الأحياء الجامعية — السنة الأولى · Bachelor Year 1

15التنفس الخلوي والتخمر

دورق من الخميرة في محلول سكري محجوب عنه الهواء يفور بثاني أكسيد الكربون ويحول السكر إلى كحول؛ وأدخل إليه الهواء فيبطؤ الفوران، ويقف الكحول، وتنمو الخميرة أسرع بعشر مرات على السكر نفسه. رأى باستور هذا سنة 1861 ولم يستطع تفسيره؛ وقد استغرق التفسير قرنًا ويمتد عبر هذا الفصل كله. فالأكسجين يتيح للخلية أن تستخرج من الغلوكوز خمسة عشر ضعف الطاقة التي تحصلها بدونه، وهو يفعل ذلك بتمرير إلكترونات السكر هابطةً على سلسلة من الحوامل إلى الأكسجين، وضخ البروتونات عبر غشاء وهي تهبط، ثم إرجاع البروتونات عبر عنفة تصنع ATP. يصف هذا الفصل التحلل السكري، ودورة كريبس، وسلسلة التنفس واقترانها التناضحي الكيميائي، والتخمرات التي تستغني عن الأكسجين، وحرق الشحوم والبروتينات بالآلة نفسها.

15.1 أكسدة الغلوكوز

قضية 15.1 (التفاعل الإجمالي ومراحله)

الأكسدة التامة للغلوكوز،

\mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2} \to 6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O}, \qquad \Delta G^{\circ\prime} = -2870\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol},

تجري على ثلاث مراحل لا تدع الإلكترونات تلاقي الأكسجين مباشرة أبدًا. فالتحلل السكري، في العصارة الخلوية، يشطر الغلوكوز إلى بيروفاتين ويعطي 2 ATP و2 NADH. وأكسدة البيروفات ودورة كريبس، في حشوة المتقدرة، تؤكسدان البيروفات إلى $\mathrm{CO_2}$ ، فتحملان الإلكترونات على 8 NADH و2 $\mathrm{FADH_2}$ وتصنعان 2 GTP. والفسفرة المؤكسدة، في الغشاء المتقدري الداخلي، تمرر تلك الإلكترونات إلى الأكسجين عبر سلسلة حوامل تضخ البروتونات، ويقود تدرج البروتونات تركيب نحو 26 ATP. وفي المجموع نحو 30 ATP لكل غلوكوز: أي نحو نصف الطاقة الحرة للاحتراق ملتقطًا، والباقي مطلقًا حرارةً.

تعريف 15.2 (حوامل الإلكترونات)

$\mathrm{NAD^+}$ (ثنائي نوكليوتيد النيكوتيناميد والأدنين) يقبل إلكترونين وبروتونًا واحدًا من ركيزة فيصير NADH؛ وFAD يقبل إلكترونين وبروتونين فيصير $\mathrm{FADH_2}$ . وكلاهما مرافق إنزيمي لنازعات الهيدروجين، وكلاهما يُعاد تدويره: يُرجعه الهدم، وتعيد سلسلة التنفس أكسدته. والخلية لا تحمل منهما إلا ميكرومولات، تدور آلاف المرات في الساعة. وكمونات أكسدتهما وإرجاعهما، $E'_0 = -0.32\,\mathrm{V}$ عند $\mathrm{NAD^+}/\mathrm{NADH}$ ، تضعهما دون الأكسجين ( $+0.82\,\mathrm{V}$ ) بكثير: فكل زوج إلكترونات يسلمه NADH إلى الأكسجين يحرر $\Delta G^{\circ\prime} = -2F\Delta E = -220\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ ، وهو يكفي لأكثر من أربعة ATP.

مراحل التنفس الثلاث. التحلل السكري ودورة كريبس ينزعان إلكترونات الغلوكوز على NADH وFADH_2؛ والفسفرة المؤكسدة تصرفهما. — مراحل التنفس الثلاث. التحلل السكري ودورة كريبس ينزعان إلكترونات الغلوكوز على NADH و $\mathrm{FADH_2}$ ؛ والفسفرة المؤكسدة تصرفهما.

15.2 التحلل السكري

تعريف 15.3 (التحلل السكري)

التحلل السكري تتابع من عشرة تفاعلات إنزيمية في العصارة الخلوية يحول غلوكوزًا واحدًا (C6) إلى بيروفاتين (C3). ففي طور الاستثمار يُنفق ATP اثنان لفسفرة السكر (الهكسوكيناز، ثم الفسفوفركتوكيناز، PFK) ويُشطر ثنائي الفوسفات السداسي إلى فوسفاتين ثلاثيي الكربون. وفي طور المردود يُؤكسد كل سكر ثلاثي بجزيء $\mathrm{NAD^+}$ (وهي الأكسدة الوحيدة في التحلل السكري) وتُنقل فوسفاته إلى ADP بفسفرة على مستوى الركيزة — أي فوسفات يُسلَّم مباشرة من وسيط غني بالطاقة إلى ADP، بلا غشاء ولا أكسجين. والميزان:

\text{غلوكوز} + 2\,\mathrm{NAD^+} + 2\,\mathrm{ADP} + 2\,\mathrm{P_i} \to 2\,\text{بيروفات} + 2\,\mathrm{NADH} + 2\,\mathrm{H^+} + 2\,\mathrm{ATP} + 2\,\mathrm{H_2O} .

وهو لا يحتاج إلى أكسجين؛ وهو أقدم سبل الاستقلاب وأعمّها.

