الفصل الثالث التنفس في الكائنات الحية(أحياء ثانوية عامة)

مفهوم التنفس الخلوي:
يعتبر الجلوكوز والكربوهيدرات الأخرى صور مخزنة
للطاقة وأيضا صور تنتقل فيها الطاقة من خلية الى أخرى ومن كائن حى الى أخر

-التنفس الخلوى [هو العملية التى تستخرج بها خلايا الكائن الحي الطاقة
من الروابط ويستخدم الطاقة لبناء جزيئات أدينوسين ثلاثى الفوسفات (ATP
Adenosine triphosphate
ويعبر عن جزئ الغذاء بجزئ الجلوكوز عند إيضاح
أسلوب وخطوات انحلاله(علل؟) – لأن أغلب خلايا الكائنات الحية تستخدم
الجلوكوز اكثر من جزئ غذاء أخر
- ويمكن تشبيه جزئATP العملة الصغيرة
(الفكة)التى تتميز بسهولة تداولها وصرفها وكل طاقة تحتاج الخلية الى
تدبيرها يلزمها ATP أى أنها تعتبر العملة الدولية للخلية
تركيب جزئ ATP(لكى نفهم كيف تؤدى وظيفتها ) الجزئ الواحد يتكون من 3 تحت وحدات
1-قاعدة نيتروجينية هى الأدينينAdenine
2-سكر خماسى الكربون يسمى الريبوز Ribose
3-مجموعة الفوسفات (ثلاث مجموعات فوسفات )
وعند تحلل ATP الى ADP ينطلق مقدار من الطاقة تقدر بحوالى من 7-12 سعر حرارى كبير لكل مول
وتبدأ عملية التنفس الخلوى بجزئ الجلوكوز
وتتلخص أكسدته فى المعادلة الآتية ويتضح فيها كمية الطاقة الناتجة من مول واحد من الجلوكوز

C6H12O6+6O2→ 6CO2 +6H2O +38 ATP

- وتتم أكسدة الجلوكوز على ثلاث مراحل
1-مرحلة أنشطار الجلوكوز (التخمرGlycolysis) تتم فى الجزء غير العضيى من السيتوبلازم (السيتوسول)
2-مرحلة التنفسRespirationتتم فى الأجسام السبحية ( الميتوكوندريا) Mitochondria
3-نقل الإلكترون Electron Transport
تركيب الميتوكوندريا (الأجسام السبحية)
•
ويوجد بين الرفوف محلول مكثف من مادة الأساس Matrix التى تحتوى على
أنزيمات وأنزيمات مساعدة وماء وفوسفات وجزيئات حاملات الالكترونات أو
السيتوكرومات التى تحمل الالكترونات على مستويات الطاقة
المختلفة حيث تزال ذرات الهيدروجين أثناء
التفاعل
لتمر الى مساعد الإنزيم Co-Enzymes التى تعمل كحاملات إلكترون وأولها NAD+
الذى يختزل الى NADH2 والثانى FAD الذى يختزل الى FADH2
H2 + NAD+→NADH+H
H2 +FAD → FADH2


أ-مرحلة أنشطار الجلوكوز Glycolysis
تتم فى حالتى التنفس الهوائى واللاهوائى لإنتاج الطاقة وفيها :-
1-
ينشطر جزئ الجلوكوز الى جزيئين من حمض البيروفيك (ثلاثى الكربون )- ماراً
بمجموعة من التفاعلات يتحول فيها الجلوكوز الى جلوكوز –6 فوسفات ثم فركتوز
6 فوسفات ثم فركتوز 1, 6 ثنائى فوسفات الذى يكون جزيئين فوسفوجليسرالدهيد
(PGAL)
ليتأكسد الى جزيئين حمض بيروفيك – ويختزل جزيئين من مساعد الإنزيم NAD+ الذى NADH وينتج جزيئين منATP
وهذه التفاعلات تحدث فى غياب الأكسجين لذلك تعرف بالأكسدة اللاهوائية
C6H12O6+6O2 2C3 H4O3 +2 ATP

