العمليات الحيويه في الخلية

العمليات الحيوية في الخلية

العمليات الحيوية في الخلية

هو مجموعة العمليات الكيماوية التي تحدث في الكائن الحي. وهناك نوعان رئيسيان من هذه العمليات:
1- ابتناء (Anabolism)
(تكوين مواد معقدة + اختزان طاقة)
2- انتقاض (Catabolism)
(تحليل مواد معقدة + تحرير طاقة)
اولا: الابتناء:
أ- التمثيل الضوئي (Photosynthesis):
تتم عملية التمثيل الضوئي في البلاستيدات الخضراء للخلايا النباتية. وتؤدي هذه العملية إلى تكوين الكربوهيدرات حسب المعادلة العامة التالية:
ماء (6H2O) +
ثاني أكسيد الكربون 2CO2
جلوكوز C6H12O6
+ أوكسجين 6O2

أ - البلاستيدات الخضراء والبناء الضوئي:
قبل وصف عملية البناء الضوئي يجب في البداية أن نتعرض إلى تركيب الورقة بشيء من التفصيل. يلاحظ أن سطح الورقة يغطى بطبقة شمعية تعرف بالأدمة (Cuticle) ثم تليها طبقة واحدة من الخلايا تعرف بالبشرة (Epidermis)، يليها طبقة من الخلايا المتراصة على شكل عمادي يطلق عليها النسيج المتوسط العمادي (Palisade mesophyll)، ثم مجموعة من الخلايا الغير منتظمة يطلق عليها النسيج المتوسط الإسفنجي (Spongy mesophyll)، وكلا النوعين من الخلايا يحتوي على البلاستيدات الخضراء، ثم طبقة من الخلايا لا تحتوي على البلاستيدات الخضراء تعرف بالخلايا الحزمية (Bundle sheath cells) تحيط بعرق (Vein) الورقة. وتلعب البلاستيدات الخضراء دوراً رئيساً في التغذية الذاتية للنباتات حيث أنها هي مكان جريان عملية البناء الضوئي حيث يوجد بها صبغة الكلوروفيل. وفي حالة غياب البلاستيدات الخضراء (كما هو الحال في الطحالب الخضراء المزرقة مثلا) فان الكلوروفيل يكون موجوداً على أغشية خلوية تعرف بأغشية البناء الضوئي.
يوجد الكلوروفيل (Chlorophyll) في مناطق الحبيبات أو أكياس القريصات (Grana) التي يتراوح عددها من 20 إلي 100 كيس، ويتكون كيس القريصات الواحد من أغشية رقيقة مسطحة متراصة فوق بعضها البعض تعرف بالقريصات أو الأغشية الرقيقة (Thylakoids).
وهذا هو موضع تفاعلات البناء الضوئي. وجزيء الكلوروفيل يتكون من رأس محب للماء (Hydrophilic) وذيل كاره للماء (Hydrophobic). ويوجد نوعين من الكلوروفيل في بلاستيدات الخلايا النباتية هما:
•كلوروفيل أ (Chlorophyll a)
•كلوروفيل ب (Chlorophyll b).

النظام الضوئي (Photosystem)

بناءً على النماذج المقترحة فان الكلوروفيل وما يتبعه من صبغيات ومستقبلات للضوء تنتظم في وحدات يطلق عليها أنظمة ضوئية (Photosystems) ويوجد نوعين من الأنظمة الضوئية هما: النظام الضوئي الأول (Photosystem I) وهو يحتوي على جزيء كلوروفيل أ خاص ويرمز إليه بالرمز (P700) لأن درجة امتصاص الضوء المثلى له تكون عند 700 nm. ثانيا النظام الضوئي الثاني (Photosystem II) وهو أيضا يحتوي على جزيء كلوروفيل أ خاص ويرمز إليه بالرمز (P680) لأن درجة امتصاص الضوء المثلى له تكون عند 680 nm. ويحتوي كل من هذين النظامين على عدد من الصبغيات يتراوح ما بين 200 إلي 300 جزيء صبغي، تعمل مع بعض كنقاط استشعار للطاقة الضوئية. وعند امتصاص وحدة ضوء (Photon) بواسطة أول جزيء كلوروفيل فإنه يتم نقل وحدة الضوء بواسطة هذه الصبغيات الواحد تلو الآخر إلي أن تصل إلي جزيء الكلوروفيل الخاص في النظام وهو إما (P700) أو (P680) والذي يقع في مركز التفاعل (Reaction center) للنظام الضوئي، وعلى إثر ذلك تنطلق إلكترونات عالية الطاقة من جزيء الكلوروفيل المستحث بواسطة وحدة ضوئية.
وتعتبر عملية البناء الضوئي من أهم العمليات الحيوية التي تعتمد عليها جميع الكائنات الحية سواء ذاتية التغذية أو عضوية التغذية في تكوين المصدر الأول للطاقة الكيميائية الحيوية اللازمة لبدأ و إتمام بقية التفاعلات الأخرى. ومن هنا يأتي السؤال ، كيف تتم عملية البناء الضوئي؟ هذا ما سنتعرض له و بإيجاز فيما يلي:
تتكون التفاعلات الكيميائية خلال عملية البناء الضوئي من قسمين رئيسين هما:
أ- تفاعلات الضوء (Light Reactions). و ب- تفاعلات الظلام (Dark Reactions).

