الأحياء الجامعية — السنة الأولى · Bachelor Year 1

5الخلية: وحدة الحياة

في عام 1665 وضع روبرت هوك شريحة من الفلين تحت عدسة فرآها مقسومة إلى علب صغيرة سماها خلايا، على اسم غرف الدير. وبعد عشر سنين رأى تاجر أقمشة هولندي، أنطوني فان ليفنهوك، وقد صقل عدساته بقوة لم يبلغها سواه، كائنات حية تسبح في قطرة من ماء بركة، وفي كشاطة أسنانه، وفي منيّه. ثم لزم قرن ونصف آخر ليُقال ما رآه الرجلان: أن كل كائن حي مكون من خلايا، وأن كل خلية تأتي من خلية. يعرض هذا الفصل النظرية الخلوية وشواهدها، ويقابل بين نوعي الخلية، ويصف الأدوات — المجاهر، والنابذة، ودورق الزرع — التي تتيح لنا أن نرى الخلايا، وأن نفككها، وأن نبقيها حية خارج الكائن الحي.

5.1 النظرية الخلوية

تعريف 5.1 (الخلية)

الخلية أصغر وحدة من المادة الحية: حجم من السيتوبلازم المائي يحده غشاء بلازمي، يحوي المادة الوراثية (DNA) والآلة التي تعبر عنها، قادر على أخذ المغذيات، وتحويل الطاقة، وصون تنظيمه الخاص، والانقسام إلى خليتين حين تسمح الظروف.

قضية 5.2 (النظرية الخلوية)

كل كائن حي مكون من خلية واحدة أو أكثر، والخلية هي وحدة بنية الأحياء ووحدة عملها (شلايدن وشفان، 1838–1839).
كل خلية تنشأ من خلية سابقة لها بالانقسام (فيرشو، 1855: كل خلية من خلية)؛ ولا توالد ذاتيًا.
المادة الوراثية تُمرَّر من خلية إلى خلية عند الانقسام، حتى إن استمرار الحياة هو استمرار الخلايا.

شواهد. فلين هوك (1665) والمقاطع النباتية عند غرو ومالبيغي أظهرت الأنسجة النباتية صفوفًا من الحجيرات؛ وعدسات ليفنهوك (سبعينيات القرن السابع عشر) أظهرت كائنات وحيدة الخلية وخلايا دم ونطافًا. ثم وجد قرنان من تحسين العدسات خلايا في كل نسيج فُحص، حيوانيًا كان أم نباتيًا، بعد أن تعرف شفان على خلايا منواة في الغضروف والأجنة. ورُئي الانقسام مباشرة في الطحالب وفي الأجنة، ولم يجد فيرشو نسيجًا، سليمًا ولا مريضًا، لا تأتي خلاياه من خلايا أخرى. ثم أغلقت دوارق باستور المعقوفة العنق (1861) — مرقٌ بقي عقيمًا شهورًا حين لم يبلغه الغبار، وفار في أيام حين بلغه — مسألة التوالد الذاتي. أما الجملة الثالثة فعمل أواخر القرن التاسع عشر، الذي تتبع الصبغيات عبر الانقسام (الفصل 18). ∎

إلى اليسار: رسم هوك للفلين في Micrographia (1665)، وهو أول تصوير للخلايا على الإطلاق — الجدر الفارغة لخلايا ميتة، منظورة في اتجاهين. وإلى اليمين: أنطوني فان ليفنهوك، بريشة Jan Verkolje نحو 1680، وقد أظهرت مجاهره الوحيدة العدسة الخلايا الحية أول مرة. — إلى اليسار: رسم هوك للفلين في *Micrographia* (1665)، وهو أول تصوير للخلايا على الإطلاق — الجدر الفارغة لخلايا ميتة، منظورة في اتجاهين. وإلى اليمين: أنطوني فان ليفنهوك، بريشة Jan Verkolje نحو 1680، وقد أظهرت مجاهره الوحيدة العدسة الخلايا الحية أول مرة.

مثال 5.3 (خلية واحدة، وخلايا كثيرة)

البكتيريا والخميرة والأميبة كائنات كاملة من خلية واحدة، تفعل كل شيء — التغذي، والحركة، والانقسام — في بضعة ميكرومترات. أما الإنسان فنحو $3 \times 10^{13}$ خلية من مئتي نوع، لا تستطيع واحدة منها أن تعيش وحدها في بركة، وكل منها منحدرة بانقسامات غير منقطعة من بيضة ملقحة واحدة. وأرنب الفصل 2 وبلوطة الفصل 3 هما النظرية نفسها مطبقة مرتين.

5.2 نوعا الخلية

تعريف 5.4 (الخلايا بدائية النواة وحقيقية النواة)

الخلية بدائية النواة (البكتيريا، والعتائق) لا نواة لها: فحمضها النووي، وهو عادة صبغي حلقي واحد، يقع في منطقة من السيتوبلازم تسمى النويد، ولا حجيرات محدودة بغشاء فيها. وهي صغيرة ( $0.5\text{ to }5\,\text{µ}\mathrm{m}$ ) يحدها غشاء بلازمي ومن خارجه جدار خلوي. أما الخلية حقيقية النواة (الطلائعيات، والفطريات، والنباتات، والحيوانات) فتحفظ حمضها النووي، في هيئة عدة صبغيات خطية، داخل نواة يحدها غشاء مضاعف، وتقسم سيتوبلازمها إلى عضيات محدودة بأغشية (الفصل 6). وهي أكبر ( $10\text{ to }100\,\text{µ}\mathrm{m}$ ) ولها هيكل داخلي من خيوط بروتينية.

