معلومة

لماذا لا يمكن تخزين ATP بشكل زائد؟


لقد علمت للتو أنه لا يمكن تخزين ATP بكمية زائدة ولا يصنعه الجسم إلا عند الحاجة إليه. ما يجعل ATP ، مثل الجلوكوز والدهون ، هو ما يتم تخزينه تحت الجلد أو في أي مكان. الآن لماذا لا يستطيع الجسم إنتاج ATP فقط وتخزينه لممارسة التمارين الثقيلة والشاقة عندما يكون من المفيد له أن يكون جاهزًا بدلاً من المرور بمرحلة الإنتاج ثم استخدامه. عندما أقول تخزين ATP أعني بكميات كبيرة.


دعونا نقارن ATP والجلوكوز والأحماض الدهنية من حيث تخزين الطاقة.

  • يبلغ الوزن الجزيئي للاعبي التنس المحترفين 507 دا
  • يبلغ الوزن الجزيئي للجلوكوز 180 دا ، ويحتوي على نفس كمية الطاقة مثل 31 جزيء ATP
  • تختلف الأحماض الدهنية في الحجم ، لكن غرامًا من الدهون يحتوي على ضعف الطاقة التي يحتوي عليها جرام الجلوكوز (أو الجليكوجين)

الاختلاف في كثافة الطاقة ضخم ، ستحتاج إلى كميات هائلة من ATP لتحل محل الجلوكوز / الجليكوجين كآلية لتخزين الطاقة ، ناهيك عن الدهون. لا يمكنك وضع كمية عشوائية من جزيئات ATP في الخلية ، ستواجه مشاكل بسبب الضغط التناضحي الذي قد يسببه الكثير من الجزيئات داخل الخلية. يتم تخزين الجلوكوز في صورة جليكوجين في الخلايا نتيجة لهذا التأثير ، مما يجعل جزيء جليكوجين واحدًا كبيرًا من الكثير من جزيئات الجلوكوز.

يكون فرق كثافة الطاقة أكبر إذا أخذنا في الاعتبار أن ATP والجلوكوز يربطان الماء ، بينما يتم تخزين الدهون دون المياه المحيطة. يبلغ الفرق الفعلي في كثافة الطاقة للجليكوجين والدهون حوالي 6 مرات.

كما أن ATP ليس مستقرًا مثل الدهون ، ويمكن أن يتحول إلى ماء في الماء. سيكون هذا مشكلة لتخزين الطاقة على المدى الطويل.

ستجد المزيد من التفاصيل في "البيولوجيا الجزيئية للخلية" لألبرت


أعتقد أنAlanBoyd وMadScientist قد تطرقا إلى الإجابة ، فالدهون أكثر ملاءمة للكثافة لتخزين الطاقة من ATP ؛ ATP هو الأمثل للتحويل السريع إلى الطاقة الحيوية. انظر إلى السؤال بطريقة أخرى: ATP في دورة الطاقة الحيوية ديناميكي - إنه تدفق للطاقة من الطعام والتنفس إلى الطاقة الحيوية.

تُستخدم الطاقة البيولوجية بشكل أساسي بنفس المعدل الذي نتناولها فيه. ويتم استخدام الغالبية العظمى بمجرد توفرها. إذا حاولنا تخزين ما يكفي من ATP لمدة ساعة ، فستكون التكاليف كبيرة.

هذا الجزء الخلفي من حساب المغلف (انظر القسم 3.8) يوضح ذلك يوم واحد من ATP هو 64.5 كجم مقابل 2800 سعرة حرارية يوميًا. تقريبا يساوي وزن الجسم.

بالطبع يتم تخزين ATP بكمية زائدة - فقط بضع ثوانٍ تستحق ، 8 إذا كنت تعتقد أن راكبي الدراجات المتنافسين. ATP عبارة عن كمية صغيرة جدًا من الطاقة ... حتى ساعة التخزين ستضيف 12 رطلاً إلى وزن الجسم البالغ. هذا كثير. وما هي الميزة التي سيعطينا ذلك؟ قد نكون قادرين على الانخراط في أنشطة عالية الطاقة (التي تستخدم ATP أسرع مما يمكننا القيام به) لفترة أطول. ولكن حتى الآن يبدو أن التحسينات في الكفاءة في توليد ATP كانت كافية للحيوانات لتظل قادرة على المنافسة.

انظر كيف تعامل التطور مع المكون الآخر للطاقة الحيوية: الأكسجين. لا يمكننا حبس أنفاسنا لأكثر من بضع دقائق. 22 دقيقة هو السجل البشري الحالي. مثير للإعجاب ولكن ليس لوقت طويل. يتم جلب الأكسجين بوفرة من الخارج والتكاليف التكيفية لتخزين الأكسجين داخليًا لن تبرر ببساطة بناء مثل هذه القدرة لمعظمنا. يبدو حتى أن الثدييات المائية تحبس أنفاسها لفترة زمنية مماثلة بقدر ما نستطيع إذا مارسنا ذلك. 20 دقيقة لأوركاس. طيور البطريق أيضا. لا يُقصد بهذا أن يكون مسحًا لقدرة جميع الحيوانات على تخزين الأكسجين ، فالنقطة هي أن تخزين الأكسجين له تكلفة تكيفية ليست بسيطة.


