كيمياء الخلية

8-2 كيمياء الخلية

Cell Chemistry

الفكرة الرئيسة

تتكون خلايا المخلوقات الحية من مركبات عضوية يدخل في تركيبها الكربون بوصفه عنصرًا أساسيًا.

الربط مع الحياة

يستمتع الأطفال بلعبة القطار؛ لأنهم يربطون مجموعة من العربات معًا، ويكونون أشكالًا متنوعة منها من خلال ربط عربات ذات ألوان أو وظائف متشابهة معًا. وكذلك الأمر في علم الأحياء؛ فهناك جزيئات كبيرة تتكون من الكثير من الوحدات الصغيرة المتصلة معًا.

الأهداف

• تصف أهمية عنصر الكربون في المخلوقات الحية.
• تلخص المجموعات الأربع الرئيسة للجزيئات الحيوية الكبيرة.
• تقارن بين وظائف كل مجموعة من الجزيئات الحيوية الكبيرة.
• تلخص أهمية الإنزيمات في المخلوقات الحية.

مراجعة المفردات

الإنزيم: بروتين يسرع من معدل التفاعل الكيميائي.

المفردات الجديدة

الجزيئات الكبيرة
البوليمر
الحمض الأميني
طاقة التنشيط
المحفز
الموقع النشط
الحمض النووي
النيوكليوتيدات

---

الكيمياء العضوية

Organic Chemistry

خلق الله سبحانه وتعالى معظم الحياة على سطح الأرض تعتمد على الكربون؛ لأن عنصر الكربون يدخل في تركيب معظم الجزيئات الحيوية. ولما كان الكربون عنصرًا ضروريًا فقد خصص العلماء فرعًا كاملًا في الكيمياء يسمى الكيمياء العضوية؛ لدراسة المركبات العضوية، أي المركبات التي تحتوي على الكربون.

تستطيع ذرة كربون واحدة تكوين أربع روابط مشتركة مع الذرات الأخرى؛ وذلك لأن الكربون يحتوي أربعة إلكترونات في مداره الأخير، كما في الشكل 8-17. حيث تمكن هذه الروابط ذرات الكربون من الارتباط معًا، مما ينتج عنها مركبات عضوية متنوعة، فقد تكون على صورة سلاسل مستقيمة، أو متفرعة، أو على صورة مركبات حلقية، كما في الشكل 8-17.

الصور المرتبطة

p01_أشكال_جزيئات_الكربون.png
p01_تنوع_الحياة_وذرة_الكربون.png

الشكل 8-17

يعتمد التنوع المدهش في الحياة على تنوع المركبات الكربونية التي أوجدها الخالق جل وعلا؛ فوجود أربعة إلكترونات في المدار الأخير للكربون يسمح بتكوين جزيئات ذات سلاسل مستقيمة أو متفرعة أو حلقية.

---

الصفحة 216

الجزيئات الكبيرة

Macromolecules

يمكن أن ترتبط ذرات الكربون معًا لتكون جزيئات الكربون. وبالطريقة نفسها، تخزن معظم الخلايا مركبات كربونية صغيرة تعمل عمل وحدات بناء أساسية للجزيئات الكبيرة.

الجزيئات الكبيرة macromolecules جزيئات ضخمة، تتكون من ارتباط جزيئات عضوية أصغر. وتسمى هذه الجزيئات الكبيرة البوليمرات polymers، وهي جزيئات مكونة من وحدات متكررة من مركبات متشابهة أو قريبة الشبه تسمى الوحدات الأساسية، أو المونومرات monomers، ترتبط معًا بسلسلة من الروابط المشتركة، أو التساهمية.

وكما في الجدول 8-2، تقسم الجزيئات الحيوية الكبيرة إلى أربع مجموعات رئيسة، هي: الكربوهيدرات، والدهون، والبروتينات، والأحماض النووية.

ماذا قرأت؟

استخدم التشابه في وصف الجزيئات الكبيرة.

أصل الكلمة

البوليمر Polymer

Poly: من اليونانية، وتعني: العديد.
meros: من اليونانية، وتعني: جزء.

