الجزيئات الحيوية: التصنيف والوظائف الرئيسية

الجزيئات الحيوية هي جزيئات يتم إنشاؤها في الكائنات الحية. البادئة "bio" تعني الحياة ؛ لذلك ، الجزيء الحيوي هو جزيء ينتج عن كائن حي. الكائنات الحية تتكون من أنواع مختلفة من الجزيئات التي تؤدي وظائف مختلفة ضرورية للحياة.

في الطبيعة ، توجد أنظمة حيوية (حية) وغير حيوية (غير حية) تتفاعل ، وفي بعض الحالات ، تتبادل العناصر. من بين السمات المشتركة بين جميع الكائنات الحية أنها عضوية ، مما يعني أن جزيئاتها المكونة تتكون من ذرات الكربون.

تحتوي الجزيئات الحيوية أيضًا على ذرات أخرى مشتركة إلى جانب الكربون. وتشمل هذه الذرات الهيدروجين والأكسجين والنيتروجين والفوسفور والكبريت ، بشكل رئيسي. وتسمى هذه العناصر أيضًا العناصر الحيوية لأنها المكون الرئيسي للجزيئات البيولوجية.

ومع ذلك ، هناك ذرات أخرى موجودة أيضًا في بعض الجزيئات الحيوية ، وإن كانت بكميات أقل. هذه هي عادة أيونات المعادن مثل البوتاسيوم والصوديوم والحديد والمغنيسيوم ، من بين أمور أخرى. وفقا لذلك ، يمكن أن تكون الجزيئات الحيوية من نوعين: عضوي أو غير عضوي.

وهكذا ، تتكون الكائنات من أنواع كثيرة من الجزيئات القائمة على الكربون ، على سبيل المثال: السكريات والدهون والبروتينات والأحماض النووية. ومع ذلك ، هناك مركبات أخرى تعتمد أيضًا على الكربون وليست جزءًا من الجزيئات الحيوية.

يمكن العثور على هذه الجزيئات التي تحتوي على الكربون ولكنها غير موجودة في النظم البيولوجية في قشرة الأرض وفي البحيرات والبحار والمحيطات وفي الغلاف الجوي. يوصف حركة هذه العناصر في الطبيعة في ما يعرف بالدورات البيوكيميائية الحيوية.

ويعتقد أن هذه الجزيئات العضوية البسيطة الموجودة في الطبيعة هي تلك التي أدت إلى تكوين الجزيئات الحيوية الأكثر تعقيدًا والتي تشكل جزءًا من البنية الأساسية للحياة: الخلية. ما سبق هو ما يعرف باسم نظرية التوليف اللاأحيائي.

تصنيف ووظائف الجزيئات الحيوية

الجزيئات الحيوية متنوعة في الحجم والهيكل ، مما يمنحها خصائص فريدة لأداء الوظائف المختلفة اللازمة للحياة. وبالتالي ، فإن الجزيئات الحيوية بمثابة تخزين المعلومات ، ومصدر الطاقة ، والدعم ، والتمثيل الغذائي الخلوي ، من بين أمور أخرى.

يمكن تصنيف الجزيئات الحيوية إلى مجموعتين كبيرتين ، بناءً على وجود أو عدم وجود ذرات الكربون.

الجزيئات الحيوية غير العضوية

إنها جميع تلك الجزيئات الموجودة في الكائنات الحية والتي لا تحتوي على الكربون في تركيبها الجزيئي. يمكن أيضًا العثور على جزيئات غير عضوية في أنظمة الطبيعة الأخرى (غير الحية).

فيما يلي أنواع الجزيئات الحيوية غير العضوية:

ماء

إنه المكون الرئيسي والأساسي للكائنات الحية ، وهو جزيء يتكون من ذرة أكسجين مرتبطة بذرتين من الهيدروجين. الماء ضروري لوجود الحياة وهو الجزيء الحيوي الأكثر شيوعًا.

