التفاعلات الأيضية

ما هي التفاعلات الأيضية؟

عمليات التمثيل الغذائي تحدث باستمرار في الجسم، حيث أن التمثيل الغذائي هو مجموع كل التفاعلات الكيميائية التي تشارك في عمليات الهدم والتمثيل الغذائي، وردود الفعل التي تحكم انهيار الغذاء للحصول على الطاقة تسمى التفاعلات التقويضية، على العكس من ذلك تستخدم التفاعلات الابتنائية الطاقة الناتجة عن التفاعلات التقويضية؛ لتكوين جزيئات أكبر من الجزيئات الأصغر مثل عندما يشكل الجسم بروتينات عن طريق توتير الأحماض الأمينية معًا كلا المجموعتين من ردود الفعل حاسمة للحفاظ على الحياة.

لأن التفاعلات التقويضية تنتج الطاقة والتفاعلات الابتنائية تستخدم الطاقة من الناحية المثالية، فإن استخدام الطاقة سيوازن الطاقة المنتجة إذا كان التغير الصافي للطاقة إيجابيًا (تطلق التفاعلات التقويضية طاقة أكثر مما تستخدمه التفاعلات الابتنائية)، فإن الجسم يخزن الطاقة الزائدة عن طريق بناء جزيئات الدهون للتخزين على المدى الطويل من ناحية أخرى، أما إذا كان التغير الصافي للطاقة سالبًا (تطلق التفاعلات التقويضية طاقة أقل من استخدام التفاعلات الابتنائية) يستخدم الجسم الطاقة المخزنة للتعويض عن نقص الطاقة الناتج عن الهدم.

التفاعلات التقويضية:

تكسر التفاعلات التقويضية الجزيئات العضوية الكبيرة إلى جزيئات أصغر، وتطلق الطاقة الموجودة في الروابط الكيميائية، إذ إن إطلاق (تحويلات) الطاقة هذه ليس فعالاً بنسبة 100٪. كمية الطاقة المنبعثة أقل من الكمية الإجمالية الموجودة في الجزيء، ويتم نقل ما يقرب من 40 في المائة من الطاقة الناتجة عن التفاعلات التقويضية مباشرة إلى جزيء الأدينوزين ثلاثي الفوسفات عالي الطاقة (ATP).

يمكن استخدام (ATP)، عملة الطاقة للخلايا على الفور لتشغيل الآلات الجزيئية التي تدعم وظيفة الخلية والأنسجة والعضو، حيث يتضمن ذلك بناء أنسجة جديدة وإصلاح الأنسجة التالفة، ويمكن أيضًا تخزين (ATP) لتلبية متطلبات الطاقة المستقبلية، كما يتم إطلاق 60 بالمائة المتبقية من الطاقة المنبعثة من التفاعلات التقويضية على شكل حرارة تمتصها الأنسجة وسوائل الجسم.

من الناحية الهيكلية تتكون جزيئات (ATP) من مجموعات أدينين وريبوز وثلاث مجموعات فوسفات، تكون الرابطة الكيميائية بين مجموعتي الفوسفات الثانية والثالثة والتي تسمى رابطة عالية الطاقة تمثل أكبر مصدر للطاقة في الخلية، إذ إنها الرابطة الأولى التي تنكسر فيها الإنزيمات التقويضية عندما تحتاج الخلايا إلى طاقة للقيام بعملها، ونواتج هذا التفاعل هي جزيء ثنائي فوسفات الأدينوسين (ADP) ومجموعة فوسفات وحيدة (Pi)، إذ يتم تدوير (ATP) و(ADP) و(Pi) باستمرار من خلال التفاعلات التي تبني (ATP) وتخزن الطاقة والتفاعلات التي تكسر (ATP) وتطلق الطاقة.

تعمل الطاقة من (ATP) على تحريك جميع وظائف الجسم مثل تقلص العضلات والحفاظ على الإمكانات الكهربائية للخلايا العصبية وامتصاص الطعام في الجهاز الهضمي، وتأتي التفاعلات الأيضية التي تنتج (ATP) من مصادر مختلفة، ومن بين المجموعات الجزيئية الكبرى الأربع (الكربوهيدرات، الدهون، البروتينات، الأحماض النووية) التي يتم معالجتها عن طريق الهضم، وتعتبر الكربوهيدرات المصدر الأكثر شيوعًا للطاقة لتغذية الجسم، حيث تأخذ شكل الكربوهيدرات المعقدة السكريات مثل النشا والجليكوجين أو السكريات البسيطة (السكريات الأحادية) مثل الجلوكوز والفركتوز، حيث أن تقويض السكر يقسم السكريات إلى السكريات الأحادية الفردية.

من بين السكريات الأحادية الجلوكوز هو الوقود الأكثر شيوعًا لإنتاج ATP في الخلايا، وعلى هذا النحو هناك عدد من آليات التحكم في الغدد الصماء لتنظيم تركيز الجلوكوز في مجرى الدم، ويتم تخزين الجلوكوز الزائد كاحتياطي للطاقة في الكبد والعضلات الهيكلية مثل البوليمر الجليكوجين المعقد أو يتم تحويله إلى دهون (الدهون الثلاثية) في الخلايا الدهنية (الخلايا الشحمية).

