الابتنائية: الوظائف والعمليات والاختلافات مع الهدم - مادة الاحياء - 2025

في ابتناء هو تقسيم التمثيل الغذائي بما في ذلك ردود الفعل تشكيل الجزيئات الكبيرة من الصغيرة. لكي تحدث هذه السلسلة من التفاعلات ، من الضروري وجود مصدر للطاقة ، وبشكل عام ، يكون ATP (أدينوزين ثلاثي الفوسفات).

يتم تجميع عملية الابتنائية ، ومعكوسها الأيضي ، وتقويضها ، في سلسلة من التفاعلات تسمى المسارات الأيضية أو المسارات التي تنظمها وتنظمها الهرمونات أساسًا. يتم التحكم في كل خطوة صغيرة بحيث يحدث النقل التدريجي للطاقة.

المصدر: www.publicdomainpictures.net

يمكن أن تأخذ العمليات الابتنائية الوحدات الأساسية التي تتكون منها الجزيئات الحيوية - الأحماض الأمينية والأحماض الدهنية والنيوكليوتيدات ومونومرات السكر - وتنتج مركبات أكثر تعقيدًا ، مثل البروتينات والدهون والأحماض النووية والكربوهيدرات كمنتجين نهائي للطاقة.

المميزات

التمثيل الغذائي هو مصطلح يشمل جميع التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل الجسم. تشبه الخلية مصنعًا مجهريًا حيث تحدث تفاعلات التوليف والتحلل باستمرار.

الهدفان من التمثيل الغذائي هما: أولاً ، استخدام الطاقة الكيميائية المخزنة في الطعام ، وثانيًا ، استبدال الهياكل أو المواد التي لم تعد تعمل في الجسم. تحدث هذه الأحداث وفقًا للاحتياجات المحددة لكل كائن حي ويتم توجيهها بواسطة رسل كيميائي يسمى الهرمونات.

تأتي الطاقة بشكل أساسي من الدهون والكربوهيدرات التي نستهلكها في الطعام. في حالة وجود نقص ، يمكن للجسم استخدام البروتين لتعويض النقص.

أيضًا ، ترتبط عمليات التجديد ارتباطًا وثيقًا بعملية الابتنائية. تجديد الأنسجة شرط لا غنى عنه للحفاظ على صحة الجسم والعمل بشكل صحيح. الابتنائية هي المسؤولة عن إنتاج جميع المركبات الخلوية التي تحافظ على عملها.

هناك توازن دقيق في الخلية بين عمليات التمثيل الغذائي. يمكن تقسيم الجزيئات الكبيرة إلى أصغر مكوناتها عن طريق تفاعلات تقويضية ويمكن أن تحدث العملية العكسية - من الصغيرة إلى الكبيرة - من خلال الابتنائية.

عمليات الابتنائية

يشمل التمثيل الغذائي ، بشكل عام ، جميع التفاعلات المحفزة بواسطة الإنزيمات (جزيئات البروتين الصغيرة التي تسرع سرعة التفاعلات الكيميائية بعدة أوامر من حيث الحجم) المسؤولة عن "بناء" أو تخليق المكونات الخلوية.

تتضمن النظرة العامة للمسارات الابتنائية الخطوات التالية: الجزيئات البسيطة التي تشارك كمواد وسيطة في دورة كريبس إما مُحسَّنة أو تتحول كيميائيًا إلى أحماض أمينية. يتم تجميعها لاحقًا في جزيئات أكثر تعقيدًا.

تتطلب هذه العمليات طاقة كيميائية قادمة من التقويض. من بين أهم العمليات الابتنائية: تخليق الأحماض الدهنية ، تخليق الكوليسترول ، تخليق الحمض النووي (DNA و RNA) ، تخليق البروتين ، تخليق الجليكوجين ، تخليق الأحماض الأمينية.

سيتم وصف دور هذه الجزيئات في الجسم وطرق تركيبها بإيجاز أدناه:

تخليق الأحماض الدهنية

الدهون هي جزيئات حيوية غير متجانسة بشكل كبير قادرة على توليد كمية كبيرة من الطاقة عند الأكسدة ، وخاصة جزيئات ثلاثي الجلسرين.

الأحماض الدهنية هي الدهون النموذجية. وهي مكونة من رأس وذيل مصنوع من الهيدروكربونات. يمكن أن تكون هذه غير مشبعة أو مشبعة ، اعتمادًا على ما إذا كان لديهم روابط مزدوجة على الذيل أم لا.

