ما هي الجزيئات الأربعة الكبيرة للحياة؟

يتميز علم الأحياء - أو الحياة نفسها بشكل غير رسمي - بجزيئات كبيرة أنيقة تطورت على مدى مئات الملايين من السنين لخدمة مجموعة من الوظائف الحيوية. غالبًا ما يتم تصنيفها إلى أربعة أنواع أساسية: الكربوهيدرات (أو السكريات) والدهون والبروتينات والأحماض النووية. إذا كان لديك أي خلفية في التغذية ، فسوف تتعرف على الثلاثة الأولى من هذه العناصر على أنها المغذيات الكبيرة القياسية الثلاثة (أو "وحدات الماكرو" في لغة النظام الغذائي) المدرجة في ملصقات المعلومات الغذائية. الرابع يتعلق بجزيئين وثيقين الصلة يعملان كأساس لتخزين المعلومات الوراثية وترجمتها في جميع الكائنات الحية.

كل من هذه الجزيئات الأربعة الكبيرة للحياة ، أو الجزيئات الحيوية ، تؤدي مجموعة متنوعة من الواجبات ؛ كما قد تتوقع ، ترتبط أدوارهم المختلفة بشكل رائع بمكوناتهم وترتيباتهم المادية المختلفة.

أ جزيء ضخم هو جزيء كبير جدًا ، يتكون عادةً من وحدات فرعية متكررة تسمى مونومرات، والتي لا يمكن اختزالها إلى مكونات أبسط دون التضحية بالعنصر "لبنة البناء". على الرغم من عدم وجود تعريف موحد لمدى ضخامة الجزيء لكسب بادئة "الماكرو" ، إلا أن لديهم عمومًا ، على الأقل ، آلاف الذرات. من شبه المؤكد أنك رأيت هذا النوع من البناء في العالم غير الطبيعي. على سبيل المثال ، العديد من أنواع ورق الحائط ، في حين أنها متقنة في التصميم وتتسع جسديًا بشكل عام ، تتكون من وحدات فرعية مجاورة غالبًا ما يكون حجمها أقل من قدم مربع أو نحو ذلك. وبشكل أكثر وضوحًا ، يمكن اعتبار السلسلة على أنها جزيء ضخم تكون فيه الروابط الفردية "المونومرات".

من النقاط المهمة حول الجزيئات البيولوجية الضخمة ، باستثناء الدهون ، أن جزيئاتها وحدات المونومر قطبية ، مما يعني أن لديها شحنة كهربائية غير موزعة متماثل. من الناحية التخطيطية ، لديهم "رؤوس" و "ذيول" بخصائص فيزيائية وكيميائية مختلفة. نظرًا لأن المونومرات ترتبط ببعضها البعض ، فإن الجزيئات الكبيرة نفسها قطبية أيضًا.

أيضًا ، تحتوي جميع الجزيئات الحيوية على كميات عالية من عنصر الكربون. ربما تكون قد سمعت عن نوع الحياة على الأرض (بعبارة أخرى ، النوع الوحيد الذي نعرفه على وجه اليقين موجود في أي مكان) يشار إليه باسم "الحياة القائمة على الكربون" ، ولسبب وجيه. لكن النيتروجين والأكسجين والهيدروجين والفوسفور لا غنى عنها للكائنات الحية أيضًا ، ومجموعة من العناصر الأخرى موجودة في المزيج بدرجات أقل.

من شبه المؤكد أنه عندما ترى أو تسمع كلمة "كربوهيدرات" ، فإن أول ما تفكر فيه هو "طعام" ، وربما بشكل أكثر تحديدًا ، "شيء ما في الطعام ينوي الكثير من الناس تناوله التخلص من. أصبح كل من "Lo-carb" و "no-carb" كلمات رنانة عن إنقاص الوزن في الجزء الأول من القرن الحادي والعشرين ، وكان مصطلح "carbo-load" منتشرًا في مجتمع رياضة التحمل منذ السبعينيات. لكن في الواقع ، تعتبر الكربوهيدرات أكثر بكثير من مجرد مصدر طاقة للكائنات الحية.

