الخلية و الطاقة

الخلية و الطاقة

تحتاج الكائنات الحية إلى الطاقة اللازمة للقيام بعملياتها الحيوية.
التنفس الخلوي : عملية تفكيك روابط المواد العضوية ليتم إطلاق الطاقة داخل الخلايا الحية. (بشكل مباشر أو غير مباشر)
البناء الضوئي : عملية يتم فيها تحويل طاقة الشمس إلى طاقة كيميائية (غذائية) من خلال تحليل الماء ليتصاعد الأكسجين و تثبيت الكربون لإنتاج الكربوهيدرات في وجود الكلوروفيل داخل البلاستيدات.
من أهم العمليات الحيوية (الأيضية) التي تنتج أو تستهلك الطاقة في الكائنات الحية : البناء الضوئي و التنفس.

أولا : البــناء الضـــوئي :-

توصل العلماء إلى عدة استنتاجات في عملية البناء الضوئي :-
1- زيادة كتلة النبات مصدرها co2.
2- يتحول co2 إلى كربوهيدرات.
3- الشمس لازمة لتحلل الماء.
4- ينتج الأكسجين من الماء.
5- تمتص جزيئات الكلوروفيل الطاقة الضوئية.
6- تفاعلات البناء الضوئي متسلسلة تصل إلى 18تفاعلا تمر بمرحلتين أساسيتين هما:
التفاعلات الضوئية & التفاعلات اللاضوئية .
7- تلخص معادلة مايير المواد الداخلة و الناتجة في البناء الضوئي :
6CO2 + 12H2O C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
تفاعلات البناء الضوئي :
1- تحدث عملية البناء الضوئي في أجزاء النبتة التي تحوي الكلوروفيل .
2- الأوراق بها معظم الأنسجة الخضراء ذات الكلوروفيل، فهي المصنع الرئيس للبناء الضوئي.
3- توجد صبغة الكلوروفيل داخل البلاستيدة الخضراء.
4- يحتوي غشاء الثايلاكويد في الغرانا داخل البلاستيدة على صبغة الكلوروفيل.
5- يمتد طول موجات الضوء المرئي المناسب للبناء الضوئي ما بين ( 400 – 700 ) نانوميتر .
6- تمتص أصباغ الكلوروفيل a و كلوروفيل b موجات الضوء الحمراء و الزرقاء و البنفسجية .
7- تعمل أصباغ الكاروتينات على امتصاص موجات الضوء الأزرق و النيلي (و البنفسجية).
8- تمتص الموجات الضوئية الأخرى من قبل صبغات أخرى بكميات كبيرة .
أ) التفاعلات الضوئية :-
1- تقوم صبغة الكلوروفيل و بعض الصبغات الأخرى في البلاستيدات بامتصاص الضوء.
2- تترتب الصبغات في نظامين وظيفيين من الجزيئات في غشاء الثايلاكويد هما :
أ. النظام الضوئي الأول (PSI). ب. النظام الضوئي الثاني (PSII).
3- يتكون النظام الضوئي من :
