ما هي عملية الاستقلاب

تعتبر الكائنات الحية فريدة من نوعها حيث يمكنها استخراج الطاقة من بيئاتها واستخدامها للقيام بأنشطة مثل الحركة والنمو والتطور والتكاثر ؛ ولكن كيف تستخلص الكائنات الحية – أو خلاياها – الطاقة من بيئاتها ، وكيف تستخدم الخلايا هذه الطاقة لتجميع المكونات التي تتكون منها الخلايا؟

المقصود بعملية الاستقلاب

عملية الاستقلاب (بالإنجليزية: الأيض – أو التمثيل الغذائي – هو مجموعة من التفاعلات الكيميائية التي تحدث في خلايا الكائنات الحية للحفاظ على الحياة. يساهم الأيض في النمو والتكاثر ويسمح للكائنات الحية بالاستجابة للبيئة والحفاظ على هياكلها .

يمكن لجميع التفاعلات الكيميائية في الكائنات الحية، من الهضم إلى نقل المواد بين الخلايا، أن تكون جزءًا من عملية التمثيل الغذائي، ويشير التمثيل الغذائي الوسيط أو المتوسط إلى نقل المواد داخل الخلايا وبينها .

كيف تتم عملية الاستقلاب

ينقسم الأيض إلى فئتين: الأيض الهدمي (catabolism) والأيض البنائي (anabolism). يتميز الأيض الهدمي بتفكك المواد العضوية، في حين يستخدم الأيض البنائي الطاقة لبناء مكونات الخلايا، مثل البروتينات والأحماض النووية .

يتم تنظيم التفاعلات الكيميائية في عملية التمثيل الغذائي من خلال مسارات معينة، حيث يتم تحويل مادة كيميائية واحدة إلى مادة كيميائية أخرى من خلال سلسلة من الخطوات. وتساعد الإنزيمات في هذه العملية عن طريق تسهيل التفاعلات والعمل كمحفزات لحدوث التفاعلات .

لا يحدث التفاعل بدون إنزيمات، فهي تستجيب للإشارات بين الخلايا وتنظم مسارات التمثيل الغذائي. يُعرف معدل التمثيل الغذائي باسم سرعة التمثيل الغذائي، ويسمح بتحديد المواد الغذائية المفيدةوالضارة في الكائن الحي .

تشارك بعض المواد الكيميائية الأخرى وأجزاء الكائن الحي في عملية التمثيل الغذائي، مثل الأحماض الأمينية والبروتينات والدهون والكربوهيدرات والنيوكليوتيدات والإنزيمات المساعدة والمعادن والعوامل المساعدة .

تبادل الطاقة البيولوجية في عملية الاستقلاب

تغيرات الطاقة المرتبطة بالعمليات الفيزيائية الكيميائية هي مقاطعة الديناميكا الحرارية ، وهي مجموعة فرعية من الفيزياء ؛وينص أول قانونين للديناميكا الحرارية، في جوهره، على أنه لا يمكن إنشاء الطاقة أو تدميرها ، وأن تأثير التغيرات الفيزيائية والكيميائية هو زيادة اضطراب الكون أو العشوائية (أي الكون) .

على الرغم من أن العمليات الحيوية، التي تحدث في الكائنات الحية وتساعدها على النمو والحفاظ على التنظيم والتعقيد على مدار الحياة، تبدو متعارضة مع هذه القوانين، فإن الأمر ليس ليس كذلك .

الكائنات الحية لا تستهلك ولا تنشئ طاقة، بل تحولها فقط من شكل إلى آخر. فهي تمتص الطاقة من البيئة بشكل مفيد لها، ثم تعيدها إلى البيئة بكمية مكافئة من الطاقة بشكل أقل فائدة بيولوجيا. يمكن تعريف الطاقة المفيدة أو الطاقة الحرة على أنها الطاقة التي يمكنها القيام بالعمل تحت ظروف متساوية في درجة الحرارة (الظروف التي لا توجد فيها فروق في درجة الحرارة) .

تتعلق الطاقة الحرة بأي تغيير كيميائي يحدث، ويتم إرجاع الطاقة الأقل فائدة من الطاقة الحرة إلى البيئة عادة على شكل حرارة، ومع ذلك، فإن الحرارة وحدها لا يمكن أن تقوم بالعمل في الأنظمة الحيوية لأن جميع أجزاء الخلايا تكون عندها نفس درجة الحرارة والضغط .

حامل الطاقة الكيميائية في عملية الاستقلاب

في أي وقت، يتفكك جزيء محايد من الماء في أيون هيدروجين (H+) أيون هيدروكسيد (OH-) ، وتتم إعادة تكوين الأيونات باستمرار في الجزيء المحايد ؛ وفي الظروف العادية (الحياد) ، يكون تركيز أيونات الهيدروجين (أيونات حمضية) مساوياً لتركيز أيونات الهيدروكسيد (أيونات قاعدية) ؛ كل منها بتركيز 10-7 مول لكل لتر ، والذي يوصف بأنه الرقم الهيدروجيني 7 (PH of 7) .

