2.3: الجزيئات البيولوجية

تسمى الجزيئات الكبيرة الضرورية للحياة والتي يتم بناؤها من جزيئات عضوية أصغر بالجزيئات البيولوجية الكبيرة. هناك أربع فئات رئيسية من الجزيئات البيولوجية الكبيرة (الكربوهيدرات والدهون والبروتينات والأحماض النووية)، وكل منها مكون مهم للخلية ويؤدي مجموعة واسعة من الوظائف. تشكل هذه الجزيئات مجتمعة غالبية كتلة الخلية. الجزيئات البيولوجية الكبيرة عضوية، مما يعني أنها تحتوي على الكربون (مع بعض الاستثناءات، مثل ثاني أكسيد الكربون). بالإضافة إلى ذلك، قد تحتوي على الهيدروجين والأكسجين والنيتروجين والفوسفور والكبريت وعناصر ثانوية إضافية.

كربون

غالبًا ما يقال أن الحياة «قائمة على الكربون». وهذا يعني أن ذرات الكربون، المرتبطة بذرات الكربون الأخرى أو العناصر الأخرى، تشكل المكونات الأساسية للعديد، إن لم يكن معظم، الجزيئات الموجودة بشكل فريد في الكائنات الحية. تلعب العناصر الأخرى أدوارًا مهمة في الجزيئات البيولوجية، لكن الكربون يعتبر بالتأكيد العنصر «الأساسي» للجزيئات في الكائنات الحية. إن خصائص الترابط لذرات الكربون هي المسؤولة عن دورها المهم.

رابطة الكربون

يحتوي الكربون على أربعة إلكترونات في غلافه الخارجي. لذلك، يمكن أن تشكل أربع روابط تساهمية مع ذرات أو جزيئات أخرى. أبسط جزيء كربون عضوي هو الميثان (CH ₄)، حيث ترتبط أربع ذرات هيدروجين بذرة كربون (الشكل\(\PageIndex{1}\)).

الشكل\(\PageIndex{1}\): يمكن أن يشكل الكربون أربعة روابط تساهمية لإنشاء جزيء عضوي. أبسط جزيء كربون هو الميثان (CH ₄)، الموضح هنا.

ومع ذلك، يتم تصنيع الهياكل الأكثر تعقيدًا باستخدام الكربون. يمكن استبدال أي من ذرات الهيدروجين بذرة كربون أخرى مرتبطة تساهميًا بذرة الكربون الأولى. بهذه الطريقة، يمكن صنع سلاسل طويلة ومتفرعة من مركبات الكربون (الشكل\(\PageIndex{2}\) أ). قد ترتبط ذرات الكربون بذرات العناصر الأخرى، مثل النيتروجين والأكسجين والفوسفور (الشكل\(\PageIndex{2}\) ب). قد تشكل الجزيئات أيضًا حلقات يمكن أن ترتبط هي نفسها بحلقات أخرى (الشكل\(\PageIndex{2}\) ج). هذا التنوع في الأشكال الجزيئية يفسر تنوع وظائف الجزيئات البيولوجية ويعتمد إلى حد كبير على قدرة الكربون على تكوين روابط متعددة مع نفسه ومع الذرات الأخرى.

الشكل\(\PageIndex{2}\): تُظهر هذه الأمثلة ثلاثة جزيئات (موجودة في الكائنات الحية) تحتوي على ذرات كربون مرتبطة بطرق مختلفة بذرات الكربون الأخرى وذرات العناصر الأخرى. (أ) يحتوي هذا الجزيء من حمض الإستياريك على سلسلة طويلة من ذرات الكربون. (ب) يحتوي الجليسين، وهو أحد مكونات البروتينات، على ذرات الكربون والنيتروجين والأكسجين والهيدروجين. (ج) يحتوي الجلوكوز، وهو سكر، على حلقة من ذرات الكربون وذرة أكسجين واحدة.

الكربوهيدرات

الكربوهيدرات هي جزيئات كبيرة يعرفها معظم المستهلكين إلى حد ما. لفقدان الوزن، يلتزم بعض الأفراد بنظام غذائي «منخفض الكربوهيدرات». على النقيض من ذلك، غالبًا ما يقوم الرياضيون «بحمل الكربوهيدرات» قبل المسابقات المهمة لضمان حصولهم على الطاقة الكافية للمنافسة على مستوى عالٍ. الكربوهيدرات هي، في الواقع، جزء أساسي من نظامنا الغذائي؛ الحبوب والفواكه والخضروات كلها مصادر طبيعية للكربوهيدرات. توفر الكربوهيدرات الطاقة للجسم، خاصة من خلال الجلوكوز، وهو سكر بسيط. للكربوهيدرات أيضًا وظائف مهمة أخرى في البشر والحيوانات والنباتات.

يمكن تمثيل الكربوهيدرات بالصيغة (CH ₂ O) _n، حيث n هو عدد ذرات الكربون في الجزيء. بمعنى آخر، تبلغ نسبة الكربون إلى الهيدروجين إلى الأكسجين 1:2:1 في جزيئات الكربوهيدرات. يتم تصنيف الكربوهيدرات إلى ثلاثة أنواع فرعية: السكريات الأحادية والسكريات الثنائية والسكريات.

السكريات الأحادية (أحادية = «واحدة»؛ السكر-= «الحلو») هي سكريات بسيطة، وأكثرها شيوعًا هو الجلوكوز. في السكريات الأحادية، يتراوح عدد ذرات الكربون عادة من ثلاثة إلى ستة. تنتهي معظم أسماء السكريات الأحادية باللاحقة -ose. اعتمادًا على عدد ذرات الكربون في السكر، قد تُعرف باسم الثلاثات (ثلاث ذرات كربون)، وبنتوسيس (خمس ذرات كربون)، وسداسيات (ست ذرات كربون).

قد توجد السكريات الأحادية كسلسلة خطية أو كجزيئات على شكل حلقة؛ في المحاليل المائية، عادة ما توجد في الشكل الدائري.

