الكربون

يُقال غالبًا إن الحياة "قائمة على الكربون". وهذا يعني أن ذرات الكربون، المرتبطة بذرات كربون أخرى أو عناصر أخرى، تشكل المكونات الأساسية للعديد، إن لم يكن معظم، الجزيئات الموجودة بشكل فريد في الكائنات الحية. تلعب العناصر الأخرى أدوارًا مهمة في الجزيئات الحيوية، لكن الكربون بالتأكيد مؤهل ليكون العنصر "الأساسي" للجزيئات في الكائنات الحية. إن خصائص الترابط لذرات الكربون هي المسؤولة عن دورها المهم.

روابط الكربون

يحتوي الكربون على أربعة إلكترونات في غلافه الخارجي. لذلك، يمكنه تكوين أربع روابط تساهمية مع ذرات أو جزيئات أخرى. أبسط جزيء كربون عضوي هو الميثان (CH₄)، حيث ترتبط أربع ذرات هيدروجين بذرة كربون واحدة (شكل 2.13).

شكل 2.13 يمكن للكربون أن يشكل أربع روابط تساهمية لإنشاء جزيء عضوي. أبسط جزيء كربون هو الميثان (CH₄)، الموضح هنا.

ومع ذلك، تُصنع هياكل أكثر تعقيدًا باستخدام الكربون. يمكن استبدال أي من ذرات الهيدروجين بذرة كربون أخرى مرتبطة تساهميًا بذرة الكربون الأولى. بهذه الطريقة، يمكن تكوين سلاسل طويلة ومتفرعة من مركبات الكربون (شكل 2.14أ). قد ترتبط ذرات الكربون بذرات عناصر أخرى، مثل النيتروجين والأكسجين والفوسفور (شكل 2.14ب). قد تشكل الجزيئات أيضًا حلقات، والتي يمكن أن ترتبط بدورها بحلقات أخرى (شكل 2.14ج). يفسر هذا التنوع في الأشكال الجزيئية تنوع وظائف الجزيئات الضخمة الحيوية، ويعتمد إلى حد كبير على قدرة الكربون على تكوين روابط متعددة مع نفسه ومع ذرات أخرى.

شكل 2.14 تُظهر هذه الأمثلة ثلاثة جزيئات (موجودة في الكائنات الحية) تحتوي على ذرات كربون مرتبطة بطرق مختلفة بذرات كربون أخرى وذرات عناصر أخرى. (أ) يحتوي جزيء حمض البنتاديكانويك هذا على سلسلة طويلة من ذرات الكربون. (ب) الغلايسين، وهو مكون من البروتينات، يحتوي على ذرات الكربون والنيتروجين والأكسجين والهيدروجين. (ج) الجلوكوز، وهو سكر، يحتوي على حلقة من ذرات الكربون وذرة أكسجين واحدة.

الكربوهيدرات

الكربوهيدرات (Carbohydrates) هي جزيئات ضخمة يعرفها معظم المستهلكين إلى حد ما. لفقدان الوزن، يلتزم بعض الأفراد بأنظمة غذائية "منخفضة الكربوهيدرات". على النقيض من ذلك، غالبًا ما يقوم الرياضيون "بتحميل الكربوهيدرات" قبل المسابقات المهمة لضمان حصولهم على طاقة كافية للمنافسة بمستوى عالٍ. الكربوهيدرات، في الواقع، جزء أساسي من نظامنا الغذائي؛ فالحبوب 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 (CH₂O)_n، حيث n هو عدد ذرات الكربون في الجزيء. بعبارة أخرى، نسبة الكربون إلى الهيدروجين إلى الأكسجين هي 1:2:1 في جزيئات الكربوهيدرات. تُصنف الكربوهيدرات إلى ثلاثة أنواع فرعية: السكريات الأحادية، والسكريات الثنائية، والسكريات المتعددة.

السكريات الأحادية (Monosaccharides) (أحادي- = "واحد"؛ سكر- = "حلو") هي سكريات بسيطة، وأكثرها شيوعًا هو الجلوكوز. في السكريات الأحادية، يتراوح عدد ذرات الكربون عادة من ثلاث إلى ست. تنتهي معظم أسماء السكريات الأحادية باللاحقة -وز. اعتمادًا على عدد ذرات الكربون في السكر، قد تُعرف باسم السكريات الثلاثية (ثلاث ذرات كربون)، والسكريات الخماسية (خمس ذرات كربون)، والسكريات السداسية (ست ذرات كربون).

