6.1: אנרגיה ומטבוליזם

Last updated
Save as PDF

Page ID: 205637

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

מיומנויות לפיתוח

הסבירו מהם מסלולים מטבוליים ותארו את שני הסוגים העיקריים של מסלולים מטבוליים
דון כיצד תגובות כימיות ממלאות תפקיד בהעברת אנרגיה

מדענים משתמשים במונח ביו-אנרגטיקה כדי לדון במושג זרימת אנרגיה (איור\(\PageIndex{1}\)) דרך מערכות חיות, כגון תאים. תהליכים סלולריים כגון בנייה ופירוק של מולקולות מורכבות מתרחשים באמצעות תגובות כימיות בשלבים. חלק מהתגובות הכימיות הללו הן ספונטניות ומשחררות אנרגיה, בעוד שאחרות דורשות אנרגיה כדי להמשיך. כשם שיצורים חיים חייבים לצרוך מזון ללא הרף כדי לחדש את מה שהיה בשימוש, התאים חייבים לייצר ללא הרף יותר אנרגיה כדי לחדש את זו המשמשת את התגובות הכימיות הרבות הדורשות אנרגיה המתרחשות ללא הרף. כל התגובות הכימיות המתרחשות בתוך התאים, כולל אלה המשתמשות באנרגיה ואלו שמשחררות אנרגיה, הן חילוף החומרים של התא.

תרשים זה מראה אנרגיה מהשמש המועברת ליצרנים, כגון צמחים, כמו גם שחרור חום. היצרנים בתורם מעבירים את האנרגיה לצרכנים ולמפרקים, המשחררים חום. בעלי חיים גם מעבירים אנרגיה למפרקים. — איור\(\PageIndex{1}\): רוב צורות החיים על פני כדור הארץ מקבלות את האנרגיה שלהן מהשמש. צמחים משתמשים בפוטוסינתזה כדי ללכוד את אור השמש, ואוכלי עשב אוכלים את הצמחים האלה כדי להשיג אנרגיה. טורפים אוכלים את אוכלי העשב, ומפרקים מעכלים חומר צמחי ובעלי חיים.

מטבוליזם של פחמימות

חילוף החומרים של הסוכר (פחמימה פשוטה) הוא דוגמה קלאסית לתהליכים הסלולריים הרבים המשתמשים ומייצרים אנרגיה. יצורים חיים צורכים סוכר כמקור אנרגיה עיקרי, מכיוון שלמולקולות סוכר יש אנרגיה רבה המאוחסנת בקשרים שלהן. פירוק הגלוקוז, סוכר פשוט, מתואר על ידי המשוואה:

\[\ce{C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O + (energy)} \nonumber\]

פחמימות הנצרכות מקורן בפוטוסינתזה של אורגניזמים כמו צמחים (איור 6.1.2). במהלך הפוטוסינתזה, צמחים משתמשים באנרגיית אור השמש כדי להמיר גז פחמן דו חמצני (CO ₂) למולקולות סוכר, כמו גלוקוז (C ₆ H ₁₂ O ₆). מכיוון שתהליך זה כולל סינתזה של מולקולה גדולה יותר ואוגרת אנרגיה, הוא דורש הזנת אנרגיה כדי להמשיך. סינתזת הגלוקוז מתוארת על ידי משוואה זו (שימו לב שהיא הפוכה מהמשוואה הקודמת):

\[\ce{6CO_2 + 6H_2O + (energy) \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2} \nonumber\]

במהלך התגובות הכימיות של הפוטוסינתזה, אנרגיה מסופקת בצורה של מולקולה בעלת אנרגיה גבוהה מאוד הנקראת ATP, או אדנוסין טריפוספט, שהוא מטבע האנרגיה העיקרי של כל התאים. כשם שהדולר משמש כמטבע לקניית סחורות, תאים משתמשים במולקולות של ATP כמטבע אנרגיה לביצוע עבודה מיידית. הסוכר (גלוקוז) מאוחסן כעמילן או גליקוגן. פולימרים אוגרי אנרגיה כמו אלה מתפרקים לגלוקוז כדי לספק מולקולות של ATP.