الصيغة الكيميائية للجلوكوز هي C ₆ H ₁₂ O ₆. في معظم الأنواع الحية، يعد الجلوكوز مصدرًا مهمًا للطاقة. أثناء التنفس الخلوي، يتم إطلاق الطاقة من الجلوكوز، ويتم استخدام هذه الطاقة للمساعدة في صنع الأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP). تقوم النباتات بتوليف الجلوكوز باستخدام ثاني أكسيد الكربون والماء من خلال عملية التمثيل الضوئي، ويستخدم الجلوكوز بدوره لمتطلبات الطاقة في النبات. غالبًا ما يتم تخزين الجلوكوز المركب الزائد على شكل نشا يتم تكسيره بواسطة كائنات حية أخرى تتغذى على النباتات.

يعد الجالاكتوز (جزء من اللاكتوز أو سكر الحليب) والفركتوز (الموجود في الفاكهة) من السكريات الأحادية الشائعة الأخرى. على الرغم من أن الجلوكوز والجالاكتوز والفركتوز كلها لها نفس الصيغة الكيميائية (C ₆ H ₁₂ O ₆)، إلا أنها تختلف هيكليًا وكيميائيًا (وتُعرف باسم الأيزومرات) بسبب الترتيبات المختلفة للذرات في سلسلة الكربون (الشكل\(\PageIndex{3}\)).

الشكل\(\PageIndex{3}\): الجلوكوز والجالاكتوز والفركتوز عبارة عن السكريات الأحادية الأيزومرية، مما يعني أنها تحتوي على نفس الصيغة الكيميائية ولكن تراكيب مختلفة قليلاً.

تتكون السكريات الثنائية (di- = «Two») عندما يخضع اثنان من السكريات الأحادية لتفاعل الجفاف (تفاعل تحدث فيه إزالة جزيء الماء). خلال هذه العملية، تتحد مجموعة الهيدروكسيل (—OH) الخاصة بأحد السكريات الأحادية مع ذرة هيدروجين من أحادي السكاريد الآخر، مما يؤدي إلى إطلاق جزيء من الماء (H ₂ O) وتشكيل رابطة تساهمية بين الذرات في جزيئتي السكر.

تشمل السكريات الشائعة اللاكتوز والمالتوز والسكروز. اللاكتوز هو ثنائي السكاريد يتكون من مونومري الجلوكوز والجالاكتوز. يوجد بشكل طبيعي في الحليب. المالتوز، أو سكر الشعير، هو ثنائي السكاريد يتكون من تفاعل الجفاف بين جزيئين من الجلوكوز. وثنائي السكاريد الأكثر شيوعًا هو السكروز، أو سكر المائدة، الذي يتكون من مونومري الجلوكوز والفركتوز.

تُعرف السلسلة الطويلة من السكريات الأحادية المرتبطة بالروابط التساهمية باسم السكاريد (بولي- = «كثير»). قد تكون السلسلة متفرعة أو غير متفرعة، وقد تحتوي على أنواع مختلفة من السكريات الأحادية. قد تكون السكريات جزيئات كبيرة جدًا. يعتبر النشا والجليكوجين والسليلوز والكيتين أمثلة على السكريات.

النشا هو الشكل المخزن من السكريات في النباتات ويتكون من الأميلوز والأميلوبكتين (كلاهما بوليمرات الجلوكوز). تستطيع النباتات تصنيع الجلوكوز، ويتم تخزين الجلوكوز الزائد كنشا في أجزاء نباتية مختلفة، بما في ذلك الجذور والبذور. يتم تقسيم النشا الذي تستهلكه الحيوانات إلى جزيئات أصغر، مثل الجلوكوز. يمكن للخلايا بعد ذلك امتصاص الجلوكوز.

الجليكوجين هو شكل تخزين الجلوكوز في البشر والفقاريات الأخرى، ويتكون من مونومرات الجلوكوز. الجليكوجين هو المكافئ الحيواني للنشا وهو جزيء عالي التشعب يتم تخزينه عادة في خلايا الكبد والعضلات. عندما تنخفض مستويات الجلوكوز، يتم تكسير الجليكوجين لإطلاق الجلوكوز.

السليلوز هو أحد البوليمرات الحيوية الطبيعية الأكثر وفرة. تتكون جدران خلايا النباتات في الغالب من السليلوز، الذي يوفر الدعم الهيكلي للخلية. يتكون الخشب والورق في الغالب من السليلوزية في الطبيعة. يتكون السليلوز من مونومرات الجلوكوز التي ترتبط بروابط بين ذرات كربون معينة في جزيء الجلوكوز.

يتم قلب كل مونومر جلوكوز آخر في السليلوز وتعبئته بإحكام كسلاسل طويلة ممتدة. هذا يعطي السليلوز صلابته وقوة الشد العالية - وهو أمر مهم جدًا للخلايا النباتية. يُطلق على السليلوز الذي يمر عبر الجهاز الهضمي اسم الألياف الغذائية. في حين أن روابط الجلوكوز والجلوكوز في السليلوز لا يمكن تكسيرها بواسطة الإنزيمات الهضمية البشرية، فإن الحيوانات العاشبة مثل الأبقار والجاموس والخيول قادرة على هضم العشب الغني بالسليلوز واستخدامه كمصدر للغذاء. في هذه الحيوانات، توجد أنواع معينة من البكتيريا في الكرش (جزء من الجهاز الهضمي للحيوانات العاشبة) وتفرز إنزيم السليولاز. تحتوي الزائدة الدودية أيضًا على بكتيريا تكسر السليلوز، مما يعطيها دورًا مهمًا في الجهاز الهضمي للحيوانات المجترة. يمكن للسيلولاز تكسير السليلوز إلى مونومرات الجلوكوز التي يمكن استخدامها كمصدر للطاقة من قبل الحيوان.

تخدم الكربوهيدرات وظائف أخرى في الحيوانات المختلفة. تحتوي المفصليات، مثل الحشرات والعناكب وسرطان البحر، على هيكل عظمي خارجي يسمى الهيكل الخارجي، والذي يحمي أجزاء الجسم الداخلية. يتكون هذا الهيكل الخارجي من الجزيء البيولوجي الكيتين، وهو كربوهيدرات نيتروجينية. وهي مصنوعة من وحدات متكررة من السكر المعدل الذي يحتوي على النيتروجين.