التحلل السكري في الخطوط العامة. يُنفق ATP اثنان لبناء ثنائي فوسفات سداسي ينشطر إلى سكرين ثلاثيين؛ وأكسدتهما وفسفرتان على مستوى الركيزة تعيدان أربعة ATP واثنين من NADH. والفسفوفركتوكيناز صمام التحكم في السبيل.

قضية 15.4 (التحكم عند الفسفوفركتوكيناز)

PFK، وهو أول خطوة لاعكوسة ملتزمة بالتحلل السكري، إنزيم ألوستيري (الفصل 13) يثبطه ATP والسترات — وهما إشارتا وفرة الطاقة ووقود دورة كريبس — وينشطه AMP وADP، وهما إشارتا نقصهما. فحين يرتفع ATP يهبط التدفق عبر التحلل السكري في ثوان؛ وحين تنفق الخلية ATP يرتفع AMP ارتفاعًا حادًا (عبر كيناز الأدنيلات، $2\,\mathrm{ADP} \rightleftharpoons \mathrm{ATP} + \mathrm{AMP}$ )، فينفتح PFK. وهكذا فإن الشحنة الطاقية في الخلية تنظم السبيل الذي يملؤها.

15.3 أكسدة البيروفات ودورة كريبس

تعريف 15.5 (نازعة هيدروجين البيروفات وأسيتيل-CoA)

يدخل البيروفات المتقدرة ويؤكسده معقد نازعة هيدروجين البيروفات إلى أسيتيل-CoA — وهي زمرة أسيتيل ثنائية الكربون يحملها المرافق A (الفصل 11) على رابطة ثيوإستيرية غنية بالطاقة — فيتحرر $\mathrm{CO_2}$ واحد وNADH واحد. وأسيتيل-CoA هو المدخل المشترك لكل الوقود إلى الدورة: الكربوهيدرات عبر البيروفات، والشحوم عبر أكسدة $\beta$ ، وكثير من الحموض الأمينية مباشرة.

تعريف 15.6 (دورة كريبس)

دورة كريبس (دورة حمض الليمون) في حشوة المتقدرة تكثّف أسيتيل-CoA (C2) مع الأوكسالوأسيتات (C4) في سترات (C6) ثم تؤكسد، في ثماني خطوات، الكربونين إلى $\mathrm{CO_2}$ وهي تجدد الأوكسالوأسيتات. ولكل زمرة أسيتيل: 3 NADH، و1 $\mathrm{FADH_2}$ ، و1 GTP (بفسفرة على مستوى الركيزة)، و2 $\mathrm{CO_2}$ . ولكل غلوكوز (أسيتيلان): 6 NADH، و2 $\mathrm{FADH_2}$ ، و2 GTP، و4 $\mathrm{CO_2}$ — وهذه مع $\mathrm{CO_2}$ الاثنين من نازعة هيدروجين البيروفات تكوّن الستة في المعادلة الإجمالية. ولا يُستهلك أكسجين في الدورة نفسها؛ وهي لا تجري إلا ما دامت سلسلة التنفس تعيد أكسدة NADH لها. وهي أيضًا مزدوجة الاتجاه: إذ تُسحب وسائطها للتركيب الحيوي (الفصل 16) وتُعوَّض من الحموض الأمينية والبيروفات.

دورة كريبس. تدخل زمرة أسيتيل بتكاثفها مع الأوكسالوأسيتات؛ ويغادر كربونان في هيئة CO_2 عند نزعي الكربوكسيل؛ وتحمّل الأكسدات الأربع ثلاثة NADH وواحدًا من FADH_2؛ ويُجدَّد الأوكسالوأسيتات للدورة التالية. — دورة كريبس. تدخل زمرة أسيتيل بتكاثفها مع الأوكسالوأسيتات؛ ويغادر كربونان في هيئة $\mathrm{CO_2}$ عند نزعي الكربوكسيل؛ وتحمّل الأكسدات الأربع ثلاثة NADH وواحدًا من $\mathrm{FADH_2}$ ؛ ويُجدَّد الأوكسالوأسيتات للدورة التالية.

مثال 15.7 (تتبع الكربونات)

أطعم خلية غلوكوزًا موسومًا بذرة $\mathrm{^{14}C}$ على الكربون 1: فيظهر الوسم في كربون الميثيل في البيروفات، ثم في أسيتيل-CoA، ثم يدخل السترات، ولا يغادر في هيئة $\mathrm{CO_2}$ إلا في الدورة الثانية أو الثالثة — فالكربونان المحرران في دورة ما ينتميان إلى أوكسالوأسيتات الدورة السابقة. وقد استنتج كريبس (1937) الدورة من ملاحظة أن مقادير حفزية من أي من حموضها تنشّط أكسدة بيروفات أكثر بكثير مما تستطيع أن تفسره وحدها: فقد كانت تُجدَّد.

هانس كريبس (1900–1981)، الذي استخرج الدورة سنة 1937 من معدلات أكسدة عضلة حمام مفرومة لحموضها. الصورة: Nobel Foundation، ملك عام.

15.4 الفسفرة المؤكسدة

تعريف 15.8 (سلسلة التنفس)

سلسلة التنفس أربعة معقدات بروتينية في الغشاء المتقدري الداخلي وحاملان متنقلان. فجزيء NADH يعطي إلكتروناته للمعقد I، ويعطي $\mathrm{FADH_2}$ إلكتروناته (عبر نازعة هيدروجين السكسينات، وهي المعقد II)؛ وكلاهما يرجع اليوبيكينون (Q)، وهو كينون منحل في الدهن ينتشر في الغشاء؛ وQ يمررها إلى المعقد III، الذي يسلمها إلى السيتوكروم $c$ ، وهو بروتين صغير على الوجه الخارجي؛ والمعقد IV (أكسيداز السيتوكروم) يوصلها، أربعةً أربعة، إلى $\mathrm{O_2}$ ، فيصنع الماء. وعند كل من المعقدات I وIII وIV تهبط الإلكترونات في الكمون وتضخ الطاقة البروتونات من الحشوة إلى الحيز بين الغشاءين: نحو 4 و4 و2 لكل زوج إلكترونات، أي عشرة لكل NADH وستة لكل $\mathrm{FADH_2}$ (الذي يدخل تحت المعقد I).