ليست إجابة كاملة ، ولكن بعض الأفكار العشوائية لبدء المحادثة:

1) هناك جزيء آخر يستخدم كمخزن وصول سريع ، وهو الفوسفوكرياتين الذي يمكن استخدامه لإعادة فسفرة ADP بسرعة كبيرة في العضلات. في حالة استرخاء العضلات ، يوجد حوالي 5 أضعاف مستوى ATP.

2) تستخدم الخلايا أيضًا مستويات ATP كمدخل تنظيمي - بمعنى آخر ، يؤدي الانخفاض في مستويات ATP مع بداية التمرين إلى استجابة لتجديد ATP من خلال على سبيل المثال انهيار الجليكوجين. من وجهة النظر هذه ، من المفيد الحصول على "عملة الطاقة" في المرحلة النهائية والتي يمكن أن تعمل مباشرة كركيزة إنزيمية ويكون مستواها مؤشرًا حساسًا للطلب الحالي على الطاقة.

3) ATP هو أيضًا ركيزة لـ RNA polymerase. إذا كان ATP موجودًا بمستويات أعلى بكثير من UTP و CTP و GTP ، فمن المحتمل أن يتسبب ذلك في حدوث أخطاء في النسخ ، وقد يتداخل أيضًا مع الدور التنظيمي لبروتينات ربط GTP ، لأنه سيكون بمثابة منافس للربط في موقع ربط GTP.

4) على أي حال ، إذا كان من المقرر الحفاظ على ATP عند تركيز أعلى بكثير للاستخدام السريع ، فمن المفترض أنه بمجرد أن يبدأ استخدامه ، يجب أن تبدأ أنظمة توليد ATP لمحاولة تجديد التجمع. بعبارة أخرى ، لن تختلف الأشياء حقًا عن ما هي عليه ، ولكنها ستعمل ببساطة عند مستوى راحة أعلى من ATP.


  1. يوجد معدل عالٍ من العمليات المعتمدة على ATP في الخلية بحيث يتم استخدام ATP فورًا بعد تصنيعه مباشرةً.
  2. ATP غير مستقر للغاية في بيئة مائية. يتم تحللها بسهولة وبالتالي فهي ليست مثالية للتخزين في البيئة الخلوية المائية للغاية. هذا يجعلها مثالية بدلاً من ذلك أن يكون لديك مصدر تخزين من الكربون لإنتاج ATP.

تعتمد عملية التنفس الخلوي التي تحول طاقة الأكسجين [1] والغذاء إلى ATP (والتي يمكن أن تطلق الطاقة) إلى حد كبير على توافر الأكسجين. أثناء التمرين ، يتأثر العرض والطلب على الأكسجين المتاح لخلايا العضلات بالمدة والشدة ومستوى اللياقة القلبية التنفسية للفرد. يمكن تجنيد ثلاثة أنظمة بشكل انتقائي ، اعتمادًا على كمية الأكسجين المتاحة ، كجزء من عملية التنفس الخلوي لتوليد ATP للعضلات. هم ATP والنظام اللاهوائي والنظام الهوائي.

ATP هو الشكل القابل للاستخدام من الطاقة الكيميائية للنشاط العضلي. يتم تخزينه في معظم الخلايا ، وخاصة في خلايا العضلات. يجب تحويل أشكال أخرى من الطاقة الكيميائية ، مثل تلك المتوفرة من الأكسجين والغذاء ، إلى ATP قبل أن تستخدمها الخلايا العضلية. [2]

نظرًا لأن الطاقة يتم إطلاقها عند تكسير ATP ، فإن الطاقة مطلوبة لإعادة بنائها أو إعادة تركيبها. اللبنات الأساسية لتخليق ATP هي المنتجات الثانوية لتحلل الأدينوزين ثنائي فوسفات (ADP) والفوسفات غير العضوي (Pأنا). تأتي الطاقة لإعادة تخليق ATP من ثلاث سلاسل مختلفة من التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل الجسم. يعتمد اثنان من الثلاثة على الطعام الذي يتم تناوله ، بينما يعتمد الآخر على مركب كيميائي يسمى الفوسفوكرياتين. يتم استخدام الطاقة المنبعثة من أي من هذه السلاسل الثلاث من التفاعلات في التفاعلات التي تعيد تصنيع ATP. ترتبط التفاعلات المنفصلة وظيفيًا بطريقة تستخدم الطاقة التي يطلقها أحدهما بواسطة الآخر. [2]: 8-9

يمكن أن تصنع ثلاث عمليات ATP:

  • نظام ATP – CP (نظام الفوسفوجين) - يستخدم هذا النظام لمدة تصل إلى 10 ثوانٍ. لا يستخدم نظام ATP – CP الأكسجين ولا ينتج حمض اللاكتيك إذا كان الأكسجين غير متوفر وبالتالي يطلق عليه اسم اللاهوائي alactic. هذا هو النظام الأساسي وراء حركات قصيرة جدًا وقوية مثل أرجوحة الجولف أو العدو السريع 100 متر أو رفع الأثقال.
  • النظام اللاهوائي - يسود هذا النظام في إمداد الطاقة لممارسة الرياضة لمدة تقل عن دقيقتين. ومن المعروف أيضًا باسم نظام حال السكر. مثال على نشاط الشدة والمدة التي يعمل بها هذا النظام سيكون سباق 400 متر.
  • النظام الهوائي - هذا هو نظام الطاقة طويل الأمد. بعد خمس دقائق من التمرين ، يقوم O2 النظام هو المسيطر. في مسافة كيلومتر واحد ، يوفر هذا النظام بالفعل ما يقرب من نصف الطاقة في سباق الماراثون ويوفر 98٪ أو أكثر. [3]

تعمل الأنظمة الهوائية واللاهوائية عادةً بشكل متزامن. عند وصف النشاط ، لا يتعلق الأمر بأي نظام طاقة يعمل ، بل السؤال الذي يسود. [4]

يشير مصطلح التمثيل الغذائي إلى سلسلة مختلفة من التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل الجسم. يشير مصطلح "الأيروبيك" إلى وجود الأكسجين ، بينما يشير مصطلح "اللاهوائية" إلى سلسلة من التفاعلات الكيميائية التي لا تتطلب وجود الأكسجين. سلسلة ATP-CP وسلسلة حمض اللاكتيك لا هوائية ، في حين أن سلسلة الأكسجين هوائية. [2]: 9

يتم تخزين فوسفات الكرياتين (CP) ، مثل ATP ، في خلايا العضلات. عندما يتم تفكيكها ، يتم إطلاق قدر كبير من الطاقة. تقترن الطاقة المنبعثة بمتطلبات الطاقة اللازمة لإعادة تركيب الـ ATP.

إجمالي مخزون العضلات لكل من ATP و CP صغير. وبالتالي ، فإن كمية الطاقة التي يمكن الحصول عليها من خلال هذا النظام محدودة. عادة ما يتم استنفاد الفوسفاجين المخزن في العضلات العاملة في ثوانٍ من النشاط القوي. لكن، تكمن فائدة نظام ATP-CP في التوفر السريع للطاقة بدلاً من الكمية. هذا مهم فيما يتعلق بأنواع الأنشطة البدنية التي يستطيع البشر القيام بها. [2]: 9-11

يُعرف هذا النظام باسم تحلل السكر اللاهوائي. يشير مصطلح "تحلل السكر" إلى تكسير السكر. في هذا النظام ، يوفر تكسير السكر الطاقة اللازمة التي يتم تصنيع ATP منها. عندما يتم استقلاب السكر اللاهوائي ، يتم تكسيره جزئيًا فقط وأحد المنتجات الثانوية هو حمض اللاكتيك. تخلق هذه العملية طاقة كافية للاقتران بمتطلبات الطاقة لإعادة تركيب ATP.

عندما تتراكم أيونات H + في العضلات مما يؤدي إلى وصول مستوى الحموضة في الدم إلى مستويات منخفضة ، ينتج عن ذلك إجهاد عضلي مؤقت. يتمثل أحد القيود الأخرى لنظام حمض اللاكتيك الذي يتعلق بجودته اللاهوائية في أنه لا يمكن إعادة تصنيع سوى عدد قليل من مولات ATP من تكسير السكر مقارنة بالعائد الممكن عند استهلاك الأكسجين عالي الطاقة. [1] لا يمكن الاعتماد على هذا النظام لفترات طويلة من الزمن.

يعتبر نظام حمض اللاكتيك ، مثل نظام ATP-CP ، مهمًا بشكل أساسي لأنه يوفر إمدادًا سريعًا لطاقة ATP. على سبيل المثال ، التمارين التي يتم إجراؤها بمعدلات قصوى لمدة تتراوح بين دقيقة و 3 دقائق تعتمد بشكل كبير على نظام حمض اللاكتيك. في أنشطة مثل الجري 1500 متر أو ميل ، يتم استخدام نظام حمض اللاكتيك في الغالب من أجل "الركلة" في نهاية السباق. [2]: 11-12

  • تحلل السكر - تُعرف المرحلة الأولى باسم تحلل السكر ، والذي ينتج جزيئين ATP وجزيئين مختزلين من نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد (NADH) وجزيئين من البيروفات ينتقلان إلى المرحلة التالية - دورة كريبس. يحدث تحلل السكر في سيتوبلازم خلايا الجسم الطبيعية ، أو ساركوبلازم خلايا العضلات.
  • دورة كريبس - هذه هي المرحلة الثانية ، ومنتجات هذه المرحلة من النظام الهوائي عبارة عن إنتاج صافٍ من جزيء ATP واحد وجزيء ثاني أكسيد الكربون وثلاثة جزيئات NAD + مخفضة وجزيء فلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد مخفض (FAD). (جزيئات NAD + و FAD المذكورة هنا هي ناقلات إلكترون ، وإذا تم تقليلها ، فقد تمت إضافة واحد أو اثنين من أيونات H + وإلكترونين مضافين إليها.) المستقلبات هي لكل دورة من دورة كريبس. تدور دورة كريبس مرتين لكل جزيء مكون من ستة كربون من الجلوكوز يمر عبر النظام الهوائي - حيث يدخل جزيئين من ثلاثة كربون بيروفات إلى دورة كريبس. قبل أن يدخل البيروفات في دورة كريبس ، يجب تحويله إلى أنزيم أسيتيل أ. أثناء تفاعل الارتباط هذا ، لكل جزيء من البيروفات تم تحويله إلى أنزيم أسيتيل أ ، يتم أيضًا تقليل NAD +. تحدث هذه المرحلة من النظام الهوائي في مصفوفة ميتوكوندريا الخلايا.
  • الفسفرة التأكسدية - المرحلة الأخيرة من النظام الهوائي تنتج أكبر عائد من ATP - ما مجموعه 34 جزيء ATP. يطلق عليه الفسفرة المؤكسدة لأن الأكسجين هو مصدر الطاقة [1] والمستقبل النهائي للإلكترونات وأيونات الهيدروجين (وبالتالي مؤكسد) ويضاف فوسفات إضافي إلى ADP لتشكيل ATP (ومن ثم الفسفرة).

