أحياء المرحلة الثانوية · Grades 10–12

4استقلاب الخلية

شُدّ بالونًا على عنق دورق فيه ماء سكري دافئ وملعقة من خميرة الخباز. ففي غضون ساعة يعكرّ السائل ويفور، وينتصب البالون، وتفوح من الدورق رائحة خفيفة من الخبز والجعة. خلايا الخميرة تأكل السكر وتحوله إلى شيء آخر، والغاز الذي تطلقه هو ثاني أكسيد الكربون نفسه الذي تزفره أنت. أما الورقة في الشمس فتفعل العكس: تأخذ ثاني أكسيد الكربون وتطلق الأكسجين. وكلا الأمرين كيمياء، تجري داخل الخلايا، عند حرارة الجسم، بلا لهب ولا حمض — وهذا الفصل عن تلك الكيمياء.

4.1 الاستقلاب: كيمياء الخلية

تعريف 4.1 (الاستقلاب)

استقلاب خلية ما هو مجموع التفاعلات الكيميائية التي تجري داخلها: تلك التي تفكك الجزيئات لتحرير طاقة، وتلك التي تبني جزيئات الخلية نفسها من جزيئات أبسط. ويقود كل تفاعل من تفاعلات الاستقلاب إنزيم، وهو بروتين يسرّع تفاعلًا واحدًا بعينه دون أن يستهلك فيه.

قضية 4.2 (الإنزيمات تجعل كيمياء الخلية ممكنة)

الغلوكوز المتروك في الهواء عند $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ لا يحترق؛ أما في الخلية فيؤكسد أكسدة تامة في دقائق. والفرق هو الإنزيمات: فكل إنزيم يرتبط بجزيء بعينه (هو ركيزته)، ويحوله إلى ناتج، ويطلقه، ويعيد الكرة، آلاف المرات في الثانية. فاستقلاب الخلية إذن تثبته مجموعة الإنزيمات التي تملكها — وتلك المجموعة تثبتها مورّثاتها.

برهان. نقبله في هذا المستوى. ∎

مثال 4.3 (إنزيم واحد في العمل)

صب ماء أكسجينيًا على قطعة كبد نيئة أو بطاطا: فترغي بعنف إذ ينطلق الأكسجين. فإنزيم الكاتالاز، الموجود في كل خلية تقريبًا، يشطر الماء الأكسجيني السام إلى ماء وأكسجين بمعدل ملايين الجزيئات في الثانية لكل جزيء إنزيم. واسلق الكبد أولًا فلا يحدث شيء: فالإنزيم، وهو بروتين، قد هدمته الحرارة. أما الماء الأكسجيني على حجر فلا يرغي، وهذا يبين أن التفاعل لا يجري من تلقاء نفسه.

يرتبط الإنزيم بركيزته، ويحولها، ويطلق الناتج، وهو نفسه لم يتغير. ويستطيع جزيء إنزيم واحد أن يعيد الدورة آلاف المرات في الثانية.

4.2 طريقتان في تغذية الخلية

تعريف 4.4 (التغذي الذاتي والتغذي غير الذاتي)

الخلية ذاتية التغذي إذا بنت جزيئاتها العضوية من المادة المعدنية وحدها — ثاني أكسيد الكربون والماء والأملاح المعدنية — مستعملة مصدر طاقة خارجيًا. والخلايا النباتية ذات البلاستيدات الخضراء والطحالب وبعض البكتيريا ذاتية التغذي، ومصدر طاقتها الضوء: وهذا هو التركيب الضوئي. أما الخلية غير ذاتية التغذي فعليها أن تأخذ جزيئات عضوية صنعتها كائنات أخرى، مادةَ بناء ومصدرَ طاقة معًا: كالخلايا الحيوانية والفطريات ومعظم البكتيريا وخلايا النبات غير الخضراء (خلايا الجذر مثلًا).

