بسم الله الرحمن الرحيم
المكونات الجزيئية للخلايا Molecular constituents of cells
|
تتألف جميع الخلايا الحية من نسب مختلفة من الماء، والمركبات العضوية (البروتينات، الدهون، الكربوهيدرات والأحماض النووية) وكميات من المركبات العضوية الأخرى مثل المركبات الأيضية الوسطية ونسب قليلة من الفيتامينات والأملاح المعدنية. تعتبر البروتينات والدهون والمركبات عديدة التسكر والأحماض النووية جزيئات بيولوجية كبيرة Biological macromolecules، بينما الأملاح المتئينة وبعض الفيتامينات قد تكون معقدات مع الجزيئات البيولوجية الكبيرة، أو تبقى على هيئة جزيئات صغيرة حرة في سيتوبلازم الخلية أو داخل عضياتها أو الوسط المحيط بها. تختلف نسب مكونات الخلية تبعاً لنوع الخلية والوظيفة التي تؤديها (جدول ؟؟) ويلاحظ من الجدول أن الماء يشكل أكبر نسبة من مكونات جميع الخلايا الحية وأن البروتينات والدهون والكربوهيدرات تشكل أيضاً نسباً عالية من المواد العضوية في الخلايا الحية.
جدول ( ؟؟): يوضح النسبة المئوية للمكونات الكيميائية لبعض خلايا الأنسجة الحية.
قبل الحديث عن الجزيئات البيولوجية يجب أن نسبقها بالكلام عن الروابط الكيميائية التي بواسطتها تتشكل الجزيئات. الروابط الكيميائية Chemical bonds يتكون الجزيء من اتحاد ثابت بين ذرتين أو أكثر، ويتطلب ربط أو كسر الذرات إلى الطاقة، وكمية الطاقة اللازمة تعتمد على قوة الروابط وهناك نوعان من الروابط هما: أ) الرابطة القوية Strong bond وتتطلب كمية كبيرة من الطاقة مثل الرابطة الفوسفاتية. ب) الرابطة الضعيفة Weak bond وتتطلب كمية قليلة من الطاقة مثل الرابطة الهيدروجينية. ويوجد بصفة عامة أربعة أنواع من الروابط الكيميائية: 1 - رابطة تساهمية Covalent bond 2 - رابطة أيونية Ionic bond 3 - رابطة هيدروجينية Hydrogen bond 4 - رابطة كارهة للماء Hydrophobic bond
(1) الرابطة التساهمية: تنتج من مشاركة الكترون أو أكثر من الذرات المكونة للجزئ في وتعتبر من أقوى الروابط المتكونة بين الذرات، ومن أمثلتها الرابطة التساهمية بين كل من ذرتي الهيدروجين والأكسجين المكونة لجزئ الماء كما في شكل (؟؟). فذرة الهيدروجين لها إلكترون واحد وتحتاج إلى أخر لتشبع الغلاف المداري الخارجي بينما ذرة الأكسجين تحتاج إلى إلكترونين فتساهم ذرتي الهيدروجين في جزيئ الماء مع ذرة من الأكسجين وبالتالي يتم تشبيع الغلاف المداري الخارجي لكل الذرات في الماء H2O .
(2) الرابطة الأيونية: تتكون بين ذرتين مختلفتي الشحنة ولها مستوى عالي من الطاقة في الحالة البلورية مثل بلورات NaCl و KCl ، وتمتاز الرابطة الأيونية بأنها تتفكك في المحاليل المائية (الحالة الطبيعية لسائل الخلية) وطاقتها بالمقارنة مع الرابطة التساهمية عالية.
(3) الرابطة الهيدروجينية:
(4) الرابطة الكارهة للماء: عبارة عن تجمع جزيئات أو أجزاء من جزيئات ليس لها مجموعات قطبية، وهي ليست رابطة كيميائية فعلية. فالمجموعات الكارهة للماء تتجمع مع بعضها وتتصل مع الماء المحيط، ويثبت اجتماع المجموعات الكارهة للماء بواسطة تفاعل فان درويل Van der waals interactions وهو تجاذب ضعيف بين جميع الذرات غير الحاملة للشحنات أو الجزيئات المتقاربة. إضافة إلى أنواع الروابط السابقة فالأكسجين والنيتروجين يكونان أنواع أخرى من الروابط التعاونية Coordination bond مع بعض المعادن الثنائية Divalent والثلاثية Trivalent التكافؤ مثل فالإلكترونات المعطاة في هذا النوع من الروابط التعاونية تكون على حساب ذرات الأكسجين والنيتروجين وكمية الطاقة لهذه الرابطة حوالي 251 كيلو جولز أو 60 كالوري لكل جزئ. الجزيئات التي تحتوي على أكسجين أو نيتروجين وتستطيع إعطاء زوجاً من الكتروناتها إلى المعدن أو لأيونه تدعى Ligands، وإذا وجدت ذرتين أو أكثر من الجزيء معطية للالكترونات فإن الجزيء المعدني في هذه الحالة يدعى العامل النازع Chelating agent ، والشكل (36 - 2) يوضح تركيب فيتامين Cyanocobalamin (B12)ويحتوي على كوبلت مرتبط بفعل روابط تعاونية ويشبه في ذلك جزئ الهيموجلوبين الحامل للأكسجين، وبعض الإنزيمات تنشط بفعل المركبات النازعة للإلكترونات مثل أنزيم Glycerophosphate dehydrogenase الموجود في الميتوكندريا. شكل () يوضح تركيب فيتامين Cyonocoalmin ( B12) المحتوي على الروابط التعاونية. وتشتمل الجزيئات التي تدخل في تركيب الخلية على المركبات غير العضوية والمركبات العضوية. أولاً: المركبات غير العضوية هذه المركبات بسيطة في تركيبها، فهي تتركب من عنصرين فقط من ذرات العناصر. وهي تتضمن ما يلي: 1 - الماء:
التركيب الجزيئي للماء
اعتماداً على خواص الماء الفيزيائية فالمركبات القابلة للتأين تذوب فيه بسهولة، وعند ذوبان الملح أو المركبات القطبية فإن ترتيب جزيئات الماء يعتمد على نوع المركب المذاب، فعلى سبيل المثال يعتبر كلوريد الصوديوم من أكثر الأملاح المتوفرة في الخلايا والأنسجة وهو يتأين في الماء إلى Na+ و Cl-وهذه الأيونات تجذب جزيئات الماء وتؤثر على توزيعها، وتكون كريات من جزيئات الماء تحيط بالكاتيون أو الأنيون، ويسمى هذا الترتيب الأماهه Hydration شكل (؟؟). ويعتبر المركب ذائب في الماء. أما في حالة الجزيئات الكبيرة البروتينات مثلا تترتب جزيئات الماء على هيئة كريات حول البروتين، وفي هذه الحالة لا تذوب في الماء وهذه التكورات المائية تساعد على تعليق جزيئات البروتين في الماء.
