معلومة

11.3: الطاقة والتمثيل الغذائي - علم الأحياء

11.3: الطاقة والتمثيل الغذائي - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

أهداف التعلم

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على:

  • اشرح ما هي مسارات التمثيل الغذائي
  • اذكر القانونين الأول والثاني للديناميكا الحرارية
  • اشرح الفرق بين الطاقة الحركية والطاقة الكامنة
  • وصف التفاعلات المفعمة بالطاقة والحيوية
  • ناقش كيف تعمل الإنزيمات كمحفزات جزيئية

المسارات الأيضية

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 في روابطها. بالنسبة للجزء الأكبر ، تنتج الكائنات الحية مثل النباتات هذه السكريات. أثناء عملية التمثيل الضوئي ، تستخدم النباتات الطاقة (في الأصل من ضوء الشمس) لتحويل غاز ثاني أكسيد الكربون (CO2) في جزيئات السكر (مثل الجلوكوز: ج6ح12ا6). يستهلكون ثاني أكسيد الكربون وينتجون الأكسجين كمنتج نفايات. يتم تلخيص رد الفعل هذا على النحو التالي:

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 طاقة بالإضافة إلى تلك التي تطلق الطاقة.

طاقة

تشير الديناميكا الحرارية إلى دراسة نقل الطاقة والطاقة التي تنطوي على مادة فيزيائية. تسمى المسألة ذات الصلة بحالة معينة من نقل الطاقة بالنظام ، ويطلق على كل شيء خارج هذه المادة اسم البيئة المحيطة. على سبيل المثال ، عند تسخين قدر من الماء على الموقد ، يشتمل النظام على الموقد والوعاء والماء. يتم نقل الطاقة داخل النظام (بين الموقد والوعاء والماء). هناك نوعان من الأنظمة: مفتوحة ومغلقة. 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 عن طريق القيام بالعمل وإطلاق الحرارة. مثل كل الأشياء في العالم المادي ، تخضع الطاقة للقوانين الفيزيائية. تتحكم قوانين الديناميكا الحرارية في نقل الطاقة بين جميع الأنظمة في الكون.

بشكل عام ، تُعرَّف الطاقة بأنها القدرة على القيام بالعمل ، أو إحداث نوع من التغيير. الطاقة موجودة في أشكال مختلفة. على سبيل المثال ، تعد الطاقة الكهربائية والطاقة الضوئية والطاقة الحرارية أنواعًا مختلفة من الطاقة. لتقدير الطريقة التي تتدفق بها الطاقة داخل وخارج الأنظمة البيولوجية ، 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 ، كان هناك دائمًا وسيظل دائمًا نفس القدر من 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. تحول المصابيح الكهربائية الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية وطاقة حرارية. تعمل مواقد الغاز على تحويل الطاقة الكيميائية من الغاز الطبيعي إلى طاقة حرارية. تقوم النباتات بأحد أكثر تحولات الطاقة المفيدة بيولوجيًا على الأرض: تحويل طاقة ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية مخزنة داخل الجزيئات العضوية (الشكل 3). تظهر بعض الأمثلة على تحولات الطاقة في (الشكل 3).

التحدي الذي يواجه جميع الكائنات الحية هو الحصول على الطاقة من محيطها في أشكال يمكنها نقلها أو تحويلها إلى طاقة قابلة للاستخدام للقيام بالعمل. 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 الذي تحتاجه الخلايا القيام به 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 لإنجاز العمل بسيطة. ومع ذلك ، يشرح القانون الثاني للديناميكا الحرارية سبب كون هذه المهام أصعب مما تبدو عليه. جميع عمليات نقل وتحولات الطاقة ليست فعالة تمامًا أبدًا. في كل عملية نقل للطاقة ، يتم فقد قدر من الطاقة بشكل غير صالح للاستعمال. في معظم الحالات ، هذا النموذج هو الطاقة الحرارية. من الناحية الديناميكية الحرارية ، تُعرَّف الطاقة الحرارية بأنها الطاقة المنقولة من نظام إلى آخر لا 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 تفاعلات التمثيل الغذائي الخلوي.

مفهوم مهم في النظم الفيزيائية هو مفهوم النظام والفوضى. كلما زادت الطاقة التي يفقدها النظام إلى المناطق المحيطة به ، كلما كان النظام أقل ترتيبًا وأكثر عشوائية. يشير العلماء إلى مقياس العشوائية أو الاضطراب داخل نظام ما على أنه إنتروبيا. الانتروبيا العالية تعني الفوضى العالية والطاقة المنخفضة. الجزيئات والتفاعلات الكيميائية لها إنتروبيا متفاوتة أيضًا. على سبيل المثال ، تزداد الإنتروبيا عندما تنتشر الجزيئات ذات التركيز العالي في مكان واحد وتنتشر. ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أن الطاقة ستُفقد دائمًا عند نقل الحرارة أو تحويلها.

يتم ترتيب الكائنات الحية بدرجة عالية ، وتتطلب مدخلات طاقة ثابتة يتم الحفاظ عليها في حالة انخفاض الانتروبيا.

الطاقة الكامنة والحركية

عندما يتحرك جسم ما ، توجد طاقة مرتبطة بذلك الجسم. فكر في كرة محطمة. حتى كرة التدمير البطيئة يمكن أن تلحق ضررًا كبيرًا بالأجسام الأخرى. الطاقة المرتبطة بالأجسام المتحركة تسمى الطاقة الحركية (الشكل 4). الرصاصة السريعة ، والشخص الذي يمشي ، والحركة السريعة للجزيئات في الهواء (التي تنتج الحرارة) كلها لها طاقة حركية.

الآن ماذا لو رفعت كرة التحطيم نفسها طابقين فوق الأرض برافعة؟ إذا كانت كرة التحطيم المعلقة ثابتة ، فهل هناك طاقة مرتبطة بها؟ الجواب نعم. الطاقة المطلوبة لرفع الكرة المدمرة لم تختف ، لكنها مخزنة الآن في الكرة المحطمة بحكم موقعها وقوة الجاذبية المؤثرة عليها. هذا النوع من الطاقة يسمى الطاقة الكامنة (الشكل 4). إذا سقطت الكرة ، فإن الطاقة الكامنة ستتحول إلى طاقة حركية حتى يتم استنفاد كل الطاقة الكامنة عندما تستقر الكرة على الأرض. تتأرجح الكرات المدمرة أيضًا مثل البندول ؛ من خلال التأرجح ، هناك تغير مستمر في الطاقة الكامنة (الأعلى في الجزء العلوي من التأرجح) إلى الطاقة الحركية (الأعلى في الجزء السفلي من التأرجح). تشمل الأمثلة الأخرى للطاقة الكامنة طاقة الماء الموجودة خلف السد أو شخص على وشك القفز بالمظلة من طائرة.

لا ترتبط الطاقة الكامنة بموقع المادة فحسب ، بل ترتبط أيضًا ببنية المادة. حتى الربيع الموجود على الأرض لديه طاقة كامنة إذا تم ضغطه ؛ وكذلك الشريط المطاطي المشدود. على المستوى الجزيئي ، توجد الروابط التي تربط ذرات الجزيئات معًا في بنية معينة لها طاقة كامنة. تذكر أن المسارات الخلوية الابتنائية تتطلب طاقة لتصنيع جزيئات معقدة من جزيئات أبسط وأن المسارات التقويضية تطلق الطاقة عند تكسير الجزيئات المعقدة. حقيقة أن الطاقة يمكن إطلاقها من خلال انهيار روابط كيميائية معينة تعني أن هذه الروابط لديها طاقة كامنة. في الواقع ، هناك طاقة كامنة مخزنة داخل روابط جميع جزيئات الطعام التي نأكلها ، 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 عندما تنكسر تلك الروابط ، اسم الطاقة الكيميائية. الطاقة الكيميائية هي المسؤولة عن تزويد الخلايا الحية بالطاقة من الغذاء. يحدث إطلاق الطاقة عندما تنكسر الروابط الجزيئية داخل جزيئات الطعام.

تحقق من موقع ويب عروض الفيزياء وحدد "بندول" من قائمة "العمل والطاقة" لمشاهدة تحول الطاقة الحركية والإمكانات لبندول متحرك.

الطاقة المجانية والتفعيل

بعد معرفة أن التفاعلات الكيميائية تطلق الطاقة عندما تنكسر روابط تخزين الطاقة ، فإن السؤال التالي المهم هو ما يلي: كيف يتم قياس الطاقة المرتبطة بهذه التفاعلات الكيميائية والتعبير عنها؟ كيف يمكن مقارنة الطاقة المنبعثة من تفاعل واحد بتفاعل آخر؟ يتم استخدام قياس الطاقة الحرة لتحديد عمليات نقل الطاقة هذه. تذكر أنه وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، تتضمن جميع عمليات نقل الطاقة فقدان قدر من الطاقة في صورة غير قابلة للاستخدام مثل الحرارة. تشير الطاقة الحرة على وجه التحديد إلى الطاقة المرتبطة بتفاعل كيميائي متاح بعد حساب الخسائر. بمعنى آخر ، الطاقة الحرة هي طاقة قابلة للاستخدام ، أو طاقة متوفرة للقيام بالعمل.

إذا تم إطلاق الطاقة أثناء تفاعل كيميائي ، فإن التغيير في الطاقة الحرة ، والمشار إليه بـ ∆G (دلتا G) سيكون رقمًا سالبًا. يعني التغيير السلبي في الطاقة الحرة أيضًا أن منتجات التفاعل لها طاقة حرة أقل من المواد المتفاعلة ، لأنها تطلق بعض الطاقة الحرة أثناء التفاعل. ردود الفعل التي لها تغير سلبي في الطاقة الحرة وبالتالي تطلق الطاقة الحرة تسمى التفاعلات الخارجية. يفكر: السابقergonic تعني الطاقة السابقiting النظام. يشار إلى هذه التفاعلات أيضًا على أنها تفاعلات عفوية ، وتحتوي منتجاتها على طاقة مخزنة أقل من المواد المتفاعلة. يجب التمييز بين المصطلح تلقائي وفكرة حدوث تفاعل كيميائي على الفور. على عكس الاستخدام اليومي للمصطلح ، فإن التفاعل التلقائي ليس رد فعل 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 بالتوازن ، فإن ∆G لهذا التفاعل سيكون قيمة موجبة. في هذه الحالة ، المنتجات لديها طاقة حرة أكثر من المواد المتفاعلة. وبالتالي ، يمكن اعتبار منتجات هذه التفاعلات بمثابة جزيئات لتخزين الطاقة. تسمى هذه التفاعلات الكيميائية تفاعلات endergonic وهي غير عفوية. لن يحدث تفاعل مائي من تلقاء نفسه بدون إضافة طاقة حرة.

انظر إلى كل من العمليات الموضحة في الشكل 5 وقرر ما إذا كانت مفعمة بالطاقة أو مفرطة الطاقة.

هناك مفهوم آخر مهم يجب مراعاته فيما يتعلق بردود الفعل المبطنة للطاقة. تتطلب التفاعلات المفرطة قدرًا صغيرًا من مدخلات الطاقة للبدء ، قبل أن يتمكنوا من المضي قدمًا في خطوات إطلاق الطاقة. هذه التفاعلات لها إطلاق صافٍ للطاقة ، لكنها لا تزال تتطلب بعض مدخلات الطاقة في البداية. هذه الكمية الصغيرة من مدخلات الطاقة اللازمة لحدوث جميع التفاعلات الكيميائية تسمى طاقة التنشيط.

الانزيمات

تسمى المادة التي تساعد في حدوث تفاعل كيميائي محفزًا ، وتسمى الجزيئات التي تحفز التفاعلات الكيميائية الحيوية بالإنزيمات. 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 ردود الفعل هذه ، لا يمكن للحياة أن تستمر. تقوم الإنزيمات بذلك عن طريق الارتباط بجزيئات المتفاعلة والاحتفاظ بها بطريقة تجعل عمليات تكسير وتشكيل الروابط الكيميائية تتم بسهولة أكبر. من المهم أن تتذكر أن الإنزيمات لا تتغير سواء كان التفاعل طاردًا للطاقة (عفويًا) أو مسببًا للطاقة. هذا لأنها لا تغير الطاقة الحرة للمواد المتفاعلة أو المنتجات. إنها تقلل فقط من طاقة التنشيط المطلوبة للتفاعل للمضي قدمًا (الشكل 6). بالإضافة إلى ذلك ، فإن الإنزيم نفسه لا يتغير بالتفاعل الذي يحفزه. بمجرد تحفيز تفاعل واحد ، يكون الإنزيم قادرًا على المشاركة في تفاعلات أخرى.