قد توجد السكريات الأحادية كسلسلة خطية أو كجزيئات حلقية الشكل؛ في المحاليل المائية، توجد عادة في الشكل الحلقي.

الصيغة الكيميائية للجلوكوز هي C₆H₁₂O₆. في معظم الأنواع الحية، يعتبر الجلوكوز مصدرًا مهمًا للطاقة. أثناء التنفس الخلوي، تُطلق الطاقة من الجلوكوز، وتُستخدم هذه الطاقة للمساعدة في صنع أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP). تُصنع النباتات الجلوكوز باستخدام ثاني أكسيد الكربون والماء عن طريق عملية التمثيل الضوئي، ويُستخدم الجلوكوز بدوره لتلبية احتياجات الطاقة للنبات. غالبًا ما يُخزن الجلوكوز الزائد المصنع على شكل نشا يتم تكسيره بواسطة كائنات حية أخرى تتغذى على النباتات.

الغالاكتوز (جزء من اللاكتوز، أو سكر الحليب) والفركتوز (الموجود في الفاكهة) هما سكريات أحادية شائعة أخرى. على الرغم من أن الجلوكوز والغالاكتوز والفركتوز جميعها لها نفس الصيغة الكيميائية (C₆H₁₂O₆)، إلا أنها تختلف هيكليًا وكيميائيًا (وتُعرف بالمتصاوغات) بسبب اختلاف ترتيب الذرات في سلسلة الكربون (شكل 2.15).

شكل 2.15 الجلوكوز والغالاكتوز والفركتوز هي سكريات أحادية متصاوغة، مما يعني أن لها نفس الصيغة الكيميائية ولكن هياكلها مختلفة قليلاً.

السكريات الثنائية (Disaccharides) (ثنائي- = "اثنين") تتكون عندما يخضع سكران أحاديان لتفاعل نزع الماء (تفاعل يحدث فيه إزالة جزيء ماء). خلال هذه العملية، تتحد مجموعة الهيدروكسيل (–OH) من سكر أحادي واحد مع ذرة هيدروجين من سكر أحادي آخر، مطلقة جزيء ماء (H₂O) وتشكل رابطة تساهمية بين الذرات في جزيئي السكر.

تشمل السكريات الثنائية الشائعة اللاكتوز والمالتوز والسكروز. اللاكتوز هو سكر ثنائي يتكون من مونومرات الجلوكوز والغالاكتوز. يوجد بشكل طبيعي في الحليب. المالتوز، أو سكر الشعير، هو سكر ثنائي يتكون من تفاعل نزع الماء بين جزيئين من الجلوكوز. السكروز هو أكثر السكريات الثنائية شيوعًا، أو سكر المائدة، ويتكون من مونومرات الجلوكوز والفركتوز.

تُعرف السلسلة الطويلة من السكريات الأحادية المرتبطة بروابط تساهمية باسم عديد السكاريد (polysaccharide) (عديد- = "كثير"). قد تكون السلسلة متفرعة أو غير متفرعة، وقد تحتوي على أنواع مختلفة من السكريات الأحادية. قد تكون السكريات المتعددة جزيئات كبيرة جدًا. النشا، والغلايكوجين، والسليولوز، والكيتين هي أمثلة على السكريات المتعددة.

النشا (Starch) هو الشكل المخزن للسكريات في النباتات ويتكون من الأميلوز والأميلوبكتين (كلاهما بوليمرات الجلوكوز). تستطيع النباتات تصنيع الجلوكوز، ويُخزن الجلوكوز الزائد على شكل نشا في أجزاء مختلفة من النبات، بما في ذلك الجذور والبذور. يُكسّر النشا الذي تستهلكه الحيوانات إلى جزيئات أصغر، مثل الجلوكوز. يمكن للخلايا بعد ذلك امتصاص الجلوكوز.

الغلايكوجين (Glycogen) هو شكل تخزين الجلوكوز في البشر والفقاريات الأخرى، ويتكون من مونومرات الجلوكوز. الغلايكوجين هو المكافئ الحيواني للنشا وهو جزيء شديد التفرع يُخزن عادة في خلايا الكبد والعضلات. كلما انخفضت مستويات الجلوكوز، يُكسّر الغلايكوجين لإطلاق الجلوكوز.

