Respiration, Internal Environment, Coordination and Gene Technology

ركض سريع لحافلة وأداء جسمك سيمفونية: تحرق العضلات الجلوكوز بأسرع، يتضاعف إخراج القلب، تتعمق التهوية، يبدأ التعرق، وتعيد الكلية ضبط استرداد الماء — كل ذلك دون تفكير واعٍ. تتبع هذه الوحدة آليات العمل هذه: التنفس على المقياس الجزيئي، والعضلات والقلب على مقياس الأنسجة، والأعصاب والهرمونات كمتحكمات، والتكنولوجيا الجينية كنافذة حديثة عليها.

WBI15 التنفس، البيئة الداخلية، التنسيق والتكنولوجيا الجينية هو الوحدة IA2 الثانية: 1 ساعة 45 دقائق، 90 علامة. يقيّم الموضوع 7 (التنفس، العضلات والبيئة الداخلية) والموضوع 8 (التنسيق، الاستجابة والتكنولوجيا الجينية)، وسؤال واحد 20-علامة مبني على مقال علمي محرر مسبقاً — ستدرسه مسبقاً.

يطلق التنفس الطاقة على خطوات، كل منها يحفزه إنزيم محدد. ملخص التنفس الهوائي:

توقف الظروف اللاهوائية السلسلة — لا يمكن إعادة تدوير NAD المختزل — لذلك يستقبل البيروفيت الهيدروجين ويصبح لاكتات في العضلات. بعد التمرين، يُنقل اللاكتات إلى الكبد ويعاد تحويله إلى جلوكوز (يحتاج إلى الأكسجين: ديون الأكسجين).

مؤشر التنفس: $\mathrm{RQ} = \mathrm{CO_2}\ \text{produced} / \mathrm{O_2}\ \text{consumed}$. الكربوهيدرات 1.0، البروتين 0.9، الدهون ≈ 0.7 — يكشف RQ للكائن الحي عن المادة التي يحرقها.

فحص محلول. يظهر جهاز قياس التنفس 60 سم³ CO₂ مُنتَج و60 سم³ O₂ مستهلك في نفس الفترة: RQ = 1.0 — كربوهيدرات. بذرة نابضة ذات RQ 0.7 تحرق مخزون الدهون.

الوتر يربط العضلة بالعظم؛ الرباط يربط عظمة بعظمة عبر مفصل؛ تعمل العضلات في أزواج متضادة. ليف العضلة الهيكلية خلية متعددة النواة مدمجة ومليئة بـ الألياف العضلية المكونة من الأكتين والميوسين.

الانقباض هو دورة الخيط الانزلاقى: جهد الفعل يُطلق Ca²⁺؛ يكشف الكالسيوم مواقع ارتباط الأكتين؛ يرتبط رأس الميوسين المنشط (بعد انقسام ATP) بسحب الأكتين، ثم ينفصل عند ارتباط ATP جديد — آلاف الرؤوس في الثانية، كل ضربة بضعة نانومترات.

الألياف سريعة الانقباض: سميكة، عدد قليل من الميتوكوندريا، سريعة وقوية، تتعب بسرعة (ركض سريع). أبطأ انقباض: الكثير من الميتوكوندريا، إمداد دموي غني، ميوجلوبين — للتحمل.

العضلة القلبية ذات المنشأ العضلي: تنبض بدون مدخل عصبي. العقدة الجيبية الأذينية تحدد الإيقاع؛ تنتشر الموجة عبر الأذينين إلى العقدة الأذينية البطينية، ثم عبر ألياف بوركيني إلى البطينين — ينقبض الأذينان أولاً، والبطينان بعد جزء من الثانية.

مركز التحكم في الجهاز الدائري ومركز التهوية في النخاع المستطيل يضبط كلا النظامين حسب الحاجة: مستشعرات كيميائية تكتشف CO₂ والحموضة، ومستشعرات الضغط تكتشف ضغط الدم.

فحص محلول. في الراحة: 70 سم³ × 72 دقيقة⁻¹ ≈ 5.0 dm³ دقيقة⁻¹. أثناء التمرين: 120 سم³ × 150 دقيقة⁻¹ = 18 dm³ دقيقة⁻¹ — الجدول الذي تحبه الامتحانات. يرتفع التهوية بالتوازي، تُقرأ من مسارات جهاز قياس حجم الهواء (حجم المدّ × معدل التنفس = التدفق minuto ventilation).

الاستتباب يحافظ على البيئة الداخلية في توازن ديناميكي — ليس سكوناً، بل تذبذب المتغيرات داخل حدود ضيقة. التغذية الراجعة السلبية تصحح الانحرافات في أي اتجاه (نمط الترموستات)؛ التغذية الراجعة الإيجابية تضخمها (حلزوني، وليس حلقة — كما في جهد الفعل أو ارتفاع الحرارة غير المنضبط).

تنظيم الحرارة يتم عبر تحت المهاد: فقدان الحرارة بال توسع الوعائي والتعرق؛ الحفاظ على الحرارة بال انقباض الوعائي والرعشة وارتداد الشعر. الإبينفرين يُعد استجابة القتال أو الهروب — تستجيب معدل ضربات القلب، وسكر الدم، والممرات الهوائية معاً.

