|
| الأيض |
كل شيئ في هذا العالم يبحث عن الطاقة سواء ليقلع، يتحول أو يندثر. كذلك جسم الإنسان مطالب بذلك كي تستمر دورة حياته.
يتم هذا بعملية تسمى "الأيض"، التمثيل الغذائي أو الإستقلاب بالإنجليزية "الميتابوليزم". و كلها تسميات لعملية يُصنع خلالها الجسم وحدات طاقوية تعرف باسم ATP. التي تعتبر منبع الحركة و التفكير و النمو و النوم..... يؤدي الجسم ذلك بطرق مختلف حسب الظرف و الزمن و المحيط و الحالة التي يتواجد فيها.
ماهو الأيض
من أجل نمونا وتوازننا الداخلي، نحتاج إلى الطاقة ولبنات البناء الضرورية، على سبيل المثال لبناء جدران الخلايا والألياف العضلية والألياف العصبية والعظام. نأخذ كل من الطاقة ولبنات البناء من خلال الطعام. و يتم تفكيكها كيميائياً الى عناصر حيوية في النهاية.
إن مجمل العمليات التي تؤدي إلى توليد الطاقة وتطوير أنظمة الجسم تسمى التمثيل الغذائي. يتم من خلالها استقلاب جميع مكونات الغذاء في الخلايا. و يعتبر الكبد من أهم أعضاء هذه العملية.
اللبنات الأساسية للجسم هي
- البروتينات
- سكر (كربوهيدرات)
- الدهون (الدهون)
- جزيئات متخصصة مثل البورفيرينات (مثل صبغة الدم الحمراء)
- فيتامينات
- العناصر النزرة (مثل الحديد واليود والفلور ...)
- الماء و هو عامل مهم ( ستعرف الكثير عن ذلك في هذا المقال ماذا سيحدث لأجسامنا إذا لم نشرب الماء بانتظام ؟)
لكي تعمل جميع العمليات والوظائف الحيوية في أجسامنا بشكل صحيح، يجب على الكائن الحي تزويد نفسه باستمرار بالطاقة. يتم الحصول عليها من خلال حرق الطعام (أكسدة).
نظرًا لأن الجسم ينتج الطاقة ويستخدمها في أوقات مختلفة، فإنه يحتاج إلى تخزينها. توجد مخازن الطاقة القصيرة المدى في الكبد أما طويلة المدى فتتواجد في الأنسجة الدهنية.
عمليات التمثيل الغذائي لا تحدث بشكل عفوي. يتم تحفيزها وتسريعها بواسطة الإنزيمات. تنظم هذه الأخيرة بدورها بواسطة الهرمونات. تقسم العناصر الغذائية الممتصة إلى مكوناتها في المعدة والأمعاء. بتفكيك الكربوهيدرات إلى سكريات بسيطة، البروتينات إلى أحماض أمينية، و الدهون إلى أحماض دهنية وغليسريد. ثم تدخل العناصر الغذائية إلى الدم عن طريق الأمعاء وتنتقل إلى جميع خلايا الجسم عبر مجرى الدم.
يتم الميتابوليزم في جسم الانسان بـ:
استقلاب السكر (الكربوهيدرات): يتم تقسيم الكربوهيدرات المعقدة من الطعام إلى سكريات بسيطة مثل الجلوكوز أو الفركتوز. أجسامنا تكتسب الطاقة من هذا.
استقلاب البروتين (استقلاب الأحماض الأمينية): يتم تقسيم البروتينات إلى أحماض أمينية. تدخل هذه المواد إلى الدم وتستخدم لتوليد الطاقة وبناء خلايا العضلات والهرمونات والإنزيمات.
التمثيل الغذائي للدهون: الدهون ضرورية لإنتاج الطاقة في الخلايا ولتكوين الهرمونات والمواد المرسال. الدهون هي أيضًا أهم مخزون للطاقة لدينا في "الأوقات العصيبة".
التمثيل الغذائي للمعادن: هنا على سبيل المثال يتم توفير الكالسيوم المهم لعمل العضلات، وكذلك الكالسيوم والفوسفور لبناء العظام، و كذلك المحافظة على المناخ الملائم لحدوث الاستقلاب.
