انتاج الطاقــــــة

تحتاج الخلايا الى الطاقة لغرض استمرار حياتها وللحفاظ على انظمتها بشكل مختزل. والمصدر الاساسي للطاقة على الأرض هو ضوء الشمس الذي يحول الى طاقة كيماوية بواسطة عمليات التخليق الضوئي وتستعمل نواتجه من قبل الاحياء الاخرى للحصول على الطاقة المتداولة في الانظمة الحيوية وهي ATP.

وتختلف الأحياء في تعاملها مع الطاقة، فالنباتات والطحالب الخضر والبكتريا المزرقة تقوم باستعمال الضوء لعملية التخليق الضوئي وانتاج الاوكسجين الجزئي من الماء الذي يمثل معط الهيدروجين اللاعضوي –اما البكتريا الأرجوانية Purple bacteria فتحول الطاقة الضوئية الى طاقة ايضية ولكن دون انتاج الاوكسجين.

اما الاحياء الاخرى والتي تعتمد بشكل غير مباشر على الطاقة الضوئية فتحور الطاقة بواسطة التنفس الهوائي بالنسبة للأحياء الهوائية، واللاهوائية تستعمل بدائل الاوكسجين كمستلمات نهائية للإلكترونات مثل النترات والفيوميرات والكبريتات وثنائي اوكسيد الكربون وبعض الأمينات في عملية التنفس اللاهوائي. والاحياء اخرى تستعمل التخمر للحصول على الطاقة والذي يمثل اعادة ترتيب لذرات مواد الأساس للحصول على الطاقة بغياب الاوكسجين.

طرق الحصول على الطاقة

تستعمل الاحياء اثناء التنفس الهوائي واللاهوائي:

1- طريقة الفسفرة التأكسدية Oxidative phosphorylation والتي تحتاج الى غشاء مغلق شبه ناضح وفي البكتريا يقوم الغشاء الخلوي بالمهمة كما هو في المايتوكوندريا. وتستعمل البكتريا الطريقة بشكل مشابه كما يحدث في المايتوكوندريا في الاحياء حقيقية النواة. ويتم انتاج الطاقة عن طريق السلاسل التنفسية وهذه تختلف في مكوناتها وعددها في الاحياء بدائية النواة والاحياء حقيقية النواة.

 وعلى العموم في داخل الخلية فان العديد من تفاعلات الأكسدة والاختزال تساهم بالبروتونات والإلكترونات التي تزود NAD ، ولكن بعضها يمكن ان تساهم بهدرجة او اختزال مركبات اخرى مثل FMN أو FAD أو NADP. بعد الاختزال ينتج NADH + H+ ويكون بمثابة معط للإلكترونات لباقي مكونات السلسلة التنفسية مثل البروتينات الفلافينية، ثم تمر الى مركبات الكينون الذائبة مثل Ubiquinone او Coenzyme الموجودة في الأغشية الخلوية، وآخر مكونات السلسلة هو السايتوكرومات يعطي الالكترونات للأوكسجين الجزئي لتكوين الماء كما موضح في الشكل (1)

شكل 1 : انتاج الطاقة عبر الأغشية الخلوية بالفسفرة التأكسدية

ويلاحظ في الشكل ان ذرات الهيدروجين تعاني من تفكك، اذ تفصل البروتونات وتضخ الى الخارج والالكترونات المتحررة تذهب الى مكونات السلاسل التنفسية مثل السايتوكرومات الحاوية على الحديد الذي يتذبذب بين حالات الأكسدة والاختزال (حديدوز – حديديك).

ونظرا لانتقال البروتونات الى خارج الخلية فانه يؤدي الى شحن الغشاء الخلوي اذ يكون السطح الخارجي موجب والداخلي سالب ويعني وجود فرق في الجهد الكهربائي ΔΨ كما ان عملية ضخ البروتونات الى الخارج يؤدي الى حدوث فرق في الرقم الهيدروجيني Δ pH بين داخل وخارج الخلايا ونتيجة لذلك تتكون القوة الدافعة للبروتون pmf والعلاقة بين التدرج الكيماوي الالكتروني يمكن ان تحسب بالمعادلة الآتية :

pmf (Δp) = ΔΨ + 0.06 Δ pH

ولذلك تسحب البروتونات من خارج الخلية الى داخلها من خلال قنوات خاصة بالبروتونات ورجوعها يمكنا ن يرتبط مباشرة بعدد من الفعاليات :

1- تكوين ATP بواسطة انزيمات مرتبطة بالغشاء من ADP والفوسفات اللاعضوية.

