اسم الصورة: تنوع المركبات الكربونية في المخلوقات الحية

اسم الصورة: تنوع المركبات الكربونية في المخلوقات الحية

4-2

كيمياء الخلية
Cell Chemistry

الفكرة الرئيسة تتكون خلايا المخلوقات الحية من مركبات عضوية يدخل في تركيبها الكربون بوصفه عنصرًا أساسيًّا.

الربط مع الحياة يستمتع الأطفال بالقطار اللعبة؛ 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

Organic Chemistry
الكيمياء العضوية

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 ضروريًّا فقد خصص العلماء فرعًا كاملاً في الكيمياء يسمى الكيمياء العضوية، لدراسة المركبات العضوية، أو المركبات التي تحتوي على الكربون. تستطيع ذرة كربون واحدة تكوين أربع روابط مشتركة مع الذرات الأخرى، وذلك لأن الكربون يحوي أربعة إلكترونات في مداره الأخير، كما في الشكل 4-17، حيث تمكن هذه الروابط ذرات الكربون من الارتباط معًا، مما ينتج عنها مركبات عضوية متنوعة. قد تكون على صورة سلاسل مستقيمة، أو متفرعة، أو على صورة مركبات حلقية، كما في الشكل 4-17.

جزيء مستقيم
جزيء متفرع
جزيء حلقي
ذرة الكربون

الشكل 4-17 يعتمد التنوع المذهل في الحياة على تنوع المركبات الكربونية التي أوجدها الخالق جل وعلا. وتوجد أربعة إلكترونات في المدار الأخير للكربون يسمح بتكوين جزيئات ذات سلاسل مستقيمة أو متفرعة أو حلقية.

Macromolecules
الجزيئات الكبيرة

يمكن أن ترتبط ذرات الكربون معًا لتكون جزيئات الكربون. وبالطريقة نفسها، تخزن معظم الخلايا مركبات كربونية صغيرة تعمل عمل وحدات بناء أساسية للجزيئات الكبيرة. والجزيئات الكبيرة macromolecules جزيئات ضخمة، تتكون من ارتباط جزيئات عضوية أصغر. وتسمى هذه الجزيئات الكبيرة البوليمرات polymers، جزيئات مكونة من وحدات متكررة من مركبات متشابهة أو قريبة الشبه تسمى الوحدات الأساسية (مونومرات monomers)، ترتبط معًا بسلسلة من الروابط المشتركة (التساهمية). وكما في الجدول 4-2، تقسم الجزيئات الحيوية الكبيرة إلى أربع مجموعات رئيسة، هي الكربوهيدرات، والدهون، والبروتينات، والأحماض النووية.

ماذا قرأت؟ استخدم التشابه في وصف الجزيئات الكبيرة.

المفردات
أصل الكلمة
Polymer البوليمر
"Poly" من اليونانية، وتعني "العديد"، و "meros" من اليونانية، وتعني "جزء".

اسم الصورة: جدول الجزيئات الكبيرة

الجدول 4-2
الجزيئات الكبيرة

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

إرشادات الدراسة
ملاحظات ثنائية اطوِ ورقة طوليًّا نصفين، واكتب الصفات المكتوب بالخط الغامق الذي يظهر تحت عنوان الجزيئات الكبيرة على الجانب الأيمن (البوليمرات). وسجل الملاحظات حول الأفكار المهمة والمفردات في أثناء قراءتك النص.

اسم الصورة: الجلوكوز والسكروز والجلايكوجين

Carbohydrates
الكربوهيدرات

الكربوهيدرات Carbohydrates تسمى المركبات التي تتكون من الكربون والهيدروجين والأكسجين بالنسبة الذرية التقريبية 1:2:1، حلقة وزوج هيدروجين 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. فإذا كانت قيمة n بين 3-7، ويدعى الجلوكوز وهو من السكريات الأحادية المبين في الشكل 4-18، دورًا أساسيًّا بوصفه مصدرًا للطاقة في المخلوقات الحية.

يمكن أن ترتبط جزيئات أحادية السكر لتكوين جزيئات أكبر. ويرتبط جزيئان من السكر إلى الأحاديات معًا لتصبح السكريات الثنائية. وتشمل السكريات الثنائية للاكتوز في أنه مصدر للطاقة. فالسكروز (سكر المائدة) المبين في الشكل 4-18، واللاكتوز الذي هو أحد مكونات الحليب هما سكريات ثنائية. أما جزيئات الكربوهيدرات الأطول تسمى السكريات المتعددة. والجلايكوجين المبين في الشكل 4-18 واحد من الأمثلة على هذه السكريات المتعددة، فالجلايكوجين يشكل آخر 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 النباتات، يوفر السليلوز (نوع من الكربوهيدرات) دعامة تركيبية للجدار الخلوي، كما في الشكل 4-19.

