تفرعات علوم الاحياء.....!!!...الجزء السابع

الأيض
Metabolism

هو مجموعة العمليات الكيماوية
التي تحدث في الكائن الحي. وهناك نوعان رئيسيان من هذه العمليات:


أولا: الابتناء
(Anabolism):

ا- التمثيل
الضوئي (Photosynthesis):
تتم عملية التمثيل الضوئي في
البلاستيدات الخضراء للخلايا النباتية. وتؤدي هذه العملية إلى تكوين الكربوهيدرات
حسب المعادلة العامة التالية:
الشكل

ماء (6H2O) +

ثاني أكسيد الكربون 2CO2

جلوكوز C6H12O6

+ أوكسجين 6O2

أ - البلاستيدات الخضراء والبناء الضوئي:

قبل وصف عملية البناء الضوئي يجب
في البداية أن نتعرض إلى تركيب الورقة بشيء من التفصيل.

الشكل
يلاحظ أن سطح الورقة يغطى بطبقة
شمعية تعرف بالأدمة (Cuticle) ثم تليها طبقة واحدة من الخلايا تعرف بالبشرة
(Epidermis)، يليها طبقة من الخلايا المتراصة على شكل عمادي يطلق عليها النسيج
المتوسط العمادي (Palisade mesophyll)، ثم مجموعة من الخلايا الغير منتظمة يطلق
عليها النسيج المتوسط الإسفنجي (Spongy mesophyll)، وكلا النوعين من الخلايا
يحتوي على البلاستيدات الخضراء، ثم طبقة من الخلايا لا تحتوي على البلاستيدات
الخضراء تعرف بالخلايا الحزمية (Bundle sheath cells) تحيط بعرق (Vein) الورقة.
وتلعب البلاستيدات الخضراء دوراً رئيساً في التغذية الذاتية للنباتات حيث أنها هي
مكان جريان عملية البناء الضوئي حيث يوجد بها صبغة الكلوروفيل. وفي حالة غياب
البلاستيدات الخضراء (كما هو الحال في الطحالب الخضراء المزرقة مثلا) فان
الكلوروفيل يكون موجوداً على أغشية خلوية تعرف بأغشية البناء الضوئي.

يوجد الكلوروفيل
(Chlorophyll) في مناطق الحبيبات أو أكياس القريصات (Grana) التي يتراوح عددها من
20 إلي 100 كيس، ويتكون كيس القريصات الواحد من أغشية رقيقة مسطحة متراصة فوق
بعضها البعض تعرف بالقريصات أو الأغشية الرقيقة (Thylakoids)
شكل
.
وهذا هو موضع تفاعلات البناء
الضوئي. وجزيء الكلوروفيل يتكون من رأس محب للماء (Hydrophilic) وذيل كاره للماء
(Hydrophobic). ويوجد نوعين من الكلوروفيل في بلاستيدات الخلايا النباتية هما:
كلوروفيل
أ (Chlorophyll a)
وكلوروفيل ب (Chlorophyll b).

ويمتاز الأول باحتوائه على
مجموعة CH₃
بينما يحتوي كلوروفيل ب على مجموعة CHO.

شكل
تتم عملية البناء الضوئي في
البلاستيدات الخضراء للخلايا النباتية، وتبدأ عندما يقوم الكلوروفيل أ
(Chlorophyll a) والصبغيات الأخرى (Pigments) بامتصاص الضوء. ويمتص الكلوروفيل
جميع ألوان الضوء المرئي ما عدا الأخضر. و يتم امتصاص ألوان الطيف بنسب متفاوتة.
فالكلوروفيل يمتص الأحمر والبنفسجي بنسبة عالية، في حين أنه يمتص البرتقالي
والأصفر والأزرق بنسبة منخفضة. امتصاص الضوء على هذا النحو يرافقه امتصاص للطاقة
المودعة في الضوء وهذا بدوره يجعل الكلوروفيل مشحوناً بطاقة أكثر مما كان عليه
الحال قبل سقوط الضوء عليه، ويطلق عليه في هذه الحالة "مستثار" (Excited).

