مدارس

الرئيسية موارد رقمية > أساسيات علم الحياة ، جزء 2

التركيب الكيميائي للكائنات الحية

CHEMICAL STRUCTURE OF LIVING ORGANISMS

  يعرف تدرج الكائنات الحية في تركيبها بمبدأ التسلسل التركيبي للكائنات الحية أو التعضي كما سبق.

ويمكن تلخيص مبدأ التسلسل التركيبي أو التعضي كالتالي:

أجهزة   Systems - أعضاء Organs – أنسجة Tissues – خلايا Cells –  عضيات Organells – جزئيات Molecules – ذرات Atoms .

بعض الكائنات لا تتعدى في تعضيها مستوى الخلية مثل البكتيريا والطحالب الخضراء المزرقة وبعض الفطريات. والبعض الآخر لا يتعدى مستوى العضو.

 أولا: ذرات العناصر التي تدخل في تركيب الكائن الحي:

- الذرة أصغر وحدة تدخل في تركيب أي عنصر كيميائي.وقد اقترح عالم الفيزياء نيلس بور (Niels Bohr) سنة 1913م نموذج لتركيب الذرة.

- كل عنصر كيميائي يتكون من ذرات متشابهة وتختلف عن بعضها البعض في عدد جسيمات البروتونات والالكترونات.

- ذرات العناصر هي أبسط مكونات الكائن الحي.

- هناك ست من العناصر توجد دائما وأبدا في أي كائن حي سواء كان بكتيريا أو إنسان وهي:

العناصر الضرورية  (Essential elements) :

العناصر الضرورية	نسبة وجوده في جسم الإنسان	الأهمية الحيوية
الكربون  (C)	18%	العنصر الأساسي في تركيب جميع الجزيئات العضوية حيث يمثل العمود الفقري لها.
الأوكسجين (O)	65%	ضروري للتنفس الخلوي ومكون أساسي في تركيب الماء ومعظم الجزيئات العضوية.
الهيدروجين (H)	10%	مكون أساسي في تركيب الماء ومعظم الجزيئات العضوية.
النيتروجين  (N)	3%	يدخل في تركيب جميع البروتينات. و الأحماض النووية.
الفوسفور  (P)	1%	من مكونات الأحماض النووية، وعنصر تركيبي في العظام، وهام في تحويل الطاقة.
الكبريت    (S)	0.3%	يدخل في تركيب معظم البروتينات.

وهناك عناصر تختلف في وجودها من كائن إلى آخر وهي:

العناصر المتفاوتة الوجود  Variable elements:

العناصر المتفاوتة الوجود	نسبة وجوده في جسم الإنسان	الأهمية الحيوية
البوتاسيوم (K)	0.4%	أيون موجب رئيسي يوجد داخل الخلايا حيث له دور هام في الوظائف العصبية ، وانقباض العضلات.
الكالسيوم (Ca)	1.5%	عنصر تركيبي في العظام و الأسنان ، وفي جدر الخلايا النباتية. كما أن له دور هام في توصيل التيارات العصبية ، وتجلط الدم.
الصوديوم (Na)	0.2%	أيون موجب رئيسي له دور هام في حفظ توازن السوائل داخل وخارج الخلية ، وعنصر أساسي في توصيل التيارات العصبية.
الماغنسيوم (Mg)	0.1%	عنصر ضروري في الدم وأنسجة الجسم. ومكون هام في العديد من الأنظمة الإنزيمية، وفي الكلوروفيل.
الكلور  (Cl)	0.1%	أيون سالب رئيسي له دور هام في حفظ توازن السوائل داخل وخارج الخلية.
الحديد  (Fe)	بنسب قليلة	يدخل في تكوين الهيموجلوبين والميوجلوبين، وفي عدد معين الإنزيمات.

هناك عناصر ضئيلة جدا ويوجد إحداها أو بعضها في كائنات معينة دون غيرها وهي:

الآثار الفلزية (Trace elements): 

الآثار الفلزية	الأهمية الحيوية
ألايودين	يدخل في تركيب هرمونات الغدة النخامية.
الفلورين	يدخل في تركيب العظام والأسنان. ويساعد على مقاومة الترسبات الجيرية على الأسنان.
الزنك	عنصر محفز للعديد من الإنزيمات.
المنجنيز	يعمل على تنشيط إنزيمات معينة.
السليكون	تتطلب وجوده بعض الإنزيمات في كريات الدم الحمراء.
النحاس	مرافق إنزيمي لبعض الإنزيمات.
وعناصر أخرى.

            جميع هذه العناصر موجود في أرضنا التي نعيش وتعيش جميع الكائنات الحية عليها.

  

 ثانيا: جزئيات المركبات التي تدخل في تركيب الكائن الحي:

قبل أن نتكلم عن تركيب الجزيئات التي تدخل في تركيب الكائنات الحية يجب أولا أن نتعرف على الروابط الكيميائية التي تعمل على تشكيلهذه الجزيئات.

