يعتمد الدور الرائد للطاقة في المسار الأيضي على العملية ، التي يتمثل جوهرها في الفسفرة المؤكسدة. تتأكسد العناصر الغذائية ، مما يؤدي إلى تكوين الطاقة التي يخزنها الجسم في الميتوكوندريا في الخلايا مثل ATP. كل شكل من أشكال الحياة الأرضية له العناصر الغذائية المفضلة الخاصة به ، ولكن ATP هو مركب عالمي ، ويتم تخزين الطاقة التي ينتجها الفسفرة المؤكسدة لاستخدامها في عمليات التمثيل الغذائي.
بكتيريا
منذ أكثر من ثلاثة مليارات ونصف المليار سنة ، ظهرت الكائنات الحية الأولى على كوكبنا. نشأت الحياة على الأرض بسبب حقيقة أن البكتيريا التي ظهرت - كائنات بدائية النواة (بدون نواة) تم تقسيمها إلى نوعين وفقًا لمبدأ التنفس والتغذية. عن طريق التنفس - في الهوائية واللاهوائية ، وعن طريق التغذية - إلى بدائيات النوى غيرية التغذية وذاتية التغذية. هذا التذكير نادر الحدوث ، لأنه لا يمكن تفسير الفسفرة المؤكسدة بدون المفاهيم الأساسية.
إذن ، بدائيات النوى فيما يتعلق بالأكسجين(التصنيف الفسيولوجي) ينقسم إلى الكائنات الحية الدقيقة الهوائية ، التي لا تبالي بالأكسجين الحر ، والهوائية ، التي يعتمد نشاطها الحيوي كليًا على وجودها. هم الذين ينفذون الفسفرة المؤكسدة ، في بيئة مشبعة بالأكسجين الحر. إنه المسار الأيضي الأكثر استخدامًا مع كفاءة عالية في استخدام الطاقة مقارنة بالتخمير اللاهوائي.
ميتوكوندريا
مفهوم أساسي آخر: ما هي الميتوكوندريا؟ هذه هي بطارية طاقة الخلية. توجد الميتوكوندريا في السيتوبلازم وهناك كمية لا تصدق منها - في عضلات الشخص أو في كبده ، على سبيل المثال ، تحتوي الخلايا على ما يصل إلى ألف ونصف ميتوكوندريا (حيث يحدث التمثيل الغذائي الأكثر كثافة). وعندما يحدث الفسفرة المؤكسدة في الخلية ، فإن هذا هو عمل الميتوكوندريا ، فهي تقوم أيضًا بتخزين وتوزيع الطاقة.
الميتوكوندريا لا تعتمد حتى على انقسام الخلايا ، فهي متحركة للغاية ، وتتحرك بحرية في السيتوبلازم عندما يحتاجون إليها. لديهم الحمض النووي الخاص بهم ، وبالتالي يولدون ويموتون بمفردهم. ومع ذلك ، فإن حياة الخلية تعتمد كليًا عليها ؛ فبدون الميتوكوندريا ، لا تعمل ، أي أن الحياة مستحيلة حقًا. تتأكسد الدهون والكربوهيدرات والبروتينات ، مما يؤدي إلى تكوين ذرات الهيدروجين والإلكترونات - مما يؤدي إلى اختزال المكافئات التي تتبع على طول السلسلة التنفسية. هذه هي الطريقة التي يحدث بها الفسفرة المؤكسدة ، ويبدو أن آليتها بسيطة.
ليس بهذه السهولة
يتم تحويل الطاقة التي تنتجها الميتوكوندريا إلى طاقة أخرى ، وهي طاقة التدرج الكهروكيميائي للبروتونات الموجودة على الغشاء الداخلي للميتوكوندريا. هذه هي الطاقة اللازمة لتخليق ATP. وهذا هو بالضبط ما هو الفسفرة المؤكسدة. الكيمياء الحيوية هي علم حديث العهد ، فقط في منتصف القرن التاسع عشر وجدت حبيبات الميتوكوندريا في الخلايا ، وتم وصف عملية الحصول على الطاقة في وقت لاحق. لقد لوحظ كيف أن الثلاثيات المتكونة من خلال تحلل السكر (والأهم من ذلك ، حمض البيروفيك) تنتج المزيد من الأكسدة في الميتوكوندريا.
يستخدم Trioses طاقة الانقسام ، والتي يتم إطلاق CO2، ويتم استهلاك الأكسجين ويتم تصنيع كمية كبيرة من ATP. ترتبط جميع العمليات المذكورة أعلاه ارتباطًا وثيقًا بالدورات التأكسدية ، بالإضافة إلى سلسلة الجهاز التنفسي التي تحمل الإلكترونات. وهكذا ، يحدث الفسفرة المؤكسدة في الخلايا ، وتصنيع "الوقود" لها - جزيئات ATP.