تسمى المتفاعلات الكيميائية التي يرتبط بها الإنزيم ركائز الإنزيم. قد يكون هناك ركيزة واحدة أو أكثر ، اعتمادًا على تفاعل كيميائي معين. في بعض التفاعلات ، يتم تقسيم الركيزة المتفاعلة الواحدة إلى منتجات متعددة. في حالات أخرى ، قد تتحد ركيزتان لتكوين جزيء أكبر. قد يدخل مفاعلان متفاعلان أيضًا في التفاعل ويتم تعديل كلاهما ، لكنهما يتركان التفاعل كمنتجين. يسمى الموقع داخل الإنزيم حيث ترتبط الركيزة بالموقع النشط للإنزيم. الموقع النشط هو المكان الذي يحدث فيه "الإجراء". نظرًا لأن الإنزيمات عبارة عن بروتينات ، فهناك مزيج فريد من سلاسل الأحماض الأمينية الجانبية داخل الموقع النشط. تتميز كل سلسلة جانبية بخصائص مختلفة. يمكن أن تكون كبيرة أو صغيرة ، حمضية أو قاعدية ضعيفة ، محبة للماء أو كارهة للماء ، موجبة أو سالبة الشحنة ، أو محايدة. يخلق المزيج الفريد من السلاسل الجانبية بيئة كيميائية محددة للغاية داخل الموقع النشط. هذه البيئة المحددة مناسبة للارتباط بركيزة كيميائية محددة (أو ركائز).

المواقع النشطة تخضع لتأثيرات البيئة المحلية. تؤدي زيادة درجة حرارة البيئة بشكل عام إلى زيادة معدلات التفاعل ، المحفز بالإنزيم أو غير ذلك. ومع ذلك ، فإن درجات الحرارة خارج النطاق الأمثل تقلل من المعدل الذي يحفز به الإنزيم التفاعل. ستؤدي درجات الحرارة الساخنة في النهاية إلى تغيير طبيعة الإنزيمات ، وهو تغيير لا رجعة فيه في الشكل ثلاثي الأبعاد وبالتالي وظيفة الإنزيم. الأنزيمات مناسبة أيضًا للعمل بشكل أفضل ضمن نطاق تركيز درجة حموضة وملح معين ، وكما هو الحال مع درجة الحرارة ، يمكن أن تتسبب تركيزات الأس الهيدروجيني والملح في تغيير طبيعة الإنزيمات.

لسنوات عديدة ، اعتقد العلماء أن ارتباط الركيزة الإنزيمية يحدث بطريقة "القفل والمفتاح" البسيطة. أكد هذا النموذج أن الإنزيم والركيزة يتناسبان معًا تمامًا في خطوة لحظية واحدة. ومع ذلك ، يدعم البحث الحالي نموذجًا يسمى الملاءمة المستحثة (الشكل 7). يتوسع نموذج الملاءمة المستحثة في نموذج القفل والمفتاح من خلال وصف ارتباط أكثر ديناميكية بين الإنزيم والركيزة. عندما يجتمع الإنزيم والركيزة معًا ، يتسبب تفاعلهما في حدوث تحول طفيف في بنية الإنزيم التي تشكل ترتيبًا مثاليًا للربط بين الإنزيم والركيزة.

عندما يربط الإنزيم ركائزه ، يتم تكوين مركب ركيزة إنزيم. يقلل هذا المركب من طاقة تنشيط التفاعل ويعزز تقدمه السريع بإحدى الطرق المتعددة الممكنة. على المستوى الأساسي ، تعزز الإنزيمات التفاعلات الكيميائية التي تنطوي على أكثر من ركيزة واحدة عن طريق تجميع الركائز معًا في الاتجاه الأمثل للتفاعل. الطريقة الأخرى التي تعزز بها الإنزيمات تفاعل ركائزها هي خلق بيئة مثالية داخل الموقع النشط لحدوث التفاعل. تخلق الخواص الكيميائية التي تظهر من الترتيب الخاص لمجموعات الأحماض الأمينية R داخل موقع نشط بيئة مثالية لتفاعل ركائز معينة للإنزيم.

يمكن لمركب الركيزة الإنزيمية أيضًا خفض طاقة التنشيط عن طريق الإضرار ببنية الرابطة بحيث يسهل كسرها. أخيرًا ، يمكن للإنزيمات أيضًا تقليل طاقات التنشيط من خلال المشاركة في التفاعل الكيميائي نفسه. في هذه الحالات ، من المهم أن تتذكر أن الإنزيم سيعود دائمًا إلى حالته الأصلية عند اكتمال التفاعل. إحدى السمات المميزة للإنزيمات هي أنها تظل في النهاية دون تغيير من خلال التفاعلات التي تحفزها. بعد أن يحفز الإنزيم التفاعل ، فإنه يطلق منتجه (منتجاته) ويمكن أن يحفز تفاعلًا جديدًا.

قد يبدو من المثالي أن يكون لديك سيناريو تتواجد فيه جميع إنزيمات الكائن الحي بكميات وفيرة وتعمل على النحو الأمثل في جميع الظروف الخلوية ، في جميع الخلايا ، في جميع الأوقات. ومع ذلك ، هناك مجموعة متنوعة من الآليات التي تضمن 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 بشكل أكثر صعوبة في معالجة العناصر الغذائية وتفكيكها خلال الوقت الذي يلي الوجبة عن كثب مقارنة بساعات عديدة بعد الوجبة. نظرًا لاختلاف هذه المتطلبات والظروف الخلوية ، يجب أن تختلف كميات ووظائف الإنزيمات المختلفة.

نظرًا لأن معدلات التفاعلات الكيميائية الحيوية يتم التحكم فيها بواسطة طاقة التنشيط ، وتنخفض الإنزيمات وتحدد طاقات التنشيط للتفاعلات الكيميائية ، فإن الكميات النسبية وعمل 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 بواسطة عوامل بيئية مثل الأس الهيدروجيني ودرجة الحرارة وتركيز الملح ، وفي بعض الحالات ، العوامل المساعدة أو الإنزيمات المساعدة.

يمكن أيضًا تنظيم الإنزيمات بطرق تعزز أو تقلل من نشاط الإنزيم. هناك العديد من أنواع الجزيئات التي تثبط أو تعزز وظيفة الإنزيم ، والآليات المختلفة التي تقوم بذلك من خلالها. في بعض حالات تثبيط الإنزيم ، يكون جزيء المثبط مشابهًا بدرجة كافية للركيزة التي يمكنها الارتباط بالموقع النشط ومنع الركيزة ببساطة من الارتباط. عندما يحدث هذا ، يتم تثبيط الإنزيم من خلال التثبيط التنافسي ، لأن جزيء المثبط يتنافس مع الركيزة للارتباط بالموقع النشط.

من ناحية أخرى ، في التثبيط غير التنافسي ، يرتبط جزيء المثبط بالإنزيم في مكان آخر غير الموقع النشط ، المسمى موقع التباين ، لكنه لا يزال قادرًا على منع ارتباط الركيزة بالموقع النشط. ترتبط بعض جزيئات المثبط بالأنزيمات في مكان يؤدي فيه ارتباطها إلى حدوث تغيير توافقي يقلل من تقارب الإنزيم مع ركائزه. يسمى هذا النوع من التثبيط تثبيط خيفي (الشكل 8). تتكون معظم الإنزيمات الخاضعة للتنظيم الخيفي من أكثر من عديد ببتيد واحد ، مما يعني أن لديهم أكثر من وحدة بروتينية فرعية. عندما يرتبط مثبط خيفي بمنطقة على إنزيم ، يتم تغيير جميع المواقع النشطة في الوحدات الفرعية للبروتين بشكل طفيف بحيث تربط ركائزها بكفاءة أقل. هناك المنشطات الخيفية وكذلك مثبطات. ترتبط المنشطات الخيفية بالمواقع الموجودة على إنزيم بعيدًا عن الموقع النشط ، مما يؤدي إلى تغيير توافقي يزيد من تقارب الموقع (المواقع) النشطة للإنزيم مع الركيزة (الركائز) (الشكل 8).

وظائف في العمل

مطور أدوية

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.

ضع في اعتبارك العقاقير المخفضة للكوليسترول على سبيل المثال - الستاتين هو الاسم الذي يطلق على فئة واحدة من الأدوية التي يمكن أن تقلل مستويات الكوليسترول في الدم. هذه المركبات هي مثبطات لإنزيم اختزال HMG-CoA ، وهو الإنزيم الذي يصنع الكوليسترول من الدهون في الجسم. عن طريق تثبيط هذا الإنزيم ، يمكن خفض مستوى الكوليسترول المركب في الجسم. وبالمثل ، فإن عقار الأسيتامينوفين ، الذي يتم تسويقه بشكل شائع تحت الاسم التجاري تايلينول ، هو مثبط لإنزيم سيكلوأوكسيجيناز. في حين أنه يستخدم للتخفيف من الحمى والالتهابات (الألم) ، إلا أن آلية عمله لا تزال غير مفهومة تمامًا.

كيف يتم اكتشاف الأدوية؟ أحد أكبر التحديات في اكتشاف الأدوية هو تحديد الهدف الدوائي. الهدف الدوائي هو الجزيء الذي هو حرفيًا هدف الدواء. في حالة الستاتينات ، فإن اختزال HMG-CoA هو الهدف الدوائي. 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 وأي تفاعلات تنحرف في حالة المرض. بمجرد تحديد الهدف والمسار ، تبدأ العملية الفعلية لتصميم الدواء. في هذه المرحلة ، يعمل الكيميائيون وعلماء الأحياء معًا لتصميم وتوليف الجزيئات التي يمكنها منع أو تنشيط تفاعل معين. ومع ذلك ، فهذه ليست سوى البداية: إذا وعندما ينجح نموذج أولي للدواء في أداء وظيفته ، فإنه يخضع للعديد من الاختبارات من التجارب المخبرية إلى التجارب السريرية قبل أن يحصل على موافقة من إدارة الغذاء والدواء الأمريكية ليتم تشغيله. السوق.

العديد من الإنزيمات لا تعمل على النحو الأمثل ، أو حتى على الإطلاق ، ما لم تكن مرتبطة بجزيئات مساعدة أخرى غير بروتينية. قد تترابط إما مؤقتًا من خلال روابط أيونية أو هيدروجينية ، أو بشكل دائم من خلال روابط تساهمية أقوى. يعزز الارتباط بهذه الجزيئات الشكل والوظيفة الأمثل للأنزيمات الخاصة بكل منها. 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 التي لها بنية ذرية أساسية تتكون من الكربون والهيدروجين. مثل الإنزيمات ، تشارك هذه الجزيئات في التفاعلات دون أن تتغير بنفسها ويتم إعادة تدويرها وإعادة استخدامها في النهاية. الفيتامينات هي مصدر الإنزيمات المساعدة. بعض الفيتامينات هي سلائف الإنزيمات والبعض الآخر يعمل مباشرة مثل الإنزيمات المساعدة. فيتامين ج هو أنزيم مباشر للعديد من الإنزيمات التي تشارك في بناء النسيج الضام المهم ، وهو الكولاجين. لذلك ، يتم تنظيم وظيفة الإنزيم جزئيًا من خلال وفرة العديد من العوامل المساعدة والإنزيمات المساعدة ، والتي قد يتم توفيرها من خلال النظام الغذائي للكائن الحي أو ، في بعض الحالات ، التي ينتجها الكائن الحي.

تثبيط ردود الفعل في المسارات الأيضية

يمكن للجزيئات تنظيم وظيفة الإنزيم بعدة طرق. ومع ذلك ، يبقى السؤال الرئيسي: ما هي هذه الجزيئات ومن أين أتت؟ بعضها من العوامل المساعدة والإنزيمات المساعدة ، كما تعلمت. ما هي الجزيئات الأخرى في الخلية التي توفر تنظيمًا إنزيميًا مثل التعديل الخيفي والتثبيط التنافسي وغير التنافسي؟ ربما تكون أهم مصادر الجزيئات التنظيمية ، فيما يتعلق بالاستقلاب الخلوي الأنزيمي ، هي منتجات التفاعلات الأيضية الخلوية نفسها. بأكثر الطرق فاعلية وأناقة ، تطورت الخلايا لاستخدام نواتج ردود أفعالها لتثبيط التغذية الراجعة لنشاط الإنزيم. يتضمن منع التغذية المرتدة استخدام منتج التفاعل لتنظيم إنتاجه الإضافي (الشكل 8). تستجيب الخلية لوفرة المنتجات عن طريق إبطاء الإنتاج أثناء التفاعلات الابتنائية أو التقويضية. قد تثبط 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 ، ATP هو منظم خيفي لبعض الإنزيمات المشاركة في انهيار تقويضي للسكر ، العملية التي تخلق ATP. بهذه الطريقة ، عندما يكون ATP متوفرًا بكثرة ، يمكن للخلية أن تمنع إنتاج ATP. من ناحية أخرى ، يعمل ADP كمنظم خيفي إيجابي (منشط خيفي) لبعض الإنزيمات نفسها التي تثبطها ATP. وبالتالي ، عندما تكون المستويات النسبية لـ ADP عالية 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 مجموعة التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخلها. تعمل التفاعلات التقويضية على تفكيك المواد الكيميائية المعقدة إلى مواد أبسط وترتبط بإطلاق الطاقة. تبني العمليات الابتنائية جزيئات معقدة من الجزيئات الأبسط وتتطلب طاقة.