ويتكون الضوء من جسيمات ضوئية
يطلق عليها الفوتونات أو الضويئيات (Photons) كل منها يحتوي مقداراً من الطاقة.
عقب إستثارة الكلوروفيل بواسطة الضويئيات تنطلق على إثر ذلك الإلكترونات المزاحة
من الكلوروفيل والمحملة بطاقة عالية. وتعرف مراحل الاستثارة الضوئية للكلوروفيل
التي تعرف في مجموعها بالتأين الضوئي (Photoionization) للكلوروفيل. والتأين
الضوئي هو أنه عندما يستثير الضوء جزيئات الكلوروفيل فإن الإلكترونات تكتسب طاقة
عالية تساعدها على الانطلاق من الكلوروفيل جاعلة إياه موجب الشحنة. إن بعضاً من
هذه الإلكترونات عالية الطاقة تعود حالاً إلى الكلوروفيل وسرعان ما تتبدد الطاقة
الزائدة على هيئة حرارة أو ضوء يتولد عنه المظهر الفلورسنتي للكلوروفيل. كما أن
البعض الآخر من الإلكترونات يستقبله نوع متخصص من الجزيئات تعرف بالناقلات
الإلكترونية (Electrons carriers) موجودة في البلاستيدات جنباً إلى جنب مع
الكلوروفيل التي تقوم بإمرار هذه الإلكترونات من واحد إلى آخر يرافق ذلك فقدان
الطاقة الزائدة تدريجياً التي تستغل لبناء مركب الطاقة (ATP). وعندما يصل مستوى
الطاقة في الإلكترونات إلى نفس المستوى الذي كان موجود في الكلوروفيل قبل
استثارته بالضوء فإنها تعود إلى الكلوروفيل الموجب لتعادله وتبدأ الدورة مرة
أخرى.
النظام الضوئي
(Photosystem)
بناءً على النماذج المقترحة فان
الكلوروفيل وما يتبعه من صبغيات ومستقبلات للضوء تنتظم في وحدات يطلق عليها أنظمة
ضوئية (Photosystems) ويوجد نوعين من الأنظمة الضوئية هما: النظام الضوئي الأول
(Photosystem I) وهو يحتوي على جزيء كلوروفيل أ خاص ويرمز إليه بالرمز (P700) لأن
درجة امتصاص الضوء المثلى له تكون عند 700 nm. ثانيا النظام الضوئي الثاني
(Photosystem II) وهو أيضا يحتوي على جزيء كلوروفيل أ خاص ويرمز إليه بالرمز
(P680) لأن درجة امتصاص الضوء المثلى له تكون عند 680 nm. ويحتوي كل من هذين
النظامين على عدد من الصبغيات يتراوح ما بين 200 إلي 300 جزيء صبغي، تعمل مع بعض
كنقاط استشعار للطاقة الضوئية. وعند امتصاص وحدة ضوء (Photon) بواسطة أول جزيء
كلوروفيل فإنه يتم نقل وحدة الضوء بواسطة هذه الصبغيات الواحد تلو الآخر إلي أن
تصل إلي جزيء الكلوروفيل الخاص في النظام وهو إما (P700) أو (P680) والذي يقع في
مركز التفاعل (Reaction center) للنظام الضوئي، وعلى إثر ذلك تنطلق إلكترونات
عالية الطاقة من جزيء الكلوروفيل المستحث بواسطة وحدة ضوئية.

الشكل
وتعتبر عملية البناء الضوئي من
أهم العمليات الحيوية التي تعتمد عليها جميع الكائنات الحية سواء ذاتية التغذية
أو عضوية التغذية في تكوين المصدر الأول للطاقة الكيميائية الحيوية اللازمة لبدأ
و إتمام بقية التفاعلات الأخرى. ومن هنا يأتي السؤال ، كيف تتم عملية البناء
الضوئي؟ هذا ما سنتعرض له و بإيجاز فيما يلي:
تتكون التفاعلات الكيميائية خلال
عملية البناء الضوئي من قسمين رئيسين هما:
أ- تفاعلات الضوء (Light
Reactions). و ب- تفاعلات الظلام (Dark Reactions).

---

أ - تفاعلات الضوء
(Light Reactions)


هي سلسلة من التفاعلات تتم في وجود
الضوء ولهذا فهي تفاعلات كيميائية ضوئية (Photochemical reactions) ، ويطلق عليها
تفاعلات هل (Hill's reactions) ، وهي أول التفاعلات الكيميائية في عملية التمثيل
الضوئي. جميع هذه التفاعلات تمر بخطوات وتغيرات جوهرية متتابعة تتضمن ما يلي:



أ - امتصاص الطاقة الضوئية Light
energy absorption.


