4.1: الطاقة والتمثيل الغذائي
- Page ID
- 191689
يستخدم العلماء مصطلح الطاقة الحيوية لوصف 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 إمدادات الطاقة الخاصة بها، يجب على الخلايا إنتاج المزيد من الطاقة باستمرار لتجديد تلك التي تستخدمها العديد من التفاعلات الكيميائية التي تتطلب الطاقة والتي تحدث باستمرار. يشار إلى جميع التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل الخلايا معًا، بما في ذلك تلك التي تستهلك الطاقة أو تولدها، باسم استقلاب الخلية.
مسارات التمثيل الغذائي
ضع في اعتبارك عملية التمثيل الغذائي للسكر. هذا مثال كلاسيكي لواحدة من العديد من العمليات الخلوية التي تستخدم وتنتج الطاقة. تستهلك الكائنات الحية السكريات كمصدر رئيسي للطاقة، لأن جزيئات السكر تحتوي على قدر كبير من الطاقة المخزنة داخل روابطها. في معظم الأحيان، تنتج الكائنات الحية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي مثل النباتات هذه السكريات. أثناء عملية التمثيل الضوئي، تستخدم النباتات الطاقة (في الأصل من ضوء الشمس) لتحويل غاز ثاني أكسيد الكربون (CO 2) إلى جزيئات سكر (مثل الجلوكوز: C 6 H 12 O 6). تستهلك ثاني أكسيد الكربون وتنتج الأكسجين كمنتج نفايات. يتم تلخيص رد الفعل هذا على النحو التالي:
\[\ce{6CO2 + 6H2O -> C6H12O6 + 6O2}\nonumber\]
نظرًا لأن هذه العملية تتضمن تركيب جزيء لتخزين الطاقة، فإنها تتطلب إدخال الطاقة للمضي قدمًا. أثناء التفاعلات الضوئية لعملية التمثيل الضوئي، يتم توفير الطاقة بواسطة جزيء يسمى أدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP)، وهو عملة الطاقة الأساسية لجميع الخلايا. مثلما يتم استخدام الدولار كعملة لشراء السلع، تستخدم الخلايا جزيئات ATP كعملة للطاقة لأداء العمل الفوري. في المقابل، يتم استهلاك جزيئات تخزين الطاقة مثل الجلوكوز فقط ليتم تكسيرها لاستخدام طاقتها. يمكن تلخيص التفاعل الذي يحصد طاقة جزيء السكر في الخلايا التي تتطلب الأكسجين للبقاء على قيد الحياة من خلال التفاعل العكسي لعملية التمثيل الضوئي. في هذا التفاعل، يتم استهلاك الأكسجين ويتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون كمنتج نفايات. يتم تلخيص رد الفعل على النحو التالي:
\[\ce{C6H12O6 + 6O2 -> 6H2O + 6CO2}\nonumber\]
يتضمن كل من ردود الفعل هذه العديد من الخطوات.
توضح عمليات صنع جزيئات السكر وتكسيرها مثالين على مسارات التمثيل الغذائي. مسار التمثيل الغذائي هو سلسلة من التفاعلات الكيميائية التي تأخذ جزيء البداية وتعدله، خطوة بخطوة، من خلال سلسلة من المواد الوسيطة الأيضية، مما يؤدي في النهاية إلى إنتاج منتج نهائي. في مثال 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 (بوليمرات البناء) والمسارات التقويضية (تكسير البوليمرات إلى مونومراتها)، على التوالي. وبالتالي، يتكون التمثيل الغذائي من التوليف (الأيض) والتدهور (الهدم) (الشكل\(\PageIndex{2}\)).
من المهم معرفة أن التفاعلات الكيميائية لمسارات التمثيل الغذائي لا تحدث من تلقاء نفسها. 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.
الطاقة
تشير الديناميكا الحرارية إلى دراسة الطاقة ونقل الطاقة بما في ذلك المواد الفيزيائية. تسمى المسألة ذات الصلة بحالة معينة من نقل الطاقة بالنظام، وكل شيء خارج هذه المادة يسمى البيئة المحيطة. على سبيل المثال، عند تسخين وعاء من الماء على الموقد، يشتمل النظام على الموقد والوعاء والماء. يتم نقل الطاقة داخل النظام (بين الموقد والوعاء والماء). هناك نوعان من الأنظمة: المفتوحة والمغلقة. في النظام المفتوح، يمكن تبادل الطاقة مع محيطها. نظام الموقد مفتوح لأن الحرارة يمكن أن تضيع في الهواء. لا يمكن للنظام المغلق تبادل الطاقة مع محيطه.
الكائنات البيولوجية هي أنظمة مفتوحة. يتم تبادل الطاقة بينهم وبين محيطهم حيث يستخدمون الطاقة من الشمس لإجراء عملية التمثيل الضوئي أو استهلاك جزيئات تخزين الطاقة وإطلاق الطاقة إلى البيئة من خلال القيام بالعمل وإطلاق الحرارة. مثل كل الأشياء في العالم المادي، تخضع الطاقة للقوانين الفيزيائية. تحكم قوانين الديناميكا الحرارية نقل الطاقة داخل وبين جميع أنظمة الكون.
