ما دور جزيئات ATP ؟ ” في انقباض العضلات

 ما هو ATP

الأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP) هو المصدر الرئيسي للطاقة في معظم العمليات الخلوية، وتحتوي جزيئات ATP على الكربون والنيتروجين والهيدروجين والأكسجين والفوسفور. بسبب وجود روابط عالية الطاقة وغير مستقرة في ATP، يتحلل بسهولة في التفاعلات لإطلاق كمية كبيرة من الطاقة.

تؤدي الإزالة الأنزيمية لمجموعة الفوسفات من ATP لتكوين ADP إلى إطلاق كمية هائلة من الطاقة التي تستخدمها الخلية في العديد من عمليات التمثيل الغذائي وكذلك في تخليق الجزيئات الكبيرة مثل البروتينات ، ينتج عن إزالة مجموعة فوسفات ثانية من ATP إطلاق مزيد من الطاقة وتكوين أحادي فوسفات الأدينوزين (AMP).

عندما لا يحتاج الكائن الحي إلى الطاقة، يتم إضافة مجموعة الفوسفات مرة أخرى إلى AMP و ADP لتشكيل ATP، ويمكن تحليلها لاحقًا حسب الحاجة، وبالتالي يعمل ATP كمصدر طاقة موثوق للمسارات الخلوية.

دور جزيئات ATP في انقباض العضلات 

تعتبر جزيئات ATP مصدر الطاقة الرئيسي الذي يستخدم لتحفيز حركة الانقباض في العضلات، ويتم تخزينها ونقلها داخل الجسم في شكل الأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP)، ومع ذلك، لا يتم تخزين كمية كبيرة من جزيئات ATP داخل الخلايا.

عند تقلص العضلات، يجب أن يتم تكوين المزيد من ATP بسرعة لأنه يلعب دورًا هامًا. تتوفر لخلايا العضلات عدة طرق لإنتاج ATP، وتعمل هذه الأنظمة معًا على مراحل. تتكون الأنظمة الكيميائية الحيوية الثلاثة لإنتاج ATP على التوالي من:

• استخدام فوسفات الكرياتين (مع الأكسجين)

تحتوي جميع أنواع الألياف العضلية على كمية قليلة من ATP داخلها، ويمكن استخدامها على الفور، ولكنها تكفي فقط للحفاظ على العملية لمدة تقريبية تبلغ 3 ثوان، لذلك تحتوي جميع خلايا العضلات على مركب عالي الطاقة يسمى فوسفات الكرياتين، ويتم تحطيمه لإنتاج مزيد من ATP بسرعة

يمكن لفوسفات الكرياتين توفير احتياجات الطاقة للعضلات العاملة بشدة لمدة 8-10 ثوانٍ فقط.

• الجليكوجين (بدون أكسجين)

لحسن الحظ ، تحتوي العضلات أيضًا علىمخازن كبيرة من الكربوهيدرات تسمى الجليكوجين والتي يمكن استخدامها لإنتاج ATP من الجلوكوز، ولكن هذا يتطلب حوالي 12 تفاعلًا كيميائيًا، لذلك يتم توفير الطاقة بشكل أبطأ من فوسفات الكرياتين.

رغم أنه ينتج طاقة كافية لتستمر حوالي 90 ثانية، إلا أنه لا يزال يعمل بسرعة كبيرة وبدون حاجة للأكسجين، وهذا شيء عظيم لأنه يستغرق القليل من الوقت لتزويد العضلات بالأكسجين المتزايد. وحمض اللاكتيك هو المنتج الثانوي لصنع ATP بدون استخدام الأكسجين

• التنفس الهوائي (مع الأكسجين مرة أخرى)

بعد مرور دقيقتين من بدء التمرين، يبدأ الجسم في تزويد العضلات العاملة بالأكسجين، وعند توفر الأكسجين، يتم تحليل الجلوكوز لإنتاج ATP من خلال التنفس الهوائي. يمكن الحصول على هذا الجلوكوز من مصادر متعددة

1. مخزون الجلوكوز المتبقي في خلايا العضلات
2. الجلوكوز من الطعام في الأمعاء
3. الجليكوجين في الكبد
4. احتياطيات الدهون في العضلات
5. في الحالات القصوى مثل الجوع، يتم استهلاك بروتين الجسم.

