الطاقة البيولوجية للخلية cell bioenergetics

الطاقة البيولوجية للخلية cell bioenergetics

التمثيل الغذائي (الأيض) Metabolism التمثيل الغذائي (الأيض) :هو مجموعة العمليات الكيميائية التي تتم في خلايا جميع الكائنات الحية وله هدفان رئيسيان: 1- الحصول على الطاقة التي تمكن الخلية من أداء وظائفها عن طريق تحليل مركبات عضوية معقدة مثل الكربوهيدرات ، البروتينات والدهون إلى مركبات بسيطة وبالتالي تحرير الطاقة في تلك المركبات المعقدة.وتسمى هذه العملية (الهدم catabolism). 2- تكوين مركبات عضوية معقدة ضرورية للخلية مثل الكربوهيدرات ، البروتينات والدهون من مركبات بسيطة كالماء H2O و CO2 التي تنتج عن هضم الغذاء وبالتالي اختزان طاقة في تلك المركبات المعقدة. وتسمى هذه العملية البناء Anabolism.

نادرا ما يتحقق هذان الهدفان أو أي منهما من خلال تفاعل كيميائي واحد، بل أن القاعدة السائدة في الأغلب الأحيان أن تنتج الطاقة أو تصنع المركبات من خلال عدد من التفاعلات المتتالية بحيث تكون المادة الناتجة من التفاعل الأول فيها هي المادة المتفاعلة في التفاعل الثاني وهكذا. ويطلق على مجموع التفاعلات المختصة بتحويل مادة معينة إلى مادة أخرى باسم المسار الأيضي (التمثيل الغذائي) Metabolic pathway. • ومن المسارات الأيضية ما يختص بالبناء إذا كانت المادة النهائية الناتجة أكثر تعقيدا من المادة الأولية. • ومنها ما يختص بالهدم لتحرير الطاقة وفي هذه الحالة الناتج النهائي أبسط من المادة الأولية . • ومن المسارات ما يعطي طاقة وينتج في الوقت نفسه مواد أولية تستخدم في مسارات أيضية مختصة بالبناء.

التفاعلات الكيميائية الحيوية والطاقة الحرة إن الالمام ببعض مبادئ الديناميكا الحرارية Thermodynamic يجعل فهم الأيض أكثر سهولة لذلك فإن: 1- الهدف الأول للأيض وهو إنتاج الطاقة : فلابد من معرفة المقصود منها حيث نتحدث عن الطاقة وكيف تنتج وفيم تستخدم. 2- الهدف الثاني وهو التفاعلات الكيميائية: حيث أنها تتم في الخلايا وتخضع للقوانين الطبيعية نفسها التي تحكم التفاعلات الكيميائية والتبديلات الفيزيائية التي تجري في العالم من حولنا لذلك فإن فهمنا لهذه القوانين يساعد على فهم التفاعلات الكيميائية الحيوية التي سوف ندرسها.

تمثل الطاقة أحد العناصر الضرورية للكائنات الحية. وصورة الطاقة التي تستطيع الخلايا الحية استخدامها هي الطاقة الحرة Free energy • وتعرف الطاقة الحرة Free energy: بأنها الطاقة القادرة على القيام بعمل ما. • ويمكن الحصول عليها من أي عملية أو تفاعل كيميائي خاصة إذا كانت بشكل تلقائي. وتنتج تحت درجة حرارة وضغط ثابتين وفقا للظروف الموجودة في الأنظمة الحية. • فتحتاج الخلايا الحية إلى الطاقة الحرة في ثلاثة أغراض هي: • البناء الحيوي للجزيئات الحيوية • انقباض العضلات والحركات الخلوية الأخرى • الانتقال النشط للجزيئات والأيونات

ويرمز للطاقة الحرة بالحرف G نسبة للعالم جيبسGibbs الذي أدخل هذا المفهوم، • وحدة القياس هي الكالوري و الجولأو مضاعفاتها. • وما يُهمنا هو فرق الطاقة ويرمز له بالرمز ∆G ويقاس بالفرق بين طاقة المواد الناتجة والمتفاعلة.

حيث تكون طاقة المواد الناتجة في التفاعل مساويةلطاقة المواد المتفاعلة فتكون ∆G مساوية صفرا وهذا يدل على إن التفاعل في حالة اتزان حيث تكون طاقة المواد الناتجة في التفاعل أقل من طاقة المواد المتفاعلة فتكون ∆Gسالبة وهذه الإشارة السالبة تدل على أن التفاعل يتم بشكل تلقائي وفي هذه الحالة فهو ينتج طاقة مثل تفاعلات أكسدة الدهون حيث تكون طاقة المواد الناتجةفي التفاعل أعلى من طاقة المواد المتفاعلة فتكون ∆G موجبة وهذه الإشارة الموجبة تدل على أن التفاعل يتم بشكل غير تلقائيوفي هذه الحالة فهو يحتاج إلى طاقة مثل تفاعلات البناء والنقل النشط

