مركب الطاقة أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) في الأنظمة الحية

لكي تؤدي الكائنات الحية وظائفها الحيوية لابد من وجود طاقة تعينها على ذلك.

في حين أن الكائنات الحية المختلفة تكتسب هذه الطاقة بطرق مختلفة، إلا أنها تُختزن وتُستخدم بنفس الطريقة، فالخلية تدخر الطاقة على شكل جزيئات أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP).

وتُصنع تلك الجزيئات في الميتوكوندريا وهي عبارة عن عضيات صغيرة موجودة في سيتوابلازم خلايا الكائنات حقيقية النواة، ويُطلق عليها أحيانًا محطة طاقة الخلية.

تخزين ونقل الطاقة باستخدام مركب (ATP)

لا تستطيع الخلية الحية تخزين كميات كبيرة من الطاقة الحُرة، لأن الطاقة الحرة الزائدة قد تؤدي إلى زيادة الحرارة في الخلية، مما قد يتسبب في تلفها.

وبدلاً من ذلك، تُخزن الخلية الطاقة الحُرة الزائدة وتستخدمها فقط عند الحاجة وتصل الخلايا لذلك باستخدام مركب تخزين الطاقة أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP).

غالبًا ما يُطلق على مركب (ATP) اسم عُملة الطاقة في الخلية ومثل العٌملة في أي دولة يمكن استخدام هذا المركب لسد أي احتياج للطاقة داخل الخلايا فهو يعمل بشكل مشابه للبطارية القابلة للتفريغ وإعادة الشحن.

تختزن الخلية الطاقة في جٌزيء (ATP) عن طريق ربط مجموعة الفوسفات الحرة بجزيء آخر، مما يؤدي إلى تنشيطه.

عندما ينكسر مركب (ATP) عن طريق إزالة مجموعة الفوسفات الطرفية، تنطلق الطاقة المُخزنة بين الروابط، وتستخدم الخلية هذه الطاقة للقيام بالعمليات الحيوية.

فمثلا: أثناء تقلُص العضلات، يوفر مركب (ATP) الطاقة المطلوبة لتحريك بروتينات هذه العضلات .

وفي عملية النقل النشط لمضخة الصوديوم والبوتاسيوم في أغشية الخلايا يُغير (ATP) بنية البروتين الذي يعمل كمضخة لأيونات الصوديوم والبوتاسيوم على جانبي الغشاء الخلوي.

بهذه الطريقة تؤدي الخلية عملها وتضخ أيونات الصوديوم والبوتاسيوم ضد تدرجاتها الكهروكيميائية (اي ضد تضرج شحنة وتركيز الأيونات على جانبي الغشاء الخلوي).

هيكل ATP ووظيفته

يوجد في قلب جزيء الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) جزيء من مركب أدينوسين أحادي الفوسفات (AMP) والذي يتكون من:

1. جزيء أدينين (قاعدة نيتروجينية)
2. جزيء من سكر الريبوز (سكر خماسي الكربون موجود في (RNA) و(AMP) هو أحد النيوكليوتيدات في (RNA))
3. ومجموعة فوسفات واحدة.

تؤدي إضافة مجموعة فوسفات أخرى إلى هذا الجزيء الأساسي إلى تكوين أدينوسين ثنائي الفوسفات (ADP).

وتشكل إضافة مجموعة فوسفات ثالثة أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP).

تتنافر مجموعات الفوسفات عندما تُرتب في سلسلة لأن شحنتها سالبة، كما هو الحال في (ADP)، (ATP) يؤدي هذا التنافر إلى عدم استقرار جزيئات (ADP)، (ATP) بطبيعتها.

لذلك تتطلب إضافة مجموعة فوسفات إلى جزيء (ADP) لكي يتحول إلى (ATP) طاقة وهكذا تخزن الخلية الطاقة.