بكتيريا (Escherichia coli) مشقوقة. لا نواة ولا عضيات: صبغي حلقي مطوي طيًا رخوًا في السيتوبلازم بين آلاف الريبوزومات، وجدار خارج الغشاء البلازمي، وأسواط للسباحة وشعيرات للالتصاق. طولها نحو 2\, µ m. — بكتيريا (*Escherichia coli*) مشقوقة. لا نواة ولا عضيات: صبغي حلقي مطوي طيًا رخوًا في السيتوبلازم بين آلاف الريبوزومات، وجدار خارج الغشاء البلازمي، وأسواط للسباحة وشعيرات للالتصاق. طولها نحو $2\,\text{µ}\mathrm{m}$ .

Escherichia coli تحت المجهر الإلكتروني الماسح (القضيب في أسفل الصورة 2\, µ m). عصيات طولها 2\, µ m، يتسع المليمتر لألف منها متجاورة؛ وتنقسم الخلية الواحدة كل عشرين دقيقة في وسط غني. الصورة: NIAID، ملك عام. — *Escherichia coli* تحت المجهر الإلكتروني الماسح (القضيب في أسفل الصورة $2\,\text{µ}\mathrm{m}$ ). عصيات طولها $2\,\text{µ}\mathrm{m}$ ، يتسع المليمتر لألف منها متجاورة؛ وتنقسم الخلية الواحدة كل عشرين دقيقة في وسط غني. الصورة: NIAID، ملك عام.

قضية 5.5 (الخلية البكتيرية)

E. coli، وهي البكتيريا النموذج، عصية طولها $2\,\text{µ}\mathrm{m}$ وعرضها $0.8\,\text{µ}\mathrm{m}$ : أي حجم يناهز $1\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ يحوي صبغيًا واحدًا من $4.6 \times 10^{6}$ زوج قواعد ( $1.5\,\mathrm{mm}$ من DNA مطوي عشرة آلاف طية)، ونحو $20\,000$ ريبوزوم، وبضعة ملايين من جزيئات البروتين من $2000$ نوع، وكثيرًا ما يحوي بلازميدًا أو أكثر — وهي جزيئات DNA حلقية صغيرة تحمل مورّثات إضافية. وغلافها، من الداخل إلى الخارج، غشاء بلازمي، وجدار رقيق من الببتيدوغليكان (شبكة من سلاسل سكرية تربطها ببتيدات قصيرة، وهي تقاوم الضغط الداخلي للخلية)، وغشاء خارجي. والبكتيريا ذات جدار الببتيدوغليكان السميك بلا غشاء خارجي تحتفظ بصباغ البنفسج البلوري في صبغة غرام (إيجابية الغرام)؛ وذات الجدار الرقيق تحت غشاء خارجي تفقده (سلبية الغرام، مثل E. coli). والأسواط تدور دوران المراوح؛ والشعيرات تثبت الخلية على السطوح وعلى خلايا أخرى.

طريقة 5.6 (صبغة غرام)

ثبّت لطاخة رقيقة من البكتيريا على شريحة بالحرارة.
اصبغ بالبنفسج البلوري (فتصير كل الخلايا بنفسجية)، ثم باليود، الذي يكوّن معقدًا كبيرًا مع الصباغ داخل الخلايا.
اشطف بالكحول: فالببتيدوغليكان السميك عند إيجابيات الغرام ينكمش ويحبس المعقد؛ أما الجدار الرقيق عند سلبيات الغرام، بعد أن يذيب الكحول الغشاء الخارجي، فيدع المعقد ينغسل.
اصبغ صبغة مقابلة بصباغ وردي (السفرانين): فتبدو إيجابيات الغرام بنفسجية وسلبياته وردية. والنتيجة تتنبأ ببنية الجدار، ومعها الحساسية لكثير من المضادات الحيوية.

قياسات الأشياء، على سلم لوغاريتمي، والأدوات التي تفصلها. البكتيريا تقع فوق حد المجهر الضوئي بقليل؛ والخلية حقيقية النواة أكبر منها بعشر مرات في كل بعد، وبألف مرة في الحجم.

مثال 5.7 (لماذا كانت الخلية حقيقية النواة محجّرة)

خلية قياسها $20\,\text{µ}\mathrm{m}$ حجمها ألف ضعف حجم بكتيريا لكن سطحها الغشائي مئة ضعف سطحها فقط (القضية 1.6). والأغشية هي حيث تحمل الخلية سلاسل تحويل طاقتها وجمل نقلها؛ فتستعيد حقيقية النواة السطح بطي الأغشية داخل نفسها — الغشاء الداخلي للمتقدرة، وصفائح الشبكة الإندوبلازمية — وتكسب فوق ذلك حجرات منفصلة تستطيع أن تجري فيها كيمياءات متنافرة (الهضم في الجسيم الحال، والتركيب في العصارة الخلوية) جنبًا إلى جنب.

5.3 رؤية الخلايا: المجهرية

تعريف 5.8 (التكبير والقدرة الفاصلة)

المجهر يكبّر (أي يعظّم الصورة) ويفصل (أي يميز النقاط المتجاورة). ولا يحد ما يمكن رؤيته إلا الثاني: فالقدرة الفاصلة هي أصغر مسافة $d$ بين نقطتين تبقيان متمايزتين،

d = \frac{0.61\,\lambda}{\mathrm{NA}},

حيث $\lambda$ طول موجة الإضاءة و $\mathrm{NA}$ الفتحة العددية للشيئية (جيب نصف زاويتها في جمع الضوء مضروبًا في قرينة انكسار الوسط، وهي $1.4$ على الأكثر بالزيت). والتكبير فوق القدرة الفاصلة يعظّم الضبابة لا التفصيل.