ب - نقل الطاقة الضوئية Light energy
transfer.


جـ – تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة
كيميائية


Light energy transformation into
chemical energy.




وتشمل تفاعلات الضوء نوعين هما:



1 - النقل الإلكتروني الدائري (Cyclic
electron transport)،


أو الفسفرة الضوئية الدائرية (Cyclic photophosphorylation).

شكل


2 - النقل الإلكتروني غير الدائري (Non
cyclic electron transport)،


أو الفسفرة الضوئية غير الدائرية (Non cyclic
photophosphorylation).
شكل


وتتميز العمليتين السابقتين بما يلي:

• 
  
  
  انطلاق الكترونين (2e)
  من الكلوروفيل عند سقوط الضوء عليه.
  
  
• 
  
  
  يتكون مركب NADP-H₂
  الذي له دور في بدء تفاعل الظلام.
  
• 
  
  
  أهمية NADP-H₂
  حمل ذرات الهيدروجين ذات الطاقة العالية و الضرورية في تكوين الكربوهيدرات.
  
  
• 
  
  
  تؤدي عملية تفاعل الضوء إلى انتاج
  الطاقة وتكوين مركب ATP الذي سوف يستخدم في تكوين الكربوهيدرات في تفاعل
  الظلام.
  

  ---

  
  
  

ب‌- تفاعل الظلام (Dark Reaction):
شكل


1- يتم تكوين الكربوهيدرات خلال هذا
الجزء من عملية التمثيل الضوئي.
شكل.
وتحدث هذه العملية في غياب الضوء.


2- يتم بتثبيت ثاني أكسيد الكربون لأنه يتم خلاله تحويل ثاني
أكسيد الكربون إلى كربوهيدرات. كما يتضح لنا تسميتها بدورة كالفن

شكل
لأن مكتشف سلسلة التفاعل هذه هو العالم كالفن و لأنها تؤدى إلى إعادة إنتاج
المركب الذى بدء به التفاعل مؤدية بذلك إلى تكرار العملية.


طريقة تثبيت ثاني
أكسيد الكربون:
تختلف طريقة التثبيت بحسب تركيب
الورقة والمناخ الذي ينمو فيه النبات، وهناك ثلاثة أنواع من النباتات تختلف عن
بعضها البعض في طريقة تثبيت ثاني أكسيد الكربون وهي كما يلي:
1 - نباتات
ثلاثية الكربون (C₃
Plants):

• من أمثلة هذه النباتات الأرز
  والقمح وفول الصويا التي تعتبر من المحاصيل الزراعية الهامة. ويتم تثبيت ثاني
  أكسيد الكربون في هذه النباتات بالطريقة التالية:
  
  
• تتم تفاعلات دورة كالفن في
  خلايا النسيج المتوسط (Mesophyll).
  
  
• ويتم تثبيت ثاني أكسيد
  الكربون مباشرة في دورة كالفن في خلايا النسيج المتوسط.
  
  
• يقوم إنزيم كربوكسليز ثنائي
  فوسفات الرايبولوز (Ribulose diphosphate carboxylase) بتحفيز تفاعل ثاني أكسيد
  الكربون مع مركب ثنائي فوسفات الرايبولوز.
  
  
• ينتج جزيئين من مركب فوسفات
  حامض الجليسرين وهو المركب الأول الناتج بعد تثبيت ثاني أكسيد الكربون والذي
  يتكون من ثلاث ذرات كربون، ولذلك سميت هذه النباتات بالنباتات ثلاثية الكربون
  (C₃).
  
  
  

2 - نباتات
رباعية الكربون (C₄
Plants):

• هذه النباتات مثل قصب السكر
  والذرة، يختلف تركيب الورقة فيها عن نباتات ثلاثية الكربون (C₃).
  
  
  
• طريقة تثبيت ثاني أكسيد
  الكربون في هذه النباتات تختلف عن نباتات (C₃).
  
  
• حيث يتم تثبيت ثاني أكسيد
  الكربون في الخلايا المتوسطة.
  
