تويت
تعرف المركبات الكيميائية للكائنات الحية ب المركبات العضوية ؛ لأنها مرتبطة بالمتعضيات وتحتوي الكربون في تركيبها، وهي من مواضيع الكيمياء العضوية. ومن بين الأنواع العديدة للمركبات العضوية، هناك أربعة أقسام رئيسية في كل الكائنات الحية: السكريات ، الليبيدات ، البروتينات ، و الحموض النووية.
السكريات
تستخدم كل المتعضيات تقريبًا السكريات كمصدر للطاقة، بالإضافة إلى ذلك، تعمل بعض السكريات كمواد بنائية. السكريات جزيئات مكونة من الكربون والهيدروجين والأكسجين، نسبة ذرات الهيدروجين إلى الأكسجين والكربون فيها 2:1. السكريات البسيطة، تُدعى عادةً بـالسكاكر، قد تكون أحادية السكاريد إذا كانت مؤلفة من جزيئة مفردة، أو ثنائية السكاريد إذا كانت مؤلفة من جزيئتين. يعتبر الغلوكوز أحادي السكاريد الأهم، صيغته الجزيئية C6H12O6.
الغلوكوز هو الشكل الأساسي للوقود في الكائنات الحية، وفي الكائنات عديدة الخلايا، يكون ذوّابًا ويُنقل عبر سوائل الجسم إلى كل الخلايا، حيث يستقلب لتوليد الطاقة. الغلوكوز هو أداة بداية التنفس الخلوي، وهو الناتج الرئيسي عن عملية التركيب الضوئي.
توجد ثلاثة سكاكر ثنائية مهمة في الكائنات الحية: المالتوز، والسكروز، واللاكتوز؛ يتركب المالتوز من جزيئتي غلوكوز مرتبطتين برابطة تساهمية. يتشكل سكر المائدة (السكروز) بارتباط جزيئة غلوكوز مع جزيئة أحادي سكاريد آخر يدعى الفركتوز. (يوضح الشكل 2-2) أنه عند اصطناع السكروز، تنتج جزيئة ماء، بالتالي تدعى العملية تفاعل بلمهة. العملية المعاكسة لها هي الحلمهة، إذ تنقسم الجزيئة ويُضاف الماء. يتكون اللاكتوز من وحدتي غلوكوز وغالاكتوز.
ارتباط جزيئتي غلوكوز وفركتوز لتشكيل ثنائي السكريد (السكروز).
تُعرف السكريات المعقدة بعديدات السكاريد. تتشكل عديدات السكاريد من ارتباط أعداد لا حصر لها من السكريدات الأحادية. يعتبر النشاء أهمها، الذي يتألف من ارتباط مئاتٍ إلى آلافٍ من وحدات الغلوكوز مع بعضها. يعمل النشاء كشكل تخزيني للسكريات. يعوّض معظم سكان العالم حاجتهم للطاقة بالنشاء على شكل الأرز، والقمح، والذرة، والبطاطا.
الغليكوجين والسليولوز عديدا سكريد مهمان آخران. يتألف الغليكوجين من ارتباط آلاف من وحدات الغلوكوز، لكن بنموذج ارتباط مختلف عنه في النشاء، والغليكوجين هو الشكل الذي يخزَّن به الغلوكوز في كبد الإنسان.
يُستخدم السليولوز بشكل رئيسي كسكر هيكلي، ويتألف أيضًا من وحدات غلوكوز، لكن هذه الوحدات لا يمكن تحريرها عن بعضها إلّا في بعض أنواع الكائنات الحية، ويتألف الخشب كما جدار الخلية النباتية بشكل رئيسي من السليولوز، وتعد ألياف القطن والورق من المنتجات التجارية للسليولوز.
الليبيدات
الليبيدات مركبات عضوية تتألف من الكربون والهيدروجين والأكسجين، ونسبة ذرات الهيدروجين إلى ذرات الأكسجين في الليبيدات أعلى بكثير منها في السكريات، وتتضمن الليبيدات الستيروئيدات (المادة التي تتألف منها العديد من الهرمونات)، والشموع، والدسم. تتألف جزيئات الدسم من جزيئة غليسيرول وواحد أو اثنين أو ثلاثة حموض دسمة.