1- الروابط الكيميائية  (Chemical bonds)

تتفاعل ذرات العناصر مع بعضها البعض لتكون ما يعرف بالجزيئات (Molecules). حيث أن معظم  الجزيئات تتكون من ارتباط ذرات عناصرمختلفة، ويعتمد الارتباط بين هذه العناصر على عدد الالكترونات في مستوى الطاقة الأخير لكل ذرة. ويعرف التفاعل بين ذرات هذه العناصر بالروابط الكيميائية (Chemical bonds). وهناك عدة أنواع من هذه الروابط الكيميائية وهي على النحو التالي:

أولاً:الروابط التساهمية  (Covalent bonds)

تعرف بأنها روابط كيميائية تتشكل نتيجة للمساهمة بين ذرات العناصر بزوج أو أكثر من الالكترونات في المدار الخارجي للطاقة لكيتصبح هذه الذرات مشبعة الكترونياً. ومن الأمثلة على ذلك تكوين الماء.

* أشكال الروابط التساهمية ..

1- رابطة تساهمية أحادية (Single bonds).

2- رابطة تساهمية ثنائية أو مزدوجة (Double bonds). 

3- رابطة تساهمية ثلاثية (Triple bonds).

ثانياً: الروابط الأيونية (Ionic bonds)

 في هذا النوع من الروابط نجد أن ذرات بعض العناصر تكون أكثر ثباتاً عندما يكون مستوى الطاقة الخارجي لها مشبعاً بالالكترونات. لذلك تميل هذه العناصر إلى فقد أو كسب بعض الالكترونات وذلك بالتفاعل مع ذرات العناصر الأخرى. مثال ذلك التفاعل بين الصوديوم و الكلور.

ثالثا : الروابط  الهيدروجينية (Hydrogen )

روابط كيميائية ضعيفة (Weak bonds) تكون بين ذرة سالبة الشحنة الكهربية (Electronegative) وذرة هيدروجين موجبة الشحنة الكهربية(Electropositive) مرتبطة بذرة أخرى سالبة الشحنة. وتنشا الروابط الهيدروجينية عادة بين الجزيئات المستقطبة (Polarized) مثل جزيئات الماء.

       

رابعاً: الروابط الكارهة للماء (Hydrophobic bonds)

هي نوع من الروابط الضعيفة التي تتشكل بين مجاميع لا قطبية (Non-polar) عند وجودها في الماء لعدم ذوبانها في الماء. حيث تميلهذه المجاميع إلى التكتل أو التجمع مع بعضها البعض في وجود الماء وذلك للحد من تلامسها مع الماء . كمثال لذلك عند وضع قطراتصغيرة من الزيت في الماء فانه يلاحظ تجمع قطرات الزيت وعدم ذوبانها فيه.

      

خامساً: روابط  فان دير والس (Van der waals bonds)

وهي روابط كيميائية اضعف من الروابط الهيدروجينية و الأيونية، حيث لا تزيد قوة الرابطة عن 2 كيلو سعر حراري للمول الواحد. يتكون هذا النوع من الروابط بين الجزيئات المتعادلة كهربياً عندما تقترب من بعضها البعض. ولهذا النوع من الترابط أهمية في عملياتالأيض الحيوي في الخلية حيث تحدد قدرة الإنزيمات على التفاعل.

جزئيات المركبات التي تدخل في تركيب الكائن الحي:وهي تنقسم الى قسمين:

جزيئات غير عضوية.	جزيئات عضوية.
الماء.	الكربوهيدرت (السكرات)
الأملاح	الدهون ( اللبيدات).
الأيونات	البروتينات.
	الأحماض النووية.

أ‌-  الجزئيات غير العضوية:

1- الماء:

الماء مركب أساسي في مكونات الكائن الحي.

الجدول الآتي يبين متوسط النسب المئوية للجزئيات المختلفة التي تدخل في تركيب الكائنات الحية:

الجزيء	النسبة المئوية
الماء	80%
البروتينات	15%
الدهون	3%
الكربوهيدرات الأحماض النووية الأيونات                           مواد أخرى	1%
لأملاح غير العضوية	1%

أهمية الماء:

 للماء صفات تؤدى وظائف عديدة يتوقف عليها جريان الحياة. وفيما يلي أهم هذه الصفات:

السعة الحرارية (Heat Capacity):

•  هي مقدرة الماء على امتصاص كميات كبيرة من الحرارة تفوق أي سائل آخر في الكون ما عدا الامونيا.
• أي أن 1 جرام من الماء يعطى 1000 سعر حراري عند تسخينه حتى درجة 37 °م.
• هذه الصفة تساعد الكائن الحي على منع التغيرات الشديدة في درجة حرارته.
• السعه الحرارية العالية للماء تعمل على امتصاص الحرارة المتصاعدة من التفاعلات الكيميائية.
• كما تساعد على احتفاظ الكائن الحي بدرجة حرارة منتظمة عند المستوى المعتاد.
• وتجعله قادرا على نقل الحرارة من مكان لآخر.
• ايضا تعمل تلطيف وتحسين المناخ في المناطق شديدة البرودة مؤديا بذلك إلى توفير مناخ صالح للحياة في هذه المناطق.
• مثلا تيار مائي يعرف بالتيار الخليجي لشمال الأطلنطي الذي يتحرك من خليج المكسيك الدافئ شمالا الى شواطئ الجزر البريطانية الباردة ليعمل على تحسين درجة الحرارة.