بشكل عام، يتم تعريف الطاقة على أنها القدرة على القيام بالعمل، أو إحداث نوع من التغيير. توجد الطاقة بأشكال مختلفة. على سبيل المثال، الطاقة الكهربائية والطاقة الضوئية والطاقة الحرارية كلها أنواع مختلفة من الطاقة. لتقدير الطريقة التي تتدفق بها الطاقة داخل الأنظمة البيولوجية وخارجها، من المهم فهم اثنين من القوانين الفيزيائية التي تحكم الطاقة.
الديناميكا الحرارية
ينص القانون الأول للديناميكا الحرارية على أن الكمية الإجمالية للطاقة في الكون ثابتة ومحفوظة. بعبارة أخرى، كانت هناك دائمًا، وستظل دائمًا، نفس كمية الطاقة في الكون. توجد الطاقة في العديد من الأشكال المختلفة. وفقًا للقانون الأول للديناميكا الحرارية، يمكن نقل الطاقة من مكان إلى آخر أو تحويلها إلى أشكال مختلفة، ولكن لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها. تحدث عمليات نقل وتحولات الطاقة من حولنا طوال الوقت. تعمل المصابيح الكهربائية على تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية وحرارية. تعمل مواقد الغاز على تحويل الطاقة الكيميائية من الغاز الطبيعي إلى طاقة حرارية. تقوم النباتات بواحدة من أكثر تحولات الطاقة فائدة بيولوجيًا على الأرض: تحويل طاقة ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية مخزنة داخل الجزيئات العضوية (الشكل\(\PageIndex{1}\)). تظهر بعض الأمثلة لتحولات الطاقة في الشكل\(\PageIndex{3}\).
يتمثل التحدي الذي تواجهه جميع الكائنات الحية في الحصول على الطاقة من محيطها بأشكال يمكنها نقلها أو تحويلها إلى طاقة قابلة للاستخدام للقيام بالعمل. لقد تطورت الخلايا الحية لمواجهة هذا التحدي. يتم نقل الطاقة الكيميائية المخزنة داخل الجزيئات العضوية مثل السكريات والدهون وتحويلها من خلال سلسلة من التفاعلات الكيميائية الخلوية إلى طاقة داخل جزيئات ATP. يمكن الوصول بسهولة إلى الطاقة في جزيئات ATP للقيام بالعمل. تتضمن أمثلة أنواع العمل التي تحتاج الخلايا إلى القيام بها بناء جزيئات معقدة، ونقل المواد، وتشغيل حركة الأهداب أو الأسواط، وتقلص ألياف العضلات لخلق الحركة.
قد تبدو المهام الأساسية للخلية الحية المتمثلة في الحصول على الطاقة وتحويلها واستخدامها للقيام بالعمل بسيطة. ومع ذلك، يشرح القانون الثاني للديناميكا الحرارية سبب صعوبة هذه المهام مما تبدو عليه. جميع عمليات نقل الطاقة والتحولات لا تكون فعالة تمامًا أبدًا. في كل عملية نقل للطاقة، يتم فقدان قدر من الطاقة في شكل غير قابل للاستخدام. في معظم الحالات، يكون هذا النموذج عبارة عن طاقة حرارية. من الناحية الديناميكية الحرارية، تُعرَّف الطاقة الحرارية بأنها الطاقة المنقولة من نظام إلى آخر ولا تعمل. على سبيل المثال، عند تشغيل المصباح الكهربائي، يتم فقدان بعض الطاقة التي يتم تحويلها من الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية كطاقة حرارية. وبالمثل، يتم فقدان بعض الطاقة كطاقة حرارية أثناء التفاعلات الأيضية الخلوية.
أحد المفاهيم المهمة في الأنظمة الفيزيائية هو النظام والاضطراب. كلما زاد مقدار الطاقة التي يفقدها النظام في البيئة المحيطة به، كلما قل ترتيب النظام وأصبح عشوائيًا. يشير العلماء إلى مقياس العشوائية أو الاضطراب داخل النظام باسم الإنتروبيا. الإنتروبيا العالية تعني اضطرابًا عاليًا وطاقة منخفضة. تحتوي الجزيئات والتفاعلات الكيميائية على إنتروبيا متفاوتة أيضًا. على سبيل المثال، تزداد الإنتروبيا مع انتشار الجزيئات ذات التركيز العالي في مكان واحد وانتشارها. ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أن الطاقة ستفقد دائمًا كحرارة في عمليات نقل الطاقة أو تحويلها.
الكائنات الحية مرتبة للغاية، وتتطلب مدخلات طاقة ثابتة للحفاظ عليها في حالة الإنتروبيا المنخفضة.