في دراسة الطاقة ، يشير مصطلح النظام إلى المادة والبيئة المتضمنة في عمليات نقل الطاقة. الانتروبيا هو 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 صورة غير صالحة للاستعمال ، مثل الطاقة الحرارية. تأتي الطاقة بأشكال مختلفة: حركية وإمكانيات وحرة. يمكن أن يكون التغيير في الطاقة الحرة للتفاعل سلبيًا (يطلق طاقة ، طاردًا للطاقة) أو إيجابيًا (يستهلك طاقة ، منشط الطاقة). تتطلب جميع التفاعلات مدخلات أولية من الطاقة لتستمر ، تسمى طاقة التنشيط.

الإنزيمات عبارة عن محفزات كيميائية تسرع التفاعلات الكيميائية عن طريق خفض طاقة التنشيط. تمتلك الإنزيمات موقعًا نشطًا مع بيئة كيميائية فريدة تناسب تفاعلات كيميائية معينة لهذا الإنزيم ، تسمى الركائز. يُعتقد أن الإنزيمات والركائز ترتبط وفقًا لنموذج الملاءمة المستحثة. يتم تنظيم عمل الإنزيم للحفاظ على الموارد والاستجابة على النحو الأمثل للبيئة.

تم استبعاد عنصر التقييمات المفتوحة من هذا الإصدار من النص. يمكنك مشاهدته على الإنترنت هنا: pb.libretexts.org/fob2/؟p=134

أسئلة إضافية للتحقق الذاتي

1. انظر إلى كل من العمليات الموضحة في الشكل 5 ، وقرر ما إذا كانت مفعمة بالطاقة أو مفرطة الطاقة.

2. هل التمارين البدنية لزيادة كتلة العضلات تنطوي على عمليات الابتنائية و / أو تقويضي؟ قدم دليلاً على إجابتك.

3. اشرح بمصطلحاتك الخاصة الفرق بين التفاعل التلقائي والتفاعل الذي يحدث في الحال ، وما الذي يسبب هذا الاختلاف.

4. فيما يتعلق بالأنزيمات ، لماذا تعتبر الفيتامينات والمعادن ضرورية لصحة جيدة؟ أعط أمثلة.

الإجابات

1. تحلل كومة السماد هو عملية مفرطة الطاقة. إن نمو الطفل من البويضة المخصبة هو عملية منشط. إذابة الشاي في الماء هي عملية مفرطة. تدحرج الكرة إلى أسفل المنحدر هو عملية مفرطة.

2. تشمل التمارين البدنية كلا من العمليات الابتنائية والتقويضية. تقوم خلايا الجسم بتفكيك السكريات لتوفير ATP للقيام بالعمل اللازم لممارسة الرياضة ، مثل تقلصات العضلات. هذا هو الهدم. يجب على خلايا العضلات أيضًا إصلاح الأنسجة العضلية التي تضررت بسبب التمرين عن طريق بناء عضلات جديدة. هذا هو الابتنائية.

3. التفاعل العفوي هو تفاعل يحتوي على ∆G سلبي وبالتالي يطلق طاقة. ومع ذلك ، لا يلزم حدوث رد فعل عفوي بسرعة أو فجأة مثل رد فعل فوري. قد يحدث على مدى فترات زمنية طويلة بسبب طاقة التنشيط الكبيرة ، والتي تمنع حدوث التفاعل بسرعة.

4. تعمل معظم الفيتامينات والمعادن كعوامل مساعدة وأنزيمات مساعدة لعمل الإنزيم. تتطلب العديد من الإنزيمات ارتباط بعض العوامل المساعدة أو الإنزيمات المساعدة لتحفيز تفاعلاتها. نظرًا لأن الإنزيمات تحفز العديد من التفاعلات المهمة ، فمن الأهمية بمكان الحصول على الفيتامينات والمعادن الكافية من النظام الغذائي والمكملات الغذائية. فيتامين ج (حمض الأسكوربيك) هو أنزيم ضروري لعمل الإنزيمات التي تبني الكولاجين.

قائمة المصطلحات

طاقة التفعيل: كمية الطاقة الأولية اللازمة لحدوث ردود الفعل

موقع نشط: منطقة محددة على الإنزيم حيث ترتبط الركيزة

تثبيط خيفي: آلية تثبيط عمل الإنزيم حيث يرتبط الجزيء التنظيمي بموقع ثانٍ (وليس الموقع النشط) ويبدأ تغيير التشكل 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

الهدم: يصف المسار الذي يتم فيه تقسيم الجزيئات المعقدة إلى جزيئات أبسط ، مما ينتج الطاقة كمنتج إضافي للتفاعل

تثبيط المنافسة: آلية عامة لتنظيم نشاط الإنزيم حيث يكون جزيء آخر غير ركيزة الإنزيم قادرًا على ربط الموقع النشط ومنع الركيزة نفسها من الارتباط ، وبالتالي تثبيط معدل التفاعل الإجمالي للإنزيم

إندرجونيك: يصف تفاعلًا كيميائيًا ينتج عنه منتجات تخزن طاقة كيميائية كامنة أكثر من المواد المتفاعلة

إنزيم: جزيء يحفز تفاعل كيميائي حيوي

طاقة: يصف تفاعلًا كيميائيًا ينتج عنه منتجات ذات طاقة كيميائية محتملة أقل من المواد المتفاعلة ، بالإضافة إلى إطلاق طاقة حرة

منع ردود الفعل: آلية لتنظيم نشاط الإنزيم حيث يثبط ناتج التفاعل أو المنتج النهائي لسلسلة من التفاعلات المتسلسلة إنزيمًا لخطوة سابقة في سلسلة التفاعل

طاقة حرارية: الطاقة المنقولة من نظام إلى آخر لا تعمل

الطاقة الحركية: نوع الطاقة المرتبطة بالأشياء المتحركة

الأيض: 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 ، فإن جزيء المثبط لا يتنافس مع الركيزة للموقع النشط ؛ التثبيط الخيفي هو شكل من أشكال التثبيط غير التنافسي

الطاقة الكامنة: نوع الطاقة الذي يشير إلى إمكانية القيام بعمل

المادة المتفاعلة: جزيء يعمل عليه الإنزيم

الديناميكا الحرارية: علم العلاقات بين الحرارة والطاقة والعمل


6.1 الطاقة والتمثيل الغذائي

في هذا القسم سوف تستكشف الأسئلة التالية:

  • ما هي مسارات التمثيل الغذائي؟
  • ما هي الاختلافات بين المسارات الابتنائية والتقويضية؟
  • كيف تلعب التفاعلات الكيميائية دورًا في نقل الطاقة؟

اتصال لدورات AP ®

تتطلب جميع الأنظمة الحية ، من الخلايا البسيطة إلى النظم البيئية المعقدة ، طاقة مجانية لإجراء عمليات الخلية مثل النمو والتكاثر.

طورت الكائنات الحية استراتيجيات مختلفة لالتقاط وتخزين وتحويل ونقل الطاقة المجانية. يشير التمثيل الغذائي للخلية إلى التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخلها. تتضمن بعض التفاعلات الأيضية تكسير الجزيئات المعقدة إلى جزيئات أبسط مع إطلاق طاقة (تقويض) ، بينما تتطلب تفاعلات التمثيل الغذائي الأخرى طاقة لبناء جزيئات معقدة (استقلاب). والمثال الرئيسي لهذه المسارات هو تخليق وانهيار الجلوكوز.

يدعم المحتوى المقدم في هذا القسم أهداف التعلم الموضحة في Big Idea 1 و Big Idea 2 من إطار منهج AP ® Biology المدرج أدناه. تدمج أهداف التعلم AP ® محتوى المعرفة الأساسية مع واحد أو أكثر من الممارسات العلمية السبعة. توفر هذه الأهداف أساسًا شفافًا لدورة AP ® Biology ، جنبًا إلى جنب مع الخبرات المعملية القائمة على الاستفسار والأنشطة التعليمية وأسئلة اختبار AP ®.

فكرة كبيرة 1 تقود عملية التطور التنوع والوحدة في الحياة.
الفهم الدائم 1. ب الكائنات الحية مرتبطة بخطوط النسب من أصل مشترك.
المعرفة الأساسية 1. ب تشترك الكائنات الحية في العديد من العمليات الأساسية المحفوظة والميزات التي تطورت وتوزع على نطاق واسع بين الكائنات الحية اليوم.
ممارسة العلوم 3.1 يمكن للطالب طرح أسئلة علمية.
هدف التعلم 1.14 يستطيع الطالب طرح أسئلة علمية تحدد بشكل صحيح الخصائص الأساسية لعمليات الحياة الأساسية المشتركة التي توفر نظرة ثاقبة لتاريخ الحياة على الأرض.
المعرفة الأساسية 1. ب تشترك الكائنات الحية في العديد من العمليات الأساسية المحفوظة والميزات التي تطورت وتوزع على نطاق واسع بين الكائنات الحية اليوم.
ممارسة العلوم 7.2 يمكن للطالب ربط المفاهيم في وعبر المجال (المجالات) للتعميم أو الاستقراء في و / أو عبر التفاهمات الدائمة و / أو الأفكار الكبيرة.
هدف التعلم 1.15 الطالب قادر على وصف أمثلة محددة للعمليات البيولوجية الأساسية المحفوظة والميزات المشتركة بين جميع المجالات أو ضمن مجال واحد من الحياة ، وكيف تدعم هذه العمليات والميزات الأساسية المشتركة والمحفوظة مفهوم الأصل المشترك لجميع الكائنات الحية.
المعرفة الأساسية 1. ب تشترك الكائنات الحية في العديد من العمليات الأساسية المحفوظة والميزات التي تطورت وتوزع على نطاق واسع بين الكائنات الحية اليوم.
ممارسة العلوم 6.1 يمكن للطالب تبرير الادعاءات بالأدلة.
هدف التعلم 1.16 الطالب قادر على تبرير الادعاء العلمي بأن الكائنات الحية تشترك في العديد من العمليات الأساسية المحفوظة والميزات التي تطورت وانتشرت على نطاق واسع بين الكائنات الحية اليوم.
فكرة كبيرة 2 تستخدم الأنظمة البيولوجية الطاقة المجانية ولبنات البناء الجزيئية للنمو والتكاثر والحفاظ على التوازن الديناميكي.
الفهم الدائم 2 يتطلب نمو وتكاثر وصيانة النظم الحية طاقة ومادّة حرة.
المعرفة الأساسية 2-أ 1 تتطلب جميع الأنظمة الحية مدخلات ثابتة من الطاقة المجانية.
ممارسة العلوم 6.2 يمكن للطالب بناء تفسيرات للظواهر بناءً على الأدلة المنتجة من خلال الممارسات العلمية.
هدف التعلم 2.1 يستطيع الطالب شرح كيفية استخدام الأنظمة البيولوجية للطاقة المجانية بناءً على البيانات التجريبية التي تتطلب جميع الكائنات الحية مدخلات طاقة ثابتة للحفاظ على التنظيم والنمو والتكاثر.

تحتوي أسئلة تحدي ممارسة العلوم على أسئلة اختبار إضافية لهذا القسم والتي ستساعدك على التحضير لامتحان AP. تتناول هذه الأسئلة المعايير التالية:
[APLO 2.1] [APLO 2.3] [APLO 4.3] [APLO 4.15] [APLO 4.17] [APLO 2.21]

دعم المعلم

بدءًا من تعريف التمثيل الغذائي على أنه النشاط الكيميائي الكلي للكائن الحي ، اسأل الطلاب عن أمثلة للعمليات المناسبة. احسب الأمثلة الموجودة على السبورة أو الشاشة وقم بتوسيعها حسب الاقتضاء.

قد يكون من الصعب الحفاظ على مفاهيم الابتنائية والتقويض على التوالي. استخدم مثال الستيرويدات الابتنائية كطريقة (غير مناسبة وخطيرة) لبناء الجسم ، وبالتالي ، فإن أي عملية ابتنائية تبني جزيئات كبيرة والعكس ، تقويضي ، يكسرها.

