التمثيل الغذائي للمواد الحاملة للطاقة

التمثيل الغذائي للمواد الحاملة للطاقة

.complex

أدينوزين تراى فوسفات Adenosine triphosphate

معقد ATPمع المغنسيوم

)The magnesium complex of ATP (Mg-ADP

واصبحت اهمية الفوسفات في المركبات الوسطية للتمثيل الغذائي واضحة جلية مع اكتشاف التفاصيل الكيميائة الدقيقة في دورة الجليكوليسيس Glycolysisمع دورة مركبات ATP , ADPوالفوسفور غير العضوي في العمليات الحيوية ،ويعتبر ATPكأصل ناقل للفوسفات في عمليات الفسفرة Transferring phosphate radical in the process of phosphorylationويتضح دور ال ATPفي عمليات نقل الطاقة الكيماوية الحيوية في أن ATPوكرياتنين فوسفات يهدما خلال

-٧٣٦-

المواد الحاملة للطاقة "-التمثيل الغذائي للطاقة" -تمثيل الطاقة وعلاقته بالتغذية انقباضات العضلات ويعتمد اعادة بنائهما على الامداد بالطاقة من عمليات الاكسدة في العضلات ،وهذا من خلال مفهوم فوسفات الطاقة العالية الذى له دور في هذه

المركبات في نقل الطاقة.

القيمة الوسطية للطاقة الحرة في تحليل ATPمقارنة بمركبات الفوسفات العضوية التي لها فعالية معنوية هامة في نقل الطاقة وميكانيكية تنظيمها الطاقة

كيمايئيا وحيويا الجدول

الحرة القياسية في تحليل عدد من مركبات الفوسفات الهامة

التالي:

جدول رقم )(٨٧

standard free energy of hydrolysis of some organo phosphates of

biochemical importance.

Compound

~> G°

KJ/mol

Kcal/mol

Phosphoenolpyruvate

-61.9

-14.8

Carbamoyl phosphate

-51.4

-12.3

1,3-Bisphosphoglycerate (to 3-49.3

-11.8

)phosphoglycerate

Creatine phosphate

-43.1

-10.3

ATP

ADP + Pi

-30.5

-7.3

ATP

ADP + Pi

-27.6

-6.6

Pyrophosphate

-27.6

-6.4

Glucose 1-phosphate

-20.9

-5.0

Fructose 6-phosphate

-15.9

-3.8

AMP

-14.2

-3.4

Glucose 6-phosphate

-13.8

-3.3

Glycerol 3-phosphate

-9.2

-2.2

Krebs and Kornberg (1957).

يتم تقدير الميل المقارن لكل من مجموعات الفوسفات في النقل إلى مستقبل مناسبا من ` ∆G°للتحليل )القياس على درجة °٣٧م( ،ومن الجدول يتضح أن قيمة

تحليل الفوسفات الطرفية لمركب ٣٠,٥ – ATPكيلو جول /مول تنقسم إلى

مجموعين:

-٧٣٧-

التمثيل الغذائي للمواد الحاملة للطاقة

مجموعة Low-energy phosphatesمثل استرفوسفات )المركب الوسطىفي دورة (glycolysisله قيم ` ∆G°اقل من .ATP مجموعة nigh-energy phosphatesتكون القيمة اكبر من ،ATPأيضا ADP ،ATPتكون عادة اندريدات

والمركبات في هذه المجموعة والتى تحتوي

) Anhydridesمثال ذلك -١فوسفات لمركب ٣ ،١ثنائى فوسفوجلسريدات( اينول فوسفات ) enolphosphatesمثال فينول بيورفات( فوسفوجواندينات )مثال كرياتين

فوسفات ،ارجنين فوسفات(.

ويسمح موقع ATPالوسطى ليلعب دور هام في نقل الطاقة ،ومركبات اخرى بيولوجيا التي تعرف بالمركبات غنية بالطاقة مثل استرات الثيول Thial

هامة

estersوالتى تشتمل ) Conenzyme Aمثل أستيل ،(COAبروتين حامل الاكيل acyl carrier proteinواسترات الحمض الامينى التي تدخل في تكوين البروتين

)(Active methionine

UDPGLC (uridine and PRPP (5-phosphoribosyl-1-pyrophosphate), Sadenosyl methionine diphosphate glucose).

