الأكسدة البيولوجية Biological oxidation

الأكسدة البيولوجية

الأكسدة البيولوجية Biological oxidation كيميائياً الأكسدة هي فقدان أوكسجين أو سحب الألكترونات بينما الأختزال هو اكتساب تلك الألكترونات المفقودة وهما عمليتان تحدثان في آن واحد. وكما تعرف الأكسدة بايلوجياً بأنها الأكسدة التي تحدث داخل الجسم حيث يتم الأختزال لمستقبل الألكترونات ولا تتم باستخدام الأكسجين الجزيئي، ومن الأمثلة عليها ديهيدروجينيشن (dehydrogenation) وتحدث مثلاً في داخل الجسم عند التنفس كما سنلاحظ لاحقاً حيث يستهلك الأكسجين ويستخدم لتحرير الطاقة على شكل (ATP) عن طريق سلسلة من التفاعلات يتم فيها اتحاد الأوكسجين مع الهيدروجين لأنتاج الماء، كما ان الأوكسجين الجزيئي يتحد مع العديد من المواد الأساسية عن طريق عدد من الأنزيمات والتي تدعى بالأوكسجينيشن (oxygenation)، اما نظام السايتوفروم P450 فهو سلسلة من الأنزيمات التي تقوم بعمل الأكسدة للعديد من الأدوية والمواد المسرطنة والملوثات الكيميائية أثناء عملية الأيض، أو لكي يحافض الأشخاص على الجهاز التنفسي الضمور لابد من استنشاق كميات كافية من الأوكسجين.

انزيمات الأكسدة البيولوجية

أنزيم الأوكسدييز : يقوم هذا الأنزيم بالمساعدة في إزالة الهيدروجين من مواد أساسية، يستخدم الأوكسجين لأستقبال الهيدروجين لتكوين الماء او بيروكسيد الهيدروجين كناتج للتفاعل كما في الخطوات التالية :

علما ان AH و AH2 تمثل مواد ايضية ومن انواعها السايتوكورم (a) والفلافوبروميشن الذي يحتوي على الفلامنين احادي النيوكليوتيد (FMN) و الفلامنين الثنائي (FDN) كمجاميع بديلة. ومن الأمثلة على هذا النوع من الأنزيمات هو نوع (L-amino acid oxidease) حيث يقوم (FMN) بالأرتباط مع الأنزيم الموجود في الكلى وذلك لحدوث الأكسدة ولنزع الأمين (Oxidative deamination)  للحوامض الأمينية الموجودة طبيعياً في الجسم.

ويمكن التعرف على مثال اخر لهذا النوع من الأنزيمات وهو أنزيم الألديهايد ديهايدروجينيز، حيث (FAD)  يرتبط بانزيم كبد معظم اللبائن والتي تحتوي على الحديد Fe والمولوبيدينيوم Mo والشكل ادناه يوضح مقترح لخطوتي الأكسدة والأختزال لحلقة الأيزوالدكسازين في نيوكليوتيد الفلافين عبر الجذر الحر كحالة وسطية (المركز) :

أنزيم البيروكسديز: (peroxidases)  وهو الأنزيم الموجود في الحليب وكريات البيض والصفائح الدموية وانسجة أخرى وان المجموعة البديلة هي الهيم البروتيني، ففي التفاعلات المحفزة عن طريق هذا الأنزيم تختزل الهيدروجين بيروكسيد H₂O₂ من بين عدد من المواد والتي تتفاعل كمستقبلات مثل الأسكوربيت / الكوينوس و السايتوفروم ويمكن التعبير عن تفاعل هذه الأنزيمات بالمعادلة التالية :

فمثلاً في بعض الأنسجة أنزيم كلوتاثيون بيروكسيديز يتضمن عنصر السلينيوم (Se) كمجموعة بديلة يساعد في تكسير H₂O₂ وهيدروكسيديشن الدهون خلال تحويل الشكل المختزل للكلوتاثيون إلى الشكل المؤكسد ويساعد في حماية دهون الغشاء والهيموكلوبين عند الأكسدة بواسطة البيروكسيديز وكما في المخطط ادناه:

أكسدة الدهون في اللحوم

من المعروف أن الدهون تتأكسد بواسطة الأكسجين حيث تتم هذه العملية بثلاثة ميكانيكيات وهي (أوتو اكيسيديشن الأكسدة المحفزة أنزيمياً، الأكسدة البيولوجية، الأكسدة الضوئية) فإما الأوتواكسديشن فهي التي تحدث بالميكانيكية الخاصة. بالجذور الحرة ذات التفاعل المتسلسل المستمر وهي الأهم في أكسدة الدهون في اللحوم، حيث يتضح من خلال هذه الميكانيكية التغيرات التي تحدث على اللحوم وتتم هذه الميكانيكية بثلاث خطوات وهي خطوة البدء وخطوة النمو ثم خطوة الأنتهاء، أما خطوة البدء فتحدث عندما يتحول الأكسجين الجزيئي في الحالة (Triple state) إلى الحالة (single state) لكي يتم التداخل مع الحوامض الدهنية التي تكون في الحالة (single state) اي لكي يتم تداخل العزوم (16,14) وتحدث هذه العملية عن طريق تحويل الأكسجين الجزيئي إلى الأكسجين (single state) (¹O₂) أو بتحويله إلى جزيئة أوكسجين فعالة كما في مركب هيدروجيني بيروكسايد (H₂O₂) أو كما في الأيون السالب (O^2-) وكذلك في هيدوكسيل الجذر الحر (OH) كما في المخطط أدناه :

حيث يعتبر جذر الألكيل هوا أول جذر ألكيل يبدء عملية أكسدة الدهون ثم تكوين الروابط المزدوجة المتعاقبة الطور ثم تكوين متتابع للهيدوبيروكسايد في طور النمو:

ينتج عن هذا بداية ثانية حيق تم تداخل الدهن مع الدهن (lipid-lipid interaction) وتتم من خلال تفكك البيروكسيد لتكوين كل من هايدروكسي، بيروكسي، الكوكسي كجذور حرة جديدة وهي شديدة الفعالية وتستطيع سحب ذرة هيدروجين من الحامض الدهني غير المشبع لذلك هي تميل كبادئ الأوتواكسديشن وتحفز أكسدة الدهون كما في الشكل ادناه:

وفي طور النمو يتحد الجذر الحر الألكيلي مع الأوكسجين الجزيئي ليتكون جذر البيروكسي والذي يكون عالي الفعالية فيسحب هيدروجين من الدهون المجاورة (نقل ذرة) و ينتج عنها هيدروبيروكسيد والألكيل الجذر الحر ويتحد الأخير من جديد مع الأوكسجين الجزيئي لتكوين بيروكسي كجذر حر جديد وهكذا تعاد العملية من جديد.

مبدأ الأكسدة

تتضمن عمليات الأكسدة الاكثر تعقيداً خطوات متعددة مثل أكسدة الجلوكوز (C₆H₁₂O₆) وهي عملية تحديث في جسم الإنسان من خلال سلسلة معقدة من عمليات نقل الإلكترونات :

نلاحظ أن بعد الأكسدة، تتغير خصائص الذرة أو المركب، مثال بسيط على هذه الظاهرة هو أكسدة الحديد، ففي ظل الظروف غير المؤكسدة يظل الحديد قوياً من الناحية الهيكلية، أما بعد الأكسدة يتحول الحديد إلى مسحوق أحمر هش، فأثناء الأكسدة يفقد الحديد ثلاثة إلكترونات فتصبح شحنتة موجبة 3+.

الأستفادة من عملية الأكسدة

غالباً مانستخدم هذه التفاعلات في العمليات الصناعية والمعدنية، على سبيل المثال، لتنقية المعادن بهدف الحصول على عناصر معدنية نقية مثل الحديد أو الألمنيوم، او في حرق المواد العضوية، كما هو الحال في محطات توليد الطاقة.

