تجديد الـ ATP خلال التقلص العضلي

يستلزم المجهود البدني كميات كبيرة من الطاقة يتم تحريرها انطلاقا من جزيئات الـ ATP. هذه الأخيرة يتم تجديدها باستمرار على مستوى العضلة بواسطة طرق مختلفة خلال النشاط العضلي.

قصد التعرف على طرق تجديد الـ ATP على مستوى العضلة، تم اجراء مجموعة من التجارب يلخصها الجدول أسفله.

إتجديد الـ ATP خلال التقلص العضلي

 تحليل النتائج التجريبية المحصل عليها، طرق تجديد الـ ATP 


بعد إهاجة العضلة كهربائيا، يُلاحظ انخفاض نسبة الغليكوجين و ارتفاع نسبة الحمض اللبني، تركيز الـ ATP يبقى ثابتا، مما يُفسَّر بأنه يتجدد باستمرار رغم استعمال العضلة له أثناء التقلص. ينتج الـ ATP انطلاقا من الغليكوجين الذي يوفر الكليكوز، هذا الأخير يتعرض لعملية التخمر، و يوفر بالتالي جزيئات الـ ATP.
بعد إهاجة العضلة، و كبح انحلال الكليكوز بواسطة الحمض الإیودو أسیتیك، هناك استقرار نسبة كل المواد باستثناء الفوسفوكرياتين الذي تنخفض نسبته، مما يدل على أن هذه المادة تُستعمل كمصدر لإنتاج الـ ATP في غياب الكليكوز.

في التجربة الثالثة، و بعد كبح أنزيم الفوسفوكرياتين كيناز، يبقى تركيز الفوسفوكرياتين مستقرا، لكن نسبة الـ ATP تنعدم نظرا لعدم تجديده بواسطة التخمر و بانحلال الفوسفوكرياتين.

دراسة تجريبية للتقلص العضلي

قصد دراسة التقلص العضلي، يتم تحضير عضلة بطن الساق عند الضفدعة و ربطها بعُدة تجريبية تسمى مُسجل عضلي. يمكن عزل عضلة بطن الساق كليا، كما يمكن تركها على مستوى الضفدعة وقطع وتر العقب، مع ضرورة تخريب الدماغ و النخاع الشوكي لتجنب كل حركة إرادية أو لاإرادية. تتم الإهاجة إما مباشرة بوضع إلكترودين مُهيجين على سطح العضلة (إذا كانت العضلة معزولة كليا)، أو وَضعهما على العصب الوركي. توضح الوثيقة التالية العُدة التجريبية المُنجزة.

دراسة تجريبية للتقلص العضلي

التسجيل العضلي لإهاجة واحدة فعالة


بعد ذلك، يتم تعريض العضلة للتهييج في ظروف مختلفة بتغيير شدة الإهاجة و الزمن الفاصل بين مختلف التهييجات. يُمثل الشكل أسفله، التسجيل المُحصل عليه بعد إهاجة واحدة فعالة.

تحليل التسجيل العضلي المحصل عليه

بعد تهييج العضلة بإهاجة واحدة فعالة، نحصل على تسجيل عضلي يُسمى رعشة عضلية (مُخطط عضلي). يمكن تقسيم هذا التسجيل إلى ثلاثة مراحل :
مدة الكمون : و هو الزمن الفاصل بين حادث التنبيه و استجابة العضلة للتهييج.
زمن التقلص : و هي الفترة التي يتم خلالها تقلص العضلة، حيث ينتج عنها انخفاض طول العضلة (ازدياد وُسع الرعشة العضلية).

زمن الارتخاء : و هي الفترة التي تسترجع خلالها العضلة طولَها الأصلي (انخفاض وُسع الرعشة العضلية).