אנרגיה סולארית נדרשת כדי לסנתז מולקולה של גלוקוז במהלך התגובות של פוטוסינתזה. בפוטוסינתזה, אנרגיית האור מהשמש הופכת בתחילה לאנרגיה כימית המאוחסנת באופן זמני במולקולות נושאות האנרגיה ATP ו- NADPH (ניקוטינאמיד אדנין דינוקלאוטיד פוספט). האנרגיה המאוחסנת ב- ATP וב- NADPH משמשת מאוחר יותר בפוטוסינתזה לבניית מולקולה אחת של גלוקוז משש מולקולות של CO ₂. תהליך זה מקביל לאכילת ארוחת בוקר בבוקר כדי לרכוש אנרגיה לגופך שניתן להשתמש בה בהמשך היום. בתנאים אידיאליים, אנרגיה מ-18 מולקולות ATP נדרשת כדי לסנתז מולקולה אחת של גלוקוז במהלך תגובות הפוטוסינתזה. ניתן לשלב מולקולות גלוקוז גם עם ולהמיר אותן לסוגים אחרים של סוכרים. כאשר צורכים סוכרים, מולקולות גלוקוז בסופו של דבר עושות את דרכן לכל תא חי של האורגניזם. בתוך התא, כל מולקולת סוכר מתפרקת באמצעות סדרה מורכבת של תגובות כימיות. מטרת התגובות הללו היא לקצור את האנרגיה המאוחסנת בתוך מולקולות הסוכר. האנרגיה שנקטפה משמשת לייצור מולקולות ATP בעלות אנרגיה גבוהה, שניתן להשתמש בהן לביצוע עבודה, ומניעות תגובות כימיות רבות בתא. כמות האנרגיה הדרושה לייצור מולקולה אחת של גלוקוז משש מולקולות של פחמן דו חמצני היא 18 מולקולות של ATP ו-12 מולקולות של NADPH (שכל אחת מהן שווה אנרגטית לשלוש מולקולות ATP), או בסך הכל 54 מקבילות מולקולות הנדרשות לסינתזה של מולקולת גלוקוז אחת. תהליך זה הוא דרך בסיסית ויעילה לתאים לייצר את האנרגיה המולקולרית שהם דורשים.

בתצלום משמאל נראים בלוטים הגדלים על עץ אלון. בתצלום מימין נראה סנאי אוכל. — איור\(\PageIndex{2}\): צמחים, כמו עץ האלון והבלוט הזה, משתמשים באנרגיה מאור השמש לייצור סוכר ומולקולות אורגניות אחרות. גם צמחים וגם בעלי חיים (כמו סנאי זה) משתמשים בנשימה תאית כדי להפיק אנרגיה מהמולקולות האורגניות שהופקו במקור על ידי צמחים. (אשראי "בלוט": שינוי עבודה על ידי נואל ריינולדס; אשראי "סנאי": שינוי של עבודה על ידי שחר Huczek)

מסלולים מטבוליים

תהליכי ייצור ופירוק מולקולות סוכר ממחישים שני סוגים של מסלולים מטבוליים. מסלול מטבולי הוא סדרה של תגובות ביוכימיות המחוברות זו לזו הממירות מולקולת מצע או מולקולות, שלב אחר שלב, באמצעות סדרה של תוצרי ביניים מטבוליים, ובסופו של דבר מניבות תוצר סופי או מוצרים. במקרה של חילוף חומרים של סוכר, המסלול המטבולי הראשון סינתז סוכר ממולקולות קטנות יותר, והמסלול השני פירק סוכר למולקולות קטנות יותר. שני התהליכים ההפוכים הללו - הראשון הדורש אנרגיה והשני מייצר אנרגיה - מכונים מסלולים אנבוליים (בונים) וקטבוליים (מתפרקים), בהתאמה. כתוצאה מכך, חילוף החומרים מורכב מבנייה (אנבוליזם) והשפלה (קטבוליזם).

חיבור אבולוציה: אבולוציה של מסלולים מטבוליים

בבסיס העץ האבולוציוני נמצא האב הקדמון הפרוקריוטי. אב קדמון זה הוליד ארכבקטריה, אובקטריה ופרוטיסטה, אשר בתורם הולידו צמחים, פטריות ובעלי חיים. — איור\(\PageIndex{3}\): עץ זה מראה את האבולוציה של ענפי החיים השונים. הממד האנכי הוא הזמן. צורות חיים מוקדמות, בכחול, השתמשו בחילוף חומרים אנאירובי כדי להשיג אנרגיה מסביבתם.

יש יותר במורכבות חילוף החומרים מאשר הבנת המסלולים המטבוליים בלבד. המורכבות המטבולית משתנה מאורגניזם לאורגניזם. פוטוסינתזה היא המסלול העיקרי שבו אורגניזמים פוטוסינתטיים כמו צמחים (רוב הסינתזה העולמית נעשית על ידי אצות פלנקטוניות) קוצרים את אנרגיית השמש וממירים אותה לפחמימות. תוצר הלוואי של הפוטוסינתזה הוא חמצן, הנדרש על ידי חלק מהתאים לביצוע נשימה תאית. במהלך הנשימה התאית, חמצן מסייע בפירוק קטבולי של תרכובות פחמן, כמו פחמימות. בין התוצרים של קטבוליזם זה ניתן למנות CO2 ו- ATP. בנוסף, חלק מהאוקריוטים מבצעים תהליכים קטבוליים ללא חמצן (תסיסה); כלומר הם מבצעים או משתמשים בחילוף חומרים אנאירובי.

