- بناء
- المميزات
- مصدر الطاقة لنقل الصوديوم والبوتاسيوم عبر الغشاء
- المشاركة في تخليق البروتين
- توفير الطاقة للحركة
- التحلل المائي
- لماذا يحدث هذا الإطلاق للطاقة؟
- الحصول على ATP
- الفسفرة التأكسدية
- الفسفرة على مستوى الركيزة
- دورة ATP
- جزيئات الطاقة الأخرى
- المراجع
و ATP (أدينوسين ثلاثي الفوسفات) هو جزيء عضوي مع السندات ذات الطاقة العالية التي شكلتها حلقة من الأدنين، الريبوز وثلاث مجموعات الفوسفات. له دور أساسي في التمثيل الغذائي ، لأنه ينقل الطاقة اللازمة للحفاظ على سلسلة من العمليات الخلوية تعمل بكفاءة.
وهي معروفة على نطاق واسع بمصطلح "عملة الطاقة" ، حيث إن تكوينها واستخدامها يحدث بسهولة ، مما يسمح لها "بالدفع" بسرعة مقابل التفاعلات الكيميائية التي تتطلب طاقة.
المصدر: بواسطة المستخدم: Mysid (عصامي في bkchem ؛ تم تحريره في perl.) ، عبر ويكيميديا كومنز
على الرغم من أن الجزيء للعين المجردة صغير وبسيط ، إلا أنه يخزن كمية كبيرة من الطاقة في روابطه. مجموعات الفوسفات لها شحنة سالبة ، والتي هي في تنافر مستمر ، مما يجعلها رابطة قابلة للكسر يمكن كسرها بسهولة.
التحلل المائي لـ ATP هو تكسير الجزيء بواسطة وجود الماء. من خلال هذه العملية يتم تحرير الطاقة المحتواة.
هناك نوعان من المصادر الرئيسية لـ ATP: الفسفرة على مستوى الركيزة والفسفرة المؤكسدة ، وهذا الأخير هو الأكثر أهمية والأكثر استخدامًا من قبل الخلية.
تتزاوج الفسفرة المؤكسدة مع أكسدة FADH 2 و NADH + H + في الميتوكوندريا ، وتحدث الفسفرة على مستوى الركيزة خارج سلسلة نقل الإلكترون ، في مسارات مثل تحلل السكر ودورة حمض الكربوكسيل.
هذا الجزيء مسؤول عن توفير الطاقة اللازمة لمعظم العمليات التي تحدث داخل الخلية ، من تخليق البروتين إلى الحركة. بالإضافة إلى ذلك ، فإنه يسمح بمرور الجزيئات عبر الأغشية ويعمل في إشارات الخلية.
بناء
ATP ، كما يوحي اسمه ، هو نيوكليوتيد بثلاثة فوسفات. هيكله الخاص ، وتحديداً روابط البيروفوسفات ، يجعله مركبًا غنيًا بالطاقة. وتتكون من العناصر التالية:
- قاعدة نيتروجينية ، أدينين. قواعد النيتروجين عبارة عن مركبات دورية تحتوي على واحد أو أكثر من النيتروجين في بنيتها. نجدها أيضًا كمكونات في الأحماض النووية ، DNA ، و RNA.
- يقع الريبوز في وسط الجزيء. إنه سكر من نوع البنتوز ، حيث يحتوي على خمس ذرات كربون. صيغته الكيميائية هي C 5 H 10 O 5. يرتبط الكربون 1 من الريبوز بحلقة الأدينين.
- ثلاث جذور فوسفاتية. الأخيران هما "روابط الطاقة العالية" ويتم تمثيلهما في الهياكل الرسومية برمز الإمالة: ~. تعتبر مجموعة الفوسفات من أهم المجموعات البيولوجية. تسمى المجموعات الثلاث ألفا وبيتا وجاما ، من الأقرب إلى الأبعد.
هذا الرابط متقلب للغاية ، لذا فهو ينقسم بسرعة وسهولة وتلقائية عندما تتطلب الظروف الفسيولوجية للجسم ذلك. يحدث هذا لأن الشحنات السالبة لمجموعات الفوسفات الثلاث تحاول باستمرار الابتعاد عن بعضها البعض.