والطاقة
الناتجة غير كافية لأداء الوظائف الحيوية فى الكائنات الحية ولذلك يدخل
حمض البيروفيك الى الميتوكوندريا فى وجود الأكسجين لإنتاج طاقة اكبر ويتم
ذلك فى خطوتين هما دورة كريبس وسلسلة نقل الإلكترون
ب- دورة كريبس The Krebs Cycle (دورة حمض الستريك)
وصفها السير هانز كريبس عام 1937(وأخذ جائزة نوبل 1953) وخطواتها :-
1-يتحول
كل جزئ من حمض البيروفيك فى وجود مساعد الأنزيم أ(co.A) الى أستيل مساعد
الأنزيم أ Acetyl co.A - وينتج عن ذلك 2جزيئ NADH و2جزيئ CO2
- يمكن لمجموعة الأستيل الأخرى الناتجة من تكسير جزيئات الدهون والأحماض الأمينية أن تتحد مع مساعد الإنزيم (أ)لتلحق بدورة كريبس
2-يدخل
جزئ أستيل مساعد الإنزيم (أ) الى دورة كريبس حيث ينفصل عنه مساعد الإنزيم
(أ) ليكرر عمله فى دورة أخرى بينما تتحد مجموعة الأستيل ثنائى الكربون
(2C) مع مركب رباعى الكربون (4C) (حمض الإكسالو أسيتيك) لينتج مركب سداسى
الكربون (6C) حمض الستريك والذى يمر بثلاث مركبات وسطية تبدأ بحمض
الكيتوجلوتاريك5C ثم حمض الساكسينك4C ثم حمض الماليك4C لتنتهى التفاعلات
بحمض الستريك مرة أخرى6C (لذلك تسمى دورة حمض الستريك)
3- يتحرر أثناء
الدورة جزيئان من CO2 وجزئ ATP وينتج ثلاث جزيئات من NADH وجزئ واحد FADH2
وذلك فى كل دورة (تتكرر الدورة مرتين لكل جزئ من مجموعة الأستيل )

1-دورة
كريبس لا تتطلب وجود أكسجين (علل؟)لأن كل الألكترونات والبروتونات التى
تزال فى أكسدة الكربون تستقبل بواسطة NAD+ و FAD (الأكسدة هى فقد
الإلكترونات)
جـ-سلسلة نقل الإلكترون Electron Transport
1-مع
نهاية دورة كريبس وفى المرحلة الاخيرة من التنفس الهوائى يمر الهيدروجين
والالكترونات العالية الطاقة والمحمولة على NADH , FADH2 خلال تتابع من
مساعدات الأنزيمات فى الغشاء الداخلى للميتوكوندريا (تسمى السيتوكرومات)
أو حاملات الالكترونات وتحمل الالكترونات على مستويات طاقة مختلفة وبمرور
الالكترونات من جزئ لآخر من السيتوكرومات تنطلق طاقة لتكون جزيئات ATP من
جزيئات ADP وتعرف بالفسفرة التأكسدية
2- يعتبر الأكسجين هو المستقبل
الأخير فى سلسلة نقل الالكترونات حيث يتحد كل إلكترونين مع 2H+مع ذرة
أكسجين لتكوين الماء حسب المعادلة2H+ + 2e- + 1/2 O2 H2O
فى سلسلة نقل الالكترونات يعطى كل جزئ من NADH ثلاث جزيئات ATP بينما
يعطى جزئ FADH2 جزيئين من ATP
3-
أى أن تأكسد جزئ واحد من الجلوكوز فى وجود الأكسجين فى عملية التنفس
الهوائى ينتج عنه 38 جزئ ATP منهما جزيئان فى السيتوبلازم (أثناء أنشطار
الجلوكوز) و36 جزئ فى الميتوكوندريا (فى مرحلة التنفس