يستخدم العلماء مصطلح الطاقة الحيوية لمناقشة مفهوم تدفق الطاقة (الشكل 6.2) من خلال الأنظمة الحية ، مثل الخلايا. تحدث العمليات الخلوية مثل بناء وتحطيم الجزيئات المعقدة من خلال تفاعلات كيميائية متدرجة. بعض هذه التفاعلات الكيميائية عفوية وتطلق الطاقة ، في حين أن البعض الآخر يحتاج إلى طاقة للمضي قدمًا. تمامًا كما يجب أن تستهلك الكائنات الحية الطعام باستمرار لتجديد ما تم استخدامه ، يجب أن تنتج الخلايا باستمرار المزيد من الطاقة لتجديد تلك المستخدمة في 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.

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 في روابطها. يتم وصف انهيار الجلوكوز ، وهو سكر بسيط ، بالمعادلة:

ترجع أصول الكربوهيدرات المستهلكة إلى كائنات التمثيل الضوئي مثل النباتات (الشكل 6.3). أثناء عملية التمثيل الضوئي ، تستخدم النباتات طاقة ضوء الشمس لتحويل غاز ثاني أكسيد الكربون (CO2) في جزيئات السكر ، مثل الجلوكوز (C6ح12ا6). نظرًا لأن هذه العملية تتضمن تصنيع جزيء أكبر لتخزين الطاقة ، فإنها تتطلب إدخالًا من الطاقة للمضي قدمًا. يتم وصف تركيب الجلوكوز بهذه المعادلة (لاحظ أنه عكس المعادلة السابقة):

أثناء التفاعلات الكيميائية لعملية التمثيل الضوئي ، يتم توفير الطاقة في شكل جزيء عالي الطاقة يسمى ATP ، أو أدينوسين ثلاثي الفوسفات ، وهو عملة الطاقة الأولية لجميع الخلايا. مثلما يتم استخدام الدولار كعملة لشراء السلع ، تستخدم الخلايا جزيئات ATP كعملة للطاقة لأداء عمل فوري. 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 الجلوكوز أثناء تفاعلات التمثيل الضوئي. في عملية التمثيل الضوئي ، يتم تحويل الطاقة الضوئية من الشمس مبدئيًا إلى طاقة كيميائية يتم تخزينها مؤقتًا في الجزيئات الحاملة للطاقة ATP و NADPH (فوسفات النيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد). 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. تشبه هذه العملية تناول وجبة الإفطار في الصباح للحصول على الطاقة اللازمة لجسمك والتي يمكن استخدامها في وقت لاحق من اليوم. في ظل الظروف المثالية ، تكون الطاقة من 18 جزيءًا من ATP مطلوبة لتخليق جزيء واحد من الجلوكوز أثناء تفاعلات التمثيل الضوئي. يمكن أيضًا دمج جزيئات الجلوكوز مع أنواع أخرى من السكريات وتحويلها إلى. عندما يتم استهلاك السكريات ، فإن جزيئات الجلوكوز تشق طريقها في النهاية إلى كل خلية حية في الكائن الحي. داخل الخلية ، يتم تكسير كل جزيء سكر من خلال سلسلة معقدة من التفاعلات الكيميائية. الهدف من هذه التفاعلات هو حصاد الطاقة المخزنة داخل جزيئات السكر. تُستخدم الطاقة المحصودة في صنع جزيئات ATP عالية الطاقة ، والتي يمكن استخدامها لأداء العمل ، وتشغيل العديد من التفاعلات الكيميائية في الخلية. كمية الطاقة اللازمة لصنع جزيء واحد من الجلوكوز من ستة جزيئات من ثاني أكسيد الكربون هي 18 جزيءًا من ATP و 12 جزيءًا من NADPH (كل منها مكافئ بقوة لثلاثة جزيئات من ATP) ، أو إجمالي 54 مكافئ جزيء ATP مطلوب لتخليق جزيء واحد من الجلوكوز. هذه العملية هي طريقة أساسية وفعالة للخلايا لتوليد الطاقة الجزيئية التي تحتاجها.

دعم المعلم

اسأل الطلاب من أين تأتي الطاقة المستخدمة في عملية التمثيل الغذائي. اطلب منهم تتبع الطاقة مرة أخرى إلى النباتات والطاقة الضوئية التي تحولها النباتات إلى سكريات. ابدأ في تقديم التفاعلات بين استقلاب الكربوهيدرات والدهون والبروتينات. اسألهم ما هي النهاية النهائية للطاقة (الحرارة).

المسارات الأيضية

توضح عمليات صنع وتحطيم جزيئات السكر نوعين من المسارات الأيضية.المسار الأيضي عبارة عن سلسلة من التفاعلات الكيميائية الحيوية المترابطة التي تقوم بتحويل جزيء الركيزة أو الجزيئات ، خطوة بخطوة ، من خلال سلسلة من الوسائط الأيضية الوسيطة ، مما يؤدي في النهاية إلى إنتاج منتج أو منتجات نهائية. في حالة التمثيل الغذائي للسكر ، فإن المسار الأيضي الأول يصنع السكر من جزيئات أصغر ، والمسار الآخر يقسم السكر إلى جزيئات أصغر. يشار إلى هاتين العمليتين المتعارضتين - الأولى تتطلب الطاقة والثانية إنتاج الطاقة - باسم مسارات الابتنائية (البناء) والتقويضية (الانهيار) ، على التوالي. وبالتالي ، فإن التمثيل الغذائي يتكون من البناء (الابتنائية) والتدهور (الهدم).

دعم المعلم

ناقش تطور المسارات الأيضية التي ربما تطورت على الأرض. باستخدام تجربة Miller-Urey التي تمت مناقشتها في الفصل 3 ، اسأل لماذا لم يكن هناك أكسجين حر في الغلاف الجوي المبكر. ما هي المسارات التي يمكن أن تتطور في ظل هذه الظروف؟ كيف حد هذا من تطور الكائنات الحية؟ ما المسار الذي خلق الأكسجين الحر كنفايات يمكن أن تتغلغل في الغلاف الجوي؟ هل هذه حقًا فكرة جيدة للكائنات الحية التي كانت موجودة؟ لماذا ا؟

اتصال التطور

تطور مسارات التمثيل الغذائي

هناك ما هو أكثر من تعقيد عملية التمثيل الغذائي من فهم المسارات الأيضية وحدها. يختلف التعقيد الأيضي من كائن حي إلى آخر. التمثيل الضوئي هو المسار الأساسي الذي تقوم فيه كائنات التمثيل الضوئي مثل النباتات (يتم إجراء غالبية التمثيل الضوئي العالمي بواسطة الطحالب العوالق) بجمع طاقة الشمس وتحويلها إلى كربوهيدرات. المنتج الثانوي لعملية التمثيل الضوئي هو الأكسجين ، الذي تحتاجه بعض الخلايا لإجراء التنفس الخلوي. أثناء التنفس الخلوي ، يساعد الأكسجين في انهيار تقويضي لمركبات الكربون ، مثل الكربوهيدرات. من بين منتجات هذا الهدم ثاني أكسيد الكربون2 و ATP. بالإضافة إلى ذلك ، تؤدي بعض حقيقيات النوى عمليات تقويضية بدون أكسجين (تخمير) أي أنها تؤدي أو تستخدم التمثيل الغذائي اللاهوائي.

ربما طورت الكائنات الحية الأيض 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 ، فقد وجد الباحثون أن جميع فروع الحياة تشترك في بعض المسارات الأيضية نفسها ، مما يشير إلى أن جميع الكائنات الحية تطورت من نفس السلف المشترك القديم (الشكل 6.4). تشير الدلائل إلى أنه بمرور الوقت ، تباعدت المسارات ، مضيفة إنزيمات متخصصة للسماح للكائنات الحية بالتكيف بشكل أفضل مع بيئتها ، وبالتالي زيادة فرصتها في البقاء على قيد الحياة. ومع ذلك ، يظل المبدأ الأساسي هو أن جميع الكائنات الحية يجب أن تحصد الطاقة من بيئتها وتحويلها إلى ATP للقيام بالوظائف الخلوية.

  1. الأكسجين هو نتيجة ثانوية للتنفس اللاهوائي ، لذلك كان هناك القليل جدًا من الأكسجين في الغلاف الجوي حتى تطورت الكائنات اللاهوائية.
  2. الأكسجين هو نتيجة ثانوية للتخمير ، لذلك كان هناك القليل من الأكسجين في الغلاف الجوي حتى ظهور بدائيات النوى.
  3. الأكسجين منتج ثانوي للتنفس الهوائي ، لذلك كان هناك القليل جدًا من الأكسجين في الغلاف الجوي حتى تطور الحيوانات.
  4. الأكسجين هو نتيجة ثانوية لعملية التمثيل الضوئي ، لذلك كان هناك القليل جدًا من الأكسجين في الغلاف الجوي حتى تطورت كائنات التمثيل الضوئي.

المسارات الابتنائية والتقويضية

تتطلب المسارات الابتنائية مدخلات من الطاقة لتجميع الجزيئات المعقدة من الجزيئات الأبسط. تصنيع السكر من أول أكسيد الكربون2 هو أحد الأمثلة. ومن الأمثلة الأخرى تخليق البروتينات الكبيرة من كتل بناء الأحماض الأمينية ، وتوليف خيوط دنا جديدة من اللبنات الأساسية للحمض النووي. تعد عمليات التخليق الحيوي هذه ضرورية لحياة الخلية ، وتحدث باستمرار ، وتتطلب الطاقة التي يوفرها ATP والجزيئات عالية الطاقة الأخرى مثل NADH (نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد) و NADPH (الشكل 6.5).

ATP هو جزيء مهم للخلايا للحصول على إمدادات كافية في جميع الأوقات. يوضح انهيار السكريات كيف يمكن لجزيء واحد من الجلوكوز تخزين طاقة كافية لإنتاج قدر كبير من ATP ، 36 إلى 38 جزيء. 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 تفكيك جزيئات تخزين الطاقة الأخرى ، مثل الدهون ، من خلال تفاعلات تقويضية مماثلة لإطلاق الطاقة وإنشاء ATP (الشكل 6.5).

من المهم معرفة أن التفاعلات الكيميائية للمسارات الأيضية لا تحدث بشكل عفوي. يتم تسهيل أو تحفيز كل خطوة من خطوات التفاعل بواسطة بروتين يسمى الإنزيم. الإنزيمات مهمة لتحفيز جميع أنواع التفاعلات البيولوجية - تلك التي تتطلب طاقة بالإضافة إلى تلك التي تطلق الطاقة.


تحطيم الوقود للطاقة الخلوية

في كثير من الحالات ، بدت فكرة خط التجميع هي الفكرة الوحيدة المنطقية من الناحية المفاهيمية. انصح الجلوكوز، على سبيل المثال ، المعروف باسم سكر الدم. (انظر بنية جزيء الجلوكوز في الشكل 2.) بحلول نهاية القرن العشرين ، عرف العلماء أن الجلوكوز كان أحد مصادر الطاقة الرئيسية للحيوانات والبكتيريا والخميرة. ينتج عن احتراق الجلوكوز في المختبر ثاني أكسيد الكربون (CO2) والماء (H2O) ، وهي نفس المركبات التي تنتجها الحيوانات عندما تمارس الرياضة. ومع ذلك ، لم يعتقد أحد أن الخلايا يمكن أن تحتوي على حرائق صغيرة بداخلها. من المؤكد أن الملاحظات تحت المجهر لم تظهر أي ألسنة لهب. ومع ذلك ، يشعر الناس بإحساس حارق في عضلاتهم أثناء ممارسة التمارين الرياضية الثقيلة.

الشكل 2: د- الجلوكوز مع الصيغة C6ح12ا6.

إدراكًا أن انهيار وقود الجسم ربما حدث في سلسلة من الخطوات الخاضعة للرقابة ، تخيل الباحثون أن الإنزيمات تعمل مثل عمال المصانع ، وتعديل أجزاء مختلفة من مركب كيميائي معين. مثل العمال في خط التجميع ، فإن كل إنزيم سيحدث تغييرًا خاصًا واحدًا لكل جزيء. يمكن بعد ذلك تعديل الجزيء المتغير بشكل إضافي ، خطوة بخطوة بواسطة إنزيمات مختلفة ، ويمكن أن يحدث هذا ليس فقط أثناء تكسير الوقود ، بل يمكن أن يحدث أيضًا أثناء الإنتاج ، أو نتيجة الجمع بين الطريحة والنقيضة، من الجزيئات البيولوجية اللازمة باستخدام مواد كيميائية أبسط كمواد بناء.