تحدث هذه المرحلة من النظام الهوائي على cristae (غشاء غشاء الميتوكوندريا). يوفر تفاعل كل NADH في سلسلة نقل الإلكترون هذه طاقة كافية لـ 3 جزيئات من ATP ، بينما تفاعل FADH2 ينتج 2 جزيئات من ATP. هذا يعني أن إجمالي 10 جزيئات NADH تسمح بتجديد 30 ATP و 2 FADH2 تسمح الجزيئات بتجديد 4 جزيئات ATP (في المجموع 34 ATP من الفسفرة المؤكسدة ، بالإضافة إلى 4 من المرحلتين السابقتين ، مما ينتج إجمالي 38 ATP في النظام الهوائي). NADH و FADH2 تتأكسد للسماح بإعادة استخدام NAD + و FAD في النظام الهوائي ، بينما يتم قبول الإلكترونات وأيونات الهيدروجين بواسطة الأكسجين ، وهو مصدر الطاقة الرئيسي في العملية ، [1] لإنتاج الماء ، وهو منتج ثانوي غير ضار.


طاقة الغذاء و ATP

تحتاج الحيوانات إلى الغذاء للحصول على الطاقة والحفاظ على التوازن. الاستتباب هو قدرة النظام على الحفاظ على بيئة داخلية مستقرة حتى في مواجهة التغيرات الخارجية للبيئة. على سبيل المثال ، درجة حرارة الجسم الطبيعية للإنسان هي 37 درجة مئوية (98.6 درجة فهرنهايت). يحافظ البشر على درجة الحرارة هذه حتى عندما تكون درجة الحرارة الخارجية ساخنة أو باردة. يتم الحصول على الطاقة اللازمة للحفاظ على درجة حرارة الجسم من الطعام.

المصدر الأساسي للطاقة للحيوانات هو الكربوهيدرات ، وخاصة الجلوكوز: الجسم ووقود rsquos. يتم تحويل الكربوهيدرات القابلة للهضم في النظام الغذائي الحيواني و rsquos إلى جزيئات الجلوكوز وإلى طاقة من خلال سلسلة من التفاعلات الكيميائية التقويضية.

الأدينوزين ثلاثي الفوسفات ، أو ATP ، هو عملة الطاقة الأساسية في الخلايا. يخزن ATP الطاقة في روابط إستر الفوسفات ، ويطلق الطاقة عند كسر روابط الفوسفوديستر: يتم تحويل ATP إلى ADP ومجموعة الفوسفات. يتم إنتاج ATP عن طريق التفاعلات التأكسدية في السيتوبلازم والميتوكوندريا في الخلية ، حيث تخضع الكربوهيدرات والبروتينات والدهون لسلسلة من التفاعلات الأيضية تسمى مجتمعة التنفس الخلوي.

الشكل ( PageIndex <1> ): مسارات إنتاج ATP: ATP هو جزيء الطاقة للخلية. يتم إنتاجه من خلال مسارات مختلفة أثناء عملية التنفس الخلوي ، حيث ينتج كل منها كميات مختلفة من الطاقة.

ATP مطلوب لجميع الوظائف الخلوية. يتم استخدامه لبناء الجزيئات العضوية المطلوبة للخلايا والأنسجة. كما أنه يوفر الطاقة لتقلص العضلات ولإرسال الإشارات الكهربائية في الجهاز العصبي. عندما تكون كمية الـ ATP المتوفرة أكثر من متطلبات الجسم و rsquos ، يستخدم الكبد فائض الـ ATP والجلوكوز الزائد لإنتاج جزيئات تسمى الجليكوجين (شكل بوليمري من الجلوكوز) يتم تخزينها في الكبد وخلايا العضلات الهيكلية. عندما ينخفض ​​سكر الدم ، يقوم الكبد بإفراز الجلوكوز من مخازن الجليكوجين. تقوم عضلات الهيكل العظمي بتحويل الجليكوجين إلى جلوكوز أثناء التمرين المكثف. تعتبر عملية تحويل الجلوكوز والـ ATP الزائد إلى جليكوجين وتخزين الطاقة الزائدة خطوة مهمة من الناحية التطورية في مساعدة الحيوانات على التعامل مع التنقل ونقص الغذاء والمجاعة.


