24.1: نظرة عامة على التفاعلات الأيضية

Last updated
Save as PDF

Page ID: 203131

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

أهداف التعلم

وصف العملية التي يتم من خلالها تقسيم البوليمرات إلى مونومرات
وصف العملية التي يتم من خلالها دمج المونومرات في بوليمرات
ناقش دور ATP في عملية التمثيل الغذائي
شرح تفاعلات تقليل الأكسدة
وصف الهرمونات التي تنظم التفاعلات الابتنائية والتقويضية

تتم عمليات التمثيل الغذائي باستمرار في الجسم. الأيض هو مجموع جميع التفاعلات الكيميائية التي تشارك في الهدم والتمثيل الغذائي. تسمى التفاعلات التي تحكم تكسير الطعام للحصول على الطاقة التفاعلات التقويضية. على العكس من ذلك، تستخدم التفاعلات الابتنائية الطاقة الناتجة عن التفاعلات التقويضية لتجميع جزيئات أكبر من جزيئات أصغر، مثل عندما يشكل الجسم البروتينات عن طريق ربط الأحماض الأمينية معًا. كلا المجموعتين من ردود الفعل ضرورية للحفاظ على الحياة.

نظرًا لأن التفاعلات التقويضية تنتج الطاقة وتستخدم التفاعلات الابتنائية الطاقة، فمن الناحية المثالية، فإن استخدام الطاقة سيوازن الطاقة المنتجة. إذا كان التغير الصافي في الطاقة إيجابيًا (تطلق التفاعلات التقويضية طاقة أكثر من التفاعلات الابتنائية المستخدمة)، فإن الجسم يخزن الطاقة الزائدة عن طريق بناء جزيئات الدهون للتخزين طويل الأجل. من ناحية أخرى، إذا كان التغير الصافي في الطاقة سلبيًا (تطلق التفاعلات التقويضية طاقة أقل من استخدام التفاعلات الابتنائية)، فإن الجسم يستخدم الطاقة المخزنة للتعويض عن نقص الطاقة المنبعثة من الهدم.

ردود الفعل التقويضية

تعمل التفاعلات التقويضية على تكسير الجزيئات العضوية الكبيرة إلى جزيئات أصغر، مما يؤدي إلى إطلاق الطاقة الموجودة في الروابط الكيميائية. لا تتسم إصدارات الطاقة هذه (التحويلات) بالكفاءة بنسبة 100 في المائة. كمية الطاقة المنبعثة أقل من الكمية الإجمالية الموجودة في الجزيء. يتم نقل ما يقرب من 40 في المائة من الطاقة الناتجة عن التفاعلات التقويضية مباشرة إلى الجزيء عالي الطاقة الأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP). يمكن استخدام ATP، عملة الطاقة للخلايا، على الفور لتشغيل الأجهزة الجزيئية التي تدعم وظيفة الخلية والأنسجة والأعضاء. وهذا يشمل بناء أنسجة جديدة وإصلاح الأنسجة التالفة. يمكن أيضًا تخزين ATP لتلبية متطلبات الطاقة المستقبلية. أما نسبة الـ 60 في المائة المتبقية من الطاقة المنبعثة من التفاعلات التقويضية فتخرج في صورة حرارة تمتصها الأنسجة وسوائل الجسم.

من الناحية الهيكلية، تتكون جزيئات ATP من الأدينين والريبوز وثلاث مجموعات من الفوسفات (الشكل\(\PageIndex{1}\)). تمثل الرابطة الكيميائية بين مجموعتي الفوسفات الثانية والثالثة، والتي تسمى الرابطة عالية الطاقة، أكبر مصدر للطاقة في الخلية. إنها الرابطة الأولى التي تكسرها الإنزيمات التقويضية عندما تتطلب الخلايا الطاقة للقيام بعملها. منتجات هذا التفاعل هي جزيء من أدينوزين ثنائي فسفات (ADP) ومجموعة فوسفات وحيدة (P _i). يتم تدوير ATP و ADP و P _i باستمرار من خلال التفاعلات التي تبني ATP وتخزن الطاقة، وردود الفعل التي تكسر ATP وتطلق الطاقة.