قضية 4.5 (التركيب الضوئي)

في الضوء، تمتص الخلية ذات البلاستيدات الخضراء ثاني أكسيد الكربون والماء، وتطلق الأكسجين، وتبني الغلوكوز، ثم تحوله إلى نشاء وسللوز ودهون، وإلى حموض أمينية بنيتروجين معدني. وباختصار:

6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O} \xrightarrow{\ \text{ضوء، يخضور}\ } \mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2}.

وتخزن طاقة الضوء في الروابط الكيميائية للغلوكوز.

شواهد. معلق من الطحلب الأخضر Chlorella في وعاء محكم مزود بمسبار أكسجين يبين الأكسجين المنحل يرتفع باطراد حين يضاء المصباح ويهبط حين يطفأ؛ ويتوقف الارتفاع إذا نزع ثاني أكسيد الكربون من الماء. والأوراق التي تبقى في الظلام يومين لا تعود تعطي اللون الأزرق الأسود مع اليود، والورقة المغطى نصفها برقاقة معدنية لا تتلون إلا في نصفها المكشوف: فالنشاء يصنع حيث يقع الضوء. وثاني أكسيد الكربون المشع الذي يقدم لنبات ينتهي في سكرياته في دقائق. ∎

الأكسجين المنحل في معلق محكم من Chlorella. في الضوء تطلق الطحالب الأكسجين أسرع مما تستهلكه؛ وفي الظلام لا يبقى إلا تنفسها فيهبط الأكسجين. وكل ميل نسبةُ تغير، تقرأ بالمليغرام لكل لتر في الدقيقة. — الأكسجين المنحل في معلق محكم من *Chlorella*. في الضوء تطلق الطحالب الأكسجين أسرع مما تستهلكه؛ وفي الظلام لا يبقى إلا تنفسها فيهبط الأكسجين. وكل ميل نسبةُ تغير، تقرأ بالمليغرام لكل لتر في الدقيقة.

مثال 4.6 (الأوغلينا، الأمران معًا)

الأوغلينا الوحيدة الخلية لها بلاستيدات خضراء وتسبح بسوط. في الضوء، في ماء معدني، تنمو: فهي ذاتية التغذي. وفي الظلام لا تبقى حية إلا إذا أضيفت جزيئات عضوية إلى الماء تمتصها: فهي غير ذاتية التغذي. وإذا طال بقاؤها في الظلام فقدت بلاستيداتها الخضراء؛ وإذا أعيدت إلى الضوء صنعتها من جديد بعد بضعة أيام من الصبر. فاستقلابها يتوقف على مورّثاتها، وهي تتيح الخيارين، وعلى محيطها، وهو ينتقي أحدهما.

4.3 استخلاص الطاقة من الجزيئات العضوية

قضية 4.7 (التنفس الخلوي)

كل خلية، ذاتية التغذي كانت أو غير ذاتية، تحصل على طاقة قابلة للاستعمال بتفكيك جزيئات عضوية. وحين يتوفر الأكسجين يكون التفكيك تامًا — وهذا هو التنفس الخلوي، في المتقدرات:

\mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2} \longrightarrow 6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O} + \text{طاقة},

أي نحو $2870\,\mathrm{kJ}$ لكل مول من الغلوكوز ( $180\,\mathrm{g}$ )، يقتنص منها نحو 40% في جزيء صغير هو ATP، تسحب منه كل عملية تحتاج إلى طاقة في الخلية — حركة ونقل وتركيب — ؛ أما الباقي فيتحرر حرارةً.

