أي العمليات التالية تنتج الطاقة ، تدير الخلايا مجموعة واسعة من الوظائف في حزمتها الصغيرة - النمو ، والتحرك ، والتدبير المنزلي ، وما إلى ذلك - وتتطلب معظم هذه الوظائف طاقة. لكن كيف تحصل الخلايا على هذه الطاقة في المقام الأول؟ وكيف يستخدمونها بأكثر الطرق فعالية؟

من أين تحصل الخلايا على طاقتها؟

يوضح الرسم التوضيحي نباتًا مزهرًا مجاورًا للشمس. يعرض المربع الداخلي الموجود في الزاوية اليسرى السفلية عرضًا عن قرب لورقة واحدة. في هذا المربع ، يشير سهم من الشمس إلى سطح الورقة.
الخلايا ، مثل البشر ، لا تستطيع توليد الطاقة دون تحديد مصدر في بيئتها. ومع ذلك ، بينما يبحث البشر عن مواد مثل الوقود الأحفوري لتشغيل منازلهم وأعمالهم ، تسعى الخلايا للحصول على طاقتها في شكل جزيئات الطعام أو ضوء الشمس. في الواقع ، الشمس هي المصدر النهائي للطاقة لجميع الخلايا تقريبًا ، لأن بدائيات النوى الضوئية والطحالب والخلايا النباتية تسخر الطاقة الشمسية وتستخدمها لصنع جزيئات الطعام العضوية المعقدة التي تعتمد عليها الخلايا الأخرى للحصول على الطاقة المطلوبة للحفاظ على النمو. والتمثيل الغذائي والتكاثر.
تأتي المغذيات الخلوية في أشكال عديدة ، بما في ذلك السكريات والدهون. من أجل تزويد الخلية بالطاقة ، يجب أن تمر هذه الجزيئات عبر غشاء الخلية ، الذي يعمل كحاجز - ولكنه ليس حاجزًا سالكًا. مثل الجدران الخارجية للمنزل ، فإن غشاء البلازما شبه منفذ. بنفس الطريقة التي تسمح بها الأبواب والنوافذ بدخول الضرورات إلى المنزل ، تسمح البروتينات المختلفة التي تمتد عبر غشاء الخلية بدخول جزيئات معينة إلى الخلية ، على الرغم من أنها قد تتطلب بعض مدخلات الطاقة لإنجاز هذه المهمة.
هذه الأميبا ، وهي كائن وحيد الخلية ، تكتسب الطاقة عن طريق ابتلاع العناصر الغذائية في شكل خلية خميرة (حمراء). من خلال عملية تسمى البلعمة ، تقوم الأميبا بإحاطة خلية الخميرة بغشاءها وتسحبها إلى الداخل. تشارك بروتينات غشاء البلازما المتخصصة في الأميبا (باللون الأخضر) في هذا الفعل من البلعمة ، ويتم إعادة تدويرها لاحقًا مرة أخرى في الأميبا بعد غمر العناصر الغذائية.

كيف تقوم الخلايا بتحويل العناصر الغذائية إلى طاقة قابلة للاستخدام؟

تعد جزيئات الطعام العضوية المعقدة مثل السكريات والدهون والبروتينات مصادر غنية بالطاقة للخلايا لأن الكثير من الطاقة المستخدمة في تكوين هذه الجزيئات يتم تخزينها حرفيًا داخل الروابط الكيميائية التي تجمعهم معًا. يمكن للعلماء قياس كمية الطاقة المخزنة في الأطعمة باستخدام جهاز يسمى مسعر القنبلة . باستخدام هذه التقنية ، يتم وضع الطعام داخل المسعر وتسخينه حتى يحترق. الحرارة الزائدة الناتجة عن التفاعل تتناسب طرديًا مع كمية الطاقة الموجودة في الطعام.
قارن الأكسدة التدريجية (يسار) بالحرق المباشر للسكر (يمين). من خلال سلسلة من الخطوات الصغيرة ، يتم إطلاق الطاقة المجانية من السكر وتخزينها في جزيئات حاملة في الخلية (ATP و NADH ، غير معروضين). على اليمين ، يتطلب الحرق المباشر للسكر طاقة تنشيط أكبر. في هذا التفاعل ، يتم إطلاق نفس الطاقة الحرة الكلية كما في الأكسدة التدريجية ، ولكن لا يتم تخزين أي منها في الجزيئات الحاملة ، لذلك سيتم فقد معظمها كحرارة (طاقة حرة). وبالتالي فإن هذا الحرق المباشر غير فعال للغاية ، لأنه لا يستخدم الطاقة لاستخدامها لاحقًا.
أثناء كل تفاعل أكسدة متضمن في تكسير الطعام ، يكون لمنتج التفاعل محتوى طاقة أقل من الجزيء المانح الذي سبقه في المسار. في الوقت نفسه ، تلتقط جزيئات مستقبل الإلكترون بعض الطاقة المفقودة من جزيء الطعام أثناء كل تفاعل أكسدة وتخزينها لاستخدامها لاحقًا. في النهاية ، عندما تتأكسد ذرات الكربون من جزيء غذائي عضوي معقد تمامًا في نهاية سلسلة التفاعل ، يتم إطلاقها كنفايات على شكل ثاني أكسيد الكربون.
لا تستخدم الخلايا الطاقة من تفاعلات الأكسدة بمجرد إطلاقها. بدلاً من ذلك ، يقومون بتحويله إلى جزيئات صغيرة غنية بالطاقة مثل ATP و nicotinamide adenine dinucleotide ( NADH ) ، والذي يمكن استخدامه في جميع أنحاء الخلية لتشغيل التمثيل الغذائي وبناء مكونات خلوية جديدة. بالإضافة إلى ذلك ، تستخدم بروتينات العمود الفقري المسماة بالإنزيمات هذه الطاقة الكيميائية لتحفيز أو تسريع التفاعلات الكيميائية داخل الخلية التي كانت ستواصل ببطء شديد. لا تجبر الإنزيمات التفاعل على المضي قدمًا إذا لم تفعل ذلك بدون المحفز ؛ بدلاً من ذلك ، يقومون ببساطة بتخفيض حاجز الطاقة المطلوب لبدء التفاعل.