السليولوز (Cellulose) هو أحد أكثر البوليمرات الحيوية الطبيعية وفرة. تتكون الجدران الخلوية للنباتات في الغالب من السليولوز، الذي يوفر الدعم الهيكلي للخلية. يتكون الخشب والورق في الغالب من السليولوز. يتكون السليولوز من مونومرات الجلوكوز المرتبطة بروابط بين ذرات كربون معينة في جزيء الجلوكوز.

يتم قلب كل مونومر جلوكوز آخر في السليولوز وتعبئته بإحكام كسلاسل طويلة ممتدة. وهذا يمنح السليولوز صلابته وقوة شد عالية - وهو أمر مهم جدًا للخلايا النباتية. يُسمى السليولوز الذي يمر عبر جهازنا الهضمي بالألياف الغذائية. بينما لا يمكن تكسير روابط الجلوكوز-الجلوكوز في السليولوز بواسطة الإنزيمات الهضمية البشرية، فإن الحيوانات العاشبة مثل الأبقار والجاموس والخيول قادرة على هضم العشب الغني بالسليولوز واستخدامه كمصدر للغذاء. في هذه الحيوانات، توجد أنواع معينة من البكتيريا في الجهاز الهضمي للحيوانات العاشبة وتفرز إنزيم السليولاز. يحتوي الزائدة الدودية أيضًا على بكتيريا تكسر السليولوز، مما يمنحها دورًا مهمًا في الجهاز الهضمي لبعض المجترات. يمكن للسليولاز تكسير السليولوز إلى مونومرات جلوكوز يمكن استخدامها كمصدر للطاقة من قبل الحيوان.

تؤدي الكربوهيدرات وظائف أخرى في حيوانات مختلفة. تمتلك مفصليات الأرجل، مثل الحشرات والعناكب وسرطان البحر، هيكلًا خارجيًا، يُسمى الهيكل الخارجي، يحمي أجزاء جسمها الداخلية. يتكون هذا الهيكل الخارجي من الجزيء الضخم الحيوي الكيتين (chitin)، وهو كربوهيدرات نيتروجينية. يتكون من وحدات متكررة من سكر معدل يحتوي على النيتروجين.

وهكذا، من خلال الاختلافات في التركيب الجزيئي، تستطيع الكربوهيدرات أن تؤدي وظائف مختلفة جدًا لتخزين الطاقة (النشا والغلايكوجين) والدعم الهيكلي والحماية (السليولوز والكيتين) (شكل 2.16).

شكل 2.16 على الرغم من اختلاف هياكلها ووظائفها، تتكون جميع الكربوهيدرات عديدة السكاريد من سكريات أحادية ولها الصيغة الكيميائية (CH₂O)n.

الدهون

تشمل الدهون مجموعة متنوعة من المركبات التي تتحد بميزة مشتركة. الدهون (الليبيدات) (Lipids) كارهة للماء ("تخاف الماء")، أو غير قابلة للذوبان في الماء، لأنها جزيئات غير قطبية. وهذا لأنها هيدروكربونات لا تحتوي إلا على روابط كربون-كربون أو كربون-هيدروجين غير قطبية. تؤدي الدهون العديد من الوظائف المختلفة في الخلية. تخزن الخلايا الطاقة للاستخدام طويل الأمد في شكل دهون تسمى الشحوم. توفر الدهون أيضًا عزلًا من البيئة للنباتات والحيوانات (شكل 2.17). على سبيل المثال، تساعد في الحفاظ على جفاف الطيور والثدييات المائية بسبب طبيعتها الطاردة للماء. الدهون هي أيضًا اللبنات الأساسية للعديد من الهرمونات ومكون مهم للغشاء البلازمي. تشمل الدهون: الشحوم، والزيوت، والشموع، والفوسفوليبيدات، والستيرويدات.