أ‌) الصبغات/ 300 جزئ صبغي من الكلوروفيل b و a و كاروتين و غيرها، تقوم كلاقطات تستقبل طاقة الضوء الممتصة ثم تمررها لمركز التفاعل .
ب‌) مركز التفاعل/1.يحاط المركز ببروتين يحتوي على مجموعة واحدة بها جزيئين كلوروفيل a ومستقبل الكتروني أولي.
2. جزيئان الكلوروفيل في مركز التفاعل لهما القدرة على إطلاق الكترونات نشطة .
1. أطول موجة يمتصها النظام الضوئي الأول 700 نانوميتر .
2. يمتص النظام الضوئي الثاني موجة طولها 680 نانوميتر .
3. تربط سلسلة نقل الإلكترون بين النظامين الضوئيين لتنقل الالكترونات بينهما .
4- يتم تحويل الطاقة الضوئية إلى مختزنة في روابط كيميائية خلال مسارين الكترونيين هما :
أ‌) مسار الكتروني لا حلقي/ 1.التسمية: لأنه يسير في مسار واحد.
2.تنطلق الالكترونات المنشطة من مركز تفاعل النظام الثاني(PSII) إلى مركز تفاعل النظام الأول(PSI).
3.ترتبط الالكترونات المنطلقة من(PSI) لترتبط بالنهاية بنواقل الالكترونات .
4.ينتج هذا المسار جزيئات ATPو NADPH اللازمان في التفاعلات اللاضوئية،وكذلك O2 من تحلل الماء.
ب‌) مسار الكتروني حلقي/ 1.التسمية: يسير بشكل حلقي. ( يعيد نفسه )
2.تعود الإلكترونات المنشطة مرة أخرى إلى مركز التفاعل الذي انطلقت منه في النظام (PSI) مرورا بسلسلة نقل الالكترونات منتجة طاقة على شكل .ATP
3.تستهلك التفاعلات اللاضوئية تستهلك ATP أكثر منNADPH .
5- العمليات التي تمر بها التفاعلات الضوئية :
‌أ] امتصـاص الضوء/ 1.تمتص الأصباغ الموجات الضوئية المختلفة في الطول داخل النظامين الضوئيين الأول و الثاني.
2.تنتقل الالكترونات إلى مستوى الطاقة أعلى في جزئ الصبغة الواحد و تفقد طاقتها أثناء عودتها إلى مدارها الأصلي عند الامتصاص .
3.تنشط الالكترونات في مركز التفاعل ليصبح مانحا قويا جدا للالكترونات.
4.تمر الالكترونات المحملة بالطاقة إلى مستقبل الالكترونات الأولى.
5.يفصل مركز التفاعل الشحنات ليولد فرقا عاليا في الجهد فيطلق الالكترونات.
6.تنطلق الالكترونات نحو سلسلة نقل الإلكترون.
7.تتحول الطاقة الضوئية في هذه المرحلة إلى طاقة كهربائية (عزل الشحنات).
‌ب] نقـل الالكترونات/ 1. تنتقل الالكترونات النشطة عبر سلسلة نقل الإلكترون:-
‌أ- سلسلة نقل الإلكترون : مراحل متسلسلة من البروتينات الناقلة المحيطة بمركز التفاعل و التي تمر بها الالكترونات النشطة .