الحرارة الكامنة للتبخر ( Latent Heat of Evaporation) :

• هي كمية الحرارة اللازمة لتحويل المادة من الصورة السائلة إلى الصورة الغازية.
• الحرارة الكامنة للماء تفوق في مقدارها ما يلزم أي سائل آخر للتحول من الصورة السائلة إلى الصورة الغازية.
• الحرارة الناتجة من التفاعلات الكيميائية يتم امتصاص بعض منها بواسطة الماء بقدر ما يناسب سعته الحرارية.
• وتبخير الماء من الكائن الحي على هيئة عرق كما يحدث في الثدييات والطيور يؤدي الى خفض درجة حرارة الجسم.
• وبذلك فان السعه الحرارية والحرارة الكامنة تجعلاه منظما لحرارة ( Temeprature regulator) الكائن الحي.

التوتر السطحي (  Surface Tension) :

• هي انكماش مساحة السطح الخارجي للسائل إلى أقصى حد ممكن من الصغر كنتيجة لانجذاب والتصاق جزيئات السائل إلى بعضها البعض.
• التوتر السطحي للماء يفوق في مقداره التوتر السطحي لأي سائل آخر.
• هذه الخاصية توفر للخلية جوا ملائما لجريان كثير من التفاعلات الكيميائية التي تجرى عند سطحها.
• كما تعمل على تنظيم تكون النقاط إذ أن النقطة تتكون بفعل انكماش مساحة السطح الخارجي للسائل إلى أقصى حد ممكن من الصغر.

التمدد الحراري ( Thermal Expansion) :

• ونعني بها العلاقة بين كثافة السائل ودرجة الحرارة.
• كلما زدنا في تسخين سائل ما فان كثافته تقل تبعا لذلك وكلما بردنا السائل تزداد كثافته.

التبريد            ازدياد كثافة السائل

التسخين           نقصان كثافة السائل

•  الماء يشذ في تمدده بالحرارة عن سائر السوائل.
• كلما برد الماء تزداد كثافته.
• لكن تبريد الماء تحت درجة 4  كثافته تأخذ في النقصان بدلا من الزيادة كما هو متوقع:

 تبريد الماء حتى  4 °م                  ازدياد كثافته

تبريد الماء تحت 4 °م                  نقصان كثافته

• ولذلك نلاحظ أن كتل الجليد الضخمة تطفو فوق سطح الماء.
• هذه الظاهرة تجعل الحياة ممكنة عند القطب الشمالي والجنوبي وجميع المناطق المشابهة في مناخها.

قوة الإذابة  (Dissolving Power) :

• هي قدرة الماء على إذابة المواد المختلفة فيه تفوق أي سائل آخر.
• والماء مذيبا لمعظم المواد التي توجد في الكائن الحي.
• مما يؤدى إلى انتشارها وانتقالها من مكان لآخر داخل الخلية وخارجها.
• القدرة الفائقة في الإذابة سببها القطبية الثنائية (Bipol arity) لجزيئات الماء.
• فجزيء الماء يوجد على صورة متأينة حيث ان ذرات الهيدروجين تكون موجبة وذرات الأكسجين تكون سالبة مما يجعل ذرات العناصر الاخرى تنجذب نحوها.
• الماء يدخل في كثير من التفاعلات الكيمائية إما باشتراك أحد عنصريه في التفاعل أو كمذيب.
• الماء مصدرا أساسيا للأوكسجين في عمليات هامة مثل التمثيل الضوئي والتنفس.

 كل هذه الصفات مجتمعة نجدها فقط في الماء لذلك فانه لا يمكن لأي سائل آخر أن يحل محل الماء في الكائن الحي مما يجعله بحق مصدرا للحياة وذلك مصداقا لقوله تعالى:

 "وجعلنا من الماء كل شيء حي"

 2- الأملاح والأيونات:

•  تعزى صلابة العظام إلى ما يترسب فيها من طبقات فوسفات الكالسيوم.
• الأصداف في الحيوانات الرخوية معززة بما يترسب فيها من كربونات الكالسيوم.
• العناصر الداخلة في تركيب الأيونات و الأملاح بعضها من العناصر الضرورية والآخر من العناصر المتفاوتة الوجود في الكائن الحي.

