طرق التمثيل الغذائي: الأنواع والطرق الرئيسية - مادة الاحياء - 2025

و المسار الأيضي عبارة عن مجموعة من التفاعلات الكيميائية، التي حفزتها الانزيمات. في هذه العملية ، يتحول الجزيء X إلى جزيء Y ، عن طريق المستقلبات الوسيطة. تحدث مسارات التمثيل الغذائي في البيئة الخلوية.

خارج الخلية ، قد تستغرق هذه التفاعلات وقتًا طويلاً ، وقد لا يحدث بعضها. لذلك ، تتطلب كل خطوة وجود بروتينات محفزة تسمى الإنزيمات. يتمثل دور هذه الجزيئات في تسريع سرعة كل تفاعل داخل المسار بعدة أوامر من حيث الحجم.

طرق التمثيل الغذائي الرئيسية

المصدر: Chakazul (نقاش · مساهمات) ، عبر ويكيميديا ​​كومنز.

من الناحية الفسيولوجية ، ترتبط المسارات الأيضية ببعضها البعض. أي أنهم ليسوا معزولين داخل الخلية. تشترك العديد من أهم المسارات في المستقلبات.

وبالتالي ، فإن مجموعة التفاعلات الكيميائية التي تحدث في الخلايا تسمى التمثيل الغذائي. تتميز كل خلية بإظهار أداء أيضي محدد ، والذي يتم تحديده من خلال محتوى الإنزيمات الموجودة داخلها ، والتي بدورها يتم تحديدها وراثيًا.

الخصائص العامة لمسارات التمثيل الغذائي

داخل البيئة الخلوية ، يحدث عدد كبير من التفاعلات الكيميائية. مجموعة هذه التفاعلات هي التمثيل الغذائي ، والوظيفة الرئيسية لهذه العملية هي الحفاظ على توازن الجسم في ظل الظروف العادية ، وكذلك في ظل ظروف الإجهاد.

وبالتالي ، يجب أن يكون هناك توازن في تدفقات هذه المستقلبات. من بين الخصائص الرئيسية لمسارات التمثيل الغذائي لدينا ما يلي:

يتم تحفيز التفاعلات بواسطة الإنزيمات

رد فعل محفز بواسطة إنزيمات انزيمات الأكسدة الحلقية (المصدر: Pancrat عبر ويكيميديا ​​كومنز)

أبطال المسارات الأيضية هم الإنزيمات. إنهم مسؤولون عن دمج وتحليل المعلومات المتعلقة بالحالة الأيضية وقادرون على تعديل نشاطهم بناءً على المتطلبات الخلوية في الوقت الحالي.

يتم تنظيم التمثيل الغذائي عن طريق الهرمونات

يتم توجيه عملية التمثيل الغذائي من خلال سلسلة من الهرمونات القادرة على تنسيق التفاعلات الأيضية ، مع مراعاة احتياجات الجسم وأدائه.

التقسيم

هناك تجزئة لمسارات التمثيل الغذائي. أي أن كل مسار يحدث في حجرة خلوية محددة ، نسميها السيتوبلازم ، الميتوكوندريا ، من بين أمور أخرى. يمكن أن تحدث مسارات أخرى في عدة مقصورات في وقت واحد.

يساعد تقسيم المسارات في تنظيم المسارات الابتنائية والتقويضية (انظر أدناه).

تنسيق تدفق التمثيل الغذائي

يتم تحقيق تنسيق التمثيل الغذائي من خلال استقرار نشاط الإنزيمات المعنية. وتجدر الإشارة إلى أن المسارات الابتنائية ونظيراتها التقويضية ليست مستقلة تمامًا. في المقابل ، يتم تنسيقها.

هناك نقاط إنزيمية رئيسية في مسارات التمثيل الغذائي. مع معدل تحويل هذه الإنزيمات ، يتم تنظيم التدفق الكامل للمسار.

أنواع مسارات التمثيل الغذائي

في الكيمياء الحيوية ، هناك ثلاثة أنواع رئيسية من المسارات الأيضية. يتم تنفيذ هذا التقسيم وفقًا لمعايير الطاقة الحيوية: طرق تقويضية ، بنائية ، أمفيبول.

طرق تقويضية

تشمل المسارات التقويضية تفاعلات التحلل التأكسدي. يتم إجراؤها من أجل الحصول على الطاقة وتقليل الطاقة ، والتي ستستخدمها الخلية لاحقًا في تفاعلات أخرى.

لا يتم تصنيع معظم الجزيئات العضوية من قبل الجسم. في المقابل ، يجب أن نستهلكه من خلال الطعام. في التفاعلات التقويضية ، تتحلل هذه الجزيئات إلى المونومرات التي تتكون منها ، والتي يمكن أن تستخدمها الخلايا.