‌ب- تمر سلسلة نقل الإلكترون بعمليات أكسدة و اختزال تسمح بانتقال الالكترونات.
‌ج- يختزل NADP+ إلىNADPH .
2. هي الطريقة الأولى لتحويل الطاقة الضوئية هنا إلى كيميائية حيث تنتج ATP يستخدم لاحقا .
3. يحدث نقل الالكترونات في التفاعلات الضوئية اللاحلقية فقط .
‌ج] إنتـاج الأكسجين / استمرار امتصاص الضوء يؤدي إلى:
1. استمرار انتقال الالكترونات إلى مركب NADP+ .
2. تعويض الالكترونات جزيئات الكلوروفيل في مركز تفاعل PSII من تحلل جزأين الماء .
3. انطلاق غاز الأكسجين إلى الهواء الجوي كما في المعادلة :
H2O ½O2 + 2e- + 2H+
‌د] تكـوين ATP/ 1.تنتقل ايونات الهيدروجينH+ الناتجة من تحلل الماء في تجويف الثايلاكويد.
2.يزداد ضخ ايوناتH+ عبر الغشاء في تجويف الثايلاكويد أثناء نقل الالكترونات عبر سلاسل نقل الإلكترون.
3.زيادة دخولH+ إلى تجويف ليصبح موجبا بالنسبة لخارجه.
4.اندفاع ايونات H+خارجا عبر إنزيم بناءATP نتيجة اختلاف تركيز الايونات و الشحنات.
5.استغلال طاقة اندفاع ايونات H+في ربط ADP مع مجموعة فوسفات لتكوينATP في الستروما خارج تجويف الثايلاكويد .
6.هي الطريقة الثانية لتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية.
6- أهم النواتج للتفاعلات الضوئية :
‌أ) تصاعد غاز الأكسجين الهواء الجوي.
‌ب) تكوين ATP بسبب اختلاف تركيزH+ داخل وخارج غشاء الثايلاكويد.
‌ج) تكوين NADPH ناتجة من اختزالNADP+ في سلسلة الالكترون.
ب) التفاعلات اللاضوئية (تفاعلات تثبيت CO2) حلقة كالفن :-
1- كالفن هو العالم الذي اكتشف هذه التفاعلات من خلال:
‌أ) حدوثها في ستروما البلاستيدات لوجود الإنزيمات اللازمة و دون حاجة الضوء.
‌ب) تستخدم فيها الطاقة المختزنة في نواتج التفاعلات الضوئية ATP و NADPH.
2- مفهوم حلقة كالفن :
‌أ) يدخل الكربون حلقة كالفن على شكل CO2 و يغادرها على شكل سـكر.
‌ب) تستهلك ATP كمصدر طاقة .
‌ج) تستخدم NADPH كعامل اختزال قوي يضيف الكترونات ذات طاقة عالية لصنع السكر
‌د) تتم تفاعلات حلقة كالفن خلال ثلاث مراحل :
1. تثبيت الكربون.
2. الاختزال0
3. إعادة تصنيع مستقبل CO2 (RuBp ).
‌ه) تختصر تفاعلات كـالفن اللاضوئية من خلال المعادلة التالية (خارجي):
6CO2 +18ATP +12NADPH +12H2O C6H12O6 +18ADP +18Pi +12NADP+ +6H+
3- مراحل حلقة كالفن :
المرحلة الأولى: تثبيت الكربون/ أ)تتكرر هذه المرحلة ثلاث مرات.
ب) يتم تثبيت ثلاث جزيئات CO2 واحد تلو الآخر بربط كل منها مع جزئ مركب ريبيولوز ثنائي الفوسفات (RuBp) خماسي الكربون بواسطة إنزيم روبيسكو لإنتاج مركب وسطي غير ثابت سداسي الكربون.
‌ج) ينقسم المركب الوسطي إلى جزيئين من حمض غلسرين أحادي الفوسفات (3PG).
‌د) يتكون ست جزيئات من (3PG) من تثبيت ثلاث جزيئات CO2.
المرحلة الثانية: الاختزال/ أ)كل جزئ ((3PG يحصل على مجموعة فوسفات من مركب ATP لإنتاج حمض غليسرين ثنائي الفوسفات.
ب) يتكون ستة جزيئات حمض غليسرين ثنائي الفوسفات يحتاج الجزيء الواحد لمجموعة فوسفات منATP.
ج) يختزل مركب NADPH حمض غليسرين ثنائي الفوسفات الواحد إلى غليسر ألدهيد أحادي الفوسفات (PGAL) حيث تنتج ست جزيئات (PGAL).
المرحلة الثالثة : إعادة تصنيع مستقبل /(RuBp) Co2
‌أ) جزئ PGAL واحد فقط الناتج النهائي لكالفن، و الذي تبدأ منه عمليات الأيض لإنتاج مركبات عضوية كالجلوكوز و الكربوهيدرات ( كل جزيئين PGAL يعادلان جزئ جلوكوز ).
‌ب) جزئيات PGAL الخمسة المتبقية، تستخدم في إعادة بناء مركب ربيولوز ثنائي الفوسفات RuBp في سلسلة معقدة من التفاعلات .
‌ج) يستهلك إعادة بناء RuBp ثلاث جزيئات ATP .
4- كل جزئ PGAL ناتج يستخدم :
‌أ) جزئ ATP واحد لتحويل جزئ 3PG إلى حمض غليسر ألدهيد أحادي الفوسفات.
‌ب) جزئ NADPH واحد لاختزال حمض غليسرين ثنائي الفوسفات إلى غليسر ألدهيد أحادي الفوسفات PGAL.
5- لإنتاج خمس جزيئات سكر لابد من إنتاج 10PGAL و بذلك تستهلك 90ATPو .:

60NADP