تحتاج عملية التنفس الهوائي إلى المزيد من التفاعلات الكيميائية لإنتاج ATP أكثر من أي من النظم الأخرى المذكورة أعلاه، ويعد هذا النظام الأبطأ بين الأنظمة الثلاثة، ولكنه قادر على توفير ATP لعدة ساعات أو أكثر، طالما استمر الإمداد بالوقود

وظائف ATP الأخرى في الخلايا

تستخدم جزيئات ATP في العديد من العمليات الخلوية، وسنناقش بإيجاز بعض الوظائف المهمة لـ ATP في الخلية فيما يلي:

• النقل النشط

يلعب ATP دورًا مهمًا في نقل الجزيئات الكبيرة مثل البروتينات والدهون داخل وخارج الخلية ، يوفر التحلل المائي لـ ATP الطاقة المطلوبة لآليات النقل النشطة لحمل هذه الجزيئات عبر تدرج تركيز ، يُطلق على نقل الجزيئات إلى الخلية اسم الالتقام الخلوي ، بينما يُعرف النقل خارج الخلية باسم خروج الخلايا.

• الإشارات الخلوية

يؤدي ATP وظائف رئيسية في كل من الإشارات داخل الخلية وخارجها، ويمكن التعرف عليه بسهولة عن طريق مستقبلات البيورينج في أنسجة الثدييات، حيث يتم إطلاقهمن المشابك والمحاور، وينشط مستقبلات البيورينجيك التي تعدل مستويات الكالسيوم وAMP داخل الخلية بشكل دوري.

في الجهاز العصبي المركزي، ينظم الأدينوزين التطور العصبي، ويسيطر على أجهزة المناعة، وينقل الإشارات العصبية / الدبقية

يشارك ATP أيضًا في نقل الإشارة، حيث يتم استخدام مجموعات الفوسفات الخاصة به بواسطة الكينازات في تفاعلات نقل الفوسفات التي تنشط سلسلة من تفاعلات بروتينات الكينيز.

• الصيانة الإنشائية

يؤدي ATP دورًا حيويًا في الحفاظ على بنية الخلية من خلال المساعدة في تجميع عناصر الهيكل الخلوي، كما يوفر الطاقة اللازمة للسوط والكروموسومات للحفاظ على أدائهم المناسب.

استخدامات ATP في العضلات

يستخدم ATP بواسطة ألياف العضلات بطريقتين:

• في البداية، يستخدم عند نقل البروتينات للقيام بعملية `النقل النشط` للكالسيوم إلى الجهاز الساركوبلازمي بين عمليات الانقباضات. في حالة الراحة، يحتوي الجهاز الساركوبلازمي في ألياف العضلات على تركيز أعلى بكثير من الكالسيوم في الداخل مقارنة بالخارج. وعند استلام إشارة عصبية، تفتح قنوات الكالسيوم في الجهاز الساركوبلازمي لفترة قصيرة ويتسارع تدفق الكالسيوم إلى السيتوبلازما الخلوية عن طريق عملية `الانتشار الانتقائي`. وهذا هو انتشار نوع واحد من المذيبات عبر بروتين نقل يعمل بدون ATP. وبعد ذلك، تبدأ العضلة بالانقباض.
• الاستخدام الثاني لـ ATP في ألياف العضلات هو السماح لـ “أيدي” الميوسين بالتخلي عن الأكتين بعد سحبها مرة واحدة والإمساك بمقبض آخر للأعلى حتى يتمكنوا من الشد مرة أخرى ومواصلة الانكماش ، عندما تنكشف حواجز الأكتين عن طريق ارتباط الكالسيوم بخيوط الأكتين الدقيقة ، يمسك الميوسين تلقائيًا بمقبض أكتين ويسحب مرة واحدة ، من أجل تحرير ذلك المقبض والسحب مرة أخرى ، يجب على ATP توفير الطاقة لحركة التحرير.

يتم استهلاك ATP بمعدل عال جدا عند انقباض العضلات، وتتجلى حاجة الخلايا العضلية لـ ATP في ظاهرة “تيبس الموتى”، حيث يتحول جميع ATP إلى ADP في هذه العضلات، ولا يمكن للميتوكوندريا تحويل ADP إلى ATP مرة أخرى نظرا لعدم توفر الأكسجين (وقف التنفس)

في ظل غياب ATP، يتوقف بروتينات نقل الكالسيوم عن ضخ الكالسيوم في الجهاز الساركوبلازمي ويتسرب الكالسيوم تدريجيا مما يؤدي إلى تعرض مواقع ارتباط الميوسين على مجموعات الأكتين في ألياف العضلات، وتتصاعد بروتينات الميوسين الأكتين وتسحب مرة واحدة ولكن لا يمكنها إطلاقها وسحبها مجددا، وبالتالي تظل العضلات جامدة في وضعها عند الوفاة حتى يبدأ ارتباط الميوسين بالأكتين في الانهيار وتصبح فضفاضة.