جميع جزيئات الكربوهيدرات لها الصيغة (CH₂س)_ن، حيث n هو عدد ذرات الكربون الموجودة. هذا يعني أن نسبة C: H: O هي 1: 2: 1. على سبيل المثال ، تحتوي جميع السكريات البسيطة مثل الجلوكوز والفركتوز والجالاكتوز على الصيغة C₆ح₁₂ا₆ (بالطبع ، يتم ترتيب ذرات هذه الجزيئات الثلاثة بشكل مختلف).

تصنف الكربوهيدرات على أنها سكريات أحادية وثنائية السكريات وعديد السكاريد. السكاريد الأحادي هو وحدة مونومر للكربوهيدرات ، لكن بعض الكربوهيدرات تتكون من مونومر واحد فقط ، مثل الجلوكوز والفركتوز والجالاكتوز. عادةً ما تكون هذه السكريات الأحادية أكثر ثباتًا في شكل حلقة ، والتي يتم تصويرها بشكل تخطيطي على شكل سداسي.

السكريات الثنائية عبارة عن سكريات ذات وحدتين أحاديتين ، أو زوج من السكريات الأحادية. يمكن أن تكون هذه الوحدات الفرعية هي نفسها (كما هو الحال في المالتوز ، والذي يتكون من جزيئين جلوكوز متصلين) أو مختلفة (كما في السكروز ، أو سكر المائدة ، الذي يتكون من جزيء جلوكوز واحد وفركتوز واحد مركب. تسمى الروابط بين السكريات الأحادية روابط جليكوسيدية.

تحتوي السكريات المتعددة على ثلاثة أو أكثر من السكريات الأحادية. وكلما طالت هذه السلاسل ، زاد احتمال أن يكون لها فروع ، أي أنها ليست مجرد خط من السكريات الأحادية من طرف إلى طرف. تشمل أمثلة السكريات النشا والجليكوجين والسليلوز والكيتين.

يميل النشا إلى التكوّن في شكل حلزوني أو حلزوني ؛ هذا شائع في الجزيئات الحيوية عالية الوزن الجزيئي بشكل عام. السليلوز ، في المقابل ، خطي ، يتكون من سلسلة طويلة من مونومرات الجلوكوز مع روابط هيدروجينية تتخللها ذرات الكربون على فترات منتظمة. السليلوز هو أحد مكونات الخلايا النباتية ويمنحها صلابتها. لا يستطيع البشر هضم السليلوز ، وعادة ما يشار إليه في النظام الغذائي باسم "الألياف". الكيتين كربوهيدرات هيكلية أخرى ، توجد في الأجسام الخارجية لمفصليات الأرجل مثل الحشرات والعناكب و سلطعون. الكيتين هو كربوهيدرات معدل لأنه "مغشوشة" ​​مع ذرات نيتروجين وافرة. الجليكوجين هو شكل تخزين الجسم للكربوهيدرات. تم العثور على رواسب الجليكوجين في كل من أنسجة الكبد والعضلات. بفضل تكيفات الإنزيم في هذه الأنسجة ، يستطيع الرياضيون المدربون تخزين المزيد من الجليكوجين مقارنة بالأشخاص المستقرين نتيجة لاحتياجاتهم العالية من الطاقة وممارساتهم الغذائية.

مثل الكربوهيدرات ، البروتينات هي جزء من المفردات اليومية لمعظم الناس بسبب خدمتهم كما يسمى المغذيات الكبيرة. لكن البروتينات متعددة الاستخدامات بشكل لا يصدق ، أكثر بكثير من الكربوهيدرات. في الواقع ، بدون البروتينات ، لن تكون هناك كربوهيدرات أو دهون لأن الإنزيمات اللازمة لتركيب (وكذلك هضم) هذه الجزيئات هي في حد ذاتها بروتينات.