الطاقة الكامنة والحركية
عندما يكون الجسم في حالة حركة، هناك طاقة مرتبطة بهذا الكائن. فكر في كرة مدمرة. حتى كرة التدمير البطيئة الحركة يمكن أن تسبب قدرًا كبيرًا من الضرر للأشياء الأخرى. الطاقة المرتبطة بالأجسام المتحركة تسمى الطاقة الحركية (الشكل\(\PageIndex{4}\)). تحتوي كل من الرصاصة المسرعة والشخص المتحرك والحركة السريعة للجزيئات في الهواء (التي تنتج الحرارة) على طاقة حركية.
الآن ماذا لو تم رفع نفس الكرة المدمرة التي لا تتحرك بطابقين فوق الأرض برافعة؟ إذا كانت كرة التدمير المعلقة غير متحركة، فهل هناك طاقة مرتبطة بها؟ الجواب هو نعم. لم تختف الطاقة المطلوبة لرفع الكرة المحطمة، ولكنها مخزنة الآن في كرة التدمير بحكم موقعها وقوة الجاذبية المؤثرة عليها. هذا النوع من الطاقة يسمى الطاقة الكامنة (الشكل\(\PageIndex{4}\)). إذا سقطت الكرة، ستتحول الطاقة الكامنة إلى طاقة حركية حتى يتم استنفاد كل الطاقة الكامنة عندما تستقر الكرة على الأرض. تتأرجح كرات التدمير أيضًا مثل البندول؛ من خلال الأرجوحة، هناك تغيير مستمر للطاقة الكامنة (الأعلى في الجزء العلوي من الأرجوحة) إلى الطاقة الحركية (الأعلى في الجزء السفلي من الأرجوحة). تشمل الأمثلة الأخرى للطاقة الكامنة طاقة المياه الموجودة خلف السد أو الشخص الذي على وشك القفز بالمظلات من الطائرة.
لا ترتبط الطاقة المحتملة بموقع المادة فحسب، بل ترتبط أيضًا بهيكل المادة. حتى الزنبرك الموجود على الأرض يحتوي على طاقة كامنة إذا تم ضغطه؛ وكذلك الشريط المطاطي الذي يتم سحبه بإحكام. على المستوى الجزيئي، توجد الروابط التي تربط ذرات الجزيئات معًا في بنية معينة ذات طاقة كامنة. تذكر أن المسارات الخلوية الابتنائية تتطلب طاقة لتكوين جزيئات معقدة من جزيئات أبسط وأن المسارات التقويضية تطلق الطاقة عند تكسير الجزيئات المعقدة. تشير حقيقة أن الطاقة يمكن إطلاقها عن طريق انهيار روابط كيميائية معينة إلى أن هذه الروابط لديها طاقة محتملة. في الواقع، هناك طاقة كامنة مخزنة داخل روابط جميع جزيئات الطعام التي نتناولها، والتي يتم تسخيرها في النهاية للاستخدام. هذا لأن هذه الروابط يمكن أن تطلق الطاقة عند كسرها. يُطلق على نوع الطاقة الكامنة الموجودة داخل الروابط الكيميائية، والتي يتم إطلاقها عند كسر هذه الروابط، الطاقة الكيميائية. الطاقة الكيميائية مسؤولة عن تزويد الخلايا الحية بالطاقة من الغذاء. يحدث إطلاق الطاقة عندما تنكسر الروابط الجزيئية داخل جزيئات الطعام.
مفهوم في العمل
قم بزيارة الموقع وحدد «البندول» من قائمة «العمل والطاقة» لمشاهدة الحركة الحركية المتغيرة والطاقة الكامنة للبندول المتحرك.
طاقة مجانية وتفعيلية
بعد معرفة أن التفاعلات الكيميائية تطلق الطاقة عند كسر روابط تخزين الطاقة، فإن السؤال التالي المهم هو التالي: كيف يتم قياس الطاقة المرتبطة بهذه التفاعلات الكيميائية والتعبير عنها؟ كيف يمكن مقارنة الطاقة المنبعثة من تفاعل ما بالطاقة المنبعثة من تفاعل آخر؟ يتم استخدام قياس الطاقة الحرة لتحديد عمليات نقل الطاقة هذه. تذكر أنه وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية، تنطوي جميع عمليات نقل الطاقة على فقدان كمية من الطاقة في شكل غير قابل للاستخدام مثل الحرارة. تشير الطاقة الحرة على وجه التحديد إلى الطاقة المرتبطة بالتفاعل الكيميائي المتاح بعد حساب الخسائر. بمعنى آخر، الطاقة الحرة هي طاقة قابلة للاستخدام، أو طاقة متاحة للقيام بالعمل.