أ - تفاعلات الضوء (LightReactions)
هي سلسلة من التفاعلات تتم في وجود الضوء ولهذا فهي تفاعلات كيميائية ضوئية (Photochemical reactions) ، ويطلق عليها تفاعلات هل (Hill's reactions) ، وهي أول التفاعلات الكيميائية في عملية التمثيل الضوئي. جميع هذه التفاعلات تمر بخطوات وتغيرات جوهرية متتابعة تتضمن ما يلي:
1 - امتصاص الطاقة الضوئية Light energyabsorption.
2 - نقل الطاقة الضوئية Light energy transfer.
3 – تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية
Light energy transformation into chemicalenergy.
وتشمل تفاعلات الضوء نوعين هما:
1 - النقل الإلكتروني الدائري (Cyclic electrontransport)،
أو الفسفرة الضوئية الدائرية (Cyclicphotophosphorylation).
2 - النقل الإلكتروني غير الدائري (Non cyclicelectron transport)،
أو الفسفرة الضوئية غير الدائرية (Noncyclic photophosphorylation).



وتتميز العمليتين السابقتين بما يلي:
• انطلاق الكترونين (2e) من الكلوروفيل عند سقوط الضوء عليه.
• يتكون مركب NADP-H2 الذي له دور في بدء تفاعل الظلام.
• أهمية NADP-H2 حمل ذرات الهيدروجين ذات الطاقة العالية و الضرورية في تكوين الكربوهيدرات.
• تؤدي عملية تفاعل الضوء إلى انتاج الطاقة وتكوين مركب ATP الذي سوف يستخدم في تكوين الكربوهيدرات في تفاعل الظلام.
ب‌- تفاعل الظلام (Dark Reaction):
1- يتم تكوين الكربوهيدرات خلال هذا الجزء من عملية التمثيل الضوئي. وتحدث هذه العملية في غياب الضوء.
2- يتم بتثبيت ثاني أكسيد الكربون لأنه يتم خلاله تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى كربوهيدرات. كما يتضح لنا تسميتها بدورة كالفن لأن مكتشف سلسلة التفاعل هذه هو العالم كالفن و لأنها تؤدى إلى إعادة إنتاج المركب الذى بدء به التفاعل مؤدية بذلك إلى تكرار العملية.
1- طريقة تثبيت ثاني أكسيد الكربون:
1.تختلف طريقة التثبيت بحسب تركيب الورقة والمناخ الذي ينمو فيه النبات، وهناك ثلاثة أنواع من النباتات تختلف عن بعضها البعض في طريقة تثبيت ثاني أكسيد الكربون وهي كما يلي:
- نباتات ثلاثية الكربون (C4Plants):
• من أمثلة هذه النباتات الأرز والقمح وفول الصويا التي تعتبر من المحاصيل الزراعية الهامة. ويتم تثبيت ثاني أكسيد الكربون في هذه النباتات بالطريقة التالية:
• تتم تفاعلات دورة كالفن في خلايا النسيج المتوسط (Mesophyll).
• ويتم تثبيت ثاني أكسيد الكربون مباشرة في دورة كالفن في خلايا النسيج المتوسط.
• يقوم إنزيم كربوكسليز ثنائي فوسفات الرايبولوز (Ribulose diphosphate carboxylase) بتحفيز تفاعل ثاني أكسيد الكربون مع مركب ثنائي فوسفات الرايبولوز.
• ينتج جزيئين من مركب فوسفات حامض الجليسرين وهو المركب الأول الناتج بعد تثبيت ثاني أكسيد الكربون والذي يتكون من ثلاث ذرات كربون، ولذلك سميت هذه النباتات بالنباتات ثلاثية الكربون (C3).
- نباتات رباعية الكربون (C4Plants):2.
• هذه النباتات مثل قصب السكر والذرة، يختلف تركيب الورقة فيها عن نباتات ثلاثية الكربون (C3).