الدهون هي المكونات الأساسية لجميع الأغشية البيولوجية ، بالإضافة إلى مشاركتها كمادة احتياطية.

يتم تصنيع الأحماض الدهنية في سيتوبلازم الخلية من جزيء طليعي يسمى malonyl-CoA ، مشتق من acetyl-CoA وبيكربونات. يتبرع هذا الجزيء بثلاث ذرات كربون لبدء نمو الأحماض الدهنية.

بعد تكوين malonil ، يستمر تفاعل التوليف في أربع خطوات أساسية:

- تكثيف acetyl-ACP مع malonyl-ACP ، وهو تفاعل ينتج acetoacetyl-ACP ويطلق ثاني أكسيد الكربون كمادة نفايات.

- الخطوة الثانية هي تقليل acetoacetyl-ACP بواسطة NADPH إلى D-3-hydroxybutyryl-ACP.

- يحدث تفاعل تجفيف لاحق يحول المنتج السابق (D-3-hydroxybutyryl-ACP) إلى crotonyl-ACP.

- أخيرًا ، يتم تقليل كروتونيل- ACP والمنتج النهائي هو butyryl-ACP.

تخليق الكوليسترول

الكوليسترول هو ستيرول مع نواة ستيرانس نموذجية من 17 كربون. له أدوار مختلفة في علم وظائف الأعضاء ، لأنه يعمل كمقدمة لمجموعة متنوعة من الجزيئات مثل الأحماض الصفراوية والهرمونات المختلفة (بما في ذلك الهرمونات الجنسية) وهو ضروري لتركيب فيتامين د.

يحدث التوليف في سيتوبلازم الخلية ، وبشكل أساسي في خلايا الكبد. يحتوي هذا المسار الابتنائي على ثلاث مراحل: أولاً يتم تشكيل وحدة الأيزوبرين ، ثم يحدث الاستيعاب التدريجي للوحدات لتكوين السكوالين ، ويمر هذا إلى اللانوستيرول وأخيراً يتم الحصول على الكوليسترول.

يتم تنظيم نشاط الإنزيمات في هذا المسار بشكل أساسي من خلال النسبة النسبية لهرمونات الأنسولين: الجلوكاجون. مع زيادة هذه النسبة ، يزيد نشاط المسار بشكل متناسب.

تخليق النوكليوتيدات

الأحماض النووية هي DNA و RNA ، يحتوي الأول على جميع المعلومات اللازمة لتطوير وصيانة الكائنات الحية ، بينما يكمل الثاني وظائف DNA.

يتكون كل من DNA و RNA من سلاسل طويلة من البوليمرات التي تعتبر النيوكليوتيدات وحدتها الأساسية. تتكون النيوكليوتيدات بدورها من سكر ومجموعة فوسفات وقاعدة نيتروجينية. سلف البيورينات والبيريميدينات هي ريبوز -5-فوسفات.

يتم إنتاج البيورينات والبيريميدينات في الكبد من المواد الأولية مثل ثاني أكسيد الكربون والجليسين والأمونيا وغيرها.

تخليق الحمض النووي

يجب ربط النيوكليوتيدات في سلاسل طويلة من DNA أو RNA من أجل أداء وظيفتها البيولوجية. تتضمن العملية سلسلة من الإنزيمات التي تحفز التفاعلات.

الإنزيم المسؤول عن نسخ الحمض النووي لتوليد المزيد من جزيئات الحمض النووي ذات التسلسل المتماثل هو بوليميراز الحمض النووي. لا يمكن لهذا الإنزيم بدء تخليق de novo ، لذلك يجب مشاركة قطعة صغيرة من DNA أو RNA تسمى التمهيدي ، مما يسمح بتكوين السلسلة.

يتطلب هذا الحدث مشاركة إنزيمات إضافية. يساعد الهيليكس ، على سبيل المثال ، على فتح الحلزون المزدوج للحمض النووي بحيث يمكن للبوليميراز أن يعمل ويكون الإيزوميراز العلوي قادرًا على تعديل طوبولوجيا الحمض النووي ، إما عن طريق تشابكه أو فك تشابكه.

وبالمثل ، يشارك RNA polymerase في تخليق RNA من جزيء DNA. على عكس العملية السابقة ، لا يتطلب تخليق الحمض النووي الريبي التمهيدي المذكور.