تحتوي جزيئة الغليسيرول على ثلاث زمر هيدروكسيل (–OH). الحمض الدسم هو سلسة طويلة من ذرات الكربون (من 4 إلى 24) مع زمرة كربوكسيل (–COOH) في نهايته. يمكن للحموض الدسمة في الدسم أن تكون متشابهة أو مختلفة. وترتبط مع الغليسيرول بعملية تتضمن نزع الماء.
تحتوي بعض الحموض الدسمة على رابطة مضاعفة واحدة أو أكثر في جزيئاتها، وتدعى الدسم التي تحتوي على هذه الجزيئات بالدسم غير المشبعة، وهناك حموض دسمة أخرى لا تحتوي على روابط مضاعفة، وتدعى الدسم التي تحتوي هذه الحموض بالدسم المشبعة. في معظم حالات صحة الإنسان، يكون استهلاك الدسم غير المشبعة مفضَّلًا على استهلاك الدسم المشبعة.
تُخزن الدسم في الخلايا عادة على شكل قطيرات زيتية واضحة تُدعى الكريات الدهنية؛ وذلك لأن الدسم لا تنحل في الماء. وتخزن النباتات الدسم في بذورها غالبًا، وتخزنه الحيوانات في كريات دهنية ضخمة واضحة في خلايا النسيج الشحمي، ويحتوي الدسم في النسيج الشحمي على الكثير من الطاقة المركّزة، بالتالي، يعمل كمخزن لتزويد الأعضاء بالطاقة. يحطم إنزيم الليباز الدسم إلى حموض دسمة وغليسيرول في الجهاز الهضمي للإنسان.
تنشأ جزيئة الدسم عبر ارتباط جزيئة غليسيرول مع ثلاث جزيئات حموض دسمة. (حمضين دسمين مشبعين وحمض دسم واحد غير مشبع موضَّحين للمقارنة.) الجزيئة الناتجة في الأسفل.
البروتينات
البروتينات من بين أكثر المركبات العضوية تعقيدًا، تتكون من الحموض الأمينية (انظر الشكل 2-4) التي تحتوي على ذرات الكربون، الهيدروجين، الأكسجين، والنيتروجين. تحتوي بعض الحموض الأمينية على ذرات الكبريت، الفوسفور، أو عناصر دقيقة أخرى كالحديد أو النحاس.
البنية والتركيب الكيميائي للحموض الأمينية. عندما يرتبط حمضان أمينيان في ثنائي ببتيد، تُنزَع زمرة هيدروكسيل –OH من أحد الحموض الأمينية، وذرة هيدروجين –H من الحمض الآخر. أي تنزع جزيئة ماء. تتشكل رابطة ثنائية الببتيد (يمين) لتربط الحمضين الأمينيين معًا
العديد من البروتينات واسعة ومعقدة للغاية. على أي حال، تتألف كل البروتينات من سلاسل طويلة من حموض أمينية بسيطة نسبيًا. يوجد 20 نوعًا من الحموض الأمينية، ويحتوي كل حمض أميني (انظر التوضيح الأيسر في الشكل 2-4) على زمرة أمينية (–NH2)، وزمرة كربوكسيلية (–COOH)، ومجموعة ذرات تُدعى الزمرة –R (تشير R إلى الجذر).
تختلف الحموض الأمينية بناءً على طبيعة الزمرة –R، كما هو موضح في المنتصف في الشكل 2-4. الألانين، الفالين، حمض الغلوتاميك، التيريبتوفان، التيروسين، والهيستيدين هي أمثلة على الحموض الأمينية.
يربط نزع جزيئات الماء الحموض الأمينية معًا لتشكل البروتين، تُدعى هذه العملية البلمهة (عملية نزع الماء)، والمنتج الثانوي من عملية التركيب هو الماء. تكون الروابط المتكونة بين الحموض الأمينية روابط ببتيدية، وتُدعى البروتينات الصغيرة عادةً ببتيدات.
تعتمد كل الكائنات الحية على البروتينات لوجودها، فالبروتينات هي الجزيئات الرئيسية التي تتركب منها الكائنات الحية، وتكون بعض البروتينات منحلة أو معلقة في المادة المائية للخلية، بينما يكون بعضها الآخر مندمجًا مع بنى مختلفة من الخلية، وتوجد أيضًا كعناصر داعمة ومقويّة في الأنسجة خارج الخلايا، فالعظام والمفاضل والأوتار والأربطة كلها مؤلفة من البروتينات.