تهييجات منعزلة متباعدة ومتزايدة الشدة

بعد تعريض العضلة لسلسلة تهييجات متباعدة و متزايدة الشدة، نحصل على المخطط العضلي التالي :

الحصيلة الطاقية و المردود الطاقي للتنفس و التخمر

تقديم 
تختلف الحصيلة الطاقية و مردودية كل من التنفس و التخمر، نظرا لاختلاف التفاعلات المؤدية إلى تحرير الطاقة الكامنة على مستوى الكليكوز. تمثل الوثيقتان أسفله، خطاطة تلخص مختلف الجزيئات الطاقية الناتجة عن التنفس الخلوي، و حصيلة تفاعلات التخمر اللبني.

لحصيلة الطاقية و المردود الطاقي للتنفس و التخمريحية

الحصيلة الطاقية و المردود الطاقي للتنفس و التخمر

الحصيلة الطاقية للتنفس الخلوي : خلال مرحة انحلال الكليكوز، يتم انتاج جزيئتين ATP و جزيئتين +NADH+H تبقيان خارج الميتوكندري. ينتج عن هدم جزيئتي حمض البيروفيك على مستوى ماتريس الميتوكندري، جزيئتين +NADH+H خلال تكون الأسيتيل كوانزيم A، و خلال دورتي Krebs، يتم انتاج 6 جزيئات +NADH+H أي (3 جزيئات +NADH+H خلال كل دورة)، و كذلك جزيئتين FADH2، و جزيئتين ATP.

تتعرض جزيئات +NADH+H و FADH2 إلى عملية أكسدة على مستوى الغشاء الداخلي للميتوكندري بفعل بروتينات السلسلة التنفسية، فيتم انتاج جزيئات ATP، حيث تعطي كل جزيئة +NADH+H واحدة، 3 جزيئات ATP، و كل جزيئة FADH2 واحدة، جزيئتان ATP.

بالنسبة لجزيئتي +NADH+H المتواجدتان خارج الميتوكندري، نميز حالتان حسب طبيعة الخلايا : بالنسبة لخلايا الكبد والقلب و الكلية و الخميرة، تعطي كل جزيئة +NADH+H واحدة، 3 جزيئات ATP، فتكون الحصيلة الإجمالية 38 جزيئة ATP، بينما على مستوى خلايا العضلة الهيكلية و الدماغ، تعطي كل جزيئة +NADH+H واحدة، جزيئتين ATP، فتكون الحصيلة الإجمالية 36 جزيئة ATP.

 الحصيلة الطاقية للتخمر اللبني : فيما يخص التخمر اللبني، فتكون الحصيلة الطاقية ضعيفة حيث تتجلى فقط في جزيئتي ATP الناتجتين عن انحلال الكليكوز، بينما جزيئتا +NADH+H، فتتم أكسدتهما من جديد إلى +NAD.

إذن فالحصيلة الطاقية للتنفس الخلوي (36 جزيئة ATP)، أكبر بكثير من الحصيلة الطاقية للتخمر اللبني (جزيئتان ATP)

مصير حمض البيروفيك خلال التخمر

في غياب الأكسجين، تقوم بعض الخلايا بتفاعلات لاهوائية، حيث يبقى حمض البيروفيك على مستوى الجبلة الشفافة للخلية و يتعرض لهدم جزئي تنتج عنه جزيئات عضوية صغيرة إضافة إلى كمية ضعيفة من الطاقة. تمثل الوثيقة أسفله مراحل نوعين من التخمر، و هما التخمر اللبني و التخمر الكحولي.

مصير حمض البيروفيك خلال التخمر

مصير حمض البيروفيك خلال التخمر

خصائص نوعي ظاهرة التخمر

التخمر اللبني : بعد انحلال الكليكوز الذي ينتج عنه جزيئتين +NADH+H و جزيئتين ATP و جزيئتين حمض البيروفيك، تتحول الأخيرتان إلى جزيئتين من الحمض اللبني مع أكسدة +NADH+H إلى +NAD الضروري لاستمرار انحلال الكليكوز.

التخمر الكحولي : يتحول حمض البيروفيك الناتج عن انحلال الكليكوز، إلى كحول إيتيلي (إيثانول) مع أكسدة +NADH+H إلى +NAD ، إضافة إلى طرح CO2.