ما بين 50 و 95 ٪ من وزن أي كائن حي هو الماء ، لأنه من الضروري القيام بالعديد من الوظائف المهمة ، مثل التنظيم الحراري ونقل المواد.

الأملاح المعدنية

إنها جزيئات بسيطة تتكون من ذرات ذات شحنة معاكسة منفصلة تمامًا في الماء. على سبيل المثال: كلوريد الصوديوم ، تتشكل من ذرة الكلور (مشحونة سالبًا) وذرة الصوديوم (المشحونة إيجابًا).

تشارك الأملاح المعدنية في تكوين هياكل صلبة ، مثل عظام الفقاريات أو الهيكل الخارجي لللافقاريات. هذه الجزيئات الحيوية غير العضوية ضرورية أيضًا لتنفيذ العديد من الوظائف الخلوية المهمة.

الغازات

إنها جزيئات في شكل غاز. أنها ضرورية لتنفس الحيوانات والتمثيل الضوئي في النباتات.

ومن الأمثلة على هذه الغازات: الأكسجين الجزيئي ، الذي يتكون من ذرتين أكسجين مرتبطتين معًا ؛ وثاني أكسيد الكربون ، تتكون من ذرة كربون متصلة بذرتين من الأكسجين. يشارك كلا الجزيئين الحيويين في التبادل الغازي الذي تقوم به الكائنات الحية مع بيئتها.

الجزيئات الحيوية العضوية

الجزيئات الحيوية العضوية هي تلك الجزيئات التي تحتوي على ذرات الكربون في بنيتها. يمكن أيضًا العثور على الجزيئات العضوية الموزعة في الطبيعة كجزء من الأنظمة غير الحية ، وتشكل ما يعرف بالكتلة الحيوية.

أنواع الجزيئات الحيوية العضوية هي كما يلي:

الكربوهيدرات

الكربوهيدرات هي على الأرجح أكثر المواد العضوية وفرة على نطاق واسع في الطبيعة ، وهي مكونات أساسية لجميع الكائنات الحية.

يتم إنتاج الكربوهيدرات بواسطة النباتات الخضراء من ثاني أكسيد الكربون والماء أثناء عملية التمثيل الضوئي.

تتكون هذه الجزيئات الحيوية بشكل رئيسي من ذرات الكربون والهيدروجين والأكسجين. تُعرف أيضًا باسم الكربوهيدرات أو السكريات ، وتعمل كمصادر للطاقة وكمكونات هيكلية للكائنات الحية.

- السكريات الأحادية

السكريات الأحادية هي أبسط الكربوهيدرات وغالبا ما تسمى السكريات البسيطة. إنها لبنات البناء الأساسية التي تتشكل منها أكبر الكربوهيدرات.

تحتوي السكريات الأحادية على الصيغة الجزيئية العامة (CH2O) n ، حيث n يمكن أن تكون 3 أو 5 أو 6. وبالتالي ، يمكن تصنيف السكريات الأحادية وفقًا لعدد ذرات الكربون الموجودة في الجزيء:

إذا كان n = 3 ، يكون الجزيء مثلثياً. على سبيل المثال: glyceraldehyde.

إذا كان n = 5 ، يكون الجزيء عبارة عن بنتوس. على سبيل المثال: الريبوز وديوكسيريبوز.

إذا كان n = 6 ، يكون الجزيء عبارة عن هيكسوز. على سبيل المثال: الفركتوز والجلوكوز والجالاكتوز.

يمكن أن توجد خواص و hexoses في شكلين: الدورية وغير الدورية. في الشكل غير الدوري تظهر التركيبات الجزيئية مجموعتين وظيفيتين: مجموعة الألدهيد أو مجموعة الكيتون.

تسمى السكريات الأحادية التي تحتوي على مجموعة الألدهيدات ، وتسمى تلك التي تحتوي على مجموعة الكيتون الكيتوز. إن الدوس يقلل السكريات ، بينما الكيتوز غير سكريات منخفضة.