شواهد. الخميرة في وعاء محكم مزود بمسبار أكسجين لا تستهلك أكسجينًا وهي جائعة؛ أضف الغلوكوز فيهبط الأكسجين المنحل بنسبة ثابتة بينما يظهر ثاني أكسيد الكربون، حتى ينفد الأكسجين. والبذور المنبتة في وعاء عازل ترفع حرارته عدة درجات في يوم — وهي حرارة التنفس — بينما لا ترفعها البذور المسلوقة. وخلايا العضلة تحت المجهر الإلكتروني مكتظة بالمتقدرات، وسم المتقدرات يوقف العضلة. ∎

الأكسجين المنحل في معلق محكم من الخميرة. الخميرة الجائعة لا تستهلك شيئًا يذكر؛ وحالما يضاف الغلوكوز يهبط الأكسجين بمقدار 1.0\, mg/ L في الدقيقة — وهي نسبة التنفس — حتى ينفد. — الأكسجين المنحل في معلق محكم من الخميرة. الخميرة الجائعة لا تستهلك شيئًا يذكر؛ وحالما يضاف الغلوكوز يهبط الأكسجين بمقدار $1.0\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ في الدقيقة — وهي نسبة التنفس — حتى ينفد.

تعريف 4.8 (التخمر)

من دون أكسجين، تفكك بعض الخلايا الغلوكوز تفكيكًا جزئيًا فقط، في السيتوبلازم، إلى جزيئات عضوية أصغر لا تزال تحمل معظم الطاقة: وهذا هو التخمر. فالخميرة تجري التخمر الكحولي،

\mathrm{C_6H_{12}O_6} \longrightarrow 2\,\mathrm{C_2H_5OH} + 2\,\mathrm{CO_2} + \text{طاقة},

وخلايا العضلة الشحيحة الأكسجين، وكذلك بكتيريا اللبن الرائب، تجري التخمر اللبني، فتحول الغلوكوز إلى حمض لبني. والتخمر يعطي من ATP لكل غلوكوز نحو خمسة عشر ضعفًا أقل مما يعطيه التنفس.

خميرة تخمّر السكر في دورق: ثاني أكسيد الكربون الناتج من التخمر الكحولي ينفخ البالون. ولما لم يكن في السائل أكسجين، لم يفكك السكر إلا جزئيًا وبقي الإيثانول.

مثال 4.9 (الخميرة في الهواء وخارجه)

الخميرة التي يمرر فيها الهواء تستعمل الغلوكوز باقتصاد وتنمو سريعًا: فهي تتنفس. والخميرة نفسها في خزان محكم تستعمل الغلوكوز بنهم، وتنمو قليلًا، وتصنع الإيثانول: فهي تخمّر. وقد سمى باستور، الذي وصف ذلك سنة 1861، التخمر «حياةً بلا هواء»؛ فالخلايا تحوّل استقلابها إلى السبيل الذي يتيحه محيطها، ولما كان التخمر يعطي طاقة ضئيلة لكل غلوكوز، وجب أن تحرق سكرًا أكثر بكثير لتحيا.

تياران في استقلاب الخلية. التركيب الضوئي يخزن طاقة الضوء في المادة العضوية؛ والتنفس، في كل خلية، يحررها. وذاتيات التغذي تجري الأمرين؛ أما غير ذاتيات التغذي فلا تجري إلا الثاني وعليها أن تُطعم مادة عضوية.

4.4 ما الذي يقرر استقلاب الخلية

قضية 4.10 (المورّثات والمحيط)

يتوقف استقلاب الخلية على أمرين: على عدتها — أي الإنزيمات والعضيات التي تتيح لها مورّثاتها بناءها، حتى إن خلية بلا يخضور لا تستطيع التركيب الضوئي أبدًا — وعلى محيطها — من ضوء وأكسجين ومغذيات متوفرة — وهو الذي يقرر أي السبل الممكنة يجري فعلًا. فالخميرة متنفسة في الهواء ومخمّرة من دونه؛ والأوغلينا ذاتية التغذي في الضوء وغير ذاتية في الظلام؛ وخلية جذر نبات أخضر غير ذاتية التغذي طول حياتها، تغذيها الأوراق.

برهان. نقبله في هذا المستوى. ∎

طريقة 4.11 (قراءة أثر استقلابي)

تعطي تجارب مسبار الأكسجين تركيزًا بدلالة الزمن.