السلسلة التنفسية و شروط تركيب الـ ATP

لتعرف على الدور الذي تلعبه بروتينات السلسلة التنفسية، نقترح دراسة المعطيات التجريبية التالية :

تم وضع ميتوكندريات في شكل محلول عالق في وسط مغلق خال من الأكسجين O2، ثم تم تتبع تغير تركيز البروتونات +H قبل و بعد إضافة الأكسجين (الشكل أ).بوجود الأكسجين، تكون سرعة النقل الغشائي للبروتونات +H مرتفعة عند توفر النواقل المختزلة +NADH+H و FADH2 على مستوى الماتريس، كما أن تركيز البروتونات +H يرتفع في الحيز البيغشائي و ينخفض في الماتريس. نشير إلى أن الغشاء الخارجي للميتوكندري نفوذ للبروتونات +H.

1. تحليل منحنى الشكل من الوثيقة أعلاه 

قبل إضافة الأكسجين إلى الوسط، كان تركيز البروتونات +H تابثا، لكن مباشرة بعد إضافة الأكسجين إلى الوسط، عرف تركيز البروتونات +H ارتفاعا سريعا ثم بدأ بالانخفاض بشكل تدريجي

2. تفسير النتائج المحصل عليها من خلال هذه التجربة

يتميز الغشاء الداخلي للميتوكندري بوجود بروتينات تسمى السلسلة التنفسية، تتميز هذه الجزيئات باختلاف جهد الأكسدة اختزال الخاص بها، الشيء الذي يمكنها من تقبل و إعطاء الإلكترونات. يمثل الشكل ب من الوثيقة، جهد الأكسدة اختزال لبعض هذه الجزيئات. تمثل الأسهم بين هذه الجزيئات إلى انتقال االإلكترونات

3.  اتجاه تنقل الإلكترونات، و المسار الذي تأخده

، يتبين أن بروتينات السلسلة التنفسية تتميز بجهد أكسدة اختزال مختلف، الشيء الذي يمكن الجزيئات ذات الجهد أكسدة اختزال الأكبر من انتزاع الإلكترونات من الجزيئات ذات جهد الأكسدة اختزال الأقل، و بالتالي، فالإلكترونات تنتقل من +NADH+H ذي جهد الأكسدة اختزال الأضعف باتجاه البروتين T1، ثم T2 ثم T3… إلى أن تصل إلى آخر متقبل للإلكترونات و هو الأكسجين ذي جهد الأكسدة اختزال الأكبر، و الذي يتم اختزاله إلى جزيئة الماء H2O

هدم حمض البيروفيك داخل الميتوكندري

مصير حمض البيروفيك

للكشف عن مصير حمض البيروفيك على مستوى الميتوكندري، نقترح المعطيات التجريبية التالية :

* تم هرس خلايا كبد فأر، و بواسطة تقنية النبذ، تم عزل الميتوكندريات.
* تم خلط هذه العضيات بمحلول عيار ملائم، و وُضع في مفاعل إحيائي لعدة ExAO.
* أُضيف إلي المحلول كمية من الكليكوز في الزمن t1، و كمية من حمض البيروفيك في الزمن t2.
* نتتبع على شاشة الحاسوب تطور تركيز الأكسجين في المفاعل. يمثل الشكل جانبه النتائج المحصل عليها

1. تحليل النتائج التجريبية المحصل عليها من خلال هذه التجربة.

قبل إضافة الكليكوز إلى المفاعل الإحيائي، كان تركيز الأكسجين مستقرا، و بقي كذلك بعد إضافته.

بعد إضافة حمض البيروفيك إلى المفاعل الإحيائي، لوحظ انخفاض في تركيز الأكسجين
استنتاج
بعد دخوله إلى الميتوكندري، يتعرض حمض البيروفيك للهدم عبر مجموعة من التفاعلات تتلخص في مرحلتين توضحهما الوثيقتان أسفله..

المرحلة الاولى

المرحلة الثانية

 مختلف التفاعلات التي تتعرض لها جزيئة حمض البيروفيك على مستوى الميتوكندري.