ومع ذلك ، في الماء ، تتواجد البنتوزات والسداسية بشكل دوري ، وفي هذا الشكل تتحد لتشكل جزيئات أكبر من السكريد.

- السكاريد

معظم السكريات الموجودة في الطبيعة هي السكاريد. تتشكل هذه من خلال تشكيل رابطة glycosidic بين اثنين من السكريات الأحادية ، من خلال تفاعل التكثيف الذي يطلق الماء. تتطلب عملية تكوين الرابطة هذه الطاقة لتوحيد وحدتي السكريات الأحادية.

أهم ثلاثة سكريات هي السكروز واللاكتوز والمالتوز. تتشكل من تكثيف السكريات الأحادية المناسبة. السكروز هو سكر غير مختزل ، بينما يعمل اللاكتوز والمالتوز على تقليل السكريات.

تكون ثاني أكسيد الكربوهيدرات قابلة للذوبان في الماء ، لكنها جزيئات حيوية كبيرة جدًا لاجتياز غشاء الخلية عن طريق الانتشار. لهذا السبب ، يتم تقسيمها في الأمعاء الدقيقة أثناء الهضم بحيث تنتقل مكوناتها الأساسية (أي السكريات الأحادية) إلى الدم وإلى الخلايا الأخرى.

تستخدم السكريات الأحادية بسرعة كبيرة بواسطة الخلايا. ومع ذلك ، إذا لم تكن الخلية بحاجة إلى الطاقة على الفور ، فيمكنها تخزينها في شكل بوليمرات أكثر تعقيدًا. وبالتالي ، يتم تحويل السكريات الأحادية إلى ديساكاريديس بواسطة تفاعلات التكثيف التي تحدث في الخلية.

- قلة السكريات

Oligosaccharides هي جزيئات متوسطة تتكون من ثلاث إلى تسع وحدات من السكريات البسيطة (monosaccharides). تتشكل من خلال تحلل الكربوهيدرات الأكثر تعقيدًا (السكريات).

توجد أغلبية السكريات الطبيعية في النباتات ، وباستثناء المالتريوز ، فهي غير قابلة للهضم من قبل البشر لأن جسم الإنسان يفتقر إلى الإنزيمات الضرورية في الأمعاء الدقيقة لتفكيكها.

في الأمعاء الغليظة ، يمكن للبكتيريا النافعة تحطيم قلة السكريات عن طريق التخمير ؛ وبالتالي يتم تحويلها إلى مواد غذائية قابلة للامتصاص توفر بعض الطاقة. يمكن أن يكون لبعض منتجات تحلل السكّريات قليل التأثير المفيد على بطانة الأمعاء الغليظة.

من أمثلة السكريات السكرية تشمل رافينوز وثلاثي السكاريد من البقوليات وبعض الحبوب التي تتكون من الجلوكوز والفركتوز والجالاكتوز. يتم إنتاج مالتوتريوز ، وهو تريساكريد الجلوكوز ، في بعض النباتات وفي دم بعض المفصليات.

- السكريات

يمكن أن تخضع السكريات الأحادية سلسلة من تفاعلات التكثيف ، مضيفة وحدة واحدة تلو الأخرى إلى السلسلة حتى تتشكل جزيئات كبيرة جدًا. هذه هي السكريات.

تعتمد خصائص السكريات على عدة عوامل في تركيبها الجزيئي: الطول ، الفروع الجانبية ، الطي وإذا كانت السلسلة "مستقيمة" أو "غير تقليدية". هناك العديد من الأمثلة على السكريات في الطبيعة.

غالبًا ما يتم إنتاج النشا في النباتات كوسيلة لتخزين الطاقة ، ويتكون من بوليمرات α الجلوكوز. إذا كان البوليمر متفرعا فإنه يطلق عليه الأميلوبكتين ، وإذا لم يتم تشعبه فإنه يسمى الأميلوز.