عيّن ما الذي تغير عند كل لحظة معلَّمة (إضاءة، إضافة ركيزة، نفاد أكسجين).
اقرأ ميل كل قطعة مستقيمة: الارتفاع على الامتداد، بوحدة $\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ في الدقيقة. فالميل الموجب يعني إنتاجًا صافيًا للأكسجين، والسالب استهلاكًا صافيًا.
تذكّر أن الخلية التي تجري التركيب الضوئي تتنفس أيضًا: فالميل في الضوء هو الإنتاج ناقص التنفس، والنسبة الحقيقية للتركيب الضوئي هي ميل الضوء زائد قيمة ميل الظلام.
حوّل إذا طلب منك: عند هذه التراكيز، $1\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ من الأكسجين المنحل هي $1/32$ مليمول في اللتر.

مثال 4.12 (النسبة الحقيقية عند الطحلب)

في شكل Chlorella يرتفع الأكسجين $2.5\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ في 5 دقائق من الضوء (الميل $+0.5$ ) ويهبط $0.5\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ في 5 دقائق من الظلام (الميل $-0.1$ ). والتنفس يستهلك $0.1\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ في الدقيقة في الضوء كذلك، فالتركيب الضوئي ينتج $0.5 + 0.1 = 0.6\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ في الدقيقة: أي ستة أمثال ما يستهلكه التنفس. فالطحلب منتج صاف للأكسجين وللمادة العضوية، ولذلك ينمو.

4.5 تمارين

تمرين 4.1 ★

عرّف الاستقلاب، واذكر ما الإنزيم وما الذي يفعله.

حل

حل التمرين 4.1.

الاستقلاب هو مجموع التفاعلات الكيميائية كلها في الخلية، وهي تفكك الجزيئات للطاقة وتبني جزيئات الخلية نفسها. أما الإنزيم فبروتين يسرّع تفاعلًا واحدًا بعينه، يرتبط بركيزته ويطلق الناتج، دون أن يستهلك.

تمرين 4.2 ★

اكتب المعادلة الإجمالية للتنفس الخلوي وللتركيب الضوئي. بأي معنى يكون أحدهما عكس الآخر، وبأي معنى لا يكون؟

حل

حل التمرين 4.2.

التنفس: $\mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2} \to 6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O}$ + طاقة. والتركيب الضوئي: $6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O}$ + ضوء $\to \mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2}$ . فحصيلة المادة الإجمالية معكوسة؛ لكن التفاعلات والإنزيمات والمواضع (المتقدرة مقابل البلاستيدة الخضراء) ومصادر الطاقة (الروابط الكيميائية مقابل الضوء) مختلفة كل الاختلاف.

تمرين 4.3 ★

صنّف إلى ذاتي التغذي وغير ذاتي: فطر، وطحلب، وخلية جذر جزرة، وكلوريلا، وبكتيريا اللبن الرائب، وخلية عضلة بشرية.

حل

حل التمرين 4.3.

غير ذاتية التغذي: الفطر، وخلية جذر الجزرة، وبكتيريا اللبن الرائب، وخلية العضلة البشرية. وذاتية التغذي: الطحلب والكلوريلا.

تمرين 4.4 ★

في تجربة الخميرة والبالون، ما الغاز الذي ينفخ البالون، وما الناتج السائل الذي يتراكم، وما الذي يفتقر إليه الدورق مما كان ليغير النتيجة؟

حل

حل التمرين 4.4.

ثاني أكسيد الكربون ينفخ البالون؛ والإيثانول يتراكم في السائل. ويفتقر الدورق إلى الأكسجين: فلو مرر فيه الهواء لتنفست الخميرة، ولم تصنع إيثانولًا، ولاستعملت سكرًا أقل بكثير.

تمرين 4.5 ★

لماذا لم يعد الكبد المسلوق يرغي الماء الأكسجيني؟

حل

حل التمرين 4.5.

الكاتالاز بروتين؛ والسلق يهدم شكله ومن ثم نشاطه، والماء الأكسجيني لا يتفكك سريعًا من تلقاء نفسه.

