التركيب الكيميائي للكائنات (2)

التركيب الكيميائي للكائنات الحية

CHEMICAL STRUCTURE OF LIVING ORGANISMS

ثانيا: جزئيات المركبات التي تدخل في تركيب الكائن الحي: 

قبل أن نتحدث عن تركيب الجزيئات التي تدخل في تركيب الكائنات الحية يجب أولا أن نتعرف على  

الروابط الكيميائية التي تعمل على تشكيل هذه 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:

الكربونC ، الهيدروجين H، الأوكسجين O ،  النيتروجين N.