الجليكوجين هو السكريات الاحتياطية للطاقة في الحيوانات ويتكون من الأميلوبكتين. وبالتالي ، فإن النشا في النباتات يتحلل في الجسم لإنتاج الجلوكوز ، الذي يدخل الخلية ويستخدم في عملية التمثيل الغذائي. الجلوكوز الذي لا يستخدم البلمرة ويشكل الجليكوجين ، ترسب الطاقة.

الدهون

الدهون هي نوع آخر من الجزيئات الحيوية العضوية التي تكمن خصائصها الرئيسية في أنها غير مسعورة (وهي تتنافر مع الماء) ، وبالتالي فهي غير قابلة للذوبان في الماء. حسب تركيبها ، يمكن تصنيف الدهون إلى 4 مجموعات رئيسية:

- الدهون الثلاثية

تتشكل الدهون الثلاثية بواسطة جزيء من الجلسرين مرتبط بثلاث سلاسل من الأحماض الدهنية. الحمض الدهني هو جزيء خطي يحتوي في النهاية على حمض كربوكسيلي ، يليه سلسلة هيدروكربونية ومجموعة ميثيل في الطرف الآخر.

اعتمادا على بنيتها ، يمكن أن تكون الأحماض الدهنية مشبعة أو غير مشبعة. إذا كانت سلسلة الهيدروكربونات تحتوي على روابط واحدة فقط ، فهي عبارة عن حمض دهني مشبع. بالمقابل ، إذا كان لسلسلة الهيدروكربونات رابطة مزدوجة أو أكثر ، فإن الأحماض الدهنية غير مشبعة.

ضمن هذه الفئة هي الزيوت والدهون. الأولى منها هي احتياطي الطاقة للمحطات ، ولديها مواد مشبعة وتكون سائلة في درجة حرارة الغرفة. في المقابل ، الدهون هي احتياطيات طاقة الحيوانات ، فهي جزيئات مشبعة وجيدة في درجة حرارة الغرفة.

الفوسفورية

تشبه الفسفوليبيد الدهون الثلاثية لأنها تمتلك جزيء الجلسرين المرتبط بحمضين دهنيين. الفرق هو أن الفسفوليبيد لديها مجموعة فوسفات في الكربون الثالث من الجلسرين ، بدلاً من جزيء آخر من الأحماض الدهنية.

هذه الدهون مهمة جدًا نظرًا لطريقة تفاعلها مع الماء. من خلال وجود مجموعة فوسفات في نهاية واحدة ، يصبح الجزيء ماءًا (يجذب الماء) في تلك المنطقة. ومع ذلك ، فإنه لا يزال مسعور في بقية الجزيء.

بسبب تركيبتها ، تميل الفوسفورية إلى أن تكون منظمة بطريقة تجعل مجموعات الفوسفات متاحة للتفاعل مع الوسط المائي ، في حين أن سلاسل الكارهة المائية التي تنظمها في الداخل بعيدة عن الماء. وبالتالي ، فإن الفسفوليبيد هي جزء من جميع الأغشية البيولوجية.

- المنشطات

تتكون المنشطات من أربع حلقات كربونية تنصهر ، والتي تنضم إليها مجموعات وظيفية مختلفة. واحدة من أهمها الكوليسترول ، فمن الضروري للكائنات الحية. هذا هو مقدمة بعض الهرمونات الهامة مثل هرمون الاستروجين والتستوستيرون والكورتيزون ، من بين أمور أخرى.

- الشموع

الشموع هي مجموعة صغيرة من الدهون لها وظيفة وقائية. توجد في أوراق الأشجار وفي ريش الطيور وفي آذان بعض الثدييات والأماكن التي تحتاج إلى عزلها أو حمايتها من البيئة الخارجية.