אורגניזמים כנראה פיתחו מטבוליזם אנאירובי כדי לשרוד (אורגניזמים חיים נוצרו לפני כ -3.8 מיליארד שנים, כאשר האטמוספירה חסרה חמצן). למרות ההבדלים בין אורגניזמים ומורכבות חילוף החומרים, חוקרים מצאו כי כל ענפי החיים חולקים כמה מאותם מסלולים מטבוליים, דבר המצביע על כך שכל האורגניזמים התפתחו מאותו אב קדמון משותף עתיק (איור\(\PageIndex{3}\)). עדויות מצביעות על כך שעם הזמן המסלולים התפצלו, והוסיפו אנזימים מיוחדים כדי לאפשר לאורגניזמים להסתגל טוב יותר לסביבתם, ובכך להגדיל את הסיכוי שלהם לשרוד. עם זאת, העיקרון הבסיסי נשאר שכל האורגניזמים חייבים לקצור אנרגיה מסביבתם ולהמיר אותה ל- ATP כדי לבצע פונקציות סלולריות.

מסלולים אנבוליים וקטבוליים

מסלולים אנבוליים דורשים קלט של אנרגיה כדי לסנתז מולקולות מורכבות מאלה פשוטות יותר. סינתזה של סוכר מ- CO ₂ היא דוגמה אחת. דוגמאות נוספות הן סינתזה של חלבונים גדולים מאבני בניין של חומצות אמינו, וסינתזה של גדילי DNA חדשים מאבני בניין של חומצות גרעין. תהליכים ביו-סינתטיים אלה הם קריטיים לחיי התא, מתרחשים ללא הרף ודורשים אנרגיה המסופקת על ידי ATP ומולקולות אחרות בעלות אנרגיה גבוהה כמו NADH (ניקוטינאמיד אדנין דינוקלאוטיד) ו- NADPH (איור). \(\PageIndex{4}\)

ATP היא מולקולה חשובה שיש לתאים אספקה מספקת בכל עת. פירוק הסוכרים ממחיש כיצד מולקולה אחת של גלוקוז יכולה לאגור מספיק אנרגיה כדי ליצור הרבה מאוד ATP, 36 עד 38 מולקולות. זהו מסלול קטבולי. מסלולים קטבוליים כוללים פירוק (או פירוק) של מולקולות מורכבות לפשוטות יותר. אנרגיה מולקולרית המאוחסנת בקשרים של מולקולות מורכבות משתחררת במסלולים קטבוליים ונקצרת בצורה כזו שניתן להשתמש בה לייצור ATP. מולקולות אחרות אוגרות אנרגיה, כגון שומנים, מתפרקות גם הן באמצעות תגובות קטבוליות דומות כדי לשחרר אנרגיה וליצור ATP (איור). \(\PageIndex{4}\)

חשוב לדעת שהתגובות הכימיות של מסלולים מטבוליים אינן מתרחשות באופן ספונטני. כל שלב תגובה מתאפשר, או מזורז, על ידי חלבון הנקרא אנזים. אנזימים חשובים לזרז את כל סוגי התגובות הביולוגיות - אלה הדורשות אנרגיה כמו גם אלה שמשחררות אנרגיה.

מסלולים אנבוליים וקטבוליים מוצגים. במסלול האנאבולי (למעלה), ארבע מולקולות קטנות מתווספות להן אנרגיה ליצירת מולקולה אחת גדולה. במסלול הקטבולי (למטה), מולקולה אחת גדולה מתפרקת לשני מרכיבים: ארבע מולקולות קטנות בתוספת אנרגיה. — איור\(\PageIndex{4}\): מסלולים אנבוליים הם אלה הדורשים אנרגיה כדי לסנתז מולקולות גדולות יותר. מסלולים קטבוליים הם אלה המייצרים אנרגיה על ידי פירוק מולקולות גדולות יותר. שני סוגי המסלולים נדרשים לשמירה על מאזן האנרגיה של התא.

סיכום

תאים מבצעים את תפקודי החיים באמצעות תגובות כימיות שונות. חילוף החומרים של התא מתייחס לתגובות הכימיות המתרחשות בתוכו. ישנן תגובות מטבוליות הכרוכות בפירוק כימיקלים מורכבים לפשוטים יותר, כגון פירוק מקרומולקולות גדולות. תהליך זה מכונה קטבוליזם, ותגובות כאלה קשורות לשחרור אנרגיה. בקצה השני של הספקטרום, אנבוליזם מתייחס לתהליכים מטבוליים הבונים מולקולות מורכבות מתוך פשוטות יותר, כמו סינתזה של מקרומולקולות. תהליכים אנבוליים דורשים אנרגיה. סינתזת גלוקוז ופירוק גלוקוז הם דוגמאות למסלולים אנבוליים וקטבוליים, בהתאמה.

רשימת מילים

אנבוליים: (גם, אנבוליזם) מסלולים הדורשים קלט של אנרגיה כדי לסנתז מולקולות מורכבות מאלה פשוטות יותר

ביו-אנרגטיקה: מחקר על אנרגיה הזורמת דרך מערכות חיות

קטבולי: (גם, קטבוליזם) מסלולים שבהם מולקולות מורכבות מתפרקות לפשוטות יותר

חילוף חומרים: כל התגובות הכימיות המתרחשות בתוך התאים, כולל אנבוליזם וקטבוליזם