الاضطرابات الأيضية
تحدث الاضطرابات الأيضية دائمًا عندما لا يمكن استخدام بعض العناصر الغذائية التي يتم تناولها بشكل صحيح، أي أن المغذيات لا تصل إلى المكان المطلوب. في الوقت الحاضر، الأسباب المتكررة والشائعة للعديد من الاضطرابات الأيضية في الحالات الطبيعية ما عدا عوامل أخرى كالمرض ( أساساً خلل في عمل الهورمونات أو في عمل الغدد الصماء و تأثيرها على وظائف الجسم). هي الإفراط في تناول الطعام وسوء التغذية إلى جانب قلة ممارسة الرياضة.
كيف تتم عملية التمثيل الغذائي ؟
يتم توصيل الطاقة إلى الجسم من خلال الأطعمة التي نتناولها و السوائل التي نشربها. تحتوي الأطعمة على الكثير من الطاقة الكيميائية المخزنة، عندما نأكل يقسم الجسم هذه الأطعمة إلى مكونات أصغر و يمتصها لاستخدامها كوقود. تأتي الطاقة من العناصر الغذائية الرئيسية الثلاثة:
- الكربوهيدرات
- البروتينات
- الدهون
تصنف الكربوهيدرات كأهم مصدر للطاقة. في الحالات التي يتم فيها استنفاذ الكربوهيدرات، يمكن للجسم استخدام البروتين و الدهون للحصول على الطاقة. يمثل التمثيل الغذائي الخاص بنا التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل خلايا أجسامنا أين يتم تحويل هذا الغذاء إلى طاقة.
معظم الطاقة التي يحتاجها الجسم هي للراحة، و المعروفة باسم التمثيل الغذائي الأساسي. و يمثل الحد الأدنى من الطاقة التي يحتاجها الجسم للحفاظ على وظائفه الحيوية، مثل: التنفس، الدورة الدموية و وظائف الأعضاء.
يُعرف معدل استخدام الطاقة لمثل هذه الوظائف باسم معدل الأيض الأساسي (BMR) و يختلف بناءً على العوامل الوراثية و الجنس و العمر و الطول و الوزن. ينخفض معدل الأيض الأساسي لدينا كلما تقدمنا في العمر بسبب انخفاض كتلة العضلات.
التمثيل الغذائي الأمثل للطاقة يتطلب الحصول على ما يكفي من العناصر الغذائية من أطعمتنا، و إلا فإنه يكون لدينا دون المستوى و نشعر بالتعب و الركود. تمدنا جميع الأطعمة بالطاقة و البعض الآخرعلى وجه الخصوص يساعد على زيادة مستوياتها لدينا. مثل:
- الأسماك الدهنية كالسلمون أو التونة (مصدر جيد للبروتين و الأحماض الدهنية و فيتامينات B)
- الموز (مصدر ممتاز للكربوهيدرات والبوتاسيوم و فيتامين B6)
- الأرز البني (مصدر للألياف والفيتامينات والمعادن)
- البيض (مصدر البروتين)
هناك بالفعل العديد من الأطعمة التي توفر كمية وفيرة من الطاقة، خاصة تلك المليئة بالكربوهيدرات أو الألياف أو البروتين للإنتاج البطيء للطاقة و كذلك الفيتامينات الأساسية و المعادن ومضادات الأكسدة.
كيف يتم استقلاب الأطعمة على المستوى الخلوي لصنع ATP
من خلال عملية تعرف باسم التنفس الخلوي. تساعد المادة الكيميائية ATP "مصدر الطاقة" التي تستخدمه الخلية للعديد من العمليات الخلوية بما في ذلك تقلص العضلات نشاطها و انقسام الخلايا. تتم العملية في حضور الأكسجين و تسمى بالتنفس الهوائي.