وبالتالي، من خلال الاختلافات في التركيب الجزيئي، تكون الكربوهيدرات قادرة على خدمة الوظائف المختلفة جدًا لتخزين الطاقة (النشا والجليكوجين) والدعم الهيكلي والحماية (السليلوز والكيتين) (الشكل\(\PageIndex{4}\)).

الشكل\(\PageIndex{4}\): على الرغم من اختلاف هياكلها ووظائفها، فإن جميع الكربوهيدرات السكرية تتكون من السكريات الأحادية ولها الصيغة الكيميائية (CH ₂ O) n.

وظائف قيد التنفيذ: اختصاصي تغذية مسجل

السمنة هي مصدر قلق صحي عالمي، والعديد من الأمراض، مثل السكري وأمراض القلب، أصبحت أكثر انتشارًا بسبب السمنة. هذا هو أحد أسباب البحث عن أخصائيي التغذية المسجلين بشكل متزايد للحصول على المشورة. يساعد أخصائيو التغذية المسجلون في تخطيط برامج الغذاء والتغذية للأفراد في بيئات مختلفة. غالبًا ما يعملون مع المرضى في مرافق الرعاية الصحية، ويصممون خطط التغذية للوقاية من الأمراض وعلاجها. على سبيل المثال، قد يقوم أخصائيو التغذية بتعليم مريض السكري كيفية إدارة مستويات السكر في الدم عن طريق تناول الأنواع والكميات الصحيحة من الكربوهيدرات. قد يعمل أخصائيو التغذية أيضًا في دور رعاية المسنين والمدارس والممارسات الخاصة.

لكي يصبح المرء اختصاصي تغذية مسجلاً، يحتاج المرء إلى الحصول على درجة البكالوريوس على الأقل في علم التغذية أو التغذية أو تكنولوجيا الأغذية أو أي مجال ذي صلة. بالإضافة إلى ذلك، يجب على أخصائيي التغذية المسجلين إكمال برنامج التدريب الداخلي الخاضع للإشراف واجتياز اختبار وطني. أولئك الذين يتابعون مهنًا في علم التغذية يأخذون دورات في التغذية والكيمياء والكيمياء الحيوية والبيولوجيا وعلم الأحياء الدقيقة وعلم وظائف الأعضاء البشرية. يجب أن يصبح أخصائيو التغذية خبراء في الكيمياء ووظائف الغذاء (البروتينات والكربوهيدرات والدهون).

الدهون

تشمل الدهون مجموعة متنوعة من المركبات التي توحدها ميزة مشتركة. الدهون كارهة للماء («تخشى الماء»)، أو غير قابلة للذوبان في الماء، لأنها جزيئات غير قطبية. هذا لأنها هيدروكربونات لا تتضمن سوى روابط الكربون غير القطبية أو الكربون أو الكربون والهيدروجين. تؤدي الدهون العديد من الوظائف المختلفة في الخلية. تقوم الخلايا بتخزين الطاقة للاستخدام طويل الأمد في شكل دهون تسمى الدهون. توفر الدهون أيضًا عزلًا عن البيئة للنباتات والحيوانات (الشكل\(\PageIndex{5}\)). على سبيل المثال، تساعد في الحفاظ على جفاف الطيور والثدييات المائية بسبب طبيعتها المقاومة للماء. الدهون هي أيضًا اللبنات الأساسية للعديد من الهرمونات وهي مكون مهم لغشاء البلازما. تشمل الدهون الدهون والزيوت والشمع والفوسفوليبيدات والمنشطات.

الشكل\(\PageIndex{5}\): الدهون الكارهة للماء في فراء الثدييات المائية، مثل ثعلب النهر هذه، تحميها من العوامل الجوية. (تصوير: كين بوسما)

يتكون جزيء الدهون، مثل الدهون الثلاثية، من مكونين رئيسيين - الجلسرين والأحماض الدهنية. الجلسرين مركب عضوي يحتوي على ثلاث ذرات كربون وخمس ذرات هيدروجين وثلاث مجموعات هيدروكسيل (—OH). تحتوي الأحماض الدهنية على سلسلة طويلة من الهيدروكربونات التي ترتبط بها مجموعة الكربوكسيل الحمضية، ومن هنا جاء اسم «الأحماض الدهنية». قد يتراوح عدد الكربونات في الأحماض الدهنية من 4 إلى 36؛ الأكثر شيوعًا هي تلك التي تحتوي على 12-18 كربونًا. في جزيء دهني، يرتبط الحمض الدهني بكل من ذرات الأكسجين الثلاث في مجموعات —OH لجزيء الجلسرين مع رابطة تساهمية (الشكل\(\PageIndex{6}\)).

الشكل\(\PageIndex{6}\): تشمل الدهون الدهون، مثل الدهون الثلاثية، والتي تتكون من الأحماض الدهنية والجلسرين، والفوسفوليبيدات، والستيرويدات.

خلال تكوين الرابطة التساهمية هذه، يتم إطلاق ثلاثة جزيئات ماء. قد تكون الأحماض الدهنية الثلاثة في الدهون متشابهة أو مختلفة. تسمى هذه الدهون أيضًا بالدهون الثلاثية لأنها تحتوي على ثلاثة أحماض دهنية. بعض الأحماض الدهنية لها أسماء شائعة تحدد أصلها. على سبيل المثال، يُشتق حمض البالمتيك، وهو حمض دهني مشبع، من شجرة النخيل. يُشتق حمض الأراكيديك من Arachis hypogaea، الاسم العلمي للفول السوداني.

قد تكون الأحماض الدهنية مشبعة أو غير مشبعة. في سلسلة الأحماض الدهنية، إذا كانت هناك روابط واحدة فقط بين الكربونات المجاورة في سلسلة الهيدروكربون، فإن الأحماض الدهنية تكون مشبعة. الأحماض الدهنية المشبعة مشبعة بالهيدروجين؛ بمعنى آخر، يتم زيادة عدد ذرات الهيدروجين المرتبطة بهيكل الكربون إلى أقصى حد.

عندما تحتوي سلسلة الهيدروكربون على رابطة مزدوجة، فإن الأحماض الدهنية هي حمض دهني غير مشبع.