الشكل\(\PageIndex{1}\): هيكل جزيء ATP. أدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP) هو جزيء الطاقة للخلية. أثناء التفاعلات التقويضية، يتم إنشاء ATP ويتم تخزين الطاقة حتى الحاجة إليها أثناء التفاعلات الابتنائية.

تعمل الطاقة من ATP على تشغيل جميع وظائف الجسم، مثل تقلص العضلات، والحفاظ على الإمكانات الكهربائية للخلايا العصبية، وامتصاص الطعام في الجهاز الهضمي. تأتي التفاعلات الأيضية التي تنتج ATP من مصادر مختلفة (الشكل\(\PageIndex{2}\)).

الشكل\(\PageIndex{2}\): مصادر ATP. أثناء التفاعلات التقويضية، يتم تقسيم البروتينات إلى أحماض أمينية، ويتم تقسيم الدهون إلى أحماض دهنية، ويتم تقسيم السكريات إلى السكريات الأحادية. ثم يتم استخدام هذه اللبنات الأساسية لتكوين الجزيئات في التفاعلات الابتنائية.

من بين المجموعات الجزيئية الرئيسية الأربع (الكربوهيدرات والدهون والبروتينات والأحماض النووية) التي تتم معالجتها عن طريق الهضم، تعتبر الكربوهيدرات المصدر الأكثر شيوعًا للطاقة لتغذية الجسم. وهي تأخذ شكل الكربوهيدرات المعقدة أو السكريات مثل النشا والجليكوجين أو السكريات البسيطة (السكريات الأحادية) مثل الجلوكوز والفركتوز. يؤدي هدم السكر إلى تقسيم السكريات إلى السكريات الأحادية الفردية. من بين السكريات الأحادية، يعد الجلوكوز الوقود الأكثر شيوعًا لإنتاج ATP في الخلايا، وبالتالي، هناك عدد من آليات التحكم في الغدد الصماء لتنظيم تركيز الجلوكوز في مجرى الدم. يتم تخزين الجلوكوز الزائد كاحتياطي للطاقة في الكبد والعضلات الهيكلية مثل جليكوجين البوليمر المعقد، أو يتم تحويله إلى دهون (الدهون الثلاثية) في الخلايا الدهنية (الخلايا الشحمية).

من بين الدهون (الدهون)، غالبًا ما تستخدم الدهون الثلاثية للحصول على الطاقة من خلال عملية التمثيل الغذائي التي تسمى أكسدة بيتا. يتم تخزين حوالي نصف الدهون الزائدة في الخلايا الشحمية التي تتراكم في الأنسجة تحت الجلد تحت الجلد، بينما يتم تخزين الباقي في الخلايا الشحمية في الأنسجة والأعضاء الأخرى.

يمكن تقسيم البروتينات، وهي بوليمرات، إلى مونومراتها، والأحماض الأمينية الفردية. يمكن استخدام الأحماض الأمينية ككتل بناء للبروتينات الجديدة أو تكسيرها بشكل أكبر لإنتاج ATP. عندما يعاني المرء من الجوع المزمن، يمكن أن يؤدي استخدام الأحماض الأمينية لإنتاج الطاقة إلى إهدار الجسم، حيث يتم تكسير المزيد والمزيد من البروتينات.

توجد الأحماض النووية في معظم الأطعمة التي تتناولها. أثناء عملية الهضم، يتم تقسيم الأحماض النووية بما في ذلك الحمض النووي والعديد من RNAs إلى النيوكليوتيدات المكونة لها. يتم امتصاص هذه النيوكليوتيدات بسهولة ونقلها في جميع أنحاء الجسم لاستخدامها من قبل الخلايا الفردية أثناء استقلاب الحمض النووي.