  
• ويكون أول المركبات الناتجة
  هو حامض الأكسالوخليك (Oxaloacetic acid) وهو مركب يتكون من أربع ذرات كربون
  ولذلك سميت هذه النباتات برباعية الكربون (C₄
  plants).
  
  
• يقوم إنزيم كاربوكسيليز فوسفو
  إنول بيروفيت [Phosphoenolpyrovate carboxylase (PEPCase)] بتحفيز هذا التفاعل.
  
  
  
• يتحول حامض الأكسالوخليك إلى
  حامض الماليك (Malic acid) الذي يدخل إلى الخلية الحزمية.
  
  
• تتم عملية نزع ثاني أكسيد
  الكربون (Decarboxylated) لتحرير ثاني أكسيد الكربون الذي يدخل في دورة كالفن
  التي تحدث في الخلايا الحزمية.
  
  

3- نباتات الأيض
الحمضي العشبي [Crassulacean acid metabolism (CAM)]:
جاء الاسم من اسم فصيلة النباتات
التي تم اكتشاف هذه الطريقة فيها لأول مرة وهي فصيلة النباتات العشبية
(Crassulacea) أو السيدوم (نباتات المحاصيل الحجرية) [Sedum (Stonecrop)]. بعد
ذلك تم اكتشاف هذه الطريقة في أكثر من 25 عائلة من النباتات الأخرى مثل الأناناس
والصبار، التي تنمو في ظروف بيئية جافة (صحراوية).
وقد تكيفت هذه النباتات مع هذه
الظروف بعدة عوامل منها المحافظة على الماء وذلك بغلق الثغور أثناء النهار وفتحها
أثناء الليل. وبالرغم من أن غلق الثغور أثناء النهار في هذه النباتات يساعدها على
المحافظة على الماء، لكنه يمنع دخول ثاني أكسيد الكربون. لذا فإن دخول ثاني أكسيد
الكربون وعملية تثبيته وتحويله إلى مركبات عضوية مختلفة تتم عندما تكون الثغور
مفتوحة أثناء الليل. يطلق على هذه الطريقة اسم الأيض الحمضي العشبي (CAM). وفيها
يتم تثبيت ثاني أكسيد الكربون بطريقة تشبه تثبيته في النباتات رباعية الكربون (C₄)،
من حيث أن المركب العضوي الأول الذي يتم تثبيت ثاني أكسيد الكربون فيه هو حامض
الأكسالوخليك وهو يتكون من أربع ذرات كربون، إلا أن هناك اختلافات هامة بين
النوعين وذلك كما يلي:
1 – تتم عملية تثبيت ثاني أكسيد
الكربون بواسطة إنزيم كاربوكسيليز فوسفو إنول بيروفيت وارتباطه مع حامض البيروفيك
معطياً حامض الأكسالوخليك تتم أثناء الليل فقط في خلايا النسيج المتوسط
(Mesophyll cells)، التي تقوم بتخزين الأحماض العضوية الناتجة بعد تثبيت ثاني
أكسيد الكربون في الفجوات العصارية حتى الصباح.
2 – أثناء النهار يتحرر ثاني
أكسيد الكربون من الأحماض العضوية ويدخل دورة كالفن لإكمال تفاعلات الدورة في
خلايا النسيج المتوسط أيضاً وليس في الخلايا الحزمية كما في النباتات الأخرى.





2- تكوين الكربوهيدرات
(Carbohydrate Synthesis):

شكل


عادة يتم تكوين الكربوهيدرات المختلفة
في أي كائن بواسطة الجلوكوز.


كما أن (PGAL) الناتج من عملية التمثيل
الضوئي يؤدي الى تكوين الجلوكوز في النبات.


الحيوان متغذي عضوي يعتمد على النباتات
في توفير الغذاء اللازم لنفسه فإنه يحصل على الجلوكوز بطريق مباشر أو غيرمباشر من
النبات.


ولقد رأينا كيف أن عملية هضم
الكربوهيدرات تؤدي الى انتاج الجلوكوز.


يتم نقل الجلوكوز بواسطة الدم من
الأمعاء الى الكبد- وفي النبات يقوم اللحاء بنقله من مناطق التخزين الى الأماكن
المحتاجة اليه.


