ما الأهمية الحيوية لجزيء atp لخلايا المخلوقات الحية؟

ما الأهمية الحيوية لجزيء atp لخلايا المخلوقات الحية؟، الأدينوسين ثلاثيُّ الفوسفات (بالإنجليزية: Adenosine triphosphate)‏ (ATP) نكليوتيد تختزن فيه الطاقة (حرارة) على شكل رابطة غنية بالطاقة بين مجموعة فوسفات غير عضوي ومركب أدينوسين ثنائي الفوسفات ADP.يتواجد الأدينوسين ثلاثي الفوسفات في جميع خلايا جسم الكائن الحي، وبالطبع في خلايا الإنسان. يتم تكوينه في متقدرات الخلايا ويختزن في داخل الخلية خارج المتقدرات . بهذا يعتبر الأدينوسين ثلاثي الفوسفات"بطارية الخلية" التي تمدها بالطاقة.

ويتكون مركب أدينوسين ثلاثي الفوسفات عن طريق تفاعل الأدينوسين ثنائي الفوسفات مع جزيء الفوسفات في وجود طاقة عالية ناتجة عن الطاقة التي اكتسبتها الإلكترونات بعد الإثارة، طبقا للتفاعل:

P + ADP + طاقة (من فوسفات الكرياتين) ----> ATP

يتألف ATP من القاعدة النيتروجينية أدينين، وسكر الريبوز، وثلاث مجموعات فوسفات . تحتوي الروابط بين مجموعات الفوسفات علي طاقة كيميائية مختزنة بكميات كبيرة التي يمثلها الرمز ΔG . ويمكن لهذه الطاقة أن تنطلق عند تحطم إحدى روابط الفوسفات. فعند تحطم الرابطة بين مجموعتي الفوسفات الثانية والثالثة، تتحرر طاقة مقدارها 12.000 كالوري أو 7.3 كيلو سعرة/ مول تحت الظروف القياسية وذلك أكبر بكثير من الطاقة المخزونة في الرابطة الكيميائية الاعتيادية للمركبات العضوية الأخرى؛ ولذلك أعطيت المصطلح الرابطة العالية الطاقة، وينتج مركب لأدينوسين ثنائي الفوسفات. وقد تنفك الرابطة بين مجموعتي الفوسفات الثانية والأولي لينتج مركب AMP (أدينوسين أحادي الفوسفات ) .

ويتم تكوين ATP في الميتوكوندريات عن طريق أكسدة الجلوكوز فتنتقل الطاقة المختزنة في الروابط الكيميائية الموجودة فيه لتخزن في جزيء ادينوسين ثلاثي الفوسفات ATP ؛ فإن الخلية تخزن طاقتها في هيئة ATP ، ويعتبر جزيء الATP هو "بطارية الخلية" التي تمدها بالطاقة لكي تقوم بوظائفها الحيوية. الروابط الفوسفاتية الموجودة في ادينوسين ثلاثي الفوسفات هي عالية الطاقة وقابلة بسهولة للتفكك أيضاً ، بحيث أنها يمكن أن تتفكك آنياً كلما دعت الحاجة إلى طاقة تحفز التفاعلات الخلوية الأخرى ، أو عند احتياج طاقة لتشغيل خلايا العضلات. لا يتم تخليق ال ATP مباشرة من الجلوكوز وانما عن طريق تخليق مادتين وسطيتين هما FADH و NADH خلال دورة تسمى دورة حمض الستريك ، وهذه جزيئات تتميز أيضا باحتوائهما على طاقة عالية . بعد إنتاج FADH و NADH يمكنهما تخزين طاقة في الخلية أو يمكنهما أيضا في حالة أداء الشخص لمجهود حركي التحول إلى ATP مع إنتاج طاقة ؛ هذه عملية احراق كامل للجولوكوز ( في صورتيه كـ FADH و NADH ) وهي عملية أكسدة تسمى سلسلة تنفس ؛ تتأكسد كل من المادتين FADH و NADH بالأكسجين الآتي من التنفس فتنتج طاقة (مثل ضبط درجة حرارة الجسم عند 37 درجة مئوية ؛ مناسبة يقيام الخلايا بوظائفها المختلفة) ، كما تنتج في نفس الوقت جزيئات ATP للتخزين (يعتبر الـ ATP محطة طاقة الخلية أو بطارية الخلية) ، وهو الذي يشغل الخلايا العضلية لتنقبض ويتحرك الجسم.