شكل 2.17 تحمي الدهون الكارهة للماء في فراء الثدييات المائية، مثل ثعلب الماء النهري هذا، من العوامل الجوية. (المصدر: Ken Bosma)

يتكون جزيء الدهن (fat)، مثل ثلاثي الغليسريد، من مكونين رئيسيين - الغليسرول والأحماض الدهنية. الغليسرول هو مركب عضوي يحتوي على ثلاث ذرات كربون، وخمس ذرات هيدروجين، وثلاث مجموعات هيدروكسيل (–OH). تحتوي الأحماض الدهنية على سلسلة طويلة من الهيدروكربونات ترتبط بها مجموعة كربوكسيل حمضية، ومن هنا جاء اسم "حمض دهني". قد يتراوح عدد ذرات الكربون في الحمض الدهني من 4 إلى 36؛ والأكثر شيوعًا هي تلك التي تحتوي على 12-18 ذرة كربون. في جزيء الدهن، يرتبط حمض دهني بكل من ذرات الأكسجين الثلاث في مجموعات –OH لجزيء الغليسرول برابطة تساهمية (شكل 2.18).

شكل 2.18 تشمل الدهون الشحوم، مثل ثلاثي الغليسريد، التي تتكون من الأحماض الدهنية والغليسرول، والفوسفوليبيدات، والستيرويدات.

أثناء تكوين هذه الرابطة التساهمية، تُطلق ثلاثة جزيئات ماء. قد تكون الأحماض الدهنية الثلاثة في الدهن متشابهة أو غير متشابهة. تُسمى هذه الدهون أيضًا ثلاثي الغليسريد (triglycerides) لأنها تحتوي على ثلاثة أحماض دهنية. بعض الأحماض الدهنية لها أسماء شائعة تحدد مصدرها. على سبيل المثال، حمض البالمتيك، وهو حمض دهني مشبع، مشتق من شجرة النخيل. حمض الأراكيديك مشتق من Arachis hypogaea، الاسم العلمي للفول السوداني.

قد تكون الأحماض الدهنية مشبعة أو غير مشبعة. في سلسلة الحمض الدهني، إذا كانت هناك روابط أحادية فقط بين ذرات الكربون المتجاورة في سلسلة الهيدروكربون، فإن الحمض الدهني يكون مشبعًا. الأحماض الدهنية المشبعة (Saturated fatty acids) مشبعة بالهيدروجين؛ بعبارة أخرى، يتم زيادة عدد ذرات الهيدروجين المرتبطة بهيكل الكربون إلى أقصى حد.

عندما تحتوي سلسلة الهيدروكربون على رابطة مزدوجة، فإن الحمض الدهني يكون حمضًا دهنيًا غير مشبع (unsaturated fatty acid).

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

تميل الدهون المشبعة إلى التعبئة بإحكام وتكون صلبة في درجة حرارة الغرفة. دهون الحيوانات التي تحتوي على حمض الستياريك وحمض البالمتيك الموجودة في اللحوم، والدهون التي تحتوي على حمض الزبدة الموجودة في الزبدة، هي أمثلة على الدهون المشبعة. تخزن الثدييات الدهون في خلايا متخصصة تسمى الخلايا الدهنية، حيث تشغل كريات الدهون معظم الخلية. في النباتات، تُخزن الدهون أو الزيوت في البذور وتُستخدم كمصدر للطاقة أثناء التطور الجنيني.

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

في صناعة الأغذية، تُهدرج الزيوت صناعيًا لجعلها شبه صلبة، مما يؤدي إلى تقليل التلف وزيادة مدة الصلاحية. ببساطة، يتم تمرير غاز الهيدروجين عبر الزيوت لتصلبها. خلال عملية الهدرجة هذه، قد تتحول الروابط المزدوجة ذات الشكل cis في سلسلة الهيدروكربون إلى روابط مزدوجة ذات الشكل trans. هذا يشكل دهنًا متحولًا (trans-fat) من دهن مقرون (cis-fat). يؤثر اتجاه الروابط المزدوجة على الخصائص الكيميائية للدهن (شكل 2.19).

شكل 2.19 أثناء عملية الهدرجة، يتغير الاتجاه حول الروابط المزدوجة، مما يحول الدهن المقرون (cis-fat) إلى دهن متحول (trans-fat). هذا يغير الخصائص الكيميائية للجزيء.