دورات الأكسدة وسلسلة الجهاز التنفسي
في الدورة المؤكسدة ، تطلق الأحماض الكربوكسيلية الإلكترونات ، والتي تبدأ رحلتها على طول سلسلة نقل الإلكترون: أولاً إلى جزيئات الإنزيم المساعد ، هنا NAD هو الشيء الرئيسي (نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد) ، ثم يتم نقل الإلكترونات إلى ETC (سلسلة النقل الكهربائي) ،حتى تتحد مع الأكسجين الجزيئي وتشكل جزيء ماء. يتم نقل الفسفرة المؤكسدة ، والتي تم وصف آليتها بإيجاز أعلاه ، إلى موقع آخر للعمل. هذه هي السلسلة التنفسية - مجمعات بروتينية مدمجة في الغشاء الداخلي للميتوكوندريا.
هذا هو المكان الذي يحدث فيه الذروة - تحويل الطاقة من خلال سلسلة من الأكسدة واختزال العناصر. من المهم هنا النقاط الثلاث الرئيسية في سلسلة النقل الكهربائي حيث تحدث الفسفرة المؤكسدة. تنظر الكيمياء الحيوية إلى هذه العملية بعمق شديد وبعناية. ربما يومًا ما سيولد علاج جديد للشيخوخة من هنا. لذلك ، في ثلاث نقاط من هذه السلسلة ، يتكون ATP من الفوسفات و ADP (الأدينوزين ثنائي فوسفات هو نيوكليوتيد يتكون من الريبوز والأدينين وجزئين من حمض الفوسفوريك). لهذا السبب حصلت العملية على اسمها.
التنفس الخلوي
التنفس الخلوي (بمعنى آخر - الأنسجة) والفسفرة المؤكسدة هي مراحل من نفس العملية يتم أخذها معًا. يتم استخدام الهواء في كل خلية من الأنسجة والأعضاء ، حيث يتم تكسير منتجات الانقسام (الدهون والكربوهيدرات والبروتينات) ، وهذا التفاعل ينتج طاقة مخزنة في شكل مركبات كبيرة. يختلف التنفس الرئوي الطبيعي عن تنفس الأنسجة في أن الأكسجين يدخل الجسم ويتم إزالة ثاني أكسيد الكربون منه.
الجسم نشط دائمًا ، وتنفق طاقته على الحركة والنمو ، والتكاثر الذاتي ، والتهيج ، وفي العديد من العمليات الأخرى. من أجل هذا ويحدث الفسفرة المؤكسدة في الميتوكوندريا. يمكن تقسيم التنفس الخلوي إلى ثلاثة مستويات: التكوين المؤكسد لـ ATP من حمض البيروفيك ، وكذلك الأحماض الأمينية والأحماض الدهنية ؛ يتم تدمير بقايا الأسيتيل بواسطة الأحماض ثلاثية الكربوكسيل ، وبعد ذلك يتم إطلاق جزيئين من ثاني أكسيد الكربون وأربعة أزواج من ذرات الهيدروجين ؛ يتم نقل الإلكترونات والبروتونات إلى الأكسجين الجزيئي.
آليات إضافية
التنفس على المستوى الخلوي يضمن تكوين وتجديد ADP مباشرة في الخلايا. على الرغم من أنه يمكن تجديد الجسم بحمض الأدينوزين ثلاثي الفوسفوريك بطريقة أخرى. لهذا ، توجد آليات إضافية ، وإذا لزم الأمر ، يتم تضمينها ، على الرغم من أنها ليست فعالة للغاية.
هذه هي الأنظمة التي يحدث فيها تحلل الكربوهيدرات بدون الأكسجين - تحلل الجليكوجين وتحلل السكر. هذا لم يعد فسفرة مؤكسدة ، التفاعلات مختلفة بعض الشيء. لكن التنفس الخلوي لا يمكن أن يتوقف ، لأنه في هذه العملية يتم تكوين جزيئات ضرورية للغاية من أهم المركبات ، والتي تستخدم لمجموعة متنوعة من التخليق الحيوي.
أشكال الطاقة
عندما يتم نقل الإلكترونات في غشاء الميتوكوندريا ، حيث يحدث الفسفرة المؤكسدة ، توجه سلسلة الجهاز التنفسي من كل من معقداتها الطاقة المحررة لتحريك البروتونات عبر الغشاء ، أي من المصفوفة إلى الفراغ بين الأغشية. ثم يتم تشكيل فرق الجهد. البروتونات موجبة الشحنة وتقع في الفضاء بين الغشاء ، والسلبيةفعل مشحون من مصفوفة الميتوكوندريا.
عندما يتم الوصول إلى فرق جهد معين ، يعيد مركب البروتين البروتونات مرة أخرى إلى المصفوفة ، مما يحول الطاقة المستلمة إلى طاقة مختلفة تمامًا ، حيث تقترن العمليات المؤكسدة مع الفسفرة الاصطناعية - ADP. خلال أكسدة الركائز وضخ البروتونات عبر غشاء الميتوكوندريا ، لا يتوقف تخليق ATP ، أي الفسفرة المؤكسدة.