تمرين 4.6 ★★

في شكل الخميرة، يهبط الأكسجين من $7.9\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ إلى $0.9\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ بين الدقيقتين 3 و10. احسب نسبة التنفس بوحدة $\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ في الدقيقة. ولماذا يستوي المنحني بعد الدقيقة 10، وماذا تفعل الخميرة عندئذ؟

حل

حل التمرين 4.6.

$(7.9 - 0.9)/7 = 1.0\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ في الدقيقة. ويستوي المنحني لأن الأكسجين نفد؛ فتتحول الخميرة عندئذ إلى التخمر، وهو لا يستهلك أكسجينًا.

تمرين 4.7 ★★

كلوريلا في الضوء يبلغ ميل أكسجينها $+0.8$ $\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ في الدقيقة، وفي الظلام $-0.2$ . احسب نسبة التركيب الضوئي.

حل

حل التمرين 4.7.

$0.8 + 0.2 = 1.0\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ في الدقيقة: فميل الضوء هو الإنتاج ناقص التنفس الذي يستمر في الضوء.

تمرين 4.8 ★★

خلية تتنفس $18\,\mathrm{g}$ من الغلوكوز. ما كتلة الأكسجين التي تستعملها وما كتلة ثاني أكسيد الكربون التي تطلقها؟ (الكتل المولية: الغلوكوز $180\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ، و $\mathrm{O_2}$ $32\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ، و $\mathrm{CO_2}$ $44\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ .)

حل

حل التمرين 4.8.

$18\,\mathrm{g}$ هي $0.1\,\mathrm{mol}$ من الغلوكوز؛ وتحتاج إلى $0.6\,\mathrm{mol}$ من الأكسجين، أي $0.6 \times 32 = 19.2\,\mathrm{g}$ ، وتطلق $0.6\,\mathrm{mol}$ من ثاني أكسيد الكربون، أي $0.6 \times 44 = 26.4\,\mathrm{g}$ .

تمرين 4.9 ★★

بازلاء منبتة في وعاء عازل ترفع حرارته $4\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ في يوم؛ ولا ترفعها البازلاء المسلوقة. فسّر النتيجتين، وقل لماذا يجب ألا يغلق الوعاء إغلاقًا محكمًا.

حل

حل التمرين 4.9.

البازلاء المنبتة تتنفس مدخراتها وتحرر حرارة؛ أما البازلاء المسلوقة فميتة وقد هدمت إنزيماتها، فلا تفاعل ولا حرارة. ولو أغلق الوعاء إغلاقًا محكمًا لنفد الأكسجين وتوقف التنفس.

تمرين 4.10 ★★

ورقة خضراء تحفظ في الظلام 48 ساعة، ثم يغطى نصفها بورق أسود ويوضع النبات في الشمس يومًا. ثم يوضع عليها اليود. تنبأ بالنتيجة على كل نصف وفسّرها، وقل لماذا لزمت الساعات الثماني والأربعون من الظلام.

حل

حل التمرين 4.10.

النصف المكشوف يعطي الأزرق الأسود (نشاء صنعه التركيب الضوئي في الضوء)؛ والنصف المغطى لا يعطيه. والساعات الثماني والأربعون من الظلام تتيح للورقة أن تستهلك نشاءها السابق، حتى يكون كل نشاء يوجد راجعًا إلى ضوء ذلك اليوم.

تمرين 4.11 ★★

فسّر لماذا تستهلك الخميرة في خزان محكم سكرًا أسرع بكثير، لكل خلية، من الخميرة التي يمرر فيها الهواء.

حل

حل التمرين 4.11.

التخمر يعطي من ATP لكل غلوكوز نحو خمسة عشر ضعفًا أقل مما يعطيه التنفس؛ فلتحصل الخلية المخمّرة على ما تحتاج إليه من ATP وجب أن تفكك سكرًا أكثر خمس عشرة مرة في الدقيقة.