المميزات
يلعب ATP دورًا لا غنى عنه في استقلاب الطاقة لجميع الكائنات الحية تقريبًا. لهذا السبب ، غالبًا ما يشار إليها بعملة الطاقة ، حيث يمكن إنفاقها وتجديدها باستمرار في غضون دقائق قليلة.
بشكل مباشر أو غير مباشر ، يوفر ATP الطاقة لمئات العمليات ، بالإضافة إلى العمل كمانح للفوسفات.
بشكل عام ، يعمل ATP كجزيء إشارة في العمليات التي تحدث داخل الخلية ، فمن الضروري تجميع مكونات DNA و RNA ولتركيب الجزيئات الحيوية الأخرى ، فإنه يشارك في الاتجار من خلال الأغشية ، من بين أمور أخرى.
يمكن تقسيم استخدامات ATP إلى فئات رئيسية: نقل الجزيئات عبر الأغشية البيولوجية ، وتوليف المركبات المختلفة ، وأخيراً العمل الميكانيكي.
وظائف ATP واسعة جدًا. علاوة على ذلك ، فهو متورط في العديد من ردود الفعل بحيث يكون من المستحيل تسميتها جميعًا. لذلك ، سنناقش ثلاثة أمثلة محددة لتمثيل كل من الاستخدامات الثلاثة المذكورة.
مصدر الطاقة لنقل الصوديوم والبوتاسيوم عبر الغشاء
الخلية هي بيئة ديناميكية للغاية تتطلب الحفاظ على تركيزات معينة. لا تدخل معظم الجزيئات الخلية بشكل عشوائي أو عن طريق الصدفة. لكي يدخل جزيء أو مادة ، يجب أن يفعل ذلك بواسطة ناقله المحدد.
الناقلات عبارة عن بروتينات تمتد عبر الأغشية وتعمل بمثابة "حراس بوابة" للخلية ، وتتحكم في تدفق المواد. لذلك ، فإن الغشاء شبه نافذ: فهو يسمح بدخول بعض المركبات والبعض الآخر لا يسمح بذلك.
تعد مضخة الصوديوم والبوتاسيوم من أشهر وسائل النقل المعروفة. تصنف هذه الآلية على أنها نقل نشط ، حيث أن حركة الأيونات تحدث ضد تركيزاتها والطريقة الوحيدة لتنفيذ هذه الحركة هي عن طريق إدخال الطاقة في النظام ، على شكل ATP.
تشير التقديرات إلى أن ثلث ATP المتكون في الخلية يستخدم للحفاظ على نشاط المضخة. يتم ضخ أيونات الصوديوم باستمرار خارج الخلية ، بينما يتم ضخ أيونات البوتاسيوم في الاتجاه المعاكس.
منطقيا ، لا يقتصر استخدام ATP على نقل الصوديوم والبوتاسيوم. هناك أيونات أخرى ، مثل الكالسيوم والمغنيسيوم وغيرها ، التي تحتاج إلى عملة الطاقة هذه للدخول.
المشاركة في تخليق البروتين
تتكون جزيئات البروتين من أحماض أمينية مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط ببتيدية. لتشكيلها يتطلب كسر أربعة روابط عالية الطاقة. بمعنى آخر ، يجب تحلل عدد كبير من جزيئات ATP لتشكيل بروتين متوسط الطول.
يحدث تخليق البروتين في هياكل تسمى الريبوسومات. هؤلاء قادرون على تفسير الشفرة التي يمتلكها الرنا المرسال وترجمتها إلى سلسلة من الأحماض الأمينية ، وهي عملية تعتمد على ATP.
في أكثر الخلايا نشاطًا ، يمكن أن يوجه تخليق البروتين ما يصل إلى 75٪ من ATP المركب في هذا العمل المهم.
من ناحية أخرى ، لا تقوم الخلية بتجميع البروتينات فحسب ، بل تحتاج أيضًا إلى الدهون والكوليسترول والمواد الأساسية الأخرى ، وللقيام بذلك تتطلب الطاقة الموجودة في روابط ATP.
توفير الطاقة للحركة
يعتبر العمل الميكانيكي من أهم وظائف ATP. على سبيل المثال ، لكي تكون أجسامنا قادرة على القيام بتقلص ألياف العضلات ، فإن توافر كميات كبيرة من الطاقة ضروري.