ويرمز لمجموعة الفوسفات الغنية الطاقة بالرمز ~P ~High- Energy phosphates are designated by the symbel P

موضحا رابطة

لبيان وجود مجموعة فوسفات غنية الطاقة ادخل Lipmannالرمز~P

الفوسفات الغنية بالطاقة ،والرمز يوضح أن المجموعة مرتبطة بالرابطة ،عند النقل إلى مستقبل مناسب وينتج نقل كميات كبيرة من الطاقة الحرة ،ولهذا السبب فان مصطلح Group transfer potwntialيفضله البعض عن مصطلح high-energy bond وبالتالى فان ATPيحتوى مجموعتين فوسفات غنية الطاقة وبينما ADPيحتوى مجموعة واحدة وبالنسبة لمجموعة الفوسفات في ) AMPادينوزين مونوفوسفات( هي

نوعية فقيرة الطاقة وهي رابطة استر عادية.

مجموعة الفوسفات غنية الطاقة تعمل كعملة طاقة"سيولة"في الخلية نتيجة

-٧٣٨-

المواد الحاملة للطاقة "-التمثيل الغذائي للطاقة" -تمثيل الطاقة وعلاقته بالتغذية لموضعها ) (ATPالمتوسط اسفل قائمة الطاقة الحرة القياسية الناتجة من تفاعلات التحليل فان ATPقادرة على أن تعمل كمعطى لمجموعة فوسفات غنية الطاقة

أيضا تجعل الميكانيكية الانزيمية

للمركبات الاقل منها في الجدول )القائمة( ،و

الضرورية متاحة.

ويمكن للمركب ADPأن يستقب غنية الطاقة لإنتاج ATPمن المركبات الأعلى من ATPفي القائمة ،وبالتالي فإن دورة ATP / ADP cycleتربط العمليات التي تولد أو تكون ~ Pولذلك فان ATPتستهلك ويعاد انتاجه باستمرار.

هناك ثلاثة مصادر رئيسية ~Pتساهم في حفظ الطاقة أو Energy

.conservation or capture

)Oxidative phosphoryation (١

أكثر مصاد ~Pفي الكائنات الهوائية وتأتي الطاقة الحرة لدفع هذه العملية من

سلسلة الاكسدة التنفسية في الميتوكوندريا.

)Glycolysis (٢

تنتج مجموعتين ~Pصافية عند انتاج لاكتات من جزئ جلوكوز واحد يتولد في تفاعلين ينشط بانزيم فوسفوجليسرات كينز وانزيم بيروفات كينيز على الترتيب.

)The citric acid cycle (٣

تتوالد مجموعة واحدة من ~Pمباشرة في الدورة في خطوة سكنيل ثيوكينز وهناك

مجموعة مركبات اخرى:

فوسفاجينات Phosphagensتعمل كصورة مخزنة من فوسفات غنية طاقةوهذه تشمل كيرياتين فوسفات وتحدث في عضلات ومخ الفقاريات .Vertebrate ارجنين فوسفات Arginine phosphateتحدث في عضلات اللافقاريات.in vertebrate في حالة الظروف الفسيولوجية تسمح الفوسفاجينات phosphagensأن تحافظ

-٧٣٩-

التمثيل الغذائي للمواد الحاملة للطاقة

على تركيزات ATPفي العضلات عند استخدام ATPبسرعة كمصدر للطاقة عند انقباض العضلات ،ومن جهة اخرى عند توفر ATPفان تركيزاته تتوالد وتزيد ليعمل

كمخزن للفوسفات غنى الطاقة.

في العضلات يحدث a creatine phosphate shuttleويوصف بنقل الفوسفات الغنى الطاقة من الميتوكوندريا إلى Sarcolemmaويعمل كمنظم للفوسفات غنى الطاقة .في myocardiumهذا المنظم من الاهمية في الحماية

السريعة التلقائية ضد تأثيرات .infarction

عندما يعمل ATPكمعطى للفوسفات لإنتاج هذه المركبات الاقل في طاقة التحليلات الحرة فان مجموعة الفوسفات تتحول إلى واحد من الاقل طاقة كما يلى:

-٧٤٠-

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

جدول رقم ):(٨٨

Standard free energy of yhdrolysis of some organophosphates of

biochemical inportance

ATPيسمح بازدواجية تفاعلات الدينامكية الح اررية غير المفيدة بالتفاعلات

المفيدة المطلوبة

سبق توضيح ازدواجية التفاعلات هذه التفاعلات هي البداية في مسار ،glycoltic pathwaysحيث فسفرة الجلوكوز إلى جلولكوز– –٦فوسفات والذى جدا highly endergonicولايمكن استمرار هذا التفاعل كما

يعتبر تفاعل بنائى

هو تحت الظروف الفسيولوجية.