قضية 5.9 (المجهران الضوئي والإلكتروني)

بالضوء المرئي ( $\lambda \approx 550\,\mathrm{nm}$ ) و $\mathrm{NA} = 1.4$ يفصل المجهر الضوئي $0.24\,\text{µ}\mathrm{m}$ : أي الخلايا، والنوى، والبلاستيدات الخضراء، والمتقدرات نقاطًا، والبكتيريا عصيات — وعينات حية متحركة. ويُحصَّل التباين في خلية شفافة بالصبغ (وهو يقتل عادة)، أو بتباين الطور (بتحويل فروق قرينة الانكسار إلى فروق في السطوع)، أو بالتألق (بوسم جزيء واحد بصباغ أو ببروتين متألق وتصوير ضوئه وحده). أما المجهر الإلكتروني فيستعمل إلكترونات طول موجتها بضعة بيكومترات؛ وقدرته الفاصلة العملية، التي تحدها عدساته، نحو $0.2\,\mathrm{nm}$ في النفوذ (TEM: تمر الإلكترونات عبر مقطع سماكته $50\,\mathrm{nm}$ مصبوغ بمعادن ثقيلة، فيعطي البنية الداخلية للعضيات) وبضعة نانومترات في المسح (SEM: حزمة تُكنَّس على سطح مغطى بمعدن، فتعطي تضاريسه في العمق). والمجهرية الإلكترونية تقتضي خلاءً وعينات ميتة مثبتة مجففة.

المجهر الضوئي المركب: الشيئية تكوّن صورة وسيطة مكبَّرة مقلوبة، تكبّرها العينية مرة أخرى للعين. والفتحة العددية للشيئية، لا التكبير الكلي، هي التي تحدد ما يمكن فصله.

مجهر ضوئي مركب: المصباح والمكثف تحت المنضدة، وبرج من الشيئيات فوقها، وعينيتان للنظر بالعينين. القدرة الفاصلة 0.2\, µ m، والتكبير حتى 1000\,، والعينات الحية ممكنة. — مجهر ضوئي مركب: المصباح والمكثف تحت المنضدة، وبرج من الشيئيات فوقها، وعينيتان للنظر بالعينين. القدرة الفاصلة $0.2\,\text{µ}\mathrm{m}$ ، والتكبير حتى $1000\,$ ، والعينات الحية ممكنة.

طريقة 5.10 (اختيار الأداة)

لمتابعة عملية حية (انقسام خلية، أو حركة، أو بروتين متألق ينتقل بين حجيرتين): المجهرية الضوئية، بتباين الطور أو بالتألق، على خلايا غير مثبتة.
لعد الخلايا في نسيج وتعيينها: تحضيرة مثبتة مقطعة مصبوغة تحت المجهر الضوئي.
لرؤية البنية الداخلية لعضية أو غشاء أو فيروس: المجهرية الإلكترونية النافذة لمقاطع رقيقة، أو لجسيمات مصبوغة صبغًا سالبًا.
لرؤية تضاريس سطح خلية أو نسيج: المجهرية الإلكترونية الماسحة.
لتحديد موضع بروتين واحد: التألق المناعي (ضوئي) أو الوسم بالذهب المناعي (إلكتروني)، باستعمال ضد مناعي له.

مثال 5.11 (بكتيريا ومتقدرة)

تحت المجهر الضوئي عند $1000\times$ تبدو خلية E. coli عصية طولها $2\,\mathrm{mm}$ على سلم الشبكية، بلا داخل مرئي؛ وتبدو المتقدرة نقطة عند حد القدرة الفاصلة. أما في مقطع بالمجهر النافذ فتُظهر البكتيريا نفسها غشاءيها وجدارها ونويدها منطقة ليفية شاحبة وريبوزوماتها حبيبات داكنة؛ وتُظهر المتقدرة غشاءها المضاعف وطيات غشائها الداخلي. وليس أي منهما حيًا.

5.4 تفكيك الخلايا وإبقاؤها حية

تعريف 5.12 (تجزئة الخلايا)

تجزئة الخلايا تفصل مكونات الخلية لدراستها. فيُحوَّل النسيج إلى مجانس — أي تُكسر الخلايا في هادئة باردة متساوية التوتر بالطحن أو القص، فتبقى العضيات سليمة — ثم يُخضع المجانس لطرد مركزي تفاضلي: وهو سلسلة من الدورانات المتزايدة القوة والمدة، يرسّب كل منها أكبر الجسيمات الباقية معلقة وأكثفها. ويُعرَّف كل جزء بمظهره تحت المجهر الإلكتروني وبواسطة إنزيمات واسمة، وهي أنشطة معلوم أنها لا توجد إلا في حجيرة واحدة.

طرد مركزي تفاضلي لمجانس. كل دوران يرسّب ما هو أكبر أو أكثف مما تركه الدوران السابق معلقًا: النوى أولًا، ثم المتقدرات، ثم شظايا الأغشية، وأخيرًا العصارة الخلوية الذوابة. والإنزيمات الواسمة تدل على أين ذهبت كل عضية.

الأجزاء بعد الدورانات المتعاقبة: رواسب النوى والمتقدرات والميكروزومات، كل منها تحت طافيه الصافي.