اعتبارات قد تفسر عدم ملاءمة الأحماض الدهنية كوقود في أنسجة المخ

أكسدة الأحماض الدهنية تزيد من ميل الأنسجة العصبية لتصبح ناقصة التأكسج

يدعي المفهوم المقبول عمومًا أن متطلبات ATP العالية تجعل الدماغ عرضة للتلف المرتبط بنقص الأكسجين أو نقص التروية. بسبب انخفاض قدرة تحلل السكر على توفير ATP لعملية التمثيل الغذائي الخلوي ، يستجيب دماغ الثدييات البالغة بحساسية شديدة لنقص الأكسجة ، لأن الحد من الأكسجين يقيد تجديد ATP بواسطة الميتوكوندريا. 60 ، 61 توتر الأكسجين الحرج & # x02018 ، حيث لا يوفر oxPhos متطلبات ATP الكاملة للدماغ ، يشار إليه عن طريق انخفاض طفيف في درجة الحموضة (بسبب إثراء اللاكتات) وانخفاض نسبة فوسفات الكرياتين / الفوسفات (الناتجة عن الفسفرة ADP باستخدام فوسفات الكرياتين). تم تقدير توتر الأكسجين & # x02018critical ليكون في نطاق 0.8 إلى 1.2 & # x02009kPa (6 إلى 9 & # x02009mm & # x02009Hg) في قشرة الفئران. 62 تركيز الأكسجين في الدماغ منخفض وغير منتظم. على سبيل المثال ، يتراوح ضغط الأكسجين في المادة الرمادية في القشرة للفئران من 19 إلى 40 & # x02009mm & # x02009Hg ، مقارنةً بضغط الأكسجين في المادة البيضاء في القشرة من 6 إلى 16 & # x02009mm & # x02009Hg. 62 لذلك ، فإن الاختلاف في الطلب على الأكسجين لتوليد ATP القائم على الأحماض الدهنية والجلوكوز بواسطة oxPhos أمر بالغ الأهمية. الأكسدة الكاملة لمول واحد من حمض البالمتيك (CH3[CH2]14COOH) إلى CO2 و ح2ينتج O 106 مولًا من ATP ، بينما تسمح أكسدة الجلوكوز بتكوين 32 مولًا فقط من ATP لكل مول من الجلوكوز. وبالتالي ، على عكس أكسدة الجلوكوز ، فإن تحلل الأحماض الدهنية يحرر جزءًا كبيرًا نسبيًا من الهيدروجين المرتبط بـ FAD ، والذي ينتج أثناء الأكسدة أقل من ATP. مع NADH ، حصلنا على 2.5 ATP ، ولكن مع FADH2 فقط 1.5 ATP لكل مول. وبالتالي ، لتوليد كمية معينة من ATP ، يتطلب التزويد بحمض البالمتيك & # x0223c15 & # x00025 المزيد من الأكسجين (23 O2) من الوقود بالجلوكوز (20 س2). وبالتالي ، فإن الاستهلاك المرتفع للأكسجين المرتبط بأكسدة الأحماض الدهنية يزيد من خطر أن تصبح بيئتها في حمة الدماغ ناقصة التأكسج ، حيث يكون ضغط الأكسجين غير منتظم ومنخفض نوعًا ما.

من المهم أن نتذكر أن قلب الجنين يعمل تحت ضغط منخفض من الأكسجين وفي هذه الحالة ، يتم استخدام الجلوكوز واللاكتات لتوليد ATP. في المقابل ، في قلب البالغين المؤكسج جيدًا ، يأتي توليد ATP في الغالب من أكسدة الأحماض الدهنية. 63 بالإضافة إلى ذلك ، كشفت الدراسات التي أجريت على الحيوانات أن تقليل أكسدة الأحماض الدهنية يحمي القلب من نقص التروية.

يزيد استخدام الأحماض الدهنية كوقود من مخاطر الإجهاد التأكسدي المعزز

من المقبول على نطاق واسع أن الإجهاد التأكسدي والخلل الوظيفي للميتوكوندريا من العوامل المساهمة في الاضطرابات العصبية. 64 تعتبر الميتوكوندريا المصدر الرئيسي لتوليد أنواع الأكسجين التفاعلية في الجهاز العصبي المركزي ، مما يجعلها عرضة لضرر الإجهاد التأكسدي. 64 إن توليد أنواع الأكسجين التفاعلية كمنتجات جانبية أثناء تقليل الأكسجين الجزيئي بواسطة ETC معروف جيدًا لأكثر من خمسة عقود. يتكون Superoxide عن طريق نقل إلكترون واحد من مواقع معينة داخل ETC إلى الأكسجين الجزيئي ، كما هو موضح في مراجعة شاملة. 65 علاوة على ذلك ، هناك مصدر آخر لتسرب الإلكترون & # x0201c & # x0201d هو & # x003b2- الأكسدة ، على الأرجح عند مستويات نازعة هيدروجين أسيل- CoA ، ونقل الإلكترون ، فلافوبروتين ، وفلافوبروتين-يوبيكوينون أوكسيريدوكتاز ، والمركب III (للمراجعات ، انظر 55 وللمراجع 66 ، 67 ، 68 ، 69). إلى جانب مصادر الميتوكوندريا ، تم وصف إنتاج إضافي لـ ROS في الدماغ والأنسجة الأخرى لتشتق من بيروكسيسومال & # x003b2- الأكسدة وأكسيداز NADPH المرتبط بغشاء البلازما. 70 في الواقع ، تولد الخلايا الدبقية المكروية التي تنشط الالتهاب على وجه التحديد الأكسيد الفائق عبر NADPH أوكسيديز. 71