فى مرحلة انشطار الجلوكوز ينتج 2جزئ ATPو2جزئNADH2
وعند تحول حمض البيروفيك (2جزئ) الى الأسيتيل ينتج 2جزئ NADH2
وخلال دورة كريبس (مرتين) 2جزئ ATP- 6جزئ NADH2 - و2جزئ FADH2
وخلال سلسلة نقل الالكترون ينتج عن كل جزئ NADH2 3جزيئات ATP=10×3=30جزئ ATP
وينتج عن كل جزئ FADH2عدد 2جزئ ATP=2×2=4جزئ ATP
الناتج الكلى لـ ATP =2جزئ (من انشطار الجلوكوز) +30جزئ من (10جزيئات NADH2 ) +4جزئ من2 جزئ FADH2)+2جزئ من دورتى كريبس
التنفس اللاهوائى
تتنفس الكائنات الحية مثل البكتريا واخميرة فى قلة الاكسجين (انعدام الاكسجين) (تنفس لاهوائى )
وكذلك الخلايا النباتية والحيوانية قد تتنفس لاهوائيا عندما لايتوافر الاكسجين ويعرف ذلك بالتخمر
وعملية
التخمر لا تتطلب اكسجين ولكنها تتم فى وجود مجموعة من الانزيمات وتكون
المحصلة النهائية لعملية التنفس اللاهوائى بأنشطار الجلوكوز(كما فى
الهوائى) الى جزيئين من حمض البيروفيك وتنطلق طاقة و كمية ضئيلة من الطاقة
2 جزئ ATP و2جزئ NADH ويتحول حمض البيروفيك اما الى كحول ايثيلى او حمض
لاكتيك حسب نوع الخلية =
(أ) فى الخميرة وبعض النباتات (تخمر كحولى) ويستخدم فى الصناعة
يتحول حمض البيروفيك الى كحول ايثيلى وثانى أكسيد كربون –
ب)فى العضلات وأنسجة الحيوانات تحوله الخلية الى حمض لاكتيك وتحصل على طاقة ضئيلة ويسمى التعب العضلى
إذا توافر الأكسجين يتحول حمض اللاكتيك الى حمض بيروفيك مرة أخرى ثم أستيل مساعد إنزيم أ
وفى حالة البكتريا يتحول حمض بيروفيك الى حمض اللاكتيك فى عدم وجود الأكسجين

تبادل الغازات فى الحيوان

الجهاز التنفسى فى الإنسان

1- الأنف يدخل
الهواء الجسم من الأنف أو الفم ومن الأنف أفضل لأن الأنف ممر دافئ (مبطن
بشعيرات دموية كثيرة) ورطب(لأفرازة المخاط) ومرشح (لاحتوائه على شعيرات
تعمل كمصفاة ومخاط )
2-البلعوم مشترك لكل من الهواء والغذاء
3-الحنجرة صندوق الصوت
4-القصبة الهوائية تحتوى جدرها على حلقات غضروفية تجعلها مفتوحة بأستمرار(علل؟) ومبطنة بأهداب تتحرك
من أسفل لأعلى(علل؟) لتنقية الهواء وطرد الدقائق الغريبة الى البلعوم-
وتتفرع القصبة الهوائية الى فرعين ويتفرع كل فرع الى أفرع أرفع (شعيبات) وتنتهى
بأكياس تسمى الحويصلات (600مليون فى كل رئة) وجدرها الرقيقة أسطح تنفس
فعلية(علل؟) لأنها محاطة بشبكة من الشعيرات الدموية التى يلتقط دمها
الأكسجين من هواء الحويصلات الهوائية وما يتصل بها من شعيبات
5-الرئتين تتشكل الرئة من مجموعة من الحويصلات الهوائية والشعيبات المتصلة بها والشعيرات الدموية وهما رئتان يمنى ويسرى

(ميكانيكية التنفس فى الإنسان)
يوجد
بالجهاز التنفسى فى الإنسان كغيرة من الثدييات عضلة تنفسية تسمى الحجاب
الحاجز تسهم بصفة رئيسية فى آلية التنفس ووجود مجموعتين من العضلات
الصدرية الداخلية والخارجية تعملان على تحريك الضلوع
الزفير الشهيق
تنبسط العضلات بين الضلوع
تهبط الضلوع لأسفل
ترتخى عضلة الحجاب الحاجز
يقل حجم التجويف الصدرى
يزداد الضغط داخل الرئتين
يخرج الهواء خارج الرئتين تنقبض العضلات بين الضلوع
ترتفع الضلوع لأعلى
تنقبض عضلة الحجاب الحاجز
يتسع حجم التجويف الصدرى
يقل الضغط داخل الرئتين
يدخل الهواء الى داخل الرئتين