2- حركة مرافقة للمذابات او المواد الغذائية عبر الغشاء الخلوي.

3- حركة الأسواط البكتيرية، أو أنواع اخرى من الحركات في الخلايا التي لا تحوي على أسواط

وتختلف الاحياء فيما بينها في السلاسل التنفسية وكذلك الاختلاف يعتمد على مستلم الالكترونات النهائي هل هو الاوكسجين او بدائله في التنفس اللاهوائي، ويكون الاختلاف في السالبية الكهربائية Electronegativity مهما في ذلك والتي على ضوئه تترتب المكونات، وكذلك تختلف المكونات في عددها لذلك اختلفت كمية الطاقة الناتجة في الخلايا، ففي بعض الخلايا يتم الحصول على 1-3 من ATP لكل جزئية NADH₂ ، فنظريا تحصل الخلايا الهوائية على 38 مول من الكلوكوز تتم اكسدته بشكل كامل، اما تحت الظروف اللاهوائية فيكون الناتج النظري 2-3 مول من ATP لكل مول من الكلوكوز.

اما في حالة التخليق الضوئي فان طاقة الضوء تؤدي الى توليد التدرج الكيميائي الكهربائي وتتكون pmf عند رجوع الالكترونات الى حالة الاستقرار، وهذا يعني استعمال الطاقة الضوئية لفصل الالكترونات عن البروتونات، وتنتقل الإلكترونات من المواد المختزلة الى المواد المؤكسدة ولذلك فالعديد من البكتريا تقوم بعملية التخليق الضوئي بشكل مستقل عن الاوكسجين، اما الكاربون فيشتق من المواد العضوية او من ربط المختزلات اللاعضوية مثل Thiosulfate مع الكاربون المؤكسد CO₂ في تفاعلات خاصة.

وفي الاحياء Chemolithotrophic فتستطيع استعمال المختزلات اللاعضوية للتنفس مثل الهيدروجين او ايونات الحديدوز ⁺Fe² واشكال اخرى من مركبات البريت والنيتروجين المختزلة

II-  الطريق الثاني للحصول على الطاقة يتم بطريقة الفسفرة بمواد الأساس Substrate level phosphorylation وهي التي تحدث اثناء عمليات التخمر، اذ تنتج بعض المركبات المفسفرة لتفصل منها مجموعة الفوسفات الغنية بالطاقة لتكوين ATP من ADP والفوسفات اللاعضوية.

العملية الايضية :

بعد التطرق الى طرق انتاج الطاقة، فان الاحياء المجهرية وغيرها من الاحياء تتعامل معها بشكل مختلف. فالأحياء تحتاج الى كوثرة الوحدات الاساسية لتخليق التراكيب الخلوية مثل تخليق البروتينات والحوامض النووية والسكريات المكوثرة والدهون والتراكيب الخلوية الاخرى. والأوليات لها تكون آتية للخلايا في البيئة المحيطة. وتحتاج علميات التخليق الى ATP الذي يمثل الشكل المتداول للطاقة في الانظمة الحيوية ويمكن تتبع اصول المسارات التخليقية ومكوناتها من الوحدات البنائية والانزيمات المشاركة بالبحث عن الطلائع التي تكون قليلة نسبيا وهي مواد الأيض الاساسية Focal metabolites والموضحة في الشكل (2).

وتمثل هذا الكلوكوز المفسفر ومركب Phosphoenol pyruvate ومركب Oxaloacetate و α –ketoglutarate ويمكن تقسيم العمليات الايضية في الاحياء المجهرية الى :

شكل 2 : مواد الايض الأساسية ومشتقاتها

1-  مسارات تحويل المواد الايض الأساسية

2- مسارات تمثيلية Assimilatory لتكوين مواد الايض الاساسية.

3- مسارات متوالية لتحويل مواد الايض الاساسية الى نواتج نهائية.

4-  مسارات لانتاج الطاقة الايضية اللازمة للنمو والإدامة.

وعند تزويد الخلايا بمواد الايض الأساسية المذكورة أعلاه ومصادر الطاقة تقوم الخلايا بتكوين الجزيئات الحيوية الكبيرة لبناءها ومنها.

•    تخليق DNA والتي تستعمل كقوالب لتخليق mRNA الذي يترجم الى بروتينات.

•    تخليق الكاربوهيدرات والدهون وغيرها من المواد فينتج من اعادة ترتيب الوحدات البنائية بواسطة الأنزيمات، وعند تخليق او تكوين الجزيئات الكبيرة تتجمع الوحدات الصغيرة لتكوين التراكيب الخلوية مثل الجدران الخلوية والاغشية الخلوية والرايبوزومات والاسواط وغيرها من التراكيب.

