ما الكيمياء الحياتية

تعريف الكيمياء الحياتية (Biochemistry): علم يُعنى بكيمياء التراكيب الحيوية في جسم الكائن الحي، ويدرس التغيرات الكيميائية التي تحدث فيه وهذه الدراسة تربط بين المجال الكيميائي والمجال الحيوي الوظيفي للمخلوقات الحية.

وكما هو معلوم أن التركيب الكيميائي للبروتوبلازم يتألف من ثلاثة أصناف هي المواد العضوية والمواد غير العضوية والماء وما يهمنا في هذا العرض هو دراسة المواد العضوية واهمها:

أولا: الكربوهيدرات

مركبات عضوية تتركب من كربون وهيدروجين وأوكسجين ونسبة الأوكسجين فيها مرتفعة، حيث ترتبط كل ذرة كربون بالذرات المكونة لجزيئات الماء وهي (CH2O) n، وقد جاءت تسمية الكربوهيدرات على ضوء ذلك أي اشتقت من كربون وماء (هيدريت). وتنقسم إلى بسيطة ومعقدة:

1. كربوهيدرات بسيطة: مركبات حلوة المذاق و تذوب في الماء توجد بأشكال متبلورة ذات كتل مولية معروفة، غالبا ما تكون على شكل سلاسل كربونية مستمرة قابلة لتشكيل جزيئات ذات سلاسل حلقية حيث يكون التركيبان الحلقي والمستمر في حالة اتزان مستمر وتشمل السكريات الأحادية والثنائية والثلاثية.
2. كربوهيدرات معقدة: وهي مركبات عديدة التسكر مثل النشأ والكلايكوجين والصموغ النباتية والسيليلوز، وبالمقابل نجد أن هناك ثلاثة أنواع من الكربوهيدرات المهمة وهي:

أولاً: كربوهيدرات أحادية السكر (سكريات أحادية) مثل كلوكوز وفركتوز.

أ – سكر الكلوكوز

يعد من الكربوهيدرات أحادية التسكر وهو عبارة عن بلورات صلبة له درجة غليان عالية يوجد في الطبيعة أو الدم وفي فاكه العنب لذا يسمى سكر العنب. صيغته الجزيئية C6H12O6 أو C6(H2O)6  وشكله البنائي يتوقف على الحالة التي يوجد فيها. وصيغته البنائية المفتوحة تحتوي على عدة مجاميع هيدروكسيل ومجموعة الديهايد واحدة.  ويوجد في الطبيعة وفي الدم وفي فاكهة العنب. ويستعمل طبيا في تغذية المرضى وإسعافهم خلال العمليات الجراحية. وكذلك في الحالات التي لا يتناول فيها المريض غذاءً كافيا عن طريق الفم.

الصيغة الجزيئية والصيغة البنائية

الصيغة الجزيئية للكلوكوز هي C6H12O  أما صيغته البنائية فانه يأخذ شكلا على الحالة التي يوجد فيها فقد يكون بشكل سلسلة مفتوحة أو قد يكون بشكل سلسلة مغلقة. (شكل رقم 1 و2)

الطبيعة الكيميائية للشكل الحلقي عبارة ايثر حلقي يحتوي على عدد من مجاميع الهيدروكسيل. بينما طبيعة الشكل المفتوح عبارة عن الديهايد يحتوي على مجموعة من مجاميع الهيدروكسيل. ويعتمد تفسير الصفات الأساسية للكلوكوز بناء على شكل الجزيء.

صفات الكلوكوز

• بلورات صلبة.
• درجة غليانه عالية بسبب وجود الأواصر الهيدروجينية البينية بين جزيئات الكلوكوز.
• يذوب جيدا في الماء بسبب قدرته على تكوين أواصر هيدروجينية بينه وبين جزيئات الماء.
• قطبيته عالية بسبب وجود مجاميع الهيدروكسيل وذرات الهيدروجين في تركيب الجزيئة.
• صفاته الكيميائية تشبه صفات الكحولات والالديهايدات بسبب احتواء صيغته البنائية المفتوحة على مجموعة هيدروكسيل ومجموعة الديهايد واحدة.
• يتأكسد مع محلول تولن ومحلول فهلنك بسبب احتواء صيغته البنائية المفتوحة على مجموعة الديهايد واحدة.

ب- سكر الفركتوز (سكر الفواكه)

ويعد من الكربوهيدرات أحادية التسكر يوجد في العسل ومعظم الفواكه لذا يسمى بسكر الفواكه صيغته الجزيئية C6H12O6 أو C6(H2O)6 تتشابه خواصه الفيزيائية مع سكر الكلوكوز وصيغته البنائية المفتوحة تحتوي على عدة مجاميع هيدروكسيل ومجموعة كيتون واحدة.