الجلوكوز (C6H12O6) + الأكسجين (O2) ← ثاني أكسيد الكربون (CO2) + الماء (H2O) + الطاقة ( ATP)
في البداية، يتم تقسيم الجزيئات الغذائية الكبيرة بواسطة الإنزيمات إلى وحدات فرعية بسيطة في عملية تعرف باسم الهضم. تنقسم البروتينات إلى أحماض أمينية، السكريات المتعددة إلى سكريات بسيطة، و الدهون إلى أحماض دهنية و غليسيرول، عبر تدخل إنزيمات معينة.
بعد هذه العملية، يجب أن تدخل هذه الجزيئات الوحدوية الأصغر إلى خلايا الجسم. يدخلون أولاً الى الجزء المائع من الخلية (سيتوبلازم الخلية) حيث تبدأ عملية التنفس الخلوي.
الطرق الأربعة لإنشاء وحدة الطاقة ATP (Adenosine Triphosphate)
التنفس الهوائي
هناك أربع مراحل من التنفس الخلوي الهوائي تحدث لإنتاج ATP :
المرحلة 1: تحلل السكر (المعروف أيضًا باسم انهيار الجلوكوز)
يحدث هذا في السيتوبلازم و تضمن مجموعة من التفاعلات المتسلسلة المعروفة باسم "تحلل السكر" بتحويل كل جزيء من الجلوكوز (جزيء من ستة كربون) إلى وحدتين أصغر من البيروفات (جزيء ثلاثي الكربون).
أثناء تكوين البيروفات، يتم إنتاج نوعين من الجزيئات الحاملة النشطة (جزيئات صغيرة قابلة للانتشار في الخلايا التي تحتوي على روابط تساهمية غنية بالطاقة). وهما ATP و NADH (النيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد المختزل). تنتج هذه المرحلة 4 جزيئات من ATP، و جزيئين من NADH و الجلوكوز. ولكنه يستخدم جزيئين من ATP للوصول إلى هناك. لذلك ينتج في الواقع 2 ATP + 2 NADH و pyruvate. ثم يمر البيروفات إلى الميتوكوندريا.
المرحلة الثانية: تفاعل الارتباط
هذا يربط تحلل السكر بالمرحلة 3 من دورة حامض الستريك / كريبس، كما هو موضح أدناه. عند هذه النقطة، تتم إزالة جزيء واحد من ثاني أكسيد الكربون وجزيء هيدروجين واحد من البيروفات (يسمى نزع الكربوكسيل المؤكسد) لإنتاج مجموعة أسيتيل. والتي تنضم إلى إنزيم يسمى CoA (Coenzyme A) لتكوين acetyl-CoA، هذا الأخير يكون جاهزًا بعد ذلك للاستخدام في دورة حامض الستريك / كريبس. يعد Acetyl-CoA ضروريًا للمرحلة التالية.
المرحلة الثالثة: دورة حمض الستريك / كريبس
تحدث في الميتوكوندري، يتحد الأسيتيل- CoA (وهو جزيء ثنائي الكربون) مع أوكسال أسيتات (جزيء رباعي الكربون) لتكوين السترات (جزيء من ستة كربون). ثم يتأكسد جزيء السترات تدريجيًا، مما يسمح باستخدام طاقة هذه الأكسدة لإنتاج جزيئات حاملة نشطة غنية بالطاقة.
تشكل السلسلة المكونة من ثمانية تفاعلات دورة. لأنه في النهاية، يتجدد أوكسالو أسيتات و يمكن أن يدخل منعطفًا جديدًا من الدورة. توفر هذه الدورة بما في ذلك بعض الأحماض الأمينية بالإضافة إلى عامل الاختزال NADH المستخدم في العديد من التفاعلات الكيميائية الحيوية.
ينتج كل منعطف من الدورة جزيئين من ثاني أكسيد الكربون، و ثلاثة جزيئات من NADH، و جزيء واحد من GTP (غوانوزين ثلاثي الفوسفات) و جزيء واحد من FADH2 (فلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد).
وبما أنه تم إنتاج جزيئين أسيتيل- CoA من كل جزيء واحد من الجلوكوز مستخدم، ي إجراء دورتين لكل جزيء جلوكوز.