---

الجدول 8-2

الجزيئات الكبيرة

الصورة المرتبطة

p02_جدول_الجزيئات_الكبيرة.png

| المجموعة | المثال | الوظيفة |
| --------------- | ------------------------------------------ | -------------------------------------------------------------------- |
| الكربوهيدرات | خبز | تخزن الطاقة. توفر دعمًا تركيبيًا. |
| الدهون | خلية نحل | تخزن الطاقة. تشكل حواجز. |
| البروتينات | الهيموجلوبين | تنقل المواد. تزيد سرعة التفاعل. تعطي دعمًا تركيبيًا. تكون الهرمونات. |
| الأحماض النووية | جزيء DNA المعلومات الوراثية في نواة الخلية | تخزن المعلومات الوراثية وتنقلها. |

إرشادات الدراسة

ملاحظات ثنائية مطوية

اطوِ ورقة طولًا نصفين، واكتب أنواع المركبات بالخط الغامق الذي يظهر تحت عنوان الجزيئات الكبيرة على الجانب الأيمن، وسجل الملاحظات حول الأفكار المهمة والمفردات في أثناء قراءتك القسم.

---

الصفحة 217

الكربوهيدرات

Carbohydrates

تسمى المركبات التي تتكون من الكربون والهيدروجين والأكسجين بالنسب التالية: ذرتا هيدروجين وذرة أكسجين لكل ذرة كربون، الكربوهيدرات. وتكتب الصيغة العامة للكربوهيدرات في صورة:

(CH₂O)n

حيث تمثل n عدد وحدات CH₂O في السلسلة. وتسمى الكربوهيدرات في أجسام المخلوقات الحية السكريات البسيطة أو السكريات الأحادية، إذا كانت قيمة n بين 3-7. وتؤدي الكربوهيدرات الأحادية المبينة في الشكل 8-18 دورًا أساسيًا بوصفها مصدرًا للطاقة في المخلوقات الحية.

يمكن أن ترتبط جزيئات أحادية السكر لتكوين جزيئات أكبر. ويرتبط جزيئان من السكر معًا ارتباطًا لتصبح السكريات الثنائية. وتشمل السكريات الثنائية السكروز، سكر المائدة، المبين في الشكل 8-18، واللاكتوز الذي هو أحد مكونات الحليب.

أما جزيئات الكربوهيدرات الأطول فتسمى السكريات المتعددة. والجلايكوجين المبين في الشكل 8-18 واحد من الأمثلة على هذه السكريات؛ إذ يتكون من الجلوكوز، وهو مخزن للطاقة، ويوجد في الكبد والعضلات الهيكلية. وعندما يحتاج الجسم إلى الطاقة خلال التمارين الرياضية أو بين الوجبات يتحلل الجلايكوجين إلى جلوكوز.

بالإضافة إلى دور الكربوهيدرات بوصفها مصدرًا للطاقة، فهي تؤدي وظائف أخرى مهمة. ففي النبات يوفر السليلوز، وهو نوع من الكربوهيدرات، دعمًا وتركيبًا للجدار الخلوي، كما في الشكل 8-19.

الصورة المرتبطة

p03_الكربوهيدرات_سكريات_أحادية_وثنائية_ومتعددة.png

الشكل 8-18

الجلوكوز من السكريات الأحادية، والسكروز من السكريات الثنائية، والجلايكوجين من السكريات المتعددة. ويتكون الجلايكوجين من الجلوكوز بوصفه وحدات أساسية.

الصورة المرتبطة

p03_السليلوز_في_جدار_الخلية_النباتية.png

الشكل 8-19

السليلوز في خلايا النبات يعطي تركيبًا للأشجار لتبقى منتصبة في الغابة.

---

الصفحة 218

يتكون السليلوز من سلاسل جلوكوز ترتبط معًا بألياف صلبة تناسب تمامًا دورها التركيبي. ويعد الكايتين من المركبات العديدة السكر التي تحتوي النيتروجين، وهو المكون الرئيس لمفصليات الأرجل ومنها الخنافس، وسرطان البحر، وبعض القشريات، وكذلك الجدار الخلوي لبعض الفطريات.