إحدى الوظائف الأساسية للبروتينات هي الوظيفة الإنزيمية؛ إذ تحفز الإنزيمات التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل الخلايا، ولا تُستهلك الإنزيمات في تفاعل واحد، بل تبقى قادرة على تحفيز تفاعلات تالية أخرى.
يصطنع كل نوع من الأحياء بروتينات فريدة خاصة به، وتقع معلومات اصطناع هذه البروتينات الفريدة في نواة الخلية، وهي تحدد ما يُسمى بـ الشيفرة الوراثية. تحدد الشيفرة الوراثية تسلسل الحموض الأمينية في البروتينات، وبالتالي تنظم الكيمياء التي تحدث داخل الخلية، وتستطيع البروتينات أن تخدم أيضًا كمصدر طاقة للخلية. عندما تُزال الزمرة الأمينية من الحمض الأميني، يكون المركب الناتج غنيًّا بالطاقة.
الحموض النووية
مثل البروتينات، تتكون الحموض النووية من جزيئات ضخمة، تتألف الحموض النووية من وحدات أصغر تدعى النكليوتيدات، ويحتوي كل نكليوتيد على جزيئة كربوهيدرات (سكر)، وزمرة فوسفات، وجزيئة حاوية على النيتروجين التي بسبب خصائصها، تعتبر أساسًا نيتروجينيًا.
تمتلك الكائنات الحية حمضين نويين مهمين. الأول هو الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين DNA، الآخر هو الحمض النووي الريبوزيRNA ، يوجد الـ DNA بشكل أساسي في نواة الخلية، بينما يُشاهَد الـ RNA في كل من النواة والسيتوبلازما (مادة نصف سائلة تشكّل حجم الخلية).
يختلف الـ DNA والـ RNA بمكوناتهما. يحتوي الـ DNA على السكر الريبوزي منقوص الأكسجين، بينما يحتوي الـ RNA على السكر الريبوزي، وبالإضافة إلى ذلك، يحتوي الـ DNالمصدرA على أساس الثايمين، بينما يحتوي الـ RNAعلى اليوراسيل.
السكريات
تستخدم كل المتعضيات تقريبًا السكريات كمصدر للطاقة، بالإضافة إلى ذلك، تعمل بعض السكريات كمواد بنائية. السكريات جزيئات مكونة من الكربون والهيدروجين والأكسجين، نسبة ذرات الهيدروجين إلى الأكسجين والكربون فيها 2:1. السكريات البسيطة، تُدعى عادةً بـالسكاكر، قد تكون أحادية السكاريد إذا كانت مؤلفة من جزيئة مفردة، أو ثنائية السكاريد إذا كانت مؤلفة من جزيئتين. يعتبر الغلوكوز أحادي السكاريد الأهم، صيغته الجزيئية C6H12O6.
الغلوكوز هو الشكل الأساسي للوقود في الكائنات الحية، وفي الكائنات عديدة الخلايا، يكون ذوّابًا ويُنقل عبر سوائل الجسم إلى كل الخلايا، حيث يستقلب لتوليد الطاقة. الغلوكوز هو أداة بداية التنفس الخلوي، وهو الناتج الرئيسي عن عملية التركيب الضوئي.
توجد ثلاثة سكاكر ثنائية مهمة في الكائنات الحية: المالتوز، والسكروز، واللاكتوز؛ يتركب المالتوز من جزيئتي غلوكوز مرتبطتين برابطة تساهمية. يتشكل سكر المائدة (السكروز) بارتباط جزيئة غلوكوز مع جزيئة أحادي سكاريد آخر يدعى الفركتوز. (يوضح الشكل 2-2) أنه عند اصطناع السكروز، تنتج جزيئة ماء، بالتالي تدعى العملية تفاعل بلمهة. العملية المعاكسة لها هي الحلمهة، إذ تنقسم الجزيئة ويُضاف الماء. يتكون اللاكتوز من وحدتي غلوكوز وغالاكتوز.