يتفسفر الجلوكوز بمجرد دخوله الخلايا.



يتحول بعد ذلك الجلوكوز المتفسفر
بتفاعله مع ثلاثي فوسفات اليورادين ، (UDP مركب يشبه ATP من حيث الوظيفة) الى UDP
الجلوكوز. (Glucose-UDP).


UDP الجلوكوز يؤدي بعد ذلك الى تكوين
كل أنواع الكربوهيدرات التي يحتاجها الكائن.


عندما يقل معدل الجلوكوز في الدم
كنتيجة لمختلف النشاطات الحيوية فإن:



النشا الحيواني الجلوكوز ثلاثي فوسفات
اليورادين فوسفات الجلوكوز جلوكوز



وعندما يرتفع معدل الجلوكوز في الدم
كنتيجة تناول الطعام فانه يحدث العكس.

---

3- تكوين الدهون (Lipids Synthesis):

شكل



المركب الذي يبدأ به تكوين الدهون هو
خلات مرافق الإنزيم (Acetyl-CoA).


من هذا المركب يمكن تكوين كل الأحماض
الدهنية. وهناك بعض الأحماض الدهنية التي تعرف بالأحماض الدهنية الضرورية التي لا
يستطيع الحيوان تكوينها بهذه الطريقة بل يعتمد على النبات في توفيرها له.



الجلسرين يمكن توفيره عن طريق PGAL
(ومصدره الكربوهيدرات).


متى ما توفر الجليسرين والأحماض
الدهنية فإن الخلية يمكنها حينئذ تكوين كل ما تحتاجه من الدهون و الليبيدات.

---

4- تكوين البروتين (Protein Synthesis):

شكل



تتكون كل البروتينات كما هو معروف من
أحماض أمينية.


يتم تكوين الأحماض الأمينية في الخلية
عن طريق النقل الأميني.


تتفاعل مجموعة أمين (NH₂)
مع حامض كيتوني (كربوهيدرات أو دهون).


مصدر مجموعة الأمين
NH₂
في النبات هي مجموعة النترات NO₂
.



في الحيوان يكون مصدرها الأحماض
الأمينية.


هناك بعض الأحماض الأمينية التي لا
يمكن للحيوان أن يكونها حسب الطريقة المبينة أعلاه، تعرف هذه الأحماض بالأحماض
الأمينية الضرورية ولذا يجب توافرها في غذائه والذي يكون مصدرها النبات بطريق
مباشر أو غير مباشر.

---

ثانيا: الانتقاض
(Catabolism):


هو تحليل الكائنات
الحية للجزئيات العضوية المعقدة مثل النشا والبروتين والدهون إلى جزئيات بسيطة
لانتاج الطاقة (ATP) المختزنة في هذه المركبات المعقدة.



1- انتقاض الكربوهيدرات: يتم بطريقتين:


التنفس اللاهوائي (التخمر) – الكائنات
الدقيقة ، العضلات وهو يتم بدون الأوكسجين.


التنفس الهوائي جميع الكائنات الراقية.
وهو يتطلب وجود أوكسجين.


ماذا يحدث في التنفس اللاهوائي؟

شكل


هناك أربع خطوات لكي يتحول النشا أو
الجلوكوز إلى حامض البيروفيك + CO2 + كحول.



1- يتحول الجلوكوز إلى ثنائي فوسفات
الفركتوز ويستهلك جزيئان من ATP.


أما في حالة النشا العضلي فانه يتحول
الى ثنائي فوسفات الفركتوز مع استهلاك جزيء واحد من ATP.


2- ينشطر ثنائي فوسفات الفركتوز الى
مركبين هما: فوسفات الدهيد الجليسرول PGAL + ثنائي فوسفات هيدروكسيد الاسيتون.
وعادة ما يلبث ان يتحول الثاني الى الاول.


3-
⁺PGAL
+ NAD يعطي حامض ثنائي فوسفات الجليسرول الذي يتحول الى حامض فوسفات الجليسرول ثم
الى حامض البيروفيك وينتج خلال هذه الخطوة إنتاج جزيء NADH₂
وأربعة جزيئات من ATP.