ب -الجزئيات العضوية:

         الجزيئات العضوية أكثر تعقيداً من الجزيئات غير العضوية، وهذه الأخيرة ما هي إلا مواد أولية تتكون منها الجزيئات العضوية. وتعتبر ذرةالكربون المكون الأساسي في تركيب جميع الجزيئات العضوية، حيث تمتاز  بقابليتها الكبيرة على تكوين روابط تساهمية قوية مع ذرات الكربونالأخرى مكونة ما يعرف بالهياكل  الكربونية (Carbon skeletons). هذه الروابط التساهمية بين ذرات الكربون تكون على أشكال مختلفة، فقدتكون على شكل سلسلة (Chain shape)، أو شكل متفرع (Branched shape)، أو شكل حلقي (Ring shape).

أولاً- الكربوهيدرات (السكريات):

 تتكون كلمة كربوهيدرات (Carbohydrates ) من شقين:

كربون  =       Carbo

ماء     =   Hydrates

أي الكربون المتميء.

• جميع الكربوهيدرات تتكون من الكربون والهيدروجين والأوكسجين.
• يوجد الهيدروجين والأوكسجين فيها بنسبة وجودهما في الماء:

2 هيدروجين  :   1 أوكسجين.

• الكربوهيدرات مكون أساسي لبعض أجزاء الخلية مثل السليولوز و الأحماض النووية.
• مصدر رئيسي للطاقة الذي يحتاجها الكائن الحي.

هناك ثلاثة أنواع من الكربوهيدرات الموجودة في الكائنات الحية:

1-     السكرات الاحادية ( Monosaccharides)

2-     السكرات الثنائية ( Disaccharides)

3-     السكرات المتعددة (Polysaccharides).

 التركيب الكيميائي لكل من هذه الأنواع هو كالتالي:

1-   السكرات الأحادية:

تتكون من سلسلة ذرات الكربون يتصل بكل منها الأوكسجين والهيدروجين بطريقة معينة.

وهناك أنواع عدة تختلف باختلاف عدد ذرات الكربون المكونة للسكر:

 السكرات الأحادية الثلاثية ( Trioses).   (عدد ذرات الكربون = 3)

الأحادية الرباعية (Tetroses).

الأحادية الخماسية (Pentose).

الأحادية السداسية ( Hoxoses).

الأحادية السباعية ( Heptoses).

 ومن أمثلة السكرات الأحادية : الرايبوز (خماسي) - الجلوكوز - الفركتوز - المالتوز (سداسية).

طريقة تركيب الجزئيات في هذه السكاكر تكون إما أفقية أو حلقية وهي مستعملة في التعبير عن التركيب الكيميائي للجزئيات.

2- السكرات الثنائية:

•  تتكون جزيئاتها الثنائية من وحدتين متشابهتين أو مختلفتين من السكرات الأحادية.
• سكر الشعير (المالتوز: Maltose ) يتكون من جزئيات ثنائية يتكون كل منها من وحدتين من الجلوكوز. سكر القصب (Sucrose ) يتكون من جزيئات ثنائية يتكون كل منها من وحدة جلوكوز ووحدة فركتوز. وهذا هو السكر الذى نستعمله فى تحلية اطعمتنا ومشروباتنا.

  3- السكرات المتعددة:

•  تتكون من جزئيات كبيرة يتكون كل منها من قطع متعددة من السكرات الأحادية.
• يسمى الجزيء المتكون من عديد من الوحدات المتشابهة من السكاكر الأحادية بالجزيء الكبير (Macromolecule) أو الجزيء متعدد القطع (Polymer) .
• الجلايكوجين (Glycogen): أو النشا الحيواني هو أحد السكرات المتعددة.
• يتكون من حوالي ألف قطعة أو أكثر من الجلوكوز.
•  السليولوز: يتكون كل من جزيئاته الكبيرة من حوالي 2000 جزيئا من الجلوكوز متصلة مع بعضها البعض بطريقة غير طريقة اتصالها مع بعضها البعض في الجلايكوجين.

     

ثانياً: الليبيدات (الدهون) (Lipids):

•  تعرف على أنها المركبات الدهنية ومشتقاتها.
• مكون أساسي من مكونات الأغشية الخلوية.
• بعضها يدخل في تركيب بعض الهرمونات.
• مصدر جيد للطاقة بعد الكربوهيدرات.
• تخزن بكميات كبيرة (الدهون الحقيقة) كما هو الحال في الحيوانات الداخلة في البيات الشتوي.
• وقبل إنبات البذرة.
•  تعمل الدهون كعازل للحرارة وممتص للصدمات.