معظم الدهون غير المشبعة سائلة في درجة حرارة الغرفة وتسمى الزيوت. إذا كانت هناك رابطة مزدوجة واحدة في الجزيء، فإنها تُعرف باسم الدهون الأحادية غير المشبعة (مثل زيت الزيتون)، وإذا كان هناك أكثر من رابطة مزدوجة واحدة، فإنها تُعرف باسم الدهون المتعددة غير المشبعة (مثل زيت الكانولا).

تميل الدهون المشبعة إلى التعبئة بإحكام وتكون صلبة في درجة حرارة الغرفة. تعتبر الدهون الحيوانية التي تحتوي على حمض الإستياريك وحمض البالمتيك الموجود في اللحوم، والدهون التي تحتوي على حمض البوتيريك الموجود في الزبدة، أمثلة على الدهون المشبعة. تقوم الثدييات بتخزين الدهون في خلايا متخصصة تسمى الخلايا الشحمية، حيث تشغل كريات الدهون معظم الخلية. في النباتات، يتم تخزين الدهون أو الزيت في البذور وتستخدم كمصدر للطاقة أثناء التطور الجنيني.

عادة ما تكون الدهون أو الزيوت غير المشبعة من أصل نباتي وتحتوي على أحماض دهنية غير مشبعة. تتسبب الرابطة المزدوجة في حدوث انحناء أو «تشابك» يمنع الأحماض الدهنية من التعبئة بإحكام، مما يبقيها سائلة في درجة حرارة الغرفة. يعتبر زيت الزيتون وزيت الذرة وزيت الكانولا وزيت كبد سمك القد أمثلة على الدهون غير المشبعة. تساعد الدهون غير المشبعة على تحسين مستويات الكوليسترول في الدم، بينما تساهم الدهون المشبعة في تكوين الترسبات في الشرايين، مما يزيد من خطر الإصابة بنوبة قلبية.

في صناعة المواد الغذائية، يتم هدرجة الزيوت صناعياً لجعلها شبه صلبة، مما يؤدي إلى تقليل التلف وزيادة مدة الصلاحية. ببساطة، يتم ضخ غاز الهيدروجين عبر الزيوت لترسيخها. خلال عملية الهدرجة هذه، يمكن تحويل الروابط المزدوجة لتشكل رابطة الدول المستقلة في السلسلة الهيدروكربونية إلى روابط مزدوجة في التشكل المتقاطع. هذا يشكل الدهون المتحولة من دهون رابطة الدول المستقلة. يؤثر اتجاه الروابط المزدوجة على الخواص الكيميائية للدهون (الشكل\(\PageIndex{7}\)).

الشكل\(\PageIndex{7}\): أثناء عملية الهدرجة، يتغير الاتجاه حول الروابط المزدوجة، مما يؤدي إلى تكوين دهون متحولة من دهون السيس. هذا يغير الخصائص الكيميائية للجزيء.

يعتبر المارجرين وبعض أنواع زبدة الفول السوداني والسمن أمثلة على الدهون المتحولة المهدرجة صناعيًا. أظهرت الدراسات الحديثة أن زيادة الدهون المتحولة في النظام الغذائي البشري قد تؤدي إلى زيادة مستويات البروتين الدهني منخفض الكثافة (LDL)، أو الكوليسترول «الضار»، والذي بدوره قد يؤدي إلى ترسب الترسبات في الشرايين، مما يؤدي إلى أمراض القلب. ألغت العديد من مطاعم الوجبات السريعة مؤخرًا استخدام الدهون المتحولة، وأصبح مطلوبًا الآن من ملصقات الأطعمة الأمريكية إدراج محتواها من الدهون المتحولة.

الأحماض الدهنية الأساسية هي أحماض دهنية مطلوبة ولكن لا يصنعها جسم الإنسان. وبالتالي، يجب استكمالها من خلال النظام الغذائي. تندرج أحماض أوميغا 3 الدهنية في هذه الفئة وهي واحدة من اثنين فقط من الأحماض الدهنية الأساسية المعروفة للبشر (والآخر هو أحماض أوميغا 6 الدهنية). وهي نوع من الدهون المتعددة غير المشبعة وتسمى أحماض أوميغا 3 الدهنية لأن الكربون الثالث من نهاية الأحماض الدهنية يشارك في رابطة مزدوجة.

يعتبر السلمون والسلمون المرقط والتونة مصادر جيدة لأحماض أوميجا 3 الدهنية. أحماض أوميجا 3 الدهنية مهمة في وظائف المخ والنمو الطبيعي والتطور. كما أنها قد تمنع أمراض القلب وتقلل من خطر الإصابة بالسرطان.

مثل الكربوهيدرات، تلقت الدهون الكثير من الدعاية السيئة. صحيح أن تناول كميات زائدة من الأطعمة المقلية والأطعمة «الدهنية» الأخرى يؤدي إلى زيادة الوزن. ومع ذلك، فإن الدهون لها وظائف مهمة. تعمل الدهون كمخزن للطاقة على المدى الطويل. كما أنها توفر العزل للجسم. لذلك، يجب استهلاك الدهون «الصحية» غير المشبعة بكميات معتدلة بشكل منتظم.

الفوسفوليبيدات هي المكون الرئيسي للغشاء البلازمي. مثل الدهون، تتكون من سلاسل الأحماض الدهنية المرتبطة بالجلسرين أو العمود الفقري المماثل. ولكن بدلاً من ثلاثة أحماض دهنية مرتبطة، يوجد حمضان دهنيان والكربون الثالث من العمود الفقري للجلسرين مرتبط بمجموعة الفوسفات. يتم تعديل مجموعة الفوسفات بإضافة الكحول.

يحتوي الفوسفوليبيد على مناطق كارهة للماء ومحبة للماء. سلاسل الأحماض الدهنية كارهة للماء وتستبعد نفسها من الماء، في حين أن الفوسفات محب للماء ويتفاعل مع الماء.

الخلايا محاطة بغشاء يحتوي على طبقة ثنائية من الفسفوليبيدات. تواجه الأحماض الدهنية للفوسفوليبيدات الداخل بعيدًا عن الماء، بينما يمكن أن تواجه مجموعة الفوسفات إما البيئة الخارجية أو داخل الخلية، وكلاهما مائي.