الغشاء المتقدري الداخلي. الإلكترونات (برتقالي) تهبط من NADH أو FADH_2 عبر المعقدات إلى الأكسجين؛ والمعقدات I وIII وIV تضخ البروتونات إلى الخارج (أخضر)؛ وسنتاز ATP يدعها ترجع إلى الداخل ويصنع ATP. — الغشاء المتقدري الداخلي. الإلكترونات (برتقالي) تهبط من NADH أو $\mathrm{FADH_2}$ عبر المعقدات إلى الأكسجين؛ والمعقدات I وIII وIV تضخ البروتونات إلى الخارج (أخضر)؛ وسنتاز ATP يدعها ترجع إلى الداخل ويصنع ATP.

مبرهنة 15.9 (الاقتران التناضحي الكيميائي)

تدرج البروتونات الذي تبنيه السلسلة — وهو نحو $0.16\,\mathrm{V}$ من كمون الغشاء (والحشوة سالبة) زائد وحدة pH واحدة، أي قوة محركة للبروتون تناهز $0.22\,\mathrm{V}$ ، أو $21\,\mathrm{kJ}$ لكل مول بروتونات — هو الصلة الوحيدة بين نقل الإلكترونات وتركيب ATP. وسنتاز ATP، وهو محرك دوّار في الغشاء الداخلي، يمرر نحو $3\,\mathrm{H}^{+}$ لكل ATP يُصنع، ويُنفق واحد آخر في استيراد الفوسفات وتصدير ATP: أي 4 لكل ATP. ومن هنا نسبة P/O: $10/4 = 2.5$ ATP لكل NADH و $6/4 = 1.5$ لكل $\mathrm{FADH_2}$ .

شواهد. لا تصنع المتقدرات ATP إلا حين يكون غشاؤها الداخلي سليمًا مغلقًا؛ والشظايا التي تنقل الإلكترونات ولا تستطيع إمساك تدرج لا تصنع شيئًا. وفواصل الاقتران، مثل ثنائي نتروفينول، التي تنقل البروتونات عبر الغشاء، تلغي تركيب ATP بينما يستمر استهلاك الأكسجين بل ويتسارع، فتغادر الطاقة حرارةً — والشحم البني يفعل هذا عمدًا ببروتين فصل اقتران خاص به (الفصل 2)، وقد بيع ثنائي نتروفينول يومًا دواءً للتنحيف فقتل بفرط الحرارة. ومثبطات السلسلة (السيانيد على المعقد IV) توقف الأمرين؛ ومثبطات السنتاز (الأوليغوميسين) توقف تركيب ATP، ثم توقف التنفس أيضًا لعجز التدرج عن التفريغ، ويعيده فاصل اقتران عندئذ. وتدرج pH اصطناعي مفروض على متقدرات في الظلام يقود تركيب ATP، كما في البلاستيدات الخضراء (الفصل 14). ∎

متقدرة مشقوقة. طيات الغشاء الداخلي تضاعف المساحة المتاحة للسلسلة وللسنتاز؛ والحشوة في الداخل تحمل دورة كريبس.

طريقة 15.10 (ميزانية ATP لغلوكوز واحد)

التحلل السكري: $+2$ ATP (صافيًا)، و $+2$ NADH في العصارة الخلوية.
نازعة هيدروجين البيروفات: $+2$ NADH. ودورة كريبس: $+6$ NADH، و $+2$ $\mathrm{FADH_2}$ ، و $+2$ GTP ( $=$ ATP).
الفسفرة المؤكسدة: $2.5$ ATP لكل NADH متقدري (أي 8: 20 ATP)، و $1.5$ لكل $\mathrm{FADH_2}$ (أي 2: 3 ATP).
NADH العصاري لا يستطيع عبور الغشاء الداخلي؛ وإلكتروناته تدخل بمكوك يسلمها إلى $\mathrm{FAD}$ (أي 1.5 لكل واحد، في العضلة والدماغ) أو إلى $\mathrm{NAD^+}$ (أي 2.5 لكل واحد، في الكبد والقلب): أي 3 أو 5 ATP.
المجموع: $2 + 2 + 20 + 3 + 3 = 30$ ، أو $32$ بالمكوك الأفضل. والمردود: $30\times 50/2870 \approx 52\,\%$ في شروط الخلية.

15.5 التخمر

تعريف 15.11 (التخمر)

بلا أكسجين تتوقف سلسلة التنفس، ولا يمكن إعادة أكسدة NADH، وكان التحلل السكري ليقف في ثوان لنقص $\mathrm{NAD^+}$ . والتخمر يجدده باستعمال البيروفات نفسه متقبلًا للإلكترونات: ففي التخمر اللبني (العضلة، والكريات الحمراء، وبكتيريا اللبن) يُرجَع البيروفات إلى لاكتات؛ وفي التخمر الكحولي (الخميرة، وبعض النباتات) يُنزع كربوكسيله إلى أسيتألدهيد يُرجَع إلى إيثانول، فيتحرر $\mathrm{CO_2}$ . والمردود مردود التحلل السكري نفسه: 2 ATP لكل غلوكوز، أي جزء من خمسة عشر من مردود التنفس؛ والكربون لا يكاد يُؤكسد والنواتج ما زالت تحمل جل طاقة الوقود. أما التنفس اللاهوائي — وهو سلسلة نقل إلكترونات تنتهي على النترات أو الكبريتات أو الكربونات بدل الأكسجين، عند كثير من البكتيريا — فشيء آخر، يعالجه كتاب السنة الثانية.