---

الدهون

Lipids

تحتوي جزيئات الدهون غالبًا على الكربون والهيدروجين، وهي تكون الشحم والزيوت والشمع. وتتكون الدهون من وحدات بنائية هي الأحماض الدهنية والجليسرول، ومكونات أخرى.

والوظيفة الرئيسة للدهون هي تخزين الطاقة. ومن هذه الدهون ثلاثي الجليسريد، وقد يكون دهنًا إذا كان صلبًا في درجة حرارة الغرفة، وزيتًا إذا كان سائلًا في درجة حرارة الغرفة. بالإضافة إلى ذلك، يتم تخزين ثلاثي الجليسريد في الخلايا الدهنية في الجسم.

كما تغطي أوراق الأشجار بدهون تسمى شمع الكيوتيكل تمنع فقدان الماء. وتتكون حجرات خلية النحل من شمع النحل.

---

الدهون المشبعة وغير المشبعة

Saturated and unsaturated fats

تحتاج المخلوقات الحية إلى الدهون لإتمام وظائفها. ويتضمن التركيب الأساسي للدهون الأحماض الدهنية، كما في الشكل 8-20.

تحتوي جزيء من الأحماض الدهنية على ذرات الكربون التي يرتبط بعضها ببعض من جهة، ومع الهيدروجين من جهة أخرى بروابط أحادية أو ثنائية. فإذا كانت الروابط بين ذرات الكربون أحادية، سميت الدهون المشبعة.

أما الدهون التي تحتوي رابطة ثنائية واحدة على الأقل بين ذرات الكربون في سلسلة الحمض الدهني فتسمى الدهون غير المشبعة. وتسمى الدهون التي تحتوي أكثر من رابطة ثنائية واحدة الدهون غير المشبعة المتعددة.

---

الدهون المفسفرة

Phospholipids

الشكل 8-20 يبين دهونًا خاصة تسمى الدهون المفسفرة، وهي مسؤولة عن تركيب الغشاء الخلوي ووظيفته.

فالدهون كارهة للماء، وهذا يعني أنها لا تذوب فيه. وهذه الخاصية مهمة؛ لأنها تسمح للدهون أن تعمل حاجزًا في الأغشية الحيوية.

---

مختبر تحليل البيانات 8-3

بناء على بيانات حقيقية

فسر البيانات

هل تؤثر الألياف الذائبة في مستويات الكوليسترول؟

يرتبط وجود كميات كبيرة من الستيرويدات، تسمى الكوليسترول، في الدم بظهور أمراض القلب. ويدرس الباحثون آثار الألياف الذائبة في الطعام في الكوليسترول.

البيانات والملاحظات

قيمت هذه الدراسة تأثير تناول ألياف ذائبة في مستويات الكوليسترول في الدم، وهي:

الكيتين PE
علكة الغوار Guar gum GG
السليلوز CNT
البسيليوم PSY

وتم استخدام السليلوز بوصفه مجموعة ضابطة.

التفكير الناقد

• احسب نسبة التغير في مستويات الكوليسترول مقارنة بالمجموعة الضابطة.
• صف أثر الألياف الذائبة في مستويات الكوليسترول في الدم.

الصورة المرتبطة

p04_مختبر_تحليل_البيانات_تأثير_الألياف_الذائبة.png

---

الصفحة 219

الصورة المرتبطة

p05_الأحماض_الدهنية_والدهون_المفسفرة.png

الشكل 8-20

لا توجد رابطة ثنائية بين ذرات الكربون في حمض الستيريك، في حين توجد رابطة ثنائية واحدة في حمض الأوليك. وتحتوي الدهون المفسفرة على سلسلتين غير قطبيتين من الأحماض الدهنية.

---

الستيرويدات

Steroids

هناك مجموعة أخرى مهمة من الدهون، وهي مجموعة الستيرويدات، التي تضم مواد منها الكوليسترول والهرمونات.

