طاقة حيوية (كيمياء)

الطاقة الحيوية هو حقل في الكيمياء الحيوية وبيولوجيا الخلية التي تهتم بدراسة  تدفق الطاقة من خلال الأنظمة الحية. هذه هي منطقة بحث نشطة للبحوث البيولوجية التي تضم دراسة تحويل الطاقة في الكائنات الحية، ودراسة الآلاف من مختلف العمليات الخلوية  مثل عمليات التنفس الخلوي وغيرها الكثير من عمليات التمثيل الغذائي و العمليات الأنزيمية  التي تؤدي إلى إنتاج واستخدام الطاقة في أشكال مثل جزيئات ادينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP). وهذا هو هدف الطاقة الحيوية هو وصف كيفية اكتساب الكائنات الحية للطاقة وتحويلها من أجل أداء العمل البيولوجي. تعتبر دراسة المسارات الأيضية أمرًا أساسيًا في علم الطاقة الحيوية.

نظرة عامة

الطاقة الحيوية هي جزء من الكيمياء الحيوية التي تهتم  بالطاقة المستخدمة في صنع وكسر الروابط الكيميائية في الجزيئات الموجودة في الكائنات الحية. ويمكن تعريفه أيضًا على أنه دراسة علاقات الطاقة وتحولات الطاقة وعمليات التحويل في الكائنات الحية. القدرة على تسخير الطاقة من مجموعة متنوعة من المسارات الأيضية هي خاصية جميع الكائنات الحية. النمو، التطور، البناء و الهدم هي بعض العمليات المركزية في دراسة الكائنات البيولوجية، لأن دور الطاقة أمر أساسي لمثل هذه العمليات البيولوجية. الحياة تعتمد على تحولات الطاقة. الكائنات الحية تبقى على قيد الحياة بسبب تبادل الطاقة بين الأنسجة الحية / الخلايا والبيئة الخارجية. يمكن لبعض الكائنات الحية، مثل الكائنات ذاتية التغذية، الحصول على الطاقة من ضوء الشمس (من خلال عملية التمثيل الضوئي) دون الحاجة إلى استهلاك العناصر الغذائية وتكسيرها. الكائنات الحية الأخرى، مثل الكائنات غير ذاتية التغذية، يجب أن تحصل على المواد الغذائية من الطعام لتكون قادرة على الحفاظ على الطاقة عن طريق تحطيم الروابط الكيميائية في المواد الغذائية خلال عمليات التمثيل الغذائي مثل التحلل الجلايكولي ودورة حمض الستريك. الأهم من ذلك، كنتيجة مباشرة للقانون الأول للديناميكا الحرارية تشارك الكائنات الذاتية وغير الذاتية في شبكة الأيض العالمية - من خلال تناول ذاتية التغذية (النباتات)، وتستغل غير ذاتية التغذية الطاقة التي تم تحويلها من قبل النباتات في البداية أثناء عملية التمثيل الضوئي.
في الكائنات الحية، يتم تكسير الروابط الكيميائية وتصنيعها كجزء من تبادل الطاقة وتحويلها. الطاقة متاحة للعمل (مثل العمل الميكانيكي) أو لعمليات أخرى (مثل التركيب الكيميائي والعمليات البنائية في النمو)، ويحدث ذلك عندما يتم كسر الروابط الضعيفة ويتم إنتاج روابط أقوى. يتيح إنتاج روابط أقوى إطلاق الطاقة القابلة للاستخدام.
الأدينوسين ثلاثي الفوسفات ( ATP ) هو "شكل الطاقة" الرئيس للكائنات الحية. الهدف من العمليات الأيضية و التقويضية هو تجميع ATP من المواد الأولية المتاحة (من البيئة)، و تحطيم ATP إلى( ADP )  و (فوسفات غير عضوي)  من خلال استخدامه في العمليات البيولوجية.  في الخلية، تُعرف نسبة تراكيز ATP إلى ADP بـ " شحنة الطاقة " للخلية. يمكن للخلية استخدام هذه الطاقة لتوصيل المعلومات حول الاحتياجات الخلوية؛ إذا كان هناك ATP أكثر من   ADP المتاحة، يمكن للخلية استخدام ATP للقيام بالعمل، ولكن إذا كان هناك ADP أكثر من ATP المتاحة، يجب على الخلية تجميع ATP عن طريق الفسفرة التأكسدية.
الكائنات الحية تنتج ATP من مصادر الطاقة عن طريق الفسفرة التأكسدية. روابط الفوسفات الطرفية من ATP ضعيفة نسبيًا بالمقارنة مع الروابط القوية التي تكونت عند تحلل ATP (مقسمًا بالماء) إلى ADP والفوسفات غير العضوي. هنا توجد الطاقة المجانية المصاحبة للديناميكية الحرارية للتحلل المائي والتي تؤدي إلى إطلاق الطاقة. إن رابطة الفوسفوهيدريد بين مجموعة فوسفات الطرفية وباقي جزيء ATP لا تحتوي في حد ذاتها على هذه الطاقة. يتم استخدام المخزون الحي من ATP كبطارية لتخزين الطاقة في الخلايا. استخدام الطاقة الكيميائية من إعادة ترتيب الجزيء يقوي العمليات البيولوجية في كل كائن حيوي.
الكائنات الحية تحصل على الطاقة من المواد العضوية وغير العضوية، أي يمكن تصنيع ATP من مجموعة متنوعة من السلائف الكيميائية الحيوية. على سبيل المثال: يمكن أن تتأكسد الليتوتروفثات (جمادي التغذية) مع المعادن مثل النترات أو أشكال الكبريت، مثل الكبريت الأولي، والكبريتات، وكبريتيد الهيدروجين لإنتاج ATP. في عملية التمثيل الضوئي، الكائنات ذاتية التغذية تنتج ATP باستخدام الطاقة الضوئية، في حين الكائنات غير ذاتية التغذية يجب أن تستهلك المركبات العضوية، معظمها تتكون من الكربوهيدرات، الدهون، أو البروتينات. كمية الطاقة التي يحصل عليها الكائن الحي بالفعل أقل من  الكمية الموجودة في الطعام؛ لان هناك خسائر في الهضم، والتمثيل الغذائي، وتوليد الحرارة.
بشكل عام يتم دمج المواد العضوية التي يستهلكها كائن حي مع الأكسجين من أجل إطلاق الطاقة، على الرغم من أن بعضها يمكن أن يتأكسد أيضًا من خلال لكائنات حية مختلفة. إن الروابط التي تربط جزيئات المغذيات معاً وعلى الأخص الروابط التي تربط جزيئات الأكسجين الحر هي ضعيفة نسبياً مقارنة بالروابط الكيميائية التي تربط ثاني أكسيد الكربون والماء معاً. استخدام هذه المواد هو شكل من أشكال الاحتراق البطيء لأن المواد الغذائية تتفاعل مع الأكسجين (المواد تتأكسد ببطء مما يعني أن الكائنات لا تنتج النار في الواقع). تقوم الأكسدة بنشر الطاقة؛ لأن الروابط القوية (الروابط داخل المياه وثاني أكسيد الكربون) تكون قد تشكلت. قد تتطور هذه الطاقة الصافية كحرارة، والتي يمكن أن يستخدمها الكائن في أغراض أخرى، مثل كسر الروابط الأخرى للقيام بالعمليات الكيمياء اللازمة للبقاء.