جميع الخلايا إما محاصرة بأغشية أو تحتوي على أغشية تحتوي على عضيات. ولا تسمح هذه الأغشية للماء أو الأيونات المستمدة من الماء بالتدفق أو الخروج من الخلايا أو الأغشية. في النباتات الخضراء، يمتص الكلوروفيل والأصباغ الأخرى في البلاستيدات الخضراء التي تسمى النظام الضوئي الثاني، ضوء الشمس. وكما تم ذكره سابقا، عندما يتم تفكيك جزيء الماء باستخدام الطاقة الضوئية، يتم تكوين نصف جزيء الأكسجين وذرتي هيدروجين (تتحلل إلى إلكترونات واثنتين من أيونات الهيدروجين (H+) .

عندما يكون الكلوروفيل متحمسًا بسبب أشعة الشمس ، يفقد إلكترونًا واحدًا إلى جزيء حامل إلكترون ولكنه يستعيده بسرعة من ذرة الهيدروجين جزيء الماء المقسم، والذي يرسل (H+) إلى محلول في هذه العملية ؛ تتحد ذرتان من الأكسجين لتكوين جزيء من غاز الأكسجين (O2) ، ثم يتم تمرير الإلكترونات الحرة إلى النظام الضوئي (I) .

عند القيام بذلك، تتراكم أيونات الهيدروجين الموجبة الشحنة (H+) في تركيز زائد على جانب واحد من الغشاء في البلاستيدات الخضراء، بينما يتراكم الفائض من أيونات الهيدروكسيد المشحونة بالسالب (OH-) على الجانب الآخر .

تطلق الطاقة الحرة أثناء انتقال أيونات (H+) عبر “مسام” في الغشاء لتوازن تراكيز الأيونات. هذه الطاقة تكفي لتشغيل بعض العمليات الحيوية، مثل امتصاص بعض العناصر الغذائية من خلال البكتيريا وتحويل البروتينات إلى محركات تمكن البكتيريا من الحركة. ومع ذلك، فإن التدرج الذي يحدث عبر الغشاء يدعم تكوين “ثلاثي الفوسفات الأدينوسين” (ATP) من الفوسفات غير العضوية (HPO4-2 وتختصر بـ Pi) و”ثنائي فوسفات الأدينوسين” (ADP). يعتبر (ATP) الناقل الرئيسي للطاقة المستخدمة في العمليات الحيوية لجميع أشكال الكائنات الحية. ويمكن اعتبار العلاقات التبادلية بين تفاعلات التمثيل الغذائي التي تنتج الطاقة والتي تحتاج إلى طاقة كبيرة كعمليات تعتمد على تكوين (ATP) مع هضم المواد الغذائية .

ما هي متلازمة الاستقلاب

تتضمن متلازمة التمثيل الغذائي مجموعة من السمات والعادات التي تزيد من خطر الإصابة بأمراض القلب التاجية والسكري والسكتة الدماغية، وتشمل عوامل الخطر:

• زيادة الدهون في المعدة .
• ارتفاع مستوى الدهون الثلاثية .
• يتميز انخفاض مستوى الكوليسترول الحميد، المعروف أيضًا باسم الكوليسترول الجيد .
• ارتفاع ضغط الدم .
• زيادة نسبة السكر في الدم أثناء الصيام .

تحدث هذه العوامل عادةً معًا، ولكن يجب أن يكون لدى المرضى الذين يعانون من متلازمة التمثيل الغذائي ثلاثة على الأقل من هذه العوامل ليتم تشخيصهم بالمتلازمة .

مرضى متلازمة التمثيل الغذائي لديهم خطر مضاعف للإصابة بأمراض القلب وخمسة أضعاف احتمالية تشخيصهم بمرض السكري مقارنة بأشخاص غير مصابين بالمتلازمة. أصبحت متلازمة التمثيل الغذائي شائعة بشكل متزايد نتيجة زيادة معدلات السمنة بين البالغين. ومع ذلك، يمكن تجنب أو تأخير متلازمة التمثيل الغذائي من خلال اتباع نظام غذائي صحي وممارسة الرياضة .

تجميع مكونات الخلايا في عملية الاستقلاب

تتم تواجد الإجابات على هذه الأسئلة في التفاعلات الكيميائية التي تحدث بواسطة الإنزيم في المواد الحية (التمثيل الغذائي)؛ حيث يحدث مئات التفاعلات المنسقة والمتعددة الخطوات التي تستخدم الطاقة المستمدة من العناصر الغذائية أو الطاقة الشمسية؛ في النهاية، يتم تحويل المواد المتوفرة بسهولة إلى الجزيئات الضرورية للنمو والصيانة .