السمن النباتي، وبعض أنواع زبدة الفول السوداني، والدهون الصلبة هي أمثلة على الدهون المتحولة (trans) المهدرجة صناعياً. أظهرت الدراسات الحديثة أن الزيادة في الدهون المتحولة (trans) في النظام الغذائي البشري قد تؤدي إلى زيادة مستويات البروتين الدهني منخفض الكثافة (LDL)، أو الكوليسترول "الضار"، والذي بدوره قد يؤدي إلى ترسب اللويحات في الشرايين، مما ينتج عنه أمراض القلب. وقد ألغت العديد من مطاعم الوجبات السريعة مؤخرًا استخدام الدهون المتحولة (trans)، وتُطلب الآن من ملصقات الأغذية الأمريكية إدراج محتواها من الدهون المتحولة (trans).

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

السلمون، والتراوت، والتونة هي مصادر جيدة لأحماض أوميغا-3 الدهنية. أحماض أوميغا-3 الدهنية مهمة لوظيفة الدماغ والنمو والتطور الطبيعي. وقد تمنع أيضًا أمراض القلب وتقلل من خطر الإصابة بالسرطان.

مثل الكربوهيدرات، حظيت الدهون بالكثير من الدعاية السيئة. صحيح أن تناول كمية زائدة من الأطعمة المقلية والأطعمة "الدهنية" الأخرى يؤدي إلى زيادة الوزن. ومع ذلك، فإن للدهون وظائف مهمة. تعمل الدهون كمخزن للطاقة على المدى الطويل. كما أنها توفر عزلًا للجسم. لذلك، يجب استهلاك الدهون غير المشبعة "الصحية" بكميات معتدلة بشكل منتظم.

الفوسفوليبيدات (Phospholipids) هي المكون الرئيسي للغشاء البلازمي. مثل الدهون، تتكون من سلاسل أحماض دهنية مرتبطة بالغليسرول أو هيكل أساسي مشابه. ومع ذلك، بدلاً من ثلاث أحماض دهنية مرتبطة، توجد حمضان دهنيان وترتبط ذرة الكربون الثالثة من هيكل الغليسرول الأساسي بمجموعة فوسفات. يتم تعديل مجموعة الفوسفات بإضافة كحول.

يحتوي الفوسفوليبيد على مناطق كارهة للماء ومحبة للماء. سلاسل الأحماض الدهنية كارهة للماء وتستبعد نفسها من الماء، بينما مجموعة الفوسفات محبة للماء وتتفاعل مع الماء.

تحاط الخلايا بغشاء، يحتوي على طبقة ثنائية من الفوسفوليبيدات. تتجه الأحماض الدهنية للفوسفوليبيدات إلى الداخل، بعيدًا عن الماء، بينما يمكن لمجموعة الفوسفات أن تتجه إما إلى البيئة الخارجية أو إلى داخل الخلية، وكلاهما مائي.

البروتينات

البروتينات (Proteins) هي واحدة من أكثر الجزيئات العضوية وفرة في الأنظمة الحية ولها أوسع نطاق من الوظائف بين جميع الجزيئات الضخمة. قد تكون البروتينات هيكلية، تنظيمية، انقباضية، أو وقائية؛ قد تعمل في النقل، التخزين، أو الأغشية؛ أو قد تكون سمومًا أو إنزيمات. قد تحتوي كل خلية في نظام حي على آلاف البروتينات المختلفة، لكل منها وظيفة فريدة. تختلف هياكلها، مثل وظائفها، اختلافًا كبيرًا. ومع ذلك، فإنها جميعًا بوليمرات من الأحماض الأمينية، مرتبة في تسلسل خطي.

وظائف البروتينات متنوعة جدًا لأن هناك 20 حمضًا أمينيًا مختلفًا كيميائيًا تشكل سلاسل طويلة، ويمكن أن تكون الأحماض الأمينية بأي ترتيب. على سبيل المثال، يمكن أن تعمل البروتينات كإنزيمات أو هرمونات. الإنزيمات (Enzymes)، التي تنتجها الخلايا الحية، هي محفزات في التفاعلات الكيميائية الحيوية (مثل الهضم) وهي عادة بروتينات. كل إنزيم خاص بالركيزة (المتفاعل الذي يرتبط بالإنزيم) الذي يعمل عليه. يمكن للإنزيمات أن تعمل على كسر الروابط الجزيئية، أو إعادة ترتيب الروابط، أو تكوين روابط جديدة. مثال على الإنزيم هو أميليز اللعاب، الذي يكسر الأميلوز، وهو مكون من النشا.

