التمثيل الغذائي للمواد الحاملة للطاقة

التمثيل الغذائي للمواد الحاملة للطاقة

جدول رقم ) (٥٢الفيتامينات ودورها في وظيفة الانزيمات

الفيتامين

الهيئة )الشكل( التي يكون بها على هيئة مرافق انزيمى

نوع التفاعل أو العلميات تالتى يحفزها

أو الهيئة النشطة للإنزيم

الفيتامينات القابلة للذوبان

بالماء:

الثيامين

بايروفوسفات الثيامين

ازالة ) (CO2من الحوامض الكيتونية

الرايبو فلافين

الفلافين احادى النيوكليوتيد والفلافين ادنين ثنائى

تفاعلات الاكسدة – الاختزال

النيوكلونيد

حامض النيكوتنيك

النيكوتين اميد ادنين ثنائى النيوكليوتيد والنيكوتين اميد

تفاعلات الاكسدة والاختزال

ادنين ثنائى النيوكليونيد ثنائى الفوسفات

حامض البانتوثينك

المرافق الانزيمى )(A

انتقال المجموعة الاسيل

البايريدوكسين

فوسفات البايريدوكسال

انتقال المجموعة الأمينية

البايوتين

بايوتين

انتقال CO2

حامض الفوليك FH4

حامض التتراهيدروفوليت

انتقال مجموعة ذرة الكربون – ١

فيتامين B12

ديوكسى ادنيوسيل كوبالامين

انحراف ذرات الهيدروجين ١.٢

حامض الاسكوربيك

غير معروف

عامل مساعد في التفاعلات اضافية

الهيدروجين

الفيتامينات القابلة للذوبان

بالدهون:

فيتامين A

الرتينال )(Retinal

الدورة البصرية

فيتامين D

١و – ٢٥داى هيدروكسى كولى كالسيفرول

تنظيم ايض الكالسيوم

فيتامين E

غير معروف

حماية دهون الاغشية

فيتامين K

غير معروف

عامل مساعد في تفاعلات اضافية

CO2

-٥٤٦-

المواد الحاملة للطاقة "-التمثيل الغذائي للطاقة" -تمثيل الطاقة وعلاقته بالتغذية

ثانيا :العناصر المعدنية:

الكالسيوم والفوسفور لهما دور في تركيب الجسم كما تعمل ك Cofactorsأو منشطات مع الانزيمات والفوسفور لة اهمية كبيرة في تمثيل الطاقة.

البوتاسيوم والصوديوم والمغنسيوم والكالسيوم تلعب دور أساسي في عمليات Bioenergeticsالتي تختص بتحويل الطاقة الكيماوية لطاقة كهربائية في الاعصاب وفي نهاية الخلايا العصبية حيث الاشارات العصبية تتحول إلى

.Biochemical events

الحديد يمثل جزء من Oxygen-carring molecule heamoglobin وكذلك في .Electron or hydrogen carrier or cytochromes.

الزنك يعمل من خلال إنزيم Carbonic anhydraseالذى يختص بازالة الناتج النهائى لعمليات الاكسدة وهو ك أ .٢وكلا استهلاك أ ٢وانتاج ك أ ٢تتناسب مع

أهمية تبادل الطاقة.

من ذلك فإن احتياجات الانسجة من العناصر الغذائية الهامة تعتمد على تمثيل الطاقة الضرورية لحياة الكائنات الحية ،واى نقص في هذه العناصر الغذائية يتداخل مع تمثيل واطلاق الطاقة ،وقد يكون تأثير نتيجة نقص العناصر الغذائية عن طريق تقليل الغذاء المأكول اختياريا مما يؤدي إلى تحميل الجسم والحد من الكفاءة الكلية لعمليات انتاج الطاقة Energy-yielding processالتي تقل أو تضعف بالرغم من ثبات كمية الغذاء مع استمرار احتمال نقص الغذاء.