وعلى الرغم من الاعتقاد الشائع الذي يعدها دهونًا ضارة، إلا أن الكوليسترول يعد نقطة البداية في إنتاج دهون ضرورية أخرى، ومنها فيتامين D وهرمونات الإستروجين والتستوستيرون.

---

البروتينات

Proteins

الوحدات البنائية الأخرى في المخلوقات الحية البروتين. ويتكون البروتين من مركبات كربونية صغيرة تسمى الأحماض الأمينية.

والأحماض الأمينية amino acids مركبات صغيرة مكونة من كربون، ونيتروجين، وأكسجين، وهيدروجين، وأحيانًا كبريت. وتشترك الأحماض الأمينية جميعها في التركيب العام نفسه.

---

تركيب الحمض الأميني

Amino acid structure

توجد ذرة كربون مركزية في الأحماض الأمينية، الشكل 8-21. ويكون الكربون أربع روابط مشتركة، وإحدى هذه الروابط مع الهيدروجين، والروابط الثلاث الأخرى مع كل من مجموعة الأمين NH₂، ومجموعة الكاربوكسيل COOH، والمجموعة المتغيرة R.

وتجعل المجموعة المتغيرة كل حمض أميني مختلفًا عن الآخر. وهناك 20 مجموعة متغيرة مختلفة. يتكون البروتين من الارتباط المتنوع بين جميع الأحماض الأمينية العشرين المختلفة.

وترتبط عدة روابط مشتركة، تسمى الروابط الببتيدية، الأحماض الأمينية معًا لتكون البروتينات، الشكل 8-21. وتتكون الرابطة الببتيدية بين مجموعة الأمين لحمض أميني ومجموعة الكاربوكسيل لحمض أميني آخر.

الصورة المرتبطة

p05_تركيب_الحمض_الأميني_والرابطة_الببتيدية.png

الشكل 8-21

يبين نموذج التركيب العام للحمض الأميني أربع مجموعات حول ذرة كربون مركزية. يسار: تتكون الرابطة الببتيدية في البروتينات نتيجة تفاعل كيميائي.

فسر

ما الجزيء الآخر الناتج عن تكون رابطة ببتيدية؟

---

الصفحة 220

وظيفة البروتين

Protein function

تشكل البروتينات حوالي 15% من كتلة الجسم، وتسهم في كل وظيفة من وظائفه تقريبًا. فمثلًا، تتكون عضلاتك وجلدك وشعرك من البروتينات.

وتحتوي خلايا الجسم حوالي 10000 نوع من البروتينات. وتوجد بروتينات كثيرة التركيب داخل الخلايا الحيوانية، وبروتينات داخل الخلايا توصل الإشارات داخل الخلية وبين الخلايا، وتزيد من معدل سرعة التفاعلات الكيميائية، وتسيطر على نمو الخلايا.

---

الإنزيمات

Enzymes

تحدث مجموعة هائلة من التفاعلات الكيميائية في جميع المخلوقات الحية. وتحدث هذه التفاعلات الكيميائية ببطء عندما تتم في المختبر؛ لأن طاقة التنشيط لها عالية.

طاقة التنشيط activation energy: هي الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لحدوث التفاعل الكيميائي.

وحتى يكون الأمر مفيدًا للمخلوقات الحية دون الحاجة إلى استهلاك المزيد من الطاقة، يجب أن يكون هناك مواد إضافية لتسهيل حدوث التفاعل الكيميائي، على أن تقلل طاقة التنشيط، وتسرع التفاعل.

المحفز catalyst: مادة تقلل طاقة التنشيط التي يتطلبها بدء التفاعل الكيميائي. وعلى الرغم من أن المحفز يؤدي دورًا مهمًا في تسريع التفاعل الكيميائي، إلا أنه لا يزيد من كمية نواتج التفاعل، ولا يستهلك في التفاعل.

ويستخدم العلماء أنواعًا عديدة من المحفزات لحدوث التفاعلات بصورة أسرع آلاف المرات مما لو حدث التفاعل من دون المحفز.