طرق الابتنائية

تشتمل المسارات الابتنائية على التفاعلات الكيميائية للتوليف ، مع أخذ جزيئات صغيرة وبسيطة وتحويلها إلى عناصر أكبر وأكثر تعقيدًا.

لكي تحدث هذه التفاعلات ، يجب توفير الطاقة. من اين تاتي هذه الطاقة؟ من المسارات التقويضية ، في المقام الأول في شكل ATP.

بهذه الطريقة ، يمكن استخدام المستقلبات التي تنتجها المسارات التقويضية (والتي تسمى عالميًا "تجمع المستقلبات") في مسارات الابتنائية من أجل تصنيع جزيئات أكثر تعقيدًا يحتاجها الجسم في الوقت الحالي.

من بين هذه المجموعة من المستقلبات ، هناك ثلاثة جزيئات رئيسية للعملية: البيروفات ، وأسيتيل الإنزيم المساعد أ ، والجلسرين. هذه المستقلبات مسؤولة عن ربط عملية التمثيل الغذائي للجزيئات الحيوية المختلفة ، مثل الدهون والكربوهيدرات وغيرها.

طرق برمائية

يعمل مسار الأمفيبول كمسار ابتنائي أو تقويضي. أي أنه طريق مختلط.

أفضل مسار أمفيبول معروف هو دورة كريبس. هذا الطريق له دور أساسي في تحلل الكربوهيدرات والدهون والأحماض الأمينية. ومع ذلك ، فهي تشارك أيضًا في إنتاج السلائف للطرق الاصطناعية.

على سبيل المثال ، تعتبر مستقلبات دورة كريبس مقدمة لنصف الأحماض الأمينية المستخدمة في بناء البروتينات.

المسارات الأيضية الرئيسية

في جميع الخلايا التي تشكل جزءًا من الكائنات الحية ، يتم تنفيذ سلسلة من المسارات الأيضية. تشترك معظم الكائنات الحية في بعضها.

تتضمن مسارات التمثيل الغذائي هذه تخليق وتدهور وتحويل المستقلبات الحرجة للحياة. تُعرف هذه العملية برمتها باسم التمثيل الغذائي الوسيط.

تحتاج الخلايا بشكل دائم إلى مركبات عضوية وغير عضوية ، وكذلك طاقة كيميائية يتم الحصول عليها بشكل أساسي من جزيء ATP.

ATP (أدينوسين ثلاثي الفوسفات) هو أهم أشكال تخزين الطاقة في جميع الخلايا. وغالبًا ما يتم التعبير عن مكاسب الطاقة واستثمارات المسارات الأيضية من حيث جزيئات ATP.

ستتم مناقشة أهم المسارات الموجودة في الغالبية العظمى من الكائنات الحية أدناه.

تحلل السكر أو تحلل السكر

الشكل 1: تحلل السكر مقابل استحداث السكر. ردود الفعل والانزيمات المعنية.

التحلل السكري هو مسار ينطوي على تحلل الجلوكوز حتى جزيئين من حمض البيروفيك ، والحصول على جزيئين من ATP ككسب صافي. إنه موجود في جميع الكائنات الحية تقريبًا ويعتبر طريقة سريعة للحصول على الطاقة.

بشكل عام ، يتم تقسيمها عادة إلى مرحلتين. الأول ينطوي على مرور جزيء الجلوكوز إلى جزيئين غليسرالدهيد ، وعكس جزيئين ATP. في المرحلة الثانية ، يتم إنشاء مركبات عالية الطاقة ، ويتم الحصول على 4 جزيئات ATP وجزيئين من البيروفات كمنتجات نهائية.

يمكن أن يستمر المسار بطريقتين مختلفتين. إذا كان هناك أكسجين ، فستنتهي الجزيئات من الأكسدة في السلسلة التنفسية. أو ، في حالة عدم وجود هذا ، يحدث التخمير.

استحداث السكر

AngelHerraez / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

استحداث الجلوكوز هو مسار لتخليق الجلوكوز ، بدءًا من الأحماض الأمينية (باستثناء الليوسين والليسين) أو اللاكتات أو الجلسرين أو أي من المركبات الوسيطة في دورة كريبس.

الجلوكوز ركيزة أساسية لأنسجة معينة ، مثل الدماغ وخلايا الدم الحمراء والعضلات. يمكن الحصول على إمدادات الجلوكوز من خلال مخازن الجليكوجين.