ما هي المسارات المحددة التي تستخدمها الخلايا؟

تفاصيل الشكل يعتمد مسار الطاقة المعين الذي تستخدمه الخلية في جزء كبير منه على ما إذا كانت هذه الخلية حقيقية النواة أو بدائيات النوى. تستخدم الخلايا حقيقية النواة ثلاث عمليات رئيسية لتحويل الطاقة الموجودة في الروابط الكيميائية لجزيئات الطعام إلى أشكال أكثر سهولة في الاستخدام - وغالبًا ما تكون جزيئات حاملة غنية بالطاقة. الأدينوزين 5-ثلاثي الفوسفات ، أو ATP ، هو الجزيء الناقل للطاقة الأكثر وفرة في الخلايا. يتكون هذا الجزيء من قاعدة نيتروجين (أدينين) وسكر ريبوز وثلاث مجموعات فوسفاتية. تشير كلمة أدينوزين إلى الأدينين بالإضافة إلى سكر الريبوز. الرابطة بين الفوسفات الثاني والثالث هي رابطة عالية الطاقة
العملية الأولى في مسار الطاقة حقيقية النواة هي تحلل السكر ، والتي تعني حرفياً "تقسيم السكر". أثناء تحلل السكر ، تنقسم جزيئات الجلوكوز المفردة وتتحول في النهاية إلى جزيئين من مادة تسمى البيروفات ؛ لأن كل جلوكوز يحتوي على ست ذرات كربون ، كل بيروفات ناتجة تحتوي على ثلاثة ذرات كربون فقط. التحلل السكري هو في الواقع سلسلة من عشرة تفاعلات كيميائية تتطلب إدخال جزيئين من ATP. يتم استخدام هذا الإدخال لتوليد أربعة جزيئات ATP جديدة ، مما يعني أن تحلل السكر ينتج عنه ربح صافٍ لاثنين من ATPs. يتم أيضًا إنتاج جزيئين من NADH ؛ تعمل هذه الجزيئات كحاملات إلكترون للتفاعلات البيوكيميائية الأخرى في الخلية.

كيف تحافظ الخلايا على الطاقة في الاحتياطي؟

عندما تكون الطاقة وفيرة ، تصنع الخلايا حقيقية النواة جزيئات أكبر وغنية بالطاقة لتخزين طاقتها الزائدة. يتم بعد ذلك الاحتفاظ بالسكريات والدهون الناتجة - وبعبارة أخرى ، السكريات والدهون - في خزانات داخل الخلايا ، بعضها كبير بما يكفي ليكون مرئيًا في صورة مجهرية إلكترونية.
يمكن للخلايا الحيوانية أيضًا تصنيع بوليمرات متفرعة من الجلوكوز تُعرف باسم الجليكوجين ، والتي تتجمع بدورها في جزيئات يمكن ملاحظتها عبر المجهر الإلكتروني. يمكن للخلية تحريك هذه الجسيمات بسرعة كلما احتاجت إلى طاقة سريعة. يحاول الرياضيون الذين "يشبعون الكربوهيدرات" من خلال تناول المعكرونة في الليلة السابقة للمسابقة زيادة احتياطياتهم من الجليكوجين. ومع ذلك ، في ظل الظروف العادية ، يخزن البشر ما يكفي من الجليكوجين لتوفير ما يكفي من الطاقة ليوم واحد. لا تنتج الخلايا النباتية الجليكوجين ، ولكنها بدلاً من ذلك تصنع بوليمرات جلوكوز مختلفة تعرف باسم النشا ، والتي تخزنها في حبيبات.
بالإضافة إلى ذلك ، تخزن الخلايا النباتية والحيوانية الطاقة عن طريق تحويل الجلوكوز إلى مسارات تخليق الدهون. يحتوي غرام واحد من الدهون على ما يقرب من ستة أضعاف الطاقة من نفس كمية الجليكوجين ، ولكن الطاقة من الدهون أقل سهولة من تلك الموجودة في الجليكوجين. ومع ذلك ، فإن كل آلية تخزين مهمة لأن الخلايا تحتاج إلى مستودعات طاقة سريعة وطويلة الأجل. يتم تخزين الدهون في قطرات في السيتوبلازم. تتخصص الخلايا الدهنية في هذا النوع من التخزين لأنها تحتوي على قطرات دهنية كبيرة بشكل غير عادي. يخزن البشر عمومًا ما يكفي من الدهون لإمداد خلاياهم بالطاقة اللازمة لعدة أسابيع.