قضية 5.13 (الترسيب)

جسيم كروي نصف قطره $r$ وكثافته $\rho_p$ في مائع كثافته $\rho_f$ ولزوجته $\eta$ ، في حقل نابذ $g_c$ (مضاعف للتسارع $g$ )، يترسب بالسرعة المستقرة

v = \frac{2}{9}\,\frac{r^2\,(\rho_p - \rho_f)\,g_c}{\eta}

(قانون ستوكس). والسرعة تنمو مثل مربع نصف القطر: فنواة قياسها $5\,\text{µ}\mathrm{m}$ تسقط أسرع مئة مرة من متقدرة قياسها $0.5\,\text{µ}\mathrm{m}$ ، وهذه تسقط أسرع ألف مرة من ريبوزوم قياسه $15\,\mathrm{nm}$ . ولهذا يفصلها الأنبوب نفسه عند سرعات متزايدة.

برهان. عند السرعة المستقرة يوازن جر ستوكس، $6\pi\eta r v$ ، الوزن الصافي للجسيم في المائع، $\frac{4}{3}\pi r^3(\rho_p - \rho_f)g_c$ ؛ وحل المعادلة من أجل $v$ يعطي الصيغة. ∎

تعريف 5.14 (زرع الخلايا)

زرع الخلايا يبقي الخلايا حية منقسمة خارج الكائن الحي، في وسط عقيم يمدها بالمغذيات والأملاح وعوامل النمو، وبسطح تلتصق به إن كانت خلايا حيوانية، عند حرارة الكائن الحي. والبكتيريا والخمائر تنمو في أوساط بسيطة وتتضاعف في دقائق إلى ساعات؛ والخلايا الحيوانية المأخوذة من نسيج (المزارع الأولية) تنقسم عددًا محدودًا من المرات، بينما تنقسم السلالات الخلوية المشتقة من أورام أو من خلايا محوَّلة انقسامًا غير محدود. والزرع يجعل الخلية موضوعًا تجريبيًا: نوع واحد، ووسط واحد، ومتغير واحد في كل مرة.

مثال 5.15 (منحني نمو)

دورق من E. coli في وسط غني عند $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : تأخر نصف ساعة، ثم نمو أسي — إذ يتضاعف العدد كل $20\,\mathrm{min}$ ، فيكون $N = N_0\,2^{t/20}$ — إلى أن ينفد مغذٍ أو تتراكم الفضلات فتبلغ المزرعة هضبة قرب $10^9$ خلية في المليلتر. فمن خلية واحدة يُبلغ $2^{30} \approx 10^9$ خلية في عشر ساعات. والمنحني نفسه، بزمن تضاعف قدره يوم، يصف مزرعة خلايا بشرية.

5.5 تمارين

تمرين 5.1 ★

اذكر قضايا النظرية الخلوية الثلاث وسمِّ شاهدًا على كل منها.

حل

حل التمرين 5.1.

كل الكائنات الحية مكونة من خلايا (فكل نسيج فُحص تحت المجهر، نباتيًا كان أم حيوانيًا، يظهرها)؛ وكل خلية تأتي من خلية (فقد رُئي الانقسام في الأجنة والطحالب؛ ودوارق باستور تستبعد التوالد الذاتي)؛ والمادة الوراثية تُمرَّر عند الانقسام (فقد تُتبعت الصبغيات عبر التقسم).

تمرين 5.2 ★

اذكر أربعة فروق بين خلية بدائية النواة وخلية حقيقية النواة.

حل

حل التمرين 5.2.

النواة (غائبة / حاضرة)، والعضيات المحدودة بأغشية (غائبة / حاضرة)، والصبغي (واحد حلقي / عدة صبغيات خطية)، والقياس ( $0.5\text{ to }5\,\text{µ}\mathrm{m}$ / $10\text{ to }100\,\text{µ}\mathrm{m}$ )، والجدار الخلوي من الببتيدوغليكان (البكتيريا) / من السليولوز أو الكيتين أو لا جدار، والهيكل الخلوي (بدائي / متطور).

تمرين 5.3 ★

من شكل سلم القياسات، كم بكتيريا موضوعة طرفًا إلى طرف تمتد على طول بيضة ضفدع؟ وكم خلية حيوانية؟

حل

حل التمرين 5.3.

$1\,\mathrm{mm}/1\,\text{µ}\mathrm{m} = 1000$ بكتيريا؛ و $1000/20 = 50$ خلية حيوانية.

تمرين 5.4 ★

لماذا لا يبين مجهر ضوئي عند $2000\times$ تفصيلًا أكثر مما يبينه مجهر عند $1000\times$ ؟

حل

حل التمرين 5.4.

القدرة الفاصلة تتوقف على طول الموجة وعلى الفتحة العددية لا على التكبير؛ وفوق $1000\times$ تقريبًا تعظّم الصورة ضبابة حد الحيود ( $0.2\,\text{µ}\mathrm{m}$ ) دون أن تفصل شيئًا جديدًا.

تمرين 5.5 ★★

احسب القدرة الفاصلة لشيئية $\mathrm{NA} = 0.65$ في الضوء الأخضر ( $550\,\mathrm{nm}$ )، وفي الضوء الأزرق ( $450\,\mathrm{nm}$ ). فهل تستطيع أن تفصل بكتيريتين تبعدان $0.5\,\text{µ}\mathrm{m}$ ؟ وريبوزومين يبعدان $30\,\mathrm{nm}$ ؟

حل

حل التمرين 5.5.

$0.61\times 550/0.65 = 516\,\mathrm{nm}$ ؛ وفي الأزرق $422\,\mathrm{nm}$ . وبكتيريتان تبعدان $500\,\mathrm{nm}$ : بالكاد، في الضوء الأزرق؛ وريبوزومان يبعدان $30\,\mathrm{nm}$ : لا، بعامل خمسة عشر.

