4.5 روابط بمسارات الأيض الأخرى
أهداف التعلم
بحلول نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:- مناقشة كيفية ترابط مسارات أيض الكربوهيدرات، وتحلل السكر، ودورة حمض الستريك مع مسارات أيض البروتين والدهون.
- شرح سبب عدم اعتبار المسارات الأيضية أنظمة مغلقة.
لقد تعلمت عن هدم الجلوكوز، الذي يوفر الطاقة للخلايا الحية. لكن الكائنات الحية تستهلك أكثر من مجرد الجلوكوز كغذاء. كيف توفر شطيرة الديك الرومي، التي تحتوي على البروتين، الطاقة لخلاياك؟ يحدث هذا لأن جميع مسارات الهدم للكربوهيدرات والبروتينات والدهون تتصل في النهاية بمسارات تحلل السكر ودورة حمض الستريك (شكل 4.20). يجب اعتبار المسارات الأيضية مسامية - أي أن المواد تدخل من مسارات أخرى، وتغادر مواد أخرى إلى مسارات أخرى. هذه المسارات ليست أنظمة مغلقة. العديد من المنتجات في مسار معين هي متفاعلات في مسارات أخرى.
روابط السكريات الأخرى بأيض الجلوكوز
الغلايكوجين، وهو بوليمر من الجلوكوز، هو جزيء لتخزين الطاقة على المدى القصير في الحيوانات. عندما يكون هناك ما يكفي من أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) موجودًا، يتم تحويل الجلوكوز الزائد إلى غلايكوجين للتخزين. يتم تصنيع الغلايكوجين وتخزينه في الكبد والعضلات. سيتم سحب الغلايكوجين من المخزون إذا انخفضت مستويات السكر في الدم. يسمح وجود الغلايكوجين في الخلايا العضلية كمصدر للجلوكوز بإنتاج أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) لفترة أطول أثناء التمارين الرياضية.
السكروز هو سكر ثنائي يتكون من الجلوكوز والفركتوز المرتبطين معًا. يتم تكسير السكروز في الأمعاء الدقيقة، ويتم امتصاص الجلوكوز والفركتوز بشكل منفصل. الفركتوز هو أحد السكريات الأحادية الغذائية الثلاثة، إلى جانب الجلوكوز والغالاكتوز (وهو جزء من سكر الحليب، السكر الثنائي اللاكتوز)، التي يتم امتصاصها مباشرة في مجرى الدم أثناء الهضم. ينتج هدم الفركتوز والغالاكتوز والجلوكوز نفس العدد من جزيئات أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP).
روابط البروتينات بأيض الجلوكوز
يتم تكسير البروتينات بواسطة مجموعة متنوعة من الإنزيمات في الخلايا. في معظم الأحيان، يتم إعادة تدوير الأحماض الأمينية إلى بروتينات جديدة. ومع ذلك، إذا كان هناك فائض من الأحماض الأمينية، أو إذا كان الجسم في حالة مجاعة، فسيتم تحويل بعض الأحماض الأمينية إلى مسارات هدم الجلوكوز. يجب إزالة مجموعة الأمين من كل حمض أميني قبل دخوله هذه المسارات. يتم تحويل مجموعة الأمين إلى أمونيا. في الثدييات، يقوم الكبد بتصنيع اليوريا من جزيئين من الأمونيا وجزيء من ثاني أكسيد الكربون. وبالتالي، فإن اليوريا هي المنتج النفايات الرئيسي في الثدييات من النيتروجين الذي ينشأ في الأحماض الأمينية، وتغادر الجسم في البول.
روابط الدهون بأيض الجلوكوز
الدهون المرتبطة بمسارات الجلوكوز هي الكوليسترول والدهون الثلاثية. الكوليسترول هو دهن يساهم في مرونة الغشاء الخلوي وهو مقدمة للهرمونات الستيرويدية. يبدأ تخليق الكوليسترول بأسيتيل مرافق الإنزيم أ (acetyl CoA) ويتقدم في اتجاه واحد فقط. لا يمكن عكس العملية، ولا يتم إنتاج أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP).
الدهون الثلاثية هي شكل من أشكال تخزين الطاقة على المدى الطويل في الحيوانات. تخزن الدهون الثلاثية حوالي ضعف كمية الطاقة التي تخزنها الكربوهيدرات. تتكون الدهون الثلاثية من الجليسرول وثلاثة أحماض دهنية. يمكن للحيوانات أن تصنع معظم الأحماض الدهنية التي تحتاجها. يمكن تصنيع الدهون الثلاثية وتكسيرها من خلال أجزاء من مسارات هدم الجلوكوز. يمكن فسفرة الجليسرول ويتقدم عبر تحلل السكر. يتم تكسير الأحماض الدهنية إلى وحدات ثنائية الكربون تدخل دورة حمض الستريك.
صلة بالتطور
مسارات التمثيل الضوئي والأيض الخلوي
يتكون التمثيل الضوئي والأيض الخلوي من عدة مسارات معقدة للغاية. يُعتقد عمومًا أن الخلايا الأولى نشأت في بيئة مائية - "حساء" من المغذيات. إذا تكاثرت هذه الخلايا بنجاح وتزايدت أعدادها باطراد، فمن المنطقي أن تبدأ الخلايا في استنفاد المغذيات من الوسط الذي تعيش فيه، حيث حولت المغذيات إلى خلاياها الخاصة. كان من شأن هذا الوضع الافتراضي أن يؤدي إلى انتخاب طبيعي يفضل تلك الكائنات الحية التي يمكن أن تعيش باستخدام المغذيات المتبقية في بيئتها وعن طريق معالجة هذه المغذيات وتحويلها إلى مواد يمكنها استخدامها للبقاء على قيد الحياة. بالإضافة إلى ذلك، كان الانتخاب سيفضل تلك الكائنات الحية التي يمكنها استخلاص أقصى قيمة من المغذيات المتاحة.
تطور شكل مبكر من التمثيل الضوئي الذي استغل طاقة الشمس باستخدام مركبات أخرى غير الماء كمصدر لذرات الهيدروجين، لكن هذا المسار لم ينتج أكسجينًا حرًا. يُعتقد أن تحلل السكر تطور قبل هذا الوقت وكان بإمكانه الاستفادة من السكريات البسيطة التي يتم إنتاجها، لكن هذه التفاعلات لم تكن قادرة على استخلاص الطاقة المخزنة في الكربوهيدرات بالكامل. استخدم شكل لاحق من التمثيل الضوئي الماء كمصدر لأيونات الهيدروجين وولد أكسجينًا حرًا. بمرور الوقت، أصبح الغلاف الجوي مؤكسجًا. تكيفت الكائنات الحية لاستغلال هذا الغلاف الجوي الجديد وسمحت للتنفس كما نعرفه بالتطور. عندما تطورت عملية التمثيل الضوئي الكاملة كما نعرفها وأصبح الغلاف الجوي مؤكسجًا، تمكنت الخلايا أخيرًا من استخدام الأكسجين المنطلق من التمثيل الضوئي لاستخلاص المزيد من الطاقة من جزيئات السكر باستخدام دورة حمض الستريك.