تخليق البروتين

يعد تخليق البروتين حدثًا حاسمًا في جميع الكائنات الحية. تؤدي البروتينات مجموعة متنوعة من الوظائف ، مثل نقل المواد أو لعب دور البروتينات الهيكلية.

وفقًا لـ "العقيدة" المركزية للبيولوجيا ، بعد نسخ الحمض النووي إلى الرنا المرسال (كما هو موصوف في القسم السابق) ، يتم ترجمته بدوره بواسطة الريبوسومات إلى بوليمر من الأحماض الأمينية. في RNA ، يتم تفسير كل ثلاثية (ثلاثة نيوكليوتيدات) على أنها واحدة من عشرين حمضًا أمينيًا.

يحدث التوليف في سيتوبلازم الخلية ، حيث توجد الريبوسومات. تحدث العملية في أربع مراحل: التنشيط ، والبدء ، والاستطالة ، والإنهاء.

يتكون التنشيط من ارتباط حمض أميني معين بنقل RNA المقابل. يتضمن البدء ربط الريبوسوم بالجزء الطرفي 3 من الرنا المرسال ، بمساعدة "عوامل البدء".

يتضمن الاستطالة إضافة الأحماض الأمينية وفقًا لرسالة RNA. أخيرًا ، تتوقف العملية بتسلسل محدد في الرنا المرسال ، يسمى الواقي الذكري النهائي: UAA أو UAG أو UGA.

تخليق الجليكوجين

الجليكوجين هو جزيء يتكون من وحدات الجلوكوز المتكررة. يعمل كمواد احتياطي للطاقة وهو موجود في الغالب في الكبد والعضلات.

يُطلق على مسار التوليف اسم تكوين الجليكوجين ويتطلب مشاركة إنزيم الجليكوجين سينثيز و ATP و UTP. يبدأ المسار بفسفرة الجلوكوز إلى جلوكوز 6 فوسفات ثم إلى الجلوكوز 1 فوسفات. تتضمن الخطوة التالية إضافة UDP لإنتاج الجلوكوز UDP والفوسفات غير العضوي.

يضيف جزيء الجلوكوز UDP إلى سلسلة الجلوكوز عبر رابطة ألفا 1-4 ، مما يؤدي إلى إطلاق نوكليوتيد UDP. في حالة حدوث الفروع ، يتم تشكيلها بواسطة روابط ألفا 1-6.

تخليق الأحماض الأمينية

الأحماض الأمينية هي وحدات تتكون من البروتينات. يوجد في الطبيعة 20 نوعًا ، لكل منها خصائص فيزيائية وكيميائية فريدة تحدد الخصائص النهائية للبروتين.

لا تستطيع جميع الكائنات الحية تجميع جميع الأنواع العشرين. على سبيل المثال ، يمكن للبشر تخليق 11 فقط ، يجب دمج التسعة المتبقية في النظام الغذائي.

كل حمض أميني له مساره الخاص. ومع ذلك ، فهي تأتي من جزيئات سليفة مثل alpha-ketoglutarate و oxaloacetate و 3-phosphoglycerate و pyruvate وغيرها.

تنظيم الابتنائية

كما ذكرنا سابقًا ، يتم تنظيم عملية التمثيل الغذائي بواسطة مواد تسمى الهرمونات ، تفرزها أنسجة متخصصة ، إما غدية أو ظهارية. هذه تعمل كمراسلين وطبيعتها الكيميائية غير متجانسة تمامًا.

على سبيل المثال ، الأنسولين هو هرمون يفرزه البنكرياس وله تأثير كبير على عملية التمثيل الغذائي. بعد الوجبات عالية الكربوهيدرات ، يعمل الأنسولين كمنشط للمسارات الابتنائية.

وبالتالي ، فإن الهرمون مسؤول عن تنشيط العمليات التي تسمح بتخليق مواد التخزين مثل الدهون أو الجليكوجين.

هناك فترات من الحياة تسود فيها عمليات الابتنائية ، مثل الطفولة أو المراهقة أو أثناء الحمل أو أثناء التدريب الذي يركز على نمو العضلات.

الاختلافات مع الهدم

تُعرف جميع العمليات والتفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل أجسامنا - وتحديداً داخل خلايانا - عالميًا باسم التمثيل الغذائي. يمكننا أن ننمي ، ونطور ، ونتكاثر ، ونحافظ على حرارة الجسم بفضل هذه السلسلة من الأحداث شديدة التحكم.

