فيديو: التمثيل الغذائي الأحياء • الصف الثاني الثانوي
في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نعرف مصطلحات التمثيل الغذائي (الأيض) والبناء والهدم، ونصف أمثلة لتفاعلات البناء والهدم.
نسخة الفيديو النصية
في هذا الفيديو، سوف نتعرف على عملية التمثيل الغذائي (الأيض) في الجسم، وعلى نوعين مختلفين من التفاعلات الأيضية، وهما تفاعلات البناء وتفاعلات الهدم. وسوف نستعرض بعض الأمثلة على نوعي التفاعل هذين، ونفهم كيف تشارك الطاقة في هذه العمليات.
تعمل أجهزة الجسم جميعها معًا لتزويد الجسم بالطاقة والأكسجين والمغذيات التي يحتاج إليها. ويجري كل جهاز من هذه الأجهزة تفاعلات كيميائية في الجسم باستمرار لإبقائنا على قيد الحياة. على سبيل المثال، عند ممارسة بعض التمارين، مثل الجري أو ممارسة الرياضة، قد نلاحظ أننا نواجه صعوبة في التنفس لفترة قصيرة بعد ذلك. فعند ممارسة التمارين الرياضية، تحتاج خلايا الجسم إلى الطاقة للاستمرار في العمل.
ولإطلاق الطاقة، تحتاج الخلايا إلى إجراء عملية التنفس الخلوي. التنفس الخلوي عبارة عن تفاعل كيميائي يحدث بكفاءة أكبر في وجود الأكسجين. وهو يفسر أيضًا لماذا يصبح التنفس أسرع وأصعب حتى يتمكن الجسم من الحصول على الأكسجين الذي يحتاج إليه. يعد التنفس الخلوي مثالًا واحدًا فقط من بين ملايين التفاعلات الكيميائية التي تحدث في أجسامنا كل ثانية. فالجزيئات تتكون وتتكسر باستمرار داخل أجهزة الجسم المختلفة.
نستخدم مصطلح التمثيل الغذائي (الأيض) لوصف المجموعة التي تتضمن كل هذه التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل الكائنات الحية لإبقائها على قيد الحياة. هذه التفاعلات الكيميائية الأيضية تنقسم إلى نوعين رئيسيين. في بعض الحالات، تتكسر الجزيئات الكبيرة في الجسم إلى جزيئات أصغر. وفي حالات أخرى، تتحد الجزيئات الصغيرة معًا من خلال تفاعلات كيميائية لتكوين جزيئات أكبر. فيسمى تكسير الجزيئات الكبيرة إلى جزيئات أصغر «تفاعلات الهدم». ويسمى إنتاج الجزيئات الكبيرة من جزيئات أصغر «تفاعلات البناء». تتضمن تفاعلات البناء وتفاعلات الهدم طاقة في صورة جزيء صغير يسمى ATP، وهو اختصار للأدينوسين الثلاثي الفوسفات. والآن، دعونا نلق نظرة على تركيب جزيء ATP.
يتكون جزيء ATP من سكر يسمى «الريبوز»، يرتبط بقاعدة نيتروجينية تسمى «الأدينين»، وثلاث مجموعات فوسفات، كما نرى هنا. يمكننا أيضًا استنتاج كثير من المعلومات حول تركيب جزيء ATP من اسمه. فيشير المقطع «أدين» إلى أن القاعدة النيتروجينية في هذا الجزيء هي الأدينين. وتشير كلمة «ثلاثي» إلى العدد ثلاثة؛ أي أن هناك ثلاث مجموعات فوسفات في جزيء ATP. يعرف جزيء ATP عادة بأنه عملة الطاقة للخلية. وهذا لأنه يتكسر عندما تحتاج الخلية إلى طاقة لإجراء تفاعلات معينة، ويتكون عندما تنطلق طاقة نتيجة حدوث تفاعلات مختلفة داخل الخلية.