في العضلات ، يمكن تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة ميكانيكية بفضل إعادة تنظيم البروتينات مع القدرة على الانقباض الذي يشكلها. يتم تعديل طول هذه الهياكل وتقصيرها مما يخلق توترًا يترجم إلى توليد الحركة.
في الكائنات الحية الأخرى ، تحدث حركة الخلايا أيضًا بفضل وجود ATP. على سبيل المثال ، تحدث حركة الأهداب والأسواط التي تسمح بإزاحة بعض الكائنات الحية أحادية الخلية من خلال استخدام ATP.
حركة أخرى معينة هي الحركة الأميبية التي تنطوي على بروز pseudopod في نهايات الخلية. تستخدم عدة أنواع من الخلايا آلية الحركة هذه ، بما في ذلك الكريات البيض والخلايا الليفية.
في حالة الخلايا الجرثومية ، فإن الحركة ضرورية للتطور الفعال للجنين. تسافر الخلايا الجنينية مسافات مهمة من مكان نشأتها إلى المنطقة حيث يجب أن تنشأ هياكل محددة.
التحلل المائي
التحلل المائي لـ ATP هو تفاعل ينطوي على انهيار الجزيء بواسطة وجود الماء. يتم تمثيل رد الفعل على النحو التالي:
ATP + ماء ⇋ ADP + P i + طاقة. حيث يشير المصطلح P i إلى مجموعة الفوسفات غير العضوية و ADP هو ثنائي فوسفات الأدينوزين. لاحظ أن رد الفعل قابل للعكس.
التحلل المائي لـ ATP هو ظاهرة تنطوي على إطلاق كمية هائلة من الطاقة. يؤدي كسر أي من روابط البيروفوسفات إلى إطلاق 7 كيلو كالوري لكل مول - على وجه التحديد 7.3 من ATP إلى ADP و 8.2 لإنتاج الأدينوزين أحادي الفوسفات (AMP) من ATP. هذا يعادل 12000 سعرة حرارية لكل مول من ATP.
لماذا يحدث هذا الإطلاق للطاقة؟
لأن منتجات التحلل المائي أكثر ثباتًا من المركب الأولي ، أي ATP.
وتجدر الإشارة إلى أن التحلل المائي الذي يحدث على روابط البيروفوسفات فقط الذي يؤدي إلى تكوين ADP أو AMP يؤدي إلى توليد الطاقة بكميات كبيرة.
لا يوفر التحلل المائي للروابط الأخرى في الجزيء قدرًا كبيرًا من الطاقة ، باستثناء التحلل المائي لبيروفوسفات غير العضوي ، الذي يحتوي على كمية كبيرة من الطاقة.
يتم استخدام إطلاق الطاقة من هذه التفاعلات لإجراء تفاعلات التمثيل الغذائي داخل الخلية ، نظرًا لأن العديد من هذه العمليات تحتاج إلى طاقة لتعمل ، سواء في الخطوات الأولية لمسارات التحلل أو في التخليق الحيوي للمركبات..
على سبيل المثال ، في عملية التمثيل الغذائي للجلوكوز ، تتضمن الخطوات الأولية فسفرة الجزيء. في الخطوات التالية ، يتم إنشاء ATP جديد للحصول على صافي ربح إيجابي.
من وجهة نظر الطاقة ، هناك جزيئات أخرى تكون طاقة إطلاقها أكبر من طاقة ATP ، بما في ذلك 1.3-bisphosphoglycerate و carbamylphosphate و creatinine phosphate و phosphoenolpyruvate.
الحصول على ATP
يمكن الحصول على ATP بطريقتين: الفسفرة المؤكسدة والفسفرة على مستوى الركيزة. الأول يتطلب الأكسجين بينما لا يحتاج الأخير. حوالي 95 ٪ من ATP المتكون يحدث في الميتوكوندريا.
الفسفرة التأكسدية
تتضمن عملية الفسفرة المؤكسدة عملية أكسدة المغذيات على مرحلتين: الحصول على أنزيمات مخفضة NADH و FADH 2 مشتقة من الفيتامينات.
يتطلب تقليل هذه الجزيئات استخدام الهيدروجين من العناصر الغذائية. في الدهون ، يعد إنتاج الإنزيمات المساعدة أمرًا رائعًا ، وذلك بفضل الكمية الهائلة من الهيدروجين الموجودة في بنيتها ، مقارنة بالببتيدات أو الكربوهيدرات.
