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: Metabolism) – أو كما تعرف أيضًا باسم التمثيل الغذائي أو الأيض- هي عبارة عن مصطلح لمجموعة من التفاعلات الكيميائية التي تحدث في خلايا الكائنات الحية للحفاظ على الحياة ؛ وتؤدي عمليات التمثيل الغذائي هذه إلى النمو والتكاثر ، وتسمح للكائنات الحية بالحفاظ على هياكلها والاستجابة للبيئة المحيطة .

يمكن أن تكون جميع التفاعلات الكيميائية التي تحدث في الكائنات الحية، من الهضم إلى نقل المواد من خلية إلى أخرى ، جزءًا من عملية التمثيل الغذائي k أما التمثيل الغذائي الوسيط أو المتوسط فهو مصطلح لنقل المواد داخل الخلايا المختلفة وفيما بينها . [1]

كيف تتم عملية الاستقلاب

هناك فئتان من التمثيل الغذائي الأيض الهدمي (catabolism) و الأيض البنائي (anabolism) ؛ و الأيض الهدمي هو عبارة عن تفكك المادة العضوية ، فيما يستخدم الأيض البنائي الطاقة لبناء مكونات الخلايا، مثل البروتينات والأحماض النووية .

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 ؛ تساعد الإنزيمات في هذه العملية عن طريق تسهيل التفاعلات والعمل كمحفزات لحدوث التفاعلات .

لن تحدث التفاعلات بدون إنزيمات ، وذلك لأنها تستجيب للإشارات بين الخلايا وتنظم مسارات التمثيل الغذائي؛وتسمى سرعة التمثيل الغذائي ومعدل التمثيل الغذائي يسمح التمثيل الغذائي للكائن الحي بتحديد المواد المغذية والمفيدة ، وكذلك المواد السامة .

بعض المواد الكيميائية الأخرى وأجزاء الكائن الحي التي تشارك في عملية التمثيل الغذائي هي: 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) .

وعلى الرغم من أنه قد يكون من المفترض أن العمليات البيولوجية – التي من خلالها تنمو الكائنات الحية بطريقة منظمة ومعقدة للغاية ، والحفاظ على النظام والتعقيد طوال حياتها ، وتمرير التعليمات من أجل الأجيال القادمة – تتعارض مع هذه القوانين،فالأمر ليس كذلك .

إن الكائنات الحية لا تستهلك ولا تخلق طاقة فهي تستطيع فقط تحويلها من شكل إلى آخر ، حيث أنهم يقومون بامتصاص الطاقة من البيئة بشكل مفيد لهم ؛ ومن ثم يعيدون إلى البيئة كمية معادلة من الطاقة في شكل أقل فائدة بيولوجيًا ؛ ويمكن تعريف الطاقة المفيدة أو الطاقة الحرة ، بأنها طاقة قادرة على القيام بالعمل في ظل ظروف متساوية الحرارة (الظروف التي لا يوجد فيها فرق في درجة الحرارة) .

وتكون الطاقة الحرة مرتبطة بأي تغيير كيميائي كما يتم إرجاع الطاقة الأقل فائدة من الطاقة الحرة إلى البيئة ، عادة ما تكون على هيئة حرارة لكن لا يمكن للحرارة أداء العمل في الأنظمة البيولوجية لأن جميع أجزاء الخلايا لها 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 مقيدة بالأغشية أو تحتوي على عضيات لها أغشية ، ولا تسمح هذه الأغشية للماء أو الأيونات المستمدة من الماء بالمرور أو الخروج من الخلايا أو العضيات؛وفي النباتات الخضراء ، يمتص الكلوروفيل والأصباغ الأخرى في البلاستيدات الخضراء من الخلايا ، التي تسمى النظام الضوئي الثاني، ضوء الشمس ؛ وكما هو موضح سابقًا ، عندما يتم تقسيم جزيء الماء بواسطة الطاقة الضوئية ، يتم تكوين نصف جزيء الأكسجين وذرتين هيدروجين (تتحلل إلى إلكترونين واثنين 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) .

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

الطاقة الحرة المنبعثة أثناء تحرك أيونات (H+) عبر “مسام” معين في الغشاء، لموازنة تركيزات الأيونات ، تكفي لجعل بعض العمليات البيولوجية تعمل ، وذلك مثل امتصاص بعض العناصر الغذائية عن طريق البكتيريا وتدوير البروتينات مراوح ذات قاعدة تمكن هذه البكتيريا من الحركة ؛ ومع ذلك من المهم بنفس القدر أن هذا التدرج عبر الغشاء يدعم تشكيل ” أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) من الفوسفات غير العضوي (HPO4-2 واختصار Pi) وثنائي فوسفات الأدينوسين (ADP) ؛ يعد (ATP) هو الناقل الرئيسي للطاقة المستخدمة بيولوجيا في جميع أشكال المواد الحية ، ويمكن اعتبار العلاقات المتبادلة بين تفاعلات التمثيل الغذائي الناتجة عن إنتاج الطاقة والتي تتطلب الطاقة إلى حد كبير كعمليات تقترن بتكوين (ATP) مع انهياره .

ما هي متلازمة الاستقلاب

تصف 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 .
• انخفاض مستوى الكوليسترول الحميد والمعروف أيضًا باسم “الكوليسترول الجيد” .
• ارتفاع ضغط الدم .
• ارتفاع نسبة السكر في الدم أثناء الصيام .

تحدث هذه العوامل عادة معًا ؛ ومع ذلك، يجب أن يكون لدى المرضى ثلاثة منهم على الأقل ليتم تشخيصهم بمتلازمة التمثيل الغذائي .

يضاعف الشخص المصاب بمتلازمة التمثيل الغذائي من خطر إصابته بأمراض القلب ، ويزيد احتمال تشخيصه بمرض السكري خمس مرات عن شخص غير مصاب بمتلازمة التمثيل الغذائي ؛ أصبحت متلازمة التمثيل الغذائي شائعة بشكل متزايد نتيجة لارتفاع معدلات السمنة بين البالغين ، لكن من الممكن منع أو تأخير متلازمة التمثيل الغذائي من خلال اتباع نظام غذائي صحي بجانب ممارسة الرياضة .

تجميع مكونات الخلايا في عملية الاستقلاب

تكمن الإجابات على هذه الأسئلة في التفاعلات الكيميائية التي تتم بواسطة الإنزيم ، والتي تحدث في المادة الحية (التمثيل الغذائي)؛ حيث أن هناك مئات من التفاعلات المنسقة والمتعددة الخطوات التي تغذيها الطاقة التي يتم الحصول عليها من العناصر الغذائية أو من الطاقة الشمسية ؛ في نهاية المطاف تحول المواد المتاحة بسهولة إلى الجزيئات اللازمة للنمو والصيانة . [2]