ما هي آليات تخليق (ATP)؟
استقلاب الطاقة هو العملية العامة التي تكتسب بها الخلايا الحية وتستخدم الطاقة اللازمة للبقاء على قيد الحياة والنمو والتكاثر، يتم إطلاق الطاقة أثناء كسر الروابط الكيميائية لجزيئات المغذيات التي يتم التقاطها لاستخدامات أخرى بواسطة الخلايا، حيث أن الاقتران بين أكسدة العناصر الغذائية وتخليق المركبات عالية الطاقة وخاصة (ATP)، التي تعمل كحامل رئيسي للطاقة الكيميائية في جميع الخلايا
هناك آليتان لتخليق (ATP):
الفسفرة المؤكسدة وهي العملية التي يتم من خلالها تصنيع (ATP) من (ADP) والفوسفات غير العضوي (Pi) التي تحدث في الميتوكوندريا.
الفسفرة على مستوى الركيزة، حيث يتم تصنيع (ATP) من خلال نقل مجموعات الفسفوريل عالية الطاقة من المركبات عالية الطاقة إلى (ADP)، ويحدث هذا الأخير في كل من الميتوكوندريا أثناء دورة حمض الكربوكسيليك (TCA) وفي السيتوبلازم أثناء تحلل السكر.
الفسفرة التأكسدية لتخليق (ATP):
التفاعلات الأيضية هي عمليات لتحويل الطاقة، حيث تكون تفاعلات تقليل الأكسدة حيوية لتخليق (ATP)، وفي هذه التفاعلات يتم نقل الإلكترونات التي تمت إزالتها عن طريق أكسدة جزيئات الوقود إلى اثنين من الإنزيمات المساعدة الرئيسية الحاملة للإلكترون، نيكوتيناميد أدينين ثنائي النوكليوتيد (NAD +) وفلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد (FAD)، والتي يتم تحويلها إلى أشكالها المختصرة، (NADH و FADH2).
تعتمد الفسفرة المؤكسدة على انتقال الإلكترون من (NADH أو FADH2) إلى (O2)، مكونًا (H2O)، ويتم نقل الإلكترونات عبر عدد من المجمعات البروتينية الموجودة في الغشاء الداخلي للميتوكوندريا، والتي تحتوي على مجموعات كيميائية مرتبطة (الفلافين ومجموعات الحديد والكبريت والهيم وأيونات النحاس) القادرة على قبول أو التبرع بإلكترون واحد أو أكثر، كما تسمح مجمعات البروتين هذه المعروفة باسم نظام نقل الإلكترون (ETS)، بتوزيع الطاقة الحرة بين الإنزيمات المساعدة المختزلة و (O2) والحفاظ على الطاقة بشكل أكثر كفاءة.
يتم نقل الإلكترونات من (NADH) إلى (O2) من خلال ثلاثة مجمعات بروتينية: إنزيم نازعة هيدروجين (NADH) واختزال السيتوكروم وأكسيداز السيتوكروم، حيث يحدث نقل الإلكترون بين المجمعات من خلال ناقلات إلكترون متحركة أخرى يوبيكوينون وسيتوكروم، كما يرتبط (FAD) بإنزيم نازعة هيدروجين السكسينات في دورة (TCA) وإنزيم آخر وهو (acyl-CoA dehydrogenase) من مسار أكسدة الأحماض الدهنية، وأثناء التفاعلات المحفزة بواسطة هذه الإنزيمات يتم تقليل (FAD) إلى (FADH2) ثم يتم نقل إلكتروناته إلى (O2) من خلال اختزال السيتوكروم وأكسيداز السيتوكروم، كما هو موصوف لإلكترونات نازعة الهيدروجين (NADH).
الفسفرة على مستوى الركيزة:
يوجه تحويل الطاقة بين الإنزيمات المختزلة و(O2) تخليق (ATP)، حيث في التنفس الهوائي أو الهوائية تتلاقى جميع منتجات تحلل العناصر الغذائية إلى مسار مركزي في عملية التمثيل الغذائي، وهو دورة (TCA)، وفي هذا المسار تتأكسد مجموعة الأسيتيل من أسيتيل (CoA) الناتجة عن هدم الجلوكوز والأحماض الدهنية وبعض الأحماض الأمينية تمامًا إلى ثاني أكسيد الكربون، مع ما يصاحب ذلك من اختزال في الإنزيمات المساعدة في نقل الإلكترون (NADH و FADH2).
تتكون من ثمانية تفاعلات تبدأ الدورة بتكثيف (acetyl-CoA و oxaloacetate) لتوليد السيترات، وتجدد التفاعلات السبعة التالية أوكسالأسيتات، وتتضمن أربعة تفاعلات أكسدة يتم فيها حفظ الطاقة مع اختزال أنزيمات (NAD + وFAD ) إلى (NADH وFADH2)، والتي سيتم نقل إلكتروناتها إلى (O2) عبر (ETS).
بالإضافة إلى ذلك يتم تكوين جزيء (GTP أو ATP) مباشرة كمثال على الفسفرة على مستوى الركيزة، وفي هذه الحالة يقترن التحلل المائي مع الفسفرة الإنزيمية المصاحبة بنقل مجموعة فوسفات مرتبطة بالإنزيم إلى الناتج المحلي الإجمالي أو (ADP)، والأهم من ذلك على الرغم من أن (O2) لا يشارك مباشرة في هذا المسار، إلا أن دورة (TCA) تعمل فقط في ظروف هوائية؛ لأن (NAD + وFAD) المؤكسدين يتم تجديدهما فقط في (ETS)، وتجدر الإشارة أيضًا إلى أنه يمكن أيضًا استخدام المواد الوسيطة لدورة (TCA) كسلائف لعمليات التخليق الحيوي المختلفة.