تحولات الحيوية للطاقة Bioenergetics

التفاعلات الحيوية للخلايا الحية التي يمكن أن تقسم إلى قسمين تفاعلات منتجة للطاقة والأخرى المستهلكة للطاقة، وتشمل تفاعلات أكسدة واختزال وما يرافقها من الطاقة الحرة، وتشمل أيضاً التفاعلات التي تستعمل الطاقة الضوئية باختلاف معطياتها من الإلكترونات أو مستلماتها، وكذلك تشمل التفاعلات اللاضوئية.

والعمليات المولدة للطاقة (الهادمة لمواد الأساس) تتمثل بأكثرها كفاءة وهو التنفس الهوائي يليه التنفس اللاهوائي ثم التخمر الذي ينتج أقل كمية من الطاقة، واثناء هذه العلميات يكون الحصول على مركب الطاقة أو عملة الطاقة المتداولة في الأنظمة الحيوية مركب ATP) Adenosine Triphosphate ) ،وينتج مركب ATP بطرق مختلفة اعتماداً على عملية التأيض، ففي حالة التخمر وتحت الظروف اللاهوائية فإنه ينتج في سايتوبلازم الخلية بطريقة الفسفرة بمواد الأساس Substrate Level Phosphorylation لمركب يسبقه هوADP) Adenosine Diphosphate) حيث تضاف مجموعة فوسفات ثالثة إلى المركب وتربط بآصرة ذات طاقة عالية يمكن أن تستعمل عند الحاجة، أما في حالة التنفس الهوائي أو اللاهوائي فتكون عملية انتاجه عبر الأغشية الخلوية وبمشاركة مكونات السلاسل التنفسية.
وأكثر النظريات قبولاً لتفسير عملية تخليق ATP عبر الأغشية هي نظرية الضخ الكيماوي Chemiosmotic Hypothesis أو ما تسمى بالفسفرة التأكسدية Oxidative Phosphorylation والتركيب الأساس في العملية هو نظام ATP Phosphohydrolase الذي يتكون من عدة وحدات كما موضح في الشكل الآتي :

والجزء الذي يقوم بتحليل ATP إلى فوسفات وADP يعرف ب ATPase والنظام المذكور يستفاد من البروتونات (الناتجة من عمليات تحليل المواد) التي تضخ إلى خارج الخلايا عبر الأغشية الخلوية عند مناطق أو مركبات خاصة من مكونات السلسلة التنفسية مثل بعض السايتوكرومات ثم إعادة إدخالها إلى داخل الخلية كما موضح في الشكل الآتي :

إن سحب البروتونات إلى الداخل يؤدي إلى إنتاج الطاقة التي تستعمل في إنتاج ATP الذي يعتمد على فرق الجهد الكهربائي عبر الأغشية الخلوية وكذلك الفرق في الأرقام الهيدروجينية وفق المعادلة :

ΔP=الطاقة وتسمى قوة البروتون الدافعة (Proton Motive Force (pmf
 ΔΨ = فرق الجهد الكهربائي عبر الأغشية الخلوية.

R=   ثابت الغاز ( 0.082 لتر. جو / مول. درجة حرارة مطلقة).
T= درجة الحرارة المطلقة (كالفن) .
F =  ثابت فراداي.

 وقد وجد أن قيمة Z بدرجة حرارة 20م تساوي 60 وهو عامل يستعمل لتحويل الفرق في درجات الحموضة إلى قوة البروتون الدافعة (pmf) .
وتستهلك الطاقة الناتجة من عمليات توليد الطاقة والتي تكون بمثابة عمليات هدمية منتجة للطاقة في عمليات البناء المستهلكة للطاقة، ويمكن أن تستهلك عمليات البناء المختلفة الطاقة بشكل ATP في تخليق وتجميع الوحدات البنائية الصغيرة مثل الحوامض الأمينية والحوامض الدهنية والعضوية وغيرها لبناء الجزيئات الأكبر مثل البروتينات والدهون والحوامض النووية والتراكيب الخلوية الأخرى.
ومن الجدير بالذكر أنه في الأحياء بدائية النواة مثل البكتريا وغيرها يكون مركز تخليق ATP هو الأغشية الخلوية في حين في الخلايا الأكثر تعقيداً مثل الخلايا حقيقية النواة تكون المراكز هي المايتوكوندريا وعبر أغشيتها تنتج جزيئات ATP ويمكن اجمال العملية بالشكل الاتي :