الطاقة الخلوية

الطاقة الخلوية

2-1 كيف تحصل المخلوقات الحية على الطاقة

الشكل 2-2:

لا يمكن للمخلوقات الحية في السلسلة الغذائية استحداث الطاقة أو إفناؤها، بل تتحول إلى أشكال أخرى. وتتحول بعض الطاقة في أثناء ذلك إلى شكل لا يُستفاد منه مثل الطاقة الحرارية، ومن ثم تزيد من الفوضى في النظام (الإنتروبيا).

الشكل 2-3:

تنتقل عملية البناء من عملية البناء الضوئي في المخلوقات الحية الذاتية التغذية إلى غير الذاتية التغذية، في حين تنتقل عملية الهدم من عملية التنفس الخلوي في غير الذاتية التغذية إلى الذاتية التغذية.

تجربة 2-1:

التحليل

النتائج المتوقعة لتغير اللون:

محتوى الأنبوب          المعالجة         اللون الأولي    اللون النهائي

CO2, BTB، نبات الإلوديا   غامق   أصفر   أصفر

CO2, BTB، نبات الإلوديا   فاتح    أصفر   أزرق

1.      يُمثل الأنبوب المغلّف بورق الألومنيوم مجموعة ضابطة، ويوضّح ان النبات استعمل ثاني أكسيد الكربون فقط بوجود الضوء حتى يتمكّن من القيام بعملية البناء الضوئي.

2.      يأخذ النبات في عملية البناء الضوئي CO2 ويحوله إلى سكر وأكسجين باستعمال الطاقة الضوئية. تقوم النباتات والحيوانات بعملية التنفس الخلوي، التي تستعمل الأكسجين في حرق الكربوهيدرات وإنتاج ثاني أكسيد الكربون. تعتمد العمليتان إجداهما على الأخرى.

التقويم 1- 2:

1-      ضوء الشمس.

2-      تتحول الطاقة المخزنة في الغذاء إلى طاقة كيميائية ثم إلى طاقة ميكانيكية عند حركة العضلات لأداء عمل ما.

3-      تصنع المخلوقات الحية الذاتية التغذية غذاءها بنفسها (الطاقة)، في حين تحصل المخلوقات الحية غير الذاتية التغذية على الطاقة من الغذاء الذي نستهلكه.

4-      يتكون جزيء ATP طاقة مخزنة في الروابط الفوسفاتية وتتحرر عندما يتحلل جزيء ATP  إلى ADP.

5-      القانون الأول: الطاقة لا تفنى ولا تستحدث في عملية البناء الضوئي تتحول الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية (جلوكوز). القانون الثاني: تتغير الأنظمة بصورة طبيعية من حالة النظام إلى العشوائية.

6-      تشابه محتمل: تتحول الطاقة الكيميائية في البطارية إلى طاقة صوتية في المذياع.

2-2 البناء الضوئي

تجربة 2-2:

التحليل:

1.      تختلف البلاستيدات الخضراء في الحجم والشكل من كروية أو بيضية إلى غير منتظمة. كما تختلف في اللون من الأخضر الفاتح إلى الأخضر الداكن، ويمكن أن تحوي كميات مختلفة من الكلوروفيل.

2.      تتنوع الإجابات، ولكن هناك أنواعاً مختلفة من الكلوروفيل لها ألوان مختلفة، بالإضافة إلى الأصباغ التي تساهم في عملية البناء الضوئي.

الشكل 2-6:

من دون وجود الكلوروفيل b يمتص النبات كمية أقل من الضوء، مما قد يؤدي إلى انخفاض معدل عملية البناء الضوئي.

ماذا قرأت؟

تحدث التفاعلات الضوئية في الثايلاكويد، وتحدث التفاعلات اللاضوئية في اللحمة.

ماذا قرأت؟

يوفر تحلل الماء الإلكترونات وأيونات الهيدروجين اللازمة لعملية نقل الإلكترون.

التفكير الناقد:

في حلقة كالفن.

الشكل 2-9:

في جزيء الجلوكوز وجزيئات عضوية أخرى (الفركتوز، النشا). بالإضافة إلى جليسر ألدهيد 3 – فوسفات G3P.

التقويم 2- 2:

1-      تتحول الطاقة الضوئية إلى جزيئات ATP و NADPH التي تتحول إلى سكر جلوكوز.

2-      تحوي البلاستيدات الخضراء أغشية ثايلاكويد (مواقع التفاعلات الضوئية)، وستروما (مواقع التفاعلات اللاضوئية).

3-      تنتج جزيئات الماء أيونات الهيدروجين اللازمة لإنتاج ATP بواسطة الإنزيم بناء الطاقة ATP synthase.