تمرين 5.6 ★★

صبغة غرام لمزرعة مختلطة تظهر مكورات بنفسجية وعصيات وردية. فماذا يقول كل لون عن الجدار الخلوي؟ وأي الاثنين E. coli؟

حل

حل التمرين 5.6.

البنفسجي: جدار ببتيدوغليكان سميك يحتفظ بمعقد البنفسج البلوري واليود، بلا غشاء خارجي (إيجابي الغرام). والوردي: ببتيدوغليكان رقيق تحت غشاء خارجي، انغسل منه الصباغ، وصُبغ صبغة مقابلة (سلبي الغرام). وE. coli عصية سلبية الغرام: أي العصيات الوردية.

تمرين 5.7 ★★

باستعمال قانون ستوكس مع $\eta = 1 \times 10^{-3}\,\mathrm{Pa}\,\mathrm{s}$ و $\rho_p - \rho_f = 100\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$ ، احسب سرعة ترسيب متقدرة ( $r = 0.5\,\text{µ}\mathrm{m}$ ) عند $10\,000\,g$ والزمن اللازم لسقوط $5\,\mathrm{cm}$ . وأعد الحساب من أجل نواة ( $r = 4\,\text{µ}\mathrm{m}$ ) عند $1000\,g$ .

حل

حل التمرين 5.7.

المتقدرة: $v = \frac{2}{9}\times(5\times 10^{-7})^2\times 100\times 9.81\times 10^4/10^{-3} = 5.4 \times 10^{-4}\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$ ؛ فتقطع $5\,\mathrm{cm}$ في $92\,\mathrm{s}$ . والنواة عند $1000\,g$ : $v = \frac{2}{9}\times(4\times 10^{-6})^2\times 100\times 9810/10^{-3} = 3.5 \times 10^{-3}\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$ ؛ فتقطع $5\,\mathrm{cm}$ في $14\,\mathrm{s}$ .

تمرين 5.8 ★★

أنشطة الواسمات في مجانس: نازعة هيدروجين السكسينات $80\,\%$ في الراسب 2، و $15\,\%$ في الراسب 1، و $5\,\%$ في الطافي؛ ونازعة هيدروجين اللاكتات $95\,\%$ في الطافي الأخير. فسّر كل عدد، بما فيه $15\,\%$ في الراسب 1.

حل

حل التمرين 5.8.

نازعة هيدروجين السكسينات متقدرية: فنسبة $80\,\%$ من المتقدرات في الراسب 2؛ و $15\,\%$ في الراسب 1 متقدرات محبوسة في خلايا غير مكسورة وفي الحطام أو مجرورة مع النوى؛ و $5\,\%$ في الطافي من متقدرات تكسرت في أثناء المجانسة. أما نازعة هيدروجين اللاكتات فعصارية ذوابة: فتبقى في الطافي الأخير.

تمرين 5.9 ★★

أي مجهر تستعمل من أجل (أ) مشاهدة كرية بيضاء تبتلع بكتيريا، و(ب) عد المتقدرات في مقطع عضلي، و(ج) رؤية ثقوب الغلاف النووي، و(د) رؤية شكل سطح حبة لقاح؟ علّل كل اختيار.

حل

حل التمرين 5.9.

(أ) المجهرية الضوئية بتباين الطور على خلايا حية (فالعملية تستغرق دقائق وتحتاج إلى خلايا حية). (ب) المجهرية الضوئية لمقطع مصبوغ، أو المجهر النافذ للتيقن (فالمتقدرات عند الحد الضوئي). (ج) المجهر النافذ (فالثقوب $100\,\mathrm{nm}$ ). (د) المجهر الماسح (لتضاريس السطح).

تمرين 5.10 ★★★

دوارق باستور: مرق مغلي في دورق معقوف العنق يبقى صافيًا إلى ما لا نهاية؛ فإذا أُميل حتى لامس المرق الغبار في العنق تعكر في يومين. فسّر ما الذي تستبعده كل ملاحظة وما الذي تثبته الملاحظتان معًا، وقل لماذا لم يحسم الغليان في دورق مغلق وحده المسألة.

حل

حل التمرين 5.10.

الدورق الصافي يستبعد أن يولّد الهواء نفسه، أو المرق المغلي نفسه، حياةً: فالهواء يدخل بحرية عبر العنق المفتوح. والدورق المتعكر، بعد ملامسة الغبار، يبين أن ما حبسه العنق — أي جسيمات من الهواء — هو منبع الكائنات. وهما معًا يثبتان أن الميكروبات تأتي من ميكروبات يحملها الغبار. أما دورق مغلي مختوم فقد ترك الاعتراض قائمًا بأن الختم حجب عن الهواء «قوة حيوية» كانت لازمة؛ والعنق المعقوف يُدخل الهواء ولا يحجب إلا الغبار.

تمرين 5.11 ★★★

مزرعة من E. coli تبدأ عند $10^3$ خلية في المليلتر وتتضاعف كل $25\,\mathrm{min}$ . فمتى تبلغ $10^8$ في المليلتر؟ وإذا كانت كتلة كل خلية $1\,\mathrm{pg}$ ، فما الكتلة البكتيرية في لتر عند تلك اللحظة، ولماذا يتوقف النمو بعدها بقليل حتى في فائض من الغلوكوز؟

حل

حل التمرين 5.11.