إذا تم إطلاق طاقة أثناء تفاعل كيميائي، فسيكون التغيير في الطاقة الحرة، الذي يُدل عليه G (دلتا G) رقمًا سالبًا. التغيير السلبي في الطاقة الحرة يعني أيضًا أن منتجات التفاعل تحتوي على طاقة حرة أقل من المواد المتفاعلة، لأنها تطلق بعض الطاقة الحرة أثناء التفاعل. التفاعلات التي لها تغيير سلبي في الطاقة الحرة وبالتالي تطلق الطاقة الحرة تسمى التفاعلات الخارجية. فكر: الجنس المريح يعني أن الطاقة تخرج من النظام. يشار إلى هذه التفاعلات أيضًا باسم التفاعلات التلقائية، وتحتوي منتجاتها على طاقة مخزنة أقل من المواد المتفاعلة. يجب التمييز المهم بين المصطلح العفوي وفكرة حدوث تفاعل كيميائي على الفور. على عكس الاستخدام اليومي للمصطلح، فإن رد الفعل التلقائي ليس هو الذي يحدث فجأة أو بسرعة. صدأ الحديد هو مثال على التفاعل التلقائي الذي يحدث ببطء، شيئًا فشيئًا، بمرور الوقت.
إذا كان التفاعل الكيميائي يمتص الطاقة بدلاً من إطلاق الطاقة بشكل متوازن، فإن G لهذا التفاعل ستكون قيمة موجبة. في هذه الحالة، تحتوي المنتجات على طاقة حرة أكثر من المواد المتفاعلة. وبالتالي، يمكن اعتبار منتجات هذه التفاعلات جزيئات لتخزين الطاقة. تسمى هذه التفاعلات الكيميائية بالتفاعلات الإندرونية وهي غير عفوية. لن يحدث رد فعل إندرغوني من تلقاء نفسه دون إضافة طاقة حرة.
آرت كونيكشن
انظر إلى كل عملية من العمليات المعروضة وحدد ما إذا كانت داخلية أم مجهدة.
هناك مفهوم مهم آخر يجب مراعاته فيما يتعلق بالتفاعلات الهوائية والمجهدة. تتطلب التفاعلات الإجهادية كمية صغيرة من مدخلات الطاقة للبدء، قبل أن تتمكن من المضي قدمًا في خطوات إطلاق الطاقة. تحتوي هذه التفاعلات على إطلاق صافٍ للطاقة، ولكنها لا تزال تتطلب بعض مدخلات الطاقة في البداية. هذه الكمية الصغيرة من مدخلات الطاقة اللازمة لجميع التفاعلات الكيميائية تسمى طاقة التنشيط.
مفهوم في العمل
شاهد رسمًا متحركًا للانتقال من الطاقة الحرة إلى الحالة الانتقالية للتفاعل.
إنزيمات
تسمى المادة التي تساعد على حدوث تفاعل كيميائي بالمحفز، والجزيئات التي تحفز التفاعلات الكيميائية الحيوية تسمى الإنزيمات. معظم الإنزيمات عبارة عن بروتينات وتؤدي المهمة الحاسمة المتمثلة في خفض طاقات التنشيط للتفاعلات الكيميائية داخل الخلية. تحدث معظم التفاعلات الحرجة للخلية الحية ببطء شديد في درجات الحرارة العادية بحيث لا تكون ذات فائدة للخلية. بدون إنزيمات لتسريع هذه التفاعلات، لا يمكن أن تستمر الحياة. تقوم الإنزيمات بذلك عن طريق الارتباط بالجزيئات المتفاعلة والاحتفاظ بها بطريقة تجعل عمليات تكسير الرابطة الكيميائية وتشكيلها تتم بسهولة أكبر. من المهم أن تتذكر أن الإنزيمات لا تتغير سواء كان التفاعل مجهودًا (عفويًا) أو إندرجونيًا. هذا لأنها لا تغير الطاقة الحرة للمفاعلات أو المنتجات. إنها تقلل فقط من طاقة التنشيط المطلوبة للتفاعل للمضي قدمًا (الشكل\(\PageIndex{6}\)). بالإضافة إلى ذلك، لا يتغير الإنزيم نفسه من خلال التفاعل الذي يحفزه. بمجرد تحفيز تفاعل واحد، يصبح الإنزيم قادرًا على المشاركة في التفاعلات الأخرى.
تسمى المواد الكيميائية المتفاعلة التي يرتبط بها الإنزيم ركائز الإنزيم. قد تكون هناك ركيزة واحدة أو أكثر، اعتمادًا على التفاعل الكيميائي المحدد. في بعض التفاعلات، يتم تقسيم ركيزة متفاعلة واحدة إلى منتجات متعددة. في حالات أخرى، قد تجتمع ركيزتان معًا لإنشاء جزيء واحد أكبر. قد يدخل اثنان من المتفاعلين أيضًا في التفاعل ويتم تعديل كلاهما، ولكنهما يتركان التفاعل كمنتجين. يُطلق على الموقع داخل الإنزيم الذي ترتبط فيه الركيزة اسم الموقع النشط للإنزيم. الموقع النشط هو المكان الذي يحدث فيه «الإجراء». نظرًا لأن الإنزيمات عبارة عن بروتينات، فهناك مزيج فريد من السلاسل الجانبية للأحماض الأمينية داخل الموقع النشط. تتميز كل سلسلة جانبية بخصائص مختلفة. يمكن أن تكون كبيرة أو صغيرة، حمضية ضعيفة أو أساسية، محبة للماء أو كارهة للماء، موجبة أو سالبة الشحنة، أو محايدة. مزيج فريد من السلاسل الجانبية يخلق بيئة كيميائية محددة للغاية داخل الموقع النشط. هذه البيئة المحددة مناسبة للربط بركيزة كيميائية معينة (أو ركائز).