هناك ثلاثة أنواع من الليبيدات التي تدخل في تكوين الكائنات الحية:

أ- الدهون الحقيقية ( True Fats):

• ينتمي إلى هذه الطبقة الدهون الحيوانية والزيوت النباتية.
• تتكون من جزيء واحد من الجليسرين (Glycerin) وثلاث جزيئات من الأحماض الدهنية.
• التركيب الجزيئي للجليسرين هو كالتالي (الشكل 5)
• الأحماض الدهنية المتشبعة ( Saturated )  جميع الروابط الكربونية يشغلها الهيدروجين.
• مثل الدهون الحيوانية السمن والزبد (الشكل 6).
• الأحماض الدهنية غير متشبعة ( Unsaturated)  تحتوي على أكثر من رابطة ثنائية بين ذرات الكربون. كما هو الحال في الزيوت النباتية والحيوانية (الشكل 7).
• الطريقة التي يتكون بها جزيء أحد الدهون. (الشكل 8)
• الشموع تشبه الدهون الحقيقية إلا أن الأحماض الدهنية تربط بمركب غير الجليسرين.

ب- الدهون الفسفورية (Phospholipids) .

تشبه الدهون الحقيقية إلا أن أحد الأحماض الدهنية يحل محله مركب فسفوري.

توجد في جميع الخلايا كمكون أساسي من مكونات الأغشية الخلوية.

توجد ضمن الدهون الحقيقية الحيوانية.

ج- الاستيرويدات ( Steroids) :

هي مركبات دهنية حلقية معقدة مثل فيتامين (D) والهرمونات الجنسية وهرمونات الغدة الجار كلوية في الفقاريات. والكوليسترول.

ثالثاً: البروتينات ( Proteins)

• أكثر الجزيئات شيوعا في الكائن الحي بعد الماء.
• اعقد المركبات العضوية الموجودة في الخلية.
• أحد المكونات الأساسية للأغشية الخلوية والخلايا العضلية و أربطة المفاصل والأنسجة الضامة.
• جميع الإنزيمات ومعظم الهرمونات عبارة عن مركبات بروتينية.
• مكون أساسي من مكونات الكروموزومات.

تحتوى جميع البروتينات على أربع عناصر أساسية:

الكربون (C)، الهيدروجين (H)، الأوكسجين (O) والنيتروجين (N).

بعضها تحتوى زيادة على ذلك عناصر الكبريت والفسفور والحديد.

وتنقسم البروتينات بناءاً على الهيئة التركيبية إلى قسمين هما:1 – البروتينات الليفية (Fibrous proteins): تظهر هذه البروتينات على شكل ألياف قوية عديمة الذوبان في الماء. ومن أمثلتها الكيراتين (Keratin) (بروتين الشعر) ، وبروتين الأظافر والقرون والريش ، والكولاجين.
2 – البروتينات الحبيبية أو الكريه (Globular proteins): وهذا النوع من البروتينات يكون ذو شكل حبيبي أو كري يتكون من سلاسل ببتيدية متعددة ملتفة حول بعضها البعض. وأغلب هذه البروتينات يذوب في الماء. إن معظم الإنزيمات عبارة عن بروتينات كريه.
أما من الناحية الوظيفية فيمكن تصنف البروتينات إلى الأنواع التالية:1 – بروتينات تركيبية (Structural proteins): وهي البروتينات التي تدخل في تركيب الخلايا أو الكائن الحي بشكل عام ، ومن أمثلتها البروتينات الليفية (Fibrous proteins) ، مثل الكولاجين (Collagen) في الغضاريف ، أو بروتينات الشعر والأظافر.
2 – بروتينات أيضية (Metabolic proteins) : هذه البروتينات هي المسؤولة عن عمليات الأيض الخلوي بنوعيه البنائي أو الانتقاضي. مثل الإنزيمات التي تعمل على حفز التفاعلات خلال العمليات الأيضية.
3 – بروتينات تنظيمية (Regulatory proteins) : تقوم هذه البروتينات بتنظيم جميع العمليات الخلوية التي تحدث داخل الخلية. ومن أمثلة ذلك ما يقوم بتنظيم عملية الضغط الاسموزي، أو تنظيم عمل الجينات. ومن أوضح الأمثلة في هذا المجال الهرمونات المسئولة عن تنظيم الوظائف الخلوية مثل هرمون الأنسولين الذي ينظم تركيز السكر في الدم.
4 – بروتينات النقل (Transport proteins) : وهي المسئولة عن نقل المواد من والى الخلية. ومنها البروتينات التي تقوم بنقل المواد عبر غشاء الخلية مثل مضخة الصوديوم والبوتاسيوم. وهناك بروتينات تقوم بنقل بعض العناصر من مكان إلى آخر في جسم الكائن الحي مثل بروتين الهيموجلوبين (Hemoglobin) المسئول عن نقل الأكسجين وتحرير ثاني أكسيد الكربون في الخلايا.
5 – بروتينات التخزين (Storage proteins): هذه البروتينات تساهم في عملية تخزين بعض المركبات. مثل بروتين الفرتين (Ferritin) المسئول عن خزن الحديد في الطحال ، وبروتين الكازين (Casein) الذي يعمل عل خزن الحديد في الحليب.
6 – بروتينات الانقباض (Contraction proteins): تعرف هذه المجموعة ببروتينات العضلات
(Muscle proteins)، مثل بروتين الآكتين (Actin) والميوسين (Myosin) اللذان يعملان على انقباض العضلات.7 – بروتينات دفاعية (Defense proteins): وهي المسئولة عن مهاجمة الأجسام الغريبة التي تدخل الجسم أو الخلية. ومن أمثلتها البروتينات المناعية مثل الأجسام المضادة (Antibodies).
8 – بروتينات التعرف (Recognition proteins) : تقوم هذه البروتينات بالتعرف على المواد المرغوبة أو غير المرغوبة التي تحيط بالخلايا. وهي تعرف بمولدات المضادات (Antigens). وعادة ما توجد على سطح الأغشية الخلوية.