المنشطات والشموع

على عكس الفسفوليبيدات والدهون التي تمت مناقشتها سابقًا، فإن الستيرويدات لها هيكل حلقي. على الرغم من أنها لا تشبه الدهون الأخرى، إلا أنها مجمعة معها لأنها أيضًا مقاومة للماء. تحتوي جميع الستيرويدات على أربع حلقات كربونية مرتبطة والعديد منها، مثل الكوليسترول، لها ذيل قصير.

الكوليسترول هو الستيرويد. يتم تصنيع الكوليسترول بشكل أساسي في الكبد وهو مقدمة للعديد من هرمونات الستيرويد، مثل التستوستيرون والاستراديول. كما أنه مقدمة لفيتامينات E و K. يعتبر الكوليسترول مقدمة لأملاح الصفراء التي تساعد في تكسير الدهون وامتصاصها لاحقًا بواسطة الخلايا. على الرغم من أن الكوليسترول غالبًا ما يتم التحدث عنه بعبارات سلبية، إلا أنه ضروري لحسن سير العمل في الجسم. إنه مكون رئيسي لأغشية البلازما للخلايا الحيوانية.

تتكون الشموع من سلسلة هيدروكربونية تحتوي على مجموعة كحول (—OH) وحمض دهني. تشمل أمثلة الشموع الحيوانية شمع العسل واللانولين. تحتوي النباتات أيضًا على شموع، مثل الطلاء على أوراقها، مما يساعد على منعها من الجفاف.

مفهوم في العمل

للحصول على منظور إضافي عن الدهون، استكشف «الجزيئات الحيوية: الدهون» من خلال هذه الرسوم المتحركة التفاعلية.

البروتينات

البروتينات هي واحدة من أكثر الجزيئات العضوية وفرة في الأنظمة الحية ولديها مجموعة متنوعة من الوظائف لجميع الجزيئات الكبيرة. قد تكون البروتينات هيكلية أو تنظيمية أو قابلة للانقباض أو واقية؛ قد تعمل في النقل أو التخزين أو الأغشية؛ أو قد تكون سموم أو إنزيمات. قد تحتوي كل خلية في النظام الحي على آلاف البروتينات المختلفة، ولكل منها وظيفة فريدة. تختلف هياكلها، مثل وظائفها، بشكل كبير. ومع ذلك، فهي جميعها بوليمرات من الأحماض الأمينية مرتبة في تسلسل خطي.

وظائف البروتينات متنوعة للغاية لأن هناك 20 حمضًا أمينيًا مختلفًا متميزًا كيميائيًا تشكل سلاسل طويلة، ويمكن أن تكون الأحماض الأمينية بأي ترتيب. على سبيل المثال، يمكن أن تعمل البروتينات كإنزيمات أو هرمونات. تعتبر الإنزيمات، التي تنتجها الخلايا الحية، محفزات في التفاعلات الكيميائية الحيوية (مثل الهضم) وعادة ما تكون بروتينات. كل إنزيم خاص بالركيزة (المادة المتفاعلة التي ترتبط بالإنزيم) التي يعمل عليها. يمكن أن تعمل الإنزيمات على كسر الروابط الجزيئية أو إعادة ترتيب الروابط أو تكوين روابط جديدة. مثال على الإنزيم هو الأميليز اللعابي، الذي يكسر الأميلوز، أحد مكونات النشا.

الهرمونات هي جزيئات إشارات كيميائية، عادة ما تكون بروتينات أو ستيرويدات، تفرزها غدة الغدد الصماء أو مجموعة من خلايا الغدد الصماء التي تعمل على التحكم في عمليات فسيولوجية معينة أو تنظيمها، بما في ذلك النمو والتطور والتمثيل الغذائي والتكاثر. على سبيل المثال، الأنسولين هو هرمون بروتيني يحافظ على مستويات الجلوكوز في الدم.

للبروتينات أشكال وأوزان جزيئية مختلفة؛ بعض البروتينات كروية الشكل بينما البعض الآخر ليفي بطبيعته. على سبيل المثال، الهيموجلوبين هو بروتين كروي، لكن الكولاجين، الموجود في بشرتنا، هو بروتين ليفي. شكل البروتين أمر بالغ الأهمية لوظيفته. قد تؤدي التغيرات في درجة الحرارة ودرجة الحموضة والتعرض للمواد الكيميائية إلى تغييرات دائمة في شكل البروتين، مما يؤدي إلى فقدان الوظيفة أو التشويه (سيتم مناقشته بمزيد من التفصيل لاحقًا). تتكون جميع البروتينات من ترتيبات مختلفة من نفس 20 نوعًا من الأحماض الأمينية.

الأحماض الأمينية هي المونومرات التي تشكل البروتينات. كل حمض أميني له نفس البنية الأساسية، والتي تتكون من ذرة كربون مركزية مرتبطة بمجموعة أمينية (—NH ₂)، ومجموعة الكربوكسيل (—COOH)، وذرة الهيدروجين. يحتوي كل حمض أميني أيضًا على ذرة متغيرة أخرى أو مجموعة من الذرات المرتبطة بذرة الكربون المركزية المعروفة باسم مجموعة R. مجموعة R هي الاختلاف الوحيد في التركيب بين الأحماض الأمينية العشرين؛ وإلا فإن الأحماض الأمينية متطابقة (الشكل\(\PageIndex{8}\)).

الشكل\(\PageIndex{8}\): تتكون الأحماض الأمينية من كربون مركزي مرتبط بمجموعة أمينية (—NH ₂) ومجموعة كربوكسيل (—COOH) وذرة هيدروجين. تختلف الرابطة الرابعة للكربون المركزي بين الأحماض الأمينية المختلفة، كما هو موضح في هذه الأمثلة من الألانين والفالين والليسين وحمض الأسبارتيك.

تحدد الطبيعة الكيميائية لمجموعة R الطبيعة الكيميائية للحمض الأميني داخل البروتين (أي ما إذا كان حمضيًا أو أساسيًا أو قطبيًا أو غير قطبي).