لكن كيف تخزن هذه الطاقة في جزيء ATP؟ الرابطة الموجودة بين مجموعتي الفوسفات الخارجيتين في جزيء ATP تحمل هذه الطاقة الكيميائية. وعندما تحتاج الخلية إلى الطاقة لإجراء تفاعلاتها، تتكسر هذه الرابطة وتنطلق طاقة يصاحبها انطلاق مجموعة الفوسفات الخارجية، التي نشير إليها بالفوسفات غير العضوي، ونرمز إلى ذلك بالحرفين Pi. يحتوي الجزيء الناتج على مجموعتي فوسفات فقط، لذا يسمى جزيء ADP، أو الأدينوسين الثنائي الفوسفات؛ حيث تشير كلمة «الثنائي» إلى العدد اثنين، وهو عدد مجموعات الفوسفات الموجودة في جزيء ADP. وإذا انطلقت طاقة نتيجة حدوث بعض التفاعلات داخل الخلية، يمكن الاستفادة من هذه الطاقة في ربط جزيء ADP بفوسفات غير عضوي، وهذا يؤدي إلى إعادة تكوين جزيء ATP. بهذه الطريقة، يمكن الحصول على الطاقة الناتجة عن حدوث تفاعلات خلوية معينة وتخزينها في صورة جزيئات ATP، وتكون هذه الجزيئات جاهزة للتكسير مرة أخرى عند الحاجة لإطلاق هذه الطاقة مرة أخرى.
لكن ما العلاقة بين التفاعلات الأيضية المختلفة والطاقة الممثلة في جزيئات ATP؟ كما تعلمنا سابقًا، تعمل تفاعلات البناء على تكوين جزيئات كبيرة من جزيئات أصغر. ولتكوين هذه الروابط الكيميائية التي تكون جزيئًا كبيرًا، تحتاج تفاعلات البناء إلى طاقة تحصل عليها عن طريق تكسير جزيئات ATP. تعمل تفاعلات الهدم على تكسير الجزيئات الكبيرة إلى جزيئات أصغر. وبتكسير الروابط الكيميائية في الجزيئات الكبيرة، تطلق تفاعلات الهدم طاقة تخزن في صورة جزيئات ATP. لذا، نقول باختصار إن تفاعلات البناء تتطلب وجود جزيئات ATP في حين تطلق تفاعلات الهدم جزيئات ATP.
والآن، دعونا نلق نظرة على بعض الأمثلة على التفاعلات الأيضية التي تحدث في جسم الإنسان، وسنبدأ بتفاعلات الهدم. تلعب تفاعلات الهدم دورًا رئيسيًّا في تكسير الطعام الذي نتناوله وتحويله إلى مغذيات يستفيد منها الجسم في أداء وظائفه. فبعض الأطعمة، مثل الخبز والأرز والبطاطس، غنية بالكربوهيدرات. ويعد النشا أحد أكثر أنواع الكربوهيدرات شيوعًا في جميع هذه الأطعمة. يسمى النشا «بوليمر»؛ لأنه يتكون من عدة وحدات متكررة من جزيئات سكر أصغر حجمًا تسمى «الجلوكوز». وسنمثل الجلوكوز في صورة شكل سداسي؛ لأنه يحتوي على ست ذرات كربون. يمكن أن تتحد آلاف جزيئات الجلوكوز معًا لتكوين جزيء نشا واحد. لذلك، قد يبدو جزء من جزيء النشا بهذا الشكل.
يحتاج الجسم إلى الجلوكوز في عملية التنفس الخلوي التي ذكرناها باختصار سابقًا. لكن إذا ارتبطت كل جزيئات الجلوكوز هذه معًا في صورة جزيئات نشا، فلن تكون ذات فائدة كبيرة للخلية. ومن ثم، تتكسر هذه الجزيئات الطويلة من النشا إلى جلوكوز من خلال عمل الإنزيمات الموجودة في الجهاز الهضمي. هذا مثال بسيط على تفاعلات الهدم. والآن، بعد أن أصبح لدينا الجلوكوز، يمكن الاستفادة من هذا السكر البسيط في التنفس الخلوي، وهذا مثال آخر على تفاعلات الهدم كما ذكرنا سابقًا. في التنفس الخلوي، يتكسر الجلوكوز ليطلق ثاني أكسيد الكربون وماء وطاقة في صورة جزيئات ATP. يحدث هذا التفاعل في الجسم عادة في وجود الأكسجين. وهذا يسمى بالتنفس الخلوي الهوائي.