4- يطلق على هذه الخطوة التخمر
(Fermentation)، وفيها يتحول حامض البيروفيك إلى أنواع مختلفة من المركبات تختلف
باختلاف الكائن وذلك على النحو التالي:




ولحساب الطاقة:


عند انتقاض جزيء جلوكوز يكون ناتج
الطاقة = أربعة جزيئات من ATP يستهلك جزيئين ويبقى الصافي جزيئين
ATP.


عند انتقاض النشا الحيواني فيتم
استهلاك جزيء واحد ATP ويبقى محصول الصافي ثلاثة جزيئات من ATP .


يتم أكسدة NADH₂
إلى NAD عند تحول حامض البيروفيك إلى الحامض اللبني أو إلى CO₂
و كحول.


التحلل السكري Glycolysis أو عملية
التخمر Fermentation اسمان مترادفان للخطوات السابقة.

---

ماذا يحدث في
التنفس الهوائي؟



يحتاج إلى وجود O₂
في معظم الكائنات الحية.


كمية الطاقة ATP الناتجة تكون كبيرة.



مكان حدوثه:
السيتوبلازم و الميتوكوندريا في الكائنات
حقيقية النواة.


وفي السيتوبلازم
فقط في أولية النواة.


خطوات التنفس الهوائي:

شكل




يحدث على مرحلتين الأولى تتم في السيتوبلازم والثانية في
الميتوكوندريا.



وذلك كما في الخطوات التالية:

الخطوة الأولى:- التحلل السكري:
* تتم في
السيتوبلازم. وخطواتها كما في التنفس اللاهوائي الا أنها تنتهي بتكوين حامض
البيروفيك.
* يتحول حامض
البيروفيك في تفاعل انتقالي معطياً خلات مرافق الإنزيم أ (Acetyl Co-A)
التي تدخل دورة كربس في الميتوكوندريا.

الخطوة الثانية:- دورة كربس (Krebs cycle):

شكل
سلسلة من
التفاعلات والتحولات تتم في الميتوكوندريا على شكل دائري. تبدأ بارتباط خلات
مرافق الإنزيم أ مع حامض الاكسالوخليك ليتكون حامض الستريك ثم أيسوستريت ثم الفا-كيتو
جلوتاريت ثم حامض السكسنيك ثم حامض الفيوماريك ثم حامض الماليك الذي يتحول إلى
حامض الاكسالوخليك ليعيد الدورة مرة أخرى.
* ينتج من
دورة كربس جزيئين من مركب الطاقة (ATP) + (8
NADH) + (2 FADH₂).

الخطوة الثالثة:-

سلسلة النقل الالكتروني (Electron transport chain):

شكل
* تدخل
مركبات (NADH) و (FADH₂)
الناتجة من التحلل السكري ودورة كربس في سلسلة النقل
الالكتروني (Electron transport chain).

حيث تتأكسد لتنطلق منها ايونات الهيدروجين والالكترونات عالية
الطاقة التي تتناقلها سلسلة من المركبات حاملات الالكترونات

(Electron carriers)
يرافق ذلك انطلاق ايونات الهيدروجين إلى الفراغ بين الغشائين الداخلي والخارجي
للميتوكوندريا لينتج عنه تدرج في تركيز ايونات الهيدروجين والذي يعرف بالتدرج
الكهروكيميائي

(Electrochemical gradient)
الذي يلعب دوراً مباشراً في بناء مركب الطاقة
(ATP).





* كل جزيء

(NADH)
يدخل سلسلة النقل الالكتروني ينتج عنه ثلاثة جزيئات من مركب الطاقة

،(3 ATP)ما
عدا أنواع معينه من الخلايا (مثل خلايا العضلات الهيكلية والمخ) فان أكسدة جزيئي
(2 NADH)
الناتجة من التحلل السكري ينتج عنها (

4ATP)
بدلا من 6 جزيئات. بينما يتكون جزيئان من مركب
الطاقة
(ATP)
في حالة دخول
(FADH₂).



شكل




معادلة التنفس الهوائي العامة هي:



جلوكوز + أوكسجين O₂
يعطي ثاني أوكسيد الكربون CO₂
+ ماء + طاقة
( تخزن على شكل ATP).


حساب الطاقة
ملخص لعملية انتقاض المركبات العضوية :


ملخص لعملية الأيض:

يسلموا ايديكي شهرزاد

والله يعطيكي العافية

اطيب الامنيات