ومعدلات تخليق الجزيئات الكبيرة والمسارات التخليقية لها تخضع لعمليات تنظيم لغرض جعل المسارات التخليقية متوازنة والابقاء على الخلايا حية. وبما ان الاحياء المجهرية تمثل تفرعات بعيدة عن بعضها في شجرة الحياة لذلك يتوقع اختلافات في المسارات الايضية لها وعمليات تنظيمها، فتخليق او تمثيل مركبات وسطية ذات علاقة وثيقة يوجد أكثر من مسار تختلف في تتابع تفاعلاتها وتنظيمها.

تأيض العناصر الأساسية :

يعد الكاربون والنيتروجين من اهم العناصر التي تدخل في تركيب المادة الحيوية.

تثبيت ثنائي أوكسيد الكاربون : بعض الميكروبات تستطيع استعمال ثنائي اوكسيد الكاربون مصدرا وحيدا للكاربون مثل بعض البكتريا والطحالب وفي أغلبها يتم عن طريق دورة كالفن Calvin cycle ويتم ذلك في الأجسام الكاربوكسيلية الحاوية على انزيم Ribulose diphosphate carboxylase الذي يتحد مع ثنائي اوكسيد الكاربون ليعطي جزئين من 3- phosphoglycerate وتضاف إليها مجموعة فوسفات اخرى لإعطاء 1,3 –di phosphoglycerate والمركب الاخير يختزل ليكون مركبات ثلاثية الكاربون Triose وهي جزئين من Glyceraldehyde-3p. وتحصل اعادة ترتيب للذرات لإعطاء مركبات ثلاثية الذرات الكاربونات التي تحول الى مركبات كاربوهيدراتية اخرى. وتحتاج الخلايا الى مصادر طاقة كافية من ATP و NAD (P) H ومجموعة من الانزيمات الخاصة. وفي الأركيا فان ثنائي اوكسيد الكاربون يختزل الى الخلات للحصول على الطاقة.

تمثيل النيتروجين : ان عملية التمثيل الاختزالي للنيتروجين الجزيئي والتي تدعى بعملية تثبيت النيتروجين تكون اساسية لاستمرار الحياة على الأرض. والحلقة التي تقوم بتحويل النيتروجين الجوي بتكافؤ صفر الى نتروجين مختزل بشكل NH₃  وبعدد تأكسدي 3- تقوم بها الاحياء المثبتة للنتروجين والذي يكون قادرا على الدخول الى الانظمة الحيوية نظراً لتشابه درجة الاختزال.

وتتم عملية تثبيت النيتروجين اما بشكل حر في التربة كما في البكتريا المزرقة او Azotobacter او بشكل متعايش مع جذور البقول مثل افراد جنس Rhizobium.او البكتيريا  Azosprillum التي تتعايش مع جذور مع انواع العائلة النجيلية ، ويمكن ان يتم التثبيت بواسطة بعض البكتيريا الهوائية مثل بعض انواع جنس  Clostridium . وتتم عملية التثبيت في نظام Nitrogenase الذي يتكون من إنزيمين رئيسين احداهما يحوي الحديد والاخر يحوي على الموليبدنم Mo، وتحتاج العملية الى كميات كبيرة من الطاقة اذ يتم تحليل 12-16 جزيئة من ATP لاختزال جزيئة واحدة من النيتروجين N₂ الى جزيئة من الأمونيا واستعمال 3 جزيئات من NADH + H+، ويكون التفاعل المجمل كما موضح في المعادلة :

N₂ + 6H⁺+ 6e ^- + 12ATP → 2NH₃ + 12ADP + 12Pi

وتتم عملية الاختزال على عدة مراحل كما موضح في الشكل (3).

واضافة الى ما ذكر اعلاه فان عملية تثبيت النيتروجين لها متطلبات فسلجيه اخرى وذلك لان نظام تثبيت النيتروجين حساس جداً للأوكسجين ويثبط به، ولذلك فان الاحياء الهوائية قد طورت عدة آليات للحفاظ على النظام الانزيمي منها.

1-      يكون التثبيت في خلايا خاصة محاطة بأغلفة وبعيدة عن الهواء كما في Heterocysts في البكتريا المزرقة.

2- أحياء اخرى طورت سلاسل تنفسية ثانوية لاستهلاك الاوكسجين وحماية نظام تثبيت النيتروجين كما في Azotobacter.