الأحماض النووية

الأحماض النووية هي جزيئات النقل الرئيسية للمعلومات الوراثية في الكائنات الحية. وتتمثل مهمتها الرئيسية في توجيه عملية تخليق البروتين ، والتي تحدد الخصائص الموروثة لكل كائن حي. وهي تتألف من ذرات الكربون والهيدروجين والأكسجين والنيتروجين والفوسفور.

الأحماض النووية هي البوليمرات التي تتشكل من تكرارات مونومرات ، تسمى النيوكليوتيدات. يتكون كل نيوكليوتيد من قاعدة عطرية تحتوي على نيتروجين متصل بسكر البنتوز (خمسة كربونات) ، والذي بدوره يرتبط بمجموعة فوسفات.

الفئتان الرئيسيتان من الأحماض النووية هما حمض الديوكسي ريبونوكلييك (DNA) وحمض الريبونوكلي (RNA). الحمض النووي هو الجزيء الذي يحتوي على جميع معلومات الأنواع ، وهذا هو السبب في وجوده في جميع الكائنات الحية وفي معظم الفيروسات.

الحمض النووي الريبي هو المادة الوراثية لفيروسات معينة ، ولكنه موجود أيضًا في جميع الخلايا الحية. هناك يلعب أدوارًا مهمة في عمليات معينة ، مثل تصنيع البروتينات.

يحتوي كل حمض نووي على أربعة من خمس قواعد محتملة تحتوي على النيتروجين: الأدينين (A) ، الجوانيين (G) ، السيتوزين (C) ، الثيمين (T) ، اليوراسيل (U). يحتوي الحمض النووي على قواعد الأدينين ، الجوانيين ، السيتوزين والثيمين ، في حين أن الحمض النووي الريبي له نفس الشيء باستثناء الثيمين ، والذي يحل محله اليوراسيل في الحمض النووي الريبي.

- الحمض النووي الريبي النووي (DNA)

يتكون جزيء الحمض النووي من سلسلتين من النيوكليوتيدات مرتبطة بروابط تسمى روابط فوسفوديستر. كل سلسلة لديها هيكل في شكل حلزون. تتداخل هاتان الحلقتان لإعطاء الحلزون المزدوج. القواعد داخل الحلزون ومجموعات الفوسفات موجودة في الخارج.

يتكون الحمض النووي من سلسلة رئيسية من ديوكسي ريبوز السكر المرتبط بالفوسفات والقواعد النيتروجينية الأربعة: الأدينين ، الجوانين ، السيتوزين والثيمين. تتشكل الأزواج القاعدية في الدنا المزدوج تقطعت بهم السبل: الأدينين يرتبط دائمًا بالثيمين (AT) والجوانيين إلى السيتوزين (GC).

يتم تثبيت الهلتين معًا عن طريق مطابقة قواعد النيوكليوتيدات بواسطة روابط الهيدروجين. يوصف الهيكل أحيانًا بأنه سلم حيث تكون سلاسل السكر والفوسفات على الجانبين وتكون الروابط ذات القاعدة الأساسية هي الدرجات.

هذه البنية ، إلى جانب الثبات الكيميائي للجزيء ، تجعل الحمض النووي المادة المثالية لنقل المعلومات الوراثية. عندما تنقسم الخلية ، يتم نسخ الحمض النووي الخاص بها ويمر من جيل واحد من الخلايا إلى الجيل التالي.

- الحمض الريبي النووي (RNA)

الحمض النووي الريبي هو بوليمر من الحمض النووي الذي يتكون هيكله من سلسلة واحدة من النيوكليوتيدات: الأدينين ، السيتوزين ، الجوانين واليوراسيل. كما هو الحال في الحمض النووي ، يرتبط السيتوزين دائمًا بالجوانيين (CG) ولكن الأدينين يرتبط بالوراسيل (AU).