تخضع المواقع النشطة لتأثيرات البيئة المحلية. تؤدي زيادة درجة الحرارة البيئية عمومًا إلى زيادة معدلات التفاعل أو التحفيز بالإنزيم أو غير ذلك. ومع ذلك، فإن درجات الحرارة خارج النطاق الأمثل تقلل من معدل تحفيز الإنزيم للتفاعل. ستؤدي درجات الحرارة المرتفعة في النهاية إلى تغيير طبيعة الإنزيمات، وتغيير لا رجعة فيه في الشكل ثلاثي الأبعاد وبالتالي وظيفة الإنزيم. كما أن الإنزيمات مناسبة أيضًا لتعمل بشكل أفضل ضمن نطاق تركيز معين من الأس الهيدروجيني والملح، وكما هو الحال مع درجة الحرارة، يمكن أن تتسبب درجة الحموضة الشديدة وتركيزات الملح في تغيير طبيعة الإنزيمات.
لسنوات عديدة، اعتقد العلماء أن ربط الركيزة الإنزيمية يحدث بطريقة «القفل والمفتاح» البسيطة. أكد هذا النموذج أن الإنزيم والركيزة يتناسبان تمامًا في خطوة فورية واحدة. ومع ذلك، تدعم الأبحاث الحالية نموذجًا يسمى الملاءمة المستحثة (الشكل\(\PageIndex{7}\)). يتوسع نموذج الملاءمة المستحثة في نموذج القفل والمفتاح من خلال وصف ارتباط أكثر ديناميكية بين الإنزيم والركيزة. عندما يجتمع الإنزيم والركيزة معًا، يؤدي تفاعلهما إلى تحول طفيف في بنية الإنزيم الذي يشكل ترتيبًا مثاليًا للربط بين الإنزيم والركيزة.
مفهوم في العمل
شاهد صورة متحركة للملاءمة المستحثة.
عندما يربط الإنزيم ركيزته، يتشكل مركب ركيزة الإنزيم. يقلل هذا المركب من طاقة تنشيط التفاعل ويعزز تقدمه السريع بإحدى الطرق المتعددة الممكنة. على المستوى الأساسي، تعزز الإنزيمات التفاعلات الكيميائية التي تتضمن أكثر من ركيزة واحدة عن طريق جمع الركائز معًا في اتجاه مثالي للتفاعل. هناك طريقة أخرى تعزز بها الإنزيمات تفاعل ركائزها وهي خلق بيئة مثالية داخل الموقع النشط لحدوث التفاعل. تخلق الخصائص الكيميائية التي تنشأ من الترتيب الخاص لمجموعات الأحماض الأمينية R داخل موقع نشط بيئة مثالية لركائز الإنزيم المحددة للتفاعل.
يمكن لمجمع الركيزة الأنزيمية أيضًا خفض طاقة التنشيط عن طريق المساس ببنية الرابطة بحيث يسهل كسرها. أخيرًا، يمكن للإنزيمات أيضًا خفض طاقات التنشيط من خلال المشاركة في التفاعل الكيميائي نفسه. في هذه الحالات، من المهم أن تتذكر أن الإنزيم سيعود دائمًا إلى حالته الأصلية عند الانتهاء من التفاعل. تتمثل إحدى الخصائص المميزة للإنزيمات في أنها تظل في النهاية دون تغيير من خلال التفاعلات التي تحفزها. بعد أن يحفز الإنزيم التفاعل، فإنه يطلق منتجه (منتجاته) ويمكنه تحفيز تفاعل جديد.
قد يبدو من المثالي أن يكون هناك سيناريو توجد فيه جميع إنزيمات الكائن الحي بكميات وفيرة وتعمل على النحو الأمثل في جميع الظروف الخلوية، في جميع الخلايا، في جميع الأوقات. ومع ذلك، تضمن مجموعة متنوعة من الآليات عدم حدوث ذلك. تختلف الاحتياجات والظروف الخلوية باستمرار من خلية إلى أخرى، وتتغير داخل الخلايا الفردية بمرور الوقت. تختلف الإنزيمات المطلوبة لخلايا المعدة عن تلك الموجودة في خلايا تخزين الدهون وخلايا الجلد وخلايا الدم والخلايا العصبية. علاوة على ذلك، تعمل خلية الجهاز الهضمي بجهد أكبر لمعالجة العناصر الغذائية وتكسيرها خلال الوقت الذي يتبع الوجبة عن كثب مقارنة بساعات عديدة بعد الوجبة. ونظرًا لاختلاف هذه المتطلبات والظروف الخلوية، يجب أن تختلف أيضًا كميات ووظائف الإنزيمات المختلفة.