ارتباط جزيئتي غلوكوز وفركتوز لتشكيل ثنائي السكريد (السكروز).
تُعرف السكريات المعقدة بعديدات السكاريد. تتشكل عديدات السكاريد من ارتباط أعداد لا حصر لها من السكريدات الأحادية. يعتبر النشاء أهمها، الذي يتألف من ارتباط مئاتٍ إلى آلافٍ من وحدات الغلوكوز مع بعضها. يعمل النشاء كشكل تخزيني للسكريات. يعوّض معظم سكان العالم حاجتهم للطاقة بالنشاء على شكل الأرز، والقمح، والذرة، والبطاطا.
الغليكوجين والسليولوز عديدا سكريد مهمان آخران. يتألف الغليكوجين من ارتباط آلاف من وحدات الغلوكوز، لكن بنموذج ارتباط مختلف عنه في النشاء، والغليكوجين هو الشكل الذي يخزَّن به الغلوكوز في كبد الإنسان.
يُستخدم السليولوز بشكل رئيسي كسكر هيكلي، ويتألف أيضًا من وحدات غلوكوز، لكن هذه الوحدات لا يمكن تحريرها عن بعضها إلّا في بعض أنواع الكائنات الحية، ويتألف الخشب كما جدار الخلية النباتية بشكل رئيسي من السليولوز، وتعد ألياف القطن والورق من المنتجات التجارية للسليولوز.
الليبيدات
الليبيدات مركبات عضوية تتألف من الكربون والهيدروجين والأكسجين، ونسبة ذرات الهيدروجين إلى ذرات الأكسجين في الليبيدات أعلى بكثير منها في السكريات، وتتضمن الليبيدات الستيروئيدات (المادة التي تتألف منها العديد من الهرمونات)، والشموع، والدسم. تتألف جزيئات الدسم من جزيئة غليسيرول وواحد أو اثنين أو ثلاثة حموض دسمة.
تحتوي جزيئة الغليسيرول على ثلاث زمر هيدروكسيل (–OH). الحمض الدسم هو سلسة طويلة من ذرات الكربون (من 4 إلى 24) مع زمرة كربوكسيل (–COOH) في نهايته. يمكن للحموض الدسمة في الدسم أن تكون متشابهة أو مختلفة. وترتبط مع الغليسيرول بعملية تتضمن نزع الماء.
تحتوي بعض الحموض الدسمة على رابطة مضاعفة واحدة أو أكثر في جزيئاتها، وتدعى الدسم التي تحتوي على هذه الجزيئات بالدسم غير المشبعة، وهناك حموض دسمة أخرى لا تحتوي على روابط مضاعفة، وتدعى الدسم التي تحتوي هذه الحموض بالدسم المشبعة. في معظم حالات صحة الإنسان، يكون استهلاك الدسم غير المشبعة مفضَّلًا على استهلاك الدسم المشبعة.
تُخزن الدسم في الخلايا عادة على شكل قطيرات زيتية واضحة تُدعى الكريات الدهنية؛ وذلك لأن الدسم لا تنحل في الماء. وتخزن النباتات الدسم في بذورها غالبًا، وتخزنه الحيوانات في كريات دهنية ضخمة واضحة في خلايا النسيج الشحمي، ويحتوي الدسم في النسيج الشحمي على الكثير من الطاقة المركّزة، بالتالي، يعمل كمخزن لتزويد الأعضاء بالطاقة. يحطم إنزيم الليباز الدسم إلى حموض دسمة وغليسيرول في الجهاز الهضمي للإنسان.
تنشأ جزيئة الدسم عبر ارتباط جزيئة غليسيرول مع ثلاث جزيئات حموض دسمة. (حمضين دسمين مشبعين وحمض دسم واحد غير مشبع موضَّحين للمقارنة.) الجزيئة الناتجة في الأسفل.
البروتينات
البروتينات من بين أكثر المركبات العضوية تعقيدًا، تتكون من الحموض الأمينية (انظر الشكل 2-4) التي تحتوي على ذرات الكربون، الهيدروجين، الأكسجين، والنيتروجين. تحتوي بعض الحموض الأمينية على ذرات الكبريت، الفوسفور، أو عناصر دقيقة أخرى كالحديد أو النحاس.