هذا هو الوسيط الأول في نقل المعلومات الوراثية في الخلايا. الحمض النووي الريبي ضروري لتخليق البروتينات ، لأن المعلومات الواردة في الكود الوراثي تنتقل عادة من الحمض النووي إلى الحمض النووي الريبي ، ومنه إلى البروتينات.

بعض RNAs لها أيضا وظائف مباشرة في التمثيل الغذائي الخلوي. يتم الحصول على الحمض النووي الريبي عن طريق نسخ التسلسل الأساسي لجزء من الحمض النووي يسمى الجين في جزء الحمض النووي المنفصل عن واحد. يتم تحفيز هذه العملية ، التي تسمى النسخ ، بواسطة إنزيم يسمى بوليميريز RNA.

هناك عدة أنواع مختلفة من الحمض النووي الريبي ، معظمها ثلاثة: الأول هو الحمض النووي الريبي messenger ، وهو النوع الذي يتم نسخه مباشرة من الحمض النووي عن طريق النسخ. النوع الثاني هو نقل الحمض النووي الريبي ، وهو النوع الذي ينقل الأحماض الأمينية الصحيحة لتوليف البروتينات.

أخيرًا ، الفئة الأخرى من الحمض النووي الريبي هي الحمض النووي الريبي الريباسي الذي ، إلى جانب بعض البروتينات ، يشكل الريبوسومات ، العضيات الخلوية المسؤولة عن تصنيع جميع بروتينات الخلية.

بروتين

البروتينات هي جزيئات كبيرة ومعقدة تؤدي وظائف مهمة كثيرة وتؤدي معظم الأعمال في الخلايا. وهي ضرورية لهيكل ووظيفة وتنظيم الكائنات الحية. وهي تتألف من ذرات الكربون والهيدروجين والأكسجين والنيتروجين.

تتكون البروتينات من وحدات أصغر تسمى الأحماض الأمينية ، مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط الببتيد وتشكيل سلاسل طويلة. الأحماض الأمينية هي جزيئات عضوية صغيرة ذات خواص فيزيائية كيميائية خاصة للغاية ، وهناك 20 نوعًا مختلفًا.

يحدد تسلسل الأحماض الأمينية البنية الفريدة ثلاثية الأبعاد لكل بروتين ووظيفته المحددة. في الواقع ، تتنوع وظائف البروتينات الفردية مع تتابعات الأحماض الأمينية الفريدة ، والتي تحدد التفاعلات التي تولد بنى ثلاثية الأبعاد معقدة.

وظائف متنوعة

يمكن أن تكون البروتينات مكونات هيكلية وحركة للخلية ، مثل الأكتين. يعمل البعض الآخر من خلال تسريع التفاعلات الكيميائية الحيوية داخل الخلية ، مثل DNA polymerase ، وهو الإنزيم الذي يصنع الحمض النووي.

هناك بروتينات أخرى تتمثل وظيفتها في نقل رسالة مهمة إلى الكائن الحي. على سبيل المثال ، تنقل بعض أنواع الهرمونات مثل هرمون النمو إشارات لتنسيق العمليات البيولوجية بين الخلايا والأنسجة والأعضاء المختلفة.

ترتبط بعض البروتينات وتنقل الذرات (أو الجزيئات الصغيرة) داخل الخلايا ؛ هذه هي حالة الفريتين ، المسؤولة عن تخزين الحديد في بعض الكائنات الحية. مجموعة أخرى من البروتينات المهمة هي الأجسام المضادة ، التي تنتمي إلى الجهاز المناعي وتكون مسؤولة عن اكتشاف السموم ومسببات الأمراض.

وهكذا ، فإن البروتينات هي المنتجات النهائية لعملية فك تشفير المعلومات الوراثية التي تبدأ بالحمض النووي الخلوي. هذا التنوع المذهل من الوظائف مشتق من كود بسيط ومثير للدهشة قادر على تحديد مجموعة متنوعة للغاية من الهياكل.