$10^5 = 2^{n}$ يعطي $n = 16.6$ تضاعفًا، أي $415\,\mathrm{min}$ ، أي نحو $7\,\mathrm{h}$ . و $10^8\times 10^3\,\mathrm{mL}\times1\,\mathrm{pg} = 0.1\,\mathrm{g}$ في اللتر. ويتوقف النمو لأن الأكسجين (الذي لا يستطيع الوسط أن يمده إلا ببضعة مليغرامات في اللتر)، أو معدنًا ما، أو تراكم الحموض والفضلات يصير محددًا، لا الغلوكوز.

تمرين 5.12 ★★★

«الخلية حقيقية النواة بكتيريا تعلمت الطي.» ناقش في فقرة، مستعملًا نسبة السطح إلى الحجم، وأغشية العضيات، وما تتيحه الحجيرات.

حل

حل التمرين 5.12.

خلية أكبر بعشر مرات في كل بعد لها عُشر السطح الغشائي لواحدة الحجم؛ ولأن الأغشية تحمل آلة تحويل الطاقة وآلة النقل، فالخلية الكبيرة كانت لتجوع. فتضاعف حقيقية النواة الغشاء بطيه داخل نفسها (الشبكة الإندوبلازمية، والغشاء الداخلي للمتقدرة، والصفائح الثايلاكويدية)، وتنشئ بذلك أيضًا حجيرات مغلقة تجري فيها عمليات متنافرة — هضم حمضي، وكيمياء مؤكسدة، وحفظ DNA — كل على حدة وبشروطه. والصورة موفقة ما دامت في الأغشية، وهي ناقصة: فحقيقية النواة كسبت أيضًا هيكلًا خلويًا ونواة، ومتقدراتها منحدرة من بكتيريا ابتُلعت، لا من طيات.

5.6 مسألة: تجزئة كبد

مسألة 5.1

مسألة نهاية الأسبوع — عشرة غرامات من كبد جرذ تُفكَّك بالطرد المركزي: الرواسب، والواسمات، وقانون ستوكس، وميزانية إنزيم، وصولًا إلى عامل تنقية الجزء المتقدري

$10\,\mathrm{g}$ من كبد جرذ تُجانَس في $50\,\mathrm{mL}$ من سكروز بارد متساوي التوتر وتُدار على ثلاث مراحل: $1000\,g$ لمدة $10\,\mathrm{min}$ (الراسب 1)، ثم $10\,000\,g$ لمدة $20\,\mathrm{min}$ (الراسب 2)، ثم $100\,000\,g$ لمدة $60\,\mathrm{min}$ (الراسب 3)، فيبقى الطافي الأخير. ويُقاس محتوى البروتين ونشاطا إنزيمين في المجانس وفي كل جزء:

الجزء	البروتين (mg)	نازعة هيدروجين السكسينات (U)	نازعة هيدروجين اللاكتات (U)
المجانس	2000	100	400
الراسب 1	500	15	20
الراسب 2	200	60	12
الراسب 3	300	5	8
الطافي الأخير	950	4	350

خذ $\eta = 1 \times 10^{-3}\,\mathrm{Pa}\,\mathrm{s}$ للوسط، ومسار ترسيب طوله $5\,\mathrm{cm}$ ، و $g = 9.81\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2}$ .

الجزء الأول — ماذا يقع أين.

سمِّ العضية الرئيسة في كل راسب.
لماذا يجب أن يكون وسط المجانسة باردًا متساوي التوتر؟
نازعة هيدروجين السكسينات واسم لأي حجيرة؟ ونازعة هيدروجين اللاكتات لأي حجيرة؟
احسب استرجاع البروتين: أي مجموعه في الأجزاء بالنسبة المئوية من المجانس. وعلّق.
احسب استرجاع نشاط كل إنزيم بالطريقة نفسها.
احسب محتوى البروتين لكل غرام من الكبد والكسر من الكتلة الطرية للكبد الذي هو بروتين.

الجزء الثاني — قانون ستوكس. المتقدرات: نصف القطر $0.5\,\text{µ}\mathrm{m}$ ، وفائض الكثافة $100\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$ . والنوى: نصف القطر $4\,\text{µ}\mathrm{m}$ ، والفائض نفسه. والريبوزومات: نصف القطر $12\,\mathrm{nm}$ ، وفائض الكثافة $600\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$ .

احسب سرعة ترسيب متقدرة عند $10\,000\,g$ والزمن اللازم لقطع $5\,\mathrm{cm}$ . فهل تكفي $20\,\mathrm{min}$ ؟
احسب المسافة التي تقطعها متقدرة في أثناء الدوران الأول ( $1000\,g$ ، $10\,\mathrm{min}$ ). فأي كسر من المتقدرات، الموزعة توزيعًا منتظمًا في البدء، سيترسب في المرحلة الأولى؟
قارن مع $15\,\%$ من نازعة هيدروجين السكسينات الموجودة في الراسب 1. وما الذي يستطيع أيضًا أن يجر المتقدرات إلى الراسب 1؟
احسب الزمن اللازم لنواة لتقطع $5\,\mathrm{cm}$ عند $1000\,g$ .
احسب الزمن اللازم لريبوزوم ليقطع $5\,\mathrm{cm}$ عند $100\,000\,g$ . فهل يترسب ريبوزوم عند $10\,000\,g$ في $20\,\mathrm{min}$ ؟
فسّر لماذا كان تتابع الدورانات بقوة متزايدة ولماذا وجب أن تكون كل مرحلة طويلة بما يكفي لا أطول مما ينبغي.

