّي المستقبل الأخير: هو ثنائي الأكسجين. فهو أشدّ النواقل كهروسلبية، فيكتسب الإلكترونات ويُرجَع، ممّا يمكّنه من التفاعل مع البروتونات التي رجعت عبر الكرية المذنّبة، فيتشكّل الماء كناتج نهائي. ولذلك يُسمّى هذا النمط من الهدم تنفّسا هوائيا: بغياب O₂ تتوقّف السلسلة كلّها لأنّ الإلكترونات لا تجد أين تُفرَّغ.
  4. نستخرج ونحسب: الطاقة المتحرّرة من نزول الإلكترون تُستعمل في ضخّ البروتونات إلى الفراغ بين الغشاءين، فيتكوّن التدرّج الذي تستغلّه الكرية المذنّبة لفسفرة ADP. وتوزّع الوثيقة ⁦(5)⁩ الحصيلة: ⁦2 ATP⁩ مباشرة من التحلّل السكّري و2 من حلقة كريبس، أي 4 مباشرة؛ و⁦6 + 6 + 18 + 4⁩ عبر النواقل، أي 34. والمجموع 38 جزيئة ATP.
الوثيقة ⁦(5)⁩: توزّع حصيلة التنفّس الهوائي على مراحله، انطلاقا من هدم جزيئة غلوكوز واحدة.
الاستنتاج: تنزل الإلكترونات عبر السلسلة التنفّسية وفق تدرّج كمون الأكسدة الإرجاعية، فتُستعمل الطاقة المتحرّرة في ضخّ البروتونات نحو الفراغ بين الغشاءين؛ ثمّ يُستغلّ رجوعها عبر الكريات المذنّبة في فسفرة ADP. وحصيلة هدم جزيئة غلوكوز واحدة في وسط هوائي هي 38 جزيئة ATP.
احفظ معامل التحويل ولا تحفظ الأرقام واحدا واحدا: كلّ ناقل مرجَع من نوع NAD يعطي ⁦3 ATP⁩، وكلّ ناقل من نوع FAD يعطي 2. ومن هذين المعاملين تُعيد بناء كلّ سطر من سطور الشجرة، وتكتشف بنفسك أيّ رقم نسيته.

النشاط 4: هدم الغلوكوز في غياب ثنائي الأكسجين

💭الفرضيات: يكون الناتج في الوسط اللاهوائي كحول الإيتانول مع طاقة قليلة، خلافا للوسط الهوائي الذي يحرّر طاقة كبيرة.

إنّ التنفّس ليس الطريق الوحيد لأكسدة الركيزة العضوية على مستوى الخلية: فبعض الكائنات وبعض الخلايا — كالبكتيريا والخمائر والخلايا العضلية — تنتج ATP في غياب ثنائي الأكسجين بظاهرة التخمّر. ولإظهار ذلك، وُضعت خلايا خميرة في وسط غنيّ بالغلوكوز داخل تركيب مزوّد بلاقط لـ O₂ وآخر لـ CO₂ وثالث لقياس الإيتانول، وسُجّلت التراكيز الثلاثة في آن واحد.

الوثيقة ⁦(6)⁩: نتائج تجربة قياس نواتج التخمّر الكحولي عند الخميرة في وسط مغلق غنيّ بالغلوكوز.
🎯التعليمة
  1. حلّل منحنى الوثيقة ⁦(6)⁩ مميّزا بين مرحلتيه، وحدّد اللحظة التي يظهر عندها الكحول.
  2. استنتج ما إذا كان هدم مادّة الأيض ممكنا في غياب ثنائي الأكسجين، وسمّ هذه الظاهرة.
إظهار الإجابة
🔍التحليل
  1. نحلّل المنحنى: يمكن قسمة النتائج إلى مرحلتين. الظروف الهوائية أوّلا: يتوفّر O₂ ويُستهلك في وجود الغلوكوز، ويُطرح CO₂، ولا يُنتَج الكحول الإيتيلي. ثمّ الظروف اللاهوائية: بعد نفاد O₂، ومع بقاء الغلوكوز، يتواصل طرح CO₂ ويبدأ إنتاج الإيتانول. ويقلع الأخضر في اللحظة نفسها التي يبلغ فيها الأزرق الصفر، لا قبلها.
  2. نستنتج ونسمّي: بما أنّ استهلاك الغلوكوز يتواصل وينتج عنه الإيتانول وغاز الفحم بعد نفاد O₂، فإنّ هدم مادّة الأيض ممكن في غياب ثنائي الأكسجين، في وسط لاهوائي. وتُدعى هذه الظاهرة التخمّر؛ وهي عند الخميرة تخمّر كحوليّ، لأنّ ناتجها الإيتانول مع غاز الفحم. ونلاحظ أنّ CO₂ يُطرح في المرحلتين معا، فهو لا يميّز بينهما.
الاستنتاج: يمكن هدم مادّة الأيض — الغلوكوز في هذه الحالة — في غياب ثنائي الأكسجين، وهذا ما يُدعى بظاهرة التخمّر. ويتمّ عند الخميرة بإنتاج الإيتانول وغاز الفحم، وهو التخمّر الكحولي.