المرحلة 4 سلسلة نقل الإلكترون
في هذه المرحلة النهائية، تنقل حاملات الإلكترونات NADH و FADH2، اللتان اكتسبتا إلكترونات بعدما تأكسدت مع جزيئات أخرى. تنضم هذه الإلكترونات إلى سلسلة نقل الإلكترون. يوجد هذا في الغشاء الداخلي للميتوكوندريا.
تتطلب هذه العملية الأكسجين وتنطوي على نقل هذه الإلكترونات عبر سلسلة من ناقلات الإلكترون التي تخضع لتفاعلات الأكسدة والارجاع (تفاعلات يحدث فيها كل من الأكسدة والارجاع). يؤدي هذا إلى تراكم أيونات الهيدروجين في الفضاء بين الغشاء.
يتشكل تدرج التركيز بعد ذلك حيث تنتشر أيونات الهيدروجين خارج هذا الفضاء عن طريق تمرير سينسيز ATP. يعمل تيار أيونات الهيدروجين على تشغيل التحويل التحفيزي لـ ATP synthase، والذي بدوره يؤدي إلى فسفوريلات ADP (يضيف مجموعة فوسفات) وبالتالي ينتج ATP. تحدث نقطة نهاية السلسلة عندما تقلل الإلكترونات الأكسجين الجزيئي، مما يؤدي إلى إنتاج الماء.
على الرغم من وجود عائد نظري قدره 38 ATP من انهيار جزيء جلوكوز واحد، فمن الناحية الواقعية يُعتقد أن 30-32 جزيء ATP قد تم إنشاؤها بالفعل.
تحدث عملية التنفس الهوائي عندما يحتاج الجسم إلى طاقة كافية لمجرد العيش، وكذلك للقيام بالأنشطة اليومية وأداء تمارين القلب. بينما تنتج هذه العملية طاقة أكثر من الأنظمة اللاهوائية، فهي أيضًا أقل كفاءة ولا يمكن استخدامها إلا أثناء الأنشطة منخفضة الكثافة.
لذلك، إذا كانت لديك متطلبات طاقة بطيئة ومستقرة. فإن إنتاجك الصافي للطاقة من التنفس الهوائي يساوي 30-32 جزيء ATP.
جلوكوز + أكسجين ← ثنائي أكسيد الكربون + ماء + طاقة (30-32 ATP)
يطلق الجسم ثاني أكسيد الكربون والماء في هذه العملية. يؤدي هذا نظريًا إلى حرق أكبر عدد من السعرات الحرارية.
في ظل الظروف الفسيولوجية الأخرى، لا يزال بإمكان الجسم اكتساب طاقته بطرق أخرى:
هناك عمليات طاقة أخرى يستخدمها الجسم لتكوين ATP، وهي تعتمد على السرعة التي تتطلبها الطاقة وما إذا كان بإمكانهم الوصول إلى الأكسجين أم لا.
التنفس اللاهوائي
يمكن لعضلة الإنسان أن تتنفس بشكل لاهوائي، وهي عملية لا تتطلب الأكسجين. هذه العملية غير فعالة نسبيًا حيث تحتوي على صافي إنتاج للطاقة لجزيئين من ATP.
هذا فعال للتمرينات القوية التي تتراوح مدتها بين 1-3 دقائق، مثل سباقات السرعة القصيرة. إذا كان التمرين المكثف يتطلب طاقة أكثر مما يمكن أن يوفره الأكسجين المتاح، فسيحرق جسمك جزئيًا الجلوكوز بدون أكسجين (لاهوائي).
بدون وجود الأكسجين لا يمكن لسلسلة نقل الإلكترون أن تعمل. لذلك، لا يمكن تكوين العدد المعتاد من جزيئات ATP. يستخدم المسار اللاهوائي البيروفات، المنتج النهائي من مرحلة تحلل السكر.
يتم تكسير البيروفات إلى حمض اللاكتيك بواسطة NADH، مع ترك NADH+ بعد التخفيض. يحفز هذا التفاعل بواسطة إنزيم (نازعة هيدروجين اللاكتات) ويؤدي إلى إعادة تدوير NADH+. هذا يسمح بعد ذلك لعملية تحلل السكر بالاستمرار.
