التفاعلات الكيميائية في الخلية

التفاعلات الكيميائية في الخلية:

يعرف التمثيل الغذائي بانه مجموعة من التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل كل خلية من خلايا الكائن الحي، والتي توفر الطاقة للعمليات الحيوية ولتركيب مادة عضوية جديدة، حيث تعتبر الكائنات الحية فريدة من نوعها من حيث قدرتها على استخراج الطاقة من بيئاتها واستخدامها للقيام بأنشطة مثل الحركة والنمو والتطور والتكاثر.

إن إجابات الأسئلة حول كيف تستخرج الكائنات الحية أو خلاياها الطاقة من بيئاتها وكيف يمكن ان تستخدم الخلايا الطاقة والعمل على جمع المكونات التي تتكون منها الخلايا، هي في التفاعلات الكيميائية بوساطة الإنزيم التي تحدث في المادة الحية، حيث أن مئات من التفاعلات المنسقة متعددة الخطوات التي تغذيها الطاقة التي يتم الحصول عليها من العناصر الغذائية أو الطاقة الشمسية في النهاية تحول المواد المتاحة بسهولة إلى الجزيئات اللازمة للنمو والصيانة.

تم العثور على الخصائص الفيزيائية والكيميائية لمكونات الكائنات الحية في المواد الكربوهيدراتية والدهون وعملية البناء الضوئي والبروتين.

وحدة الحياة للخلايا:

على مستوى التنظيم الخلوي تكون العمليات الكيميائية الرئيسية لجميع المواد الحية متشابهة إن لم تكن متطابقة، وهذا صحيح بالنسبة للحيوانات أو النباتات أو الفطريات أو البكتيريا، حيث تحدث الاختلافات على سبيل المثال، في إفراز الأجسام المضادة بواسطة بعض القوالب، فإن العمليات المتغيرة ليست سوى اختلافات في موضوعات مشتركة.

بالتالي فإن جميع المواد الحية تتكون من جزيئات كبيرة تسمى البروتينات، والتي توفر الدعم والحركة المنسقة، بالإضافة إلى تخزين ونقل الجزيئات الصغيرة وكمحفزات تمكن التفاعلات الكيميائية من أن تحدث بسرعة وعلى وجه التحديد تحت درجة حرارة معتدلة نسبيًا في تركيز منخفض وظروف متعادلة أي ليست حمضية ولا قاعدية.

يتم تجميع البروتينات من حوالي 20 من الأحماض الأمينية، وكما يمكن تجميع 26 حرفًا من الأبجدية بطرق محددة لتشكيل كلمات ذات أطوال ومعاني مختلفة فقد تكون عشرات أو حتى مئات من 20 حرفًا من الأحماض الأمينية انضمت لتشكيل بروتينات معينة، وعلاوة على ذلك غالبًا ما تشتمل أجزاء جزيئات البروتين المشاركة في أداء وظائف مماثلة في كائنات مختلفة على نفس تسلسل الأحماض الأمينية.

جميع الأنواع التي تحافظ بها الكائنات الحية على فرديتها وتنقلها إلى نسلها هي نفس الوحدة بين الخلايا، على سبيل المثال يتم ترميز المعلومات الوراثية في تسلسل محدد من القواعد التي تشكل جزيء الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (deoxyribonucleic acid) في نواة كل خلية.

على سبيل المثال يتكون رمز مورس من ثلاث إشارات بسيطة هي شرطة ونقطة ومسافة، وهو الترتيب الذي يكفي لنقل الرسائل المشفرة، هناك أربع قواعد فقط يتم استخدامها في تصنيع الحمض النووي وهي الأدينين والجوانين والسيتوزين والثايمين، إذ أن الترتيب الدقيق للقواعد في الحمض النووي يحتوي على المعلومات وينقلها للتوليف وتجميع مكونات الخلية.

ومع ذلك فإن بعض أشكال الحياة البدائية تستخدم الحمض النووي الريبي، إذ أن الحمض النووي الريبي حمض نووي يختلف عن الحمض النووي في احتوائه على ريبوز السكر بدلاً من سكر الديوكسيريبوز واليوراسيل الأساسي بدلاً من الثايمين الأساسي، وبدلاً من الحمض النووي باعتباره الناقل الأساسي للجينات معلومة، ومع ذلك يجب أن يمر تكرار المادة الجينية في هذه الكائنات عبر مرحلة الحمض النووي مع استثناءات طفيفة، فإن الشفرة الجينية المستخدمة من قبل جميع الكائنات الحية هي نفسها.