ينتمي الجلوكوز والسكريات الأخرى إلى فئة الجزيئات الكبيرة التي تسمى الكربوهيدرات (انظر وحدة الكربوهيدرات لدينا). إلى جانب الدهون والبروتينات ، تلعب الكربوهيدرات مجموعة متنوعة من الأدوار في الكائنات الحية ، ويتمثل أحد الأدوار في تزويد الخلايا بالطاقة. في حين أن الجلوكوز والدهون (فئة من الدهون) هي مركبات الطاقة المفضلة ، يمكن أيضًا استخدام البروتينات كوقود (انظر وحداتنا: الدهون والدهون والبروتينات لمعرفة المزيد). مثل جذوع الكابينة ، تصنع البروتينات من كتل بناء تسمى أحماض أمينية، والتي يمكن استخدامها بطرق متعددة. يمكن تجميعها معًا لإعطاء هيكل المقصورة ، ولكن إذا لزم الأمر ، يمكن أيضًا حرقها كحطب لتدفئة المقصورة.

أي مما يلي يعمل على تكسير أو تكوين المواد الكيميائية في الجسم؟

داخل الهياكل تسمى الميتوكوندريا، محطات توليد الطاقة المجهرية في خلايا حقيقيات النواة (الشكل 3) ، تتجمع أجزاء متفرقة من الكربوهيدرات والدهون والبروتينات معًا ، وتتغذى في نوع من خط التجميع العكسي الذي يدور ويدور في دورة. مع مرور الدورة ، يتم دمج البتات المتنوعة الغنية بالطاقة في محطات مختلفة. في الوقت نفسه ، ترسل الدورة منتجات أخرى بعيدًا إلى مناطق أخرى من محطة الطاقة. يحتوي المسار على العديد من الأسماء ، بما في ذلك دورة حمض الستريك و ال دورة حمض الكربوكسيل (TCA)، بسبب المركبات التي تدور بداخلها. ومع ذلك ، فإنه يُعرف أيضًا باسم دورة كريبس، لمكتشفها السير هانز أدولف كريبس.

الشكل 3: رسم تخطيطي لخلية حيوانية نموذجية. يشير الرقم 9 إلى هياكل الميتوكوندريا في الخلية. صورة ونسخ Kelvinsong


المسارات الأيضية

توضح عمليات صنع وتحطيم جزيئات السكر نوعين من المسارات الأيضية. المسار الأيضي عبارة عن سلسلة من التفاعلات الكيميائية الحيوية المترابطة التي تقوم بتحويل جزيء الركيزة أو الجزيئات ، خطوة بخطوة ، من خلال سلسلة من الوسائط الأيضية الوسيطة ، مما يؤدي في النهاية إلى إنتاج منتج أو منتجات نهائية. في حالة التمثيل الغذائي للسكر ، فإن المسار الأيضي الأول يصنع السكر من جزيئات أصغر ، والمسار الآخر يقسم السكر إلى جزيئات أصغر. يشار إلى هاتين العمليتين المتعارضتين - الأولى تتطلب الطاقة والثانية إنتاج الطاقة - على أنها مسارات الابتنائية (البناء) والتقويضية (الانهيار) ، على التوالي. وبالتالي ، فإن التمثيل الغذائي يتكون من البناء (الابتنائية) والتدهور (الهدم).


علم الأحياء 171


تتطلب كل مهمة تقوم بها الكائنات الحية تقريبًا طاقة. تتطلب الكائنات الحية طاقة لأداء الأعمال الشاقة والتمارين الرياضية ، لكن البشر أيضًا يستخدمون طاقة كبيرة أثناء التفكير ، وحتى أثناء النوم. كل كائن حي & # 8217 الخلايا الحية تستخدم الطاقة باستمرار. الكائنات الحية تستورد المغذيات والجزيئات الأخرى. تستقلب (تتفكك) وربما تتشكل في جزيئات جديدة. إذا لزم الأمر ، تعدل الجزيئات وتتحرك حول الخلية وقد توزع نفسها على الكائن الحي بأكمله. على سبيل المثال ، يتم بناء البروتينات الكبيرة التي تتكون منها العضلات بنشاط من جزيئات أصغر. تتحلل الكربوهيدرات المعقدة إلى سكريات بسيطة تستخدمها الخلية للحصول على الطاقة. مثلما الطاقة مطلوبة لبناء وهدم مبنى ، فإن الطاقة مطلوبة لتجميع الجزيئات وتفكيكها. بالإضافة إلى ذلك ، فإن جزيئات الإشارات مثل الهرمونات والناقلات العصبية تنتقل بين الخلايا. تبتلع الخلايا البكتيريا والفيروسات وتفككها. يجب على الخلايا أيضًا تصدير النفايات والسموم للبقاء في صحة جيدة ، ويجب على العديد من الخلايا السباحة أو تحريك المواد المحيطة عن طريق حركة الضرب للملحقات الخلوية مثل الأهداب والسوط.

تتطلب العمليات الخلوية التي ذكرناها أعلاه إمدادًا ثابتًا بالطاقة. من أين وبأي شكل تأتي هذه الطاقة؟ كيف تحصل الخلايا الحية على الطاقة ، وكيف تستخدمها؟ سيناقش هذا الفصل أشكال مختلفة من الطاقة والقوانين الفيزيائية التي تحكم نقل الطاقة. سيصف هذا الفصل أيضًا كيفية استخدام الخلايا للطاقة وتجديدها ، وكيفية أداء التفاعلات الكيميائية في الخلية بكفاءة عالية.

أهداف التعلم

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

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

يستخدم العلماء مصطلح الطاقة الحيوية لمناقشة مفهوم تدفق الطاقة ((الشكل)) من خلال الأنظمة الحية ، مثل الخلايا. تحدث العمليات الخلوية مثل بناء وتحطيم الجزيئات المعقدة من خلال تفاعلات كيميائية متدرجة. بعض هذه التفاعلات الكيميائية عفوية وتطلق الطاقة بينما يتطلب البعض الآخر طاقة للمضي قدمًا. تمامًا كما يجب أن تستهلك الكائنات الحية الطعام باستمرار لتجديد ما استخدمته ، يجب أن تنتج الخلايا باستمرار المزيد من الطاقة 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 وتطلقها ، هي عملية التمثيل الغذائي للخلية.

التمثيل الغذائي للكربوهيدرات

التمثيل الغذائي للسكر (تفاعلات كيميائية) (كربوهيدرات بسيط) هو مثال كلاسيكي على العديد من العمليات الخلوية التي تستخدم وتنتج الطاقة. تستهلك الكائنات الحية السكر كمصدر رئيسي للطاقة ، لأن جزيئات السكر لها طاقة كبيرة مخزنة في روابطها. تصف المعادلة التالية انهيار الجلوكوز ، وهو سكر بسيط:

ترجع أصول الكربوهيدرات المستهلكة إلى كائنات التمثيل الضوئي مثل النباتات ((الشكل)). أثناء عملية التمثيل الضوئي ، تستخدم النباتات طاقة ضوء الشمس لتحويل غاز ثاني أكسيد الكربون (CO2) في جزيئات السكر ، مثل الجلوكوز (C6ح12ا6). نظرًا لأن هذه العملية تنطوي على تصنيع جزيء أكبر لتخزين الطاقة ، فإنها تتطلب إدخال طاقة للمضي قدمًا. تصف المعادلة التالية (لاحظ أنها عكس المعادلة السابقة) تركيب الجلوكوز:

أثناء التفاعلات الكيميائية لعملية التمثيل الضوئي ، تكون الطاقة في شكل جزيء عالي الطاقة للغاية يسميه العلماء ATP ، أو ثلاثي فوسفات الأدينوزين. هذه هي عملة الطاقة الأساسية لجميع الخلايا. تمامًا كما الدولار هو العملة التي نستخدمها لشراء البضائع ، تستخدم الخلايا جزيئات ATP كعملة للطاقة لأداء عمل فوري. يتم تخزين السكر (الجلوكوز) على شكل نشا أو جليكوجين. تنقسم البوليمرات التي تخزن الطاقة مثل هذه إلى جلوكوز لتزويد جزيئات ATP.

الطاقة الشمسية مطلوبة لتجميع جزيء الجلوكوز أثناء تفاعلات التمثيل الضوئي. في عملية التمثيل الضوئي ، تتحول الطاقة الضوئية من الشمس في البداية إلى طاقة كيميائية تخزن نفسها مؤقتًا في جزيئات حامل الطاقة ATP و NADPH (فوسفات النيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد). يستخدم التمثيل الضوئي لاحقًا الطاقة المخزنة في ATP و NADPH لبناء جزيء جلوكوز واحد من ستة جزيئات من CO2. تشبه هذه العملية تناول وجبة الإفطار في الصباح للحصول على طاقة لجسمك يمكنك استخدامها في وقت لاحق من اليوم. في ظل الظروف المثالية ، تكون الطاقة من 18 جزيءًا من ATP مطلوبة لتخليق جزيء جلوكوز واحد أثناء تفاعلات التمثيل الضوئي. يمكن أيضًا أن تتحد جزيئات الجلوكوز مع أنواع السكر الأخرى وتتحول إليها. عندما يستهلك كائن حي السكريات ، فإن جزيئات الجلوكوز تشق طريقها في النهاية إلى كل خلية حية لكل كائن حي. داخل الخلية ، يتحلل كل جزيء سكر عبر سلسلة معقدة من التفاعلات الكيميائية. الهدف من هذه التفاعلات هو حصاد الطاقة المخزنة داخل جزيئات السكر. تصنع الطاقة المحصودة جزيئات ATP عالية الطاقة ، والتي تؤدي عملاً ، وتغذي العديد من التفاعلات الكيميائية في الخلية. كمية الطاقة اللازمة لصنع جزيء جلوكوز واحد من ستة جزيئات من ثاني أكسيد الكربون هي 18 جزيء ATP و 12 جزيء NADPH (كل منها مكافئ بقوة لثلاثة جزيئات ATP) ، أو ما مجموعه 54 جزيء مكافئ مطلوب لتركيب جزيء جلوكوز واحد . هذه العملية هي طريقة أساسية وفعالة للخلايا لتوليد الطاقة الجزيئية التي تحتاجها.

المسارات الأيضية

توضح عمليات صنع وتحطيم جزيئات السكر نوعين من المسارات الأيضية. المسار الأيضي عبارة عن سلسلة من التفاعلات الكيميائية الحيوية المترابطة التي تقوم بتحويل جزيء الركيزة أو الجزيئات ، خطوة بخطوة ، من خلال سلسلة من الوسائط الأيضية الوسيطة ، مما يؤدي في النهاية إلى إنتاج منتج أو منتجات نهائية. في حالة التمثيل الغذائي للسكر ، فإن المسار الأيضي الأول يصنع السكر من جزيئات أصغر ، والمسار الآخر يقسم السكر إلى جزيئات أصغر. يطلق العلماء على هاتين العمليتين المتعارضتين - الأولى تتطلب الطاقة والثانية تنتج الطاقة - مسارات الابتنائية (البناء) والتقويضية (الانهيار) ، على التوالي. وبالتالي ، فإن البناء (الاستقلاب) والتدهور (الهدم) يشكلان عملية التمثيل الغذائي.

تطور مسارات التمثيل الغذائي هناك ما هو أكثر من تعقيد عملية التمثيل الغذائي من فهم المسارات الأيضية وحدها. يختلف التعقيد الأيضي من كائن حي إلى آخر. التمثيل الضوئي هو المسار الأساسي الذي تقوم فيه كائنات التمثيل الضوئي مثل النباتات (تقوم الطحالب العوالق بمعظم عمليات التخليق العالمي) بجمع طاقة الشمس وتحويلها إلى كربوهيدرات. المنتج الثانوي لعملية التمثيل الضوئي هو الأكسجين ، والذي تتطلبه بعض الخلايا لإجراء التنفس الخلوي. أثناء التنفس الخلوي ، يساعد الأكسجين في انهيار تقويضي لمركبات الكربون ، مثل الكربوهيدرات. من بين المنتجات CO2 و ATP. بالإضافة إلى ذلك ، تؤدي بعض حقيقيات النوى عمليات تقويضية بدون أكسجين (تخمير) أي أنها تؤدي أو تستخدم التمثيل الغذائي اللاهوائي.

ربما طورت الكائنات الحية الأيض 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 ، فقد وجد الباحثون أن جميع فروع الحياة تشترك في بعض المسارات الأيضية نفسها ، مما يشير إلى أن جميع الكائنات الحية تطورت من نفس السلف المشترك القديم ((الشكل)). تشير الدلائل إلى أنه بمرور الوقت ، تباعدت المسارات ، مضيفة إنزيمات متخصصة للسماح للكائنات الحية بالتكيف بشكل أفضل مع بيئتها ، وبالتالي زيادة فرصتها في البقاء على قيد الحياة. ومع ذلك ، يظل المبدأ الأساسي هو أن جميع الكائنات الحية يجب أن تحصد الطاقة من بيئتها وتحويلها إلى ATP للقيام بالوظائف الخلوية.