4-      تنفصل ستة جزيئات من ثاني أكسيد الكربون وستة جزيئات خماسية الكربون لتنتج 12 مركبا كربونيا ثلاثي الكربون بمساعدة تحلل ATP يكون اثنان من 12 جزيئا السكروز وأما العشرة جزيئات الباقية فتتحول إلى جزيئات خماسية الكربون لإعادة الدورة مرة أخرى.

5-      يجب أن تبين الأشكال حركة الإلكترونات عبر غشاء الثايلاكويد.

6-      تؤدي زيادة كمية الضوء وثاني أكسيد الكربون إلى زيادة معدل عملية البناء الضوئي.

7-      زيادة مستويات ثاني أكسيد الكربون بواسطة حرق الوقود الأحفوري تزيد من توافر المادة التي تتطلبها عملية البناء الضوئي إذا ما كانت الأشجار والموارد النباتية الأخرى قليلة.

2-3 التنفس الخلوي

ماذا قرأت؟

تبدأ عملية التحلل السكري بجزيئين من ATP.

الشكل 2-10:

المواد المتفاعلة هي:

جزيء جلوكوز واحد، وجزيئا ATP، وجزيئا NAD+، وأربعة جزيئات ADP.

أما المواد الناتجة فهي:

جزيئا ADP، وجزيئا NADH، وأربعة جزيئات ATP، وجزيئا بيروفيت.

الشكل 2-13:

تحول بيروفيت إلى حمض السيتريك ثم مركب خماسي الكربون ثم مركب رباعي الكربون.

الشكل 2-14:

تحدث عملية نقل الإلكترون على طول غشاء الميتوكندريا في أثناء عملية التنفس الخلوي، وعلى طول غشاء الثايلاكويد في أثناء عملية البناء الضوئي.

الشكل 2-15:

يعوض تخمر حمض اللاكتيك الـ NAD+ بواسطة تحويل البيروفيت إلى حمض اللاكتيك. في حين يحول الكحول البيروفيت إلى إيثانول وثاني أكسيد الكربون لتعويض جزيئات NAD+. وكلاهما يحدث دون الأكسجين.

مختبر تحليل البيانات:

التفكير الناقد:

1.      يزيد الفيروس من إنتاج حمض اللاكتيك بعد أربع ساعات.

2.      بعد ثماني ساعات يزيد الفيروس من إنتاج حمض اللاكتيك بنسبة (0.73 – 0.42) 75% تقريباً،

42.0

ويقلل من الناتج ATP بنسبة (0.70 – 50.0) 28% تقريباً.

0.70

3.      بسبب نقص بناء ATP.

التقويم 3- 2:

1-      ATP

2-      ثلاث ذرات كربون (بيروفيت) من جزيء الجلوكوز الأصلي سداسي الكربون تدخل دورة واحدة. والثلاث ذرات الأخرى من جزيء البيروفيت تدخل دورة أخرى منفصلة.

3-      تنتقل أزواج الإلكترونات من NADH و FADH2 لتحويل ADP إلى ATP

4-      في أثناء التخمر يعطي جزيء NADH الإلكترونات لإعادة الإنتاج ATP و NADH.

5-      المرحلة الأولى (التحلل السكري): جزيئات ATP وجزيئان من NADH. المرحلة الثانية (حلقة كربس): جزيئان من ATP وثمانية جزيئات من NADH وجزيئان من FADH2. المرحلة الثالثة (نقل الإلكترون): 32 جزيء ATP، وهناك حاجة لإلكترونين لبدء عملية التحلل السكري وبالتالي يكون الناتج النهائي من عملية التحلل السكري جزيئات من ATP.

6-      يزيد تخمر حمض اللاكتيك من مخزون NAD+ بواسطة تحويل البيروفيت إلى حمض اللاكتيك. ويحول تخمر الكحول البيروفيت إلى إيثانول وثاني أكسيد الكربون للتزود بجزيئات NAD+ كلاهما يحدوث أكسجين.

مختبر الأحياء

حلل ثم استنتج:

1-      قد تشمل المجموعة الضابطة: الحجم المتساوي من الماء ومحلول بيكربونات الصوديوم، والضوء الأبيض. اما المتغيرات فقد تشمل الأطوال الموجية للضوء من ورق السلوفان الملون.

3-      يجب أن تبيّن الرسوم أن أعلى معدل لعملية البناء الضوئي في حالة الضوء الأحمر والبنفسجي، وأقل معدل لها في حالة الأطوال الموجية الأخرى أو عدم حدوثه نهائياً.

4-      يكون معدل البناء الضوئي أعلى ما يمكن في حالة الضوء الأحمر والبنفسجي، وأقل ما يمكن في حالة الضوء الأزرقـ، الأخضر، الأصفر، والضوء البرتقالي.