إلى اليسار: خميرة الخباز، وهي تتبرعم. وإلى اليمين: ما يفعله تخمرها بالعجين: CO_2 الناتج عن تحلل سكري قيمته ATP اثنان لكل غلوكوز، محبوسًا في الغلوتين. أما الإيثانول فيتبخر بالخبز. — إلى اليسار: خميرة الخباز، وهي تتبرعم. وإلى اليمين: ما يفعله تخمرها بالعجين: $\mathrm{CO_2}$ الناتج عن تحلل سكري قيمته ATP اثنان لكل غلوكوز، محبوسًا في الغلوتين. أما الإيثانول فيتبخر بالخبز.

قضية 15.12 (أثر باستور)

الخلية القادرة على التنفس تستهلك الغلوكوز أسرع بكثير حين تُحرم الأكسجين منها حين يُوفَّر لها، وتنمو عليه أقل بكثير.

شواهد. وجد باستور (1861) خميرة في خزان مهوى تستهلك السكر ببطء وتتكاثر، بينما استهلكته في خزان محكم أسرع بعشر مرات، وتكاثرت قليلًا، وصنعت كحولًا. والتفسير هو مردود ATP: فللحصول على ATP نفسه من 2 لكل غلوكوز كما من 30، لا بد للخلية أن تجري التحلل السكري أسرع بخمس عشرة مرة، وPFK، متحررًا من تثبيط ATP والسترات الذي يبقيه التنفس، يتيح لها ذلك. وعضلة تعدو تظهر الأثر نفسه في ثوان: فغليكوجينها يهبط أسرع بعشرين مرة مما يهبط في الراحة، وترتفع اللاكتات. ∎

تعريف 15.13 (الحاصل التنفسي)

الحاصل التنفسي RQ هو نسبة $\mathrm{CO_2}$ المنتج إلى $\mathrm{O_2}$ المستهلك، بالمول. والكربوهيدرات تعطي 1.0 (ستة من كل منهما لكل غلوكوز)؛ والشحم نحو 0.7 (البالميتات: $\mathrm{C_{16}H_{32}O_2} + 23\,\mathrm{O_2} \to 16\,\mathrm{CO_2} + 16\,\mathrm{H_2O}$ ، أي $16/23 = 0.70$ )، لأن كربوناته أشد اختزالًا وتحتاج إلى أكسجين أكثر لكل $\mathrm{CO_2}$ ؛ والبروتين نحو 0.8. والمزرعة المخمِّرة تطلق $\mathrm{CO_2}$ بلا أخذ أكسجين: فحاصلها لانهائي، وحاصل مزرعة مختلطة فوق 1 يقيس حصة التخمر. ومقيسًا على حيوان كامل بتحليل الغازات، يخبر الحاصل التنفسي أي وقود يحرقه.

مثال 15.14 (قراءة حاصل تنفسي)

إنسان مستريح بعد وجبة كربوهيدراتية: RQ يساوي 0.95، فهو يحرق الغلوكوز. والشخص نفسه بعد صيام ليلة: 0.75، فهو الشحم. وعدّاء ماراثون عند الكيلومتر الثلاثين، وقد نفد غليكوجينه: 0.72. ودورق خميرة على غلوكوز بقليل من الهواء: RQ يساوي 4 — فثلاثة أرباع غلوكوزه يُخمَّر.

15.6 وقود آخر وتنظيم الكل

قضية 15.15 (الشحوم والبروتينات تدخل الآلة نفسها)

تُنشَّط الحموض الدسمة إلى أسيل-CoA، وتُقصَّر في حشوة المتقدرة كربونين كربونين بأكسدة $\beta$ ، وكل دورة تعطي أسيتيل-CoA واحدًا، وNADH واحدًا، و $\mathrm{FADH_2}$ واحدًا: فالبالميتات (C16) يعطي 8 أسيتيل-CoA، و7 NADH، و7 $\mathrm{FADH_2}$ — أي نحو 106 ATP، أو $6.6\,$ ATP لكل كربون مقابل 5 عند الغلوكوز. أما الحموض الأمينية فتفقد نتروجينها نشادرًا (يُحوَّل إلى بولة في الكبد) وتدخل هياكلها الكربونية بيروفاتًا أو أسيتيل-CoA أو وسائط لدورة كريبس. فكل وقود يلتقي عند أسيتيل-CoA والسلسلة؛ والخلية تختار بينها بالهرمونات وبحال ATP لديها، كما يصف الفصل 16.

مثال 15.16 (غرام من كل)

غرام واحد من الغلوكوز ( $5.6\,\mathrm{mmol}$ ) يعطي نحو $170\,\mathrm{mmol}$ من ATP؛ وغرام واحد من البالميتات ( $3.9\,\mathrm{mmol}$ ) نحو $410\,\mathrm{mmol}$ — أي $38\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ مقابل $17\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ في الفصل 9، محوَّلة إلى عملة. والشحم يكلف أكسجينًا أكثر لكل ATP، ولهذا تحرق عضلة عدّاء، وهي محدودة الأكسجين، الغليكوجين، ويحرق طائر مهاجر، وهو غني بالأكسجين محدود الكتلة، الشحم.

15.7 تمارين

تمرين 15.1 ★

سمِّ مراحل التنفس الثلاث، وموضع كل منها، وما تنتجه كل واحدة.