الهرمونات (Hormones) هي جزيئات إشارة كيميائية، عادة ما تكون بروتينات أو ستيرويدات، تفرزها غدة صمّاء أو مجموعة من الخلايا الصماء التي تعمل على التحكم أو تنظيم عمليات فسيولوجية محددة، بما في ذلك النمو والتطور والأيض والتكاثر. على سبيل المثال، الأنسولين هو هرمون بروتيني يحافظ على مستويات الجلوكوز في الدم.

تتخذ البروتينات أشكالاً وأوزاناً جزيئية مختلفة؛ فبعض البروتينات كروية الشكل بينما البعض الآخر ليفي الطبيعة. على سبيل المثال، الهيموغلوبين هو بروتين كروي، لكن الكولاجين، الموجود في جلدنا، هو بروتين ليفي. شكل البروتين حاسم لوظيفته. قد تؤدي التغيرات في درجة الحرارة، ودرجة الحموضة (pH)، والتعرض للمواد الكيميائية إلى تغيرات دائمة في شكل البروتين، مما يؤدي إلى فقدان الوظيفة أو التمسّخ (denaturation) (سيتم مناقشته بمزيد من التفصيل لاحقًا). تتكون جميع البروتينات من ترتيبات مختلفة لنفس الأنواع العشرين من الأحماض الأمينية.

الأحماض الأمينية (Amino acids) هي المونومرات التي تشكل البروتينات. لكل حمض أميني نفس التركيب الأساسي، الذي يتكون من ذرة كربون مركزية مرتبطة بمجموعة أمين (–NH₂)، ومجموعة كربوكسيل (–COOH)، وذرة هيدروجين. يحتوي كل حمض أميني أيضًا على ذرة متغيرة أخرى أو مجموعة من الذرات مرتبطة بذرة الكربون المركزية تُعرف باسم المجموعة R. المجموعة R هي الاختلاف الوحيد في التركيب بين الأحماض الأمينية العشرين؛ بخلاف ذلك، تكون الأحماض الأمينية متطابقة (شكل 2.20).

شكل 2.20 تتكون الأحماض الأمينية من ذرة كربون مركزية مرتبطة بمجموعة أمين (–NH₂)، ومجموعة كربوكسيل (–COOH)، وذرة هيدروجين. تختلف الرابطة الرابعة لذرة الكربون المركزية بين الأحماض الأمينية المختلفة، كما يتضح في هذه الأمثلة من الألانين والفالين والليسين وحمض الأسبارتيك.

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

يحدد تسلسل وعدد الأحماض الأمينية في النهاية شكل البروتين وحجمه ووظيفته. يرتبط كل حمض أميني بحمض أميني آخر برابطة تساهمية، تُعرف بالرابطة الببتيدية، والتي تتكون عن طريق تفاعل نزع الماء. تتحد مجموعة الكربوكسيل من حمض أميني واحد ومجموعة الأمين من حمض أميني ثانٍ، مطلقة جزيء ماء. الرابطة الناتجة هي الرابطة الببتيدية.

تُسمى المنتجات المتكونة من هذا الارتباط عديدات الببتيد. بينما تُستخدم مصطلحات عديد الببتيد والبروتين أحيانًا بالتبادل، فإن عديد الببتيد (polypeptide) هو من الناحية الفنية بوليمر من الأحماض الأمينية، بينما يُستخدم مصطلح البروتين لعديد الببتيد أو عديدات الببتيد التي تجمعت معًا، ولها شكل مميز، ووظيفة فريدة.

تركيب البروتين

كما نوقش سابقًا، شكل البروتين حاسم لوظيفته. لفهم كيف يحصل البروتين على شكله النهائي أو تشكيله، نحتاج إلى فهم المستويات الأربعة لتركيب البروتين: الأولية، والثانوية، والثالثية، والرباعية (شكل 2.21).