حسنًا، لقد أوضحنا ما يحدث للكربوهيدرات التي نتناولها في الطعام. لكن ماذا يحدث للجزيئات الأخرى مثل البروتينات؟ عادة ما تكون الأطعمة مثل العدس والمكسرات واللحوم ومنتجات الألبان مثل الحليب، غنية بالبروتينات. وتتكسر البروتينات أيضًا في الجسم من خلال تفاعلات الهدم باستخدام الإنزيمات الموجودة في المعدة والأمعاء الدقيقة. البروتينات عبارة عن سلاسل طويلة من وحدات منفردة تسمى الأحماض الأمينية، ترتبط معًا وتطوى إلى شكل معين لأداء وظيفة محددة. عندما تعمل الإنزيمات الموجودة في المعدة والأمعاء الدقيقة على هذه البروتينات، يمكنها تكسيرها إلى أحماض أمينية. ويمكن بعد ذلك الاستفادة من هذه الأحماض الأمينية الحرة في تكوين بروتينات أخرى ضرورية في الجسم. وكما يحدث في جميع تفاعلات الهدم، فإن تكسير البروتينات إلى أحماض أمينية يؤدي إلى إطلاق طاقة في صورة جزيئات ATP.
والآن، دعونا نلق نظرة على بعض الأمثلة على تفاعلات البناء في جسم الإنسان. كما ذكرنا للتو، يمكن استخدام الأحماض الأمينية التي نحصل عليها من البروتينات التي نتناولها في تخليق بروتينات أخرى يحتاج إليها الجسم. ويعد هذا مثالًا على تفاعلات البناء؛ حيث يتكون جزيء كبير من وحدات أصغر. ترتبط الأحماض الأمينية معًا من خلال روابط ببتيدية تحتاج إلى وجود جزيئات ATP حتى تتكون. ويؤدي ذلك إلى تكوين سلسلة من الأحماض الأمينية تسمى سلسلة عديد الببتيد. يمكن بعد ذلك أن تطوى سلسلة عديد الببتيد إلى شكل معين لكي تؤدي وظيفة محددة في الجسم كما أوضحنا سابقًا. ومن الأمثلة على البروتينات التي يمكن تكوينها خلال هذه العملية الهيموجلوبين، وهو البروتين الذي يحمل الأكسجين في خلايا الدم الحمراء.
لدينا مثال آخر على تفاعلات البناء في الجسم، وهو تكوين الجليكوجين من خلال عملية تسمى «تكون الجليكوجين». تحدثنا سابقًا عن الجلوكوز، وهو جزيء سكر بسيط نحصل عليه من الأطعمة التي تحتوي على الكربوهيدرات. لكن إذا كانت هناك كمية كبيرة من الجلوكوز في الدم، فقد يؤدي ذلك إلى حدوث مشكلات في القلب أو الكليتين أو الرؤية. وحتى لا يحدث ذلك، يتحول الجلوكوز أحيانًا إلى جليكوجين. الجليكوجين عبارة عن جزيء متفرع يتكون من وحدات متكررة من الجلوكوز. ويعمل على أنه جزيء تخزين للجلوكوز في الجسم. بما أن لدينا هنا جزيئًا كبيرًا يتكون من جزيئات أصغر، فإن هذا مثال آخر على تفاعلات البناء. دعونا إذن نطبق ما تعلمناه عن الأيض على بعض الأسئلة التدريبية.
تراكم الأحماض الأمينية قد يكون سامًّا لجسم الإنسان. لتجنب ذلك، تزال مجموعة الأمين من الأحماض الأمينية، التي تحول بعد ذلك إلى جزيء غير سام نسبيًّا يخرج مع الفضلات. هل تعد إزالة مجموعة الأمين باعتبارها تفاعلًا أيضيًّا مثالًا على تفاعل بناء أم تفاعل هدم؟
دعونا نبدأ بتناول بعض المصطلحات الرئيسية المستخدمة في السؤال. التمثيل الغذائي (الأيض) هو مصطلح يستخدم لوصف جميع التفاعلات الكيميائية التي تحدث في الجسم لإبقائنا على قيد الحياة. ويمكن أن تكون التفاعلات الأيضية إما تفاعلات بناء تتكون فيها جزيئات كبيرة من جزيئات أصغر، أو تفاعلات هدم تتكسر فيها الجزيئات الكبيرة إلى جزيئات أصغر. يتعلق هذا السؤال بالأحماض الأمينية وكيف يمكن أن يكون تراكمها سامًّا لجسم الإنسان. الأحماض الأمينية هي الوحدات المنفردة التي تتكون منها البروتينات. ويمكننا أن نرى هنا التركيب البسيط لحمض أميني، حيث نجد مجموعة الأمين محددة بدائرة.