هناك أنواع خاصة من البروتينات تسمى الإنزيمات، وهي محفزات حيوية خلقها الله سبحانه وتعالى لكي تزيد سرعة التفاعل الكيميائي في العمليات الحيوية؛ فالإنزيمات ضرورية للحياة.

قارن بين مسار التفاعل في الشكل 8-22 لتعرف أثر الإنزيم في التفاعل الكيميائي. فالإنزيم، كأي محفز، لا يستهلك في أثناء التفاعل الكيميائي، ويمكن استخدامه مرة أخرى بعد أن يسهم في أي تفاعل كيميائي.

ومن الإنزيمات الأميليز، وهو مهم في اللعاب. وتبدأ عملية الهضم في الفم عندما يسرع إنزيم الأميليز تحليل سكر الأميلوز، أحد مكونات النشا. وكما هو الحال في الأميليز، فإن معظم الإنزيمات تختص بتفاعل واحد فقط.

تكون الإنزيمات على درجة عالية من التخصص بنوع من التفاعلات؛ وهي في هذا تختلف عن العوامل المساعدة الكيميائية الأخرى. فهي اختيارية في تفاعلاتها؛ فكل إنزيم ينشط تفاعلًا واحدًا أو عددًا قليلًا من التفاعلات، ولا تحدث تفاعلات جانبية غير مرغوبة.

يعمل الإنزيم على تقليل طاقة التنشيط اللازمة لبدء التفاعل، بحيث يحدث عند درجة حرارة الخلية. فكيف يقلل الإنزيم طاقة التنشيط لبدء التفاعل؟ تتبع الشكل 8-23 لتتعلم كيف يعمل الإنزيم.

الصورة المرتبطة

p06_مخطط_طاقة_التنشيط_والإنزيم.png

الشكل 8-22

طاقة تنشيط إنزيم محفز حيوي يكون فيها التفاعل أسرع. قارن بين طاقة تنشيط التفاعل من دون وجود الإنزيم وطاقة تنشيط التفاعل مع وجود الإنزيم.

---

الصفحة 221

الصورة المرتبطة

p07_الموقع_النشط_وعمل_الإنزيم.png

الشكل 8-23

تتفاعل المادة المتفاعلة مع الإنزيم في أماكن خاصة تسمى المواقع النشطة، حيث ترتبط معه المواد التي يناسب شكلها شكل الموقع النشط.

تسمى المواد التي ترتبط مع الإنزيم المواد المتفاعلة substrates. ويسمى موقع ارتباط المادة المتفاعلة مع الإنزيم الموقع النشط active site.

وللموقع النشط والمادة المتفاعلة شكل متكامل ومتطابق، يمكن المادة المتفاعلة والإنزيم من الارتباط بالقرب حتى تصبحا بطريقة تسمح بقطع الروابط أو تكوين روابط جديدة. وكما هو مبين في الشكل 8-23 يتحد الإنزيم بالمواد المتفاعلة التي لها نفس حجم الموقع النشط وشكله.

عندما ترتبط المادة المتفاعلة مع الموقع النشط يغير هذا الموقع شكله، ويكون معقد الإنزيم-المادة المتفاعلة. ويساعد الإنزيم المواد المتفاعلة على تكسير الروابط الكيميائية في المواد المتفاعلة، وتكوين روابط جديدة، حيث تتفاعل المواد المتفاعلة لتكون ناتجًا يحرره الإنزيم بعد ذلك.

تؤثر عوامل منها الرقم الهيدروجيني، ودرجة الحرارة، ومواد أخرى في نشاط الإنزيم. فمثلًا، تكون معظم الإنزيمات في خلايا الإنسان في أقصى نشاط لها عند درجة حرارة تماثل درجة 37°C. ولكن الإنزيمات في المخلوقات الحية الأخرى كالبكتيريا تكون نشطة عند درجة حرارة مختلفة.

تؤثر الإنزيمات في الكثير من العمليات الحيوية. فعندما تلسع أفعى سامة شخصًا ما، فإن إنزيمًا موجودًا في سمها يتلف الغشاء البلازمي في خلايا دمه الحمراء، وكذلك يضعف العضلات الأخرى. وتعطي عمليات البناء الضوئي والتنفس الطاقة للخلايا بمساعدة الإنزيمات.