تمرين 4.12 ★★★

تصير عضلات عدّاء موجعة وحامضية بعد سباق 400 متر. فسّر ما جرى في خلايا العضلة، ولماذا جرى، ولماذا لا تصير عضلات العدّاء نفسه حامضية في هرولة بطيئة.

حل

حل التمرين 4.12.

أثناء السباق فاقت حاجة العضلة إلى ATP ما يستطيع الدم إيصاله من الأكسجين؛ فتحولت الخلايا إلى التخمر اللبني، وتراكم ناتجه، وهو الحمض اللبني. أما في الهرولة البطيئة فإمداد الأكسجين يجاري الحاجة، والتنفس وحده يوفر ATP، ولا يصنع حمض.

تمرين 4.13 ★★★

أوغلينا تبقى شهرًا في الظلام مع غذاء عضوي تفقد بلاستيداتها الخضراء، لكن ذريتها تستعيدها في الضوء. أي عاملي القضية 4.10 تغير وأيهما لم يتغير؟ وما الذي يثبته الاسترجاع عن مورّثات الخلية؟

حل

حل التمرين 4.13.

تغير المحيط (لا ضوء، وغذاء عضوي)؛ ولم تتغير المورّثات. والذرية تعيد بناء البلاستيدات الخضراء، فالتعليمات لم تفقد قط: كان الفقد تغيرًا في العدة المستعملة، لا في الإمكانات التي تتيحها المورّثات.

تمرين 4.14 ★★★

حوض ماء محكم فيه ماء وحلزون ونبات مائي، في الضوء. فسّر كيف يستطيع كل من الكائنين البقاء أشهرًا، وما الذي يقدمه كل منهما للآخر، وما الذي يحدث إذا حفظ الحوض في الظلام.

حل

حل التمرين 4.14.

يجري النبات التركيب الضوئي في الضوء، فيقدم الأكسجين والمادة العضوية (أوراقًا يأكلها الحلزون)؛ ويتنفس الحلزون فيقدم ثاني أكسيد الكربون للنبات. وفي الظلام لا يتنفس النبات إلا تنفسًا: فيستهلك كلاهما الأكسجين، ولا ينتجه أحد، ويموتان في أيام.

تمرين 4.15 ★★★

تنفس غلوكوز واحد يعطي نحو 30 من ATP، والتخمر يعطي 2. وخلية الخميرة تحتاج إلى عدد ثابت من ATP في الدقيقة لتحيا. احسب كم مرة يزيد ما عليها استهلاكه من الغلوكوز في الدقيقة حين تخمّر؛ ثم فسّر لماذا يبعد صانعو الجعة الهواء عن خزاناتهم مع أن ذلك «يبدد» السكر.

حل

حل التمرين 4.15.

$30/2 = 15$ ضعفًا من الغلوكوز في الدقيقة. وصانعو الجعة يريدون الإيثانول، ولا يصنعه إلا التخمر؛ أما الخميرة المتنفسة فتحول السكر إلى ثاني أكسيد كربون وماء وخميرة أكثر، ولا كحول.

4.6 مسألة: خزان صانع النبيذ

مسألة 4.1

مسألة نهاية الأسبوع — خزان من عصير العنب يترك للخميرة: الكحول الذي سيحمله، والغاز الذي سيطلقه، والحرارة التي سيصنعها، ولماذا يكون القبو مكانًا خطرًا

يحوي عصير العنب نحو $200\,\mathrm{g}$ من السكر في اللتر، ونأخذه غلوكوزًا، ولا أكسجين منحلًا فيه حالما يغلق الخزان. الكتل المولية: الغلوكوز $180\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ، والإيثانول $\mathrm{C_2H_5OH}$ $46\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ، وثاني أكسيد الكربون $44\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ، والأكسجين $32\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ . وكثافة الإيثانول $0.79\,\mathrm{g}/\mathrm{mL}$ . ويشغل مول واحد من الغاز نحو $24\,\mathrm{L}$ عند حرارة القبو. وسعة الخزان $1000\,\mathrm{L}$ .