بالإضافة إلى جيل ROS المحسن المرتبط بـ & # x003b2- مسار الأكسدة للأحماض الدهنية ، وهناك سبب ثان لتحفيز توليد ROS بواسطة NEFA. يتداخل ارتباط NEFA بمجمعات ETC مع نقل الإلكترون من NADH إلى الأكسجين. لا يقلل هذا الضعف في نقل الإلكترون من توليد ATP المؤكسد فحسب ، بل يحفز أيضًا توليد الأكسيد الفائق بواسطة المجمعين الأول والثالث. وقد لوحظت عواقب ضارة للإجهاد التأكسدي المرتبط بإثراء الأحماض الدهنية في الجهاز العصبي في حثل الغدة الكظرية المرتبط بالكروموسوم X. أصبح هذا المرض العصبي الوراثي شائعًا على نطاق واسع من الفيلم المسمى زيت لورنزو. ينتج حثل الغدة الكظرية المرتبط بالكروموسوم X عن التحلل المعيب للأحماض الدهنية طويلة السلسلة جدًا بواسطة البيروكسيسومات. وبالتالي ، تتراكم الأحماض الدهنية طويلة السلسلة في الأنسجة والبلازما. 54 53 هناك أدلة متراكمة على أنه أثناء تطور علم الأمراض ، يؤدي الإجهاد التأكسدي المعزز إلى إزالة الميالين المحوري. 72 ، 73 وهكذا ، فإن حثل الغدة الكظرية المرتبط بـ X هو مثال صارخ على زيادة حساسية أنسجة المخ للإجهاد التأكسدي.

يُعزى ارتفاع مخاطر الإجهاد التأكسدي لأنسجة المخ إلى المحتوى العالي من PUFA القابل للأكسدة في الأغشية ، والكاتيكولامينات الحساسة للأكسجين ، والقدرة المنخفضة نسبيًا لأنزيمات مضادات الأكسدة في الدماغ مقارنة بالأعضاء الأخرى. 73 لذلك ، يبدو من المحتمل أن التطور قد طور إستراتيجية لتقليل توليد ROS في الخلايا العصبية ، والتي علاوة على ذلك لديها إمكانات تجديد ضعيفة للغاية. وفقًا لفرضية حديثة ، تتمثل استراتيجية الوقاية من أنواع الأكسجين التفاعلية في إلغاء & # x003b2- الأكسدة في الخلايا العصبية. 74 يجب إثبات ذلك من خلال التحليل الكمي التالي: أثناء التحلل الكامل لجزيء جلوكوز واحد ، جزيئين FADH2 و 10 جزيئات من NADH تتشكل ، والتي تتوافق مع FADH2/ نسبة NADH 0.2. فى المقابل، & # x003b2- أكسدة حمض البالمتيك تولد 15 جزيء من FADH2 و 31 جزيء من NADH ، مع FADH2/ نسبة NADH لـ & # x022480.5. وبالتالي ، خلال & # x003b2- الأكسدة هناك منافسة بين & # x02018NADH و FADH2 إلكترونات يوبيكوينون المؤكسد كمستقبل للإلكترون. من المرجح أن تعزز هذه الحالة الإجهاد التأكسدي في الخلايا العصبية لسببين. وهكذا ، حافظت أكسدة NADH البطيئة على حالة الأكسدة والاختزال لحاملات الإلكترون المنبع من المركب III في حالة منخفضة للغاية ، وهو وضع مشابه لتثبيط الروتينون للمركب الأول. علاوة على ذلك ، في ارتفاع FADH2/ نسبة NADH ، أكثر FADH2 يتأكسد عن طريق نقل الإلكترون فلافوبروتين-يوبيكوينون أوكسيريدوكتاز ، وهو تفاعل معروف بأنه مصدر قوي لتوليد الأكسيد الفائق. 66 ، 68

أكسدة الأحماض الدهنية بطيئة جدًا لمطابقة متطلبات ATP أثناء النشاط الكهربائي العصبي المستمر السريع

هناك سبب وجيه لطرح السؤال عما إذا كان معدل تجديد ATP عن طريق حرق الأحماض الدهنية سيكون سريعًا بما يكفي لتلبية متطلبات ATP للدماغ خلال فترات إطلاق الخلايا العصبية السريعة والمستمرة. هناك نوعان من الحجج التي تثير هذا السؤال. أولاً ، ثبت أنه في مناطق الدماغ النشطة ، تكون الزيادة المحلية في استهلاك الأكسجين أقل من استهلاك الجلوكوز. 6 ، 75 ثانيًا ، يُعد تركيز اللاكتات المرتفع الذي لوحظ أثناء النشاط العصبي العالي مؤشراً على فك ارتباط استخدام الجلوكوز من استهلاك الأكسجين. 76 من الواضح ، خلال فترات النشاط العصبي العالي المستمر ، يكون إمداد ATP المؤكسد في أقصى قدرته. لمطابقة متطلبات ATP ، بالإضافة إلى ذلك ، يتم تحفيز تجديد ATP اللاهوائي حال السكر.