يحدد تسلسل وعدد الأحماض الأمينية في النهاية شكل البروتين وحجمه ووظيفته. يرتبط كل حمض أميني بحمض أميني آخر عن طريق رابطة تساهمية، تُعرف باسم رابطة الببتيد، والتي تتكون من تفاعل الجفاف. تتحد مجموعة الكربوكسيل المكونة من حمض أميني واحد والمجموعة الأمينية للحمض الأميني الثاني، مما يؤدي إلى إطلاق جزيء مائي. الرابطة الناتجة هي رابطة الببتيد.

تسمى المنتجات التي يتكون منها هذا الارتباط ببولي الببتيدات. في حين أن مصطلحي بولي ببتيد وبروتين يستخدمان أحيانًا بالتبادل، فإن البولي ببتيد هو من الناحية الفنية بوليمر من الأحماض الأمينية، في حين يستخدم مصطلح البروتين في البولي ببتيد أو بولي ببتيدات تم دمجها معًا، ولها شكل مميز، ولها وظيفة فريدة.

التطور في العمل: الأهمية التطورية للسيتوكروم ج

يعد السيتوكروم ج مكونًا مهمًا في الآلية الجزيئية التي تحصد الطاقة من الجلوكوز. نظرًا لأن دور هذا البروتين في إنتاج الطاقة الخلوية أمر بالغ الأهمية، فقد تغير قليلاً جدًا على مدى ملايين السنين. أظهر تسلسل البروتين أن هناك قدرًا كبيرًا من التشابه في التسلسل بين جزيئات السيتوكروم ج من الأنواع المختلفة؛ يمكن تقييم العلاقات التطورية من خلال قياس أوجه التشابه أو الاختلاف بين تسلسلات البروتين للأنواع المختلفة.

على سبيل المثال، قرر العلماء أن السيتوكروم ج البشري يحتوي على 104 من الأحماض الأمينية. بالنسبة لكل جزيء من السيتوكروم ج تم تسلسله حتى الآن من كائنات حية مختلفة، تظهر 37 من هذه الأحماض الأمينية في نفس الموضع في كل سيتوكروم ج، وهذا يشير إلى أن جميع هذه الكائنات تنحدر من سلف مشترك. عند مقارنة تسلسلات البروتين البشري والشمبانزي، لم يتم العثور على فرق في التسلسل. عند مقارنة تسلسلات القرود البشرية وقرود الريسوس، تم العثور على فرق واحد في حمض أميني واحد. في المقابل، تُظهر المقارنات بين البشر والخميرة اختلافًا في 44 حمضًا أمينيًا، مما يشير إلى أن البشر والشمبانزي لديهم سلف مشترك حديث أكثر من البشر وقرد الريسوس، أو البشر والخميرة.

هيكل البروتين

كما تمت مناقشته سابقًا، فإن شكل البروتين أمر بالغ الأهمية لوظيفته. لفهم كيفية حصول البروتين على شكله النهائي أو شكله النهائي، نحتاج إلى فهم المستويات الأربعة لبنية البروتين: الأولية والثانوية والثالثية والرباعية (الشكل\(\PageIndex{9}\)).

التسلسل الفريد وعدد الأحماض الأمينية في سلسلة البولي ببتيد هو هيكلها الأساسي. يتم تحديد التسلسل الفريد لكل بروتين في النهاية من خلال الجين الذي يشفر البروتين. قد يؤدي أي تغيير في التسلسل الجيني إلى إضافة حمض أميني مختلف إلى سلسلة البولي ببتيد، مما يتسبب في تغيير بنية البروتين ووظيفته. في فقر الدم المنجلي، تحتوي سلسلة الهيموغلوبين β على بديل واحد للأحماض الأمينية، مما يتسبب في تغيير بنية ووظيفة البروتين. أكثر ما يلفت الانتباه هو أن جزيء الهيموجلوبين يتكون من سلسلتي ألفا وسلسلتين بيتا تتكون كل منهما من حوالي 150 من الأحماض الأمينية. لذلك يحتوي الجزيء على حوالي 600 حمض أميني. الفرق الهيكلي بين جزيء الهيموجلوبين الطبيعي وجزيء الخلية المنجلية - الذي يقلل بشكل كبير من متوسط العمر المتوقع لدى الأفراد المصابين - هو حمض أميني واحد من 600.

بسبب هذا التغيير في أحد الأحماض الأمينية في السلسلة، تتخذ خلايا الدم الحمراء ذات التجويف المزدوج عادةً، أو على شكل قرص، شكل الهلال أو «المنجل»، الذي يسد الشرايين. يمكن أن يؤدي هذا إلى عدد لا يحصى من المشاكل الصحية الخطيرة، مثل ضيق التنفس والدوخة والصداع وآلام البطن لأولئك الذين يعانون من هذا المرض.

تؤدي الأنماط القابلة للطي الناتجة عن التفاعلات بين أجزاء المجموعة غير R من الأحماض الأمينية إلى ظهور البنية الثانوية للبروتين. الأكثر شيوعًا هي هياكل الصفائح المطوية ألفا (α) وبيتا (β). يتم تثبيت كلا الهيكلين في الشكل بواسطة روابط هيدروجينية. في حلزون ألفا، تتشكل الروابط بين كل حمض أميني رابع وتسبب التواء في سلسلة الأحماض الأمينية.

في الورقة المطوية بالبيتا، تتشكل «الطيات» عن طريق الترابط الهيدروجيني بين الذرات الموجودة على العمود الفقري لسلسلة البولي ببتيد. يتم ربط مجموعات R بالكربونات، وتمتد فوق وتحت طيات الطية. تتماشى الأجزاء المطوية بالتوازي مع بعضها البعض، وتتشكل الروابط الهيدروجينية بين نفس أزواج الذرات على كل من الأحماض الأمينية المحاذية. توجد هياكل الصفائح ألفا الحلزونية والطوية بيتا في العديد من البروتينات الكروية والليفية.

يُعرف الهيكل ثلاثي الأبعاد الفريد للبولي ببتيد بهيكله الثالث. يحدث هذا التركيب بسبب التفاعلات الكيميائية بين الأحماض الأمينية المختلفة ومناطق البولي ببتيد. في المقام الأول، تخلق التفاعلات بين مجموعات R البنية الثلاثية المعقدة ثلاثية الأبعاد للبروتين. قد تكون هناك روابط أيونية تتشكل بين مجموعات R على أحماض أمينية مختلفة، أو روابط هيدروجينية تتجاوز تلك الموجودة في البنية الثانوية. عندما يحدث طي البروتين، تكمن مجموعات R الكارهة للماء من الأحماض الأمينية غير القطبية في الجزء الداخلي من البروتين، بينما تكمن مجموعات R المحبة للماء في الخارج. تُعرف الأنواع السابقة من التفاعلات أيضًا بالتفاعلات الكارهة للماء.