عندما يُطلق أدينوسين ثلاثي الفوسفات ATP طاقته فإنه يفك أحد مجموعات الفوسفات فيه ويتكون عند ذاك أدينوسين ثنائي الفوسفات ADP . ولكن سرعان -في أقل من عدةثوان - تقوم جزيئات أخرى مخزونة وهي فوسفات الكرياتين KrP بإعطاء مجموعة الفوسفات تبعها إلى الـ ADP فيتحدا معا لإعادة توليد ATP ليكون باستمرار على اهبة الاستعداد لمد الخلية بالطاقة . ولهذه الأسباب يسمى الـ ATP باسم عملة الطاقة energy currency "للخليةّ" لأنه من الممكن صرفه وإعادة تكوينه مرة بعد أخرى . ولا تطول دورته في العادة لوقت إجمالي أكثر من بضع ثواني فقط .

ويعد الادينوسين ثلاثي الفوسفات من الجزيئات الناقلة الأكثر انتشاراً في خلايا جميع المخلوقات الحية.

استعمالات ATP في الوظائف الخلوية والوظائف الاستقلابية في الجسم

يستعمل الـ ATP في ثلاث مجموعات رئيسية من الوظائف الخلوية وهي:

1. النقل الغشائي.
2. تركيب المركبات الخلوية.
3. حركة الجسم.

وهذه الاستعمالات المختلفة الثلاثة هامة لكل من:

1. تجهيز الطاقة اللازمة لنقل الصوديوم خلال غشاء الخلية.
2. وتنشيط الريبوسومات لتكوين البروتين .
3. وتجهيز الطاقة الضرورية للحركة بواسطة العضلات.

وبالإضافة إلى كون طاقة الـ ATP ضرورية للغشاء الخلوي عند نقله الصوديوم فهي ضرورية أيضاً بصورة مباشرة أو غير مباشرة لنقل أيونات البوتاسيوم وأيونات الكالسيوم وأيونات الفوسفات وأيونات الكلوريد واليورات وأيونات الهيدروجين والعديد والأيونات والمواد الأخرى أيضاً.^[4] والنقل عبر غشاء الخلية مهم جداً لوظائف الخلية لدرجة أن البعض منها مثل خلايا النبيبات الكلوية تستخدم حوالي 80 % من الـ ATP الذي يتم توليده فيها لهذا الغرض وحده . وبالإضافة لتكوين الخلايا للبروتينات فإنها تقوم أيضاً بتوليد الشحوم الفسفورية والكوليستيرول والبيروينات purines والبيريميدينات ومجموعة أخرى من المواد. ويحتاج تكوين أي مركب كيميائي تقريباً إلى طاقة؛ فمثلاً يمكن أن يكون جزيء بروتين واحد مركباً من عدة آلاف من الأحماض الأمينية ملتصقة ببعضها البعض بارتباطات ببتيدية . ويحتاج تكوين كل واحد من هذه الارتباطات إلى تحليل ثلاثة ارتباطات عالية الطاقة. ولذلك لا بد من إطلاق عدة آلاف من جزيئات الـ ATP أو من جزيئات ثلاثي فوسفات الجوانوزين GTP المقارن لتطلق طاقاتها لكي تولد أحد جزيئات البروتين . وفي الواقع تستعمل بعض الخلايا 75 % تقريباً ندمن كل الـ ATP الذي يتكون فيها لتركيب المركبات الكيميائية الجديدة فيها . ويصدق هذا بصورة خاصة أثناء مرحلة نمو الخلايا.^[5] والاستعمال الرئيسي الأخير للـ ATP هو تجهيز الطاقة لبعض الخلايا لتوليد عمل آلي؛ حيث يحتاج تقلض الليف العضلي إلى استهلاك كميت كبيرة من الـ ATP. وتقوم بعض الخلايا الأخرى بأعمال آلية بطرق خاصة أخرى كالحركات الهدبية والأميبية؛ ومصدر الطاقة لكل هذه الأنواع من الأعمال الآلية هو الـ ATP .

وباختصار :

• تحتاج الخلية النشطة حوالي مليوني جزيء ATP كل ثانية فهو مصدر طاقة:
• بناء المواد الغذائية مثل السكريات العديدة، وتحويل الأحماض الأمينية إلى بروتين، وتضاعف DNA.
• الحركة وانقباض العضلات وانقسام الخلية.
• عملية النقل النشط.
• تسريع التفاعلات الكيميائية.

