جسم الإنسان هو كائن فريد على اتصال وثيق مع البيئة المحيطة خلال العملية الحية، وتحدث العديد من التفاعلات الكيميائية المعقدة في جسم الإنسان حيث تشارك المحفزات البيولوجية والإنزيمات، ويمكننا إعادة إنشاء بعض ردود الفعل هذه في المختبر أو المنزل، وتختلف ميزات التفاعلات الكيميائية التي تحدث في جسم الإنسان في الكائنات الحية عن التفاعلات العادية .
الفرق بين التفاعلات الكميائية والتفاعلات العادية
الفعالية في التفاعلات الكميائية تكون عالية وتعقيد الآليات غالبا ما تؤدي بيئة البروتين إلى تحول محدد وسريع للمجموعات الوظيفية، مقارنة بالجزيئات في التفاعلات العادية بسبب الحجم الكبير للجزيئات النشطة بيولوجيا، ومن المستحيل حساب إجمالي الأسطح للطاقة المحتملة وإعطاء حلول دقيقة للديناميكيات الكمومية للنواة لهذه الجزيئات، لذلك فهي مناسبة لتطوير نماذج من الديناميات الجزيئية الداخلية، ويجب أن تكون هذه النماذج بسيطة من أجل السماح بحل عددي معقول، ولكن في نفس الوقت تم تطويره بما يكفي لتعكس الجوانب الرئيسية للتحولات الكيميائية الحيوية .
التفاعلات الرئيسية التي تحدث في جسم الإنسان
واحدة من التفاعلات الكيميائية الرئيسية التي تحدث في جسم الإنسان وتدعم النشاط الحياتي هي الأيض، وهو تفاعل ينفذه الإنزيمات، والانزيمات عبارة عن محفزات كيميائية حيوية، وهناك حاجة إليها من قبل الجسم لنشاط الحياة الطبيعية، ولا يوجد تفاعل كيميائي في كائن حي يحدث بدون إنزيمات، والأيض في جسم الإنسان يحدث مع التوازن الحمضي القلوي، ولكن هذا التوازن ليس محايدا كيميائيا، فهو قلوي قليلا، ويحتوي الجسم على العديد من المناطق المحلية حيث يسود الحمض، وعلى سبيل المثال ” الجهاز الهضمي ” من الفم إلى المستقيم، إما أن يكون القلوية أو الوسط الحمضي هو الغالب بدوره في الجهاز الهضمي، وإذا كان اللعاب حامضا أو محايدا قليلا، يكون عصير المعدة حامضيا، وإذا كانت الوسيلة القلوية هي السائدة في العصارة الصفراوية والبنكرياس، فإن العصير في الأمعاء الدقيقة يكون قلويا أيضا، في حين يلاحظ وجود توازن محايد في الأمعاء الغليظة طالما أن الشخص يأكل بشكل صحيح .
تجارب التفاعلات الكيميائية
1- الامتزاز الكيميائي، وهذه الظاهرة الفيزيائية والكيميائية مألوفة للجميع، ولكن لا يعرف الجميع اسمها الصحيح، وتلعب ظاهرة الامتزاز دورا مهما في نشاط حياة جميع الحيوانات، وهي تحدث على سطح الخلايا في الجسم وجدران الأوعية، والجزيئات الغروية من البروتوبلازما، ونوى الخلية والفراغات وكذلك على أسطح التقسيم بين الكائن الحي والبيئة، مثال على عمليات الامتصاص في جسم الإنسان هي قدرات امتصاص كريات الدم الحمراء، ويمكن بسهولة إعادة ظاهرة ظاهرة الامتزاز في تجربة عملية ستحتاج إلى حل حبر ضعيف وفحم نشط مطحون، واسكب محلول الحبر في دورق ثم أضف الفحم، وضع الفلين في الدورق وقم به، وسيصبح محلول الحبر أخف بكثير في اللون، ويمكنك أيضا استخدام محلول الغواش أو الطلاء المائي والنتيجة لن تكون مختلفة، وإذا استبدلت الفحم النشط بالفحم الخشبي فستكون عملية الامتزاز أضعف بكثير، ويحتوي الفحم النشط على سطح كبير ومسام، مما يزيد من خصائصه في الامتزاز، ويأخذ الممتزات في المواد من المحاليل وغيرها من المواد .
2- تفاعل كيميائي محفز، لا يمكن إجراء أي عملية بيولوجية تتضمن الكائنات الحية دون تفاعلات المحفز، وأمثلة على العمليات الحيوية هي تخليق بروتينات الأحماض الأمينية الخاصة بالكائن الحي، وانقسام الدهون والبروتينات والكربوهيدرات، والمحفز هو مادة كيميائية يمكن أن تغير سرعة التفاعل، ولكنها لا تشارك في نفسها، وعندما يساعد المحفز في تسريع العملية يكون هذا حافزا إيجابيا، وإذا كان المحفز يبطئ من سرعة رد الفعل فهو مثبط، وتعمل العديد من المواد من الجدول الدوري للعناصر ومركباتها منديلف كمحفزات، ومن بين أكثر المعجلات شيوعا البلاتين والحديد والنيكل والكوبالت وأكاسيد المنجنيز والألوميليكات .