النشاط 5: مردود إنتاج الخميرة في الوسطين الهوائي واللاهوائي

وُزّع معلّق من خميرة الخبز على إناءين يحتويان على محلول من الغلوكوز، ووُضعا في حمّام مائي عند 30 درجة مئوية. يُهوّى الإناء الأوّل باستمرار لتوفير ثنائي الأكسجين، أمّا الإناء الثاني فتستهلك الخميرة ما فيه من أكسجين في بداية التجربة فيصير الوسط لاهوائيا. وتُؤخذ عيّنات على فترات منتظمة لقياس تطوّر كتلة الخميرة. ويرتكز هذا القياس على مبدأ بسيط: شفافية الوسط تقلّ بزيادة عدد الخلايا في وحدة الحجم.

الوثيقة ⁦(7)⁩: تطوّر كتلة الخميرة في وجود ثنائي الأكسجين وفي غيابه، مقيسة بشفافية الوسط.
🎯التعليمة
  1. حلّل نتائج الوثيقة ⁦(7)⁩، واستنتج ما يدلّ عليه اختلاف الشفافية حول مردود إنتاج الخميرة في الحالتين.
  2. قارن تطوّر كتلة الخميرة في الوسطين وعلّل ذلك.
إظهار الإجابة
🔍التحليل
  1. نحلّل ونستنتج: تتناقص شفافية الوسط الذي يحتوي على الخميرة تناقصا كبيرا في الوسط الهوائي، ولا تتناقص إلّا قليلا في الوسط اللاهوائي. وبما أنّ الشفافية تقلّ بزيادة عدد الخلايا في وحدة الحجم، فإنّ قلّة الشفافية في الوسط الهوائي تدلّ على كثافة عالية لخلايا الخميرة، أي على مردود إنتاج كبير؛ وهو مردود ضعيف في الوسط اللاهوائي.
  2. نقارن ونعلّل: في الوسط الهوائي يسمح توفّر O₂ بهدم كلّيّ لمادّة الأيض، أي بالتنفّس، وهذا ما يحرّر طاقة كبيرة تسمح بنموّ معتبر للخميرة فتزيد كثافتها فتقلّ الشفافية. وفي الوسط اللاهوائي يؤدّي غياب O₂ إلى هدم جزئيّ فقط لمادّة الأيض، أي إلى التخمّر، فتتحرّر طاقة قليلة ويكون النموّ ضعيفا فتبقى الشفافية مرتفعة.
الاستنتاج: مردود إنتاج الخميرة كبير في الوسط الهوائي وضعيف في الوسط اللاهوائي، لأنّ التنفّس هدم كلّيّ لمادّة الأيض بينما التخمّر هدم جزئيّ لا يحرّر إلّا قدرا قليلا من الطاقة.
انتبه إلى أنّ المقياس مقلوب: ما يُقاس هو الشفافية، وما يُدرس هو عدد الخلايا. فكلّما نزل المنحنى ارتفع عدد الخلايا. وهذه الخانة بالذات هي التي يسقط فيها أكثر التلاميذ حين يقرؤون «انخفاض» فيفهمون «تراجع النموّ».