نظرًا لأن معدلات التفاعلات البيوكيميائية يتم التحكم فيها عن طريق طاقة التنشيط، وتنخفض الإنزيمات وتحدد طاقات التنشيط للتفاعلات الكيميائية، فإن الكميات النسبية وأداء مجموعة متنوعة من الإنزيمات داخل الخلية تحدد في النهاية التفاعلات التي ستستمر وبأي معدلات. يتم التحكم في هذا التحديد بإحكام في الخلايا. في بعض البيئات الخلوية، يتم التحكم في نشاط الإنزيم جزئيًا من خلال عوامل بيئية مثل درجة الحموضة ودرجة الحرارة وتركيز الملح، وفي بعض الحالات، العوامل المساعدة أو الإنزيمات المساعدة.
يمكن أيضًا تنظيم الإنزيمات بطرق تعزز نشاط الإنزيم أو تقلله. هناك العديد من أنواع الجزيئات التي تمنع أو تعزز وظيفة الإنزيم، والآليات المختلفة التي تقوم من خلالها بذلك. في بعض حالات تثبيط الإنزيم، يكون الجزيء المثبط مشابهًا بدرجة كافية للركيزة بحيث يمكنه ربطها بالموقع النشط وببساطة منع الركيزة من الارتباط. عندما يحدث هذا، يتم تثبيط الإنزيم من خلال التثبيط التنافسي، لأن الجزيء المثبط يتنافس مع الركيزة للربط بالموقع النشط.
من ناحية أخرى، في حالة التثبيط غير التنافسي، يرتبط الجزيء المثبط بالإنزيم في مكان آخر غير الموقع النشط، يسمى موقع ألوستيريك، ولكنه لا يزال قادرًا على منع ارتباط الركيزة بالموقع النشط. ترتبط بعض الجزيئات المثبطة بالإنزيمات في مكان يؤدي فيه ارتباطها إلى تغيير في التوافق يقلل من تقارب الإنزيم مع الركيزة. هذا النوع من التثبيط يسمى التثبيط الخيطي (الشكل\(\PageIndex{8}\)). تتكون معظم الإنزيمات الخاضعة للتنظيم الخيطي من أكثر من بولي ببتيد واحد، مما يعني أنها تحتوي على أكثر من وحدة فرعية بروتينية. عندما يرتبط مثبط ألوستيريك بمنطقة على إنزيم، يتم تغيير جميع المواقع النشطة في وحدات البروتين الفرعية بشكل طفيف بحيث تربط ركائزها بكفاءة أقل. هناك منشطات ألوستيريك وكذلك مثبطات. ترتبط المنشطات الألوستيرية بالمواقع الموجودة على الإنزيم بعيدًا عن الموقع النشط، مما يؤدي إلى تغيير في التوافق يزيد من تقارب الموقع (المواقع) النشطة للإنزيم مع ركازه (ركائزه) (الشكل\(\PageIndex{8}\)).
وظائف في العمل: مطور أدوية صيدلانية
الإنزيمات هي المكونات الرئيسية لمسارات التمثيل الغذائي. يعد فهم كيفية عمل الإنزيمات وكيفية تنظيمها من المبادئ الأساسية وراء تطوير العديد من الأدوية الصيدلانية في السوق اليوم. يتعاون علماء الأحياء العاملون في هذا المجال مع علماء آخرين لتصميم الأدوية (الشكل\(\PageIndex{9}\)).
ضع في اعتبارك الستاتين على سبيل المثال - الستاتين هو الاسم الذي يطلق على فئة واحدة من الأدوية التي يمكن أن تقلل مستويات الكوليسترول. هذه المركبات هي مثبطات لإنزيم HMG-CoA reductase، وهو الإنزيم الذي يصنع الكوليسترول من الدهون في الجسم. من خلال تثبيط هذا الإنزيم، يمكن تقليل مستوى الكوليسترول المركب في الجسم. وبالمثل، فإن الأسيتامينوفين، الذي يتم تسويقه شعبيًا تحت اسم العلامة التجارية تايلينول، هو مثبط لإنزيم الأكسدة الحلقية. في حين أنه يستخدم للتخفيف من الحمى والالتهاب (الألم)، إلا أن آلية عمله لا تزال غير مفهومة تمامًا.
كيف يتم اكتشاف الأدوية؟ أحد أكبر التحديات في اكتشاف الأدوية هو تحديد هدف الدواء. الدواء المستهدف هو الجزيء الذي هو حرفيًا هدف الدواء. في حالة الستاتين، يكون اختزال HMG-CoA هو الدواء المستهدف. يتم تحديد أهداف الأدوية من خلال البحث المضني في المختبر. تحديد الهدف وحده لا يكفي؛ يحتاج العلماء أيضًا إلى معرفة كيفية عمل الهدف داخل الخلية وردود الفعل التي تنحرف في حالة المرض. بمجرد تحديد الهدف والمسار، تبدأ العملية الفعلية لتصميم الدواء. في هذه المرحلة، يعمل الكيميائيون وعلماء الأحياء معًا لتصميم وتصنيع الجزيئات التي يمكنها منع أو تنشيط تفاعل معين. ومع ذلك، هذه ليست سوى البداية: إذا وعندما ينجح النموذج الأولي للدواء في أداء وظيفته، فإنه يخضع للعديد من الاختبارات من التجارب المعملية إلى التجارب السريرية قبل أن يتمكن من الحصول على موافقة من إدارة الغذاء والدواء الأمريكية ليكون في السوق.