يتم هدم حمض البيروفيك على مستوى ماتريس الميتوكندري بوجود الأكسجين، و ذلك من خلال مرحلتين :

المرحلة الاولى : تكون الأسيتيل كوانزيم A : حيث تتحول كل جزيئة حمض البيروفيك إلى جزيئة أسيتيل كوانزيم A مع تشكل جزيئة واحدة من +NADH+H و طرح جزيئة واحدة من CO2.

المرحلة الثانية : دورة Krebs : يتم خلال هذه المرحلة، هدم كلي لجزيئة الأسيتيل كوانزيم A عبر مجموعة من التفاعلات علي شكل حلقة تتميز بإزالة الكربون و تحرير CO2، إضافة إلى اختزال مجموعة من المركبات (+NAD و FAD)، فيتم تشكل نواقل مختزَلة : +NADH+H و FADH2، إضافة إلى جزيئة ATP.

خلاصة
في نهاية انحلال الكليكوز يتم انتاج جزيئتين من حمض البيروفيك و جزيئتين ATP، بعد ذلك، على مستوى ماتريس الميتوكندري ينتج عن كل جزيئة حمض البيروفيك تم هدمها، جزيئة واحدة من ATP (إثنان بالنسبة لكل جزيئة كليكوز)، و هي حصيلة طاقية ضعيفة. بالمقابل، هناك انتاج عدد كبير من النواقل المختزَلة، المخزِّنة لكميات كبيرة من الطاقة. هذه الجزيئات، ستتعرض لاحقا لعملية أكسدة ينتج عنها تحرير الطاقة و تشكل عدد كبير من جزيئات ATP.
دورة krebs :  دورة krebs
عبارة عن مجموعة من التفاعلات تحدث داخل
ماتريس الميتوكندري، حيث يتم الهدم الكلي لجزيئة الأسيتيل كوانزيم A (الناتجة عن تحول حمض البيروفيك)، عبر مجموعة من التفاعلات علي شكل حلقة تتميز بإزالة الكربون و تحرير CO2، إضافة إلى اختزال مجموعة من المركبات (+NAD و FAD)، فيتم تشكل نواقل مختزَلة :+NADH+H و FADH2، إضافة إلى جزيئة ATP.

بنية الميتوكندري

الميتوكندري



تتواجد الميتوكندريات على مستوى جميع الخلايا النباتية و الحيوانية (باستثناء البكتيريات)، حيث تساهم في تحويل الطاقة الكامنة على مستوى المادة العضوية.
ينتقل حمض البيروفيك الناتج عن انحلال الكليكوز الى داخل الميتوكندري، و ذلك في حالة تواجد الأكسجين في الوسط، حيث يتعرض لهدم ينتج عنه تحرير الطاقة.

تمثل الوثيقة أسفله رسما تخطيطيا لميتوكندري و مكوناته.

مقارنة مكونات الغشائين الداخلي و الخارجي للميتوكندري و مميزات الماتريس من خلال الجدول 

من خلال الجدول، يتبين أن كلا من الغشاء الداخلي و الغشاء الخارجي يختلفان عن بعضهما فيما يخص نسبة البروتينات و الدهنيات، حيث أن الغشاء الخارجي ذو تركيب قريب من التركيب الجزيئي للغشاء السيتوبلازمي، أما الغشاء الداخلي، فيتفرع داخل الماتريس و يضم مجموعة من الأنزيمات مثل الـ ATP سانتيتاز المكونة للكرات ذات شمراخ.

من جهة أخرى، تتميز الماتريس بتواجد جزيئات صغيرة مثل حمض البيروفيك و غياب الجزيئات الكبيرة مثل الكليكوز، إضافة إلى عدة أنزيمات، و بعض المكونات مثل ATP، ADP، و Pi.