ملاحظات
•
بعد عملية الزفير يتبقى فى الرئتين جزء من الهواء بصفة مستمرة ويسهم هذا
الهواء بدفئة فى تدفئة الهواء الجديد الداخل للرئتين بسرعة ويحافظ على
التصاق جدار الحويصلات
• والرئتين تتميزان بأن لهما مسطح كبير يتم من خلالة تبادل الغازات
•
من الطبيعى أن التغيرات فى معدل سرعة وعمق التنفس لابد أن يصاحبها تغيرات
مماثلة فى معدل ضربات القلب (وينظم ذلك مركز التنفس فى النخاع المستطيل فى
المخ)
• للجهاز التنفسى دور هام فى اخراج بعض الماء مع هواء الزفير (فى
صورة بخار ماء) فالانسان يفقد يومياً 500سم3 من الماء خلال الرئتين من
المجموع الكلى من الماء الذى يخرجة وهو حوالى 2500 سم3 ويتم هذا الفقد
نتيجة تبخر الماء الذى يرطب جدر الحويصلات الهوائية واللازم لذوبان O2 ,
CO2 ليتم تبادل الغازات بين هواء الحويصلة الهوائية والدم المحيط بها فى
الشعيرات الدموية .

التنفس فى النبات

• يمتص النبات الطاقة الضوئية
من الشمس ويحولها الى طاقة كيميائية فى عملية البناء الضوئى تخزن فى صورة
جزيئات عضوية (الجلوكوز) غنية بالطاقة
• (التنفس فى النبات ) ويقوم
النبات بتحرير هذه الطاقة ليؤدى وظائفه الحيوية فى سلسلة من الخطوات
لتفاعلات تتضمن تكسير روابط الكربون فى المادة العضوية
تنفس هوائى عن طريق الأكسدة ( فى وجود الأكسجين)
تنفس لاهوائى فى غياب الأكسجين
التنفس الهوائي
فى النبات كل خلية حية فى النباتات تكون على اتصال بالبيئة
الخارجية مما يسهل كثيراً من إنجاز عملية تبادل الغازات فى التنفس
أى أن غاز الأكسجين ينتشر داخل الخلية بينما ينتشر غاز CO2 خارج الخلية
طرق دخول الأكسجين
فى النباتات الوعائية معقدة البناء يصل الأكسجين الى الخلايا بطرق مختلفة
1- فعند فتح ثغور الأوراق يدخل الهواء الى الغرف الهوائية ومنها الى الغرف الهوائية ومنها الى المسافات البينية
2-أو يذوب مع ماء التربة خلال ممرات اللحاء ويصل الى أنسجة الساق والجذر
3- خلال عديسات الساق أو آية تشققات فى القلف
4- الأكسجين الناتج من عملية البناء الضوئى
طرق خروج غاز CO2
1-فى النباتات البسيطة ينتشر مباشرة من خلال الخلايا المعرضة للهواء أو التربة
2-فى
النباتات الراقية ( الخلايا فى عمق النبات ) تمرر غاز CO2الى الثغر فالجو
الخارجى وجزء من غاز CO2 الناتج من التنفس يستخدم فى البناء الضوئى
أى
أن تبادل الغازات (التنفس) يتم بطريقة مباشرة لأن أغلب الأنسجة الحية تكون
على اتصال مباشر بالبيئة الخارجية وبانتشار الغازات من والى خلايا العمق
وبكمية محدودة عن طريق الخشب واللحاء
علاقة البناء الضوئى فى النبات بالتنفس ما يتم فى البلاستيدة ينعكس فى الميتوكوندريا لتحرير الطاقة بالتنفس

