6.1: الطاقة والتمثيل الغذائي

Last updated
Save as PDF

Page ID: 196317

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

المهارات اللازمة للتطوير

اشرح ما هي مسارات التمثيل الغذائي ووصف النوعين الرئيسيين من مسارات التمثيل الغذائي
ناقش كيف تلعب التفاعلات الكيميائية دورًا في نقل الطاقة

يستخدم العلماء مصطلح الطاقة الحيوية لمناقشة مفهوم تدفق الطاقة (الشكل\(\PageIndex{1}\)) من خلال الأنظمة الحية، مثل الخلايا. تحدث العمليات الخلوية مثل بناء الجزيئات المعقدة وتكسيرها من خلال التفاعلات الكيميائية المتدرجة. بعض هذه التفاعلات الكيميائية عفوية وتطلق الطاقة، بينما يحتاج البعض الآخر إلى طاقة للمضي قدمًا. مثلما يجب أن تستهلك الكائنات الحية الطعام باستمرار لتجديد ما تم استخدامه، يجب على الخلايا إنتاج المزيد من الطاقة باستمرار لتجديد تلك التي تستخدمها العديد من التفاعلات الكيميائية التي تتطلب الطاقة والتي تحدث باستمرار. جميع التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل الخلايا، بما في ذلك تلك التي تستخدم الطاقة وتلك التي تطلق الطاقة، هي عملية التمثيل الغذائي للخلية.

يوضح هذا الشكل الطاقة من الشمس التي يتم نقلها إلى المنتجين، مثل النباتات، بالإضافة إلى إطلاق الحرارة. ويقوم المنتجون بدورهم بنقل الطاقة إلى المستهلكين والمحللات التي تطلق الحرارة. تنقل الحيوانات أيضًا الطاقة إلى أجهزة التحلل. — الشكل\(\PageIndex{1}\): تحصل معظم أشكال الحياة على الأرض على طاقتها من الشمس. تستخدم النباتات التمثيل الضوئي لالتقاط ضوء الشمس، وتأكل الحيوانات العاشبة تلك النباتات للحصول على الطاقة. تأكل آكلات اللحوم الحيوانات العاشبة، بينما تقوم المتحللة بهضم المواد النباتية والحيوانية.

استقلاب الكربوهيدرات

يعتبر استقلاب السكر (كربوهيدرات بسيط) مثالًا كلاسيكيًا على العديد من العمليات الخلوية التي تستخدم وتنتج الطاقة. تستهلك الكائنات الحية السكر كمصدر رئيسي للطاقة، لأن جزيئات السكر تحتوي على قدر كبير من الطاقة المخزنة داخل روابطها. يتم وصف تكسير الجلوكوز، وهو سكر بسيط، من خلال المعادلة:

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

تعود أصول الكربوهيدرات التي يتم استهلاكها إلى كائنات التمثيل الضوئي مثل النباتات (الشكل 6.1.2). أثناء عملية التمثيل الضوئي، تستخدم النباتات طاقة ضوء الشمس لتحويل غاز ثاني أكسيد الكربون (CO ₂) إلى جزيئات سكر، مثل الجلوكوز (C ₆ H ₁₂ O ₆). نظرًا لأن هذه العملية تتضمن تركيب جزيء أكبر لتخزين الطاقة، فإنها تتطلب مدخلات من الطاقة للمضي قدمًا. يتم وصف تخليق الجلوكوز بهذه المعادلة (لاحظ أنه عكس المعادلة السابقة):

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

خلال التفاعلات الكيميائية لعملية التمثيل الضوئي، يتم توفير الطاقة في شكل جزيء عالي الطاقة يسمى ATP، أو أدينوزين ثلاثي الفوسفات، وهو عملة الطاقة الأساسية لجميع الخلايا. مثلما يتم استخدام الدولار كعملة لشراء السلع، تستخدم الخلايا جزيئات ATP كعملة للطاقة لأداء العمل الفوري. يتم تخزين السكر (الجلوكوز) على شكل نشا أو جليكوجين. يتم تقسيم البوليمرات المخزنة للطاقة مثل هذه إلى جلوكوز لتزويد جزيئات ATP.