ردود الفعل الابتنائية

على عكس التفاعلات التقويضية، تتضمن التفاعلات الابتنائية ضم جزيئات أصغر إلى جزيئات أكبر. تجمع التفاعلات الابتنائية بين السكريات الأحادية لتكوين السكريات والأحماض الدهنية لتكوين الدهون الثلاثية والأحماض الأمينية لتكوين البروتينات والنيوكليوتيدات لتكوين الأحماض النووية. تتطلب هذه العمليات طاقة في شكل جزيئات ATP الناتجة عن التفاعلات التقويضية. تخلق التفاعلات الابتنائية، التي تسمى أيضًا تفاعلات التخليق الحيوي، جزيئات جديدة تشكل خلايا وأنسجة جديدة، وتنشط الأعضاء.

التنظيم الهرموني لعملية التمثيل الغذائي

تساعد الهرمونات التقويضية والبنائية في الجسم على تنظيم عمليات التمثيل الغذائي. تحفز الهرمونات التقويضية تكسير الجزيئات وإنتاج الطاقة. وتشمل هذه الكورتيزول والجلوكاجون والأدرينال/الإيبينيفرين والسيتوكينات. يتم تعبئة كل هذه الهرمونات في أوقات محددة لتلبية احتياجات الجسم. الهرمونات الابتنائية مطلوبة لتخليق الجزيئات وتشمل هرمون النمو وعامل النمو الشبيه بالأنسولين والأنسولين والتستوستيرون والإستروجين. \(\PageIndex{1}\)يلخص الجدول وظيفة كل من الهرمونات التقويضية\(\PageIndex{2}\) ويلخص الجدول وظائف الهرمونات الابتنائية.

طاولة\(\PageIndex{1}\)

الهرمونات التقويضية
هرمون	وظيفة
الكورتيزول	يتم إطلاقه من الغدة الكظرية استجابة للإجهاد؛ ويتمثل دوره الرئيسي في زيادة مستويات الجلوكوز في الدم عن طريق تكوين الجلوكوز (تكسير الدهون والبروتينات)
الجلوكاجون	يتم إطلاقه من خلايا ألفا في البنكرياس إما عند الجوع أو عندما يحتاج الجسم إلى توليد طاقة إضافية؛ إنه يحفز تكسير الجليكوجين في الكبد لزيادة مستويات الجلوكوز في الدم؛ تأثيره هو عكس الأنسولين؛ الجلوكاجون والأنسولين جزء من نظام التغذية الراجعة السلبية يستقر مستويات الجلوكوز في الدم
الأدرينالين/الإيبينيفرين	يتم إطلاقه استجابة لتنشيط الجهاز العصبي الودي؛ يزيد من معدل ضربات القلب وانقباض القلب، ويضيق الأوعية الدموية، وهو موسع قصبي يفتح (يوسع) القصبات الهوائية في الرئتين لزيادة حجم الهواء في الرئتين، ويحفز تكوين الجلوكوز

طاولة\(\PageIndex{2}\)

الهرمونات الابتنائية
هرمون	وظيفة
هرمون النمو (GH)	يتم تصنيعه وإطلاقه من الغدة النخامية؛ يحفز نمو الخلايا والأنسجة والعظام
عامل النمو الشبيه بالأنسولين (IGF)	يحفز نمو العضلات والعظام بينما يمنع أيضًا موت الخلايا (موت الخلايا المبرمج)
الأنسولين	تنتجه خلايا بيتا في البنكرياس؛ يلعب دورًا أساسيًا في استقلاب الكربوهيدرات والدهون، ويتحكم في مستويات الجلوكوز في الدم، ويعزز امتصاص الجلوكوز في خلايا الجسم؛ يتسبب في قيام الخلايا في العضلات والأنسجة الدهنية والكبد بامتصاص الجلوكوز من الدم وتخزينه في الكبد والعضلات الجلوكاجون؛ تأثيره هو عكس الجلوكاجون؛ الجلوكاجون والأنسولين جزء من نظام التغذية الراجعة السلبية الذي يعمل على استقرار مستويات الجلوكوز في الدم
هرمون التستوستيرون	تنتجه الخصيتان عند الذكور والمبايض عند الإناث؛ تحفز زيادة كتلة العضلات وقوتها وكذلك نمو العظام وتقويتها
هرمون الاستروجين	يتم إنتاجه بشكل أساسي عن طريق المبيضين، ويتم إنتاجه أيضًا عن طريق الكبد والغدد الكظرية؛ تشمل وظائفه الابتنائية زيادة التمثيل الغذائي وترسب الدهون

اضطرابات...