على الرغم من وجود العديد من مسارات إنتاج الإنزيم المساعد ، إلا أن المسار الأكثر أهمية هو دورة كريبس. بعد ذلك ، تتركز الإنزيمات المساعدة المختصرة في سلاسل الجهاز التنفسي الموجودة في الميتوكوندريا ، والتي تنقل الإلكترونات إلى الأكسجين.
تتكون سلسلة نقل الإلكترون من سلسلة من البروتينات المقترنة بالغشاء والتي تضخ البروتونات (H +) إلى الخارج (انظر الصورة). تدخل هذه البروتونات وتعبر الغشاء مرة أخرى عن طريق بروتين آخر ، سينسيز ATP ، المسؤول عن تخليق ATP.
بمعنى آخر ، علينا تقليل الإنزيمات المساعدة ، فالمزيد من ADP والأكسجين يولدان الماء و ATP.
المصدر: بقلم Bustamante Yess ، من ويكيميديا كومنز
الفسفرة على مستوى الركيزة
إن عملية الفسفرة على مستوى الركيزة ليست بنفس أهمية الآلية الموضحة أعلاه ، ولأنها لا تتطلب جزيئات الأكسجين ، فإنها ترتبط غالبًا بالتخمير. بهذه الطريقة ، على الرغم من أنها سريعة جدًا ، إلا أنها تستخرج القليل من الطاقة ، إذا قارناها بعملية الأكسدة ، فستكون أقل بحوالي خمسة عشر مرة.
تحدث عمليات التخمير في أجسامنا على مستوى العضلات. يمكن أن يعمل هذا النسيج بدون أكسجين ، لذلك من الممكن أن يتحلل جزيء الجلوكوز إلى حمض اللاكتيك (عندما نقوم ببعض الأنشطة الرياضية الشاملة ، على سبيل المثال).
في عمليات التخمير ، لا يزال المنتج النهائي يحتوي على إمكانات طاقة يمكن استخلاصها. في حالة التخمير في العضلات ، تكون الكربون في حمض اللاكتيك في نفس مستوى الاختزال مثل تلك الموجودة في الجزيء الأولي: الجلوكوز.
وهكذا ، يحدث إنتاج الطاقة عن طريق تكوين الجزيئات التي لها روابط عالية الطاقة ، بما في ذلك 1.3-bisphosphoglyrate و phosphoenolpyruvate.
في التحلل السكري ، على سبيل المثال ، يرتبط التحلل المائي لهذه المركبات بإنتاج جزيئات ATP ، ومن هنا جاء مصطلح "على مستوى الركيزة".
دورة ATP
لا يتم تخزين ATP أبدًا. إنه في دورة مستمرة من الاستخدام والتوليف. هذا يخلق توازنًا بين ATP المتكون ومنتجها المائي ، ADP.
المصدر: بقلم Muessig ، من ويكيميديا كومنز
جزيئات الطاقة الأخرى
ATP ليس الجزيء الوحيد المكون من ثنائي فوسفات النيوكليوزيد الموجود في التمثيل الغذائي الخلوي. هناك عدد من الجزيئات ذات الهياكل المشابهة لـ ATP التي لها سلوك طاقة مماثل ، على الرغم من أنها ليست شائعة مثل ATP.
المثال الأبرز هو GTP ، guanosine triphosphate ، والذي يستخدم في دورة Krebs المعروفة وفي مسار تكوين الجلوكوز. البعض الآخر أقل استخدامًا هو CTP و TTP و UTP.
المراجع
- جايتون ، إيه سي ، وهال ، جي إي (2000). كتاب علم وظائف الأعضاء البشرية.
- هول ، جي إي (2017). رسالة جايتون إي هول في علم وظائف الأعضاء الطبي. إلسفير البرازيل.
- هيرنانديز ، إيه جي دي (2010). رسالة في التغذية: التركيب والجودة الغذائية للأطعمة. عموم أمريكا الطبية Ed.
- ليم ، ماي (2010). أساسيات التمثيل الغذائي والتغذية. إلسفير.
- برات ، سي دبليو ، وكاثلين ، سي (2012). الكيمياء الحيوية. التحرير دليل موديرنو.
- Voet ، D. ، Voet ، JG ، & Pratt ، CW (2007). أساسيات الكيمياء الحيوية. افتتاحية Médica Panaméricana.