ومع ذلك ، عندما تنضب ، يجب أن يبدأ الجسم في تصنيع الجلوكوز من أجل تلبية متطلبات الأنسجة - النسيج العصبي في المقام الأول.

يحدث هذا المسار بشكل رئيسي في الكبد. إنه أمر حيوي لأنه في حالات الصيام ، يمكن أن يستمر الجسم في الحصول على الجلوكوز.

تنشيط أو عدم تفعيل المسار مرتبط بتغذية الكائن الحي. الحيوانات التي تستهلك وجبات غنية بالكربوهيدرات لديها معدلات جلوكوز منخفضة ، في حين أن الأنظمة الغذائية منخفضة الجلوكوز تتطلب نشاطًا كبيرًا في تكوين الجلوكوز.

دورة الجليوكسيلات

مأخوذ ومُحرر من: القائم بالتحميل الأصلي كان Adenosine في ويكيبيديا الإنجليزية. / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5)

هذه الدورة خاصة بالنباتات وأنواع معينة من البكتيريا. يحقق هذا المسار تحويل وحدتي أسيتيل ثنائي الكربون إلى وحدات رباعية الكربون - تُعرف باسم سكسينات. يمكن أن ينتج هذا المركب الأخير طاقة ويمكن استخدامه أيضًا لتخليق الجلوكوز.

في البشر ، على سبيل المثال ، سيكون من المستحيل العيش على الأسيتات وحدها. في عملية التمثيل الغذائي لدينا ، لا يمكن تحويل أنزيم أسيتيل المساعد إلى بيروفات ، وهو مقدمة لمسار تكوين الجلوكوز ، لأن تفاعل إنزيم نازعة هيدروجين البيروفات لا رجوع فيه.

يتشابه المنطق الكيميائي الحيوي للدورة مع منطق دورة حمض الستريك ، باستثناء مرحلتي نزع الكربوكسيل. يحدث في عضيات محددة جدًا من النباتات تسمى الجليوكسيسومات ، وهي مهمة بشكل خاص في بذور بعض النباتات مثل عباد الشمس.

دورة كريبس

دورة حمض الكربوكسيل (دورة كريبس). مأخوذة وتحرير من: Narayanese و WikiUserPedia و YassineMrabet و TotoBaggins (ترجم إلى الإسبانية بواسطة أليخاندرو بورتو).

إنها إحدى الطرق التي تعتبر أساسية في عملية التمثيل الغذائي للكائنات العضوية ، حيث أنها توحد عملية التمثيل الغذائي لأهم الجزيئات ، بما في ذلك البروتينات والدهون والكربوهيدرات.

وهو أحد مكونات التنفس الخلوي ، ويهدف إلى إطلاق الطاقة المخزنة في جزيء أسيتيل الإنزيم المساعد - السلائف الرئيسية لدورة كريبس. وهي تتكون من عشر خطوات إنزيمية ، وكما ذكرنا ، تعمل الدورة في كل من المسارات الابتنائية والتقويضية.

في الكائنات حقيقية النواة ، تحدث الدورة في مصفوفة الميتوكوندريا. في بدائيات النوى - التي تفتقر إلى مقصورات خلوية حقيقية - تحدث الدورة في المنطقة السيتوبلازمية.

سلسلة نقل الإلكترون

المستخدم: Rozzychan / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5)

تتكون سلسلة نقل الإلكترون من سلسلة من الناقلات المثبتة في غشاء. تهدف السلسلة إلى توليد الطاقة على شكل ATP.

السلاسل قادرة على إنشاء تدرج كهروكيميائي بفضل تدفق الإلكترونات ، وهي عملية حاسمة لتخليق الطاقة.

تخليق الأحماض الدهنية

الأحماض الدهنية هي جزيئات تلعب أدوارًا مهمة جدًا في الخلايا ، وتوجد أساسًا كمكونات هيكلية لجميع الأغشية البيولوجية. لهذا السبب ، فإن تركيب الأحماض الدهنية أمر ضروري.

تحدث عملية التوليف بأكملها في العصارة الخلوية للخلية. يُطلق على الجزيء المركزي للعملية اسم malonyl coenzyme A. وهو مسؤول عن توفير الذرات التي ستشكل الهيكل الكربوني للحمض الدهني في التكوين.

أكسدة بيتا للأحماض الدهنية

أكسدة بيتا هي عملية تحلل الأحماض الدهنية. يتم تحقيق ذلك من خلال أربع خطوات: أكسدة FAD ، والترطيب ، وأكسدة NAD + ، والتحلل. في السابق ، كان الحمض الدهني يحتاج إلى التنشيط عن طريق دمج الإنزيم المساعد أ.