المسارات الابتنائية والتقويضية

تتطلب المسارات الابتنائية مدخلات من الطاقة لتجميع الجزيئات المعقدة من الجزيئات الأبسط. تصنيع السكر من أول أكسيد الكربون2 هو أحد الأمثلة. ومن الأمثلة الأخرى تخليق بروتينات كبيرة من كتل بناء الأحماض الأمينية ، وتوليف خيوط دنا جديدة من لبنات بناء الحمض النووي. تعد عمليات التخليق الحيوي هذه ضرورية لحياة الخلية ، وتحدث باستمرار ، وتتطلب الطاقة التي يوفرها ATP والجزيئات عالية الطاقة الأخرى مثل NADH (نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد) و NADPH ((الشكل)).

ATP هو جزيء مهم للخلايا للحصول على إمدادات كافية في جميع الأوقات. يوضح انهيار السكريات كيف يمكن لجزيء جلوكوز واحد تخزين طاقة كافية لإنتاج قدر كبير من ATP ، 36 إلى 38 جزيء. هذا مسار تقويضي. تتضمن المسارات التقويضية تحطيم (أو تكسير) الجزيئات المعقدة إلى جزيئات أبسط. يتم إطلاق الطاقة الجزيئية المخزنة في روابط جزيئية معقدة في مسارات تقويضية وتحصد بطريقة يمكن أن تنتج ATP. جزيئات تخزين الطاقة الأخرى ، مثل الدهون ، تتحلل أيضًا من خلال تفاعلات تقويضية مماثلة لإطلاق الطاقة وتكوين ATP ((الشكل)).

من المهم معرفة أن التفاعلات الكيميائية للمسار الأيضي لا تحدث بشكل عفوي. يقوم بروتين يسمى الإنزيم بتسهيل أو تحفيز كل خطوة من خطوات التفاعل. الإنزيمات مهمة لتحفيز جميع أنواع التفاعلات البيولوجية - تلك التي تتطلب طاقة بالإضافة إلى تلك التي تطلق الطاقة.

ملخص القسم

تؤدي الخلايا وظائف الحياة من خلال تفاعلات كيميائية مختلفة. يشير التمثيل الغذائي للخلية إلى التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخلها. هناك تفاعلات أيضية تتضمن تحطيم المواد الكيميائية المعقدة إلى مواد أبسط ، مثل تكسير الجزيئات الكبيرة. يشير العلماء إلى هذه العملية على أنها هدم ، ونربط هذه التفاعلات بإطلاق للطاقة. على الطرف الآخر من الطيف ، يشير التمثيل الغذائي إلى عمليات التمثيل الغذائي التي تبني جزيئات معقدة من جزيئات أبسط ، مثل تخليق الجزيئات الكبيرة. تتطلب عمليات الابتنائية الطاقة. يعد تخليق الجلوكوز وانهيار الجلوكوز أمثلة على المسارات الابتنائية والتقويضية ، على التوالي.

إستجابة مجانية

هل تتضمن التمارين البدنية عمليات الابتنائية و / أو التقويضية؟ قدم دليلاً على إجابتك.

تتضمن التمارين البدنية كلاً من العمليات الابتنائية والتقويضية. تقوم خلايا الجسم بتفكيك السكريات لتوفير ATP للقيام بالعمل اللازم لممارسة الرياضة ، مثل تقلصات العضلات. هذا هو الهدم. يجب على خلايا العضلات أيضًا إصلاح الأنسجة العضلية التي تضررت بسبب التمرين عن طريق بناء عضلات جديدة. هذا هو الابتنائية.

قم بتسمية وظيفتين خلويتين مختلفتين تتطلبان طاقة توازي وظائف تتطلب طاقة بشرية.

الطاقة مطلوبة للحركة الخلوية ، من خلال ضرب الأهداب أو الأسواط ، وكذلك الحركة البشرية الناتجة عن تقلص العضلات.تحتاج الخلايا أيضًا إلى الطاقة لإجراء عملية الهضم ، حيث يحتاج الإنسان إلى الطاقة لهضم الطعام.

قائمة المصطلحات


العوامل التي تؤثر على تغذية الإنسان

من الواضح الآن أن كلاً من العوامل الخارجية (مثل الغذاء ، والغريب الحيوي ، والبيئة) والعوامل الداخلية (مثل الجنس والعمر والاختلافات الجينية) ، بشكل منفصل وتعاوني ، تؤثر على استقلاب المغذيات وخطر الإصابة بأمراض التمثيل الغذائي المختلفة (الشكل 1 ب ). العوامل الخارجية مهمة في تحديد كفاءة التمثيل الغذائي للمغذيات والنتائج الصحية ، بما في ذلك الإشارات الفيزيائية مثل الفترة الضوئية ودرجة الحرارة. على سبيل المثال ، تعتبر فترة الضوء / الظلام المتناوبة لدورات النهار والليل مهمة في تحديد إيقاعات الساعة البيولوجية الداخلية ، والتي بدورها مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بتنظيم النشاط الأيضي [72]. البيئات الضارة ، والتي تشمل المواقف التي تحفز إفراز هرمونات التوتر ، يمكن أن تضعف قدرة الجسم على الإحساس والاستجابة للتحديات الأيضية [73-75]. تعمل العوامل الخارجية أيضًا على تعزيز التغيرات في الإيبيجينوم والتي يمكن أن يكون لها تأثيرات طويلة الأمد على استقلاب المغذيات والطاقة والمساهمة في تطوير اضطرابات التمثيل الغذائي في أعضاء مثل القلب (على سبيل المثال أمراض القلب التاجية) والدماغ (على سبيل المثال، مرض الزهايمر & # x02019s) [76-78].

وبالمثل ، تؤثر العوامل الجوهرية مثل الاختلافات الجينية والجنس والعمر على كفاءة التمثيل الغذائي للمغذيات (الشكل 1 ب). تؤثر الاختلافات الجينية على فعالية المسارات الأيضية من خلال التأثير على الوظيفة والأنشطة المحددة لناقلات الأغشية ، والمستقبلات ، وبروتينات الإشارة ، والإنزيمات ، والبروتينات الحاملة ، وعوامل النسخ ، والبروتينات الأخرى المشاركة في نقل واستشعار ومعالجة مغذيات معينة [79] . على سبيل المثال ، تؤثر أشكال النوكليوتيدات المفردة في الجينات المشفرة لمستقبلات الذوق على تفضيلات الطعام [80]. تؤثر الاختلافات في ناقل الكوليسترول NPC1L1 على امتصاص الكوليسترول الغذائي [81،82]. يحدد الجنس والشيخوخة السياق البيولوجي ويمثلان معدلات مهمة لكفاءة التمثيل الغذائي. يتمتع الذكور والإناث بسمات مميزة من حيث السمات الأيضية وبرامج التعبير الجيني والقابلية للإصابة بالأمراض [83-87]. الشيخوخة مرتبطة بفقدان كفاءة التمثيل الغذائي الناجم عن تدهور المكونات الخلوية والوراثية الناتج عن الضرر الكيميائي المتراكم خلال مراحل الحياة. على المستوى الخلوي ، ترتبط الشيخوخة بالتغيرات التدريجية في العمليات الخلوية المصممة للحفاظ على التوازن. ومع ذلك ، فإن هذه التغييرات التكيفية التي تغير الأيض الخلوي قد تساهم في فقدان كفاءة التمثيل الغذائي على المستوى العضوي [31]. إعادة تشكيل الإيبيجينوم خلال مراحل الحياة قد يؤثر أيضًا على قابلية المرض لدى الأفراد المسنين [37].

تمثل الكائنات الحية الدقيقة في القناة الهضمية علاقة تفاعلية مهمة للعوامل الخارجية والجوهرية التي تؤثر على استقلاب العناصر الغذائية (الشكل 1). اكتسب هذا النظام البيئي الهائل اهتمامًا متزايدًا في السنوات الأخيرة لدوره في الصحة والمرض. نظرًا لموقعها ، فإن ميكروبيوتا الأمعاء لا تتعرض فقط لنفس العوامل الخارجية التي يعاني منها المضيف ولكن أيضًا المستقلبات والمنتجات التي ينتجها المضيف ، مثل الأحماض الصفراوية والإنزيمات الهاضمة والمواد الأخرى التي تفرز في القناة الهضمية. الذكور والإناث لديهم ميكروبيومات متميزة ، كما هو الحال مع الأفراد الصغار والكبار [62،88،89]. تظهر الدراسات الحديثة أن تركيبة الكائنات الحية الدقيقة في الأمعاء يمكن أن يكون لها تأثيرات مثيرة على النمط الظاهري للمضيف. على سبيل المثال ، فإن زرع الميكروبات البرازية من زوج التوأم المتعارض للسمنة في الفئران الخالية من الجراثيم يعيد إنتاج الأنماط الظاهرية البدينة / الخالية من الدهون للمتبرعين في متلقيهم [90]. يمكن لميكروبات الأمعاء المأخوذة من الأطفال الذين يعانون من كواشيوركور أن تؤدي إلى خسارة كبيرة في الوزن عند زرعها في فئران متلقية خالية من الجراثيم [91]. علاوة على ذلك ، قد تكون الميكروبات المعوية قادرة على تغيير قابلية مضيفها للأمراض الأيضية ، عن طريق تحويل المكونات غير المغذية للغذاء إلى مغذيات مفيدة للمضيف. يمكن أن تؤثر الأحماض الدهنية قصيرة السلسلة الناتجة عن انهيار الألياف الغذائية على تعبير الجينات المشاركة في تكاثر الخلايا الظهارية القولونية في الثدييات وتمايزها. كما أنها تعمل كركيزة للطاقة في مكان آخر من المضيف [63،92]. وقد ثبت أن المكونات الأخرى غير المغذية للأغذية ، مثل المحليات الصناعية التي تعتبر آمنة للاستهلاك البشري ، تحفز دسباقتريوز في ميكروبات الأمعاء ، وتحويلها إلى ملف تعريف ممرض [35]. وقد أُشير مؤخرًا إلى أنه حتى استخدام المواد الطبيعية ، مثل التريهالوز ، كمضافات غذائية روتينية يمكن أن يكون له عواقب مميتة على الصحة العامة [93]. ظهور سلالة شديدة العدوى من المطثية العسيرة يتزامن مع إدخال التريهالوز في الأطعمة الجاهزة ، ويقترح أن هذا المركب قد سمح باختيار وتوسيع السلالات المسببة للأمراض من خلال توفير مصدر للكربون وركيزة للطاقة لا تستخدم عادة بواسطة السلالة غير المسببة للأمراض لهذه البكتيريا [35] . توضح هذه الأمثلة أهمية وتفاعل العوامل الخارجية والجوهرية في تعديل ودمج استقلاب المغذيات ، وفي تحديد الحالة التغذوية للكائن الحي.


الأيض والبروتيوميات كأدوات لتعزيز فهم استجابات التمرين: الدور الناشئ لميكروبات الأمعاء في صحة الرياضي وأدائه

كيمياري انطوني. Francesc Puiggròs ، في الجينوميات الرياضية والتمارين الرياضية والتغذية ، 2019

19.2.2 PTMs للبروتينات الرئيسية لاستقلاب الطاقة استجابة للتمرين البدني

استقلاب الطاقة هو عملية توليد الطاقة (ATP) من العناصر الغذائية وتتألف من سلسلة من المسارات المترابطة التي يمكن أن تعمل في وجود أو عدم وجود الأكسجين. الأيض الهوائي يحول جزيء جلوكوز واحد إلى 30-32 جزيء ATP. التخمير أو التمثيل الغذائي اللاهوائي أقل كفاءة من التمثيل الغذائي الهوائي.

يرتبط التمرين ارتباطًا جوهريًا باستقلاب الطاقة (Westerterp and Plasqui ، 2004) ، وتتمثل إحدى الطرق التي تحل بها الخلايا الطلب المتزايد على الطاقة أثناء التمرين عن طريق تكثيف توليف الميتوكوندريا ، مولدات طاقة الخلايا. نظرًا لأن الميتوكوندريا هي المنظمات الرئيسية لاستقلاب الطاقة الخلوية ، حيث توفر الغالبية العظمى من ATP للنشاط الخلوي ، فقد تم ربط الخلل الوظيفي في الميتوكوندريا بإحداث بعض الاضطرابات الأيضية ، بما في ذلك السمنة ومرض السكري من النوع الثاني (T2DM) (Boudina et al. ، 2005 Bugger et al. ، 2010). لذلك ، من المهم تحديد العوامل التي تتحكم في وظيفة الميتوكوندريا واستقلاب الطاقة والتي تنظم الاستجابات الأيضية التكيفية التي تتطلبها متطلبات الطاقة المتزايدة المرتبطة بالتمرين.