الجزء الثالث — النشاط النوعي والتنقية. النشاط النوعي لإنزيم في جزء هو نشاطه لكل مليغرام من البروتين. وعامل تنقية جزء من أجل إنزيم هو نشاطه النوعي مقسومًا على النشاط النوعي في المجانس؛ والمردود هو نشاط الجزء مقسومًا على نشاط المجانس.

احسب النشاط النوعي لنازعة هيدروجين السكسينات في المجانس وفي كل جزء.
احسب عامل التنقية والمردود لنازعة هيدروجين السكسينات في الراسب 2.
احسب عامل تنقية نازعة هيدروجين السكسينات في الراسب 3 وفسّر قيمته.
احسب النشاط النوعي لنازعة هيدروجين اللاكتات في المجانس وفي الطافي الأخير، وعامل التنقية والمردود الموافقين.
لماذا كان عامل تنقية الإنزيم العصاري أدنى من عامل تنقية الإنزيم المتقدري مع أن مردوده أعلى؟
يحوي الراسب 2 $12\,\mathrm{U}$ من نازعة هيدروجين اللاكتات. فهل الإنزيم متقدري جزئيًا؟ اقترح تفسيرًا أفضل وطريقة لاختباره.
أي كسر من بروتين الكبد متقدري، إذا كانت كل نازعة هيدروجين السكسينات متقدرية والراسب 2 نقي بنسبة $60\,\%$ ؟ (إرشاد: استعمل النشاط النوعي للمتقدرات النقية، مستنتجًا من الراسب 2، والنشاط الكلي.)

الجزء الرابع — التحقق من الأجزاء.

يُفحص الراسب 2 بالمجهرية الإلكترونية: فأي أداة وأي تحضير، وماذا ينبغي أن يُرى؟
كيف تتحقق من الراسب 1 بحثًا عن خلايا غير مكسورة، وماذا تفعل إن وجدت كثيرًا منها؟
يُعاد تعليق الراسب 2 ويُوضع طبقةً على تدرج كثافة سكروزي، ثم يُدار حتى تقف كل جسيمة حيث تساوي كثافتها كثافة الوسط. فالمتقدرات تشكل نطاقًا عند $1.18\,\mathrm{g}/\mathrm{mL}$ ، والجسيمات الحالة عند $1.22\,\mathrm{g}/\mathrm{mL}$ ، والبيروكسيسومات عند $1.24\,\mathrm{g}/\mathrm{mL}$ . فسّر لماذا ينجح هذا الفصل حيث لم يستطع الطرد المركزي التفاضلي أن يحققه.
يرتفع نشاط الفوسفاتاز الحمضي في الراسب 2 ارتفاعًا حادًا حين يُضاف مُنظِّف إلى المقايسة. فسّر، وقل ماذا يخبرنا هذا عن حال الجسيمات الحالة في الراسب.
يُجانِس طالب في ماء نقي بدل السكروز المتساوي التوتر. تنبأ بالأثر في الراسب 2 وفي توزع نازعة هيدروجين السكسينات والفوسفاتاز الحمضي.
لخّص النتيجة: عامل التنقية ومردود الجزء المتقدري، وما الذي يحد كلًا منهما.

حل

حل المسألة 5.1.