الجزء الأول — ما تصنعه الخميرة.

أي سبيل تسلكه الخميرة في الخزان المغلق، ولماذا؟ اكتب معادلته.
كم مولًا من الغلوكوز يحوي لتر واحد من العصير؟
احسب كتلة الإيثانول المنتجة لكل لتر، ثم حجمها، ثم درجة كحول النبيذ بالمئة حجمًا.
احسب كتلة ثاني أكسيد الكربون المنتجة لكل لتر من العصير، وحجمها غازًا.
ما حجم ثاني أكسيد الكربون المنطلق من الخزان كله؟ قارنه بحجم قبو أبعاده $4\,\mathrm{m}$ في $6\,\mathrm{m}$ في $2.5\,\mathrm{m}$ .

الجزء الثاني — لو كان للخميرة هواء.

اكتب المعادلة التي كانت الخميرة لتتبعها لو هوي العصير باستمرار.
احسب كتلة الأكسجين اللازمة لتنفس سكر لتر واحد من العصير، وكتلة ثاني أكسيد الكربون المنطلقة.
قارن ثاني أكسيد الكربون في السؤال 7 بمثيله في السؤال 4، وفسّر الفرق بدلالة مدى تفكيك الغلوكوز.
التنفس يعطي نحو 30 من ATP لكل غلوكوز، والتخمر 2. فإذا احتاجت الخميرة إلى العدد نفسه من ATP في الحالتين، ففي أي حالة يدوم السكر أطول، وبأي عامل؟
فسّر لماذا يبعد صانع النبيذ الهواء مع ذلك.

الجزء الثالث — حرارة الخزان. يحرر التخمر نحو $70\,\mathrm{kJ}$ من الحرارة لكل مول من الغلوكوز؛ وتسخين $1\,\mathrm{kg}$ من الماء $1\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ يحتاج إلى $4.2\,\mathrm{kJ}$ .

احسب الحرارة المحررة لكل لتر من العصير، ثم للخزان كله.
لو لم يفلت شيء منها، فبكم ترتفع حرارة الخزان؟ (خذ العصير ماءً.)
إنزيمات الخميرة تهدم فوق نحو $40\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . فانطلاقًا من $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ، هل يبقى خزان غير مبرد سليمًا؟ وما الذي يعلمك إياه ذلك عن سبب تبريد الخزانات الكبيرة؟
فسّر، باستعمال القضية 4.2، لماذا توقف الحرارة التخمر مع أن السكر لا يزال موجودًا.
كان التنفس ليحرر نحو $2870\,\mathrm{kJ}$ لكل مول. فأين تبقى الطاقة التي لا يحررها التخمر؟

الجزء الرابع — القبو.

ثاني أكسيد الكربون أكثف من الهواء. فأين يتراكم في القبو، ولماذا كانت شمعة مشتعلة تحمل منخفضة اختبار سلامة تقليديًا؟
خلايا عامل حرمت الأكسجين تتحول إلى أي سبيل — ولماذا لا يستطيع جسم الإنسان أن يحيا عليه أكثر من دقائق؟
يتوقف التخمر من تلقاء نفسه حين يبلغ الكحول نحو 15% حجمًا. اقترح تفسيرًا بدلالة إنزيمات الخميرة.
عجينة الخبز تستعمل الخميرة نفسها ساعة. فما الذي تحويه فقاعات اللباب، وأين ذهب الإيثانول بعد الخبز؟
اذكر النتيجة: لكل لتر من العصير، درجة الكحول وحجم الغاز المنتج — والحقيقة الاستقلابية الواحدة التي تفسر الأمرين.

حل

حل المسألة 4.1.

1. التخمر الكحولي، لأن الخزان المغلق لا يحوي أكسجينًا: $\mathrm{C_6H_{12}O_6} \to 2\,\mathrm{C_2H_5OH} + 2\,\mathrm{CO_2}$ .

