التمثيل الغذائي الخلوي

الخلية بحاجة مستمرة ومنتظمة إلى الطاقة لأداء وظائفها الحيوية اليومية. وتعتمد هذه الطاقة على جزيئة ATP. يحتاج الكائن الحي أيضا إلى الطاقة للحركة والبقاء على قيد الحياة. تحتاج الخلايا بأنواعها المختلفة، سواء كانت لها نواة أو خلايا بدائية، إلى كمية كبيرة من الطاقة لأداء وظائفها بشكل صحيح. يساعد جزيء ATP في العديد من العمليات الحيوية داخل الخلية .

التمثيل الغذائي داخل الخلية

يسمى أيضا بـ ( الأيض الخلوي ) هي العمليات الحيوية التي تحدث داخل الكائن بشكل مستمر ويومي للمحافظة على استمرار حياته ، في البيولوجيا الجزيئية ( دراسة أنظمة عمل الخلية وكيفيتها ) والبيولوجيا الجزيئية توضح أن التمثيل الغذائي هو العمليات الحيوية والتفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل حياة خلية الكائن الحي لإنتاج الطاقة والمحافظة على استمرار حياته .

تتم عمليات الأيض الغذائي في جسم الكائن الحي من خلال تحويل الطعام إلى مركبات طاقة وتخزينها في الخلية على شكل جزيئات ATP واستخدامها من قبل الخلية في أداء وظائفها والعمليات الحيوية. على الرغم من التعبيرات التي تصف الأيض الغذائي، إلا أنه يكمن أهمية كبيرة للخلايا للمساعدة في استمرارها ونموها وعملية التكاثر ووجود الكائن الحي .

تحويل الغذاء إلى طاقة في الخلية

هناك العديد من عمليات إنتاج الطاقة في الخلية، ومن بين تلك العمليات هو التنفس الخلوي، حيث يتم تحويل جلوكوز السكر إلى جزيئات ATP لإنتاج الطاقة. يتم ذلك من خلال سلسلة من العمليات الكيميائية المتتابعة في الخلية   .

عملية إتمام التنفس الخلوي في الكائنات حقيقيات النواة هي:

• حلل السكر ( سكر الجلوكوز )
• أكسدة البيروفات
• دورة كريبس أو دورة حمض الستريك
• تشير عملية الفسفرة التأكسدية إلى تكوين ATP.

تستخدم المواد الرئيسية في هذه التفاعلات الجلوكوز (وهو نوع من السكريات الموجودة في المواد النشوية) والأكسجين، ولا يحدث التفاعل بدونهما .

و المواد التي تنتج من تفاعل إنتاج الطاقة: تتضمن عملية توليد الطاقة ثاني أكسيد الكربون (CO2) والماء (H2O) وجزيئات ATP، وتتم هذه العملية في الكائنات الحية المتعددة الخلايا مثل الحيوانات .

إنتاج الطاقة في النبات والبكتريا

تُسمى عملية البناء الضوئي، وتشمل عدة خطوات لإنتاج الغذاء في النباتات باستخدام الضوء

1.  تتطلب التفاعلات الكيميائية وجود الضوء لتحدث تلك التفاعلات بشكل جيد .
2.  دورة كالفين أو التفاعلات التي تحدث في الظلام لا تتطلب الضوء لإتمامها .

و المواد التي تدخل في التفاعل

1.  إنها إحدى أنواع الطاقة المتواجدة داخل النواة
2. ثاني أكسيد الكربون (Co2 )
3.  الماء ( H2o)

و المواد الناتجة من ذلك التفاعل هي:

1.  الجلكوز
2. – الأكسجين

يختلف نوع التمثيل الغذائي بين الكائنات وبعضها، فهناك كائنات تكون ذاتية التغذية وكائنات تعتمد على الضوء في تكوين الغذاء، وكائنات تعتمد على التفاعلات الكيميائية في التغذية. نوع التمثيل الغذائي الذي يحدث داخل الكائن الحي يعتمد على نوع النبات نفسه والبيئة التي ينمو فيها النبات وكيفية تفاعله معها .

 الإنزيمات

وتعرف أيضا بـ (المواد الكيميائية المساعدة في تنفيذ العمليات الحيوية داخل جسم الكائن الحي)، هي مواد كيميائية موجودة داخل أجسام الكائنات الحية وتساهم في تسريع التفاعلات الكيميائية. هناك أيضا تفاعلات بيوكيميائية تعتمد بشكل أساسي على وجود هذه الإنزيمات، وتعرف الإنزيمات أيضا بـ(المحفزات)، أي أنها تحفز التفاعلات. إنها مواد كيميائية ضرورية لعملية الأيض داخل الخلية، لأنها تساعد في بدء هذه العملية.

الجلوكوز والطاقة الموجودة داخل الخلايا هي الوقود الرئيسي الذي يعمل على تشغيل كل الخلايا وإتمامها لعملياتها الحيوية ، ولكن الجلوكوز وتلك الطاقة المتواجدة داخل الخلايا لا تعمل أيضا إلا تحت وجود وتأثير الإنزيمات ، لأن الإنزيمات تساعد في تقليل طاقة التنشيط اللازمة لبدء التفاعل .