حل

حل التمرين 15.1.

التحلل السكري، في العصارة الخلوية: 2 بيروفات، و2 ATP، و2 NADH. وأكسدة البيروفات ودورة كريبس، في حشوة المتقدرة: 6 $\mathrm{CO_2}$ ، و8 NADH، و2 $\mathrm{FADH_2}$ ، و2 GTP. والفسفرة المؤكسدة، في الغشاء الداخلي: ماء من الأكسجين، ونحو 26 ATP.

تمرين 15.2 ★

اكتب ميزان التحلل السكري وفسّر «الفسفرة على مستوى الركيزة».

حل

حل التمرين 15.2.

غلوكوز $+ 2\,\mathrm{NAD^+} + 2\,\mathrm{ADP} + 2\,\mathrm{P_i} \to 2$ بيروفات $+ 2\,\mathrm{NADH} + 2\,\mathrm{H^+} + 2\,\mathrm{ATP} + 2\,\mathrm{H_2O}$ . والفسفرة على مستوى الركيزة: أن يُنقل فوسفات مباشرة من وسيط غني بالطاقة (1،3-ثنائي فوسفوغليسيرات، وفوسفوإينول بيروفات) إلى ADP بإنزيم، بلا تدرج غشائي ولا أكسجين.

تمرين 15.3 ★

من شكل دورة كريبس، اذكر بالترتيب النواتج المحررة في دورة واحدة، وقل من أين يأتي $\mathrm{CO_2}$ الاثنان.

حل

حل التمرين 15.3.

NADH و $\mathrm{CO_2}$ (من الإيزوسترات إلى $\alpha$ -كيتوغلوتارات)، وNADH و $\mathrm{CO_2}$ (من $\alpha$ -كيتوغلوتارات إلى سكسينيل-CoA)، وGTP (من سكسينيل-CoA إلى سكسينات)، و $\mathrm{FADH_2}$ (من سكسينات إلى فومارات)، وNADH (من مالات إلى أوكسالوأسيتات). و $\mathrm{CO_2}$ الاثنان يأتيان من نزعي الكربوكسيل من الحمضين السداسي والخماسي.

تمرين 15.4 ★

ما الذي يحققه التخمر لخلية بلا أكسجين، وما الذي لا يحققه؟

حل

حل التمرين 15.4.

يجدد $\mathrm{NAD^+}$ حتى يستطيع التحلل السكري أن يستمر ويعطي ATP اثنين لكل غلوكوز. وهو لا يؤكسد الكربون، ولا يستخرج الطاقة الباقية (فالناتج يحتفظ بجلها)، ولا يصنع أكثر من جزء من خمسة عشر من ATP التنفس.

تمرين 15.5 ★★

احسب $\Delta G^{\circ\prime}$ لنقل إلكترونين من NADH ( $E'_0 = -0.32\,\mathrm{V}$ ) إلى الأكسجين ( $+0.82\,\mathrm{V}$ )، وإلى اليوبيكينون ( $+0.05\,\mathrm{V}$ ). وكم ATP تستطيع كل خطوة أن تدفع ثمنه من حيث المبدأ؟

حل

حل التمرين 15.5.

إلى الأكسجين: $-2\times 96\,500\times 1.14 = -220\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ ، أي أربعة ATP عند $50\,\mathrm{kJ}$ . وإلى اليوبيكينون: $-2\times 96\,500\times 0.37 = -71\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ ، أي ATP واحد.

تمرين 15.6 ★★

ضع ميزان ATP لغلوكوز واحد في خلية عضلية (بمكوك فوسفات الغليسرول) وفي خلية كبدية (بمكوك المالات)، مستعملًا نسبتي P/O 2.5 و1.5.

حل

حل التمرين 15.6.

العضلة: $2 + 2$ (GTP) $+ 8\times 2.5$ (NADH المتقدري) $+ 2\times 1.5$ ( $\mathrm{FADH_2}$ ) $+ 2\times 1.5$ (NADH العصاري عبر FAD) $= 30$ . والكبد: NADH العصاري يعطي $2\times 2.5$ : أي 32.

تمرين 15.7 ★★

مزرعة تستهلك $1.0\,\mathrm{mmol}$ من $\mathrm{O_2}$ وتطلق $2.2\,\mathrm{mmol}$ من $\mathrm{CO_2}$ في الساعة على غلوكوز. احسب الحاصل التنفسي، وكسري الغلوكوز المتنفَّس والمخمَّر.

حل

حل التمرين 15.7.

RQ $= 2.2$ . والغلوكوز المتنفَّس $x$ : $6x = 1.0$ ، فيكون $x = 0.167\,\mathrm{mmol}$ ؛ و $\mathrm{CO_2}$ : $6x + 2y = 2.2$ ، فيكون $2y = 1.2$ و $y = 0.6\,\mathrm{mmol}$ . فالمخمَّر $0.6/0.767 = 78\,\%$ من الغلوكوز، والمتنفَّس $22\,\%$ .

تمرين 15.8 ★★

فسّر ماذا يحل باستهلاك الأكسجين وبتركيب ATP وبإنتاج الحرارة حين يُضاف ثنائي نتروفينول إلى متقدرات تتنفس، ولماذا كان الدواء قاتلًا.

حل

حل التمرين 15.8.

يرتفع استهلاك الأكسجين (فالسلسلة، متحررة من الضغط الراجع للتدرج، تجري بأقصى سرعتها)، ويتوقف تركيب ATP (فلا تدرج يقود السنتاز)، وتظهر كل طاقة الإلكترونات حرارةً. فقد كان المرضى يحرقون شحمهم سريعًا ويموتون بحرارة جسم لا يخفضها شيء.