من وجهة النظر الخالصة من حيث التغذية أو الكيماوية الحيوية فان كل الاسباب الخاصة بحاجة الثدييات وحيدة المعدة والطيور والاسماك من الطاقة ترتبط باحتياجات الحيوان من العناصر الغذائية الاخرى وفي حالة المجترات فالميكروفلو ار هي المسئولة عن مصدر بعض الفيتامينات خاصة مجموعة Bباستثناء B12 )سيانوكوبالامين( حيث يمكن تكوينة في حالة وجود كوبالت في الغذاء .كما أن

-٥٤٧-

التمثيل الغذائي للمواد الحاملة للطاقة

نشاط الميكروفلو ار تعالج نقص الأحماض الأمينية في الغذاء عن طريق تكوينها من مركبات بسيطه للنيتروجين مثل الامونيا أو مركبات تنتج امونيا عند مهاجمة البكتريا، وبالنسبة للأحماض الأمينية الكبريتية مثل الستسئين أو المثيونين فيمكن تكوينها طريق اضافة كبريت غير عضوي في العلائق ،وهذه علاقة مشاركة بين الحيوانات المجترة )الكرش( والميكروفلو ار Fortumate symbiosisدون باقي الحيوانات

والطيور الأخرى.

-٥٤٨-

المواد الحاملة للطاقة "-التمثيل الغذائي للطاقة" -تمثيل الطاقة وعلاقته بالتغذية

طرق تقدير تمثيل الطاقة في الحيوانات

Methods of measuring the energy metabolism of animals الشمس هي المصدر الأول للطاقة بالنسبة للحيوانات ،والنباتات الخضراء تحول

جدا وهذه الطاقة عندما يتغذى عليها

الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية بكفاءة عالية الحيوان كغذاء تنطلق من خلال عمليات الميتابوليزم لتسمح بالضغوط الاسموزية ونقل الجزيئات وعمل ميكانيكى لتكوين جزيئات جديدة أو تكوين طاقة كهربائية كما

في التوصيلات العصبية.

وفي حالة النباتات الخضراء تستخدم 48 quantaمن الضوء الاحمر لتكوين ١ مول من السكر حيث تمثل كفاءة التحويل من الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية في حدود ،%٣٥ويستخدم الحيوان مول واحد من السكر بكفاءة في حدود %٣٠أو اكثر في العمل الميكانيكى في انتاج تيار أو نبضات كهربائية وفي عمل اسموزى ،كما أن طاقة الغذاء ليست هي المصدر الوحيد لطاقة غذاء الحيوان.

الطاقة الضوئية :Light energyتتحول بواسطة العين إلى طاقة كيميائية وكذلك إلى طاقة كهربائية في التيار العصبى لل .Optic nerve الطاقة الصوتية :Sound energyتنتج طاقة ميكانيكية في The ossietes

of the earعظم الاذن الوسطى.

الاشعاع الايوني :Ionising radiationينتج في الطبيعة من تغير الجزيئات.

المستقبل العصبى في الجلد :Neural receptorيتفاعل مع الضوء والح ارره

والضغط ويتحلل مع تيار كهربائى بسيط٠

تعريف وحدات الطاقة )الكالورى(:

التغير في الطاقة لمختلف الانظمة تعرف بالوحدة الدولية International joulesوهي تساوىInternational volts x international amperes x :

-٥٤٩-

التمثيل الغذائي للمواد الحاملة للطاقة

secondsوقد استخدم علماء الكيمياء والتغذية اصطلاح كالورى كوحدة للطاقة وهو عبارة عن الطاقة الح اررية اللازمة لرفع أو زيادة درجة ح اررة كتلة من الماء بواسطة

عدد من الدرجات الح اررية.

ويعرف الكالورى بأنه كمية الح اررة التي ترفع درجة ح اررة ١جم من الماء من ١٤,٥إلى ١٥,٥م .ويمكن تعريف الطاقة بوحدات كهربائية مثل الجول Joules ويقدر الكالورى ٤.١٨٥٥جول International joulesوالكالورى هذا يسمى Small calorieبينما ١٠٠٠كالورى يسمى 103 = large calorieأو كيلو

كالورى Kilo caloieويختصر ب

١٠٠٠ ،Kcalكيلو كالورى يسمى

megacalrieويختصر ب Mcalويساوى calorie 106ويساوى في نفس الوقت

.I therm

Free energy changes

عند اكسدة ١مول من الجلوكوز الصلب بواسطة غاز الأكسجين تحت ضغط واحد جوي لإنتاج ماء +ك أ) ٢غاز( عند ضغط واحد جوى ،درجة الح اررة .298°C

C6H12O6 + 6O2 --------- 6CO2 + 6 H2O

)(solid) (gas

)(gas) (liquid

∆ F° = - 688 Kcal/mole.