في الطبيعة، تتكون بعض البروتينات من العديد من الببتيدات المتعددة، والمعروفة أيضًا باسم الوحدات الفرعية، ويشكل تفاعل هذه الوحدات الفرعية البنية الرباعية. تساعد التفاعلات الضعيفة بين الوحدات الفرعية على استقرار الهيكل العام. على سبيل المثال، الهيموجلوبين هو مزيج من أربع وحدات فرعية متعددة الببتيد.

الشكل\(\PageIndex{9}\): يمكن ملاحظة المستويات الأربعة لبنية البروتين في هذه الرسوم التوضيحية. (مصدر: تعديل عمل المعهد الوطني لبحوث الجينوم البشري)

كل بروتين له تسلسله الفريد وشكله المتماسكين بالتفاعلات الكيميائية. إذا كان البروتين عرضة للتغيرات في درجة الحرارة أو درجة الحموضة أو التعرض للمواد الكيميائية، فقد تتغير بنية البروتين، مما يفقد شكله فيما يعرف باسم التمسخ كما تمت مناقشته سابقًا. غالبًا ما يكون التمسخ قابلاً للانعكاس لأنه يتم الحفاظ على البنية الأساسية إذا تمت إزالة عامل تغيير الطبيعة، مما يسمح للبروتين باستئناف وظيفته. في بعض الأحيان يكون التشويه غير قابل للإلغاء، مما يؤدي إلى فقدان الوظيفة. يمكن رؤية أحد الأمثلة على تمسخ البروتين عندما تكون البيضة مقلية أو مسلوقة. يتم تغيير طبيعة بروتين الألبومين الموجود في بياض البيض السائل عند وضعه في مقلاة ساخنة، ليتحول من مادة شفافة إلى مادة بيضاء غير شفافة. لا يتم تغيير طبيعة جميع البروتينات في درجات الحرارة المرتفعة؛ على سبيل المثال، تحتوي البكتيريا التي تعيش في الينابيع الساخنة على بروتينات تتكيف لتعمل في درجات الحرارة هذه.

مفهوم في العمل

للحصول على منظور إضافي للبروتينات، استكشف «الجزيئات الحيوية: البروتينات» من خلال هذه الرسوم المتحركة التفاعلية.

الأحماض النووية

الأحماض النووية هي الجزيئات الكبيرة الرئيسية في استمرارية الحياة. إنها تحمل المخطط الجيني للخلية وتحمل تعليمات لعمل الخلية.

النوعان الرئيسيان من الأحماض النووية هما حمض الديوكسي ريبونوكلييك (DNA) وحمض الريبونوكلييك (RNA). الحمض النووي هو المادة الوراثية الموجودة في جميع الكائنات الحية، بدءًا من البكتيريا أحادية الخلية إلى الثدييات متعددة الخلايا.

النوع الآخر من الحمض النووي، RNA، يشارك في الغالب في تخليق البروتين. لا تغادر جزيئات الحمض النووي النواة أبدًا، ولكن بدلاً من ذلك تستخدم وسيط RNA للتواصل مع بقية الخلية. تشارك أنواع أخرى من الحمض النووي الريبي أيضًا في تخليق البروتين وتنظيمه.

يتكون الحمض النووي والحمض النووي الريبي من مونومرات تعرف باسم النيوكليوتيدات. تتحد النيوكليوتيدات مع بعضها البعض لتشكيل بولي نيوكليوتيد أو DNA أو RNA. يتكون كل نيوكليوتيد من ثلاثة مكونات: قاعدة نيتروجينية وسكر البنتوس (خمسة كربون) ومجموعة الفوسفات (الشكل\(\PageIndex{10}\)). ترتبط كل قاعدة نيتروجينية في النوكليوتيد بجزيء السكر المرتبط بمجموعة الفوسفات.

الشكل\(\PageIndex{10}\): يتكون النوكليوتيد من ثلاثة مكونات: قاعدة نيتروجينية وسكر بنتوس ومجموعة فوسفات.

هيكل الحمض النووي الحلزوني المزدوج

يحتوي الحمض النووي على بنية حلزونية مزدوجة (الشكل\(\PageIndex{11}\)). وتتكون من شريطين أو بوليمرات من النيوكليوتيدات. تتكون الخيوط من روابط بين مجموعات الفوسفات والسكر من النيوكليوتيدات المجاورة. يتم ربط الخيوط ببعضها البعض في قواعدها بروابط هيدروجينية، وتلتف الخيوط حول بعضها البعض بطولها، ومن هنا جاء وصف «اللولب المزدوج»، والذي يعني دوامة مزدوجة.

الشكل\(\PageIndex{11}\): يُظهر نموذج الحلزون المزدوج الحمض النووي كشريطين متوازيين من الجزيئات المتشابكة. (تصوير: جيروم ووكر، دينيس ميتس)

تقع مجموعات السكر والفوسفات المتناوبة على السطح الخارجي لكل خيط، وتشكل العمود الفقري للحمض النووي. يتم تكديس القواعد النيتروجينية في الداخل، مثل درجات الدرج، وتتزاوج هذه القواعد؛ وترتبط الأزواج ببعضها البعض بواسطة روابط هيدروجينية. تتزاوج القواعد بحيث تكون المسافة بين العمود الفقري للخيطين هي نفسها على طول الجزيء.

ملخص

تعتمد الكائنات الحية على الكربون لأن الكربون يلعب دورًا بارزًا في كيمياء الكائنات الحية. يمكن أن تؤدي مواقع الترابط التساهمية الأربعة لذرة الكربون إلى ظهور تنوع كبير في المركبات ذات الوظائف العديدة، مما يفسر أهمية الكربون في الكائنات الحية. الكربوهيدرات هي مجموعة من الجزيئات الكبيرة التي تعد مصدرًا حيويًا للطاقة للخلية، وتوفر الدعم الهيكلي للعديد من الكائنات الحية، ويمكن العثور عليها على سطح الخلية كمستقبلات أو للتعرف على الخلايا. يتم تصنيف الكربوهيدرات على أنها السكريات الأحادية والسكريات الثنائية والسكريات، اعتمادًا على عدد المونومرات في الجزيء.