من بين الدهون غالبًا ما تستخدم الدهون الثلاثية للحصول على الطاقة عبر عملية التمثيل الغذائي التي تسمى الأكسدة بيتا، إذ يتم تخزين حوالي نصف الدهون الزائدة في الخلايا الشحمية التي تتراكم في الأنسجة تحت الجلد تحت الجلد، بينما يتم تخزين الباقي في الخلايا الدهنية في الأنسجة والأعضاء الأخرى، كما يمكن تقسيم البروتينات وهي عبارة عن بوليمرات إلى أحماض أمينية فردية، حيث يمكن استخدام الأحماض الأمينية كوحدات بناء لبروتينات جديدة أو تكسيرها بشكل أكبر لإنتاج (ATP)، إذ عندما يتضور المرء جوعًا بشكل مزمن يمكن أن يؤدي استخدام الأحماض الأمينية لإنتاج الطاقة إلى هزال الجسم، حيث يتم تكسير المزيد والمزيد من البروتينات.

توجد الأحماض النووية في معظم الأطعمة التي نتاولها أثناء الهضم ويتم تكسير الأحماض النووية بما في ذلك الحمض النووي، ومختلف الحمض النووي الريبي إلى النيوكليوتيدات المكونة لها، حيث يتم امتصاص هذه النيوكليوتيدات بسهولة ونقلها في جميع أنحاء الجسم لتستخدمها الخلايا الفردية أثناء استقلاب الحمض النووي.

التفاعلات الابتنائية:

على عكس التفاعلات التقويضية تتضمن التفاعلات الابتنائية انضمام جزيئات أصغر إلى جزيئات أكبر، حيث تجمع التفاعلات الابتنائية السكريات الأحادية لتكوين السكريات والأحماض الدهنية؛ لتكوين الدهون الثلاثية والأحماض الأمينية لتكوين البروتينات والنيوكليوتيدات لتكوين الأحماض النووية، وتتطلب هذه العمليات طاقة في شكل جزيئات (ATP) الناتجة عن تفاعلات تقويضية والتفاعلات الابتنائية التي تسمى أيضًا تفاعلات التخليق الحيوي تخلق جزيئات جديدة تشكل خلايا وأنسجة جديدة وتنشط الأعضاء.

التنظيم الهرموني لعملية التمثيل الغذائي:

تساعد الهرمونات التقويضية والابتنائية في الجسم على تنظيم عمليات التمثيل الغذائي، وتحفز الهرمونات التقويضية تكسير الجزيئات وإنتاج الطاقة، وتشمل هذه الكورتيزول والجلوكاجون والأدرينالين/ الإبينفرين والسيتوكينات، إذ يتم تعبئة كل هذه الهرمونات في أوقات محددة لتلبية احتياجات الجسم، والهرمونات الابتنائية ضرورية لتركيب الجزيئات وتشمل هرمون النمو وعامل النمو الشبيه بالأنسولين والأنسولين والتستوستيرون والإستروجين.

تفاعلات الأكسدة والاختزال:

تتضمن التفاعلات الكيميائية الكامنة وراء عملية التمثيل الغذائي نقل الإلكترونات من مركب إلى آخر عن طريق عمليات تحفزها الإنزيمات، وتأتي الإلكترونات في هذه التفاعلات عادةً من ذرات الهيدروجين، والتي تتكون من إلكترون وبروتون، إذ يتخلى الجزيء عن ذرة هيدروجين على شكل أيون هيدروجين (H +) وإلكترون ويقسم الجزيء إلى أجزاء أصغر.

يؤدي فقدان الإلكترون أو الأكسدة إلى إطلاق كمية صغيرة من الطاقة، إذ يتم بعد ذلك تمرير كل من الإلكترون والطاقة إلى جزيء آخر في عملية الاختزال أو اكتساب الإلكترون، ويحدث هذان التفاعلان معًا دائمًا في تفاعل الأكسدة والاختزال (ويسمى أيضًا تفاعل الأكسدة والاختزال) حيث عندما يتم تمرير إلكترون بين الجزيئات يتأكسد المتبرع ويقل المتلقي، وغالبًا ما تحدث تفاعلات الأكسدة والاختزال في سلسلة بحيث يتأكسد الجزيء الذي يتم تقليله لاحقًا، ويمرر ليس فقط الإلكترون الذي تلقاه للتو، ولكن أيضًا الطاقة التي يتلقاها، ومع تقدم سلسلة التفاعلات تتراكم الطاقة التي تُستخدم للجمع بين (Pi) و(ADP) لتكوين (ATP) الجزيء عالي الطاقة الذي يستخدمه الجسم للوقود.

يتم تحفيز تفاعلات الأكسدة والاختزال بواسطة إنزيمات تؤدي إلى إزالة ذرات الهيدروجين، إذ تعمل الإنزيمات المساعدة مع الإنزيمات وتقبل ذرات الهيدروجين، إن الإنزيمين الأكثر شيوعًا لتفاعلات تقليل الأكسدة هما نيكوتيناميد أدينين ثنائي النوكليوتيد (NAD) وفلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد (FAD)، كما إن الإنزيمات المساعدة المختصرة الخاصة بها هي(NADH) و(FADH2) وهي جزيئات تحتوي على الطاقة وتستخدم لنقل الطاقة أثناء تكوين (ATP).