) (Free energy change F.E.C.لهذا التفاعل تسمى ،∆ F°الرمز )(° تدل على أن كل المواد المتفاعلة والناتجة في حالة قياسية )صلبة – سائلة – غازية(

تماما عن طريق الاكسدة وتعتمد فقط على

على ضغط واحد جوى ∆ F° ،مستقلة

الحالة الابتدائية )الاولية( والنهائية للنظام – وهذا يتبع القانون الأول لل

) Thermodynamicsقانون هس

the law of hess or the low of

.(constant heat summation

اذا كان الاكسدة تتم بحرق الجلوكوز بلهب من نار أو اكسدته في جسم الحيوان بخطواته التمثيلية فيكون ∆ F°تحت الظروف القياسية = .688 Kcal/mol

-٥٥٠-

المواد الحاملة للطاقة "-التمثيل الغذائي للطاقة" -تمثيل الطاقة وعلاقته بالتغذية وتحت الظروف الفسيولوجية حيث تركيزات المواد المتفاعلة والنواتج ،وتركيز ايون الايدروجين ،درجة الح اررة مختلفة عن الظروف القياسية فيكون رمز ∆F° يصبح ` ∆Fوتحت الظروف الفسيولوجية فان ` ∆Fبالنسبة للتفاعل السابق ح والى - 710 Kcalومن الملاحظ ان Free energy ∆Fطريقة متناسبة حيث يمكن وصف تحويلات ونقل الطاقة فهي تمثل الاختلافات ∆ Fفي الطاقة الحرة للنواتج

والمواد المتفاعلة.

واذا كان التفاعل يتم بدون أي امداد للطاقة فيكون ∆ Fسالبة ،واذا تم بواسطة اعداد خارجى للطاقة فيكون ∆ Fموجبة ،وعلى ذلك فان ∆F°تكون سالبة في حالة اكسدة الجلوكوز إلى ك أ + ٢ماء والتفاعل العكسى أي تكوين كربوهيدرات من ك أ + ٢يد٢أ )عملية التمثيل الضوئى (Photsynthesisتكون ∆F°موجبة حيث

يتم اضافة الطاقة من مصدر خارجى مثل الشمس.

:Heat and Entropy

عند اكسدة الجلوكوز تحت الظروف القياسية فممكن كتابة التفاعل كالآتى:

C6H12O6 + 6O2 --------- 6CO2 + 6 H2O

)(solid) (gas

)(gas) (liquid

∆ F°

∆ H° = - 673

∆H°هو الفرق بين المحتوى الحراري للمواد المتفاعلة والنواتج تحت ضغط طبقا إلى قانون Hessويكون التغير في المحتوى الحراري مستقل عن الطريق

ثابت

أيضا تمثل التغير في الطاقة الكلية للنظام.

الذى يتم فيه الاكسدة وهي

وتمثل ∆F°أقصى كمية من الطاقة قادرة لأداء عمل وبالتالى فان التغير ∆H,

طبقا للمعادلة الآتية:

∆Fيربطهما علاقة

∆H

= ∆ F + T∆S

وعلى ذلك يكون تفاعل اكسدة الجلوكوز T ∆ S° = - 15 Kcal/mole = ∆S = a property of the system called its entropy & T

-٥٥١-

التمثيل الغذائي للمواد الحاملة للطاقة

absolute temperature entropyيرمز له Calories / °C / molويعرف بال Capaciy factorوالطاقة الح اررية ناتج من Intensity factor , temp.

and a capacity factorوالطاقة الكهربائية ناتج من:

Voltage and charge

Entropy is mainly a function of the size of the molecule and is a function of the electronic, vibrational, rotation and

translational energies of the molecule.

هو تأثير أو فعل حجم الجزئي والطاقة الكهربائية والذبذبه والدوران ونقل الطاقة

في الجزئ٠

مثال آخ ر:أكسدة الاستيك اسيد

CH3COOH + 2O2 ------- 2CO2 + 2 H2O

)(liquid

)(gas

)(gas) (liquid

∆ F° = - 207.1.1

Kcal/mole.