عمليات التمثيل الغذائي: متلازمة كوشينج ومرض أديسون

كما هو متوقع بالنسبة لعملية فسيولوجية أساسية مثل التمثيل الغذائي، تؤدي الأخطاء أو الأعطال في المعالجة الأيضية إلى الفيزيولوجيا المرضية أو - إذا لم يتم تصحيحها - حالة مرضية. غالبًا ما تكون أمراض التمثيل الغذائي نتيجة خلل في البروتينات أو الإنزيمات التي تعتبر ضرورية لمسار واحد أو أكثر من مسارات التمثيل الغذائي. يمكن أن يكون خلل البروتين أو الإنزيم نتيجة تغيير جيني أو طفرة. ومع ذلك، يمكن للبروتينات والإنزيمات التي تعمل بشكل طبيعي أن يكون لها أيضًا تأثيرات ضارة إذا لم يكن توافرها مطابقًا بشكل مناسب لاحتياجات التمثيل الغذائي. على سبيل المثال، يؤدي الإنتاج المفرط لهرمون الكورتيزول (انظر الجدول) إلى ظهور متلازمة كوشينج. من الناحية السريرية، تتميز متلازمة كوشينج بزيادة الوزن بسرعة، خاصة في منطقة الجذع والوجه، والاكتئاب والقلق. ومن الجدير بالذكر أن أورام الغدة النخامية التي تنتج هرمون الكظر القشري (ACTH)، الذي يحفز قشرة الغدة الكظرية لاحقًا على إفراز الكورتيزول المفرط، تنتج تأثيرات مماثلة. يشار إلى هذه الآلية غير المباشرة لزيادة إنتاج الكورتيزول باسم مرض كوشينج.

يمكن للمرضى الذين يعانون من متلازمة كوشينج أن تظهر عليهم مستويات عالية من الجلوكوز في الدم ويتعرضون لخطر متزايد للإصابة بالسمنة. كما أنها تظهر نموًا بطيئًا وتراكم الدهون بين الكتفين وضعف العضلات وآلام العظام (لأن الكورتيزول يتسبب في تكسير البروتينات لإنتاج الجلوكوز عن طريق تكوين الجلوكوز) والتعب. تشمل الأعراض الأخرى التعرق الزائد (فرط التعرق)، وتمدد الشعيرات الدموية، وترقق الجلد، مما قد يؤدي إلى سهولة الإصابة بالكدمات. تركز جميع علاجات متلازمة كوشينج على تقليل مستويات الكورتيزول المفرطة. اعتمادًا على سبب الزيادة، قد يكون العلاج بسيطًا مثل التوقف عن استخدام مراهم الكورتيزول. في حالات الأورام، غالبًا ما تستخدم الجراحة لإزالة الورم المسيء. عندما تكون الجراحة غير مناسبة، يمكن استخدام العلاج الإشعاعي لتقليل حجم الورم أو استئصال أجزاء من قشرة الغدة الكظرية. أخيرًا، تتوفر الأدوية التي يمكن أن تساعد في تنظيم كميات الكورتيزول.