التسلسل الفريد وعدد الأحماض الأمينية في سلسلة عديد الببتيد هو تركيبها الأولي. يتم تحديد التسلسل الفريد لكل بروتين في النهاية بواسطة الجين الذي يرمز للبروتين. قد يؤدي أي تغيير في تسلسل الجين إلى إضافة حمض أميني مختلف إلى سلسلة عديد الببتيد، مما يسبب تغييرًا في تركيب البروتين ووظيفته. أظهر William Warrick Cardozo أن فقر الدم المنجلي ناتج عن تغيير في تركيب البروتين نتيجة لترميز الجينات، مما يعني أنه اضطراب وراثي. في فقر الدم المنجلي، تحتوي سلسلة بيتا للهيموغلوبين على استبدال حمض أميني واحد، مما يسبب تغييرًا في كل من تركيب البروتين ووظيفته. ما هو الأكثر إثارة للانتباه هو أن جزيء الهيموغلوبين يتكون من سلسلتي ألفا وسلسلتي بيتا، تتكون كل منهما من حوالي 150 حمضًا أمينيًا. وبالتالي، يحتوي الجزيء على حوالي 600 حمض أميني. الفرق الهيكلي بين جزيء الهيموغلوبين الطبيعي وجزيء الخلية المنجلية - الذي يقلل بشكل كبير من متوسط العمر المتوقع للأفراد المصابين - هو حمض أميني واحد من أصل 600.

بسبب هذا التغيير في حمض أميني واحد في السلسلة، تتخذ خلايا الدم الحمراء، التي تكون عادة ثنائية التقعر أو قرصية الشكل، شكل هلال أو "منجل"، مما 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 أنماط الطي الناتجة عن التفاعلات بين الأجزاء غير التابعة للمجموعة R من الأحماض الأمينية إلى التركيب الثانوي للبروتين. الأكثر شيوعًا هي هياكل الحلزون ألفا (α) والصفيحة المطوية بيتا (β). يتم الحفاظ على شكل كلا التركيبين بواسطة الروابط الهيدروجينية. في الحلزون ألفا، تتشكل الروابط بين كل حمض أميني رابع وتسبب التواء في سلسلة الأحماض الأمينية.

في الصفيحة المطوية β، تتكون "الطيّات" عن طريق الترابط الهيدروجيني بين الذرات الموجودة على العمود الفقري لسلسلة عديد الببتيد. ترتبط مجموعات R بذرات الكربون، وتمتد فوق وتحت طيات الطية. تتراصف الأجزاء المطوية بشكل متوازٍ مع بعضها البعض، وتتشكل روابط هيدروجينية بين نفس أزواج الذرات على كل من الأحماض الأمينية المتراصفة. توجد هياكل الحلزون α والصفيحة المطوية β في العديد من البروتينات الكروية والليفية.

يُعرف التركيب ثلاثي الأبعاد الفريد لعديد الببتيد بتركيبه الثالثي. ينشأ هذا التركيب عن التفاعلات الكيميائية بين الأحماض الأمينية المختلفة ومناطق عديد الببتيد. بشكل أساسي، تخلق التفاعلات بين مجموعات R التركيب الثالثي المعقد ثلاثي الأبعاد للبروتين. قد تتشكل روابط أيونية بين مجموعات R على أحماض أمينية مختلفة، أو روابط هيدروجينية تتجاوز تلك المشاركة في التركيب الثانوي. عندما يحدث طي البروتين، تقع مجموعات R الكارهة للماء من الأحماض الأمينية غير القطبية في الجزء الداخلي من البروتين، بينما تقع مجموعات R المحبة للماء في الجزء الخارجي. تُعرف الأنواع السابقة من التفاعلات أيضًا بالتفاعلات الكارهة للماء.

في الطبيعة، تتكون بعض البروتينات من عدة عديدات ببتيد، تُعرف أيضًا بالوحدات الفرعية، ويشكل تفاعل هذه الوحدات الفرعية التركيب الرباعي. تساعد التفاعلات الضعيفة بين الوحدات الفرعية على استقرار التركيب الكلي. على سبيل المثال، الهيموغلوبين هو مزيج من أربع وحدات فرعية من عديد الببتيد.