6-      يؤثّر تحريك النباتات في الكأس الزجاجية أو ترك جزء قليل من النبات خارج الماء في إنتاج الأكسجين. وهناك أخطاء أخرى، ومنها عدم تغطية المصباح بورق السلوفان جيداً، أو وجود الهواء في أعلى أنبوب اختبار.

7-      إجراء التجربة بدقة وعناية أكبر.

مراجعة الفصل الثاني

2-1

مراجعة المفردات

1-      ادينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP).

2-      الديناميكا الحرارية.

3-      الطاقة.

4-      عمليات الأيض.

5-      عملية البناء الضوئي.

تثبيت المفاهيم الرئيسة

6-      d

7-      b

8-      d

9-      a

أسئلة بنائية

10-    تحصل المخلوقات الحية الذاتية التغذية على الطاقة بواسطة امتصاص الطاقة الضوئية من الشمس، في حين تحصل عليها المخلوقات الحية غير الذاتية التغذية من الطاقة الكيميائية المخزنة في الغذاء.

11-    يشبه ATP البنزين الذي يستعمل في بقاء السيارة مشتعلة، فهو يعمل على استمرار العمليات الحيوية في المخلوقات الحية ويزود الخلايا الحية بالطاقة اللازمة لعملها. 

التفكير الناقد

12-    تتحرر الطاقة من جزيء ATP عندما يتحلل إلى جزيء ADP ومجموعة فوسفات.

13-    تخزن عملية بناء الطاقة من خلال بناء الجزيئات في حين تطلق عملية هدم الطاقة من خلال تحليل الجزيئات. تتنوع المقارنة ولكن يجب أن تبين العلاقة بين المواد الناتجة والمتفاعلة. 

2-2

مراجعة المفردات

14-    ثايلاكويد.

15-    جرائم.

16-    صبغة.

17-    حلقة كلفن.

تثبيت المفاهيم الرئيسة

18-    c

19-    a

20-    b

21-    b

أسئلة بنائية

22-    التفاعلات ـ يتم امتصاص ضوء الشمس بواسطة الكلورفيل وإنتاج ATP و NADPH في تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى سكروز. 

23-    إنتاج أيونات الهيدروجين ضروري لبناء جزيئات ATP لأنها تحول ADP إلى ATP بواسطة إنزيم بناء الطاقة ATPase. 

24-    تعتمد حلقة كالفن على توفير التفاعلات الضوئية الطاقة (ATP+NADPH) اللازمة لإنتاج السكروز. 

التفكير الناقد

25-    يتحرر الأكسجين إلى الجو في أثناء بناء السكروز وهو ليس ناتجا يتكون لتستعمله المخلوقات الحية الذاتية التغذية.

26-    تقلل إزالة الغابات من عدد الأشجار التي يجب توافرها لحدوث عملية البناء الضوئي لذا تقل كميات الأكسجين المتحرر إلى الجو مما يؤدي إلى نقص في كميته اللازمة لعملية التنفس الخلوي. 

27-    مسار C4: يتم تثبيت ثاني أكسيد الكربون في جزيئات رباعية الكربون بدلا من جزيئات ثلاثية الكربون في حلقة كالفن. يغير النبات في خلايا الورقة ويعيد ترتيبها وهذا يساعده على القيام بعملية البناء الضوئي وتقليل فقدان الماء.

عملية البناء الضوئي: يدخل ثاني أكسيد الكربون في الليل فقط عندما يتم تثبيته في المركبات العضوية وفي أثناء النهار يتحرر ثاني أكسيد الكربون من هذه المركبات ويدخل حلقة كالفن ويزودها بكمية كافية من CO2 وفي المقابل يحد من فقدان الماء كلا المسارين يساعد النباتات على البقاء والعيش في الظروف المناخية القاسية. 

2-3

مراجعة المفردات

28-    يتحلل البيروفيت إلى ثاني أكسيد الكربون في أثناء حلقة كربس.

29-    تحدث العملية اللاهوائية في غياب الأكسجين.

30-    هناك نوعان من التخمر هما: تخمر حمض اللاكتيك (اللبني) وتخمر الكحول.

31-    تحتاج العمليات الهوائية إلى وجود الأكسجين.

32-    يتحلل الجلوكوز في أثناء عملية التحلل السكري.

تثبيت المفاهيم الرئيسة

33-    b

34-    a

35-    d

36-    a

37-    c

أسئلة بنائية

38-    يوفر تأكسد جزيئات NADH و FADH2 إلكترونات تستعمل في سلسلة نقل الإلكترون والتي توفر بدورها الطاقة اللازمة لنقل أيونات الهديروجين ومن إنتاج ATP. 