الطاقة الشمسية مطلوبة لتجميع جزيء من الجلوكوز أثناء تفاعلات التمثيل الضوئي. في عملية التمثيل الضوئي، يتم تحويل الطاقة الضوئية من الشمس مبدئيًا إلى طاقة كيميائية يتم تخزينها مؤقتًا في جزيئات حامل الطاقة ATP و NADPH (نيكوتيناميد أدينين ثنائي النوكليوتيد فوسفات). ثم يتم استخدام الطاقة المخزنة في ATP و NADPH لاحقًا في عملية التمثيل الضوئي لبناء جزيء واحد من الجلوكوز من ستة جزيئات من ثاني أكسيد الكربون ₂. هذه العملية مماثلة لتناول وجبة الإفطار في الصباح للحصول على الطاقة لجسمك التي يمكن استخدامها في وقت لاحق من اليوم. في ظل الظروف المثالية، تكون الطاقة من 18 جزيئًا من ATP مطلوبة لتجميع جزيء واحد من الجلوكوز أثناء تفاعلات التمثيل الضوئي. يمكن أيضًا دمج جزيئات الجلوكوز وتحويلها إلى أنواع أخرى من السكريات. عندما يتم استهلاك السكريات، تشق جزيئات الجلوكوز طريقها في النهاية إلى كل خلية حية من الكائن الحي. داخل الخلية، يتم تقسيم كل جزيء سكر من خلال سلسلة معقدة من التفاعلات الكيميائية. الهدف من هذه التفاعلات هو حصاد الطاقة المخزنة داخل جزيئات السكر. تُستخدم الطاقة المحصودة لصنع جزيئات ATP عالية الطاقة، والتي يمكن استخدامها لأداء العمل، مما يؤدي إلى تشغيل العديد من التفاعلات الكيميائية في الخلية. كمية الطاقة اللازمة لصنع جزيء واحد من الجلوكوز من ستة جزيئات من ثاني أكسيد الكربون هي 18 جزيئًا من ATP و 12 جزيئًا من NADPH (كل منها يعادل بقوة ثلاثة جزيئات من ATP)، أو ما مجموعه 54 مكافئًا جزيئيًا مطلوبًا لتخليق جزيء واحد من الجلوكوز. هذه العملية هي طريقة أساسية وفعالة للخلايا لتوليد الطاقة الجزيئية التي تحتاجها.

تظهر الصورة على اليسار الجوز الذي ينمو على شجرة البلوط. تظهر الصورة على اليمين سنجابًا يأكل. — الشكل\(\PageIndex{2}\): تستخدم النباتات، مثل شجرة البلوط والبلوط، الطاقة من ضوء الشمس لصنع السكر والجزيئات العضوية الأخرى. تستخدم كل من النباتات والحيوانات (مثل هذا السنجاب) التنفس الخلوي لاستخلاص الطاقة من الجزيئات العضوية التي تنتجها النباتات في الأصل. (الائتمان «البلوط»: تعديل العمل من قبل نويل رينولدز؛ الائتمان «السنجاب»: تعديل العمل من قبل داون هوتشيك)

مسارات التمثيل الغذائي

توضح عمليات صنع جزيئات السكر وتكسيرها نوعين من مسارات التمثيل الغذائي. مسار التمثيل الغذائي هو سلسلة من التفاعلات البيوكيميائية المترابطة التي تحول جزيء الركيزة أو الجزيئات، خطوة بخطوة، من خلال سلسلة من المواد الوسيطة الأيضية، مما يؤدي في النهاية إلى إنتاج منتج أو منتجات نهائية. في حالة استقلاب السكر، قام المسار الأيضي الأول بتصنيع السكر من جزيئات أصغر، بينما قام المسار الآخر بتقسيم السكر إلى جزيئات أصغر. يشار إلى هاتين العمليتين المعاكستين - الأولى التي تتطلب الطاقة والثانية المنتجة للطاقة - بالمسارات الابتنائية (البناء) والتقويض (التكسير)، على التوالي. وبالتالي، يتكون التمثيل الغذائي من البناء (الابتنائية) والتدهور (الهدم).