إنتاج الكورتيزول غير الكافي يمثل مشكلة بنفس القدر. يتميز قصور الغدة الكظرية، أو مرض أديسون، بانخفاض إنتاج الكورتيزول من الغدة الكظرية. يمكن أن ينتج عن خلل في الغدد الكظرية - فهي لا تنتج كمية كافية من الكورتيزول - أو يمكن أن يكون نتيجة لانخفاض توافر ACTH من الغدة النخامية. قد يعاني المرضى المصابون بمرض أديسون من انخفاض ضغط الدم والشحوب والضعف الشديد والتعب والحركات البطيئة أو البطيئة والدوار والرغبة الشديدة في الملح بسبب فقدان الصوديوم وارتفاع مستويات البوتاسيوم في الدم (فرط بوتاسيوم الدم). قد يعاني الضحايا أيضًا من فقدان الشهية والإسهال المزمن والقيء وآفات الفم ولون البشرة غير المكتمل. يتضمن التشخيص عادةً اختبارات الدم واختبارات التصوير للغدد الكظرية والغدة النخامية. يشمل العلاج العلاج ببدائل الكورتيزول، والذي عادة ما يجب أن يستمر مدى الحياة.

تفاعلات تقليل الأكسدة

تتضمن التفاعلات الكيميائية الكامنة وراء عملية التمثيل الغذائي نقل الإلكترونات من مركب إلى آخر من خلال العمليات التي تحفزها الإنزيمات. عادةً ما تأتي الإلكترونات في هذه التفاعلات من ذرات الهيدروجين، والتي تتكون من إلكترون وبروتون. يتخلى الجزيء عن ذرة الهيدروجين، في شكل أيون الهيدروجين (H ⁺) والإلكترون، مما يؤدي إلى تكسير الجزيء إلى أجزاء أصغر. يؤدي فقدان الإلكترون، أو الأكسدة، إلى إطلاق كمية صغيرة من الطاقة؛ ثم يتم تمرير كل من الإلكترون والطاقة إلى جزيء آخر في عملية الاختزال أو اكتساب الإلكترون. يحدث هذان التفاعلان معًا دائمًا في تفاعل اختزال الأكسدة (يُطلق عليه أيضًا تفاعل الأكسدة والاختزال) - عندما يتم تمرير الإلكترون بين الجزيئات، يتأكسد المتبرع ويقل المتلقي. غالبًا ما تحدث تفاعلات تقليل الأكسدة في سلسلة، بحيث يتأكسد الجزيء الذي يتم اختزاله لاحقًا، ويمر ليس فقط بالإلكترون الذي استقبله للتو ولكن أيضًا الطاقة التي تلقاها. مع تقدم سلسلة التفاعلات، تتراكم الطاقة التي تُستخدم للجمع بين P _i و ADP لتكوين ATP، الجزيء عالي الطاقة الذي يستخدمه الجسم للوقود.

يتم تحفيز تفاعلات تقليل الأكسدة بواسطة الإنزيمات التي تؤدي إلى إزالة ذرات الهيدروجين. تعمل الإنزيمات المساعدة مع الإنزيمات وتقبل ذرات الهيدروجين. أكثر الإنزيمات المساعدة شيوعًا لتفاعلات تقليل الأكسدة هما نيكوتيناميد أدينين ثنائي النوكليوتيد (NAD) وفلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد (FAD). الإنزيمات المساعدة المخفضة الخاصة بكل منهما هي NADH و FADH ₂، وهي جزيئات تحتوي على الطاقة تستخدم لنقل الطاقة أثناء إنشاء ATP.

مراجعة الفصل

الأيض هو مجموع جميع التفاعلات التقويضية (الانهيار) والبنائية (التوليف) في الجسم. يقيس معدل الأيض كمية الطاقة المستخدمة للحفاظ على الحياة. يجب أن يتناول الكائن الحي كمية كافية من الطعام للحفاظ على معدل الأيض إذا كان الكائن الحي سيبقى على قيد الحياة لفترة طويلة جدًا.

تعمل التفاعلات التقويضية على تكسير الجزيئات الكبيرة، مثل الكربوهيدرات والدهون والبروتينات من الطعام المبتلع، إلى الأجزاء الأصغر المكونة لها. كما أنها تشمل تكسير ATP، الذي يطلق الطاقة اللازمة لعمليات التمثيل الغذائي في جميع الخلايا في جميع أنحاء الجسم.