ينتج مسار تحلل السكر هذا جزيئين من ATP، والتي يمكن استخدامها للطاقة لدفع تقلص العضلات. يحدث تحلل السكر اللاهوائي أسرع من التنفس الهوائي حيث يتم إنتاج طاقة أقل لكل جزيء جلوكوز يتحلل، لذلك يجب تفكيك المزيد بمعدل أسرع لتلبية المتطلبات.
يتراكم حمض اللاكتيك (المنتج الثانوي من التنفس اللاهوائي) في العضلات مما يسبب الشعور "بالحرق" أثناء النشاط الشاق. إذا تم استخدام أكثر من بضع دقائق من هذا النشاط لتوليد ATP تزداد حموضة اللاكتيك، مما يسبب تقلصات مؤلمة. يتفاعل الأكسجين الإضافي الذي نتنفسه بعد التمرين المكثف مع حمض اللاكتيك في عضلاتك، مما يؤدي إلى تحطيمه لإنتاج ثاني أكسيد الكربون والماء.
إذن، الخلاصة: التمارين التي يتم إجراؤها بمعدلات قصوى تتراوح بين دقيقة و 3 دقائق تعتمد بشكل كبير على التنفس اللاهوائي لطاقة ATP. أيضًا، في بعض العروض مثل الجري 1500 متر أو ميل ، يتم استخدام نظام حمض اللاكتيك في الغالب لـ "الركلة" في نهاية السباق.
لذلك، إذا كنت تمارس تمرينًا قويًا لمدة 1-3 دقائق، فلن يكون هناك أي أكسجين للأنسجة متاح، لذا سترى صافي إنتاج للطاقة من التنفس اللاهوائي يساوي جزيئين من ATP.
أكسدة بيتا، استحداث السكر أو حرق الدهون (تحلل الدهون الهوائي)
يتكون جزيء الدهون من العمود الفقري للجليسرول وثلاثة ذيول من الأحماض الدهنية. يطلق عليهم الدهون الثلاثية. في الجسم، يتم تخزينها بشكل أساسي في خلايا دهنية تسمى الخلايا الشحمية المكونة للأنسجة الدهنية.
للحصول على الطاقة من الدهون، يتم تقسيم جزيئات الدهون الثلاثية إلى أحماض دهنية في عملية تسمى "تحلل الدهون" تحدث في السيتوبلازم. تتأكسد هذه الأحماض الدهنية إلى أسيتيل CoA، والذي يستخدم في دورة حمض الستريك / كريبس.
نظرًا لأن جزيء ثلاثي الجليسريد ينتج ثلاثة جزيئات من الأحماض الدهنية مع 16 أو أكثر من الكربون في كل واحد، فإن جزيئات الدهون تنتج طاقة أكثر من الكربوهيدرات وهي مصدر مهم للطاقة لجسم الإنسان (أكثر من 100 جزيء من ATP يتم توليدها لكل جزيء من الأحماض الدهنية).
لذلك، عندما تكون مستويات الجلوكوز منخفضة. يمكن تحويل الدهون الثلاثية إلى جزيئات أسيتيل CoA واستخدامها لتوليد ATP من خلال التنفس الهوائي.
تنشأ هذه الحاجة بعد أي فترة من عدم تناول الطعام. حتى مع الصيام العادي بين عشية وضحاها. تحدث تعبئة الدهون، بحيث يأتي معظم أسيتيل CoA الذي يدخل دورة حمض الستريك / كريبس في الصباح من الأحماض الدهنية بدلاً من الجلوكوز.
ومع ذلك، بعد تناول الوجبة، فإن معظم أسيتيل CoA الذي يدخل في دورة حمض الستريك / كريبس يأتي من الجلوكوز من الطعام، مع استخدام أي جلوكوز زائد لتجديد مخازن الجليكوجين المستنفدة أو لتخليق الدهون.
هذا مصدر طاقة بطيء وليس فوريًا ولكنه يحتوي على صافي إنتاج للطاقة يزيد عن 100 جزيء من ATP.
فوسفوكرياتين ATP (ATP-PC)
يتكون نظام الطاقة هذا من ATP (تحتوي جميع خلايا العضلات على القليل من ATP) و phosphocreatine (PC)، والتي توفر طاقة فورية من انهيار هذه الركائز عالية الطاقة.