اتصال التطور: تطور مسارات التمثيل الغذائي

في قاعدة الشجرة التطورية يوجد سلف بدائيات النواة. أدى هذا السلف إلى ظهور البكتيريا الأثرية والإيوباكتيريا والبروتيستا، والتي بدورها أدت إلى ظهور النباتات والفطريات والحيوانات. — الشكل\(\PageIndex{3}\): تُظهر هذه الشجرة تطور فروع الحياة المختلفة. البعد الرأسي هو الوقت. استخدمت أشكال الحياة المبكرة، باللون الأزرق، الأيض اللاهوائي للحصول على الطاقة من محيطها.

هناك ما هو أكثر تعقيدًا في عملية التمثيل الغذائي من فهم مسارات التمثيل الغذائي وحدها. يختلف التعقيد الأيضي من كائن حي إلى آخر. التمثيل الضوئي هو المسار الأساسي الذي تقوم فيه كائنات التمثيل الضوئي مثل النباتات (تتم غالبية التوليف العالمي بواسطة الطحالب العوالق) بحصاد طاقة الشمس وتحويلها إلى كربوهيدرات. المنتج الثانوي لعملية التمثيل الضوئي هو الأكسجين الذي تتطلبه بعض الخلايا لإجراء التنفس الخلوي. أثناء التنفس الخلوي، يساعد الأكسجين في الانهيار التقويضي لمركبات الكربون، مثل الكربوهيدرات. من بين منتجات هذا الهدم ثاني أكسيد الكربون و ATP. بالإضافة إلى ذلك، تقوم بعض حقيقيات النوى بعمليات تقويضية بدون أكسجين (تخمير)؛ أي أنها تؤدي أو تستخدم التمثيل الغذائي اللاهوائي.

ربما طورت الكائنات الحية عملية التمثيل الغذائي اللاهوائي للبقاء على قيد الحياة (ظهرت الكائنات الحية منذ حوالي 3.8 مليار سنة، عندما كان الغلاف الجوي يفتقر إلى الأكسجين). على الرغم من الاختلافات بين الكائنات الحية وتعقيد عملية التمثيل الغذائي، وجد الباحثون أن جميع فروع الحياة تشترك في بعض مسارات التمثيل الغذائي نفسها، مما يشير إلى أن جميع الكائنات الحية تطورت من نفس السلف المشترك القديم (الشكل\(\PageIndex{3}\)). تشير الأدلة إلى أنه بمرور الوقت، تباعدت المسارات، مما أدى إلى إضافة إنزيمات متخصصة للسماح للكائنات الحية بالتكيف بشكل أفضل مع بيئتها، وبالتالي زيادة فرصتها في البقاء على قيد الحياة. ومع ذلك، يظل المبدأ الأساسي هو أنه يجب على جميع الكائنات الحية حصاد الطاقة من بيئتها وتحويلها إلى ATP للقيام بالوظائف الخلوية.

المسارات الابتنائية والتقويضية

تتطلب المسارات الابتنائية مدخلات من الطاقة لتجميع الجزيئات المعقدة من الجزيئات الأبسط. ومن الأمثلة على ذلك تصنيع السكر من ثاني _أكسيد الكربون. ومن الأمثلة الأخرى تخليق البروتينات الكبيرة من كتل بناء الأحماض الأمينية، وتركيب خيوط الحمض النووي الجديدة من كتل بناء الحمض النووي. تعتبر عمليات التخليق الحيوي هذه ضرورية لحياة الخلية، وتجري باستمرار، وتتطلب الطاقة التي يوفرها ATP والجزيئات الأخرى عالية الطاقة مثل NADH (نيكوتيناميد أدينين ثنائي النوكليوتيد) و NADPH (الشكل\(\PageIndex{4}\)).