وتغير قيمة ∆G تبعا لعدة عوامل : • درجة الحرارة • تركيز المواد الناتجة والمتفاعلة فتزداد قيمة ∆G إذا زاد تركيز المواد الناتجة وقل تركيز المواد المتفاعلة والعكس صحيح. • ويقاس التركيز بـ 1مول/لتر, ودرجة الحرارة بـ 25 درجة مئوية • لذلك يرمز لفرق الطاقة بالرمز∆G° وتعنى فرق الطاقة المعياري

كيف يمكن للتفاعلات الماصة للطاقة أن تحدث في ظروف الجسم المعتدلة • تتم التفاعلات بالاقتران بين تفاعل ماص للطاقة وآخر طارد للطاقة. ويقصد بالاقتران أن يسير التفاعلان كتفاعل واحد بحيث تكون قيمة ∆G للتفاعل الإجمالي سالبة وهي تساوي مجموع ∆G للتفاعلين. ولتوضيح ذلك نذكر مثال افتراضي: لنفرض أن ∆G في التفاعل التالي : A B ∆G° =+5Kcal/mol C D ∆G° =-9Kcal/mol A+C B+D ∆G° =-4Kcal/mol • من الواضح أن التفاعل المقترن تلقائي

فنجد أنه لا يمكن حدوث التفاعلات الطاردة للطاقة ما لم تحدث التفاعلات الماصة للطاقة ويتم ذلك إذا توافر التالي: • وسيلة الاقتران للتفاعلين : وهذه الوسيلة في التفاعلات الأيضية هي الإنزيم ، واقترانهما يعطي القدرة على ضبط التفاعلات الأخيرة ولولا ذلك لما أمكن السيطرة على سير تفاعلات الأكسدة ولأدى ذلك إلى احتراق الخلايا بما فيها من وقود، ويمكننا الآن أن ندرك بسهولة لماذا تحدث البدانة إذا قلت التمارين العضلية ، فأكسدة الدهون والتقلص العضلي مقترنان فإذا قل التقلص نقص معدل الأكسدة واختزن الفائض من الغذاء كدهون. • توفر عدد هائل من الآليات بحيث يكون الاقتران ممكنا بين كل تفاعل ماص للطاقة وطارد لها، ولذلك فإن الوسيلة البديلة هي الدور الذي يؤديه النيوكليوتيد ثلاثي الفوسفات ATP.

ATP أدينوزين ثلاثي الفوسفات AdinosineTriphosphate هو عبارة عن نيكليوتيد (Nucleotide) تختزن فيها الطاقة على شكل أربطة غنية بالطاقة بين مجموعة فوسفات غير عضوية (Inorganic Phosphate Pi) و مركب ADP. تركيب جزيء الـATP يتألف جزيء ( ATP ) من قاعدة نيتروجينية ( أدنين ) وسكر رايبوز وثلاث مجموعات فوسفات.

لاحظي : تحتوي الروابط بين مجموعات الفوسفات على طاقة كيميائية مختزنة بكميات كبيرة ، ويمكن لهذه الطاقة أن تنطلق عند تحطيم إحدى روابط الفوسفات . عند تحطيم الرابطة بين مجموعتي الفوسفات الثالثة والثانية تتحرر طاقة مقدارها 7,3 كيلو سعر / مول ، ينتج مركب أدينوسين ثنائي الفوسفات ((ADP ATP ADP + Pi+ energy عند تحطيم الرابطة بين مجموعة الفوسفات الثانية والأولى ينتج مركب أدينوسين أحادي الفوسفات . ADP AMP + Pi + energy ملاحظة : التحولات جميعها عكسية. ما مصدر الطاقة المختزنة في جزيئات ATP ؟ تحصل الكائنات الحية على الطاقة من عمليات الهدم والتي تتضمن أكسدة المواد العضوية في عملية التنفس الخلوي ويتم بناء ATP من الطاقة الناتجة من أكسدة المواد العضوية وبخاصة فسفرة الجلوكوز ADP) .

و يتم بناء الATP بعملية فسفرة الADPباستخدام الطاقة الناتجة عن أكسدة المواد العضوية

ATP • تعتبر طاقة ATP أكبر من طاقة المركب الذي يصنع منه وهو ثنائي فوسفات أدينوسين ، لذلك يعتبر تفاعل اصطناع ATP من ADP تفاعل ماص للطاقة بينما تحول ATP إلى ADP تفاعل طارد للطاقة، وهكذا يقترن تحول ADP إلى ATP أو التفاعل المعاكس مع عدد كبير من التفاعلات الطاردة والماصة للطاقة على التوالي. وبذلك يؤدي مركب ATP دور الوسيطفي عمليات تبادل الطاقة.