التفاعلات المسؤولة عن تحرير الطاقة الكامنة في المادة العضوية على مستوى الخلية

تقديم
تعتبر النباتات اليخضورية كائنات حية ذاتية التغذية، حيث تقوم بإنتاج المادة العضوية انطلاقا من الضوء والماء والأملاح المعدنية وثنائي أكسيد الكربون، من خلال عملية التركيب الضوئي. هذه الأخيرة تسمح بتحويل الطاقة الضوئية الى طاقة كيميائية كامنة على مستوى المادة العضوية.
تحرير الطاقة الكامنة في المادة العضوية على مستوى الخلية
تقوم النباتات بعملية التركيب الضوئيالمصدر

تقوم باقي الكائنات الحية، غير ذاتية التغذية، باستعمال هذه المادة العضوية، حيث تعتبر المصدر الأساسي للطاقة، إضافة الى كونها تستعمل كذلك لبناء وتجديد المادة الحية.

تساؤلات

*- كيف تقوم الخلايا باستخلاص الطاقة الكامنة على مستوى المادة العضوية ؟
*- ما هي العضيات المتدخلة خلال هذه العملية ؟
*- هل تقوم خلايا الكائنات الحية باستخلاص الطاقة من المواد العضوية بنفس الكيفية ؟


1- الكشف عن الظواهر المسؤولة عن تحرير الطاقة و موقعها
1-1) موقع التنفس و التخمر
معطيات تجريبية : قصد دراسة سلوك خلايا الخميرة تُجاه المواد العضوية في غياب الأكسجين، تم تحضير محلول لخلايا الخميرة، أُضِيف له الكليكوز في إناء مغلق (وسط يفتقر للأكسجين). استُعملت عُدة ExAO لقياس تغير تراكيز الأكسجين وثنائي أوكسيد الكربون والكحول الإيتيلي (الإيتانول). تُمثل الوثيقة أسفله، العدة التجريبية والنتائج المحصل عليها.

تحليل النتائج المحصل عليها خلال هذه التجربة.
في بداية التجربة، كان الوسط يتوفر على نسبة ضعيفة من الأكسجين، لكنه انخفض تدريجيا الى أن انعدم بعد حوالي 200s. بالموازاة مع ذلك، كان هناك ارتفاع لنسبة ثنائي أوكسيد الكربون طيلة التجربة، ثم ظهور الإيتانول في الوسط ابتداءا من الثانية 200 من بداية التجربة
تفسر هذه النتائج،  وتوضح كيف تمكن من تحديد خصائص هذه الظاهرة..
استهلاك الأكسجين في بداية التجربة يدل على أن خلايا الخميرة اعتمدت على ظاهرة التنفس الخلوي لهدم الكليكوز. لكن مباشرة بعد اختفاء الأكسجين في الوسط، بدأت خلايا الخميرة في طرح الإيتانول، واستمرت في طرح ثنائي أوكسيد الكربون، كنتيجة لتفاعلات تحدث في غياب الأكسجين، إنها ظاهرة التخمر.
استنتاج
*يتبين من خلال المعطيات السابقة أن ظاهرة التخمر توفر الطاقة الضرورية لخلايا الخميرة على الرغم من غياب الأكسجين في الوسط، كما ينتج عنها كحول إيتيلي وثنائي أوكسيد الكربون، فيسمى هذا التخمر، تخمرا كحوليا.

2-1)  انحلال الكليكوز

تعتمد الخلايا، لاستخلاص الطاقة، على مدخراتها من مواد القيت، خاصة السكريات. هذه الأخيرة تتشكل من مجموعة من الجزيئات، أهمها الكليكوز. هذا الكليكوز يتعرض للهدم (انحلال)، على مستوى الجبلة الشفافة للخلايا عبر مجموعة من التفاعلات، ينتج عنها مُركبات عضوية وطاقية.
يمثل الشكل اسفله، التركيب الجزيئي للكليكوز، والذي يتكون من ذرات الكربون و الأكسجين و الهيدروجين (C6H12O6). ترتبط ذرات الكربون فيما بينها بروابط تساهمية تخزن طاقة كبيرة