مثال على استعماله الحشرة المسماة سراج الحصادين تحول طاقة ATP إلى طاقة ضوئية، وتسمى هذه الظاهرة بالإضاءة الحيوية.

كيف يتم تصنيع مركب الطاقة ATP في خلايا الجسم؟

تتم عملية صناعة أدينوسين ثلاثي الفوسفات في الخلايا بالطرق التالية:

1. الفسفرة الضوئية، وهي عملية تحدث في النباتات خلال البناء الضوئي ويتم عبرها تصنيع جزيء أدينوسين ثلاثي الفوسفات من الأدينوسين ثنائي الفوسفات.
2. التنفس الخلوي الهوائي واللاهوائي، والذي يحدث في ميتوكوندريا الخلية. وتحدث عملية التنفس اللاهوائي لدى البكتيريا التي تعيش في بيئات خالية من الأكسجين، بينما يحتاج التنفس الخلوي للأكسجين بالإضافة للجلوكوز لإنتاج جزيء ATP، وتتضمن عملية التنفس الخلوي تحلل السكر، وتكوين جزيء أسيتل مرافق الإنزيم-أ (بالإنجليزية: Acetyl Co-A)، وتكون ATP.
3. التخمير، وهي عملية لا تحتاج للأكسجين لتصنيع أدينوسين ثلاثي الفوسفات، وتتم في البكتيريا والخميرة.
4. أكسدة الحمض الدهني (بالإنجليزية: Beta oxidation)، وهي عملية يتم فيها تكسير سلاسل الأحماض الدهنية لتكوين جزيئات أسيتل مرافق الإنزيم-أ والذي يتم تحويله عبر سلسلة تفاعلات لأدينوسين ثلاثي الفوسفات.
5. عملية هدم الكيتونات (بالإنجليزية: Ketosis)، والتي ينتج عنها جزيئات ATP وGTP.

ما هي فوائد ثلاثي فوسفات الأدينوسين؟

يمثل ثلاثي فوسفات الأدينوسين مخزناً للطاقة في الجسم، ويعود محتواه العالي من الطاقة للروابط بين مجموعات الفوسفات المتصلة بسكر الرايبوز، والتي تتحرر عند فقدان هذه الجزيئات. تتمثل وظائف أدينوسين ثلاثي الفوسفات فيما يلي:

1. نقل الطاقة للخلايا، حيث تتحرر الطاقة بمقدار 7.3 كيلو كالوري لكل مول عند فقدان مجموعة من الفوسفات من جزيء الادينوسين ثلاثي الفوسفات.
2. بناء الحمض النووي DNA، حيث يتحول جزيء ATP إلى أدينوسين منقوص الأكسجين ثلاثي الفوسفات (بالإنجليزية: Deoxyadenosin Triphosphate ,dATP) ليشكل جزءاً من سلسلة الحمض النووي DNA.
3. بناء الحمض النووي الريبوزي RNA.
4. نقل الإشارات الكيميائية اللازمة للتواصل بين الخلايا، حيث يوفر ثلاثي فوسفات الادينوسين مجموعات الفوسفات الضرورية لفسفرة الجزيئات بوساطة إنزيم كاينيز (بالإنجليزية: Kinase)، والذي يؤدي لنقل الإشارات من خارج لداخل الخلية ومن ثم الاستجابة لهذه الإشارات للقيام بالعمليات الحيوية المختلفة. كذلك فإن أدينوسين ثلاثي الفوسفات يساهم في تحفيز إطلاق الهرمونات، والإنزيمات، والنواقل العصبية، وعوامل النمو التي تساهم في نقل الإشارات الخلوية.
5. النقل العصبي (بالإنجليزية: Neurotransmission) بين العصبونات، حيث تحتاج هذه العملية كميات كبيرة من الطاقة التي يوفرها جزيء ATP، ويعد الدماغ أكبر مستهلك لأدينوسين ثلاثي الفوسفات في الجسم.
6. انقباض العضلات، حيث يساهم ثلاثي أدينوسين الفوسفات في حدوث الانقباض العضلي بعدة طرق أهمها النقل النشط لأيونات الكالسيوم، والبوتاسيوم، والصوديوم.

• السؤال: ما الأهمية الحيوية لجزيء atp لخلايا المخلوقات الحية؟

• الإجابة: تزويد الخلايا بالطاقة الكيميائية.