الصيغة الجزيئية والصيغة البنائية

الصيغة الجزيئية للفركتوز هي شبه الصيغة الجزيئية للكلوكوز أي C6H12O6   الصيغة البنائية تتمثل بشكلين صيغة بنائية مغلقة وأخرى مفتوحة (شكل رقم أو ب)

نلاحظ أن شكله المغلق يحتوي على مجاميع هيدروكسيل إضافة الى مجموعة C – O – C - بينما شكله المفتوح يحتوي على مجاميع هيدروكسيل إضافة الى مجموعة الكربونيل الكيتونية، ويكتسب الفركتوز تفاعلات مثيلة لتفاعلات الكحولات والكيتونات بسبب وجود عدد من مجاميع الهيدروكسيل ومجموعة الكربونيل الكيتونية، ونظرا للتشابه في الصيغة البنائية مع الكلوكوز فخواصه الفيزيائية تتشابه مع الخواص الفيزيائية للكلوكوز.

ويصنف الفركتوز على انه من السكريات المختزلة رغم انه كيتونا لان وجود مجاميع الهيدروكسيل الى جانب مجموعة الكربونيل الكيتونية يكسبه تفاعلات مثيلة لتفاعلات الكحولات والكيتونات وقابليته للتأكسد بمحلول فهلنك أو كاشف تولن التي يخالف فيها الكيتونات .

ثانيا: الكربوهيدرات ثنائية التسكر يتكون جزيء هذا النوع من ارتباط جزيئتين من السكر الأحادي متماثلتين أو مختلفتين مثل سكر القصب.

سكر القصب أو السكروز:     

 يعد من الكربوهيدرات ثنائية التسكر يستخلص من نبات القصب لذا سمي بسكر القصب. صيغته الجزيئية هي C12H22 O11 يتكون من جزيء الكلوكوز وجزيء الفركتوز مرتبطين ببعضهما باصرة كلايكوسيدية تنشأ بعد فقدان جزيئة ماء. إلا انه من السهل تحلله الى كلوكوز وفركتوز في عمليات الهضم التي تحدث في اجسامنا .

ثالثا :الكربوهيدرات متعددة التسكر: تعد بوليمر ضخما للسكريات الأحادية مثل النشأ والسليلوز

أ – النشأ  يعد من الكربوهيدرات متعددة التسكر جزيئتها تنشأ من وحدات من الكلوكوز يتم ارتباطها من خلال فك الاصرة الثنائية في الكربونيل وتكوين بوليمر من جزيئات الكلوكوز .

كيف تكشف عن النشا؟

يتم بإضافة قطرات من محلول النشأ المائي الى محلول اليود في يوديد البوتاسيوم. ظهور اللون الأزرق بسبب ارتباط جزيئات النشأ مع جزيئات اليود في محلول اليود فيتكون مركب ذا لون ازرق دلالة على ان المادة المضافة هي النشأ.

ب: السليلوز ويعد من الكربوهيدرات متعددة التسكر، ويتكون من بوليمر ضخم للكلوكوز ويختلف عن النشأ في الشكل والخواص بسبب اختلاف عدد وحدات الكلوكوز المكونة لكل منها واختلاف ترابطها مع بعضها وتعتبر ألياف المواد الخشبية وقشور بعض أثمار الفاكهة مثل التمر المصدر الطبيعي له .

ثانيا: البروتينات    

مواد عضوية غير بسيطة معقدة التركيب مصدرها الاساسي هو النباتات ( الاجسام الحية بشكل عام )  تتكونة من وحدات الاحماض الامينية مرتبطة باواصر خاصة تسمى البيبتيدات وتتكون من عناصر اساسية تشمل الكربون والهيدروجين والاوكسجين والنتروجين واحيانا عناصر الكبريت والفسفور والحديد والنحاس بنسب متفاوتة . تشكل البروتينات المكون الأساسي للأنسجة الحويانية والنباتية تركيبا ووظيفة فهي تقوم بتحفيز التفاعلات الكيميائية الحياتية كأنزيمات كما تنظم هذه التفاعلات كهورمونات إضافة الى انها توجد ضمن مكونات جدران الخلايا وكذلك اجزاء الخلايا (النواة.. المايتوكوندريا .. الخ).

إن اصل كلمة بروتين يوناني تتألف من مقطع Pro وتعني الأول  ومقطع tiens ويعني اهمية او اساس و تشكل البرويتينات مصدرا أساسيا في غذاء الإنسان لانها المصدر الاول للحوامض الامينية التي يحتاجها الانسان لنموه .

الاحماض الامينية: تعد الأحماض الامينية الوحدة الاساسية لبناء البروتين ومن صيغته البنائية يظهر ان هناك مجموعتين وظيفيتين تشترك فيهما جميع البروتينات، وهما مجموعة الكربوكسيل COOH   ومجموعة الأمين NH2 – (شكل رقم 3 )

 (شكل رقم 3: تركيب بنائي لصيغة عامة للأحماض الأمينية)

 ان اختلاف الاحماض الامينية عن بعضها ناتج عن اختلاف مجموعة الالكيل R  فيها . الامر الذي ادى بدوره الى اختلاف البروتينات عن بعضها البعض أي بسبب اختلاف انواع  الاحماض الامينية  واعدادها وترتيبها.