عندما تحتاج الخلية إلى طاقة تقوم بإطلاق مجموعة أو مجموعتين من الفوسفات من جزيء (ATP)، وهذه العملية تسمى نزع الفسفرة أو إطلاق الطاقة.

استخلاص الطاقة من الـ(ATP)

يحتوي جزيء الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) على ثلاث مجموعات فوسفات يمكن إزالتها عن طريق التحلل المائي لتشكيل أدينوسين ثنائي الفوسفات (ADP)، أو أدينوسين أحادي الفوسفات (AMP).

عملية التحلل المائي: هي عملية تكسير الجزيئات الكبيرة المعقدة إلى جزئيات صغيرة.

أثناء عملية التحلل المائي ينفصل الماء أو يتحلل وتضاف ذرة الهيدروجين الناتجة (+H) ومجموعة الهيدروكسيل (-OH) إلى الجزيء الأكبر.

يُنتج عن التحلل المائي لجزيء (ATP) جزيء (ADP) ومجموعة الفوسفات غير العضوي (P) ومقدار من الطاقة الحرة.

لتنفيذ العمليات الحيوية تقسم الخلية الـ(ATP) باستمرار إلى (ADP) مثل البطارية القابلة لإعادة الشحن، يتجدد (ADP) باستمرار إلى (ATP) عن طريق إعادة ربط مجموعة فوسفات ثالثة.

الماء الذي تحلل إلى ذرة الهيدروجين ومجموعة الهيدروكسيل أثناء التحلل المائي لـ (ATP) يتحد عندما يضاف فوسفات ثالث إلى جزيء (ADP)، مما يؤدي إلى إعادة تكوين (ATP).

من الواضح أنه يجب ضخ الطاقة لتكوين (ATP)، ولكن من أين تأتي هذه الطاقة؟

في كل كائن حي على وجه الأرض تقريبًا تأتي الطاقة من عملية التمثيل الغذائي للجلوكوز.

وبهذه الطريقة يعد (ATP) رابطًا مباشرًا بين مجموعة محدودة من المسارات المطلقة للطاقة لهدم الجلوكوز والعديد من المسارات الأخرى التي تمد الخلايا الحية بالطاقة.

عملية الفسفرة

في بعض التفاعلات الكيميائية قد ترتبط الإنزيمات بعدة مواد تتفاعل مع بعضها البعض لتكون مركب وسيط.

المركب الوسيط هو هيكل مؤقت، ويسمح لإحدى ركائز التفاعل مثل (ATP) والمواد المتفاعلة بالتفاعل مع بعضها البعض بسهولة أكبر؛ في التفاعلات التي تتضمن (ATP)، يعتبر (ATP) أحد المتفاعلات و(ADP) منتج.

أثناء التفاعلات الكيميائية الماصة للطاقة، يشكل (ATP) مركبًا وسيطًا مع الركيزة والإنزيم في التفاعل، يسمح هذا المركب الوسيط لـ (ATP) بنقل مجموعة الفوسفات الثالثة مع طاقته إلى الركيزة وهي عملية تسمى الفسفرة.

تشير الفسفرة إلى إضافة مجموعة الفوسفات (P) إلى الركيزة.

يتضح هذا من خلال التفاعل العام التالي:

A + enzyme + ATP → [A − enzyme − ~P] → B + enzyme + ADP + phosphate ion

عندما يتفكك المركب الوسيط، تُستخدم الطاقة لتعديل الركيزة وتحويلها إلى منتج من التفاعل، وتُطلق جزيء من الـ(ADP) وأيون الفوسفات الحر (P) في الوسط متاحين لإعادة التدوير من خلال عملية التمثيل الغذائي للخلايا.

آليات إنشاء الـ(ATP) من خلال تفكك الجلوكوز

1. الفسفرة على مستوى الركيزة

عن طريق إنشاء عدد قليل من جزيئات (ATP) (تتجدد من ADP) كنتيجة مباشرة للتفاعلات الكيميائية التي تحدث في عمليات الهدم.