ولما كان النحل العامل مهمًا في خلية النحل، فإن الإنزيمات أيضًا مهمة في الخلية.

---

الأحماض النووية

Nucleic acids

المجموعة الرابعة من الجزيئات الحيوية الكبيرة هي الأحماض النووية nucleic acids، وهي جزيئات كبيرة معقدة تخزن المعلومات الوراثية وتنقلها.

يتكون الحمض النووي من وحدات بنائية صغيرة متكررة تسمى النيوكليوتيدات nucleotides. وتتكون النيوكليوتيدات من ذرات كربون، ونيتروجين، وأكسجين، وفوسفور، وهيدروجين، الشكل 8-24.

هناك ستة نيوكليوتيدات رئيسة، كلها تحوي ثلاث وحدات، هي: الفوسفات، والقاعدة النيتروجينية، وسكر الريبوز الخماسي.

---

الصفحة 222

الصورة المرتبطة

p08_تركيب_النيوكليوتيد_والحمض_النووي.png

الشكل 8-24

يمين: ترتبط النيوكليوتيدات معًا نتيجة وجود روابط بين مجموعة السكر ومجموعة الفوسفات.
يسار: يحتوي نيوكليوتيدات DNA سكر الريبوز المنقوص الأكسجين، في حين يحتوي RNA سكر الريبوز.

وهناك نوعان من الأحماض النووية في المخلوقات الحية، هما: الحمض النووي الرايبوزي المنقوص الأكسجين DNA، والحمض النووي الرايبوزي RNA.

ففي الأحماض النووية مثل DNA وRNA، يرتبط سكر الريبوز في أحد النيوكليوتيدات مع مجموعة فوسفات لنيوكليوتيد آخر. أما القاعدة النيتروجينية التي تبرز خارج السلسلة فهي قابلة لتكوين رابطة هيدروجينية مع قواعد أخرى في نيوكليوتيدات أخرى.

يسمى النيوكليوتيد الذي يحتوي ثلاث مجموعات من الفوسفات بالأدينوسين الثلاثي الفوسفات ATP، وهو الجزيء الذي يخزن الطاقة الكيميائية التي تستخدمها الخلايا في تفاعلاتها المختلفة، حيث تتحرر الطاقة عند كسر الرابطة بين مجموعة الفوسفات الثانية والثالثة.

---

التقويم 8-2

الصورة المرتبطة

p08_تقويم_كيمياء_الخلية.png

الخلاصة

• المركبات الكربونية جزيئات البناء الأساسية في المخلوقات الحية.
• تتكون الجزيئات الحيوية الكبيرة بوساطة ارتباط مركبات كربونية صغيرة تكون البوليمرات.
• هناك أربعة أنواع من الجزيئات الحيوية الكبيرة.
• ترتبط الأحماض الأمينية برابطة ببتيدية لتكون البروتين.
• تتكون سلاسل النيوكليوتيدات الأحماض النووية.
• الإنزيمات محفزات حيوية.

فهم الأفكار الرئيسة

• الفكرة الرئيسة: فسر إذا تم تحديد مادة غير معروفة وجدت في النيازك ولا تحتوي على بقايا كربون، فهل يستطيع العلماء استنتاج أن هناك حياة في النيزك؟
• اعمل قائمة تقارن فيها بين الجزيئات الحيوية الكبيرة الأربعة.
• حدد مكونات الكربوهيدرات والبروتينات.
• ناقش أهمية ترتيب الحمض الأميني في وظيفة البروتين.
• صف أهمية الإنزيمات في المخلوقات الحية.

التفكير الناقد

• لخص نتيجة وجود الكثير من البروتينات في الجسم، وفسر لماذا يعد شكل الإنزيم مهمًا لوظيفته؟
• ارسم تركيبين أحدهما سلسلة مستقيمة، وأخرى حلقية، لكربوهيدرات صيغتها الكيميائية:

(CH₂O)₆.