شارح الدرس: الطاقة والأدينوسين الثلاثي الفوسفات الأحياء • الصف الثاني الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف تركيب الأدينوسين الثلاثي الفوسفات، وكيفية تخليقه وتحليله مائيًّا، وكذلك خواصُّه التي تجعل منه مكوِّنًا أساسيًّا في العمليات الخلوية.

تحتاج جميع الكائنات الحية إلى إمداد مستمر بالطاقة لكي تتمكن من أداء وظائفها. ويعد الأدينوسين الثلاثي الفوسفات، المعروف باسم جزيء ATP، الجزيء الأساسي المسئول عن تخزين الطاقة على المدى القصير ونقلها في الخلايا. وأيًّا كانت العناصر التي تدخل جسم الكائن الحي بوصفها مصدرًا للطاقة، سواء كانت الكربوهيدرات أو الدهون أو البروتينات، فإنها تُستخدم في النهاية لتوليد جزيئات ATP التي تعمل مصدرًا فوريًّا لجميع احتياجات الخلية الحية من الطاقة. ففي كل يوم، يصنع الجسم ويكسر جزيئات من ATP بما يعادل وزن الجسم. فإذا كان وزنك حوالي 50 كيلوجرامًا، فإنك ستستخدم في اليوم حوالي 50 kg من جزيئات ATP.

على الرغم من أن جزيء ATP عبارة عن جزيء صغير وبسيط نسبيًّا، فإن روابطه تحتوي على طاقة تكفي لأداء الوظائف الخلوية بجميع أنواعها. وهذا هو سبب تسميته بعملة الطاقة الرئيسية للخلايا؛ فمثلما تُستخدم النقود باعتبارها العملة التي يتبادلها الأشخاص للحصول على احتياجاتهم، يُستخدم جزيء ATP باعتباره المصدر الرئيسي لتخزين الطاقة اللازمة للتفاعلات التي تحدث في الخلية. وعلى الرغم من أنه يمكن استخدام جزيء ATP لتخزين الطاقة في الخلية، فإنه يعد مصدرًا فوريًّا لتخزين الطاقة أكثر من كونه طويل الأمد؛ لأنه يُكسَر ويُعاد تكوُّنه باستمرار.

جزيء ATP هو عبارة عن نيوكليوتيدة، وهذا ما قد يبدو مفاجئًا. فكلمة «نيوكليوتيدة» مصطلح نسمعه كثيرًا عند مناقشة علم الوراثة والجزيئات مثل جزيء الحمض النووي (DNA). لكن هذا التعريف محدود نوعًا ما، فالنيوكليوتيدات لا تقتصر على كونها أحد مكونات جزيء DNA، بل إنها اللبنات الأساسية للأحماض النووية. فهي عبارة عن وحدات جزيئية صغيرة أساسية يمكن أن ترتبط معًا لتكوين جزيئات أكبر وأكثر تعقيدًا. ومن ثَمَّ، فإن جزيء ATP وجزيء DNA وجزيء RNA جميعها عبارة عن نيوكليوتيدات.

جميع النيوكليوتيدات لها تركيب محدد، فهي تتكوَّن من ثلاث جزيئات فرعية هي: قاعدة نيتروجينية، وسكر خماسي (إما ريبوز أو ريبوز منقوص الأكسجين)، ومجموعة فوسفات واحدة على الأقل. وبمعرفة الاسم الكامل لجزيء ATP، وهو الأدينوسين الثلاثي الفوسفات، وكذلك التركيب النموذجي للنيوكليوتيدة، يمكننا استنتاج بعض المعلومات حول تركيب جزيء ATP. يوضح الشكل 1 تركيب النيوكليوتيدة النموذجي.

تشير كلمة «الأدينوسين» إلى أن القاعدة النيتروجينية الموجودة في جزيء ATP هي الأدينين، أما كلمة «الثلاثي الفوسفات» فتشير إلى عدد مجموعات الفوسفات. فكما نرى في الشكل 2 الذي يعرض مخططًا لتركيب جزيء ATP، توجد قاعدة أدينين نيتروجينية، وسكر ريبوز خماسي الكربون، وثلاث مجموعات من الفوسفات.

ترتبط مجموعات الفوسفات الثلاث بعضها ببعض بواسطة روابط عالية الطاقة يمكن كسرها بسهولة. ويُخزن مصدر الطاقة الفعلي لجزيء ATP داخل هذه الروابط الموجودة بين مجموعات الفوسفات الثلاث. وعندما تحتاج الخلية طاقة في أسرع وقت، تتكسر الرابطة التساهمية بين مجموعتي الفوسفات الثانية والثالثة في جزيء ATP، كما هو موضح في الشكل 3.