تُزال مجموعة الفوسفات من المادة المتفاعلة الوسيطة في مسار عملية الهدم.

وتُستخدم الطاقة الحُرة للتفاعل لإضافة مجموعة الفوسفات الثالثة إلى جزيء (ADP) متاح، مما ينتج عنه (ATP) (منظر 4).

هذه الطريقة المباشرة جدًا للفسفرة تسمى الفسفرة على مستوى الركيزة.

2. الفسفرة التأكسدية

معظم الـ(ATP) الذي يُنتج أثناء عملية هدم الجلوكوز مشتق من عملية أكثر تعقيدًا وهي التناضح الكيميائي (وهي عملية إنتاج (ATP) في التمثيل الغذائي الخلوي).

تحدث هذه العملية في الميتوكوندريا (منظر 5) داخل خلية حقيقية النواة أو على جنبي الغشاء البلازمي لخلية بدائية النواة.

تُستخدم عملية التناضح الكيميائي لتوليد 90٪ من (ATP) المصنوع أثناء هدم الجلوكوز، وهي أيضًا الطريقة المستخدمة في تفاعلات الضوء لعملية التمثيل الضوئي لتسخير طاقة ضوء الشمس.

يُطلق على إنتاج (ATP) باستخدام عملية التناضح الكيميائي الفسفرة المؤكسدة بسبب مشاركة الأكسجين في هذه العملية.

أمراض الميتوكوندريا

ماذا يحدث عندما لا تستمر تفاعلات التنفس الخلوي في الميتوكوندريا بشكل صحيح؟

أمراض الميتوكوندريا هي اضطرابات وراثية في عملية التمثيل الغذائي.

يمكن أن تنشأ اضطرابات الميتوكوندريا من الطفرات في الحمض النووي دخل النواة أو من الحمض النووي للميتوكوندريا وتؤدي إلى إنتاج طاقة أقل مما هو طبيعي في خلايا الجسم.

على سبيل المثال: في مرض السكري من النوع 2، تقل كفاءة أكسدة مركب (NADH) وهو أحد عملات الطاقة في الخلية، مما يؤثر على عملية الفسفرة المؤكسدة، ولكن ليس على خطوات التنفس الأخرى.

يمكن أن تشمل أمراض الميتوكوندريا أعراض مثل:

• ضعف العضلات
• عدم التوازن
• نوبات تشبه السكتة الدماغية
• فقدان الرؤية والسمع.

يُشخص معظم المصابين بأمراض الميتوكوندريا في مرحلة الطفولة، على الرغم من وجود بعض الأمراض التي تصيب البالغين.

باختصار: وظيفة ATP في الأنظمة الحياة

• يعمل (ATP) كعملة طاقة للخلايا، مما يسمح للخلية بتخزين الطاقة لفترة وجيزة ونقلها داخل الخلية لدعم التفاعلات الكيميائية التي تحتاج إلى الطاقة.
• بنية (ATP) هي بنية نيوكليوتيدات (RNA) مع ثلاثة فوسفات متصلة.
• نظرًا لاستخدام (ATP) للطاقة، تُفصل مجموعة أو اثنتين من الفوسفات، وينتج إما (ADP) أو (AMP).
• تُستخدم الطاقة الناتجة من هدم الجلوكوز لتحويل (ADP) إلى (ATP).
• هناك عمليتان لتجديد (ATP) من خلال هدم الجلوكوز، وهما الفسفرة على مستوى الركيزة، والفسفرة المؤكسدة من خلال عملية التناضح الكيميائي.

المصادر

1. ATP in Living Systems، من موقع coursehero.com، أُطلع عليها بتاريخ 1-2-2023.
2. الطاقة والأدينوسين الثلاثي الفوسفات، من موقع nagwa.com، أُطلع عليها بتاريخ 3-2-2023.
3. ما هو ATP في الأحياء؟ وأنواعه، من موقعalmrsal.com، أُطلع عليها بتاريخ3-2-2023.