• طريقة تثبيت ثاني أكسيد الكربون في هذه النباتات تختلف عن نباتات (C3).
• حيث يتم تثبيت ثاني أكسيد الكربون في الخلايا المتوسطة.
• ويكون أول المركبات الناتجة هو حامض الأكسالوخليك (Oxaloacetic acid) وهو مركب يتكون من أربع ذرات كربون ولذلك سميت هذه النباتات برباعية الكربون (C4plants).
• يقوم إنزيم كاربوكسيليز فوسفو إنول بيروفيت [Phosphoenolpyrovate carboxylase (PEPCase)] بتحفيز هذا التفاعل.
• يتحول حامض الأكسالوخليك إلى حامض الماليك (Malic acid) الذي يدخل إلى الخلية الحزمية.
• تتم عملية نزع ثاني أكسيد الكربون (Decarboxylated) لتحرير ثاني أكسيد الكربون الذي يدخل في دورة كالفن التي تحدث في الخلايا الحزمية.
2- تكوين الكربوهيدرات (Carbohydrate Synthesis):2.
• عادة يتم تكوين الكربوهيدرات المختلفة في أي كائن بواسطة الجلوكوز.
• كما أن (PGAL) الناتج من عملية التمثيل الضوئي يؤدي الى تكوين الجلوكوز في النبات.
• الحيوان متغذي عضوي يعتمد على النباتات في توفير الغذاء اللازم لنفسه فإنه يحصل على الجلوكوز بطريق مباشر أو غيرمباشر من النبات.
• ولقد رأينا كيف أن عملية هضم الكربوهيدرات تؤدي الى انتاج الجلوكوز.
• يتم نقل الجلوكوز بواسطة الدم من الأمعاء الى الكبد- وفي النبات يقوم اللحاء بنقله من مناطق التخزين الى الأماكن المحتاجة اليه.
• يتفسفر الجلوكوز بمجرد دخوله الخلايا.
• يتحول بعد ذلك الجلوكوز المتفسفر بتفاعله مع ثلاثي فوسفات اليورادين ، (UDP مركب يشبه ATP من حيث الوظيفة) الى UDP الجلوكوز. (Glucose-UDP).
• UDP الجلوكوز يؤدي بعد ذلك الى تكوين كل أنواع الكربوهيدرات التي يحتاجها الكائن.
• عندما يقل معدل الجلوكوز في الدم كنتيجة لمختلف النشاطات الحيوية فإن:
النشا الحيواني الجلوكوز ثلاثي فوسفات اليورادين فوسفات الجلوكوز جلوكوز
وعندما يرتفع معدل الجلوكوز في الدم كنتيجة تناول الطعام فانه يحدث العكس.

- تكوين الدهون (Lipids Synthesis):3.
• المركب الذي يبدأ به تكوين الدهون هو خلات مرافق الإنزيم (Acetyl-CoA).
• من هذا المركب يمكن تكوين كل الأحماض الدهنية. وهناك بعض الأحماض الدهنية التي تعرف بالأحماض الدهنية الضرورية التي لا يستطيع الحيوان تكوينها بهذه الطريقة بل يعتمد على النبات في توفيرها له.
• الجلسرين يمكن توفيره عن طريق PGAL (ومصدره الكربوهيدرات).
• متى ما توفر الجليسرين والأحماض الدهنية فإن الخلية يمكنها حينئذ تكوين كل ما تحتاجه من الدهون و الليبيدات.
- تكوين البروتين (Protein Synthesis): 4.
• تتكون كل البروتينات كما هو معروف من أحماض أمينية.
• يتم تكوين الأحماض الأمينية في الخلية عن طريق النقل الأميني.
• تتفاعل مجموعة أمين (NH2) مع حامض كيتوني (كربوهيدرات أو دهون).
• مصدر مجموعة الأمين NH2 في النبات هي مجموعة النترات NO2 .في الحيوان يكون مصدرها الأحماض الأمينية.
• هناك بعض الأحماض الأمينية التي لا يمكن للحيوان أن يكونها حسب الطريقة المبينة أعلاه، تعرف هذه الأحماض بالأحماض الأمينية الضرورية ولذا يجب توافرها في غذائه والذي يكون مصدرها النبات بطريق مباشر أو غير مباشر.