لا تعمل العديد من الإنزيمات على النحو الأمثل، أو حتى على الإطلاق، ما لم ترتبط بجزيئات مساعدة أخرى غير بروتينية محددة. قد ترتبط إما مؤقتًا من خلال الروابط الأيونية أو الهيدروجينية، أو بشكل دائم من خلال روابط تساهمية أقوى. يعزز الارتباط بهذه الجزيئات الشكل الأمثل ووظيفة الإنزيمات الخاصة بها. مثالان على هذه الأنواع من الجزيئات المساعدة هما العوامل المساعدة والإنزيمات المساعدة. العوامل المساعدة هي أيونات غير عضوية مثل أيونات الحديد والمغنيسيوم. الإنزيمات المساعدة هي جزيئات عضوية مساعدة، تلك ذات البنية الذرية الأساسية المكونة من الكربون والهيدروجين. مثل الإنزيمات، تشارك هذه الجزيئات في التفاعلات دون تغيير نفسها ويتم إعادة تدويرها وإعادة استخدامها في النهاية. الفيتامينات هي مصدر الإنزيمات المساعدة. بعض الفيتامينات هي سلائف الإنزيمات المساعدة والبعض الآخر يعمل مباشرة كإنزيمات مساعدة. فيتامين C هو أنزيم مباشر للعديد من الإنزيمات التي تشارك في بناء النسيج الضام المهم، الكولاجين. لذلك، يتم تنظيم وظيفة الإنزيم جزئيًا من خلال وفرة العديد من العوامل المساعدة والإنزيمات المساعدة، والتي قد يوفرها النظام الغذائي للكائن الحي أو، في بعض الحالات، ينتجها الكائن الحي.
تثبيط التغذية الراجعة في مسارات التمثيل الغذائي
يمكن للجزيئات تنظيم وظيفة الإنزيم بعدة طرق. لكن يبقى السؤال الرئيسي: ما هي هذه الجزيئات ومن أين تأتي؟ بعضها عبارة عن عوامل مساعدة وإنزيمات مساعدة، كما تعلمت. ما هي الجزيئات الأخرى في الخلية التي توفر التنظيم الأنزيمي مثل التعديل الألستيري، والتثبيط التنافسي وغير التنافسي؟ ولعل المصادر الأكثر صلة بالجزيئات التنظيمية، فيما يتعلق بالأيض الخلوي الإنزيمي، هي منتجات التفاعلات الأيضية الخلوية نفسها. بطريقة أكثر كفاءة وأناقة، تطورت الخلايا لاستخدام منتجات تفاعلاتها الخاصة لتثبيط التغذية الراجعة لنشاط الإنزيم. يتضمن تثبيط التغذية الراجعة استخدام منتج التفاعل لتنظيم إنتاجه الإضافي (الشكل\(\PageIndex{10}\)). تستجيب الخلية لوفرة المنتجات عن طريق إبطاء الإنتاج أثناء التفاعلات الابتنائية أو التقويضية. قد تمنع منتجات التفاعل هذه الإنزيمات التي حفزت إنتاجها من خلال الآليات الموضحة أعلاه.
يتم التحكم في إنتاج كل من الأحماض الأمينية والنيوكليوتيدات من خلال تثبيط التغذية الراجعة. بالإضافة إلى ذلك، فإن ATP هو منظم ألوستيري لبعض الإنزيمات المشاركة في التحلل التقويضي للسكر، وهي العملية التي تنتج ATP. بهذه الطريقة، عندما يكون ATP في حالة وفرة، يمكن للخلية منع إنتاج ATP. من ناحية أخرى، يعمل ADP كمنظم ألوستيريك إيجابي (منشط ألوستيريك) لبعض الإنزيمات نفسها التي يثبطها ATP. وبالتالي، عندما تكون المستويات النسبية لـ ADP مرتفعة مقارنة بـ ATP، يتم تشغيل الخلية لإنتاج المزيد من ATP من خلال هدم السكر.
ملخص القسم
تؤدي الخلايا وظائف الحياة من خلال تفاعلات كيميائية مختلفة. يشير التمثيل الغذائي للخلية إلى مزيج التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخلها. تعمل التفاعلات التقويضية على تكسير المواد الكيميائية المعقدة إلى مواد أبسط وترتبط بإطلاق الطاقة. تعمل العمليات الابتنائية على بناء جزيئات معقدة من جزيئات أبسط وتتطلب طاقة.