قامت العديد من الدراسات بتحليل تأثير فترة التمرين على نمط التعبير و PTM لفئات البروتين المتعددة وكشفت أن ما يقرب من 90٪ من البروتينات التي تم تحديدها كانت مرتبطة بعملية التمثيل الغذائي للطاقة ، بما في ذلك الإنزيمات المشاركة في هدم الجلوكوز وتخليق ATP ودوران الغلوتامات (Ding) وآخرون ، 2006).

يمكن تغيير القدرة التحفيزية للإنزيم عن طريق الارتباط غير التساهمي للمؤثرات الخيفية و / أو بواسطة PTM التساهمية ، والتي تتضمن تغيير التركيب الكيميائي الأصلي للبروتين بعد ترجمته. أثناء عملية PTM ، يمكن ربط المجموعات الكيميائية الحيوية ، مثل الأسيتيل ، والفوسفات ، والميثيل ، والأوبيكويتين ، ومختلف بقايا الدهون والكربوهيدرات ، أو إزالتها من الأحماض الأمينية المحددة في البروتينات. تعد PTM واحدة من أهم الآليات لتنشيط وظائف البروتين أو تغييرها أو قمعها وتمثل طريقة مهمة لتنويع وتنظيم النشاط الأنزيمي (Walsh et al. ، 2005). إنها عملية منسقة جيدًا لأن كل PTM تتطلب بروتينًا متخصصًا يحفز التعديل الخاص ، ويمكن عكس بعضها من خلال عمل بروتين معين.

بالتركيز على أهم PTM المرتبطة باستجابات التمثيل الغذائي التكيفية للتمرين الحاد ، سيتم وصف قائمة البروتينات الفسفورية والأسيتيلية والمنتشرة فيما بعد.

الفسفرة- أثناء تقلص العضلات ، يتم تحفيز عدد من الضغوطات (زيادة نسبة AMP / ATP ، ROS وتوليد اللاكتات ، Ca 2 + التدفق ، نقص الأكسجة ، انخفاض توافر الطاقة) وتغيير حالة ما بعد الترجمة من كينازات إشارات الخلية الرئيسية. في أول تحليل عالمي للبروتين الفسفوري للعضلات الهيكلية البشرية في الأشخاص الأصحاء ، تم وصف 367 موقعًا للفوسفور في 144 بروتينًا فوسفوريًا. كان أكثر من ربعها عبارة عن بروتينات قسيم عضلي من الجهاز المقلص. تم تحديد مواقع الفسفرة الأخرى في بعض إنزيمات استقلاب الجليكوجين وفي بعض الوحدات الفرعية للكيناز والفوسفاتيز التي تنظم فسفرة سينسيز الجليكوجين وفوسفوريلاز الجليكوجين (Lundby et al. ، 2012). في الميتوكوندريا ، حدد مؤلفون آخرون 155 موقعًا متميزًا للفسفرة في 77 بروتينًا فوسفوريًا للميتوكوندريا والتي تشارك بشكل أساسي في الفسفرة المؤكسدة (OXPHOS) (الأكثر وفرة) ، ودورة TCA ، وناقلات الدهون ، وأكسدة بيتا ، وتدهور الأحماض الأمينية ، وآلات الاستيراد ، والناقلات ، استتباب الكالسيوم ، وموت الخلايا المبرمج (Zhao et al. ، 2011). تحليل بروتيني فسفوري عالمي حديث للعضلات البشرية استجابة لنوبة واحدة من التمرين المكثف (10 دقائق من ركوب الدراجات في 90٪ من V̇O2 max) كشف عن 1004 فوسفوسيت فريد منظم بالتمارين الرياضية على 562 بروتينًا ، بما في ذلك ركائز كينازات معروفة تنظم التمرينات الرياضية [مثل بروتين كيناز المعتمد على AMP (AMPK) ، بروتين كيناز A (PKA) ، بروتين كيناز المعتمد على الكالسيوم / كالودولين (CaMK) ، كيناز البروتين المنشط بالميتوجين (MAPK) ، وهدف الثدييات من الراباميسين (mTOR)] ، على الرغم من أن غالبية هذه الأهداف لم تكن مرتبطة سابقًا بإشارات التمرين (هوفمان وآخرون ، 2015).

يمكن لـ PTMs الحادة من كينازات الإشارة الخلوية ، مثل CaMKII ، و p38MAPK ، و AMPK ، التي تعمل بمفردها أو بالاشتراك مع بعضها البعض ، تنشيط عوامل النسخ النهائية والمحفزات التي تمارس أدوارًا تنظيمية في تنسيق التعبير عن كل من النووية والميتوكوندريا- البروتينات المشفرة ، مثل مُنشِّط مستقبلات البيروكسيسوم المُفعَّلة بالتكاثر (PGC-1α) (Egan et al. ، 2010). PGC-1α ، ما يسمى بـ "المنظم الرئيسي" للتكوين الحيوي للميتوكوندريا ، يطلق مسارات تعزز تخليق الميتوكوندريا وتنظم نشاط الميتوكوندريا واستقلاب الطاقة (Liang and Ward ، 2006). تؤدي فسفرة PGC-1α في مواقع مختلفة إلى زيادة النشاط والانتقال اللاحق إلى كل من النواة (Little et al. ، 2010) والميتوكوندريا (Safdar et al. ، 2011) أثناء التمرين الحاد ، حيث تقوم بتجنيد عوامل النسخ المتعددة وتنظيمها يتحكم في التعبير الجيني للعضلات الهيكلية ، بما في ذلك عامل التنفس النووي 1 (NRF-1) ، وعامل الجهاز التنفسي النووي 2 (NRF-2) ، ومستقبلات ألفا ذات الصلة بالإستروجين (ERRα) ، وعامل نسخ الميتوكوندريا A (TFAM) (Egan و Zierath ، 2013 Hawley et al. ، 2014).

بالإضافة إلى ذلك ، تحفز التمارين الحادة أيضًا فسفرة البروتين p53 ، وهو منظم قوي لمحتوى الميتوكوندريا ووظيفتها والتكوين الحيوي (Bartlett et al. ، 2014). حدثت الفسفرة لـ p53 على سيرين 15 ، المرتبط عادةً بزيادة الاستقرار والنشاط ، بالتوازي مع الفسفرة الناتجة عن التمرين الكلاسيكي لكل من AMPK و p38MAPK ، مما يشير إلى أن هذه الكينازات قد تكون بمثابة كينازات المنبع التي تعدل نشاط p53.

أستلة—حددت دراسة البروتينات في ميتوكوندريا كبد الفأر التي قارنت تمارين التحمل المستقرة والقسرية والتحمل القسري بالإضافة إلى مجموعات التعافي لمدة 3 ساعات 277 موقعًا من مواقع الأسيتيل على 133 بروتينًا للميتوكوندريا (سافدار وآخرون ، 2011). تلعب Deacetylases دورًا مهمًا في استقلاب الطاقة. واحدة من ركائز Sirtuin 1 (SIRT1) الأيضية الراسخة هي PGC-1α ، والتي عندما يتم فصلها وتنشيطها ، تؤدي إلى التحول النسخي من الجينات الحالة للجلوكوز في الكبد وبالتالي زيادة إنتاج الجلوكوز في الكبد. في الكبد والعضلات الهيكلية ، يحفز نزع الأسيتيل لـ PGC-1α بواسطة SIRT1 التعبير الجيني عن إنزيمات أكسدة الأحماض الدهنية ، وفي الكبد الصائم ، يحول نزع الأسيتيل هذا استخدام الوقود من الجلوكوز إلى الأحماض الدهنية (جيرهارت-هاينز وآخرون ، 2007 ).

يزيل SIRT1 أيضًا عوامل النسخ الأخرى ، مثل بروتين صندوق الشوكة O1 (FOXO1) ومحول الإشارة ومنشط النسخ 3 (STAT3). Deacetylation لـ FOXO1 ، وهو وسيط حاسم في استقلاب طاقة الجسم بالكامل ، ينشط الجينات المستهدفة المشاركة في تكوين الجلوكوز في خلايا الكبد (روي ، 2014). بالنظر إلى أن PGC-1α يعمل كمحفز لـ FOXO1 ، فإن نزع الأسيتيل لكل من PGC-1α و FOXO1 بواسطة SIRT1 قد يكون له تأثيرات تآزرية على الجينات المستهدفة المشتركة لتوليد السكر. يعمل عامل النسخ STAT3 كمنظم سلبي لتكوين السكر ، مما يثبط تعبير PGC-1α وبالتالي يمنع تكوين الجلوكوز في الكبد. يثبط نزع الأسيتيل من STAT3 بواسطة SIRT1 الفسفرة وانتقاله إلى النواة حيث يقمع التعبير PGC-1α ، ويزول قمعه لتكوين السكر (Nie et al. ، 2009).

التواجد في كل مكان- من العوامل المهمة الأخرى PTM التي تنظم استقلاب طاقة الميتوكوندريا التحلل المعتمد على اليوبيكويتين لبروتينات الميتوكوندريا. يعتمد دوران العديد من بروتينات OXPHOS على نظام ubiquitin-proteasome (UPS). على وجه التحديد ، يعمل التحلل المعتمد على UPS للوحدة الفرعية A لنزع الهيدروجين السكسينات (SDHA) على تعزيز استهلاك الأكسجين المعتمد على SDHA وزيادة مستويات ATP ، والمالات ، والسترات (Lavie et al. ، 2018). أظهرت دراسة أجريت على الرجال الذين تعرضوا لأنماط متباينة من التدريب على التمرين ونوبة واحدة من التمارين التي يتم إجراؤها في الحالة المدربة أن التدريب التقليدي المطول على التحمل والمقاومة سيحفز على حد سواء تنظيم المستويات القاعدية للعلامات الجزيئية UPP كآلية لإعادة تشكيل العضلات للحفاظ عليها. الحجم الأمثل للألياف من النوع الأول. تشير هذه النتائج إلى أن التكيفات الناتجة عن تدريب تمارين التحمل تعتمد بشكل أكبر على عمليات تحلل البروتين UPP أكثر من التكيفات بسبب التدريب على تمارين المقاومة.


تدفق الطاقة.

بدءًا ببعض الأسئلة التشخيصية حول تدفق الطاقة ، يمكن للطلاب رسم خريطة لتعلمهم خلال هذا الدرس أثناء اكتشافهم أين تذهب الطاقة في السلسلة الغذائية ومدى كفاءة هذا التدفق. ينشئ الطلاب الرسوم البيانية لتوضيح هذا التدفق والإجابة على بعض أسئلة أسلوب البكالوريا الدولية. كيف تتدفق الطاقة من الكائن الحي إلى الكائن الحي في شبكة الغذاء ، وأين توجد معظم الطاقة ، ومن يحصل على أكبر قدر من الطاقة؟

للوصول إلى محتويات هذا الموقع بالكامل ، تحتاج إلى تسجيل الدخول أو الاشتراك فيه.


11.3: الطاقة والتمثيل الغذائي - علم الأحياء

في هذا القسم سوف تستكشف الأسئلة التالية:

  • ما هي مسارات التمثيل الغذائي؟
  • ما هي الاختلافات بين المسارات الابتنائية والتقويضية؟
  • كيف تلعب التفاعلات الكيميائية دورًا في نقل الطاقة؟

اتصال لدورات AP ®

تتطلب جميع الأنظمة الحية ، من الخلايا البسيطة إلى النظم البيئية المعقدة ، طاقة مجانية لإجراء عمليات الخلية مثل النمو والتكاثر.

طورت الكائنات الحية استراتيجيات مختلفة لالتقاط وتخزين وتحويل ونقل الطاقة المجانية. يشير التمثيل الغذائي للخلية إلى التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخلها. تتضمن بعض التفاعلات الأيضية تكسير الجزيئات المعقدة إلى جزيئات أبسط مع إطلاق طاقة (تقويض) ، بينما تتطلب تفاعلات التمثيل الغذائي الأخرى طاقة لبناء جزيئات معقدة (استقلاب). والمثال الرئيسي لهذه المسارات هو تخليق وانهيار الجلوكوز.

يدعم المحتوى المقدم في هذا القسم أهداف التعلم الموضحة في Big Idea 1 و Big Idea 2 من إطار منهج AP ® Biology المدرج أدناه. تدمج أهداف التعلم AP ® محتوى المعرفة الأساسية مع واحد أو أكثر من الممارسات العلمية السبعة. توفر هذه الأهداف أساسًا شفافًا لدورة AP ® Biology ، جنبًا إلى جنب مع الخبرات المعملية القائمة على الاستفسار والأنشطة التعليمية وأسئلة اختبار AP ®.