مثال ٢: تحديد مصدر الطاقة في الروابط الكيميائية للأدينوسين الثلاثي الفوسفات (ATP)

يتمثل الدور الرئيسي للأدينوسين الثلاثي الفوسفات في أنه يعمل مصدرًا للطاقة الضرورية للعمليات الخلوية. يوضِّح الشكل مُخطَّطًا مُبسَّطًا لتركيب جزيء الأدينوسين الثلاثي الفوسفات. ما الرابطة التي تتكسَّر لإطلاق الطاقة المُخزَّنة به؟

الحل

جميع النيوكليوتيدات لها تركيب محدد؛ فهي تتكوَّن من ثلاث جزيئات فرعية هي: قاعدة نيتروجينية، وسكر خماسي الكربون (ريبوز أو ريبوز منقوص الأكسجين)، ومجموعة فوسفات واحدة على الأقل. وجزيء ATP عبارة عن نيوكليوتيدة تتكوَّن من قاعدة أدينين نيتروجينية مرتبطة بسكر ريبوز وثلاث مجموعات من الفوسفات. وبمعرفة الاسم الكامل لجزيء ATP، وهو الأدينوسين الثلاثي الفوسفات، وكذلك التركيب النموذجي للنيوكليوتيدة، يمكننا استنتاج بعض المعلومات حول تركيب جزيء ATP.

الروابط الموجودة بين مجموعات الفوسفات هي روابط عالية الطاقة، عند كسرها تنطلق طاقة كافية لتحفيز تفاعلات مختلفة. ومن ثَمَّ، فعندما تحتاج الخلية طاقة في أسرع وقت، تتكسر الرابطة بين مجموعتي الفوسفات الثانية والثالثة (ويُشار إليها بالرقم 1 في الشكل الآتي لجزيء ATP) لتنطلق الطاقة اللازمة. وهذا يعني أن الرابطة الكيميائية بين مجموعتي الفوسفات الثانية والثالثة في جزيء ATP هي مصدر الطاقة الفعلي في جزيء ATP. فعندما تحتاج الخلايا طاقة في أسرع وقت، تتكسر الرابطة التساهمية بين مجموعة الفوسفات الوسطى ومجموعة الفوسفات الأبعد عن الريبوز في جزيء ATP. يشار إلى الرابطة المكسورة بالرقم 1 على الشكل.

إذن، لكي يعمل جزيء ATP مصدرًا للطاقة في العمليات الخلوية، فإن الرابطة التي تتكسر لتطلق الطاقة المخزنة هي الرابطة المشار إليها بالرقم 1 على الشكل.

دعونا نُلقِ نظرة فاحصة على التفاعل الذي يؤدي إلى تكسير الروابط الموجودة بين مجموعات الفوسفات.

عندما تحتاج الخلية طاقة في أسرع وقت، تتكسر الرابطة الموجودة بين مجموعتي الفوسفات الثانية والثالثة لتحويل الأدينوسين الثلاثي الفوسفات (ATP) إلى أدينوسين ثنائي الفوسفات (ADP) ومجموعة فوسفات غير عضوية. وتسمى عملية كسر الرابطة بين مجموعتي الفوسفات الثانية والثالثة في جزيء ATP بالتحلل المائي؛ لأن جزيء ATP يستهلك جزيئًا من الماء، كما هو موضح في الشكل 4.

ينتج عن التحلل المائي لجزيء ATP جزيء ADP ومجموعة فوسفات غير عضوية بالإضافة إلى انطلاق طاقة حرة. يتكون «مصطلح التحلل المائي» من جزأين: «التحلل» ويعني «التفكك»، ويتم عن طريق إضافة «الماء»، وهو الجزء الآخر من المصطلح. أثناء التحلل المائي، يتفكك جزيء الماء، فتنتج عنه ذرة هيدروجين () ومجموعة هيدروكسيل ().

يتشابه تركيب جزيء ADP مع تركيب جزيء ATP، باستثناء أن جزيء ADP يحتوي على مجموعتي فوسفات فقط. حيث تشير كلمة «الثنائي الفوسفات» إلى وجود مجموعتي فوسفات فقط في جزيء ADP. ويحفز إنزيم ATP-هيدروليز إزالة إحدى مجموعات الفوسفات من جزيء ATP.

أثناء التحلل المائي، تُزال عادةً مجموعة الفوسفات الخارجية فقط من جزيء ATP لتنطلق الطاقة اللازمة للتفاعل. تسمى مجموعة الفوسفات التي تنطلق من جزيء ATP الفوسفات غير العضوي، وهو اسم آخر للفوسفات الحر في الخلية، ويرمز له بالرمز . وينتج عن تحوُّل ATP إلى ADP نحو 7‎ ‎300 سعر حراري لكل مول من ATP؛ ما يعادل تقريبًا كمية الطاقة الموجودة في حبة واحدة من الفول السوداني.