التوليف مقابل التدهور

يتضمن التمثيل الغذائي استخدام الجزيئات الحيوية (البروتينات والكربوهيدرات والدهون أو الدهون والأحماض النووية) للحفاظ على جميع التفاعلات الأساسية للنظام الحي.

الحصول على هذه الجزيئات يأتي من الطعام الذي نتناوله كل يوم ويمكن لجسمنا "تفتيتها" إلى وحدات أصغر أثناء عملية الهضم.

على سبيل المثال ، يتم تقسيم البروتينات (التي يمكن أن تأتي من اللحوم أو البيض ، على سبيل المثال) إلى مكوناتها الرئيسية: الأحماض الأمينية. وبنفس الطريقة ، يمكننا معالجة الكربوهيدرات إلى وحدات أصغر من السكر ، الجلوكوز عمومًا ، وهو أحد الكربوهيدرات الأكثر استخدامًا في أجسامنا.

جسمنا قادر على استخدام هذه الوحدات الصغيرة - الأحماض الأمينية ، والسكريات ، والأحماض الدهنية ، وغيرها - لبناء جزيئات أكبر جديدة في التكوين الذي يحتاجه الجسم.

تسمى عملية التفكك والحصول على الطاقة الهدم ، في حين أن تكوين جزيئات جديدة أكثر تعقيدًا هو الابتنائية. وهكذا ، ترتبط عمليات التوليف مع عمليات الابتنائية والتدهور مع الهدم.

كقاعدة للذاكرة يمكننا استخدام "c" في كلمة catabolism وربطها بكلمة "cut".

استخدام الطاقة

تتطلب العمليات الابتنائية طاقة ، بينما تنتج عمليات التحلل هذه الطاقة ، بشكل أساسي في شكل ATP - المعروف باسم عملة الطاقة في الخلية.

هذه الطاقة تأتي من عمليات تقويضية. دعنا نتخيل أن لدينا مجموعة من الأوراق ، إذا كان لدينا جميع البطاقات مكدسة بدقة وقمنا برميها على الأرض ، فإنها تفعل ذلك تلقائيًا (على غرار الهدم).

ومع ذلك ، في حال أردنا ترتيبها مرة أخرى ، يجب أن نطبق الطاقة على النظام ونجمعها من الأرض (على غرار الابتنائية).

في بعض الحالات ، تحتاج المسارات التقويضية إلى "حقن للطاقة" في خطواتها الأولى لبدء العملية. على سبيل المثال ، تحلل الجلوكوز أو تحلل الجلوكوز هو تحلل الجلوكوز. يتطلب هذا المسار استخدام جزيئين من ATP للبدء.

التوازن بين الابتنائية والتقويض

للحفاظ على التمثيل الغذائي الصحي والكافي من الضروري أن يكون هناك توازن بين عمليات الأيض والهدم. في حالة تجاوز عمليات الابتنائية عمليات الهدم ، فإن أحداث التوليف هي التي تسود. في المقابل ، عندما يتلقى الجسم طاقة أكثر من اللازم ، تسود مسارات تقويضية.

عندما يعاني الجسم من الشدائد ، يطلق عليها المرض أو فترات الصيام لفترات طويلة ، يركز التمثيل الغذائي على مسارات التدهور ويدخل في حالة تقويضية.

المصدر: بقلم أليخاندرو بورتو ، من ويكيميديا ​​كومنز

المراجع

1. Chan ، YK ، Ng ، KP ، & Sim ، DSM (محرران). (2015). الأساس الدوائي للرعاية الحادة. Springer الدولية للنشر.
2. كورتيس ، هـ. ، وبارنز ، إن إس (1994). دعوة إلى علم الأحياء. ماكميلان.
3. لوديش ، هـ. ، بيرك ، أ. ، دارنيل ، جي إي ، كايزر ، كاليفورنيا ، كريجر ، إم ، سكوت ، إم بي ،… وماتسودايرا ، ب. (2008). بيولوجيا الخلية الجزيئية. ماكميلان.
4. رونزيو ، RA (2003). موسوعة التغذية والصحة الجيدة. نشر Infobase.
5. Voet، D.، Voet، J.، & Pratt، CW (2007). أسس الكيمياء الحيوية: الحياة على المستوى الجزيئي. عموم أمريكا الطبية Ed.