شكل 2.21 يمكن ملاحظة المستويات الأربعة لتركيب البروتين في هذه الرسوم التوضيحية. (المصدر: تعديل لعمل المعهد الوطني لأبحاث الجينوم البشري)

لكل بروتين تسلسله وشكله الفريد الذي تجمعه التفاعلات الكيميائية. إذا تعرض البروتين لتغيرات في درجة الحرارة، أو درجة الحموضة (pH)، أو التعرض للمواد الكيميائية، فقد يتغير تركيب البروتين، ويفقد شكله فيما يعرف بالتمسّخ كما نوقش سابقًا. غالبًا ما يكون التمسّخ قابلاً للعكس لأن التركيب الأولي يُحفظ إذا أُزيل العامل الممسّخ، مما يسمح للبروتين باستئناف وظيفته. أحيانًا يكون التمسّخ غير قابل للعكس، مما يؤدي إلى فقدان الوظيفة. يمكن رؤية أحد أمثلة تمسّخ البروتين عند قلي البيض أو سلقه. يتم تمسّخ بروتين الألبومين في بياض البيض السائل عند وضعه في مقلاة ساخنة، ويتغير من مادة شفافة إلى مادة بيضاء معتمة. لا يتم تمسّخ جميع البروتينات عند درجات حرارة عالية؛ على سبيل المثال، تحتوي البكتيريا التي تعيش في الينابيع الساخنة على بروتينات تتكيف للعمل في تلك درجات الحرارة.

رابط للتعلم

للحصول على منظور إضافي حول البروتينات، استكشف "الجزيئات الحيوية: البروتينات" من خلال هذا الرسوم المتحركة التفاعلية.

الأحماض النووية

الأحماض النووية هي جزيئات ضخمة أساسية لاستمرارية الحياة. فهي تحمل المخطط الجيني للخلية وتحمل تعليمات لعمل الخلية.

النوعان الرئيسيان من الأحماض النووية (nucleic acids) هما الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA). الحمض النووي (DNA) هو المادة الوراثية الموجودة في جميع الكائنات الحية، بدءًا من البكتيريا وحيدة الخلية وصولاً إلى الثدييات متعددة الخلايا.

النوع الآخر من الحمض النووي، الحمض النووي الريبي (RNA)، يشارك بشكل أساسي في تخليق البروتين. لا تغادر جزيئات الحمض النووي (DNA) النواة أبدًا، بل تستخدم وسيطًا من الحمض النووي الريبي (RNA) للتواصل مع بقية الخلية. تشارك أنواع أخرى من الحمض النووي الريبي (RNA) أيضًا في تخليق البروتين وتنظيمه.

يتكون الحمض النووي (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA) من مونومرات تُعرف باسم النيوكليوتيدات (nucleotides). تتحد النيوكليوتيدات مع بعضها البعض لتشكيل عديد النيوكليوتيد، الحمض النووي (DNA) أو الحمض النووي الريبي (RNA). يتكون كل نيوكليوتيد من ثلاثة مكونات: قاعدة نيتروجينية، وسكر خماسي (خمس ذرات كربون)، ومجموعة فوسفات (شكل 2.22). ترتبط كل قاعدة نيتروجينية في النيوكليوتيد بجزيء سكر، والذي يرتبط بمجموعة فوسفات.

شكل 2.22 يتكون النيوكليوتيد من ثلاثة مكونات: قاعدة نيتروجينية، وسكر خماسي، ومجموعة فوسفات.

التركيب الحلزوني المزدوج للحمض النووي (DNA)

يمتلك الحمض النووي (DNA) تركيبًا حلزونيًا مزدوجًا (شكل 2.23). وهو يتكون من سلسلتين، أو بوليمرين، من النيوكليوتيدات. تتشكل السلاسل بروابط بين مجموعات الفوسفات والسكر للنيوكليوتيدات المتجاورة. ترتبط السلاسل ببعضها البعض عند قواعدها بروابط هيدروجينية، وتلتف السلاسل حول بعضها البعض على طولها، ومن هنا جاء وصف "اللولب المزدوج"، والذي يعني حلزونًا مزدوجًا.

شكل 2.23 يُظهر نموذج اللولب المزدوج الحمض النووي (DNA) كسلسلتين متوازيتين من الجزيئات المتشابكة. (المصدر: Jerome Walker, Dennis Myts)

تقع مجموعات السكر والفوسفات المتناوبة على السطح الخارجي لكل سلسلة، وتشكل العمود الفقري للحمض النووي (DNA). تتراص القواعد النيتروجينية في الداخل، مثل درجات السلم، وتتزاوج هذه القواعد؛ ترتبط الأزواج ببعضها البعض بواسطة روابط هيدروجينية. تتزاوج القواعد بطريقة تجعل المسافة بين العمودين الفقريين للسلسلتين متساوية على طول الجزيء بأكمله.