عندما يتحلل جزيء ATP مائيًّا إلى جزيء ADP و، إذا لم تُستخدم الطاقة المنطلقة على الفور، فإنها تُفقد في صورة حرارة (طاقة حرارية). لتجنب فقد هذه الطاقة، يقترن التحلل المائي لجزيء ATP بتفاعلات أخرى في الخلية تتطلب طاقة. وبهذه الطريقة، يمكن استخدام الطاقة المنطلقة نتيجة التحلل المائي لجزيء ATP لتحفيز تفاعلات أخرى في الخلية، بدلًا من فقدها في صورة حرارة.

ولا يُترك الفوسفات غير العضوي المنطلق نتيجة التحلل المائي لجزيء ATP عائمًا في الخلية فحسب، بل يُستخدم الاستخدام الأمثل. فيمكن إضافة هذا الفوسفات غير العضوي إلى جزيئات أخرى في الخلية في عملية تسمى الفسفرة. فإضافة الفوسفات إلى الجزيئات الأخرى يمكن أن يؤدي إلى جعل المركب أكثر نشاطًا.

وعلى الرغم من أن جزيئات ATP تتكسر باستمرار لاستخدام الطاقة المنطلقة أثناء التحلل المائي وكذلك مجموعة الفوسفات غير العضوية، لكنها تتجدد باستمرار أيضًا. وإعادة تكوين جزيئات ATP أمر مهم حدوثه؛ لأن الخلايا تستخدم جزيئات ATP بسرعة كبيرة وتعتمد على هذه الجزيئات التي تتجدد باستمرار لإمداد الخلية بالطاقة.

ويُعاد تخليق جزيئات ATP بسهولة من خلال تفاعل التكثيف الذي تضاف فيه مجموعة فوسفات غير عضوية إلى جزيء ADP. وبوجه عام، فإن تفاعل التكثيف (الذي يسمى أيضًا تفاعل نزع الماء) هو تفاعل يرتبط فيه جزيئان برابطة كيميائية وينتج عن ذلك تكون جزيء من الماء، كما هو موضح في الشكل 4. ومن ثَمَّ، فإن الماء الذي يُفقد أثناء التحلل المائي لجزيء ATP، يُعاد تكوُّنه عند إضافة مجموعة فوسفات ثالثة إلى جزيء ADP. يحفز إنزيم ATP-سينثيز إضافة مجموعة فوسفات ثالثة إلى جزيء ADP. نلاحظ أن إضافة مجموعة فوسفات إلى جزيء آخر تشبه إلى حد كبير عملية الفسفرة التي ناقشناها سابقًا؛ وذلك لأنها فسفرة بالفعل. ونظرًا لأن جزيء ATP ينتج عن إضافة مجموعة فوسفات إلى جزيء ADP، يمكن اعتبار جزيء ATP نيوكليوتيدة مفسفرة.

وفي النباتات، تُخلَّق جزيئات ATP في الخلايا التي تحتوي على الكلوروفيل أثناء عملية البناء الضوئي من خلال عملية الفسفرة الضوئية. وفي كل من الخلايا النباتية والحيوانية، تتجدد جزيئات ATP أيضًا أثناء التنفس. وبينما تساعد جزيئات ATP على تحفيز التفاعلات، لكنها لا تعد جزيئات تخزين طويلة الأمد للطاقة الكيميائية. وعلى الرغم من أن السكريات السداسية مثل الجلوكوز تعتبر مواقع تخزين ممتازة للطاقة وطويلة الأمد في الخلية، فإنها تستغرق وقتًا طويلًا (ومقدارًا كبيرًا من الطاقة) لكي تتكسر. ومن ثَمَّ، فبدلًا من ذلك، لكي تتمكن الخلايا من الحصول على الطاقة سريعًا، يمكنها تحويل الجلوكوز إلى جزيئات ATP أثناء عملية التنفس الخلوي حتى تصل إلى الطاقة المخزنة بطريقة أسرع.

مثال ٣: الفرق بين تكسير الأدينوسين الثلاثي الفوسفات (ATP) وتخليقه

يوضِّح الشكل التالي مُخطَّطًا مُبسَّطًا للعلاقة بين الأدينوسين الثلاثي الفوسفات (ATP) والأدينوسين الثنائي الفوسفات (ADP).

