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 بالتالي تحرير الطاقة في تلك المركبات المعقدة.وتسمى 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 بالتالي اختزان طاقة في تلك المركبات المعقدة. وتسمى عملية البناء Anabolism.

نادرا ما يتحقق هذان الهدفان أو أي منهما من خلال تفاعل كيميائي واحد، بل أن القاعدة السائدة في الأغلب الأحيان ان تنتج الطاقة أو تصنيع المركبات من خلال عدد من التفاعلات المتتالية بحيث تكون المادة الناتجة من التفاعل الأول فيها مادة متفاعلة في التفاعل الثاني وهذا. ويطلق على مجموع التفاعلات المختصة بتحويل مادة معينة إلى مادة اخرى 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 للقونين الطبيعية نفسها التي تحكم التفاعلات الكيميائية والتبديلات الفيزيائية التي تجى 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. • ويرمز للطاقة الحرة بالحرف G نسبة للعالم جبيس Gibbs الذي أدخل هذا المفهوم، ووحدات قياسها هي الكالوري و الجول أو مضاعفاتها. وما يهمنا هو فرق الطاقة ويرمز له بالرمز ∆G ويقاس الفرق بين طاقة المواد الناتجة والمتفاعلة.

حيث تكون طاقة المواد الناتجة في التفاعل أقل من طاقة المواد المتفاعلة فتكون ∆G سالبة وهذه الاشارة السالبة تدل على أن التفاعل يتم بشكل تلقائي وفي هذه الحالة فهو ينتج طاقة مثل تفاعلات أكسدة الدهون حيث تكون طاقة المواد الناتجة في التفاعل أعلى من طاقة المواد المتفاعلة فتكون ∆G موجبة وهذه الاشارة الموجبة تدل على أن التفاعل يتم بشكل غيرتلقائي وفي هذه الحالة فهو يحتاج إلى طاقة مثل تفاعلات البناء والنقل النشط حيث تكون طاقة المواد الناتجة في التفاعل مساوية لطاقة المواد المتفاعلة فتكون ∆G مساوية صفرا وهذا يدل على ان التفاعل في حالة اتزان

وتغير قيمة ∆G تبعا لعد عوامل: • لدرجة الحرارة • وتركيز المواد الناتجة والمتفاعلة فتزداد قيمة ∆G إذا زاد تركيز المواد الناتجة وقل تركيز المواد المتفاعلة والعكس صحيح.

كيف يمكن للتفاعلات الماصة للطاقة أن تحدث في ظروف الجسم المعتدلة • وتتم التفاعلات بالاقتران بين تفاعل ماص للطاقة وآخر طارد للطاقة. ويقصد بالاقتران أن يسير التفاعلان كتفاعل واحد بحيث تكون قيمة ∆G للتفاعل الاجمالي 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 الانزيم ، 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 الان 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 دهونا. • 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.

ثلاثي فوسفات أدينوسين ATP • هو عبارة عن نيكليوتيد (Nucleotide) تختزن فيها الطاقة على شكل رابطة غنية بالطاقة بين مجموعة فوسفات غير عضوية (Inorganic Phosphate Pi) ومركب ADP. • يتألف جزيء ATP من قاعدة نيتروجنية (أدينين) وسكر رايبوزوثلاث 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، وينتج مركب ثنائي الفوسفات أدينوسين ADP • طاقة ATP ADP + Pi + • عند تحطيم الرابطة بين مجموعة الفوسفات الثانية والأولى ينتج مركب أدينوسين أحادي فوسفات أدينوسين AMP . • طاقة ADP AMP + Pi + • مع ملاحظة : التحولات جميعها عكسية.

ATP • تعتبر طاقة ATPأكبر من طاقة المركب الذي يصنع منه وهو ثنائي فوسفات أدينوسين ADP، • لذلك يعتبر تفاعل اصطناعATP من ADP تفاعل ماص للطاقة بينما تحولATP 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 1- البناء الحيوي 2-الانتقال النشط 3-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: • فوسفواينول بايروفات Phosphoenol pyruvate • فوسفات الكرياتين Creatine phosphate • فوسفات الكربامويل Carbamoyl 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 النوكليوتيدات البيورينية والبريميدينية الاخرى 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 اختزالReduction وهما 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

تنتج أكسدة NADH ثلاثة جزيئات ATP • بينما تنتج أكسدة FADH2 جزيئين فقط • وأخيرا انتقال الالكترونات إلى الأوكسجين عبر هذا المسار هو بمثابة النهاية للمسارات الأيضية المختصة بإنتاج الطاقة.

الطاقة البيولوجية للخلية cell bioenergetics