في دراسة الطاقة، يشير مصطلح النظام إلى المادة والبيئة التي تنطوي عليها عمليات نقل الطاقة. الإنتروبيا هي مقياس لاضطراب النظام. القوانين الفيزيائية التي تصف نقل الطاقة هي قوانين الديناميكا الحرارية. ينص القانون الأول على أن الكمية الإجمالية للطاقة في الكون ثابتة. ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أن كل عملية نقل للطاقة تنطوي على بعض فقدان الطاقة في شكل غير قابل للاستخدام، مثل الطاقة الحرارية. تأتي الطاقة بأشكال مختلفة: حركية وإمكانات وحرة. يمكن أن يكون التغيير في الطاقة الحرة للتفاعل سلبيًا (يطلق الطاقة أو الجهد) أو إيجابيًا (يستهلك الطاقة، الإندرغونية). تتطلب جميع التفاعلات مدخلًا أوليًا من الطاقة للمضي قدمًا، يسمى طاقة التنشيط.
الإنزيمات هي محفزات كيميائية تعمل على تسريع التفاعلات الكيميائية عن طريق خفض طاقة التنشيط. تحتوي الإنزيمات على موقع نشط مع بيئة كيميائية فريدة تناسب مفاعلات كيميائية معينة لهذا الإنزيم، تسمى الركائز. يُعتقد أن الإنزيمات والركائز ترتبط وفقًا لنموذج الملاءمة المستحث. يتم تنظيم عمل الإنزيم للحفاظ على الموارد والاستجابة المثلى للبيئة.
اتصالات فنية
الشكل\(\PageIndex{5}\): انظر إلى كل عملية من العمليات المعروضة وحدد ما إذا كانت داخلية أم مجهدة.
- إجابة
-
تحلل كومة السماد عملية شاقة. إن نمو الطفل من بويضة مخصبة هو عملية داخلية. ذوبان الشاي في الماء هو عملية شاقة. تدحرج الكرة إلى أسفل هي عملية شاقة.
مسرد المصطلحات
- طاقة التنشيط
- كمية الطاقة الأولية اللازمة لحدوث التفاعلات
- موقع نشط
- منطقة محددة على الإنزيم حيث ترتبط الركيزة
- تثبيط التخيصي
- آلية تثبيط عمل الإنزيم التي يرتبط فيها الجزيء التنظيمي بموقع ثانٍ (وليس الموقع النشط) ويبدأ تغيير التكوين في الموقع النشط، مما يمنع الارتباط بالركيزة
- الابتنائية
- يصف المسار الذي يتطلب مدخلات طاقة صافية لتجميع الجزيئات المعقدة من الجزيئات الأبسط
- الطاقة الحيوية
- مفهوم تدفق الطاقة من خلال الأنظمة الحية
- تقويضي
- يصف المسار الذي يتم فيه تقسيم الجزيئات المعقدة إلى جزيئات أبسط، مما ينتج الطاقة كمنتج إضافي للتفاعل
- تثبيط تنافسي
- آلية عامة لتنظيم نشاط الإنزيم يكون فيها جزيء آخر غير ركيزة الإنزيم قادرًا على ربط الموقع النشط ومنع الركيزة نفسها من الارتباط، وبالتالي تثبيط المعدل الإجمالي للتفاعل مع الإنزيم
- إندرغوني
- يصف تفاعلًا كيميائيًا ينتج عنه منتجات تخزن طاقة كيميائية محتملة أكثر من المواد المتفاعلة
- خميرة
- جزيء يحفز التفاعل البيوكيميائي
- مجهد
- يصف تفاعلًا كيميائيًا ينتج عنه منتجات ذات طاقة كيميائية أقل من المواد المتفاعلة، بالإضافة إلى إطلاق الطاقة الحرة
- تثبيط التغذية الراجعة
- آلية لتنظيم نشاط الإنزيم يقوم فيها منتج التفاعل أو المنتج النهائي لسلسلة من التفاعلات المتسلسلة بتثبيط الإنزيم لخطوة مبكرة في سلسلة التفاعل
- طاقة حرارية
- الطاقة المنقولة من نظام إلى آخر لا يعمل
- طاقة حركية
- نوع الطاقة المرتبطة بالأجسام المتحركة
- التمثيل الغذائي
- جميع التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل الخلايا، بما في ذلك تلك التي تستخدم الطاقة وتلك التي تطلق الطاقة
- تثبيط غير تنافسي
- آلية عامة لتنظيم نشاط الإنزيم حيث يرتبط الجزيء التنظيمي بموقع آخر غير الموقع النشط ويمنع الموقع النشط من ربط الركيزة؛ وبالتالي، لا يتنافس الجزيء المثبط مع الركيزة للموقع النشط؛ تثبيط الألستيري هو شكل من أشكال تثبيط غير تنافسي
- طاقة محتملة
- نوع الطاقة التي تشير إلى إمكانية القيام بالعمل
- الركيزة
- جزيء يعمل عليه الإنزيم
- الديناميكا الحرارية
- علم العلاقات بين الحرارة والطاقة والعمل