1. ما نوع التفاعل (أ)؟
   1. تحلُّل مائي.
   2. تكثيف.
   3. اختزال.
   4. أكسدة.
   5. بلمرة.
2. ما نوع التفاعل (ب)؟
   1. تكثيف.
   2. تحلل مائي.
   3. اختزال.
   4. أكسدة.
   5. منمرة.

الحل

يوضح الشكل العلاقة بين تخليق جزيء ATP وتكسيره. يشير السهم الأول (الذي يتجه لأسفل) إلى التفاعل الذي يتحول خلاله جزيء ATP إلى جزيء ADP، وهو التحلل المائي. أما السهم الثاني (الذي يتجه لأعلى)، فيشير إلى التفاعل الذي يتحول فيه جزيء ADP إلى جزيء ATP مرة أخرى، وهو التكثيف.

الجزء الأول

عندما تحتاج الخلية طاقة في أسرع وقت، يمكن أن يتحول جزيء ATP إلى جزيء ADP ومجموعة فوسفات غير عضوية. يؤدي كسر الرابطة بين مجموعتي الفوسفات الثانية والثالثة إلى تحويل الأدينوسين الثلاثي الفوسفات (ATP) إلى أدينوسين ثنائي الفوسفات (ADP) ومجموعة فوسفات غير عضوية. ويسمى كسر الرابطة بين مجموعتي الفوسفات الثانية والثالثة في جزيء ATP التحلل المائي؛ وذلك لأن هذا التفاعل يستهلك جزيئًا من الماء، كما هو موضح في الشكل السابق. يتكون مصطلح التحلل المائي من جزأين، «التحلل» ويعني التفكك، والذي يتم عن طريق «الماء»، وهو الجزء الآخر من المصطلح.

ينتج أيضًا عن التحلل المائي لجزيء ATP انطلاق طاقة حرة. الفوسفات غير العضوي هو اسم آخر لمجموعة الفوسفات الحرة في الخلية، ويرمز له بالرمز ـ. ويحفز إنزيم ATP-هيدروليز إزالة مجموعة الفوسفات الأخيرة من جزيء ATP.

إذن، التفاعل (أ) هو تفاعل التحلل المائي.

الجزء الثاني

يُعاد تخليق جزيء ATP بسهولة من خلال تفاعل التكثيف الذي تضاف فيه مجموعة فوسفات غير عضوية إلى جزيء ADP. وتفاعل التكثيف هو تفاعل يرتبط فيه جزيئان برابطة كيميائية وينتج عن ذلك تكوُّن جزيء من الماء، كما هو موضح في الشكل السابق. ويحفز إنزيم ATP-سينثيز إضافة مجموعة فوسفات ثالثة إلى جزيء ADP.

إذن، التفاعل (ب) هو تفاعل التكثيف.

إن خواص جزيء ATP توضح سبب الأهمية البالغة لهذا الجزيء بالنسبة إلى الكائنات الحية. فجزيء ATP هو جزيء صغير قابل للذوبان يُمكِنه الانتقال بسهولة إلى أجزاء مختلفة من الخلية. وعلى الرغم من أن جزيء ATP صغير، فإنه عند تحلله مائيًّا، يطلق طاقة كافية لتحفيز التفاعلات التي تحدث في الخلية دون إهدار الكثير من الطاقة. ويساعد هذا التفاعل أيضًا على انطلاق جزيء من الفوسفات غير العضوي يمكن أن يجعل الجزيئات الأخرى أكثر نشاطًا من خلال عملية الفسفرة. وأخيرًا، نظرًا لأهمية جزيء ATP، فإن السرعة التي يتكون بها مجددًا هي حقيقة مفيدة للغاية.

هذه الخواص التي يتميز بها جزيء ATP هي ما تجعل منه مصدرًا ممتازًا لتحفيز التفاعلات. ومن ثَمَّ، يمكن تشبيه جزيء ATP بمكوك الفضاء الذي يوصل الطاقة إلى أماكن مختلفة داخل الخلية التي يحدث فيها أنشطة مستهلكة للطاقة. توجد ثلاثة أنواع عامة من العمليات التي تحدث داخل الخلايا تتطلب وجود ATP ألا وهي:

1. تحفيز التفاعلات الأيضية التي لا يمكن أن تحدث تلقائيًّا من خلال الفسفرة وتنشيط الجزيئات بواسطة الفوسفات غير العضوي.
2. نقل المواد اللازمة عبر الأغشية؛ حيث يساعد ATP في تحريك الجزيئات والأيونات عكس تدرج التركيز.
3. أداء العمليات الميكانيكية؛ حيث يوفر ATP الطاقة اللازمة لأداء بعض الوظائف مثل انقباض العضلات.

دعونا نلخِّص ما تعلَّمناه في هذا الشارح.