∆ H° = - 209.4

Kcal/mole.

T ∆ S° = - 2.3

Kcal/mole.

∆F°صغيرة بالنسبة ∆F°للجلوكوز.

ويجب ملاحظة أن تقدير ∆F°

للتفاعلات عادة تكون على أساس ح اررة

الاحتراق وتقدير ال Entropyالذى يقدر التغير في السعة الح اررية للمواد المتفاعلة

جدا عن ٢٥درجة مئوية.

والناتجة والذى يتم في درجة ح اررة منخفضة

:Application to animals

تستخدم الح اررة الحرة Free energyفقط في حالة تفاعلات الاكسدة البسيطة ولكن لا ترتبط طاقة التحويلات الكلية في الحيوان مع Free energyلاسباب عديدة مثال ذلك تعذر تقدير entropy changesللأكسدة النهائية في حالة هضم التبن أو اللفت اذا تغذى عليها ثور أو عجل مخصى bullockلهذا لا يمكن بسهولة قياس تغيرات الطاقة بواسطة تغيرات في الح اررة ،ولذا فيكون تقدير الطاقة المستفادة للحيوان

-٥٥٢-

المواد الحاملة للطاقة "-التمثيل الغذائي للطاقة" -تمثيل الطاقة وعلاقته بالتغذية بتقدير ∆Hوالتي تمثل الح اررة الكلية الناتجة من الاكسدة الكاملة وليست .∆F Can not be defined in terms of the potentially useful energy yields on complete oxidation , ∆F, but in terms of the total

produced on complete oxidation, ∆H.

مثلا جلوكوز من المعدة وتأكسد إلى ك أ + ٢يد ٢أ فان

اذا كان الحيوان امتص

تقدير الح اررة تكون ∆ H° = ∆ F + T ∆ Sوح اررة الاحتراق المؤكسد هو افضل قياس للحمل الذى فرضته الاكسدة على جهاز تنظيم الح اررة عما لو استعمل ∆ F

في الاكسدة فقط.

وقد عبر العالم ) Wilkie (1960عن وجهة نظره في قاعدتين هامتين هما:

اذا كانت المشكلة هي معرفة الكميات لمختلف العمليات الكيماوية والطبيعية الحادثة ووقت حدوثها فيكون المختص بذلك هو ) – ∆Hح اررة التفاعل( والمعادلات المطلوبة تتبع القانون الأول لل .Thermodynamics اذا كانت المشكلة تختص بميكانيكية التفاعلات من عملية إلى اخرى فان هذه الحالة يلزم معرفة ∆ Fبالاضافة إلى كمية العمليات ،وفي هذه الحالة المعادلات المطلوبة تتبع القانون الأول والثانى للثرموديناميك .Thermodynamics

:Calorimetric technique

من الممكن قياس الطاقة الناتحة من اكسدة الغذاء سواء في المعمل أو في الجسم بواسطة الكلاريتمر the techniques of calorimetryويتم قياس ح اررة احتراق الغذاء بواسطة المسعر الحراري The technique of bomb calorimetryحيث يوضع كمية موزونه من الغذاء فيبومبة المسعر heavy metal bombويدخل الأكسجين

لحظيا بح اررة

تحت ضغط وتغطس البومبة في كمية موزونه من الماء ،ثم يحرق الغذاء

دقيقة بسلك رقيق من البلاتينيوم ويتم الحساب على أساس زيادة ح اررة الماء × السعر الح اررية للماء والبومبة تعطى مقياس للح اررة الناتجة .ويجب الحذر لتقليل الفقد الحراري

من الكلاريتمر خلال التجربة.

-٥٥٣-

التمثيل الغذائي للمواد الحاملة للطاقة

في بعض الاجهزة كمثال كل الكلاريتمر يحاط بواسطة Water jacketلحفظ درجة ح اررة جهاز الكلايتمر مضبوطة خلال التجربة ،وهذا النوع

adiabatic

fehtureيؤكد انه لا يوجد فقد حراري يحدث قبل أو بعد رفع الح اررة نتيجة الحرق.