التحفيز المتجانس
تتضمن آلية الحفز في التفاعل مع الأحماض والقواعد تبادل الأيونات الموجبة (البروتونات) بين المواد المتفاعلة والمحفز، وفي الوقت نفسه، وتحدث التحولات بين الجزيئات، وردود الفعل التالية تندرج في هذه الفئة :
1- الجفاف (فصل الماء) .
2- الأثير (تشكيل الأثير المركب من الكحول والأحماض الكربونية) .
3- الترطيب (ربط جزيئات الماء) .
4- تكثيف (تشكيل البوليمر مع الجفاف) .
مبادئ تنظيم مسارات التمثيل الغذائي والتركيب الكيميائي للبوليمر
تشرح نظرية الحفز التحولات الفرعية المحتملة، وفي حالة التحفيز غير المتجانس، يشكل مسرع العملية مرحلة مستقلة، والعديد من المراكز على سطح المواد المتفاعلة لها خصائص محفز أو يكون السطح بأكمله متورط، وعادة ما يتم تحديد التفاعلات التنظيمية للمسارات الأيضية في مكان ما بالقرب من بداية المسار المحدد، وغالبا ما تكون أول رد فعل لا رجعة فيه، والسبب في ذلك هو الميل إلى الحد من هدر الموارد والإنتاج غير الضروري للوسائط، وهذا سيحدث ، عندما لا يتم إيقاف المسار في البداية ولكن بعد عدة خطوات، ويستند تنظيم مسارات التمثيل الغذائي كما هو الحال بالنسبة للعمليات الأخرى المنظمة داخل الجسم، إلى مبدأ التغذية المرتدة، وتؤثر الوسطيات أو المنتجات النهائية للتفاعلات على مسار التفاعل .
ردود فعل سلبية وايجابية للتمثيل الغذائي
يؤدي الانحراف عن قيمة معينة (نقطة محددة) إلى سلسلة من ردود الفعل، والتي تعيد النظام إلى حالته السابقة، وبالتالي فإن التغذية المرتدة السلبية هي مصدر الاستقرار (من خلال إعادة النظام باستمرار إلى النقطة المحددة)، وهي الآلية التنظيمية الأساسية في جميع عمليات التمثيل الغذائي تقريبا، بينما يؤدي الانحراف عن قيمة النقطة المحددة في هذه الحالة إلى سلسلة من ردود الفعل التي تزيد من تعميق الانحراف، والنظام في خطر من إنشاء دائرة مفرغة، حيث تسرع كل زيادة أخرى في الانحراف العملية بأكملها، حتى يصل عدم استقرار النظام إلى النقطة التي ينهار فيها .
الفرق بين التفاعلات الكميائية والتفاعلات العادية
الفعالية في التفاعلات الكميائية تكون عالية وتعقيد الآليات غالبا ما تؤدي بيئة البروتين إلى تحول محدد وسريع للمجموعات الوظيفية، مقارنة بالجزيئات في التفاعلات العادية بسبب الحجم الكبير للجزيئات النشطة بيولوجيا، ومن المستحيل حساب إجمالي الأسطح للطاقة المحتملة وإعطاء حلول دقيقة للديناميكيات الكمومية للنواة لهذه الجزيئات، لذلك فهي مناسبة لتطوير نماذج من الديناميات الجزيئية الداخلية، ويجب أن تكون هذه النماذج بسيطة من أجل السماح بحل عددي معقول، ولكن في نفس الوقت تم تطويره بما يكفي لتعكس الجوانب الرئيسية للتحولات الكيميائية الحيوية .
التفاعلات الرئيسية التي تحدث في جسم الإنسان
واحدة من التفاعلات الكيميائية الرئيسية التي تحدث في جسم الإنسان وتدعم النشاط الحياتي هي الأيض، وهو تفاعل ينفذه الإنزيمات، والانزيمات عبارة عن محفزات كيميائية حيوية، وهناك حاجة إليها من قبل الجسم لنشاط الحياة الطبيعية، ولا يوجد تفاعل كيميائي في كائن حي يحدث بدون إنزيمات، والأيض في جسم الإنسان يحدث مع التوازن الحمضي القلوي، ولكن هذا التوازن ليس محايدا كيميائيا، فهو قلوي قليلا، ويحتوي الجسم على العديد من المناطق المحلية حيث يسود الحمض، وعلى سبيل المثال ” الجهاز الهضمي ” من الفم إلى المستقيم، إما أن يكون القلوية أو الوسط الحمضي هو الغالب بدوره في الجهاز الهضمي، وإذا كان اللعاب حامضا أو محايدا قليلا، يكون عصير المعدة حامضيا، وإذا كانت الوسيلة القلوية هي السائدة في العصارة الصفراوية والبنكرياس، فإن العصير في الأمعاء الدقيقة يكون قلويا أيضا، في حين يلاحظ وجود توازن محايد في الأمعاء الغليظة طالما أن الشخص يأكل بشكل صحيح .