أنواع التفاعلات الكيميائية التي تحدث في الخلايا:

التفاعلات الكيميائية التي تحدث في الخلايا الحية متشابهة كذلك، حيث تستخدم النباتات الخضراء طاقة ضوء الشمس لتحويل الماء (H2O) وثاني أكسيد الكربون (CO2) إلى الكربوهيدرات السكريات والنشويات، والمركبات العضوية الأخرى المحتوية على الكربون والأكسجين الجزيئي (O2).

تتطلب عملية التمثيل الضوئي طاقة على شكل ضوء الشمس لتقسيم جزيء ماء واحد إلى نصف جزيء أكسجين (O2 عامل مؤكسد) وذرتين هيدروجين (H عامل الاختزال) كل منهما تنفصل إلى أيون هيدروجين واحد (H +) وإلكترون واحد، ومن خلال سلسلة من تفاعلات الأكسدة والاختزال يتم نقل الإلكترونات (المشار إليها بـ e−) من جزيء متبرع (أكسدة) في هذه الحالة الماء إلى جزيء مقبول (اختزال) عن طريق سلسلة من التفاعلات الكيميائية، حيث قد يقترن هذا الاختزال في النهاية بتقليل ثاني أكسيد الكربون إلى مستوى الكربوهيدرات، وفي الواقع يتقبل ثاني أكسيد الكربون الهيدروجين ويرتبط به مكونًا الكربوهيدرات (Cn [H2O] n).

الكائنات الحية التي تتطلب الأكسجين تعكس هذه العملية، فهي تستهلك الكربوهيدرات والمواد العضوية الأخرى باستخدام الأكسجين الذي تصنعه النباتات لتكوين الماء وثاني أكسيد الكربون والطاقة، والعملية التي تزيل ذرات الهيدروجين التي تحتوي على إلكترونات من الكربوهيدرات وتمريرها إلى الأكسجين هي سلسلة من التفاعلات المنتجة للطاقة.

جميع خطوات العملية تحدث في النبات التي تقوم بتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى كربوهيدرات باستثناء خطوتين؛ هي نفس الخطوات التي تصنع السكريات من مواد ابتدائية أبسط في الحيوانات والفطريات والبكتيريا، وبالمثل فإن سلسلة التفاعلات التي تأخذ مادة بداية معينة وتصنع جزيئات معينة ستستخدم في مسارات تركيبية أخرى متشابهة أو متطابقة بين جميع أنواع الخلايا، ومن وجهة نظر التمثيل الغذائي تختلف العمليات الخلوية التي تحدث في الأسد بشكل هامشي فقط عن تلك التي تحدث في الهندباء.

تبادل الطاقة البيولوجية:

إن تغيرات الطاقة المرتبطة بالعمليات الفيزيائية والكيميائية هي مجال الديناميكا الحرارية، وهو فرع من فروع الفيزياء، حيث ينص القانونان الأوليان للديناميكا الحرارية في جوهرهما على أن الطاقة لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها، وأن تأثير التغيرات الفيزيائية والكيميائية هو زيادة الاضطراب أو العشوائية أي الانتروبيا في الكون.

على الرغم من أنه قد يُفترض أن العمليات البيولوجية التي من خلالها تنمو الكائنات الحية بطريقة منظمة للغاية، ومعقدة وتحافظ على النظام والتعقيد طوال حياتها وتمرر تعليمات النظام إلى الأجيال القادمة تتعارض مع هذه القوانين، إلا أن هذا ليس كذلك وبالتالي، لا تستهلك الكائنات الحية الطاقة ولا تخلقها إذ يمكنها فقط تحويلها من شكل إلى آخر.

يمتصون من البيئة الطاقة بشكل مفيد لهم وإلى البيئة يعيدون كمية مكافئة من الطاقة في شكل أقل فائدة من الناحية البيولوجية، حيث يمكن تعريف الطاقة المفيدة أو الطاقة الحرة على أنها طاقة قادرة على القيام بالعمل في ظل ظروف متساوية الحرارة أي ظروف لا يوجد فيها اختلاف في درجات الحرارة، كما ترتبط الطاقة الحرة بأي تغيير كيميائي، ويتم إرجاع الطاقة الأقل فائدة من الطاقة المجانية إلى البيئة عادةً على شكل حرارة، إذ لا يمكن للحرارة أداء العمل في الأنظمة البيولوجية لأن جميع أجزاء الخلايا لها نفس درجة الحرارة والضغط بشكل أساسي.