ولا بد من عمل تصحيح للح اررة الناتجة بالصهر في حرق العينة وكذلكعندما تحتوي العينة على كبريت ونيتروجين فينتج عنهما اكاسيد نيتروجينية وكبريتية وهذه الاكاسيد تذوب في اقل كمية من الماء موجودة في البومبة قبل بدء الحرق وممكن معايرتهم عندما تكتمل الاكسدة .تقدير ح اررة الحرق لمركب في البومبة ممكن جدا ولكن لا بد من الاشارة إلى الحالة التي قدرت عليها أو تم عليها التقدير وليست

الحالة القياسية والظروف السابقة هي ضغط ٢٥وفي بعض الحالات ٣٠ضغط جوى ودرجة الح اررة الابتدائية ٢٥درجة مئوية وقد تختلف في بعض الاحيان.

اكثر من ذلك فالتغير في المحتوى الحراري تحت الظروف القياسية ∆ Hيعرف بإنه التغير المحتوى الح اررة تحت ضغط ثابت.

اذا كان ينتج من الحرق ك أ ٢اكثر من الأكسجين المستهلك فان التغير فيالضغط يكون ملحوظ ،ولابد من عمل تصحيح للمكافئ الحراري للعمل المبذول في

ضغط الغاز.

عندما يستعمل Bomb calarimetryكخطوة اولى في حسابات الطاقات الحرة للتفاعلات المشتملة التحويلات الجزئية الصغيرة فقط The free energies reactions involving only small molecular

transformations.

جدا ،بالاضافة إلى أن هذه

هذه الانحرافات عن الظروف القياسية تصبح هامة

غالبا لأهمية ∆ S° ،∆ F°والى الخطأ المرتبط

الحسابات من النتائج الح اررية يرجع

بتقدير ∆ H°ومع ذلك فان هذه التصحيحات للنتائج تؤدى بها إلى الظروف القياسية

جدا عندما

،The Washburn correctionsوتعتبر هذه التصحيحات صغيرة

-٥٥٤-

المواد الحاملة للطاقة "-التمثيل الغذائي للطاقة" -تمثيل الطاقة وعلاقته بالتغذية

تقارن بح اررة حرق المركب فهي لا تتعدى .%,١

وف ي معظم ت جارب التغذية فانه من الممكن إه مال هذه الإنحرافات وت ؤخذ the calorific valueكنتائج خام crude resultsمباشرة من الكلاريمتر بعد عمل تصحيح للانصهار واكاسيد النتروجين والكبريت المتكونه ،ولابد أن يفترض أن تقدير

جدا.

ح اررة الحرق بطريقة البومبة تكافئ بالضبط ∆ H°في وجود خطأ بسيط

:Animal calorimeters

تعتبر المشاكل العملية لتقدير كمية الح اررة الناتجة عن حرق ح والى جرام من المادة ضئيلة اذا قورنت بتقدير الح اررة الناتجة بواسطة الحيوان خلال أي اكسدة

لغذائه أو دهن وبرتين جسمة.

واقدم كلاريتمر استخدم لقياس الح اررة الناتجة بواسطة الحيوان يقوم على أساس نفس المبادئ والقواعد العامة لل bomb calormiterحيث الح اررة توظف لزيادة درجة البيئة المحيطة ،وأول كلايمتر للحيوان استخدمه Lavoisier and Laplace وذلك في القرن ١٨حيث توظف الح اررة المنطلقة لصهر ثلج يحيط بالحيوان ،ويتم الحساب بضرب كمية الثلج المنصهر × الح اررة أو الطاقة الكامنة في الثلج latent

= heat of iceالح اررة الناتجة.

بعد كلاريمتر لافوازيه تم استخدام كلاريمتر Crawford`s calorimeter ومبني على نفس أساس نظام bomb calorimeterحيث تنتقل الح اررة إلى كمية

من الماء المحيط.

وقد حدث تطور هائل في صناعة الكلارميتر منذ مائتى سنه ،والأساس المبني عليها كان وضع الحيوان في مكان مغلق مزدوج الجدران ،في الحوائط النحاسيه الداخليه تنطلق الح اررة من الحيوان وتتجمع بواسطة الماء الدائر في انابيب نحاسية، وتضبط درجة ح اررة الحائط الخارجى بالتسخين أو التبريد بطريقه لايفقد أو لا يتدفق ح اررة من الحائط النحاس الداخلي إلى الحائط الخارجي ،وتتجمع الح اررة الكلية

-٥٥٥-