النشاط 6: آلية التخمّر الكحولي وتجديد المرافقات الأنزيمية

يتطلّب استمرار التحلّل السكّري تجديد نواقل الهيدروجين. وتلخّص الوثيقة ⁦(8)⁩ هذه الآلية عند خلية الخميرة: من الغلوكوز إلى حمض البيروفيك، ثمّ إلى الأسيتالدهيد بنزع غاز الفحم، ثمّ إلى الإيتانول. وتأمّل خاصّة الحلقة المغلقة المرسومة تحت سهم التحلّل السكّري: فهي التي تحمل الجواب.

الوثيقة ⁦(8)⁩: آلية التخمّر الكحولي عند خلية الخميرة، وتجديد المرافقات الأنزيمية الذي يسمح باستمرار التحلّل السكّري.
🎯التعليمة
  1. اشرح كيف تُجدَّد المرافقات الأنزيمية ليستمرّ التحلّل السكّري وتركيب ATP خلال التخمّر.
  2. قارن آلية تجديد المرافقات الأنزيمية في كلّ من التنفّس والتخمّر.
  3. مثّل بمعادلة إجمالية بسيطة ظاهرة التخمّر الكحولي انطلاقا من معطيات الوثيقة ⁦(8)⁩.
إظهار الإجابة
🔍التحليل
  1. نشرح التجديد: التحلّل السكّري مرحلة مشتركة بين التنفّس والتخمّر، وهو يتطلّب مرافقات أنزيمية مؤكسدة. وبما أنّ تفاعلات التخمّر تنطلق منه، فإنّ تجديد هذه المرافقات ضروريّ لحدوثه ومن ثمّ لاستمرار التخمّر. ويتمّ ذلك في التفاعلات الأخيرة: يُرجَع الأسيتالدهيد إلى إيتانول، فيسلّمه المرافق المرجَع هيدروجينه ويعود مؤكسدا صالحا للاستعمال.
  2. نقارن الآليتين: تسمح التفاعلات الأخيرة لكلّ ظاهرة بتجديد المرافقات اللازمة لتفاعلاتها الأولى، ولكن ليس في المكان نفسه ولا بالمردود نفسه. في التنفّس يتجدّد المرافق ⁦T+⁩ في تفاعلات الفسفرة التأكسدية، أثناء أكسدة TH₂ عند الناقل T1، ثمّ يُستغلّ في التحلّل السكّري وفي تفكّك حمض البيروفيك. وفي التخمّر يتجدّد المرافق ⁦T+⁩ في التفاعل الأخير وحده، أثناء تشكّل الكحول من الألدهيد.
  3. نمثّل بمعادلة: تنطلق الظاهرة من جزيئة غلوكوز واحدة، فتعطي جزيئتين من الإيتانول وجزيئتين من غاز الفحم، مع تحرير طاقة قليلة تُخزَّن في جزيئتي ATP. وهي معادلة موزونة، فتأكّد بنفسك: ستّ ذرّات كربون واثنتا عشرة من الهيدروجين وستّ من الأكسجين في الطرفين.
المعادلة الإجمالية للتخمّر الكحولي
C₆H₁₂O₆ ⟶ 2C₂H₅OH + 2CO₂ + E
Eالطاقة المتحرّرة(kJ)
الاستنتاج: يتجدّد المرافق الأنزيمي المؤكسد خلال التخمّر بإرجاع الأسيتالدهيد إلى إيتانول. فليس الإيتانول غاية في ذاته، بل هو ثمن استمرار التحلّل السكّري في غياب ثنائي الأكسجين.

مقرّ الفسفرة التأكسدية وشروطها

تتمّ الفسفرة التأكسدية على مستوى الغشاء الداخلي للميتوكوندري. وهي المرحلة التي تُؤكسَد فيها النواقل المرجَعة الآتية من التحلّل السكّري ومن حلقة كريبس، فيتشكّل الماء ويُركَّب ATP. ولولاها لتوقّفت المرحلتان السابقتان لعجزهما عن تجديد مرافقاتهما الأنزيمية.

ويحمل هذا الغشاء نوعين من البروتينات لا يقوم أحدهما مقام الآخر. الأوّل بروتينات السلسلة التنفّسية، وهي التي تنقل الإلكترونات وتضخّ البروتونات. والثاني الكريات المذنّبة، وهي أنزيم مركّب من جزء كرويّ F1 بارز في الحشوة وجزء F0 مغروس في الغشاء، وهي مقرّ فسفرة ADP. وقد أظهرت الحويصلات المقلوبة أنّ الوظيفتين منفصلتان: الحويصلة المنزوعة الكريات تنقل الإلكترونات ولا تركّب ATP.