انحلال الجلوكوز الوسيطة و الـ ATP, ADP

يلاحظ أن الطور الأول لعملية انحلال الجلوكوز ينتج عنه انشطار سلسلة السكريات السداسية، أما الطور الثاني من انحلال الجلوكوز فهو لحفظ الطاقة، كما أن السكريات الثنائية بشكلها الاعتيادي لايمكنها ان تدخل دورة انحلال الجلوكوز.

دورة حامض الستريك (دورة كريبس-دورة التنفس الهوائية)

دووة كريبس هي المرحلة الثانية من دورة تسبقها وهي Glycolysis والتلي تبدأ بسكر الجلوكوز وتنتهي بحامض البيروفيك، ومن المعروف ان دورة انحلال سكر الجلوكوز تتم لاهوائياً، لأنها لاتحتاج لوجود الأوكسجين وتتم في السايتوبلازم الخاص بالخلية ولاتتم في المايتوكوندريا (بيوت الطاقة) والتي يوجد بها الأوكسجين وتتم فيها دورة كريبس، بينما دورة كريبس تحتاج الأوكسجين وتتم في المايتوكوندريا ويعتبر تحلل الجلوكوز هو مصدر الطاقة الأولية لمعظم الكائنات الحية.

وعن طريق دورة كريبس ونظام نقل الإلكترون تتم أكسدة البيروفات أكسدة تامه إلى CO₂, H₂O اي ان الأكسدة التامة لجزيء الجلوكوز تحدث من خلال مسلك الانحلال الجيليكولي ودورة كريبس ونظام نقل الإلكترون.

وتفاعلات دورة كريبس ونظام نقل الألكترون يحتاج إلى توفر الأكسجين وتحدث هذه التفاعلات في المايتوكوندريا ونحصل من خلالها على 38 جزيء ATP لذلك فأن دورة كريبس تكون فعالة جداً في تحرير الطاقة بالمقارنة بالأنحلال الجليكولي أو التخمر.

·         تساهم دورة كريبس في إنتاج الطاقة اللازمة لعمليات البناء المختلفة.

·         المساهمة في بناء الأحماض الأَمينية مثلاً يتكون حامض الجلوتاميك من الفايتوجلوتاريك والأسبارتيك من الأوكسالو خليك.

·         حامض الفيوماريك يدخل في التحولات الغذائية للنتروجين.

نقل الألكترونات والفسفرة التأكسدية وتنظيم إنتاج  ATP

تعتبر عملية نقل الألكترونات والفسفرة هي ذروة الأحداث في تنفس الخلية، حيث تلتغي مل الخطوات الأنزيمية في التجزئة التأكسدية للكربوهيدرات والشحوم والأحماض الأمينية في الخلايا ذات التنفس الهوائي، وفي مرحلة نهائية من تنفس الخلية التي تجري فيها الألكترونات من المواد العضوية إلى الأكسجين فتنتج الطاقة لتوليد (ATP) من (ADP) والفوسفات.

المصادر

1.      مروان زكريا، فوزي، ديف. الكيمياء العضوية العملية ، دار الطبع والنشر جامعة الموصل، 1981، ص230.

2.     الكيمياء العضوية الحديثة . د عادل جرار  ، الطبعة الأولى (2002) / دار أويا للطباعة والنشر والتوزيع ـ طرابلس ـ الجماهيرية العظمى .

3.     الكيمياء العامة . فريدريك لونجو . مترجم . منشورات الأردن . (1981) / مجمع اللغة العربي الأردني .

4.     Janic Gorzynski smith. Organic chemistry. 3rd ed. Mc GRAW. HELL. 2011.

5.     Biochemistry, 2015.8thed.Mc Graw، Robert K. Murras, et al.

6.     Organic Chemistry / G. Patrick. (Second edition), 2004, BIOS Scientific, UK.

7.      Organic Chemistry / G. Marc Loudon. (Fourth edition), 2002, Oxford University Press, Inc. USA

8.     Stereochemistry / David G. Morris, 2001, Royal Society of Chemistry, UK.

9.     Organic Chemistry / Philip S. Bailey, Christina A. Bailey. (Sixth edition), 2000, Prentice-Hall, Inc. New Jersey.