علاوة على ذلك ، أظهر تحليل مفصل لميزانية الطاقة للمادة الرمادية للقوارض أنه بمعدل إطلاق 4 & # x02009Hz ، 30 & # x02009& # x003bcتستهلك الخلايا العصبية جزيء ATP لكل غرام من الوزن الرطب لكل دقيقة. 1 إن معدل دوران ATP هذا مشابه لذلك في عضلة الساق البشرية أثناء سباق الماراثون ، 77 حيث يتم حرق الجليكوجين بالإضافة إلى الأحماض الدهنية. بشكل عام ، يعتبر استخدام ATP للمادة الرمادية في نطاق 33 إلى 50 & # x02009& # x003bcمول ATP لكل غرام وزن رطب في الدقيقة ، وهو أعلى بكثير من متوسط ​​الدماغ كله (& # x0223c21 & # x02009& # x003bcجزيء ATP لكل غرام وزن رطب في الدقيقة). بالإضافة إلى ذلك ، بمعدل إطلاق 18 & # x02009Hz ، يبلغ استهلاك ATP 120 & # x02009& # x003bcجزيء ATP لكل غرام من الوزن الرطب في الدقيقة. بافتراض استهلاك ATP بواسطة المادة الرمادية 50 & # x02009& # x003bcجزيء ATP لكل غرام وزن رطب في الدقيقة أو حتى أعلى ، من المحتمل أن يحد تأجيج الأحماض الدهنية من توليد ATP المؤكسد ، حيث أن مسار تحرير المكافئات المختزلة من الدهون الثلاثية المخزنة في الأنسجة الدهنية البيضاء طويل ومعقد. عند التفكير فقط في تحلل الأحماض الدهنية بواسطة الميتوكوندريا ، يعتمد التحكم في هذا المسار على (1) امتصاص الخلايا العصبية للأحماض الدهنية من الدم ، (2) دخول الأحماض الدهنية المنشطة إلى الميتوكوندريا ، و (3) الانقسام التأكسدي لسلسلة الهيدروكربون بواسطة إنزيمات & # x003b2-أكسدة. العملية الأخيرة تخضع لتنظيم معقد ، حيث تشارك ثلاث نسب في السيطرة على & # x003b2-أكسدة. هذه النسب هي حالات الأكسدة والاختزال لـ NAD & # x0002b / NADH ، FAD / FADH2، ونسبة [أسيتيل أو أسيل CoA] / [كواش]. 78 ديهيدروجينيز أسيل- CoA و 3-هيدروكسي-أسيل- CoA ديهيدروجينيز يستجيبان لنسب FAD / FADH2 و NAD & # x0002b / NADH ، في حين أن نشاط 3-ketoacyl-CoA thiolase حساس لنسبة acetyl-CoA / CoASH.

على النقيض من المعدل المنخفض لأكسدة الأحماض الدهنية طويلة السلسلة ، يمكن للخلايا العصبية أكسدة أجسام الكيتون بمعدل سبعة إلى تسعة أضعاف أكبر من الجلوكوز ، وهي ملاحظة مشتقة من قياس تحرير ثاني أكسيد الكربون2 من 14 جلوكوز C المسمى أو 14 أسيتو أسيتات المسمى C /& # x003b2-هيدروكسي بوتيرات. 22 بالإضافة إلى ذلك ، فإن تغذية طاقة أنسجة المخ بأجسام الكيتون لها ميزة أن تغلغل NEFA عبر BBB و & # x003b2يتم تجاوز الأكسدة.

إذا أخذنا هذه الحقائق معًا ، فهناك سبب للتكهن بأن معدل توليد ATP القائم على استخدام الأحماض الدهنية للأنسجة الدهنية بطيء جدًا بحيث لا يتناسب مع استهلاك ATP في الأنسجة الدماغية خلال فترات إطلاق الخلايا العصبية السريعة والمستمرة. يمكن القول إن مثل هذا الاستنتاج يتناقض مع الوضع في القلب ، حيث على الرغم من معدل النبض المرن للغاية ، فإن معظم الطاقة تأتي من أكسدة الأحماض الدهنية في الميتوكوندريا. 79 في أنسجة القلب ، يتم توفير NEFA لخلايا عضلة القلب في شكل مرتبط بالألبومين ومن البروتينات الدهنية الغنية بالجلسرين في الدم. من الأخير ، يتم تحرير NEFA بواسطة ليباز البروتين الدهني ، والذي يرتبط ببطانة الأوعية الدموية التاجية. علاوة على ذلك ، يتم تخزين الدهون الثلاثية أيضًا في خلايا عضلة القلب كقطرات دهنية بالقرب من الميتوكوندريا. 80 ، 81 بالإضافة إلى ذلك ، تم الإبلاغ عن أن أكسدة الأحماض الدهنية المشتقة من القطرات الدهنية تساهم بشكل أساسي في توليد ATP في خلايا عضلة القلب. وبالتالي ، فليس من المستغرب أن يكون ضعف وظيفة القلب مرتبطًا بعملية التمثيل الغذائي المشوهة لثلاثي الجليسريد (انظر 80 والمراجع الواردة فيه).