3- اما الاحياء التي تثبت بشكل تعايش مثل بكتريا Rhizobium فاتخذت طريقة تكوين العقد الجذرية التي تكون غنية بمركب الهيموغلوبين البقولي Leghaemoglobulin الذي يمنع وصول الاوكسجين الى النظام .

أما باقي الاحياء المجهرية تستهلك النيتروجين المختزل كما في الأمونيا، وأول مدخل للنتروجين يكون عن طريق اندماج الأمونيا في الكلوتامات التي تتكون من عملية اضافة الأمين الاختزالية الى α –ketoglutarate ويكون ذلك بآلتين:

1- عند وفرة كميات كافية من الامونيا تحصل العملية الاختزالية بخطوة واحدة بواسطة الانزيم النازع لهيدروجين الكلوتامات (GDH) Glutamate dehydrogenase كما في المعادلة الآتية :

شكل 3 : مراحل تثبيت النتروجين

HCOO-(CH₂) ₂- CO-COOH + NH₃ + NADH+H+ GDH 

α - ketoglutaric acid

HCOOC-(CH₂) ₂ - C- NH₂ - COOH + NAD+ + H₂O

حامض الكلوتاميك

2- وعندما تكون كميات الأمونيا متوسطة الوفرة والتي تحصل في البيئات العامة، تسلك الخلايا في هذه الحالة عملية ذات خطوتين وفيها تستعمل الطاقة الناتجة في تحلل ATP لغرض سحب الأمونيا من البيئة وتكوين Glutamine بواسطة انزيم Glutamine synthetase ومنها يمكن نقل مجموعة الامين مباشرة الى مركبات عضوية اخرى لتكوين الحوامض الأمينية الاخرى وكذلك تكوين القواعد النيتروجينية البيورينات والبريمدنيات و Glucosamine ولذلك يلاحظ ان فعالية الانزيم Glutamine synthetase تنظيم بتراكيز الأمونيا المزودة للخلايا وكذلك بالمواد الايضية الحاوية على النيتروجين المشتقة من النيتروجين الأميدي في الكلوتامين.

وأغلب النيتروجين العضوي (الحوامض الأمينية) يشتق من α - amino group للكلوتامات اذ تنقل مجموعة الامين والمستلم لعملية النقل هي حوامض α - Keto acids التي تتحول الى ما يقابلها من الحوامض الامينية.

التخمرات :

وتعد هذه التفاعلات من العمليات المهمة في عمليات التقنية الحيوية الانتاجية، وفيها يكون بناء الكتلة الحيوية Biomass عادة قليلة مقارنة بالتنفس الهوائي وذلك لان بناء الكتلة الحيوية يحتاج الى كميات كبيرة من الطاقة التي لا تتوفر تحت ظروف التخمر وفيها تبقى كميات من الطاقة مخزونة في أواصر المواد الناتجة من التخمر غير المؤكسدة. وتحصل التخمرات عند غياب التنفس والتخليق الضوئي.

وتعتمد الخلايا فيها على انتاج الطاقة ATP على عمليات الفسفرة بمواد الأساس بعيدا عن الأغشية الخلوية اي ان عمليات التخمر تجري بشكل اساسا في سايتوبلازم الخلايا. ونواتج التخمر يمكن ان تستعمل للنمو لذلك طورت الاحياء العديد من المسارات للحصول عليها وتتصف هذه المسارات بوجود ثلاث مراحل رئيسة.

1- تحويل المركب القابل للتخمر الى معط الفوسفات لغرض حدوث الفسفرة بمواد الأساس وتتم التفاعلات باشتراك NAD+ الذي يختزل الى NADH.

2- فسفرة ADP بواسطة معطي الفوسفات الغني بالطاقة.

3-  حصول عمليات ايضية تؤدي الى ارجاع او جلب نواتج التخمر الى حالة التوازن الكيماوي مع المواد التي بدا بها. واهمها اعادة اكسدة NADH التي تكون في المرحلة الأولى لانتاج NAD+ لغرض استمرار عملية التخمر.

ويلاحظ ان انتاج بعض المواد لا يكون لغرض الحصول على الطاقة او مواد تدخل في بناء المادة الخلوية وانما تكون فقط لإعادة التوازن الايضي كما يحصل في حالة توليد حامض اللاكتيك من حامض البايروفيك (او البايروفات) في بكتريا حامض اللاكتيك اذ تكون هذه الخطوة هي لاستعادة NAD+ المؤكسد نظراً لمحدودية كمياته في الخلية.

تخمر الكلوكوز : وهنالك مساران لتخمير الكلوكوز تؤدي الى انتاج الطاقة بعملية فسفرة مواد الأساس.