الشكل 4-18 الجلوكوز من السكريات الأحادية، ويتكون السكروز (سكر المائدة) من الجلوكوز والفركتوز، وكلاهما من السكريات الأحادية. الجلايكوجين من السكريات المتعددة ويتكون من الجلوكوز بوصفه وحدات أساسية.

جلوكوز
سكروز
جلايكوجين

اسم الصورة: ألياف السليلوز في خلايا النبات

الشكل 4-19 السليلوز في خلايا النبات يعطي دعمًا تركيبيًّا للأشجار لتبقى منتصبة في الغابة.

ألياف سليلوز
جلوكوز
رابطة عرضية

يتكون السليلوز من سلاسل جلوكوز ترتبط معًا بألياف صلبة تناسب تمامًا دورها التركيبي. ويعد الكايتين من المركبات العديدة التسكر التي تحتوي النيتروجين. وهو المكون التركيبي لمعطفة الرخويات الخارجية، وسرطان البحر وبعض الحشرات، وكذلك الجدار الخلوي لبعض الفطريات.

اسم الصورة: مختبر تحليل البيانات 4-3 تأثير الألياف الذائبة

مختبر تحليل البيانات 4-3

بناء على بيانات حقيقية

فسر البيانات

هل تؤثر الألياف الذائبة في مستويات الكولسترول؟ يرتبط وجود كميات كبيرة من الستيرويدات، تسمى الكولسترول، في الدم مع ظهور أمراض القلب. ويدرس الباحثون آثار الألياف الذائبة في الطعام في الكولسترول.

البيانات والملاحظات

تم استخدام أربعة أنواع من الألياف الذائبة، تبين أشكالًا في الدم، وهي: البكتين (PE)، وعلكة الجوار Guar gum (GG)، والسيليوم (PSY). وتم استخدام السيليلوز (CNT) بوصفه مجموعة ضابطة.

تأثير الألياف الذائبة

التفكير الناقد

• احسب نسبة التغير في مستويات الكولسترول مقارنة بالمجموعة الضابطة.

• صف أثر الألياف الذائبة في مستويات الكولسترول في الدم.

أخذت البيانات في هذا المختبر من:

Lipids
الدهون

الدهون Lipids تحتوي جزيئات الدهون غالبًا على الكربون، والهيدروجين، وهي تكون الشحوم، 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 سائلاً 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. وتكون 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 4-20. إن حمض دهني فرد الأحماض الدهنية ذرات الكربون التي ترتبط بعضها مع بعض من جهة ومع الهيدروجين من جهة أخرى بروابط أحادية وثنائية. 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

الدهون المفسفرة Phospholipids، وهي الشكل 4-20 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.

اسم الصورة: الأحماض الدهنية والدهون المفسفرة

الشكل 4-20 لا توجد رابطة ثنائية بين ذرات الكربون في حمض الستيريك. في حين توجد رابطة ثنائية واحدة في حمض الأوليك. وتحتوي الدهون المفسفرة ذيلاً قطبيًّا وسلسلتين غير قطبيتين من الأحماض الدهنية.

حمض الستيريك
حمض الأوليك
دهون مفسفرة
فوسفات قطبي
سلسلة حمض دهني غير قطبي

Steroids
الستيرويدات

الستيرويدات Steroids هناك مجموعة أخرى مهمة من الدهون، وهي مجموعة الستيرويدات التي تضم مواد منها الكولسترول والهرمونات. وعلى الرغم من الاعتقاد الشائع الذي يعدها دهونًا ضارة، إلا أن الكولسترول يعد نقطة البداية في إنتاج دهون ضرورية أخرى، ومنها فيتامين D وهرمونات الإستروجين والتستوستيرون.

Proteins
البروتينات

البروتينات Proteins هي الوحدات البنائية الأخرى في المخلوقات الحية البروتين. وتتكون 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.

Amino acid structure
تركيب الحمض الأميني

توجد ذرة كربون مركزية في الأحماض الأمينية، الشكل 4-21. ويتكون 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 البروتين، الشكل 4-21. وتتكون الرابطة الببتيدية بين مجموعة الأمين للحمض أميني ومجموعة الكاربوكسيل لحمض أميني آخر.

الشكل 4-21 يبين نموذج التركيب العام للحمض الأميني أربع مجموعات حول ذرة كربون مركزية. يسارًا، تتكون الرابطة الببتيدية في البروتينات نتيجة تفاعل كيميائي.
فسر ما الجزء الإستراتيجي في تكوين رابطة ببتيدية؟

رابطة ببتيدية
ثنائي الببتيد
مجموعة أمين
ذرة كربون غير متماثلة
مجموعة كاربوكسيل
حمض أميني

Protein function
وظيفة البروتين

تشكل البروتينات حوالي 15% من كتلة الجسم، وتسهم في كل وظيفة من وظائفه تقريبًا. فمثلاً، تتكون عضلاتك وجلدك وشعرك من البروتينات. وتحتوي خلايا الجسم حوالي 10,000 بروتين مختلف قد تفرز عضيات كيميائية تنتقل إلى مراحل داخل الخلية أو بين الخلايا، وتوصل الإشارات داخل الخلية وبين الخلايا، وتزيد من معدل سرعة التفاعلات الكيميائية، وتسيطر على نمو الخلايا.