فكرة كبيرة 1 تقود عملية التطور التنوع والوحدة في الحياة.
الفهم الدائم 1. ب الكائنات الحية مرتبطة بخطوط النسب من أصل مشترك.
المعرفة الأساسية 1. ب تشترك الكائنات الحية في العديد من العمليات الأساسية المحفوظة والميزات التي تطورت وتوزع على نطاق واسع بين الكائنات الحية اليوم.
ممارسة العلوم 3.1 يمكن للطالب طرح أسئلة علمية.
هدف التعلم 1.14 يستطيع الطالب طرح أسئلة علمية تحدد بشكل صحيح الخصائص الأساسية لعمليات الحياة الأساسية المشتركة التي توفر نظرة ثاقبة لتاريخ الحياة على الأرض.
المعرفة الأساسية 1. ب تشترك الكائنات الحية في العديد من العمليات الأساسية المحفوظة والميزات التي تطورت وتوزع على نطاق واسع بين الكائنات الحية اليوم.
ممارسة العلوم 7.2 يمكن للطالب ربط المفاهيم في وعبر المجال (المجالات) للتعميم أو الاستقراء في و / أو عبر التفاهمات الدائمة و / أو الأفكار الكبيرة.
هدف التعلم 1.15 الطالب قادر على وصف أمثلة محددة للعمليات البيولوجية الأساسية المحفوظة والميزات المشتركة بين جميع المجالات أو ضمن مجال واحد من الحياة ، وكيف تدعم هذه العمليات والميزات الأساسية المشتركة والمحفوظة مفهوم الأصل المشترك لجميع الكائنات الحية.
المعرفة الأساسية 1. ب تشترك الكائنات الحية في العديد من العمليات الأساسية المحفوظة والميزات التي تطورت وتوزع على نطاق واسع بين الكائنات الحية اليوم.
ممارسة العلوم 6.1 يمكن للطالب تبرير الادعاءات بالأدلة.
هدف التعلم 1.16 الطالب قادر على تبرير الادعاء العلمي بأن الكائنات الحية تشترك في العديد من العمليات الأساسية المحفوظة والميزات التي تطورت وانتشرت على نطاق واسع بين الكائنات الحية اليوم.
فكرة كبيرة 2 تستخدم الأنظمة البيولوجية الطاقة المجانية ولبنات البناء الجزيئية للنمو والتكاثر والحفاظ على التوازن الديناميكي.
الفهم الدائم 2 يتطلب نمو وتكاثر وصيانة النظم الحية طاقة ومادّة حرة.
المعرفة الأساسية 2-أ 1 تتطلب جميع الأنظمة الحية مدخلات ثابتة من الطاقة المجانية.
ممارسة العلوم 6.2 يمكن للطالب بناء تفسيرات للظواهر بناءً على الأدلة المنتجة من خلال الممارسات العلمية.
هدف التعلم 2.1 يستطيع الطالب شرح كيفية استخدام الأنظمة البيولوجية للطاقة المجانية بناءً على البيانات التجريبية التي تتطلب جميع الكائنات الحية مدخلات طاقة ثابتة للحفاظ على التنظيم والنمو والتكاثر.

تحتوي أسئلة تحدي ممارسة العلوم على أسئلة اختبار إضافية لهذا القسم والتي ستساعدك على التحضير لامتحان AP. تتناول هذه الأسئلة المعايير التالية:
[APLO 2.1] [APLO 2.3] [APLO 4.3] [APLO 4.15] [APLO 4.17] [APLO 2.21]

يستخدم العلماء مصطلح الطاقة الحيوية لمناقشة مفهوم تدفق الطاقة (الشكل 6.2) من خلال الأنظمة الحية ، مثل الخلايا. تحدث العمليات الخلوية مثل بناء وتحطيم الجزيئات المعقدة من خلال تفاعلات كيميائية متدرجة. بعض هذه التفاعلات الكيميائية عفوية وتطلق الطاقة ، في حين أن البعض الآخر يحتاج إلى طاقة للمضي قدمًا. تمامًا كما يجب أن تستهلك الكائنات الحية الطعام باستمرار لتجديد ما تم استخدامه ، يجب أن تنتج الخلايا باستمرار المزيد من الطاقة لتجديد تلك المستخدمة في 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.

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 في روابطها. يتم وصف انهيار الجلوكوز ، وهو سكر بسيط ، بالمعادلة:

ترجع أصول الكربوهيدرات المستهلكة إلى كائنات التمثيل الضوئي مثل النباتات (الشكل 6.3). أثناء عملية التمثيل الضوئي ، تستخدم النباتات طاقة ضوء الشمس لتحويل غاز ثاني أكسيد الكربون (CO2) في جزيئات السكر ، مثل الجلوكوز (C6ح12ا6). نظرًا لأن هذه العملية تتضمن تصنيع جزيء أكبر لتخزين الطاقة ، فإنها تتطلب إدخالًا من الطاقة للمضي قدمًا. يتم وصف تركيب الجلوكوز بهذه المعادلة (لاحظ أنه عكس المعادلة السابقة):

أثناء التفاعلات الكيميائية لعملية التمثيل الضوئي ، يتم توفير الطاقة في شكل جزيء عالي الطاقة يسمى ATP ، أو أدينوسين ثلاثي الفوسفات ، وهو عملة الطاقة الأولية لجميع الخلايا. مثلما يتم استخدام الدولار كعملة لشراء السلع ، تستخدم الخلايا جزيئات ATP كعملة للطاقة لأداء عمل فوري. 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 الجلوكوز أثناء تفاعلات التمثيل الضوئي. في عملية التمثيل الضوئي ، يتم تحويل الطاقة الضوئية من الشمس مبدئيًا إلى طاقة كيميائية يتم تخزينها مؤقتًا في الجزيئات الحاملة للطاقة ATP و NADPH (فوسفات النيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد). 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. تشبه هذه العملية تناول وجبة الإفطار في الصباح للحصول على الطاقة اللازمة لجسمك والتي يمكن استخدامها في وقت لاحق من اليوم. في ظل الظروف المثالية ، تكون الطاقة من 18 جزيءًا من ATP مطلوبة لتخليق جزيء واحد من الجلوكوز أثناء تفاعلات التمثيل الضوئي. يمكن أيضًا دمج جزيئات الجلوكوز مع أنواع أخرى من السكريات وتحويلها إلى. عندما يتم استهلاك السكريات ، فإن جزيئات الجلوكوز تشق طريقها في النهاية إلى كل خلية حية في الكائن الحي. داخل الخلية ، يتم تكسير كل جزيء سكر من خلال سلسلة معقدة من التفاعلات الكيميائية. الهدف من هذه التفاعلات هو حصاد الطاقة المخزنة داخل جزيئات السكر. تُستخدم الطاقة المحصودة في صنع جزيئات ATP عالية الطاقة ، والتي يمكن استخدامها لأداء العمل ، وتشغيل العديد من التفاعلات الكيميائية في الخلية. كمية الطاقة اللازمة لصنع جزيء واحد من الجلوكوز من ستة جزيئات من ثاني أكسيد الكربون هي 18 جزيءًا من ATP و 12 جزيءًا من NADPH (كل منها مكافئ بقوة لثلاثة جزيئات من ATP) ، أو إجمالي 54 مكافئ جزيء ATP مطلوب لتخليق جزيء واحد من الجلوكوز. هذه العملية هي طريقة أساسية وفعالة للخلايا لتوليد الطاقة الجزيئية التي تحتاجها.

المسارات الأيضية

توضح عمليات صنع وتحطيم جزيئات السكر نوعين من المسارات الأيضية. المسار الأيضي عبارة عن سلسلة من التفاعلات الكيميائية الحيوية المترابطة التي تقوم بتحويل جزيء الركيزة أو الجزيئات ، خطوة بخطوة ، من خلال سلسلة من الوسائط الأيضية الوسيطة ، مما يؤدي في النهاية إلى إنتاج منتج أو منتجات نهائية. في حالة التمثيل الغذائي للسكر ، فإن المسار الأيضي الأول يصنع السكر من جزيئات أصغر ، والمسار الآخر يقسم السكر إلى جزيئات أصغر. يشار إلى هاتين العمليتين المتعارضتين - الأولى تتطلب الطاقة والثانية إنتاج الطاقة - على أنها مسارات الابتنائية (البناء) والتقويضية (الانهيار) ، على التوالي. وبالتالي ، فإن التمثيل الغذائي يتكون من البناء (الابتنائية) والتدهور (الهدم).

اتصال التطور

تطور مسارات التمثيل الغذائي

هناك ما هو أكثر من تعقيد عملية التمثيل الغذائي من فهم المسارات الأيضية وحدها. يختلف التعقيد الأيضي من كائن حي إلى آخر. التمثيل الضوئي هو المسار الأساسي الذي تقوم فيه كائنات التمثيل الضوئي مثل النباتات (معظم عمليات التخليق العالمي تتم بواسطة الطحالب العوالق) بجمع طاقة الشمس وتحويلها إلى كربوهيدرات. المنتج الثانوي لعملية التمثيل الضوئي هو الأكسجين ، الذي تحتاجه بعض الخلايا لإجراء التنفس الخلوي. أثناء التنفس الخلوي ، يساعد الأكسجين في انهيار تقويضي لمركبات الكربون ، مثل الكربوهيدرات. من بين منتجات هذا الهدم ثاني أكسيد الكربون2 و ATP. بالإضافة إلى ذلك ، تؤدي بعض حقيقيات النوى عمليات تقويضية بدون أكسجين (تخمير) أي أنها تؤدي أو تستخدم التمثيل الغذائي اللاهوائي.

ربما طورت الكائنات الحية الأيض 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 ، فقد وجد الباحثون أن جميع فروع الحياة تشترك في بعض المسارات الأيضية نفسها ، مما يشير إلى أن جميع الكائنات الحية تطورت من نفس السلف المشترك القديم (الشكل 6.4). تشير الدلائل إلى أنه بمرور الوقت ، تباعدت المسارات ، مضيفة إنزيمات متخصصة للسماح للكائنات الحية بالتكيف بشكل أفضل مع بيئتها ، وبالتالي زيادة فرصتها في البقاء على قيد الحياة. ومع ذلك ، يظل المبدأ الأساسي هو أن جميع الكائنات الحية يجب أن تحصد الطاقة من بيئتها وتحويلها إلى ATP للقيام بالوظائف الخلوية.

  1. الأكسجين هو نتيجة ثانوية لعملية التمثيل الضوئي ، لذلك كان هناك القليل جدًا من الأكسجين في الغلاف الجوي حتى تطورت كائنات التمثيل الضوئي.
  2. الأكسجين هو نتيجة ثانوية للتنفس اللاهوائي ، لذلك كان هناك القليل جدًا من الأكسجين في الغلاف الجوي حتى تطورت الكائنات اللاهوائية.
  3. الأكسجين هو نتيجة ثانوية للتخمير ، لذلك كان هناك القليل جدًا من الأكسجين في الغلاف الجوي حتى تطورت الكائنات المخمرة.

المسارات الابتنائية والتقويضية

تتطلب المسارات الابتنائية مدخلات من الطاقة لتجميع الجزيئات المعقدة من الجزيئات الأبسط. تصنيع السكر من أول أكسيد الكربون2 هو أحد الأمثلة. ومن الأمثلة الأخرى تخليق البروتينات الكبيرة من كتل بناء الأحماض الأمينية ، وتوليف خيوط دنا جديدة من اللبنات الأساسية للحمض النووي. تعد عمليات التخليق الحيوي هذه ضرورية لحياة الخلية ، وتحدث باستمرار ، وتتطلب الطاقة التي يوفرها ATP والجزيئات عالية الطاقة الأخرى مثل NADH (نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد) و NADPH (الشكل 6.5).

ATP هو جزيء مهم للخلايا للحصول على إمدادات كافية في جميع الأوقات. يوضح انهيار السكريات كيف يمكن لجزيء واحد من الجلوكوز تخزين طاقة كافية لإنتاج قدر كبير من ATP ، 36 إلى 38 جزيء. 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 تفكيك جزيئات تخزين الطاقة الأخرى ، مثل الدهون ، من خلال تفاعلات تقويضية مماثلة لإطلاق الطاقة وإنشاء ATP (الشكل 6.5).

من المهم معرفة أن التفاعلات الكيميائية للمسارات الأيضية لا تحدث بشكل عفوي. يتم تسهيل أو تحفيز كل خطوة من خطوات التفاعل بواسطة بروتين يسمى الإنزيم. الإنزيمات مهمة لتحفيز جميع أنواع التفاعلات البيولوجية - تلك التي تتطلب طاقة بالإضافة إلى تلك التي تطلق الطاقة.


شاهد الفيديو: حل اسئلة بنك المعرفة على الايض او التمثيل الغذائي (قد 2022).