الأيض هو مصطلح لمجموعة من التفاعلات الكيميائية التي تحدث في خلايا الكائنات الحية للحفاظ على الحياة، وتؤدي عمليات التمثيل الغذائي إلى النمو والتكاثر وتسمح للكائنات الحية بالحفاظ على هياكلها والاستجابة للبيئة المحيطة، ويمكن أن تكون جميع التفاعلات الكيميائية التي تحدث في الكائنات الحية، من الهضم إلى نقل المواد من خلية إلى أخرى، جزءًا من عملية التمثيل الغذائي.
ما هو التمثيل الغذائي
يُعرَّف التمثيل الغذائي بأنه مجموع جميع التفاعلات الكيميائية المطلوبة لدعم الوظيفة الخلوية، وبالتالي حياة الكائن الحي، ويتم تصنيف التمثيل الغذائي إما على أنه تقويض، في إشارة إلى جميع عمليات التمثيل الغذائي المشاركة في انهيار الجزيئات، أو التمثيل الغذائي، والذي يتضمن جميع عمليات التمثيل الغذائي المشاركة في بناء جزيئات أكبر.
بشكل عام، تطلق العمليات التقويضية الطاقة وتستهلك عمليات الابتنائية الطاقة، والأهداف العامة لعملية التمثيل الغذائي هي نقل الطاقة ونقل المادة، ويتم تحويل الطاقة من المغذيات الغذائية الكبيرة إلى طاقة خلوية، والتي تستخدم لأداء العمل الخلوي، ويحول التمثيل الغذائي مادة المغذيات كبيرة المقدار إلى مواد يمكن للخلية استخدامها للنمو والتكاثر وأيضًا إلى نفايات.
علاقة الإنزيمات بالتمثيل الغذائي
الإنزيمات هي بروتينات وظيفتها هي تحفيز التفاعلات الكيميائية، وبدون الإنزيمات لن تحدث التفاعلات الكيميائية بسرعة كافية وستحدث تستهلك الكثير من الطاقة لتوجد الحياة، ويكون المسار الأيضي عبارة عن سلسلة من التفاعلات الأنزيمية التي تحول مادة البداية (المعروفة باسم الركيزة) إلى مواد وسيطة.
وهي ركائز للتفاعلات الإنزيمية التالية في المسار، حتى يتم أخيرًا تصنيع المنتج النهائي بواسطة آخر تفاعل إنزيمي في الطريق، وبعض مسارات التمثيل الغذائي معقدة وتنطوي على العديد من التفاعلات الأنزيمية، والبعض الآخر لا يتضمن سوى عدد قليل من التفاعلات الكيميائية.
لضمان الكفاءة الخلوية، يتم تنظيم المسارات الأيضية المشاركة في عمليات الهدم والتمثيل الغذائي بالتنسيق من خلال حالة الطاقة والهرمونات ومستويات الركيزة والمنتج النهائي، ويمنع التنظيم المنسق للمسارات الأيضية الخلايا من بناء جزيء بشكل غير فعال عندما يكون متاحًا بالفعل، ومثلما سيكون من غير الفعال بناء جدار في نفس الوقت الذي يتم فيه تكسيره، فإنه ليس من الكفاءة الأيضية للخلية لتخليق الأحماض الدهنية وتفكيكها في نفس الوقت.
خطوات التمثيل الغذائي
عندما تكون مستويات الطاقة عالية، تبني الخلايا الجزيئات، وعندما تكون مستويات الطاقة منخفضة، تبدأ مسارات تقويضية لتوليد الطاقة، والجلوكوز هو مصدر الطاقة المفضل لمعظم الأنسجة، ولكن يمكن أيضًا تقويض الأحماض الدهنية والأحماض الأمينية إلى جزيء الطاقة الخلوية، (ATP)، ويمكن تقسيم هدم العناصر الغذائية إلى طاقة إلى ثلاث مراحل، تحتوي كل منها على مسارات استقلابية فردية.
تسمح المراحل الثلاث لتفكك المغذيات للخلايا بإعادة تقييم احتياجاتها من الطاقة، حيث يمكن معالجة المنتجات النهائية لكل مسار إلى طاقة أو تحويلها إلى مسارات ابتنائية، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أحيانًا تحويل الوسائط الوسيطة لمسارات التمثيل الغذائي إلى مسارات الابتنائية بمجرد تلبية متطلبات الطاقة الخلوية.
المرحلة الأولى
يبدأ تفكك الجلوكوز بتحلل الجلوكوز، وهو مسار أيضي من عشر خطوات ينتج عنه اثنين من ATP لكل جزيء جلوكوز؛ يحدث تحلل السكر في العصارة الخلوية ولا يتطلب الأكسجين، وبالإضافة إلى ATP، تشتمل المنتجات النهائية لتحلل السكر على جزيئين من ثلاثة كربون، يسمى البيروفات.
المرحلة الثانية
البيروفات التي يتم نقلها إلى الميتوكوندريا يتم تقطيع أحد كربوناتها، مما ينتج عنه أسيتيل CoA، ويدخل Acetyl-CoA، وهو جزيء ثنائي الكربون شائع في التمثيل الغذائي للجلوكوز والدهون والبروتين، في المرحلة الثانية من استقلاب الطاقة، وهي دورة حمض الستريك، وهذه عملية لا رجوع فيها، ويبدأ تفكك الأحماض الدهنية بالمسار التقويضي، المعروف باسم الأكسدة β، والذي يحدث في الميتوكوندريا.
المرحلة الثالثة
في حامض الستريك، يتم ربط دورة أسيتيل CoA بجزيء رباعي الكربون، وفي هذا المسار متعدد الخطوات، يُفقد ذرتي ذرة كربون بينما يتشكل جزيئين من ثاني أكسيد الكربون، ويتم تحويل الطاقة التي يتم الحصول عليها من كسر الروابط الكيميائية في دورة حمض الستريك إلى جزيئين آخرين من ATP (أو ما يعادلها) وإلكترونات عالية الطاقة تحملها الجزيئات، نيكوتيناميد أدينين ثنائي النوكليوتيد (NADH) وفلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد (FADH)2).
يمكن القول بأنه يتم تنظيم التفاعلات الكيميائية في عملية التمثيل الغذائي في مسارات التمثيل الغذائي حيث يتم تحويل مادة كيميائية واحدة من خلال سلسلة من الخطوات إلى مادة كيميائية أخرى، وتساعد الإنزيمات في هذه العملية من خلال تسهيل التفاعلات والعمل كمحفزات لحدوث التفاعلات، ولن تحدث التفاعلات بدون الإنزيمات، التي تستجيب للإشارات بين الخلايا وتنظم مسارات التمثيل الغذائي، وتعتبر سرعة التمثيل الغذائي تسمى معدل التمثيل الغذائي.