Glucose 6-phosphate + H2O

(1) Glucose +P1

)(∆G°` = +13.8 KJ/mol

ولاستمرار التفاعل يجب أن يزدوج بتفاعل آخر More exergonicاكثر من فسفرة الجلوكوز ،هذا التفاعل هو تحليل الفوسفات النهائية في .ATP

(2) ATP

)ADP + P1 G°` = -30.5 KJ/mol

Hexo

عند ازدواج ) (٢) ،(١في التفاعل ينشطه إنزيم ،hexokinaseواستمرار فسفرة

-٧٤١-

التمثيل الغذائي للمواد الحاملة للطاقة

تماما عن

الجلوكوز في تقاعل high exergonicتحت الظروف الفسيولوجية بعيد الاتزان وبالتالى يحدث تفاعل عكسى للأغراض التطبيقية.

Glucose + ATP

Glucose 6-phosphate + ADP

)(∆G°` = -16.7 KJ/mol

ويتبع ذلك تفاعلات تنشيط.

أدينيلات كينيز تسمح بتحويل متبادل نيوكلوتيدات الادنين يوجد إنزيم ادينيلات كنيز )بيوكينز( في معظم الخلايا وينشط التحويل المتبادل

AMP , ATPفي اتجاه ADPفي الاتجاه الآخر.

ATP + AMP

2 ADP

ادينلات كينز

هذا التفاعل يسمح بثلاث وظائف:

) (١يسمح باستخدام الفوسفات غنية الطاقة في ADPلتكوين .ATP ) (٢يسمح باعادة استخدام AMPالمتكون نتيجة عدة تفاعلات نشطة تشكل

،ATPباعادة فسفرته إلى .ADP

) (٣تسمح بزيادة تركيز AMPعند نقص ATPويعمل كاشارة تمثيلية.

Metabolic or allosteric signalلزيادة معدل تفاعلات الهدم لنمو وتزايد .ATP

متى يتفاعل ATPليكون ،AMPفوسفور غير عضوى

When ATP reacts to form AMP, inorganic phosphate (PP1) is

formed

مثلا عند تنشيط الأحماض الدهنية طويلة السلسلة الكربونية.

هذا يحدث

Acyl-COA

ATP + COASH + R. COOH

AMP + PP1 + R-CO-SCOA

synthetase

يصاحب هذا التفاعل فقط طاقة حرة كح اررة والذي يضمن ويؤكد على اتجاه هذا لتفاعل النشط ناحية اليمين ويساعده أكثر التحليل وانفصال PP1والذي ينشطه إنزيم بيروفوسفاتز غير العضوي وهذا التفاعل ) (∆G°` = - 27.6 KJ/molهذا

-٧٤٢-

المواد الحاملة للطاقة "-التمثيل الغذائي للطاقة" -تمثيل الطاقة وعلاقته بالتغذية التنشيط في مسار بيوفوسفات ينتج فقد ٢ ~ Pاكثر من

١ ~ Pالذى يتم

عندما يتكون .ADP, P1

PP1 + H2O

2 P1

ارتباط هذه التفاعلات تجعل من الممكن للفوسفات أن تعيد تكوينها وتحت

تغيرات بنكلوتيدات الادنين.

مشاركة نيوكلوسيدات ترى فوسفات اخرى في نقل فوسفات غنية الطاقة:

من الممكن تكوين نيوكلوسيد ترى فوسفات مشابه لل ATPولكن يحتوى على قاعدة بديلة للأدينين وذلك من فوسفات ثنائى الفوسفات لها باستخدام إنزيم نيوكلوسيد

دى فوسفات كينز:

ADP + UTP

Nucleoside diphosphate

Kinase

ATP + UDP

)(Uridine triphosphate

Nucleoside diphosphate

ADP + GTP

Kinase

ATP + GDP

)(Guanosine triphosphate

Nucleoside diphosphate

ATP + CDP

ADP + CTP

ادينوزين تراى فوسفات

)(Cytidine triphosphate

جميع هذه الفوسفات الثلاثية تشارك في عمليات الفسفرة في الخلية .وكما سبق فان إنزيم نيكلوسيد مونوفوسفات كينيز المختص لكل نيكلوسيد سواء بيورين أو بريمدين ينشط تكوين نيكلوسيد دى فوسفات من مونوفوسفات المطابق له.