أولاً، يتم تكسير ATP المخزن في الجسور المتقاطعة للميوسين (داخل العضلات) لإنتاج ثنائي فوسفات الأدينوزين (ADP) وجزيء فوسفات واحد. بعد ذلك، يقوم إنزيم يُعرف باسم الكرياتين كيناز، بتفكيك الفوسفوكرياتين (PC) إلى جزيء الكرياتين والفوسفات.
يؤدي هذا الانهيار للفوسفوكرياتين (PC) إلى إطلاق الطاقة، مما يسمح لجزيء الأدينوزين ثنائي الفوسفات (ADP) وجزيء الفوسفات بإعادة الانضمام لتشكيل المزيد من ATP.
يمكن بعد ذلك تفكيك ATP المكون حديثًا لإطلاق الطاقة لتزويد النشاط. و سيستمر هذا حتى تنضب مخازن فوسفات الكرياتين.
تحتاج حركات قوية قصيرة وحادة من التمارين (10-30 ثانية) هذا النظام. لا يتطلب الأكسجين ولكنه يقتصر على فترات قصيرة من التمارين المتفجرة. مثل العدو السريع أو رفع الأثقال / القوة.
هذا هو السبب في أن مكملات الكرياتين تساعد هذا النوع من التمرين، مما يضمن وجود فوسفات الكرياتين الكافي لتوفير تلك الفوسفات المطلوبة. عادة ما يتعافى نظام ATP-CP بنسبة 100٪ في 3 دقائق. لذلك، فإن وقت الراحة الموصى به بين التدريبات عالية الكثافة هو 3 دقائق.
باختصار، للحركات المتفجرة الحادة من التمارين و التي تحتاج إلى طاقة سريعة وفورية. ينتج هذا النظام كميات نسخ من ATP حتى نفاد فوسفات الكرياتين في العضلات.
الرياضة و أنظمة إنتاج الطاقة (ATP)
- بالنسبة للعدائين لمسافات قصيرة، و رافعي الأثقال. فإن نظام الطاقة المستخدم سيكون ATP-PC لأنه سريع و في غضون ثواني قليلة فقط.
- أثناء التمرين المكثف والمتقطع وطوال النشاط البدني المطول. يكون نظام الطاقة المستخدم عادةً عن طريق الجليكوجين (حرق الدهون، غياب أكسجين).
- في سياق التحمل، كسباق الماراثون أو التجديف وما إلى ذلك، التي تستمر لفترة غير محدودة. قد تستخدم عملية إنتاج الطاقة التنفس الهوائي.
دور بكتيريا الأمعاء في تنظيم الاستقلاب
تلعب بكتيريا الأمعاء دورًا مهمًا في استخلاص المغذيات وتنظيم الطاقة. حيث يصنع عدد كبير منها الجزيئات الصغيرة (المعروفة باسم المستقلبات) التي يمكن أن تعمل كإشارات يمكنها تعديل الشهية وامتصاص الطاقة وتخزينها وإنفاقها. وهو أمر تم استكشافه في مقالة المراجعة Gut Microbiota-Dependent Modulation of Energy Metabolism.
كما يؤثر أيضاً التوافر الحيوي. كيف يحدث ذلك غير واضح ؟ لكنه مجال بحث متزايد. في ورقة عام 2016، حول دور الميكروبات المعوية الصغيرة و الكبيرة في تنظيم الوزن و مقاومة الأنسولين.
الآثار الجانبية لانخفاض مستويات الاستقلاب
عند الأشخاص الطبيعيين:
- يمكن أن يؤدي عدم إدارة مستويات الطاقة بشكل صحيح إلى تأثر الوظائف الجسدية والمعرفية.
- يمكن أن تشمل العلامات الجسدية: انخفاض القدرة على التحمل، انخفاض القوة، وقلة القدرة على التعافي من التمارين.
- يمكن أن تشمل التأثيرات المتعلقة بالأداء: فقدان التركيز، وقت رد الفعل بطيئ، مزاج سيئ، ضعف الذاكرة العاملة و سوء اتخاذ القرار.