النقل المساعد

في آب / أغسطس 1960، قدم روبرت كرين ( Robert K. Crane) للمرة الأولى اكتشافه للنقل المساعد للصوديوم كآلية لامتصاص الجلوكوز في الأمعاء.. كان اكتشاف كرين للنقل المساعد  أول اقتراح على الإطلاق لربط التدفق في علم الأحياء وكان الحدث الأهم فيما يتعلق بامتصاص الكربوهيدرات في القرن العشرين.

نظرية كيميائية

واحدة من الانتصارات الكبرى عن الطاقة الحيوية هي نظرية بيتر ميتشل (بيتر ميتشل) ( تناضح كيميائي) عن كيفية عمل البروتونات في المحلول المائي لإنتاج ATP في عضيات الخلية مثل الميتوكوندريا. حصل ميتشل على جائزة نوبل في الكيمياء لعام 1978. بفضل هذا العمل  تم فهم مصادر ATP الأخرى في الخلية مثل تحلل السكر، لكن مثل هذه العمليات للربط المباشر لنشاط الإنزيم مع إنتاج ATP ليست المصدر الرئيسي للطاقة الكيميائية المفيدة في معظم الخلايا. اقتران التناضح الكيميائي هو عملية إنتاج الطاقة الرئيسية في معظم الخلايا، ويجري استخدامها في البلاستيدات الخضراء والعديد من الكائنات الحية أحادية الخلية بالإضافة إلى الميتوكوندريا.

توازن الطاقة

توازن الطاقة: هو التحكم  في توازن الطاقة  - الفرق بين الطاقة التي يتم الحصول عليها من خلال استهلاك الغذاء ونفقات الطاقة - في الأنظمة الحية.