وتتكون البروتينات من جزيئات كبيرة يتكون كل منها من وحدات متكررة هي:

الأحماض الأمينية (Amino acids).

• مجموعة الكاربوكسيل تعطى خواصا حامضية للحامض.
• مجموعة الأمين تعطى خواصا قاعدية للحامض.
• تتحد الاحماض الامينية مع بعضها البعض بالرابطة الببتيدية ( Peptide bond ).
• مجموعة الكاربوكسيل في أحد الأحماض الأمينية ترتبط مع مجموعة الأمين في الحامض الأميني الذي يليه مع فقدان جزيء واحد من الماء نتيجة لهذا التفاعل.
• ارتباط عدد من الأحماض الأمينية مع بعضها البعض ينتج عنه جزيئا كبيرا يسمى متعدد الببتيدات (Polypeptide) .
• كل نوع من البروتينات له عدد معين وترتيب معين ونوع (أو أنواع) معينة من الأحماض الأمينية.
• هذه الأحماض تتحد مع بعضها البعض مع تغير عدد وترتيب هذه الأحماض معطية بذلك العدد اللانهائي من البروتينات في الكائن الحي.

مستويات التركيب في البروتينات ( Levels of Structure in Proteins):

أ- التركيب الأولى (Primary Structure) :

اتحاد الأحماض الأمينية مع بعضها البعض بواسطة الروابط الببتيدية لتكوين الجزيء الأفقي من متعدد الببتيدات.

ب- التركيب الثانوي (Secondary Structure):

الببتيدات ذات التركيب الأولى يكون لها تركيبا ثانويا.

• التركيب الثانوي هو شكل البروتين الناشئ عن روابط هيدروجينية (Hydrogen bonds).
• وينتج هذا التركيب من ارتباط بين ذرة الهيدروجين التابعة لمجموعة الأمين في أحد الأحماض الأمينية وذرة الأوكسجين التابعة لمجموعة الكاربوكسيل التابعة لحامض أميني آخر بواسطة الرابطة الهيدروجينية. يبعد عن الأول بثلاث وحدات أمينية.
• تكرار الروابط الهيدروجينية بهذه الطريقة يعطى للجزيء شكلا حلزونيا.(Spiral configuration)   
• يتخذ الشكل الحلزوني المظهر الليفي (Fiprous) مثل بروتين الكولاجين المكون للألياف البيضاء.
• هذا النوع من البروتينات غير قابلة للذوبان في الماء مثل برتينات الشعر والأظافر.
• يؤدى الشكل الحلزوني إلى إعطاء شكلا ذو أبعاد ثلاثة: طول وعرض وارتفاع.

جـ- التركيب الثالثي (Tertiary Structure)

• يحدث للحلزون متعدد الببتيدات التفاف و انثناء حول نفسه عدة مرات في جميع الاتجاهات منتجا بذلك جزيئا بروتينيا ذو شكل حبيبي (Globular ).
• قابل للذوبان في الماء مثل بروتينات الإنزيمات.
• يشبه جزيء البروتين في هذه الحالة خيطا طويلا ملفوفا على هيئة كرة.
• الجزيء البروتيني الحبيبي له ثلاث مستويات من التركيب: التركيب الأولى والتركيب الثانوي والتركيب الثالثى.

هناك ثلاث أنواع رئيسية من الروابط الكيميائية التي تؤدى إلى التركيب الثالثى للبروتين:

 ا- روابط هيدروجينية: تعمل على ربط أجزاء بعيدة أو قريبة من جزيء متعدد الببتيدات.

2 - روابط أيونية (Ionic bond): بين مجموعة كربوكسيل حرة في أحد طرفي متعدد الببتيدات ومجموعة أمين حرة في الطرف الآخر المتعدد الببتيدات.

3 - روابط ثنائي الكبريتيد (disulfide bonds): بين ذرتي الكبريت في حامضين امينيين يبعدان عن بعضهما البعض بمسافة معينة.