تمرين 15.9 ★★

السيانيد يسد المعقد IV. تنبأ بأثره في سلسلة التنفس، وفي دورة كريبس، وفي التحلل السكري في خلية، وفسّر لماذا تتراكم اللاكتات في دم المسمومين.

حل

حل التمرين 15.9.

تنسد السلسلة: فيصير كل حامل مرجعًا، ولا تُضخ بروتونات، ولا يُصنع ATP. ولا يُعاد أكسدة NADH، فتتوقف دورة كريبس ونازعة هيدروجين البيروفات لنقص $\mathrm{NAD^+}$ . أما التحلل السكري، متحررًا من تثبيط ATP، فيجري سريعًا ولا بد له من تجديد $\mathrm{NAD^+}$ بإرجاع البيروفات إلى لاكتات، تغمر الدم.

تمرين 15.10 ★★★

احسب مردود البالميتات من ATP (8 أسيتيل-CoA، و7 NADH، و7 $\mathrm{FADH_2}$ ، ناقص 2 ATP للتنشيط) ومردوده لكل كربون؛ واحسب الأكسجين المستهلك لكل ATP عند البالميتات وعند الغلوكوز. فأي وقود ينبغي أن يفضّل فقمة غائصة، وأيهما طائر طنان؟

حل

حل التمرين 15.10.

$8\times 10 + 7\times 2.5 + 7\times 1.5 - 2 = 80 + 17.5 + 10.5 - 2 = 106$ ATP؛ و $106/16 = 6.6$ لكل كربون. والأكسجين: البالميتات 23 $\mathrm{O_2}$ مقابل 106 ATP، أي $0.22\,\mathrm{O}_{2}$ لكل ATP؛ والغلوكوز 6 مقابل 30، أي $0.20\,\mathrm{O}_{2}$ لكل ATP. فلواحدة الأكسجين يكون الغلوكوز أفضل بنسبة $10\,\%$ : فالفقمة، وهي محدودة الأكسجين تحت الماء، تفضل الكربوهيدرات؛ ولواحدة الكتلة يكون الشحم أفضل بالضعف: فالطنان، وهو محدود الكتلة في الطيران، يهاجر على الشحم.

تمرين 15.11 ★★★

ليف عضلي يحمل $5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ من ATP ويستعمل $3\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ في الثانية في عدو سريع. فكم يدوم ATP وحده؟ وفوسفوكرياتينه ( $25\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ ) يجدد ATP واحدًا بواحد؛ وغليكوجينه عبر التخمر يعطي 3 ATP لكل وحدة غلوكوز بمعدل يبلغ $2\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ من وحدات الغلوكوز في الثانية. احسب الزمن الذي يستطيع كل مخزون أن يعيل به العدو، وفسّر لماذا يُجرى سباق 100 متر بلا أكسجين كله تقريبًا.

حل

حل التمرين 15.11.

ATP وحده: $5/3 < 2\,\mathrm{s}$ . والفوسفوكرياتين: $25/3 = 8\,\mathrm{s}$ . والتخمر: $2\times 3 = 6\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ من ATP في الثانية، وهي تكفي الطلب، ما دام الغليكوجين واحتمال اللاكتات (عشرات الثواني). أما إيصال الأكسجين فيستغرق دقيقة أو أكثر ليرتفع ويمد بما لا يزيد على نحو $1\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ من ATP في الثانية في ليف: فسباق العشر ثوان ينتهي قبل أن يبدأ التنفس بالمساعدة، ويدفع ثمنه الفوسفوكرياتين والتخمر.

تمرين 15.12 ★★★

«المتقدرة بطارية تشحنها الإلكترونات وتُفرَّغ عبر عنفة.» ناقش في فقرة: ما الذي يخزنه التدرج، وما الذي يفعله السنتاز، وأين تكون المشابهة دقيقة وأين تكون رخوة.

حل

حل التمرين 15.12.

التدرج يخزن الطاقة فرقًا في تركيز البروتونات وفي الكمون الكهربائي عبر غشاء عازل — وهو بالضبط مكثفة مشحونة مع خلية تركيز؛ والسلسلة هي الشاحن، يقودها هبوط الإلكترونات؛ والسنتاز محرك يديره تيار البروتونات، وهو بالضبط عنفة، تقرن الجريان بدوران ميكانيكي يصنع ATP. وترتخي المشابهة في أن «البطارية» لا تحمل إلا أجزاء من الألف من الثانية من استهلاك الخلية ولا بد من شحنها باستمرار، وأن سائر ناقلات الغشاء نفسه تسحب منها أيضًا، وأن العنفة تستطيع أن تدور بالمقلوب، فتحلمه ATP لتضخ البروتونات حين تفشل السلسلة.

15.8 مسألة: خميرة بالهواء وبدونه

مسألة 15.1

مسألة نهاية الأسبوع — خزانا باستور من جديد: ATP معدود، وغلوكوز مستهلك، وكتلة حيوية نامية، وغازات مقيسة، وصولًا إلى نسبة مردودي ATP ونسبة P/O

تُنمّى خميرة على غلوكوز في دورقين متطابقين، أحدهما مهوى والآخر محكم. استعمل نسبتي P/O 2.5 (عند NADH) و1.5 (عند $\mathrm{FADH_2}$ )، ومكوك $\mathrm{FADH_2}$ من أجل NADH العصاري، ومردود نمو قدره $10.5\,\mathrm{g}$ من الكتلة الحيوية الجافة لكل مول ATP، وغلوكوزًا عند $180\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ .

الجزء الأول — ATP معدودًا.