2. $200/180 \approx 1.11\,\mathrm{mol}$ .

3. الإيثانول $2 \times 1.11 = 2.22\,\mathrm{mol}$ ، أي $2.22 \times 46 \approx 102\,\mathrm{g}$ ؛ وحجمه $102/0.79 \approx 129\,\mathrm{mL}$ ؛ أي نحو 13% حجمًا.

4. $2.22 \times 44 \approx 98\,\mathrm{g}$ من ثاني أكسيد الكربون؛ و $2.22 \times 24 \approx 53\,\mathrm{L}$ من الغاز.

5. نحو $53\,000\,\mathrm{L}$ $= 53\,\mathrm{m}^{3}$ . وسعة القبو $4 \times 6 \times 2.5 = 60\,\mathrm{m}^{3}$ : فالغاز المنطلق يكاد يملؤه.

6. $\mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2} \to 6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O}$ .

7. الأكسجين $6 \times 1.11 = 6.67\,\mathrm{mol}$ ، أي $6.67 \times 32 \approx 213\,\mathrm{g}$ ؛ وثاني أكسيد الكربون $6.67 \times 44 \approx 293\,\mathrm{g}$ .

8. ثلاثة أمثاله: فالتنفس يحول كربونات الغلوكوز الست كلها إلى ثاني أكسيد كربون، والتخمر لا يحول إلا اثنتين، وتبقى الأربع الأخرى في الإيثانول.

9. مع التنفس، يدوم خمس عشرة مرة أطول: فكل غلوكوز يعطي من ATP خمسة عشر ضعفًا.

10. الإيثانول لا يصنعه إلا التخمر؛ أما الخزان المهوى فيعطي ثاني أكسيد كربون وماء وخميرة، ولا نبيذ.

11. $1.11 \times 70 \approx 78\,\mathrm{kJ}$ لكل لتر؛ و $78\,000\,\mathrm{kJ}$ ، أي $78\,\mathrm{MJ}$ ، للخزان كله.

12. $78/4.2 \approx 18.5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

13. $20 + 18.5 \approx 38.5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : أي على حافة حد الخميرة، وقبو دافئ يدفعها فوقه. والخزان الكبير يفقد الحرارة ببطء لأن سطحه صغير قياسًا إلى حجمه، فوجب تبريده عن قصد.

14. الإنزيمات بروتينات؛ والحرارة تنشر طيّها فتتوقف عن العمل. ومن دون إنزيماتها لا تستطيع الخميرة تحويل السكر، مهما بقي منه.

15. في الروابط الكيميائية للإيثانول: نحو $2800\,\mathrm{kJ}$ لكل مول من الغلوكوز، ولذلك يحترق الإيثانول.

16. على الأرض، في طبقة تغلظ مع تقدم التخمر. والشمعة المحمولة منخفضة تنطفئ حيث أزاح ثاني أكسيد الكربون الأكسجين — أي إنذار قبل أن يصاب إنسان.

17. التخمر اللبني. وهو يعطي من ATP خمسة عشر ضعفًا أقل؛ فالدماغ والقلب لا يستطيعان تلبية حاجتيهما بذلك، ويتراكم الحمض اللبني. ويتبع ذلك فقدان الوعي في دقيقة أو دقيقتين.

18. الإيثانول بتركيز عال يضر بأغشية الخميرة وإنزيماتها: فناتج الخلايا نفسه يسمم استقلابها.

19. الفقاعات ثاني أكسيد كربون من التخمر. أما الإيثانول فيتبخر في الفرن (فهو يغلي عند $78\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ).

20. نحو 13% كحولًا حجمًا و $53\,\mathrm{L}$ من الغاز لكل لتر من العصير؛ وكلاهما يتبع من أن الخميرة تخمّر، بلا أكسجين، كل غلوكوز إلى إيثانولين وثاني أكسيد كربونين.

المصطلحات المعرَّفة في هذا الفصل

عرض كل المصطلحات (479) في المسرد