نوعان
الفسفرة المؤكسدة والركيزة تختلف اختلافًا جوهريًا عن بعضها البعض. وفقًا للأفكار الحديثة ، كانت أقدم أشكال الحياة قادرة على استخدام تفاعلات الفسفرة الركيزة فقط. لهذا الغرض ، تم استخدام المركبات العضوية الموجودة في البيئة الخارجية من خلال قناتين - كمصدر للطاقة وكمصدر للكربون. ومع ذلك ، جفت مثل هذه المركبات في البيئة تدريجيًا ، وبدأت الكائنات الحية التي ظهرت بالفعل في التكيف ، والبحث عن مصادر جديدة للطاقة ومصادر جديدة للكربون.
لذلك تعلموا استخدام طاقة الضوء وثاني أكسيد الكربون. ولكن حتى حدوث ذلك ، أطلقت الكائنات الحية الطاقة من عمليات التخمر المؤكسدة وخزنتها أيضًا في جزيئات ATP. وهذا ما يسمى الفسفرة الركيزة عند استخدام طريقة التحفيز بواسطة الإنزيمات القابلة للذوبان. تشكل الركيزة المخمرة عامل اختزال ينقل الإلكترونات إلى المستقبل الداخلي المطلوب - الأسيتون ، الأسيتالهيد ، البيروفات وما شابه ، أو H2- يتم إطلاق الهيدروجين الغازي.
الخصائص المقارنة
بالمقارنة مع التخمير ، فإن الفسفرة المؤكسدة لديها عائد طاقة أعلى بكثير. يعطي التحلل السكري ناتجًا إجماليًا من ATP لجزيئين ، وفي أثناء هذه العملية ، يتم تصنيع ثلاثين إلى ستة وثلاثين. هناك حركة للإلكترونات لتقبل المركبات من المركبات المانحة من خلال تفاعلات الأكسدة والاختزال ، وتشكيل الطاقة المخزنة على شكل ATP.
حقيقيات النوى تنفذ هذه التفاعلات مع مجمعات البروتين المترجمة داخل غشاء خلية الميتوكوندريا ، وتعمل بدائيات النوى بالخارج - في الفضاء بين الغشاء. هذا هو المركب من البروتينات المرتبطة التي تشكل ETC (سلسلة نقل الإلكترون). تحتوي حقيقيات النوى على خمسة معقدات بروتينية فقط في تكوينها ، بينما تحتوي بدائيات النوى على العديد منها ، وتعمل جميعها مع مجموعة متنوعة من المتبرعين بالإلكترون ومقبليهم.
اتصالات وانقطاع
عملية الأكسدة تخلق إمكانات كهروكيميائية ، ومع عملية الفسفرة يتم استخدام هذا الجهد. هذا يعني أنه يتم توفير الاقتران ، وإلا - ربط عمليات الفسفرة والأكسدة. ومن هنا جاء الاسم ، الفسفرة المؤكسدة. يتم إنشاء الإمكانات الكهروكيميائية المطلوبة للاقتران بواسطة ثلاثة مجمعات من السلسلة التنفسية - الأولى والثالثة والرابعة ، والتي تسمى نقاط الاقتران.
في حالة تلف الغشاء الداخلي للميتوكوندريا أو زيادة نفاذه من نشاط أجهزة الفصل ، فإن هذا سيؤدي بالتأكيد إلى اختفاء أو انخفاض الجهد الكهروكيميائي ، ويأتي بعد ذلك فصل عمليتي الفسفرة والأكسدة ، أي توقف تخليق ATP. إنها الظاهرة عندما يختفي الجهد الكهروكيميائي هو ما يسمى بفك اقتران الفسفرة والتنفس.
موصلات
الحالة التي تستمر فيها أكسدة الركائز ولا تحدث الفسفرة (أي ، ATP لا تتكون من P و ADP) هي فصل الفسفرة والأكسدة. يحدث هذا عندما تتداخل أدوات الفصل مع العملية. ما هي وما هي النتائج التي يسعون لتحقيقها؟ لنفترض أن تخليق ATP قد انخفض بشكل كبير ، أي أنه يتم تصنيعه بكمية أقل ، بينما تعمل سلسلة الجهاز التنفسي. ماذا يحدث للطاقة؟ ينضح مثل الدفء. يشعر الجميع بهذا عندما يمرضون بالحمى
هل لديك درجة حرارة؟ لذلك عملت القواطع. على سبيل المثال ، المضادات الحيوية. هذه أحماض ضعيفة تذوب في الدهون. تخترق الفضاء بين الغشاء للخلية ، وتنتشر في المصفوفة ، وتسحب معها البروتونات المرتبطة. فعل فك الاقتران ، على سبيل المثال ، له هرمونات تفرزها الغدة الدرقية ، والتي تحتوي على اليود (ثلاثي يودوثيرونين وثيروكسين). إذا كانت الغدة الدرقية مفرطة الأداء ، فإن حالة المرضى مريعة: إنهم يفتقرون إلى طاقة ATP ، فهم يستهلكون الكثير من الطعام ، لأن الجسم يحتاج إلى الكثير من الركائز للأكسدة ، لكنهم يفقدون الوزن ، لأن الجزء الرئيسي من الجسم يتم فقدان الطاقة المستلمة على شكل حرارة.