اذكر ATP وGTP وNADH و $\mathrm{FADH_2}$ الناتجة من غلوكوز واحد بالتحلل السكري ونازعة هيدروجين البيروفات ودورة كريبس.
احسب البروتونات التي تضخها السلسلة لكل غلوكوز (10 لكل NADH متقدري، و6 لكل $\mathrm{FADH_2}$ ؛ وNADH العصاري يدخل $\mathrm{FADH_2}$ ).
احسب ATP الذي يصنعه السنتاز عند $4\,\mathrm{H}^{+}$ لكل ATP، ومجموع ATP لكل غلوكوز مع الهواء.
احسب ATP لكل غلوكوز بلا هواء.
احسب نسبة المردودين.
احسب الطاقة الحرة الملتقطة مع الهواء ( $\Delta G_{\text{ATP}} = -50\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ ) بوصفها كسرًا من $2870\,\mathrm{kJ}$ ، وبلا هواء بوصفها كسرًا من $2870\,\mathrm{kJ}$ ومن الطاقة التي يحررها التخمر فعلًا (غلوكوز إلى إيثانولين و $\mathrm{CO_2}$ اثنين: $-235\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ ).

الجزء الثاني — الغلوكوز المستهلك والكتلة النامية. على الدورق المحكم أن يصنع ATP بالمعدل نفسه الذي يصنعه المهوى ليصون خلاياه: أي $30\,\mathrm{mmol}$ من ATP في الساعة.

احسب الغلوكوز المستهلك في الساعة في كل دورق.
احسب الإيثانول و $\mathrm{CO_2}$ المنتجين في الساعة في الدورق المحكم، و $\mathrm{CO_2}$ و $\mathrm{O_2}$ المتبادلين في المهوى.
احسب الكتلة الحيوية التي يستطيع الدورق المحكم بناءها لكل مول غلوكوز، ولكل غرام غلوكوز.
الدورق المهوى يبني $0.5\,\mathrm{g}$ من الكتلة الحيوية لكل غرام غلوكوز. احسب ATP الذي يمثله هذا عند $10.5\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ، وقارنه بالثلاثين ATP المتاحة. فما الذي يحد المردود الهوائي؟
فسّر أثر باستور من السؤالين 7 و9، وسمِّ الإنزيم الذي ينفذه تنظيمه.

الجزء الثالث — الغازات مقيسة. دورق ثالث، رديء التهوية، يطلق $44\,\mathrm{mg}$ من $\mathrm{CO_2}$ ويستهلك $20\,\mathrm{mg}$ من $\mathrm{O_2}$ في الساعة.

حوّل الكميتين إلى مليمولات واحسب الحاصل التنفسي.
ليكن $x$ الغلوكوز المتنفَّس و $y$ الغلوكوز المخمَّر في الساعة. اكتب ميزاني $\mathrm{O_2}$ و $\mathrm{CO_2}$ وحل من أجل $x$ و $y$ .
أي كسر من الغلوكوز يُخمَّر؟ وأي كسر من ATP يأتي من التخمر؟
الدورق نفسه على البالميتات بدل الغلوكوز (هوائيًا): احسب الحاصل التنفسي.
يقيس طالب حاصلًا تنفسيًا قدره 0.7 عند حيوان مستريح بعد صيام ليلة و1.0 بعد وجبة. فسّر.

الجزء الرابع — العنفة.

احسب الطاقة الحرة لمول واحد من البروتونات يعبر قوة محركة للبروتون قدرها $0.22\,\mathrm{V}$ .
احسب طاقة $4\,\mathrm{H}^{+}$ ومردود السنتاز عند $50\,\mathrm{kJ}$ لكل ATP.
احسب الطاقة الحرة المحررة بهبوط إلكترونين من NADH إلى $\mathrm{O_2}$ ( $1.14\,\mathrm{V}$ )، والطاقة المخزونة في البروتونات العشرة المضخوخة، ومردود السلسلة.
اجمع المردودين وقارن مع 2.5 ATP $\times$ $50\,\mathrm{kJ}$ على $220\,\mathrm{kJ}$ .
يُضاف فاصل اقتران إلى الدورق المهوى. تنبأ بالتغيرات في استهلاك الأكسجين، ومردود ATP، واستهلاك الغلوكوز، وإنتاج الحرارة، والنمو.
ويُضاف الأوليغوميسين، الذي يسد السنتاز، بدلًا منه. تنبأ بالتغيرات، وبما يحدث إن أُضيف فاصل اقتران فوقه.
خميرة طافرة تفتقر إلى المعقد I؛ وNADH لديها يدخل السلسلة عبر إنزيم بديل لا يضخ بروتونات. احسب نسبة P/O عند NADH فيها وATP لكل غلوكوز.
فسّر لماذا تبقي الخلية مخزون NADH المتقدري مرجعًا كله تقريبًا حين ينعدم الأكسجين، وماذا يفعل هذا بدورة كريبس.
اذكر النتيجة: ATP لكل غلوكوز مع الهواء وبدونه، ونسبتهما، ونسبتا P/O عند NADH وعند $\mathrm{FADH_2}$ .

حل

حل المسألة 15.1.