قد علمنا أيضًا من السؤال أنه لتجنب حدوث تسمم للجسم، تزال مجموعة الأمين من الحمض الأميني. هذه العملية تسمى «نزع الأمين». وبما أن عملية نزع الأمين تتضمن تكسير الأحماض الأمينية لفصل مجموعة الأمين، فإن هذا مثال على تفاعلات الهدم. وبذلك، نستنتج أن نزع الأمين هو مثال على الهدم.
دعونا نتناول الآن سؤالًا آخر.
يقرأ أحد الطلاب عن عملية الأيض في البشر. استنتج الطالب أن خلايا البشر تحتاج إلى كميات من الطاقة لتكسير الجزيئات المعقدة إلى جزيئات أصغر، أكبر من كميات الطاقة التي تحتاج إليها لتخليق جزيئات معقدة من جزيئات صغيرة. هل هو على صواب؟ (أ) لا؛ لأن تخليق الجزيئات المعقدة يحتاج إلى كمية أكبر نسبيًّا من الطاقة. (ب) نعم؛ لأن تكسير الجزيئات المعقدة يحتاج إلى مدخلات أكبر نسبيًّا من الطاقة.
يشير الأيض إلى جميع التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل الجسم لإبقائنا على قيد الحياة. وهناك نوعان من التفاعلات الأيضية، وهما تفاعلات البناء وتفاعلات الهدم. دعونا نلق نظرة على كل نوع من نوعي التفاعل هذين. في تفاعلات البناء، ترتبط الجزيئات الصغيرة معًا من خلال روابط كيميائية لتكوين جزيئات أكبر وأكثر تعقيدًا. ويتطلب تكوين هذه الروابط الكيميائية طاقة تحصل عليها الخلايا من جزيء يسمى ATP. أما في تفاعلات الهدم، فتتكسر الجزيئات الكبيرة والمعقدة إلى وحدات أصغر. تتضمن هذه العملية تكسير الروابط الكيميائية، ومن ثم فإنها تطلق طاقة في صورة جزيئات ATP.
دعونا نلق نظرة أخرى على الاستنتاج الذي توصل إليه الطالب في هذا السؤال. لقد ذكر الطالب أن خلايا البشر تحتاج إلى كميات من الطاقة لتكسير الجزيئات الكبيرة والمعقدة إلى جزيئات أصغر، أكبر من كميات الطاقة التي تحتاج إليها لتخليق جزيئات كبيرة من جزيئات صغيرة. وهذا عكس ما تعلمناه عن تفاعلات البناء والهدم. ذلك لأن تفاعلات الهدم التي تكسر الجزيئات الكبيرة والمعقدة إلى عدة جزيئات أصغر تطلق طاقة في صورة جزيئات ATP، لكن تفاعلات البناء التي تخلق جزيئات كبيرة ومعقدة من عدة جزيئات أصغر تتطلب مدخلات من جزيئات ATP. إذن، فإن الإجابة الصحيحة هي: «لا؛ لأن تخليق الجزيئات المعقدة يحتاج إلى كمية أكبر نسبيًّا من الطاقة».
والآن، دعونا نراجع النقاط الرئيسية التي تعلمناها عن التمثيل الغذائي (الأيض) في هذا الفيديو. يصف التمثيل الغذائي (الأيض) جميع التفاعلات الكيميائية التي تحدث في أي خلية من خلايا الكائن الحي أو في جسمه لإبقائه على قيد الحياة. تمثل عمليتا البناء والهدم نوعي التفاعلات الأيضية. تتطلب تفاعلات البناء مدخلات من الطاقة لتخليق جزيئات كبيرة من عدة جزيئات أصغر. ويعد تكوين سلاسل عديد الببتيد من الأحماض الأمينية المنفردة مثالًا على تفاعلات البناء. ويتطلب هذا مدخلات من الطاقة يوفرها جزيء يسمى ATP.
تكسر تفاعلات الهدم الجزيئات الكبيرة إلى جزيئات أصغر، وهذا يؤدي إلى إطلاق طاقة أثناء التفاعل، تخزن في صورة جزيئات ATP. ومن الأمثلة على تفاعلات الهدم تكسير النشا الموجود في الأطعمة الغنية بالكربوهيدرات إلى سكر بسيط مثل الجلوكوز. فتنطلق الطاقة نتيجة تكسير الروابط الموجودة في جزيئات النشا الكبيرة.