د- التركيب الرباعي (Quaternary Structure) :

• اتحاد عدد معين من جزيئات متعدد الببتيدات المتشابهة أو المختلفة على هيئة حزمة.
• الروابط التى تعمل على ربط سلاسل متعدد الببتيدات مع بعضها البعض بهذه الطريقة هى نفس الروابط الكيميائية التى سبق ذكرها.
• هرمون الأنسولين يتكون من سلسلتين مختلفتين من متعدد الببتيدات. يربطهما رابطتين من روابط ثنائي الكبريتيد.
• الهيموجلوبين يتكون من أربع سلاسل من متعدد الببتيدات.
• كل سلسلة تمر بالمستويات الثلاث الأولى في تركيبها وعندما تتحد يظهر التركيب الرباعى للبروتين.
• التركيب الرباعي يحدث نتيجة لروابط بين أكثر من سلسلة واحدة.
• ولهذه المستويات الأربعة من التراكيب دورا كبيرا فى تحديد الخواص التابعة للبروتين.
• اختلاف البروتينات في خواصها منشأه الاختلاف في هذه المستويات الأربع.

عملية المسخ ( Denaturation):

اختلاف التركيب ذو الأبعاد الثلاثة للبروتين وتغيره نتيجة لإزالة بعض أو معظم الروابط بفعل عوامل كيميائية أو طبيعية معينة.

وعندما يكون الاختلال ضعيفا ولمدة قصيرة فان البروتين يمكن أن يعود إلى شكله الطبيعي بزوال المؤثر.

اما لو كان المؤثر قويا وطويل المدى فانه يستحيل رجوع البروتين إلى شكله الطبيعي ويقال عليه في هذه الحالة انه متخثر أو متجلط (Coagulated). والمثال على ذلك زلال البيض عندما نعرضه لحرارة عالية.

فصل البروتينات:

نقطة التماثل الكهربائي ( Isoelectric Point )

درجة من الحموضة أو القاعدية يترسب عندها البروتين  الذائب.

كل نوع من أنواع البروتينات المعروفة له نقطة تماثل كهربائي خاصة به وتختلف في المقدار عن أي نقطة تماثل أخرى لأي بروتين آخر. (الشكل18)

البروتينات المحببة تذوب في الماء لوجود شحنات سالبة أو موجبة على سطحها مما يجعلها تنجذب إلى الشحنات الموجودة في الماء فتذوب فيه.

الفصل الكهربائى (Electrophoresis):

• وضع المحلول المحتوى على بروتينات مختلفة مذابة بين قطبين كهربائيين مختلفي الشحنة.
• إمرار تيار كهربائي متدرج المقدارين بين القطبين.
• كل بروتين ينجذب إلى القطب المخالف له في الشحنة
• ويترسب عندما تتساوى شحنة البروتين مع شحنة القطب في المقدار.

الأحماض النووية ( Nucleic Acids) :

• من المركبات الأساسية التي تدخل في تكوين الكائن الحي.
• سميت بالأحماض النووية لوجودها بكثرة في النواة.
• جزئيات كبيرة ( Macromolecules ).
• توجد في نواة الخلية ذات النواة الحقيقية (Eukaryotic cell).
• أو في سيتوبلازم الخلية ذات النواة الأولية (Prokaryotic cell) .

هناك نوعان من الأحماض النووية:

حامض الديوكسى رايبونيوكلييك Deoxyribonucleic) acid: (DNA) 

• من المكونات الأساسية للكروموزومات وهو يمثل المادة الوراثية لمعظم الكائنات الحية.
• المادة الموجهة لعمليات انتقال الصفات الوراثية من الآباء للذرية.

حامض الرايبرنيوكلييك  (: (RNA Ribonucleic acid.

• المادة الوراثية لبعض الفيروسات. ويوجد ثلاث أنواع من (RNA) وهي المرسال mRNA والناقل tRNA و الرايبوزومي rRNA. جميعها تساعد (DNA) في القيام بوظيفته.

الوحدة التركيبية في الأحماض النواتية هي: النيوكليوتيده .

القواعد النتروجينية في كل سلسلة ترتبط بواسطة روابط هيدروجينية ( Hydrogen bonds) .

هذا الارتباط بين السلستين يتبع قاعدة خاصية الارتباط (Pairing specificity rule).

الثايمين (T ) فى أحد السلسلتين يرتبط  مع الادنين (A) في السلسلة الاخرى.

 السايتوسين (C) يرتبط مع الجوانين (G).  كما ان السلسلتين متعاكستين فى اتجاههما. .