1-      المسار الأول وهو التخمر المتجانس ويكون الناتج الرئيس حامض اللاكتيك والذي يحصل في بكتريا حامض اللاكتيك متجانسة التخمر Homofermentative وكما في المعادلة

C₆H₁₂O₆ → 2C₃H₆O₃

حامض اللاكتيك         الكلوكوز

2- التخمر المتباين والذي يحصل في العديد من الاحياء المجهرية ويؤدي الى انتاج الكحول الايثلي وثنائي اوكسيد الكاربون وفق المعادلة :

C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₆O + CO₂

كحول اثيلي                 

وهذه التفاعلات تحصل بطرق مختلفة بشكل كبير وان تشابهت في النواتج النهائية.

تبدأ الخطوات العامة لتخمير الكلوكوز بفسفرته عند ذرة الكاربون السادسة وهذه تكون بالاعتماد على الكائنات الحية :

1-  يمكن ان يدخل الكلوكوز عبر الأغشية ثم تتم فسفرته بـ   ATP لإعطاء ADP و Glucose – 6p.

2- في بعض الاحياء المجهرية يدخل الكلوكوز ويفسفر اثناء دخوله بمركب Phosphoenol (PEP) pyruvate ليعطي Glucose والبايروفات داخل الخلية وهذا يعني ارتباط نقل المركب من ناحية المكان والتركيب.

وبعد دخول الكلوكوز الى داخل الخلية يخضع لبعض المسارات منها مسار Embden (EMP) Meyerhof pathway الذي يوجد في الاحياء الهوائية، وتخضع السكريات السداسية المفسفرة الى تأثير انزيمات الكاينز و Aldolase ليتحول الى مركبين ثلاثية الكاربون مفسفرة كما موضح في الشكل (4)

شكل 4 : مسارEmbden – Meyerhof pathway

وتحدث اثناء المسار اربعة تفاعلات تنتج طاقة بطريقة الفسفرة بمواد الأساسية وينتهي المسار بتكوين جزئين من البايرفات، وأثناء المسار يلزم استعمال جزئين من ATP وتتعرض البايرفات الناتجة الى العديد من التفاعلات تعتمد على الكائن الحي والمسار الذي تدخله ومنها :

شكل 5 : Entner – Doudorff                           شكل 6 : التخمر اللاكتيكي المتباين

1-      الاختزال المباشر للبايروفات بـ NADH الذي يؤدي الى الحصول على NAD+ مرة ثانية وانتاج حامض اللاكتيك مما يؤدي الى تحميض الوسط.

2-      ازالة ثنائي اوكسيد الكربون لتتحول الى الاستالديهايد Acetaldehyde الذي يستعمل لأكسدة NADH مؤديا الى انتاج الكحول الاثيلي وهو مركب متعادل.

وفي بعض الأحيان يدخل الكلوكوز الى مسار اخر هو (ED) Entner – pathway doudoroff ويتم بوجود انزيمات خاصة وفي هذا المسار تتم ازالة جزئية ماء من المركب 6- phosphogluconate يليه تفاعل يشترك فيه انزيم الالدوليز لانتاج البايرفات ومركب ثلاثي ذرات الكاربون المفسفر والمسار موضح في الشكل (5)

وفي التخمرات اللاكتيكية المتباينة وبعض التخمرات الاخرى يكون الانزيم الفعال فيها Phosphoketolase والمركبات الناتجة من جراء التغيرات على الكاربوهيدرات (وهي في هذه الحالة Xylulose – 5- p) تنشطر لتعطي فوسفات الاستيل وسكر ثلاثي الكاربون مفسفر. وفوسفات الاستيل تقوم بأكسدة NADH الى NAD+ ويتحول مركب فوسفات الاستيل بالاختزال الى الكحول الاثيلي ومجمل التفاعلات كما موضح في الشكل الآتي (شكل 6) اعلاه. وهذا المسار يعطي كمية اقل من الطاقة مقارنة بالمسار EMP.

ويمكن ان تسلك الاحياء مسارات متعددة لتخمير كاربوهيدرات اخرى لغرض اكسدة NADH على حساب البايروفات كما ان الاحياء يمكن ان تحصل على الطاقة من تأيض الحوامض الأمينية والبيورينات والبريميدينات بطريقة الفسفرة بمواد الأساس ويمكن ان تستعمل بعض الحوامض الامينية معطيا للإلكترونات والاخر مستلما للإلكترونات.

المصادر

الخفاجي , زهرة محمود (2008) . التقنية الحيوية الميكروبية (توجهات جزيئية ) . معهد الهندسة الوراثية والتقنية الحيوية . جامعة بغداد .