ويبذل الباحثون جهود كبيرة لمعرفة ترتيب الاحماض الامينية في البروتين وذلك  بهدف محاولة انتاج مشابه له في المختبر لتعويضه عند الحاجة  لكون  وظيفة البروتين تعتمد على نوع الاحماض الامينية المكونة له وترتيبها داخل بنية جزيئاته .

يعتبر كل الهيموغلوبين في الدم والكيراتين في الشعر والاظافر والريش والالبومين في البيض والهورمونات مثل الانسولين في البنكرياس والثيروكسين في الغدة الدرقية والانزيمات مثل الببسين في المعدة والمالتيز في الاثني عشري والتربسين في البنكرياس  امثلة على البروتينات .

وظائف البروتينات

للبروتينات وظائف أساسية في أجسام المخلوقات منها:

• لها دور كبير في بناء معظم خلايا الجسم وإعادة ما تلف منها.
• تشكيل الدم ونقل الكثير من المواد في الدم.
• تشكيل الأنزيمات.
• تشكيل الهورمونات.

 الانزيمات

وهي صنف من البروتينات موجودة في جميع خلايا جسم الكائن الحي كعوامل مساعدة عضوية للتقليل من الطاقة اللازمة لحدوث التفاعل منه بدون انزيم . تتكون داخل الاجسام الحية وتتجدد باستمرار لانها تفقد فعاليتها بمرور الزمن وتتلف بالحرارة ويكون عملها ضمن نطاق معين من PH  وتعمل بصورة مستقلة ولها فاعلية في العمليات الحيوية كالهضم والتمثيل الغذائي وعملية التنفس . وتعتمد الحياة على وجود الانزيمات لان الكثير من الفعاليات الحيوية مثل الهضم والتنفس والتمثيل الغذائي تعتمد على فعالية الانزيمات.

صفات الأنزيمات

1.  انها شديدة الحساسية.
2. تتلف بالحرارة.
3.  تعمل ضمن نطاق معين من الـ ph.
4.  تفقد فعاليتها بمرور الزمن اثناء التفاعلات الحيوية الا انها تتجدد باستمرار .

عمل الانزيمات

تعمل الانزيمات كعامل مساعد للتقليل من الطاقة اللازمة  لحدوث التفاعل , أي تكون طاقة التشيط اوطأ مما هي عليه في حالة التفاعل بدون انزيم  .

انواع الانزيمات من حيث الموقع    

اولا: انزيمات داخلية وتعمل داخل الخلية نفسها وليس لها القدرة على التنافذ خلال غشاء معين مثل الانزيمات التأكسدية.

ثانيا: الانزيمات الخارجية: يكون عملها خارج الخلية ( بعد افرازها من الانسجة) مثل الانزيمات الهاضمة. 

ثالثا: الدهون (اللبيدات)

عبارة عن مركبات عضوية (بوليمرات) ذات ملمس دهني لا تذوب في الماء والمذيبات القطبية الاخرى لكنها تذوب في المذيبات العضوية مثل الايثر والكلوروفورم والبنزين. وتعتبر المادة الأساس التي يختزنها الجسم للحصول على الطاقة عند الحاجة اذ ان هضمها واكسدتها تؤدي الى تحرير طاقة. توجد في الكائنات الحيوانية ويطلق عليها اسم الشحوم الحيوانية وتكون صلبة في درجات الحرارة الاعتيادية   وتوجد كذلك في الكائنات النباتية ويطلق عليها اسم الزيوت النباتية وتكون سائلة في درجات الحرارة الاعتيادية.

الأصل الكيميائي للدهون : عبارة عن الاستر الثلاثي للكلسرين مع الحوامض الشحمية والتي تتكون من سلسلة كربونية طويلة لها مجموعة كربوكسيلية طرفية ويدعى هذا التركيب بثلاثي الكليسرايد . و تعد الحوامض الدهنية الوحدة البنائية (المونيمر) للدهون. 

(شكل رقم 4) 

أهمية الدهون

1. تعد المادة الأساسية التي يخزنها الجسم للحصول على الطاقة (تمثل أغذية الطاقة الكامنة المخزونة في جسم الكائن الحي.
2. تدخل في صناعة الصابون والأصباغ والشموع.

المراجع

•  كتاب كيمياء السادس العلمي جمهورية العراق
• K. J. Denniston , J. J.Topping , and R. L.Caret, “General Organic and     Biochemistry  (2006
•  الكيمياء الحياتية جامعة بغداد / كلية التمريض