تجربة لإيضاح انطلاق ثانى أكسيد الكربون خلال التنفس الهوائى

(أ الأجزاء الغير خضراء (البذور))
1- نضع محلول هيدروكسيد البوتاسيوم فى كأس وندخل بذور جافة (بسلة)فى معوجة ونغمر طرف ساقها فى محلول KOH فى الكأس
2- نضع محلول ملح طعام فى كأس أخرى وندخل بذور منقوعة فى الماء (نابتة) فى معوجة ونغمر طرفها فى محلول ملح الطعام NaCl فى الكأس
3- نضع محلول هيدروكسيد البوتاسيوم
KOH فى كأس ثالثة ونضع بذور منقوعة فى الماء(نابتة) فى معوجة ثالثة ونغمر طرف المعوجة فى محلول KOH
4-ونترك المعوجات الثلاثة فترة من الوقت
المشاهدة :- لا يحدث تغير فى الأنبوبتين 1و2 . أما فى الأنبوبة 3 يرتفع محلول KOH فى ساق المعوجة
النتيجة :- (الاستنتاج)
فى [1]البذور الجافة لا تتنفس بنشاط فلا يحدث تغير فى هذه الظروف
فى
[2]البذور منقوعة فى الماء وهى فى حالة نمو وإنبات يتطلب أن تتنفس بنشاط
لتحصل على ما يلزمها من طاقة - فتمتص الأكسجين من الهواء المحيط وينطلق
CO2 مقداره مساو للأكسجين الممتص بدليل عدم ظهور أي تغير فى حجم الهواء
داخل المعوجة و CO2 لا يذوب فى محلول ملح الطعام (أى أن مكونات هواء
المعوجة تغيرت ولكن حجمة ثابت )
فى[3]البذور النابتة ينشط تنفسها
وينطلق غاز CO2 بمقدار مساو للأكسجين ولأن CO2 يذوب فى محلول KOH لذلك
يندفع محلول KOH فى ساق المعوجة
- أى ينطلق غاز ثانى أكسيد الكربون ( CO2 ) من عملية التنفس [فى البذور ] غير الخضراء
وبمقارنة الحالات الثلاث نستنتج أن :-
1- البذور الجافة لا ينشط تنفسها
2- البذور النابتة نشطة التنفس ويبقى حجم الهواء ثابتاً خلال عملية التنفس لأن CO2 الناتج = حجم O2 الممتص
3- تنفس البذور النابتة (أجزاء غير خضراء) ينطلق منها CO2

(ب) الأجزاء النباتية الخضراء
تجربة
1- نأخذ نبات أخضر مزروع فى أصيص ونضعة على لوح زجاجى وبجواره كأس به
محلول ماء جير رائق وننكس فوقهما ناقوس زجاجى ونغطية بقطعة قماش سوداء
2- نعد جهاز مماثل له ولكن الأصيص خالى من أى نبات مزروع
3- نضع ماء جير رائق فى كأس بين الجهازين ونتركهما فترة من الزمن
المشاهدة :- يتعكر ماء الجير فى [1]النبات تحت الناقوس فقط
الاستنتاج :-
فى [1] النبات الأخضر المزروع فى الأصيص يتنفس ويخرج CO2 الذى يعكر ماء الجير الرائق
ملحوظة :- القماش الأسود يحجب الضوء عن النبات الأخضر فتتوقف عملية البناء
الضوئي التى تستهلك [ (CO2 من هواء الناقوس أو الناتج من التنفس
فى [2] ,[3] لايتعكر ماء الجير لصغر نسبة CO2 فى أو الهواء الجوى أو هواء الناقوس
• أى أن النبات الأخضر يتنفس ويطرد CO2
تجربة توضح عملية التخمر الكحولى
1- نأخذ دورق مخروطى الشكل نضع به محلول من السكر أو[العسل لأسود المخفف بضعف حجمه ماء ]
2- نضيف قدراً من الخميرة ونمزجها بالمحلول
3-نسد الدورق بسدادة من الفلين ينفذ منها أنبوبة توصيل نغمر طرفها فى كأس به ماء جير
4- نترك الجهاز فى مكان دافئ عدة ساعات
المشاهدة: تصاعد فقاعات غازية فوق سطح محتويات الدورق- وتعكر ماء الجير
الأستنتاج : تعكر ماء الجير يدل على تصاعد غاز CO2 من تنفس الخميرة لاهوائياً
تغير رائحة الدورق الى رائحة الكحول دليل على تنفس الخميرة لاهوائياً