مونومرات البروتينات هي أحماض أمينية. وتشمل هذه مجموعة حمض الكربوكسيل (-COOH) وأمينو (-NH₂) مجموعة. عندما تنضم الأحماض الأمينية إلى بعضها البعض ، يكون ذلك عبر رابطة هيدروجينية بين مجموعة الأحماض الكربوكسيلية في أحد الأحماض الأمينية والمجموعة الأمينية الأخرى ، مع جزيء ماء (H₂س) صدر في هذه العملية. سلسلة متزايدة من الأحماض الأمينية هي بولي ببتيد ، وعندما تكون طويلة بما فيه الكفاية وتتخذ شكلها ثلاثي الأبعاد ، فهي بروتين كامل. على عكس الكربوهيدرات ، لا تظهر البروتينات أبدًا فروعًا ؛ هم مجرد سلسلة من مجموعات الكربوكسيل المنضمة إلى مجموعات أمينية. نظرًا لأن هذه السلسلة يجب أن يكون لها بداية ونهاية ، فإن أحد طرفيها يحتوي على مجموعة أمينية حرة ويسمى N-terminal ، بينما يحتوي الآخر على مجموعة أمينية حرة ويسمى C-terminal. نظرًا لوجود 20 من الأحماض الأمينية ، ويمكن ترتيبها بأي ترتيب ، فإن تكوين البروتينات متنوع للغاية على الرغم من عدم حدوث تفرع.

البروتينات لها ما يسمى بالبنية الأولية والثانوية والثالثية والرباعية. يشير الهيكل الأساسي إلى تسلسل الأحماض الأمينية في البروتين ، ويتم تحديده وراثيًا. يشير الهيكل الثانوي إلى الانحناء أو التواء في السلسلة ، عادة بطريقة متكررة. تتضمن بعض التوافقات حلزون ألفا ورقاقة مطوية بيتا ، وتنتج عن روابط هيدروجينية ضعيفة بين سلاسل جانبية من أحماض أمينية مختلفة. البنية الثلاثية هي التواء وتجعيد البروتين في مساحة ثلاثية الأبعاد ويمكن أن تشمل روابط ثاني كبريتيد (كبريت إلى كبريت) وروابط هيدروجينية ، من بين أمور أخرى. أخيرًا ، يشير الهيكل الرباعي إلى أكثر من سلسلة بولي ببتيد في نفس الجزيء الكبير. يحدث هذا في الكولاجين ، الذي يتكون من ثلاث سلاسل ملتوية وملفوفة معًا مثل الحبل.

يمكن أن تعمل البروتينات كإنزيمات تحفز التفاعلات الكيميائية الحيوية في الجسم ؛ مثل الهرمونات ، مثل الأنسولين وهرمون النمو ؛ كعناصر هيكلية وكمكونات غشاء الخلية.

الدهون هي مجموعة متنوعة من الجزيئات الكبيرة ، لكنها تشترك جميعها في سمة كونها كارهة للماء ؛ أي أنها لا تذوب في الماء. وذلك لأن الدهون متعادلة كهربائيًا وبالتالي فهي غير قطبية ، في حين أن الماء جزيء قطبي. تشمل الدهون الدهون الثلاثية (الدهون والزيوت) ، الفوسفوليبيد ، الكاروتينات ، الستيرويدات والشموع. وهي تشارك بشكل رئيسي في تكوين غشاء الخلية واستقراره ، وتشكل أجزاء من الهرمونات ، وتستخدم كوقود مخزّن. الدهون ، وهي نوع من الدهون ، هي النوع الثالث من المغذيات الكبيرة ، مع الكربوهيدرات والبروتينات التي تمت مناقشتها سابقًا. عن طريق أكسدة ما يسمى بالأحماض الدهنية ، فإنها توفر 9 سعرات حرارية لكل جرام مقابل 4 سعرات حرارية لكل جرام من الكربوهيدرات والدهون.