ولا تكفي الكرية المذنّبة وحدها. فالتجارب الثلاث للوثيقة ⁦(3)⁩ تبيّن أنّ الفسفرة لا تحدث إلّا باجتماع شرطين: فرق في تدرّج تركيز البروتونات ⁦H+⁩ على جانبي الغشاء الداخلي، ووجود الكريات المذنّبة. فحين يتساوى الـ pH على الجانبين لا تحدث فسفرة ولو كانت الكريات موجودة؛ وحين تُنزع الكريات لا تحدث فسفرة ولو كان التدرّج قائما.

آلية الفسفرة التأكسدية

تبدأ الآلية بأكسدة الناقل المرجَع عند الناقل T1، فيتحرّر منه إلكترونان وبروتونان. وتنتقل الإلكترونات بعدها من ناقل إلى ناقل عبر السلسلة التنفّسية، وفق تدرّج كمون الأكسدة الإرجاعية: من الكمون المنخفض إلى الكمون المرتفع. وهذه حركة طبيعية لا تحتاج إلى دفع، تماما كما ينزل الماء منحدرا.

أكسدة الناقل المرجَع
TH,H+ ⟶ T+ + 2H+ + 2e-
إرجاع ثنائي الأكسجين
½O₂ + 2H+ + 2e- ⟶ H₂O
المعادلة الإجمالية للأكسدة التنفّسية
TH,H+ + ½O₂ ⟶ T+ + H₂O

ويقاس هذا الانحدار بالفولت. فالوثيقة ⁦(4)⁩ تحمل سبع قيم مرتّبة ترتيبا تصاعديّا من المانح إلى المستقبل الأخير، وهذا الترتيب نفسه هو ترتيب مرور الإلكترون على النواقل. فالمهمّ ليس القيم واحدة واحدة، بل أنّها تتزايد ولا تتناقص.

سلّم كمون الأكسدة الإرجاعية بالفولت
-0,32 < -0,19 < 0,05 < 0,220 < 0,254 < 0,320 < 0,84
الفارق الكلّي بين المانح والمستقبل الأخير
0,84 - (-0,32) = 1,16
الفارق من المانح إلى الناقل T2
0,05 - (-0,32) = 0,37

ولا يُقطع هذا الانحدار دفعة واحدة، بل على خطوات. والفارق من المانح إلى الناقل T2 وحده، في خطوتين، يساوي 0,37 فولت — أي قرابة ثلث الانحدار كلّه. وفي كلّ خطوة يفقد الإلكترون جزءا من طاقته، وهذا الجزء بالذات هو ما تستعمله الخلية.

وفيم يُستعمل ؟ في ضخّ البروتونات ⁦H+⁩ من الحشوة نحو الفراغ بين الغشاءين، عبر النواقل الكبيرة T1 و T3 و T5 وحدها دون الصغيرين. وهو نقل فعّال، أي عكس تدرّج التركيز، ولذلك يحتاج إلى طاقة. فيتراكم ⁦H+⁩ في الخارج ويصير الوسط هناك حامضيّا: وهذا بالضبط ما قاسه مقياس pH في الوثيقة ⁦(2)⁩.

ثمّ ترجع هذه البروتونات إلى الحشوة وفق تدرّج تركيزها، ولكن من ممرّ واحد لا غير هو الكرية المذنّبة. ومرورها منها هو الذي يفسفر ADP فيعطي ATP. ولهذا يعود pH الخارجي إلى التعادل ببطء: لأنّ الممرّ واحد وضيّق. أمّا مادّة DNP فتفتح في الغشاء منافذ أخرى عشوائية، فترجع البروتونات من غير الكرية، فيعود التعادل بسرعة — ولا يُركَّب ATP. فالتدرّج نفسه هو صورة الطاقة الوسيطة بين الأكسدة والفسفرة.

وينتهي مسار الإلكترونات عند ثنائي الأكسجين، وهو المستقبل الأخير. وهو أشدّ النواقل كهروسلبية، فيكتسب الإلكترونات ويُرجَع، ثمّ يتّحد بالبروتونات ويعطي الماء. ومن هنا يظهر لماذا يتوقّف كلّ شيء بغياب O2: لا لأنّ الأكسجين يدخل في الغلوكوز، بل لأنّ الإلكترونات لا تجد أين تُفرَّغ، فتمتلئ السلسلة ولا تُجدَّد المرافقات.