تجارب التفاعلات الكيميائية
1- الامتزاز الكيميائي، وهذه الظاهرة الفيزيائية والكيميائية مألوفة للجميع، ولكن لا يعرف الجميع اسمها الصحيح، وتلعب ظاهرة الامتزاز دورا مهما في نشاط حياة جميع الحيوانات، وهي تحدث على سطح الخلايا في الجسم وجدران الأوعية، والجزيئات الغروية من البروتوبلازما، ونوى الخلية والفراغات وكذلك على أسطح التقسيم بين الكائن الحي والبيئة، مثال على عمليات الامتصاص في جسم الإنسان هي قدرات امتصاص كريات الدم الحمراء، ويمكن بسهولة إعادة ظاهرة ظاهرة الامتزاز في تجربة عملية ستحتاج إلى حل حبر ضعيف وفحم نشط مطحون، واسكب محلول الحبر في دورق ثم أضف الفحم، وضع الفلين في الدورق وقم به، وسيصبح محلول الحبر أخف بكثير في اللون، ويمكنك أيضا استخدام محلول الغواش أو الطلاء المائي والنتيجة لن تكون مختلفة، وإذا استبدلت الفحم النشط بالفحم الخشبي فستكون عملية الامتزاز أضعف بكثير، ويحتوي الفحم النشط على سطح كبير ومسام، مما يزيد من خصائصه في الامتزاز، ويأخذ الممتزات في المواد من المحاليل وغيرها من المواد .
2- تفاعل كيميائي محفز، لا يمكن إجراء أي عملية بيولوجية تتضمن الكائنات الحية دون تفاعلات المحفز، وأمثلة على العمليات الحيوية هي تخليق بروتينات الأحماض الأمينية الخاصة بالكائن الحي، وانقسام الدهون والبروتينات والكربوهيدرات، والمحفز هو مادة كيميائية يمكن أن تغير سرعة التفاعل، ولكنها لا تشارك في نفسها، وعندما يساعد المحفز في تسريع العملية يكون هذا حافزا إيجابيا، وإذا كان المحفز يبطئ من سرعة رد الفعل فهو مثبط، وتعمل العديد من المواد من الجدول الدوري للعناصر ومركباتها منديلف كمحفزات، ومن بين أكثر المعجلات شيوعا البلاتين والحديد والنيكل والكوبالت وأكاسيد المنجنيز والألوميليكات .
التحفيز المتجانس
تتضمن آلية الحفز في التفاعل مع الأحماض والقواعد تبادل الأيونات الموجبة (البروتونات) بين المواد المتفاعلة والمحفز، وفي الوقت نفسه، وتحدث التحولات بين الجزيئات، وردود الفعل التالية تندرج في هذه الفئة :
1- الجفاف (فصل الماء) .
2- الأثير (تشكيل الأثير المركب من الكحول والأحماض الكربونية) .
3- الترطيب (ربط جزيئات الماء) .
4- تكثيف (تشكيل البوليمر مع الجفاف) .
مبادئ تنظيم مسارات التمثيل الغذائي والتركيب الكيميائي للبوليمر
تشرح نظرية الحفز التحولات الفرعية المحتملة، وفي حالة التحفيز غير المتجانس، يشكل مسرع العملية مرحلة مستقلة، والعديد من المراكز على سطح المواد المتفاعلة لها خصائص محفز أو يكون السطح بأكمله متورط، وعادة ما يتم تحديد التفاعلات التنظيمية للمسارات الأيضية في مكان ما بالقرب من بداية المسار المحدد، وغالبا ما تكون أول رد فعل لا رجعة فيه، والسبب في ذلك هو الميل إلى الحد من هدر الموارد والإنتاج غير الضروري للوسائط، وهذا سيحدث ، عندما لا يتم إيقاف المسار في البداية ولكن بعد عدة خطوات، ويستند تنظيم مسارات التمثيل الغذائي كما هو الحال بالنسبة للعمليات الأخرى المنظمة داخل الجسم، إلى مبدأ التغذية المرتدة، وتؤثر الوسطيات أو المنتجات النهائية للتفاعلات على مسار التفاعل .
ردود فعل سلبية وايجابية للتمثيل الغذائي
يؤدي الانحراف عن قيمة معينة (نقطة محددة) إلى سلسلة من ردود الفعل، والتي تعيد النظام إلى حالته السابقة، وبالتالي فإن التغذية المرتدة السلبية هي مصدر الاستقرار (من خلال إعادة النظام باستمرار إلى النقطة المحددة)، وهي الآلية التنظيمية الأساسية في جميع عمليات التمثيل الغذائي تقريبا، بينما يؤدي الانحراف عن قيمة النقطة المحددة في هذه الحالة إلى سلسلة من ردود الفعل التي تزيد من تعميق الانحراف، والنظام في خطر من إنشاء دائرة مفرغة، حيث تسرع كل زيادة أخرى في الانحراف العملية بأكملها، حتى يصل عدم استقرار النظام إلى النقطة التي ينهار فيها .