Enzymes
الإنزيمات

تحدث مجموعة هائلة من التفاعلات الكيميائية في جميع المخلوقات الحية. وتحدث هذه التفاعلات الكيميائية ببطء عندما تتم في المختبر؛ لأن طاقة التنشيط لها عالية. وطاقة 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 لتضامن حدوث التفاعل الكيميائي، على أن تقلل طاقة التنشيط، وتسمح بالتفاعل بأن يكتمل بسرعة.

المحفز catalyst مادة تقلل طاقة التنشيط التي يتطلبها بدء التفاعل الكيميائي. وعلى الرغم من أن المحفز يؤدي دورًا مهمًّا 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؛ لأن المرات العمل لم تحدث التفاعل من دون المحفز. خلق الله سبحانه وتعالى لبروتين 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 4-22، لتعرف أثر الإنزيم في التفاعل الكيميائي. والإنزيم كأي محفز لا يتم استهلاكه 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 الأميليز، 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 يفعل الإنزيم ذلك؟ يتطلب بدء التفاعل، تتبع الشكل 4-23 لتتعلم كيف يعمل الإنزيم.

اسم الصورة: مخطط طاقة التفاعل

الشكل 4-22 عندما يحصل إنزيم جزء من عينة التفاعل سرعة تتضح منها الطاقة مقارنة مع طاقة تنشيط التفاعل من دون وجود الإنزيم، وطاقة تنشيط مع وجود الإنزيم.

مخطط طاقة
طاقة تنشيط
طاقة
مسار التفاعل
وجود الإنزيم
عدم وجود الإنزيم

المطويات
ضمن مطويتك معلومات من هذا القسم.

اسم الصورة: تفاعل المادة المتفاعلة مع الموقع النشط في الإنزيم

الشكل 4-23 تتفاعل المادة المتفاعلة مع الإنزيم في أماكن خاصة تسمى المواقع النشطة. حيث ترتبط معه المواد التي يناسب شكلها مع شكل الموقع النشط.

مادة متفاعلة
المواقع النشطة
ناتج
إنزيم
معقد الإنزيم والمادة المتفاعلة

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 متقابل أو متطابق يمكن المادة المتفاعلة والإنزيم من الارتباط بأسلوب دقيق مشابه لطريقة تشبه قطع الأحاجي بعضها مع بعض. وكما هو مبين في الشكل 4-23 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. فعادة تكون معظم الإنزيمات في خلايا الإنسان في أقصى نشاط لها عند درجة حرارة تقاس بدرجة 37.0°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 يدخل إنزيم موجود في سمها الغشاء البلازمي في خلايا دمه الحمراء، وكذلك يضعف العظم الأخضر القاسي نتيجة نشاط الإنزيم. وتعطي عمليات البناء الضوئي والتنفس الطاقة للخلية بمساعدة الإنزيمات. ولما كان النحل العامل مهمًا في بناء خلية النحل، فإن الإنزيمات أيضًا مهمة في الخلية.

Nucleic acids
الأحماض النووية

الأحماض النووية Nucleic acids هي المجموعة الرابعة من الجزيئات الحيوية الكبيرة، هي الأحماض النووية. الأحماض النووية nucleic acids 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 4-24. هناك ست نوكليوتيدات رئيسة، كلها تحوي ثلاث وحدات، هي الفوسفات والقاعدة النيتروجينية وسكر الرايبوز الخماسي.

اسم الصورة: تركيب النيوكليوتيد والحمض النووي

الشكل 4-24
يمين: ترتبط النيوكليوتيدات معًا نتيجة وجود روابط بين مجموعة السكر ومجموعة الفوسفات.
يسار: جزيء نيوكليوتيدات DNA سكر الرايبوز المنقوص الأكسجين، في حين تحوي نيوكليوتيدات RNA سكر الرايبوز.

مجموعة فوسفات
سكر
قاعدة نيتروجينية
نيوكليوتيد
حمض نووي
فوسفات
قاعدة

وهناك نوعان من الأحماض النووية في المخلوقات الحية، هما الحمض النووي الرايبوزي المنقوص الأكسجين (DNA)، والحمض النووي الرايبوزي (RNA). ففي الأحماض النووية مثل DNA و RNA، يرتبط سكر الرايبوز 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 يحوي 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.

اسم الصورة: التقويم 4-2

التقويم 4-2

الخلاصة

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

فهم الأفكار الرئيسة

• الفكرة الرئيسة فسر لماذا تحديد مادة غير معروفة وجدت في النيزك 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 مهمًّا لوظيفته؟

• ارسم تركيبين أحدهما سلسلة مستقيمة، وأخرى حلقة لكربوهيدرات صيغتها الكيميائية (CH2O)6.