ناتج التفاعلات المذكورة هو وحدات مكونة من زوج من الكربون في شكل أنزيم أسيتيل أ. يمكن لهذا الجزيء أن يدخل دورة كريبس.

تعتمد كفاءة الطاقة لهذا المسار على طول سلسلة الأحماض الدهنية. بالنسبة لحمض البالمتيك ، على سبيل المثال ، الذي يحتوي على 16 ذرة كربون ، فإن الناتج الصافي هو 106 جزيء ATP.

يحدث هذا المسار في الميتوكوندريا لحقيقيات النوى. يوجد أيضًا طريق بديل آخر في حجرة يسمى البيروكسيسوم.

نظرًا لأن معظم الأحماض الدهنية موجودة في العصارة الخلوية الخلوية ، فيجب نقلها إلى الحجرة حيث ستتأكسد. يعتمد النقل على الكارتينيتان ، ويسمح لهذه الجزيئات بدخول الميتوكوندريا.

استقلاب النوكليوتيدات

يُعد تركيب النيوكليوتيدات حدثًا رئيسيًا في عملية التمثيل الغذائي الخلوي ، نظرًا لأن هذه هي سلائف الجزيئات التي تشكل جزءًا من المادة الوراثية ، DNA و RNA ، وجزيئات الطاقة المهمة ، مثل ATP و GTP.

تشتمل سلائف تخليق النيوكليوتيدات على أحماض أمينية مختلفة ، ريبوز 5 فوسفات ، ثاني أكسيد الكربون و NH ₃. مسارات الاسترداد هي المسؤولة عن إعادة تدوير القواعد الحرة والنيوكليوسيدات المنبعثة من تحلل الأحماض النووية.

يتم تكوين حلقة البيورين من ريبوز 5 فوسفات ، وتصبح نواة بيورين وأخيراً يتم الحصول على النيوكليوتيد.

يتم تصنيع حلقة بيريميدين على شكل حمض أروتيك. متبوعًا بالارتباط بـ ribose 5 phosphate ، يتم تحويله إلى نيوكليوتيدات بيريميدين.

التخمير

مؤلف النسخة الأصلية هو المستخدم: Norro. / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

التخمير هي عمليات التمثيل الغذائي المستقل عن الأكسجين. إنها من النوع التقويضي والمنتج النهائي للعملية هو مستقلب لا يزال لديه إمكانات أكسدة. هناك أنواع مختلفة من التخمر ، لكن التخمر اللبني يحدث في أجسامنا.

يحدث التخمير اللاكتيكي في سيتوبلازم الخلية. يتكون من التحلل الجزئي للجلوكوز من أجل الحصول على الطاقة الأيضية. كمادة نفايات ، يتم إنتاج حمض اللاكتيك.

بعد جلسة مكثفة من التمارين اللاهوائية ، لا تحتوي العضلة على تركيزات كافية من الأكسجين ويحدث التخمر اللبني.

تُجبر بعض الخلايا في الجسم على التخمر ، لأنها تفتقر إلى الميتوكوندريا ، كما هو الحال مع خلايا الدم الحمراء.

في الصناعة ، يتم استخدام عمليات التخمير بوتيرة عالية لإنتاج سلسلة من المنتجات للاستهلاك البشري ، مثل الخبز والمشروبات الكحولية واللبن وغيرها.

المراجع

1. Baechle ، TR ، & Earle ، RW (محرران). (2007). مبادئ تدريب القوة والتكييف البدني. عموم أمريكا الطبية Ed.
2. بيرج ، جي إم ، سترير ، إل ، وتيموكزكو ، جي إل (2007). الكيمياء الحيوية. أنا عكس.
3. كامبل ، إم كيه ، وفاريل ، سو (2011). الكيمياء الحيوية. الطبعة السادسة. طومسون. بروكس / كول.
4. Devlin ، TM (2011). كتاب الكيمياء الحيوية. جون وايلي وأولاده.
5. كولمان ، ج. ، وروم ، كيه إتش (2005). الكيمياء الحيوية: نص وأطلس. عموم أمريكا الطبية Ed.
6. موجيوس ، ف. (2006). ممارسة الكيمياء الحيوية. حركية الإنسان.
7. مولر إسترل ، و. (2008). الكيمياء الحيوية. أساسيات الطب وعلوم الحياة. أنا عكس.
8. بورتمانز ، جيه آر (2004). مبادئ ممارسة الكيمياء الحيوية. 3 ^{الثالثة} ، طبعة منقحة. كارغر.
9. Voet ، D. ، & Voet ، JG (2006). الكيمياء الحيوية. عموم أمريكا الطبية Ed.