عللي يعتبر مركب ADP أكثر استقرارا من مركب ATP. • عند النظر إلى المركب ATP نجد أنه عالي الطاقة • أولا بسبب تأين المجموعات الثلاثة الفوسفاتية ذات الشحنات السالبة وبالتالي فإن التنافر بينهما يرفع مستوى الطاقة في المركب. وبالمقابل فإن تحوله إلى ADP وفوسفات يؤدي إلى تباعد الشحنات ويجعل ADP أكثر ثباتا. • ثانيا وهناك أيضا عامل أخر وهو وجود قدر أكبر من الرنين في أيون الفوسفات الحر. • طاقة ATP → ADP + Pi +

ما مصدر الطاقة المخزنة في جزيئات ATP؟ • البناء الضوئي أو أكسدة جزيئات المركبات العضوية في عملية التنفس الخلوي ADP + Pi ATP البناء الحيوي الانتقال النشط الحركة والانقباض

ATP • لا يمثل ATP مخزنا للطاقة طويل الأمد، بل هو مجرد مصدر مباشر لها، وقد لا تكفي كميته في خلايا الجسم لتزويدها بالطاقة لبضعة ثوان أو أقل، لكن مستوى تركيزه في الخلايا الحية يظل ضمن حدود معقولة بفضل الاستمرار في اصطناعه من ADP الذي يتم بالاقتران مع التفاعلات الطاردة للطاقة.

هناك في الخلايا مركبات اخرى عالية الطاقة غير ATP وتنتج هذه المركبات في بعض التفاعلات الطاردة للطاقة.من هذه المركبات: • فوسفواينولبايروفاتPhosphoenolpyruvate • فوسفات الكرياتينCreatine phosphate • فوسفات الكربامويلCarbamoyl phosphate • ويعتبر ADP أيضا من المركبات العالية الطاقة اذ يمكن أن يستغل بأخذ مجموعة الفوسفات من جزئ منه لتحويل جزئ اخر مماثل إلى ATP كما في المعادلة التالية: ADP + ADP ATP + AMP • كذلك فإن النوكليوتيداتالبيورينيةوالبريميدينيةالاخرى ذات طاقة عالية، ولها ادوار مهمة في بعض التفاعلات الايضية. وهذه المركبات هي GTP, CTP, UTP وتحتوي على القواعد النيتروجينية؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟

تفاعلات الأكسدة والاختزال ودور النيوكليوتيدات الثنائية فيها: • تحصل خلايا الانسان على الطاقة من أكسدة الكربوهيدرات، الليبيدات والبروتينات. • والمفهوم العام للأكسدة Oxidation هو انتقال الالكترونات من مادة إلى اخرى ففقد الالكترونات يعني أكسدة، وكسبها يعني اختزال Reductionوهما عمليتان متلازمتان.

وعندما تتم الاكسدة بمشاركة الأوكسجين فإن الالكترونات تنتقل إلى الأوكسجين فيتحول إلى ماء بعد أن يرتبط مع أيونات الهيدروجين. • نلاحظ أن عملية انتقال الالكترونات إلى الأوكسجين يحرر كمية من الطاقة لأن الأوكسجين شديد الألفة للالكترونات فتصبح معه أكثر استقرار. • تختلف كمية الطاقة المتحررة حسب المادة التي تأكسدت فكلما كانت طاقة الالكترونات في المادة المعطية لها أعلى زادت الطاقة المتحررة عندما تصل هذه الالكترونات إلى الأوكسجين.

مثال: أكسدة الجلوكوز • يتم انتقال الالكترونات من الجلوكوز وغيره من المركبات إلى الأوكسجين بمشاركة مركبات خاصة تعرف بناقلات الالكترون ومن أهمها ثنائيات النيوكليوتيد وهي: • ثنائي نيوكليوتيد الأدنين والنيكوتيناميد Nicotinamide adenine dinucleotide NAD+ في حالة الأكسدة ، والرمز NADH في حالة الاختزال. • ثنائي نيوكليوتيد الفلافين والأدينين Flavin adenine dinucleotide FADفي حالة الأكسدة، و FADH2 في حالة الاختزال. انظري الكتاب.

الفسفرة التأكسدية: • تتم معظم تفاعلات الأكسدة والاختزال التي تترافق مع اختزال NAD+ و FAD في داخل الميتوكوندريا وهي مركز التفاعلات الحيوية في الخلية, وتعتبر الميتوكندريا بيت الطاقة في الخلية حيث انها تقوم بتفاعلات الخلية لتنتج الطاقة على شكلATP. • كما يوجد في الغشاء الداخلي للميتوكوندريا عدد من الانزيمات المتخصة بنقل الالكترونات من NADHو FADH2 إلى الأوكسجين وتؤلف هذه الانزيمات مع بعضها ما يعرف بالسلسلة التنفسية Respiratory chain

الطاقة البيولوجية للخلية cell bioenergetics