يدخل الدم إلى الكُبيبة في الكُلية تحت ضغط عالٍ — الشريان الوارد أعرض من الخارجي — وتُجبر الجزيئات الصغيرة على المرور عبر خلايا القدم وغشاء القاعدة إلى كبولة بومان (الترشيح الفائق: كل شيء باستثناء الخلايا والبروتينات الكبيرة). يعيد الأنبوب الملتوي القريب امتصاص كل الجلوكوز والأحماض الأمينية بالإضافة إلى معظم الأملاح والماء (النقل النشط ثم الأسموزة). يبني حلقة هنلي تدرجاً لجهد الماء في النخاع عبر الضرب المعاكس للتدفق. القناة المجمعة تتخذ القرار النهائي: ADH من الغدة النخامية يوضع Aquaporins لامتصاص المزيد من الماء — بول مركز عند الجفاف، مخفف عند عدم وجوده.

الأحماض الأمضية الزائدة تُزال منها المجموعة الأمينية في الكبد؛ يتحول الأمونيا السامة إلى اليوريا للتخلص منها.

تحقق محلول. وجود ADH → جدران المجمع قابلت النفاذية → مغادرة الماء حسب التدرج إلى الدم القلوي → حجم صغير، بول مركز. الكحول يثبط ADH — حجم كبير، مخفف.

يرتبط عامل النسخ بمحفز الجين ويشغل أو يعطل النسخ. تنتشر هرمونات الستيرويد عبر الغشاء وتعمل كعوامل نسخ بحد ذاتها — يمكن لجين واحد أن يخدم عدة أنسجة. التخلق الوراثي يكتم الجينات دون تغيير تسلسل القواعد: مثيلة الحمض النووي وتعديل الهستونات (الأسيتلة) تُغلف الحمض النووي بعيدًا عن جهاز النسخ. الأخطاء مهمة: لا يمكن لجين مثيل مكبّر للورم أن يوقف انقسام الخلايا؛ تفسر أخطاء التطبع متلازمة برادر-ويلي.

يضخ العصبون السكوني Na⁺ خارجًا وK⁺ داخلًا (المضخة الصوديوم-البوتاسيوم)، مما يحافظ على interiors عند حوالي −70 mV. محفز يتجاوز العتبة (حوالي −55 mV) يفتح قنوات الصوديوم: يحدث جهد فعل كل شيء أو لا شيء يصعد إلى +30 mV، ثم تعيد قنوات البوتاسيوم الاستقطاب; الفترة العازلة تمنع السفر العكسي وتحدد أقصى تردد.

في العصبونات المغلفة بالمييلين تقفز الإشارة من عقدة إلى أخرى (النقل Saltatory) — أسرع بكثير. عند المشبك، يؤدي دخول الكالسيوم إلى اندماج حويصلات الناقل العصبي مع الغشاء قبل المشبكي; ينتشر الناثر ويرتبط بمستقبلات ما بعد المشبكية؛ ثم تقوم الإنزيمات بإزالة الفجوة. تعمل الأدوية هنا: تثبط SSRIs إعادة امتصاص السيروتونين، لذا تستمر الإشارة; يحجب Lidocaine قنوات الصوديوم; ي.Administration ecstasy (MDMA) غمر الشق بالسيروتونين ثم استنزافه.

ينقسم الجهاز العصبي: CNS (الدماغ، الحبل الشوكي) وPNS — الجسماني (إرادي) والذاتي (لا إرادي؛ يفرز الودي، يسترخي نظيف). المستقبلات هي محولات: العصيات (ضوء خافت، عدد كبير لكل خلية ثنائية القطب — حساسية)، المخاريط (لون، واحد لواحد — حدة)، بالإضافة إلى مستقبلات الحرارة، والمستقبلات الكيميائية، ومستقبلات الضغط، والمستقبلات المؤلمة (الألم). قوس الانعكاس الشوكي يمر الحسي ← الوسيط ← العصبون الحركي في المادة الرمادية للحبل الشوكي — سريع، لا إرادي، واقي. التعود هو انخفاض الاستجابة لمحفز ضار غير مكرر.

الفيتوكروم يتبدد بين Pr (يمتص الأحمر) وPfr (يمتص الأحمر البعيد); يترك تحيز ضوء الشمس الأحمر Pfr سائدًا، متحكمًا في الإنبات والإزهار بناءً على طول اليوم. الأوكسين يطيل الخلايا عن طريق حمضية الجدران؛ الجيبريلينات تحفز الإنزيمات (أميليز في طبقة الأليرون) التي تنظم النشا في الإنبات.

علامات وأعمال: نصفا الكرة المخية (إرادي، تفكير)، المخيخ (تنسيق، توازن)، تحت المهاد والغدة النخامية أسفلها (استتباب، هرمونات)، الجسر النخاعي (قلب، تنفس). يُظهر MRI البنية؛ يُظهر fMRI النشاط عبر تدفق الدم المؤكسج؛ CT فحوصات بنية سريعة؛ PET الأيض باستخدام نظائر مشعة.