Spesific nucleoside

ATP + Nucleoside - P

ADP+Nucleoside P~P

Monophosphate kinase

ادنيلات كينيز متخصص للمونوفوسفات كينيز.-٧٤٣-

التمثيل الغذائي للمواد الحاملة للطاقة

االكسدة البيولوجيه Biological Oxidation

كيميائيا بأنها عملية ازالة الالكترونات ،بينما عملية الاختزال هي

تعرف عملية الاكسدة

اكتساب الالكترونات ،مثال ذلك اكسدة ايون الحديدوز إلى ايون الحديديك.

)e- (electron

2+

Fe

Fe 3+

ودائما تتبع عملية الاكسدة بعملية الاختزال لمستقبل الالكترون ،وهذه أساسيات عمليات

الاكسدة والاختزال وتتم بالتساوى في انظمة الكيمياء الحيوية وتعتبر مفهوم هام وضرورى لفهم طبيعة الاكسدة البيولوجية ،ويفضل مشاركة العديد من الاكسدة البيولوجية بدون اشتراك

جزئى الاكسجين مثل عمليات الهيدرجة.

الأهمية الطبية الحيوية :Biomedical importance غما عن بكتريا معينة )لاهوائيه( تعيش في غياب الاكسجين ،الا أن حياة

ر

مطلقا على وجود الاكسجين ،والاستخدام الأساسى للأكسجين

الحيوانات الراقية تعتمد

في عملية التنفس والتى يمكن تعريفها بأنها عملية دفع طاقة للخلايا في صورة ATP من التفاعل المحكم والمضبوط للهيدروجين مع الاكسجين لإنتاج ماء ،بالاضافة إلى أن الاكسجين الجزئى يرتبط مع العديد من المواد بالانزيمات والتى تعرف اوكسيجينيز Oxygenasesعديد من الادوية وملوثات البيئة والكيماويات المسرطنه Chemical (carcinogens (xenobioticsيتم تمثيلها بواسطة الانزيمات تحت قسم Oxygenasesوتعرف بنظام .Cytochrome P – ISO System واستخدام الاكسجين كمنقذ للحياه في حالة معالجة الامراض التنفسية أو فشل الدورة الدموية وبالمناسبة فاستخدام أو منح الاكسجين تحت ضغط عإلى Hyperbaric Oxygen therapyله قيمة عالية رغم انه قد ينتج عن ذلك تسمم بالاكسجين.

في انظمة الاكسدة والاختزال ممكن أن يطلق على تغيرات الطاقة الحرة لفظ

جهد الاكسدة والاختزال:

-٧٤٤-

المواد الحاملة للطاقة "-التمثيل الغذائي للطاقة" -تمثيل الطاقة وعلاقته بالتغذية In redox systems free energy changes can be expressed in terms

of redox potential.

في التفاعلات التي تتضمن عمليات الاكسدة والاختزال تتناسب تبادل الطاقة الحرة مع ميل المواد المتفاعلة لتعطى أو تستقبل الالكترونات ،بالاضافة إلى التعبير عن تغير الطاقة الحره بالرمز ` ∆G0فمن الممكن بطريقة مشابهة أن يعبر عنها

رقميا بجهد الاكسدة والاختزال.

Oxidation – reduction or redox potential (Eο`).

وعادة يتم مقارنة جهد الاكسدة والاختزال للنظام redox potential of a system (Eο).مقابل جهد الكترود الهيدروجين Potential of the hydrogen electrodeحيث عند درجة PHOيرمز له ،.0 volts.ومع ذلك فان الانظمة البيولوجية عادة تعبر جهد الاكسدة والاختزال )` The redox potential (Eοعند درجة ٧.٠ pHحيث pHجهد الاكترود لاكترود الهيدروجين ٠.٤٢-فولت.

جهد الاكسدة والاختزال The redox potentialsلبعض انظمة redox systemالمميزة في الكيمياء الحيوية للثدييات موجود ومعروض في الجدول التالى، وقائمة جهد الاكسدة والاختزال الموجودة بالجدول تسمح بالتنبوء على اتجاه تدفق

الالكترونات من أحد redox coupleلأخر:

-٧٤٥-