الحصيلة الطاقوية للتنفّس الهوائي

يعطي هدم جزيئة غلوكوز واحدة في وسط هوائي 38 جزيئة ATP. وأربع منها فقط تأتي مباشرة من التفاعلات، بينما تأتي أربع وثلاثون من أكسدة نواقل الهيدروجين على مستوى الغشاء الداخلي. فالفسفرة التأكسدية وحدها تنتج قرابة تسعة أعشار الحصيلة، والمرحلتان السابقتان لا تنتجان إلّا القليل مباشرة — وإنّما قيمتهما في النواقل التي تشحنانها.

✅الحوصلة
المرحلةمقرّهاما يدخلهاما يخرج منهاعدد جزيئات ATP
التحلّل السكّريالهيولىغلوكوزحمض البيروفيك + نواقل مرجعة ⁦(NADH,H+)⁩2
تفكّك حمض البيروفيك وحلقة كريبسالمادّة الأساسية للميتوكوندريحمض البيروفيكCO₂ + نواقل مرجعة (⁦NADH,H+⁩ و FADH₂)2
الفسفرة التأكسديةالغشاء الداخلي للميتوكوندرينواقل مرجعة + O₂H₂O34
حصيلة هدم جزيئة غلوكوز واحدة في وسط هوائي، موزّعة على مراحل التنفّس الثلاث ومقرّ كلّ منها: ⁦2 + 2 + 34 = 38⁩ جزيئة ATP.

الهدم في غياب ثنائي الأكسجين: التخمّر الكحولي

حين يغيب ثنائي الأكسجين تتوقّف السلسلة التنفّسية، ولا يبقى من مراحل الهدم إلّا التحلّل السكّري في الهيولى. غير أنّ هذا التحلّل نفسه لا يستمرّ إلّا إذا وجد مرافقات أنزيمية مؤكسدة يسلّمها هيدروجينه. فالمشكلة في الوسط اللاهوائي ليست نقص الغلوكوز، بل امتلاء النواقل.

وتحلّ الخميرة هذه المشكلة بتفاعلين اثنين. يُنزع أوّلا غاز الفحم من حمض البيروفيك فيتشكّل الأسيتالدهيد؛ ثمّ يُرجَع الأسيتالدهيد فيعطي الإيتانول. وفي هذا الإرجاع الثاني بالذات يسلّم المرافق المرجَع هيدروجينه فيعود مؤكسدا. فالإيتانول ليس غاية في ذاته: هو مصرف للهيدروجين، وثمن استمرار التحلّل السكّري.

والتخمّر يشترك مع التنفّس في مرحلته الأولى ويفترق عنه فيما بعدها. فكلاهما يبدأ بالتحلّل السكّري وينتج منه جزيئتي ATP. لكنّ التنفّس يواصل الهدم إلى نواتج معدنية — غاز الفحم والماء — لا طاقة فيها، بينما يقف التخمّر عند مركّب عضويّ لا يزال يحمل طاقة كامنة في روابطه هو الإيتانول. ولهذا يُقال إنّ التنفّس هدم كلّيّ والتخمّر هدم جزئيّ.

لماذا مردود التخمّر ضعيف ؟

تحمل جزيئة الغلوكوز طاقة كيميائية كامنة واحدة، هي نفسها في الظاهرتين. غير أنّ توزّعها يختلف اختلافا شديدا. ففي التنفّس تتوزّع على قسمين: طاقة حيوية مخزّنة في 38 جزيئة ATP، وطاقة حرارية منتشرة هي الغالبة. وفي التخمّر تتوزّع على ثلاثة أقسام: طاقة حيوية في جزيئتي ATP فقط، وطاقة حرارية قليلة، وطاقة كيميائية تبقى مخزّنة في روابط الإيتانول وهي الغالبة هنا.