الكيمياء أولاً: باركنسون هو نقص الدوبامين — يعالج بـ L-Dopa، الذي يعبر الحاجز الدماغي ويحول إلى دوبامين في الدماغ. يرتبط انخفاض السيروتونين بالاكتئاب — وهو هدف SSRIs.

DNA المتكافئ: إنزيم تقييد يقطع DNA عند تسلسل التعرف الخاص به، تاركاً أطرافاً لاصقة; يتم دمج الجين البشري (مصنوع بدون إنترونات من mRNA) في ناقل بلازميدي مع DNA رباط; يتحول البلازميد إلى بكتيريا مضيفة؛ جينات العلامة (مقاومة المضادات الحيوية أو الفلورة) تختار الخلايا التي أخذته. زيادة النطاق في المفاعل وتفرز البكتيريا الإنسولين البشري — أنظف وأكثر أماناً من استخراجه من الخنازير. تصنع الحيوانات المعدلة وراثياً بروتينات بشرية في الحليب؛ مخاطر وفوائد المحاصيل المعدلة وراثياً (المقاومة، الغلات مقابل تدفق الجينات إلى الأقارب البرية) هي التقييم القياسي.

المصفوفات الدقيقة تحدد الجينات النشطة: يهجن عينة mRNA مع مجسات متكاملة على الشريحة؛ النقاط التي تتوهج تشير إلى الجينات التي يتم نقلها. معلوماتية حيوية تقارن التسلسلات عبر الأنواع والأفراد — كيفية قياس القرابة الآن.

1. سمِّ مرحلة التنفس التي تحدث في مصفوفة الميتوكوندريا وإحدى مدخلاتها.
2. عضلات عداء تنتج اللاكتات. اشرح السبب وما الذي يحدث لللاكتات لاحقاً.
3. رؤوس الميوسين لا تستطيع الانفصال بدون ATP. اشرح ماذا يعني هذا للعضلات بعد الموت.
4. احسب الناتج القلبي لحجم الضربة 85 سم³ ومعدل ضربات القلب 140 دقيقة⁻¹.
5. اشرح لماذا يكون الشريان الوارد أعرض من الشريان الصادر.
6. اذكر فرقين بين التغذية الراجعة السالبة والموجبة، مع مثال واحد لكل منهما.
7. لماذا تزيد الميالينية سرعة التوصيل العصبي؟
8. عتبة المحور هي −55 مللي فولت. تحركه محفز إلى −60 مللي فولت. ماذا يحدث ولماذا؟
9. يحول الضوء الأحمر الفيتوكروم إلى أي شكل؟
10. اشرح لماذا تُعطى L-Dopa بدلاً من الدوبامين نفسه.
11. إذا أضاء بقعة في مصفوفة دقيقة (microarray) بشكل قوي، فماذا يدل ذلك؟
12. لماذا يجب تصنيع جين الإنسولين البشري من mRNA بدلاً من الحمض النووي الجينومي عند إدخاله في البكتيريا؟

الإجابات: 1 تفاعل الارتباط (أو دورة كريبس) — يدخل البيروفات (أو الأسيتيل)؛ 2 نقص الأكسجين يجعل NAD المختزل يُعاد تدويره عن طريق اختزال البيروفات إلى اللاكتات؛ بعد ذلك يذهب اللاكتات إلى الكبد ويحول مرة أخرى إلى جلوكوز باستخدام الأكسجين؛ 3 بدون ATP يبقى الميوسين مرتبطاً بالأكتين — التصلب القاسي؛ 4 $85 \times 140 = 11\,900\ \text{cm}^3\,\text{min}^{-1} = 11.9\ \text{dm}^3\,\text{min}^{-1}$؛ 5 الفرق في الضغط يدفع الترشيح الفائق للبلازما إلى كبسولة بومان؛ 6 التغذية الراجعة السالبة تعيد المتغير نحو نقطة ضبطه (تنظيم درجة الحرارة)؛ الموجبة تدفعه بعيداً أكثر (ارتفاع حرارة الجسم)؛ 7 القفز العصب يقفز بين عقد رانفييه بدلاً من إزالة الاستقطاب على طول الغشاء بالكامل — خطوات أقل ولكن أكبر؛ 8 لا شيء — لم يتم الوصول للعتبة، لذا لا يحدث جهد عمل (قاعدة الكل أو لا شيء)؛ 9 Pfr؛ 10 الدوبامين لا يعبر حاجز الدم-الدماغ بينما L-Dopa يمكنه ذلك، ويتم تحويله إلى دوبامين داخل الدماغ؛ 11 أن الجين كان يتم نسخه بنشاط — كانت mRNA الخاصة به موجودة وتهاجمت (ارتبطت)؛ 12 البكتيريا لا تستطيع استئصال الأمشاج (splicing)، لذا يجب أن يأتي الجين من mRNA ناضج يفتقر إليها بالفعل.