ATP هو جزيء مهم للخلايا للحصول على إمدادات كافية في جميع الأوقات. يوضح تحليل السكريات كيف يمكن لجزيء واحد من الجلوكوز تخزين طاقة كافية لإنتاج قدر كبير من ATP، 36 إلى 38 جزيئًا. هذا مسار تقويضي. تتضمن المسارات التقويضية تحلل (أو تفكك) الجزيئات المعقدة إلى جزيئات أبسط. يتم إطلاق الطاقة الجزيئية المخزنة في روابط الجزيئات المعقدة في مسارات تقويضية ويتم حصادها بطريقة يمكن استخدامها لإنتاج ATP. يتم أيضًا تكسير جزيئات تخزين الطاقة الأخرى، مثل الدهون، من خلال تفاعلات تقويضية مماثلة لإطلاق الطاقة وصنع ATP (الشكل\(\PageIndex{4}\)).

من المهم معرفة أن التفاعلات الكيميائية لمسارات التمثيل الغذائي لا تحدث تلقائيًا. يتم تسهيل أو تحفيز كل خطوة من خطوات التفاعل بواسطة بروتين يسمى الإنزيم. الإنزيمات مهمة لتحفيز جميع أنواع التفاعلات البيولوجية - تلك التي تتطلب الطاقة وكذلك تلك التي تطلق الطاقة.

يتم عرض المسارات الابتنائية والتقويضية. في المسار الابتنائي (العلوي)، تمت إضافة طاقة إلى أربعة جزيئات صغيرة لتكوين جزيء واحد كبير. في المسار التقويضي (السفلي)، يتم تقسيم جزيء واحد كبير إلى مكونين: أربعة جزيئات صغيرة بالإضافة إلى الطاقة. — الشكل\(\PageIndex{4}\): المسارات الابتنائية هي تلك التي تتطلب طاقة لتجميع جزيئات أكبر. المسارات التقويضية هي تلك التي تولد الطاقة عن طريق تكسير الجزيئات الكبيرة. كلا النوعين من المسارات مطلوبان للحفاظ على توازن طاقة الخلية.

ملخص

تؤدي الخلايا وظائف الحياة من خلال تفاعلات كيميائية مختلفة. يشير التمثيل الغذائي للخلية إلى التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخلها. هناك تفاعلات أيضية تتضمن تكسير المواد الكيميائية المعقدة إلى مواد أبسط، مثل تكسير الجزيئات الكبيرة. يشار إلى هذه العملية باسم الهدم، وترتبط ردود الفعل هذه بإطلاق الطاقة. على الطرف الآخر من الطيف، يشير الابتنائية إلى عمليات التمثيل الغذائي التي تبني جزيئات معقدة من جزيئات أبسط، مثل تخليق الجزيئات الكبيرة. تتطلب العمليات الابتنائية الطاقة. يعد تخليق الجلوكوز وتفكك الجلوكوز أمثلة على المسارات الابتنائية والتقويضية، على التوالي.

مسرد المصطلحات

الابتنائية: (أيضًا، الابتنائية) المسارات التي تتطلب إدخال الطاقة لتجميع الجزيئات المعقدة من الجزيئات الأبسط

الطاقة الحيوية: دراسة الطاقة المتدفقة من خلال الأنظمة الحية

تقويضي: (أيضًا، الهدم) مسارات يتم فيها تقسيم الجزيئات المعقدة إلى جزيئات أبسط

التمثيل الغذائي: جميع التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل الخلايا، بما في ذلك الأيض والتقويض