1. الراسب 1: النوى (وخلايا غير مكسورة وحطام). والراسب 2: المتقدرات (مع الجسيمات الحالة والبيروكسيسومات). والراسب 3: الميكروزومات (شظايا الشبكة الإندوبلازمية) والريبوزومات. 2. البرودة تبطئ الإنزيمات (بما فيها البروتيازات والفوسفوليبازات المحررة بالكسر) وتصون العضيات؛ والتساوي في التوتر حتى لا تنتفخ العضيات فتنفجر ولا تنكمش. 3. المتقدرات (الغشاء الداخلي)؛ والعصارة الخلوية. 4. $500 + 200 + 300 + 950 = 1950\,\mathrm{mg}$ ، أي $97.5\,\%$ : والفواقد على جدر الأنابيب وفي النقل. 5. نازعة السكسينات: $15 + 60 + 5 + 4 = 84$ ، أي $84\,\%$ (وقد ضاع بعض النشاط بتضرر المتقدرات). ونازعة اللاكتات: $20 + 12 + 8 + 350 = 390$ ، أي $97.5\,\%$ . 6. $2000/10 = 200\,\mathrm{mg}/\mathrm{g}$ : أي $20\,\%$ من الكتلة الطرية (ومعظم الباقي ماء). 7. $v = \frac{2}{9}\times(5\times 10^{-7})^2\times 100\times 9.81 \times 10^{4}/10^{-3} = 5.4 \times 10^{-4}\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$ ؛ فتقطع $5\,\mathrm{cm}$ في $92\,\mathrm{s}$ : و $20\,\mathrm{min}$ أكثر من كافية. 8. عند $1000\,g$ يكون $v = 5.4 \times 10^{-5}\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$ ؛ وفي $600\,\mathrm{s}$ تقطع $3.3\,\mathrm{cm}$ . وبتوزع منتظم على $5\,\mathrm{cm}$ ، تبلغ القاع المتقدرات الواقعة ضمن $3.3\,\mathrm{cm}$ منه: أي $65\,\%$ ، لو لم يتدخل شيء آخر. 9. لا يترسب فعلًا إلا $15\,\%$ : فالراسب الحقيقي لا يحبس كل ما يبلغه (إذ يُعاد تعليق النوى المرصوصة برفق فتبقى الطبقة العليا الرخوة في الطافي)، والصيغة تبالغ في تقدير سرعة عضيات غير كروية مماهة. كما تدخل الراسبَ 1 متقدراتٌ داخل خلايا غير مكسورة وأخرى ملتصقة بالنوى. 10. $v = \frac{2}{9}\times(4\times 10^{-6})^2\times 100\times 9810/10^{-3} = 3.5 \times 10^{-3}\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$ ؛ أي $14\,\mathrm{s}$ . 11. $v = \frac{2}{9}\times(1.2\times 10^{-8})^2\times 600\times 9.81 \times 10^{5}/10^{-3} = 1.9 \times 10^{-5}\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$ ؛ فيقطع $5\,\mathrm{cm}$ في $2650\,\mathrm{s}$ ، أي $44\,\mathrm{min}$ . وعند $10\,000\,g$ تكون السرعة $1.9 \times 10^{-6}\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$ : أي $2.3\,\mathrm{mm}$ في $20\,\mathrm{min}$ ، فتبقى الريبوزومات في الطافي 2. 12. السرعة تسير مثل $r^2$ : فعند قوة منخفضة لا يتحرك حركة ملحوظة إلا أكبر الجسيمات، فترسّب كل مرحلة صنفًا واحدًا وتترك ما هو أصغر. فإن قصرت المرحلة لم يترسب الصنف تمامًا؛ وإن طالت بدأ الصنف التالي يلوث الراسب. 13. المجانس $100/2000 = 0.05\,\mathrm{U}/\mathrm{mg}$ ؛ والراسب 1 $15/500 = 0.03$ ؛ والراسب 2 $60/200 = 0.30$ ؛ والراسب 3 $5/300 = 0.017$ ؛ والطافي $4/950 = 0.004$ . 14. التنقية $0.30/0.05 = 6$ ؛ والمردود $60/100 = 60\,\%$ . 15. $0.017/0.05 = 0.33$ : فالراسب 3 فقير بالمتقدرات؛ والنشاط القليل الذي يحمله آت من شظايا غشاء متقدري أنتجتها المجانسة، وهي تترسب مع الميكروزومات. 16. نازعة اللاكتات: المجانس $400/2000 = 0.2\,\mathrm{U}/\mathrm{mg}$ ؛ والطافي $350/950 = 0.37\,\mathrm{U}/\mathrm{mg}$ ؛ والتنقية $1.8$ ؛ والمردود $87.5\,\%$ . 17. العصارة الخلوية نصف بروتين الخلية، فلا تستطيع عصارة نقية أن تضاعف النشاط النوعي أكثر من مرتين؛ أما المتقدرات فسدس أو أقل، فعزلها يركّز إنزيماتها ست مرات أو أكثر. والمردود مرتفع عند الإنزيم الذواب لأنه لا يضيع مع العضيات المتضررة. 18. لا: فالراسب 2 يحمل $200\,\mathrm{mg}$ من البروتين ويحبس طافيًا بين جسيماته؛ و $12\,\mathrm{U}$ هي $3\,\%$ من المجموع، وهذا يتفق مع عصارة محبوسة. والاختبار: اغسل الراسب (أعد تعليقه ثم أدره): فالإنزيم المحبوس يغادر، والمرتبط يبقى. 19. إذا كان الراسب 2 $60\,\%$ متقدرات، فللمتقدرات النقية $0.30/0.6 = 0.5\,\mathrm{U}/\mathrm{mg}$ ؛ وعندئذ تقابل $100\,\mathrm{U}$ الكبد $200\,\mathrm{mg}$ من البروتين المتقدري، أي $10\,\%$ من $2000\,\mathrm{mg}$ . 20. مجهر نافذ لراسب مثبت مطمور مقطوع مقاطع رقيقة مصبوغة بمعادن ثقيلة: فتُرى مقاطع فولية الشكل بغشاء مضاعف وأعراف، وبينها بعض الجسيمات الحالة (أجسام كثيفة) والبيروكسيسومات. 21. انظر إلى قطرة من الراسب المعاد تعليقه تحت مجهر تباين الطور وعُدّ الخلايا السليمة بين النوى الحرة؛ فإن كثرت فجانِس مجانسة أشد (بضربات أكثر ومدق أضيق) وأعد الدوران، لأن العضيات المحبوسة تخفض كل مردود. 22. الطرد المركزي التفاضلي يفصل بالقياس (فالسرعة $\propto r^2$ ) والعضيات الثلاث متقاربة القياس؛ أما في تدرج الكثافة فتقف الجسيمة عند كثافتها هي مهما كان قياسها، وكثافاتها الثلاث مختلفة. 23. الجسيمات الحالة السليمة تبقي الإنزيم داخل غشاء لا تعبره الركيزة (الكمون)؛ والمنظف يكسر الغشاء فيكشفه. فالجسيمات الحالة في الراسب سليمة في معظمها إذن. 24. الماء ناقص التوتر: فتنتفخ العضيات وتنفجر. فتتمزق المتقدرات والجسيمات الحالة، فينكمش الراسب 2؛ وتنتقل نازعة هيدروجين السكسينات (المرتبطة بالغشاء) جزئيًا إلى الراسب 3 في هيئة شظايا غشائية؛ ويتحرر الفوسفاتاز الحمضي (الذواب داخل الجسيم الحال) إلى الطافي الأخير. 25. عامل التنقية $6$ ، والمردود $60\,\%$ . والعامل يحده التلوث (الجسيمات الحالة، والبيروكسيسومات، والعصارة المحبوسة: فالراسب 2 نقي بنسبة $60\,\%$ )؛ ويحد المردودَ ما ضاع من المتقدرات في الراسب 1 (محبوسًا) وما تكسر منها في أثناء المجانسة.

المصطلحات المعرَّفة في هذا الفصل

عرض كل المصطلحات (479) في المسرد