البنية والتركيب الكيميائي للحموض الأمينية. عندما يرتبط حمضان أمينيان في ثنائي ببتيد، تُنزَع زمرة هيدروكسيل –OH من أحد الحموض الأمينية، وذرة هيدروجين –H من الحمض الآخر. أي تنزع جزيئة ماء. تتشكل رابطة ثنائية الببتيد (يمين) لتربط الحمضين الأمينيين معًا
العديد من البروتينات واسعة ومعقدة للغاية. على أي حال، تتألف كل البروتينات من سلاسل طويلة من حموض أمينية بسيطة نسبيًا. يوجد 20 نوعًا من الحموض الأمينية، ويحتوي كل حمض أميني (انظر التوضيح الأيسر في الشكل 2-4) على زمرة أمينية (–NH2)، وزمرة كربوكسيلية (–COOH)، ومجموعة ذرات تُدعى الزمرة –R (تشير R إلى الجذر).
تختلف الحموض الأمينية بناءً على طبيعة الزمرة –R، كما هو موضح في المنتصف في الشكل 2-4. الألانين، الفالين، حمض الغلوتاميك، التيريبتوفان، التيروسين، والهيستيدين هي أمثلة على الحموض الأمينية.
يربط نزع جزيئات الماء الحموض الأمينية معًا لتشكل البروتين، تُدعى هذه العملية البلمهة (عملية نزع الماء)، والمنتج الثانوي من عملية التركيب هو الماء. تكون الروابط المتكونة بين الحموض الأمينية روابط ببتيدية، وتُدعى البروتينات الصغيرة عادةً ببتيدات.
تعتمد كل الكائنات الحية على البروتينات لوجودها، فالبروتينات هي الجزيئات الرئيسية التي تتركب منها الكائنات الحية، وتكون بعض البروتينات منحلة أو معلقة في المادة المائية للخلية، بينما يكون بعضها الآخر مندمجًا مع بنى مختلفة من الخلية، وتوجد أيضًا كعناصر داعمة ومقويّة في الأنسجة خارج الخلايا، فالعظام والمفاضل والأوتار والأربطة كلها مؤلفة من البروتينات.
إحدى الوظائف الأساسية للبروتينات هي الوظيفة الإنزيمية؛ إذ تحفز الإنزيمات التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل الخلايا، ولا تُستهلك الإنزيمات في تفاعل واحد، بل تبقى قادرة على تحفيز تفاعلات تالية أخرى.
يصطنع كل نوع من الأحياء بروتينات فريدة خاصة به، وتقع معلومات اصطناع هذه البروتينات الفريدة في نواة الخلية، وهي تحدد ما يُسمى بـ الشيفرة الوراثية. تحدد الشيفرة الوراثية تسلسل الحموض الأمينية في البروتينات، وبالتالي تنظم الكيمياء التي تحدث داخل الخلية، وتستطيع البروتينات أن تخدم أيضًا كمصدر طاقة للخلية. عندما تُزال الزمرة الأمينية من الحمض الأميني، يكون المركب الناتج غنيًّا بالطاقة.
الحموض النووية
مثل البروتينات، تتكون الحموض النووية من جزيئات ضخمة، تتألف الحموض النووية من وحدات أصغر تدعى النكليوتيدات، ويحتوي كل نكليوتيد على جزيئة كربوهيدرات (سكر)، وزمرة فوسفات، وجزيئة حاوية على النيتروجين التي بسبب خصائصها، تعتبر أساسًا نيتروجينيًا.
تمتلك الكائنات الحية حمضين نويين مهمين. الأول هو الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين DNA، الآخر هو الحمض النووي الريبوزيRNA ، يوجد الـ DNA بشكل أساسي في نواة الخلية، بينما يُشاهَد الـ RNA في كل من النواة والسيتوبلازما (مادة نصف سائلة تشكّل حجم الخلية).
يختلف الـ DNA والـ RNA بمكوناتهما. يحتوي الـ DNA على السكر الريبوزي منقوص الأكسجين، بينما يحتوي الـ RNA على السكر الريبوزي، وبالإضافة إلى ذلك، يحتوي الـ DNالمصدرA على أساس الثايمين، بينما يحتوي الـ RNAعلى اليوراسيل.