جدول يوضح أهم الفروقات بين DNA  و  RNA:

موضوع المقارنة	DNA	RNA
وجوده	النواة	النواة و السيتوبلازم
الوظيفة	المادة الوراثية و مكون للكروموزومات	يساعد DNA في الوظيفة
أنواعه	ليس له أنواع	المرسال (mRNA) ، الناقل (tRNA) و الرايبوزومي(rRNA)
السكر الخماسي	سكر الديوكسى رايبوز	سكر الرايبوز
القواعد النيتروجينية	الأدينين – الثايمين  الجوانين - السايتوسين	الأدينين – اليوراسيل الجوانين - السايتوسين
الشكل	حلزون ثنائي  ( Double helix)  سلسلتين من متعدد النيوكليوتيدات	خيط واحد من متعدد النيوكليوتيدات

الفرق بين سكر الديوكسى رايبوز والرايبوز هو أن الأول تفتقر فيه ذرة الكربون رقم 2 إلى أوكسجين.  ولذلك يسمى بمنزوع الأكسجين حيث أن ديوكسي تعني نزع الأكسجين.

بعض الفيروسات التي يمثل ( DNA ) فيها المادة الوراثية ويوجد بها ( DNA) على هيئة خيط واحد فقط من متعدد النيوكليوتيدات.

بعض الفيروسات التي يمثل (RNA) فيها المادة الوراثية ويوجد بها (RNA) على هيئة خيطين من متعدد النيوكليوتيدات تتشابك مع بعضها البعض على هيئة حلزون ثنائي.

      

التفاعلات الحيوية و الإنزيمات (Biological Reactions and Enzymes):

أ + ب               جـ + د          

سرعة التفاعل ( Reaction rate ):

• تقدر بمعدل اختفاء المواد المتفاعلة أو تراكم النواتج في وحدة زمنية.
• زيادة التقارب بين المواد المتفاعلة تزيد من سرعة التفاعل.
• يمكن زيادة التقارب بينهما بزيادة أحد العوامل التالية:
•  تركيز (Concentration) مواد التفاعل في محلول التفاعل.
• زيادة الضغط (Pressure) الواقع عليها والذي ينتج عنه تقارب بين جزيئات أ، ب.
• الحرارة ( Heat ) حيث تزداد حركة الجزيئات كلما رفعت درجة الحرارة.

الطاقة (Energy) أثناء التفاعل:

كل المواد تحتوى على طاقة حرة (Free energy).

تحويل مادة إلى أخرى ، أو مادتين أو أكثر ينتج عنه تغير في هذه الطاقة.

فاذا كانت الطاقة الحرة للمواد المتفاعلة أكبر من الطاقة الحرة للمواد الناتجة كما في التفاعل التالي:

 

أ + ب                     جـ + د + طاقة

فان هذا التفاعل معطى للطاقة ( Exergonic reaction )

اما اذا كانت الطاقة الحرة للمواد المتفاعلة أصغر من الطاقة الحرة للمواد الناتجة كما في التفاعل التالي:

هـ + و + طاقة                      ل + م

فان هذا التفاعل مستقبل للطاقة ( Endergonic reaction )

التفاعلات المعطية للطاقة يمكن أن تتم تلقائيا (Spontaneous).

وهي تحتاج إلى كمية من الطاقة لدفع التفاعل أولا ثم يستمر التفاعل بعد ذلك معطيا كميات من الطاقة أكبر بكثير من الطاقة الدافعة و التي تسمى "طاقة التنشيط ".  (energy Activation) .

طاقة المعطي تمد المستقبل لاستمرار التفاعل (التفاعلات الحيوية).

العامل المساعد (Catalyst):

الأكسجين  +  الهيدروجين        يعطي        ماء

العامل المساعد يعمل على:

• تقليل كمية طاقة التنشيط المطلوبة كي يتم التفاعل.
• زيادة سرعة تفاعل قابل للحدوث ولا يؤثر على اتجاه التفاعل أو اتزانه النهائي أو كمية طاقة التفاعل الداخلة فيه.

الإنزيمات (Enzymes):

• عوامل مساعدة بيولوجية Biological Catalyst  في الكائنات الحية.
• بروتينات (Proteins ) معظمها من النوع الحبيبي ( Globular) وبعضها ليفي (Fibrillar) .
• يمكن أن يكون بروتين أو (RNA) .
• طبيعة سطح الإنزيمات يجعلها قابلة للتداخل مع الجزيئات المتفاعلة بحيث تثبت على سطح الإنزيم.
• مكان اتصال الجزيئات المتفاعلة مع الإنزيم يسمى بالموضع النشط .(Active site)
• تخصص الإنزيم في نوع معين من الجزيئات كمواد متفاعلة.
• هذه الجزيئات تسمى "عامل الإنزيم " ( Enzyme substrates )

تثبيط عمل الإنزيم:

ارتباطه مع مادة مثبطة.

درجات الحرارة المرتفعة.

التأثر بالمواد الحمضية والقاعدية وكلها عوامل تساعد على تغير الشكل العام للبروتينات.

بعض الإنزيمات لا تعمل إلا في وجود جزئيات خاصة متحدة معها تسمى مرافق الإنزيم (coenzymes).

والمرافق الانزيمي قد يكون احد الأيونات المعدنية البسيطة أو جزئيات عضوية معقدة. وفي جميع الأحوال هي مواد غير بروتينية.