الدهون ليست بوليمرات ، لذا فهي تأتي في أشكال مختلفة. مثل الكربوهيدرات ، تتكون من الكربون والهيدروجين والأكسجين. تتكون الدهون الثلاثية من ثلاثة أحماض دهنية مرتبطة بجزيء من الجلسرين ، وهو كحول ثلاثي الكربون. هذه السلاسل الجانبية للأحماض الدهنية عبارة عن هيدروكربونات طويلة وبسيطة. يمكن أن تحتوي هذه السلاسل على روابط مزدوجة ، وإذا كانت كذلك ، فإن ذلك يصنع الأحماض الدهنية غير مشبع. إذا كان هناك رابطة مزدوجة واحدة فقط ، فإن الأحماض الدهنية تكون أحادي غير مشبع. إذا كان هناك اثنان أو أكثر ، فهو كذلك المشبعة المتعددة. هذه الأنواع المختلفة من الأحماض الدهنية لها آثار صحية مختلفة على الأشخاص المختلفين بسبب تأثيرها على جدران الأوعية الدموية. الدهون المشبعة ، التي ليس لها روابط مزدوجة ، تكون صلبة في درجة حرارة الغرفة وعادة ما تكون دهون حيوانية ؛ تميل هذه إلى التسبب في لويحات الشرايين وقد تساهم في الإصابة بأمراض القلب. يمكن التلاعب بالأحماض الدهنية كيميائيًا ، كما يمكن جعل الدهون غير المشبعة مثل الزيوت النباتية مشبعة بحيث تكون صلبة ومناسبة للاستخدام في درجة حرارة الغرفة ، مثل المارجرين.

تعتبر الفسفوليبيدات ، التي تحتوي على دهون كارهة للماء في أحد طرفيها وفوسفات محب للماء في الطرف الآخر ، مكونًا مهمًا لأغشية الخلايا. تتكون هذه الأغشية من طبقة ثنائية الفسفوليبيد. الجزءان الدهنيان ، كونهما كارهين للماء ، يواجهان الخارج والداخل للخلية ، بينما تلتقي ذيول الفوسفات المحبة للماء في وسط الطبقة الثنائية.

وتشمل الدهون الأخرى الستيرويدات ، التي تعمل كهرمونات وسلائف هرمونية (مثل الكوليسترول) وتحتوي على سلسلة من الهياكل الحلقية المميزة ؛ والشموع التي تشمل شمع العسل واللانولين.

تشمل الأحماض النووية الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA). هذه متشابهة جدًا من الناحية الهيكلية حيث أن كلاهما عبارة عن بوليمرات تكون فيها الوحدات الأحادية النيوكليوتيدات. تتكون النيوكليوتيدات من مجموعة سكر بنتوز ومجموعة فوسفات ومجموعة قاعدة نيتروجينية. في كل من DNA و RNA ، يمكن أن تكون هذه القواعد واحدة من أربعة أنواع ؛ خلاف ذلك ، فإن جميع النيوكليوتيدات في الحمض النووي متطابقة ، مثل تلك الموجودة في الحمض النووي الريبي.

يختلف الحمض النووي والحمض النووي الريبي في ثلاث نواحٍ رئيسية. أحدهما هو أن سكر البنتوز في الحمض النووي هو ديوكسيريبوز ، وفي الحمض النووي الريبي هو ريبوز. تختلف هذه السكريات باختلاف ذرة الأكسجين بالضبط. الاختلاف الثاني هو أن الحمض النووي عادة ما يكون مزدوج الشريطة ، مكونًا اللولب المزدوج الذي اكتشفه فريق واطسون وكريك في الخمسينيات ، لكن الحمض النووي الريبي أحادي الجديلة. والثالث هو أن الحمض النووي يحتوي على القواعد النيتروجينية الأدينين (A) والسيتوزين (C) والجوانين (G) والثايمين (T) ، لكن الحمض النووي الريبي يحتوي على اليوراسيل (U) بديلاً عن الثايمين.

يخزن الحمض النووي المعلومات الوراثية. تتكون أطوال النيوكليوتيدات الجينات، والتي تحتوي على المعلومات ، عبر تسلسل القاعدة النيتروجينية ، لتصنيع بروتينات معينة. تتكون الكثير من الجينات الكروموسومات ، ومجموع كروموسومات الكائن الحي (لدى البشر 23 زوجًا) هو الجينوم. يستخدم الحمض النووي في عملية النسخ لصنع شكل من أشكال الحمض النووي الريبي يسمى messenger RNA (mRNA). يخزن هذا المعلومات المشفرة بطريقة مختلفة قليلاً وينقلها خارج نواة الخلية حيث يوجد الحمض النووي إلى سيتوبلازم الخلية أو المصفوفة. هنا ، تبدأ أنواع أخرى من الحمض النووي الريبي عملية الترجمة ، حيث يتم تصنيع البروتينات وإرسالها في جميع أنحاء الخلية.