في الختام ، على عكس الخلايا العصبية ، يتم تخزين تركيز الأحماض الدهنية المتاحة لأكسدة الميتوكوندريا في خلايا عضلة القلب بسبب قطرات الدهون الموجودة. لذلك ، لا يعتمد نشاط القلب بشكل صارم على إمداد الأحماض الدهنية المشتقة من دهون المصل.


هيكل ATP

كما يتضح من الاسم الجزيئي ، يتكون الأدينوزين ثلاثي الفوسفات من ثلاث مجموعات فوسفات (ثلاثية البادئة قبل الفوسفات) متصلة بالأدينوزين. يتكون الأدينوزين من خلال ربط 9 ذرة نيتروجين من الأدينين الأساسي البيورين بالكربون 1 من ريبوز سكر البنتوز. مجموعات الفوسفات متصلة والأكسجين من الفوسفات إلى 5 'كربون من الريبوز. بدءًا من المجموعة الأقرب إلى سكر الريبوز ، يتم تسمية مجموعات الفوسفات alpha (α) و beta () و gamma (). ينتج عن إزالة مجموعة الفوسفات ثنائي فوسفات الأدينوزين (ADP) وإزالة مجموعتين ينتج أدينوزين أحادي الفوسفات (AMP).


لماذا مطلوب ATP لتقلص العضلات والهيكل العظمي؟

عندما تنقبض العضلات ، فإن طول ساركومير (المسافة بين الخطوط Z *) تقصر. ATP مطلوب لعملية ركوب الدراجات عبر الجسور والتي تمكن من تقصير قسيم عضلي. خطوات ركوب الدراجات عبر الجسور هي كما يلي:

عندما تكون ADP ** ملزمة الميوسين الرؤساء ، فهم قادرون على الارتباط الأكتين خيوط اللييف العضلي المجاور لتشكيل جسر متقاطع. بمجرد توصيلها ، تغير خيوط الميوسين زاويتها ، فتسحب خيوط الأكتين للخلف في a ضربة السلطة، وإطلاق جزيء ADP في العملية. هذا يؤدي إلى تقصير قسيم عضلي. الآن ، يرتبط جزيء ATP برأس الميوسين ، مما يؤدي إلى انفصاله عن خيوط الأكتين. الانزيم ATPase يحفز تفكك ATP إلى ADP والفوسفات غير العضوي ، والذي يطلق الطاقة لرأس الميوسين للعودة إلى موقعه الأصلي في الشفاء من السكتة الدماغية. تذكر أن الميوسين لا يمكن أن يرتبط بالأكتين إلا عندما يكون مرتبطًا بـ ADP ، لذا فإن الميوسين مستعد الآن للارتباط مرة أخرى بجزيء أكتين آخر لتقلص العضلة أكثر ، وتستمر دورتنا. بشكل حاسم ، نحتاج إلى ATP لتمكين الجسر المتقاطع للأكتين والميوسين من الفصل وإطلاق الطاقة من خلال التحلل المائي لتمكين رأس الميوسين من العودة إلى وضع الراحة. بدون هذا الدور الحيوي للاعبي التنس المحترفين ، ستبقى الجسور المتقاطعة مقيدة بشكل دائم ، ولن تكون العضلات قادرة على الانقباض أكثر أو الاسترخاء أو بدء تقلص جديد. لهذا السبب ، بعد الموت ، عندما لا يتم إنتاج ATP عن طريق التنفس ، تتقلص العضلات بشكل دائم ، وهي حالة تعرف باسم قسوة الموت.

مطلوب أيضًا ATP لتمكين العضلات الهيكلية من منع المزيد من الانقباضات عندما لا يتم تحفيز العضلات. إذا كنت تتذكر ، عندما يتم تحفيز عضلة الهيكل العظمي على الانقباض ، فإننا نحتاج إلى الكالسيوم للارتباط بالبروتين الكروي تروبونين، الذي يسبب البروتين الشبيه بالخيوط تروبوميوسين (الذي يلتف حول خيوط الأكتين) للانسحاب ، تاركًا الأكتين حرًا للارتباط بالميوسين. لإيقاف تقلص العضلة باستمرار بعد انتهاء تحفيزها ، يتم امتصاص الكالسيوم مرة أخرى بواسطة الشبكة الساركوبلازمية *** عن طريق النقل النشط عبر الكالسيوم ATPase. هذا يتطلب طاقة من التحلل المائي لـ ATP.

* يمثل الخط Z نهاية القسيم العضلي وهو نقطة التعلق لخيوط الأكتين في كل نهاية من قسيم عضلي.
** ADP هو أحد منتجات التحلل المائي لـ ATP عن طريق التفاعل التالي: ATP à ADP + Pi (+ الطاقة المنبعثة).
*** الشبكة الإندوبلازمية المتخصصة للعضلات.


شاهد الفيديو: تصحيح إمتحانات مقترحة في ATP (كانون الثاني 2022).