طاقة التنشيط: هي إحدى أنواع الطاقة المتواجدة في كل عنصر، وتكون ضرورية في التفاعل بمقدار معين لكل عنصر لبدء التفاعل. تعمل الإنزيمات على تقليل تلك الطاقة لإتمام التفاعل بسرعة وباستهلاك أقل للطاقة المنشطة. عند وجود الإنزيمات المنشطة، يتم التفاعل بسرعة وباستهلاك أقل للطاقة المنشطة ويستغرق وقتا قصيرا أيضا .

التنفس الخلوي في الكائنات حقيقية النواة

يتم التنفس الخلوي في تلك الكائنات داخل الخلية، وتحديدا في جزء يسمى الميتوكوندريا، أثناء تحليل السكر لإنتاج الطاقة، تقوم الخلية بتفكيك السكر إلى جزيئات صغيرة لتسهيل التفاعل. يحدث هذا التفاعل في السيتوبلازم ولا يعتمد بشكل كبير على الأكسجين. تتألف جزيئات الجلوكوز بشكل أساسي من ٦ ذرات كربون، وتتجزأ إلى جزيئين يسمى كل منهما البيروفات ويتكون من ثلاث ذرات كربون. يتواجد أيضا عنصر +NAD في هذا التفاعل وينتج جزيئات AT

في خلال دورة كريبس أو التي تسمى بدورة حمض الستريك: يتم تشكيل مركب CoA الذي يتفاعل مع الأسيتيل سترات ويتحول إلى عدة مركبات، ويتم خلال هذه العملية إنتاج NADH وCO2 و ATP و FADH2 .

-عملية الفسفرة التأكسيدية: يتم نقل الإلكترونات بواسطة مركبات FADH2 و NADH، وتنتج مركبات FAD و NAD+، وتتم عملية تكوين ATP.

التمثيل الغذائي في النباتات

يتم هذا النوع من تفاعلات تكوين الطاقة في خلايا النبات ، وبعض أنواع الطحالب وأحد أنواع البكتريا التي تسمى البكتريا الزرقاء تحدث هذه التفاعلات داخل البلاستيدات الخضراء ( وهي أحد مكونات خلايا النبات ) ويساعد في إتمام ذلك التفاعل عنصر الكلوروفيل ( الذي يعطي النباتات لونها ) ، وينتج من هذا التفاعل سكر وأكسجين ويعتمد هذا التفاعل بشكل كبير على وجود الضوء لذلك تسمى التفاعلات الضوئية ، أثناء ذلك التفاعل تمتص جزيئات الATP ومركبات الكلوروفيل الطاقة الشمسية ويحدث هذا التفاعل كما يحدث التنفس الخلوي أي يتضمن تفاعلات أكسدة واختزال وعمليات نقل إلكترونات ايضا.

 التمثيل الغذائي في بدائيات النواة

في الإنسان والحيوان تحتاج عملية التمثيل الغذائي إلى وجود الأكسجين ، بينما في البكتريا والطحالب لا تحتاج إليه بصورة كبيرة فهناك نوعان من التفاعل داخل تلك الكائنات إذا تم التفاعل في وجود الأكسجين فإنه يسمى تفاعل هوائي ، وإذا تم التفاعل في عدم تواجد الأكسجين فإنه يسمى تفاعل لا هوائي وبعض أنواع البكتريا أيضا يمكن أن تبدل بين أنواع تلك التفاعلات ويتوقف ذلك على طبيعة تلك الكائنات وطبيعة البيئة المتواجدة فيها وكيفية تفاعلها معها ، بدائيات النواة التي تعتمد في تفاعلاتها بصورة كبيرة على تواجد الأكسجين تسمى أيروبات ملزمة ، بينما تلك التي لا تحتاج إلى تواجد الأكسجين تسمى إلزامية اللاهوائية .

أنواع التمثيل الغذائي في بدائيات النواة

تتم تصنيف الكائنات الحية البدائية النواة إلى أصناف وفروع، ويتم تحديد هذا التصنيف بناءً على أنواع العمليات الاستقلابية التي تحدث داخلها ،
أنواع التفاعلات الرئيسية هي: على الرغم من اختلاف أنواع التغذية في الكائنات الحية البدائية، إلا أنها تحتاج بشكل أساسي إلى الطاقة لإكمال عملياتها الحيوية والبقاء على قيد الحياة، ويتمثل أنواع التغذية في التغذية الذاتية والتغذية الضوئية والتغذية الكيميائية.

بدائيات النواة غيرية التغذية تعتمد على وجود المركبات العضوية، أي تعتمد على وجود الكربون كمكون أساسي، وبالتالي تحصل على الكربون من كائنات أخرى غيرها. أما بدائيات النواة ذاتية التغذية، فتستخدم ثاني أكسيد الكربون للحصول على الكربون اللازم لها. بدائيات النواة الضوئية تستمد طاقتها من الشمس والضوء، وبدائيات النواة الكيميائية تحصل على الطاقة اللازمة من الضوء.