1. التحلل السكري: 2 ATP، و2 NADH (عصاري). ونازعة هيدروجين البيروفات: 2 NADH. وكريبس: 6 NADH، و2 $\mathrm{FADH_2}$ ، و2 GTP. 2. NADH المتقدري $8\times 10 = 80$ ؛ و $\mathrm{FADH_2}$ $2\times 6 = 12$ ؛ وNADH العصاري بوصفه $\mathrm{FADH_2}$ $2\times 6 = 12$ : أي 104 بروتونات. 3. $104/4 = 26$ ATP؛ والمجموع $26 + 2 + 2 = 30$ . 4. 2 ATP. 5. 15. 6. مع الهواء $30\times 50 = 1500\,\mathrm{kJ}$ : أي $52\,\%$ من 2870. وبدونه: $100\,\mathrm{kJ}$ ، أي $3.5\,\%$ من 2870 لكن $43\,\%$ من 235 المحررة — فالتخمر كفء في التقاط ما يحرره؛ لكنه لا يحرر إلا قليلًا. 7. المهوى $30/30 = 1\,\mathrm{mmol}$ من الغلوكوز في الساعة؛ والمحكم $30/2 = 15\,\mathrm{mmol}$ . 8. المحكم: $30\,\mathrm{mmol}$ من الإيثانول و $30\,\mathrm{mmol}$ من $\mathrm{CO_2}$ في الساعة. والمهوى: $6\,\mathrm{mmol}$ من $\mathrm{CO_2}$ مطلقة و $6\,\mathrm{mmol}$ من $\mathrm{O_2}$ مستهلكة. 9. $2\times 10.5 = 21\,\mathrm{g}$ لكل مول، أي $0.12\,\mathrm{g}$ لكل غرام غلوكوز. 10. $0.5\times 180 = 90\,\mathrm{g}$ لكل مول، أي ما يعادل $90/10.5 = 8.6$ ATP مقابل 30 متاحة: فمركب ATP في فائض؛ والمردود يحده الكربون (إذ يُؤكسد نصف الغلوكوز إلى $\mathrm{CO_2}$ لصنع ATP، والكتلة الحيوية تحتاج إلى هياكل كربونية وقدرة مرجعة)، ويُنفق فائض ATP على الصيانة. 11. للحصول على ATP نفسه تستهلك المزرعة المحكمة غلوكوزًا أكثر بخمس عشرة مرة (السؤال 7) وتنمو خُمسًا لكل غرام (السؤال 9): أي استهلاك سريع للسكر، ونمو قليل، وكحول — وهي ملاحظة باستور. والفسفوفركتوكيناز، المثبَّط بمركب ATP وبالسترات عند التهوية، يتحرر حين يتوقف التنفس. 12. $\mathrm{CO_2}$ : $44/44 = 1.0\,\mathrm{mmol}$ ؛ و $\mathrm{O_2}$ : $20/32 = 0.625\,\mathrm{mmol}$ : فالحاصل $= 1.6$ . 13. $\mathrm{O_2}$ : $6x = 0.625$ ، فيكون $x = 0.104\,\mathrm{mmol}$ . و $\mathrm{CO_2}$ : $6x + 2y = 1.0$ ، فيكون $2y = 0.375$ و $y = 0.1875\,\mathrm{mmol}$ . 14. المخمَّر $0.1875/0.292 = 64\,\%$ من الغلوكوز. وATP من التخمر $2y = 0.375$ مقابل $30x = 3.12$ من التنفس: أي $11\,\%$ . 15. $16/23 = 0.70$ . 16. صائمًا يحرق الحيوان الشحم (حاصل 0.7)؛ ومطعَمًا يحرق كربوهيدرات الوجبة (1.0). 17. $96\,500\times 0.22 = 21.2\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ . 18. $4\times 21.2 = 85\,\mathrm{kJ}$ مقابل ATP قدره $50\,\mathrm{kJ}$ : أي $59\,\%$ . 19. $2\times 96\,500\times 1.14 = 220\,\mathrm{kJ}$ ؛ والبروتونات العشرة تخزن $10\times 21.2 = 212\,\mathrm{kJ}$ : أي $96\,\%$ — فالسلسلة لا تهدر إلا قليلًا؛ والفواقد عند السنتاز والناقلات. 20. $0.96\times 0.59 = 0.57$ ؛ و $2.5\times 50/220 = 0.57$ : أي الرقم نفسه بالطريقين. 21. يرتفع استهلاك الأكسجين، ويهبط مردود ATP نحو مردود التخمر (2 لكل غلوكوز من التحلل السكري، وPFK متحرر فيرتفع استهلاك الغلوكوز)، ويرتفع إنتاج الحرارة، وينهار النمو. 22. يتوقف تركيب ATP؛ ولا يستطيع التدرج أن يتفرغ، فتتوقف السلسلة أمامه، ويتوقف استهلاك الأكسجين، وتخمّر الخلية ما تستطيع. ثم إضافة فاصل اقتران تدع البروتونات ترشح راجعة: فتستأنف السلسلة واستهلاك الأكسجين، وما زال بلا ATP. 23. NADH لا يضخ إلا عبر المعقدين III وIV: أي $6/4 = 1.5$ ؛ ولكل غلوكوز $8\times 1.5 + 2\times 1.5 + 2\times 1.5 + 4 = 22$ ATP. 24. بلا أكسجين لا تستطيع السلسلة أن تأخذ الإلكترونات، فلا يُعاد أكسدة NADH ويبقى المخزون مرجعًا؛ ونازعات الهيدروجين الثلاث المعتمدة على NAD في الدورة لا تجد $\mathrm{NAD^+}$ فتتوقف الدورة — ولهذا يجب على التخمر أن يجدد $\mathrm{NAD^+}$ في العصارة ليستمر التحلل السكري. 25. 30 ATP مع الهواء، و2 بدونه: أي نسبة 15؛ ونسبة P/O تساوي 2.5 عند NADH (10 بروتونات على 4 لكل ATP) و1.5 عند $\mathrm{FADH_2}$ (6 على 4).

المصطلحات المعرَّفة في هذا الفصل

عرض كل المصطلحات (479) في المسرد