39-    مصادر الإلكترونات في سلسلة نقل الإلكترون هي جزيئات NADH و FADH2وتتجه هذه الإلكترونات في النهاية للإرتباط مع أيونات الهيدروجين والأكسجين وتكوين جزيء الماء. 

40-    يحدث الإرهاق والتعب للعضلات بعد ممارسة التمارين الرياضية بسبب إنتاج حمض اللاكتيك بواسطة عملية تخمر البيروفيت التي تحدث عندما تنخفض مستويات الأكسجين. 

التفكير الناقد

41-    يعد الجلوكوز مصدر ذرات الأكسجين في ثاني أكسيد الكربون أما مصدر ذرات الأكسجين في الماء فهو الهواء الجوي. 

42-    الأيض الهوائي أكثر فاعلية في تكوين جزيء ATP لأن حلقة كربس وسلسلة نقل الإلكترون وكلتاهما تحتاج إلى وجود الأكسجين تنتج 34 جزيئا من ATP يتم إنتاج جزيئين فقط من ATP بواسطة عملية التحلل السكري.

43-    عملية البناء الضوئي: تتحرك الإلكترونات على طول غشاء الثايلاكويد، التنفس الخلوي: تنتقل الإلكترونات على طول غشاء الميتوكوندريا. 

تقويم إضافي

أسئلة المستندات

45-    تقلل زيادة تركيز الكادميوم من حجم الورقة ومحتوى الكلورفيل ومعدل عملية البناء الضوئي.

46-    التركيز الأعلى كان له الأثر الأكبر في المتغيرات الثلاثة التي تم اختبارها.

47-    قد تقل عملية التنفس الخلوي نتيجة التشابه الكبير بين التفاعلات الضوئية وسلسلة نقل الإلكترون.

اختبار مقنن

أسئلة اختيار من متعدد

1-      b

2-      c

3-      B

4-      B

5-      b

6-      a

مراجعة تراكمية

7-      c

إجابات الأسئلة القصيرة

8-      الثايلاكويد: التفاعلات الضوئية، المرحلة الأولى، اللحمة: حلقة كالفن، المرحلة الثانية.

9-      يتم تخزين الطاقة في الروابط الفوسفاتية في جزيء ATP وعند إزالة مجموعة الفوسفات تتحرر الطاقة ويتكون جزيء ADP.

10-    تتنوع الإجابات حسب المكونات التي تختارها الطالبات.

11-    قد يكون المخلوق الحي نباتا قادرا على أن يحصل على طاقته من المخلوقات الحية الأخرى.

12-    يضخ إنزيم بناء الطاقة أيونات H+ عبر غشاء الثايلاكويد ويحول إنزيم الروبسكوم جزيئات G3P إلى جزيئات ريبولوز ثنائي الفوسفات.

13-    تحتوي خلايا الورقة على العدد الأكبر من البلاستيدات الخضراء في حين الأجزاء الخضراء الاخرى في النبات على بعض البلاستيدات الخضراء. الأوراق هي جزء النبات الذي تحدث فيه عملية البناء الضوئي التي تنتج السكر الذي يحتاج إليه النبات كله.

14-    بواسطة رفع العتبة اللاهوائية لديهم يتمكن العداؤون من الحصول على طاقة أكبر في عضلاتهم بواسطة عملية التنفس الهوائي مما يسمح لهم بتجنب الإحساس بالإرهاق والألم الناتجين عن تراكم حمض اللاكتيك في أثناء التنفس اللاهوائي.

أسئلة الإجابات المفتوحة

15-    يتطلب بدء التفاعل الذي يتضمن تحليل البروتينات وحدوثه بسرعة أكبر، طاقة أكبر. يستغرق هضم البروتين وقتا أطول. ونتيجة لذلك لا يتمكن الشخص من هضم البروتين بسرعة أو بصورة جيدة.

16-    تتطلب الخلايا التي تضخ الحمض ضد فرق التركيز طاقة كبيرة لإتمام العملية وتحتوي هذه الخلايا غالبا على ميتوكوندريا أكثر من الخلايا التي تقوم بوظائف تتطلب طاقة أقل. والميتوكوندريا عضيات تطلق الطاقة الكيميائية في الخلايا.

سؤال مقالي

17-    يعد ثاني أكسيد الكربون (CO2) أحد نواتج عملية التنفس الخلوي. ينطلق ثاني أكسيد الكربون من جسم الشخص عندما يتنفس. كما يعد الماء ناتجا آخر عن عملية التنفس الخلوي ويستعمل الإنسان بعض هذا الماء في عمليات الجسم الاخرى كما يخرج الماء بواسطة العرق والتنفس.