تقوم التفاعلات الابتنائية، أو تفاعلات التخليق الحيوي، بتجميع جزيئات أكبر من الأجزاء المكونة الأصغر، باستخدام ATP كمصدر للطاقة لهذه التفاعلات. تعمل التفاعلات الابتنائية على بناء العظام وكتلة العضلات والبروتينات والدهون والأحماض النووية الجديدة. تعمل تفاعلات تقليل الأكسدة على نقل الإلكترونات عبر الجزيئات عن طريق أكسدة جزيء وتقليل جزيء آخر، وجمع الطاقة المنبعثة لتحويل P _i و ADP إلى ATP. تؤدي الأخطاء في التمثيل الغذائي إلى تغيير معالجة الكربوهيدرات والدهون والبروتينات والأحماض النووية، ويمكن أن تؤدي إلى عدد من الحالات المرضية.

مراجعة الأسئلة

س: يتكون أحادي السكاريد من السكاريد في أي نوع من التفاعل؟

أ. تفاعل الأكسدة والاختزال

ب. التفاعل الابتنائي

ج. رد فعل تقويضي

د. تفاعل التخليق الحيوي

الإجابة: ج

س: إذا تجاوزت التفاعلات الابتنائية ردود الفعل التقويضية، فستكون النتيجة ________.

أ. فقدان الوزن

ب. زيادة الوزن

C. تغيير معدل الأيض

د. تطور المرض

الإجابة: ب

س: عندما يصبح NAD NADH، يكون الإنزيم المساعد ________.

أ. مخفض

B. المؤكسد

C. استقلاب

د. متحلل

الإجابة: أ

س: تستخدم التفاعلات الابتنائية الطاقة بواسطة ________.

أ. تحويل ADP إلى ATP

B. إزالة مجموعة الفوسفات من ATP

ج. إنتاج الحرارة

D. تقسيم الجزيئات إلى أجزاء أصغر

الإجابة: ب

أسئلة التفكير النقدي

س: وصف كيف يمكن تغيير الأيض.

ج: ستؤدي زيادة أو نقصان كتلة العضلات الخالية من الدهون إلى زيادة أو نقصان في عملية التمثيل الغذائي.

س: وصف كيف يمكن علاج مرض أديسون.

يتميز مرض أديسون بانخفاض مستويات الكورتيزول. إحدى طرق علاج المرض هي إعطاء الكورتيزول للمريض.

مسرد المصطلحات

الهرمونات الابتنائية: الهرمونات التي تحفز تخليق جزيئات جديدة أكبر

ردود الفعل الابتنائية: التفاعلات التي تبني جزيئات أصغر في جزيئات أكبر

تفاعلات التركيب الحيوي: التفاعلات التي تخلق جزيئات جديدة، وتسمى أيضًا التفاعلات الابتنائية

الهرمونات التقويضية: الهرمونات التي تحفز تكسير الجزيئات الكبيرة

ردود الفعل التقويضية: التفاعلات التي تكسر الجزيئات الكبيرة إلى الأجزاء المكونة لها

_{2 درهم}: جزيء عالي الطاقة مطلوب لتحلل السكر

فلافين أدينين دينوكليوتيد (FAD): أنزيم مساعد يستخدم لإنتاج FADH ₂

التمثيل الغذائي: مجموع جميع ردود الفعل التقويضية والابتنائية التي تحدث في الجسم

NADH: جزيء عالي الطاقة مطلوب لتحلل السكر

نيكوتيناميد أدينين ثنائي النوكليوتيد (NAD): يستخدم الإنزيم المساعد لإنتاج NADH

أكسدة: فقدان الإلكترون

تفاعل تقليل الأكسدة: (أيضًا، تفاعل الأكسدة) زوج من التفاعلات التي يتم فيها تمرير الإلكترون من جزيء إلى آخر، مما يؤدي إلى أكسدة أحدهما وتقليل الآخر

المساهمون والصفات

reduction: gaining of an electron

Template:ContribOpenStaxAP