الدهون هي فئة من الجزيئات الكبيرة غير القطبية والنافرة للماء بطبيعتها. تشمل الأنواع الرئيسية الدهون والزيوت والشمع والفوسفوليبيدات والمنشطات. الدهون والزيوت هي شكل مخزن من الطاقة ويمكن أن تشمل الدهون الثلاثية. تتكون الدهون والزيوت عادة من الأحماض الدهنية والجلسرين.

البروتينات هي فئة من الجزيئات الكبيرة التي يمكنها أداء مجموعة متنوعة من الوظائف للخلية. فهي تساعد في عملية التمثيل الغذائي من خلال توفير الدعم الهيكلي والعمل كإنزيمات أو ناقلات أو هرمونات. اللبنات الأساسية للبروتينات هي الأحماض الأمينية. يتم تنظيم البروتينات على أربعة مستويات: الابتدائي والثانوي والثالثي والرباعي. يرتبط شكل البروتين ووظيفته ارتباطًا وثيقًا؛ أي تغيير في الشكل ناتج عن التغيرات في درجة الحرارة أو درجة الحموضة أو التعرض للمواد الكيميائية قد يؤدي إلى تمسخ البروتين وفقدان الوظيفة.

الأحماض النووية هي جزيئات تتكون من وحدات متكررة من النيوكليوتيدات التي توجه الأنشطة الخلوية مثل انقسام الخلايا وتخليق البروتين. يتكون كل نيوكليوتيد من سكر بنتوس وقاعدة نيتروجينية ومجموعة فوسفات. هناك نوعان من الأحماض النووية: DNA و RNA.

مسرد المصطلحات

حمض أميني

مونومر بروتين

الكربوهيدرات

جزيء بيولوجي كبير تكون فيه نسبة الكربون إلى الهيدروجين إلى الأكسجين 1:2:1؛ تعمل الكربوهيدرات كمصادر للطاقة ودعم هيكلي في الخلايا

سليولوز

السكاريد الذي يشكل جدران خلايا النباتات ويوفر الدعم الهيكلي للخلية

كيتين

نوع من الكربوهيدرات التي تشكل الهيكل العظمي الخارجي للمفصليات، مثل الحشرات والقشريات، وجدران خلايا الفطريات

تمسخ

فقدان الشكل في البروتين نتيجة للتغيرات في درجة الحرارة أو درجة الحموضة أو التعرض للمواد الكيميائية

حمض الديوكسي ريبونوكلييك (DNA)

بوليمر مزدوج الطبقات من النيوكليوتيدات يحمل المعلومات الوراثية للخلية

السكاريد

اثنان من مونومرات السكر التي ترتبط ببعضها البعض بواسطة رابطة الببتيد

خميرة

محفز في التفاعل البيوكيميائي الذي عادة ما يكون بروتينًا معقدًا أو مترافقًا

سمين

جزيء دهني يتكون من ثلاثة أحماض دهنية وجليسرول (الدهون الثلاثية) الذي يوجد عادة في شكل صلب في درجة حرارة الغرفة

الجليكوجين

كربوهيدرات تخزين في الحيوانات

هرمون

جزيء إشارة كيميائي، عادة ما يكون بروتينًا أو ستيرويدًا، تفرزه غدة صماء أو مجموعة من خلايا الغدد الصماء؛ يعمل على التحكم في عمليات فسيولوجية معينة أو تنظيمها

الدهون

فئة من الجزيئات الكبيرة غير القطبية وغير القابلة للذوبان في الماء

جزيء كبير

جزيء كبير، يتكون غالبًا عن طريق بلمرة المونومرات الصغيرة

أحادي السكاريد

وحدة واحدة أو مونومر من الكربوهيدرات

حمض نووي

جزيء بيولوجي كبير يحمل المعلومات الجينية للخلية ويحمل تعليمات لعمل الخلية

النيوكليوتيد

مونومر من الأحماض النووية؛ يحتوي على سكر البنتوس ومجموعة الفوسفات والقاعدة النيتروجينية

نفط

الدهون غير المشبعة التي هي سائل في درجة حرارة الغرفة

فوسفوليبيد

مكون رئيسي لأغشية الخلايا؛ يتكون من اثنين من الأحماض الدهنية ومجموعة الفوسفات المرتبطة بالعمود الفقري للجلسرين

بولي ببتيد

سلسلة طويلة من الأحماض الأمينية المرتبطة بروابط الببتيد

السكاريد

سلسلة طويلة من السكريات الأحادية؛ قد تكون متفرعة أو غير متفرعة

بروتين

جزيء بيولوجي كبير يتكون من سلسلة واحدة أو أكثر من الأحماض الأمينية

حمض الريبونوكليك (RNA)

بوليمر أحادي الجديلة من النيوكليوتيدات التي تشارك في تخليق البروتين

حمض دهني مشبع

هيدروكربون طويل السلسلة مع روابط تساهمية واحدة في سلسلة الكربون؛ يتم زيادة عدد ذرات الهيدروجين المرتبطة بهيكل الكربون إلى الحد الأقصى

نشاء

أ) تخزين الكربوهيدرات في النباتات

الستيرويد

نوع من الدهون يتكون من أربع حلقات هيدروكربونية منصهرة

الدهون المتحولة

شكل من أشكال الدهون غير المشبعة مع ذرات الهيدروجين المجاورة للرابطة المزدوجة مقابل بعضها البعض وليس على نفس الجانب من الرابطة المزدوجة

الدهون الثلاثية

جزيء دهني؛ يتكون من ثلاثة أحماض دهنية مرتبطة بجزيء الجلسرين

حمض دهني غير مشبع

هيدروكربون طويل السلسلة يحتوي على رابط مزدوج واحد أو أكثر في سلسلة الهيدروكربون

المساهمون والصفات

• Template:ContribOpenStaxConcepts