المقارنة
وجه المقارنةالتنفّسالتخمّر
الطاقة الكامنة في مول من الغلوكوز⁦2860 kJ⁩⁦2860 kJ⁩
الطاقة الحيوية ⁦(ATP)⁩⁦1160 kJ · 38 ATP⁩⁦61 kJ · 2 ATP⁩
الطاقة الباقية في مادّة عضويةلا شيء — نواتج معدنية⁦2720 kJ⁩ في مولَي الإيتانول
الطاقة الحرارية المنتشرة⁦1700 kJ⁩⁦79 kJ⁩
نوع الهدمكلّيّجزئيّ
توزّع الطاقة الكامنة في مول واحد من الغلوكوز بين التنفّس والتخمّر (قيم تقريبية). في مول الإيتانول طاقة كامنة تقارب ⁦1360 kJ⁩، ومول الغلوكوز يعطي مولين منه.

فالفارق إذن ليس في كمّية الطاقة المتوفّرة، بل في مقدار ما يُستخرَج منها. التنفّس يستخرج تسع عشرة مرّة ما يستخرجه التخمّر من ATP للجزيئة الواحدة. وسبب ذلك مقروء في الجدول: التخمّر يترك في الإيتانول أكثر من تسعة أعشار الطاقة الأصلية دون أن يمسّها، لأنّه لم يهدم الغلوكوز إلى آخره. ولاحظ أنّ الطاقة المخزّنة في الجزيئة الواحدة من ATP هي نفسها في الظاهرتين: فالفرق في العدد لا في القيمة.

وهذا الفارق نفسه هو الذي رأيناه في الوثيقة ⁦(7)⁩: الخميرة التي تتنفّس تنمو نموّا معتبرا فتنهار شفافية الوسط، والخميرة التي تخمّر لا تكاد تنمو فتبقى الشفافية مرتفعة. فالنموّ حصيلة الطاقة المتاحة، والقياس البصريّ إنّما يترجم هذه الحصيلة.

لا تخلط بين موقع الظاهرة وموقع الطاقة. التخمّر يحدث كلّه في الهيولى، ولا حاجة له بالميتوكوندري؛ أمّا التنفّس فيبدأ في الهيولى ثمّ ينتقل إلى المادّة الأساسية ثمّ إلى الغشاء الداخلي. وكلّما ابتعدت المرحلة عن الهيولى ارتفع مردودها: 2 ثمّ 2 ثمّ 34.
حصيلة الدرس: مصير جزيئة الغلوكوز في وجود ثنائي الأكسجين وفي غيابه، ومقرّ كلّ مرحلة ومردودها.
في الباكالوريا لا يُطلب منك سرد التجارب، بل استغلال وثيقة لم ترها من قبل — منحنى pH، أو جدول تجارب، أو مخطّط غشاء. أجب دائما في ثلاث خطوات: ما ألاحظه في الوثيقة، ثمّ ما أستنتجه منه، ثمّ التعليل. واحذر السؤال الذي يعطيك حالتين ويطلب الفرق: الجواب فيه دائما هو المتغيّر الوحيد الذي يفصل بينهما.
عند المراجعة، أعد بناء مخطّط الحصيلة على ورقة من الذاكرة: عضية بثلاث محطّات في جهة، ومستطيل بمحطّة واحدة في الجهة الأخرى. إن استطعت أن تضع على كلّ محطّة مقرّها وعدد جزيئات ATP التي تعطيها، فقد استوعبت الدرس كلّه.
الخلاصة: تتمّ الفسفرة التأكسدية على الغشاء الداخلي للميتوكوندري، حيث تُؤكسَد النواقل المرجَعة فتنزل إلكتروناتها في السلسلة التنفّسية وفق تدرّج كمون الأكسدة الإرجاعية حتّى ثنائي الأكسجين الذي يتشكّل عنده الماء. وتُستعمل الطاقة المتحرّرة في ضخّ البروتونات ⁦H+⁩ نحو الفراغ بين الغشاءين، فيُستغلّ رجوعها عبر الكريات المذنّبة في فسفرة ADP، فتكون حصيلة الجزيئة الواحدة من الغلوكوز 38 جزيئة ATP. وفي غياب ثنائي الأكسجين لا يبقى إلّا التحلّل السكّري في الهيولى، وتُجدَّد مرافقاته بإرجاع الأسيتالدهيد إلى إيتانول: ذلك هو التخمّر الكحولي، هدم جزئيّ لا يعطي إلّا جزيئتين من ATP.

Page 1/12

© Madrassati — leçon rédigée par Madrassati · madrassati.net