ملحوضة:
تعتبر الـ ATP (أدينوزين ثلاثي فوسفات)، جزيئة طاقية تتكون من قاعدة آزوتية و سكر ريبوزي، إضافة إلى ثلاث مجموعات فوسفاتية. تُخزِن الروابط التساهمية بين المجموعات الفوسفاتية، طاقة مهمة، يتم توفيرها للخلية للقيام بمختلف أنشطتها وذلك بتحرير إحدى المجموعات الفوسفاتية، فيتحول الـATP إلى ADP (أدينوزين ثنائي فوسفات). عند هدم المواد العضوية، يتم تخزين الطاقة المحررة، و ذلك بتركيب ATP إضافة إلى تَشكُل نواقل مُختزَلة (+NADH+H و FADH2).

تتم عملية  انحلال الكليكوز عبر مجموعة من التفاعلات، يمكن تلخيصها في ثلاثة مراحل. توضح الوثائق أسفله، أبرز هذه التفاعلات مع المُركبات الناتجة في كل مرحلة.

يتم انحلال الكليكوز عبر مجموعة من التفاعلات، تحفزها أنزيمات نوعية :

المرحلة الاولى : يتم خلالها تثبيت مجموعات فوسفاتية على مستوى جزيئة الكليكوز، انطلاقا من جزيئتين ATP، فتتشكل في نهاية هذه المرحلة جزيئة فريكتوز 6,1 ثنائي فوسفات. يلاحظ خلال هذه المرحلة، أن الخلية تفقد طاقة بحلمأتها لجزيئتين ATP، هذا الأمر يهدف الى تعديل بنية جزيئة الكليكوز، بحيث يمكن لاحقا استخلاص طاقة أكبر منها.

المرحلة الثانية : خلال هذه المرحلة تنشطر جزيئة فريكتوز 6,1 ثنائي فوسفات (المُشكَلة من 6 ذرات من الكربون)، إلى جزيئتين غليسير ألدييد 3 فوسفات (مُشكَلتين من 3 ذرات من الكربون)، كل واحدة منهما ستتحول إلى حمض غليسيري 3,1 ثنائي فوسفات. هذا التحول يكون مُصاحَبا باختزال جزيئتين +NAD إلى +NADH+H، إضافة إلى تثبيت الفوسفات اللاعضوي Pi على كل جزيئة ناتجة.

المرحلة الثالثة: تعرف هذه المرحلة تركيب جزيئات ATP، حيث تتم إزالة الفوسفات من الحمض الغليسيري 3,1 ثنائي فوسفات عبر مرحلتين، فيَنتُج حمض البيروفيك. يساهم الفوسفات المحرر في تركيب جزيئات ATP من خلال تفسفر ADP. يَنتُج عن تشكل كل جزيئة حمض البيروفيك، تركيب جزيئتين ATP.

الحصيلة الكيميائية و الطاقية لانحلال الكليكوز.
انطلاقا من جزيئة واحدة من الكليكوز، يتم الحصول في نهاية انحلاله، على جزيئتين من حمض البيروفيك. فيما يخص الحصيلة الطاقية، فيعرف انحلال الكليكوز تشكل جزيئتين +NADH+H، و هي عبارة عن جزيئات ناقلة للإلكترونات يتم استغلالها لاحقا لإنتاج الطاقة. كذلك هناك انتاج 4 جزيئات ATP، و في المقابل، استهلاك جزيئتين ATP، مما يجعل حصيلة انحلال الكليكوز إيجابية تتجلى في جزيئتين ATP.

خلاصة :
يتم انحلال الكليكوز على مستوى الجبلة الشفافة للخلايا، و ذلك عبر مجموعة من المراحل تعرف في نهايتها   تشكل جزيئتين من حمض البيروفيك، اضافة إلى إنتاج جزيئتين ATP.
بعد ذلك، يعرف حمض البيروفيك مصيرين مختلفين حسب ظروف الوسط : في وجود الأكسجين، سينتقل إلى الميتوكندري حيث سيتعرض لمجموعة من التفاعلات (التنفس)، و في غياب الأكسجين، سيبقى في الجبلة الشفافة للخلية (التخمر).