خواص وسلوك الماء Water properties and behavior يمتاز الماء بأنه خامل من ناحية التفاعلات الكيميائية وهذه الخاصية تجعله يوفر وسطاً مناسباً للتفاعلات الكيموحيوية التي تحدث في خلايا أجسام الكائنات الحية، كما أنه يشارك في بعض التفاعلات المهمة داخل الخلايا مثل تفاعلات التحلل المائي Hydrolysis للنشا وتحويله إلى سكر، أو تفاعلات الإضافة عند بناء النشا من جزيئات الجلوكوز. ويشترك أيضا في تفاعلات البناء الضوئي حيث أنه المصدر لأيونات الهيدروجين (H+) التي تعمل على اختزال ثاني أكسيد الكربون، وتكوين المركبات العضوية مثل السكريات. 2NADPH2 + ATP + O ضوء+ كلوروفيل (تفاعلات الضوء. ) 1H2O+NADP + ADP + P CR 2 O)n+ADP+PI +NADP) تفاعلات الظلام 2 P + CO + !ه+ 2 يعتبر الماء المذيب الأساسي Essential solvent في الأوساط الحية، ومن أهم المكونات الأساسية للخلايا الحية، فهو يشكل نسبة عالية من البروتوبلازم الذي تتم فيه معظم العمليات الأيضية، وذلك لما يمتاز به من خواص فيزيائية وكيميائية لا تتوفر في غيره من المحاليل، وتعمل هذه الخواص الفريدة مجتمعه على حماية الأنظمة الحية خاصة والكائن الحي عامة، وتؤمن له الحفاظ على تركيبه للقيام بوظائفه المتنوعة. من أهم خواص الماء ما يلي: 1 درجة الانصهار Melting point 2 درجة الغليان Boiling point 3 حرارة التبخر Heat of evaporization 4 الحرارة النوعية Specific heat 5 التوتر السطحي Surface tension 6 حرارة الإلتحام Heat of fusion 7 قوى التماسك والتلاصق Cohesion and adhesion 8 اللزوجة Viscosity يبين الجدول (؟؟) بعض الخواص الفيزيائية للماء التي تؤدي إلى بقائه في الحالة السائلة، ويلاحظ أيضا أن الماء يمتاز بامتصاص طاقة حرارية عالية لكل جرام منه عند ارتفاع درجة حرارته درجة مئوية واحد وهو بهذه الخاصية يختلف عن المذيبات الأخرى، ولذلك يعمل كمصدر متغير لدرجة الحرارة، فعند تحويل جرام واحد من الماء من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية عند درجة حرارة غليانه 100فإنه يمتص حرارة أيضا تقدر بحوالي 2259 جول 540 سعر حراري. والسعر الحراري يعرف كمية الحرارة المطلوبة لرفع درجة حرارة جرام واحد من الماء المقطر در مئوية واحدة من 14.5 إلى 15.5 درجة مئوية، ولذلك فإن حرارة التبخر العالية والتوتر السطحي يساهمان في بقاء الماء في الحالة السائلة، ويعزى ذلك إلى وجود الروابط الهيدروجينية وضرورة الحصول على طاقة عالية لتكسير معظمها لحدوث عملية التبخر. من الناحية الحيوية فعمليتي النتح في النباتات والتعرق في بعض الحيوانات تساهم في بقاء درجة حرارة النبات والحيوان في نطاق ثابت إضافة إلى ذلك فتحول الماء من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة (ثلج) يؤدي إلى فقده لـ 80 سعر حراري لكل جرام، وبالمثل تعتبر حرارة انصهار الجليد عالية وهذا يعود أيضاً لوجود الروابط الهيدروجينية وضرورة بذل طاقة لتكسيرها. وعدد الروابط الهيدروجينية منسوبة إلى الوحدة الحجمية، والتي تكون في حالة الثلج أقل منها في الماء (سائل)، وهذا راجع إلى التناسق والانتظام بينها في الثلج عنها في الماء. فعند انخفاض درجة حرارة الماء إلى أقل من 4 درجة مئوية فإنه يتجمد وتقل كثافته نتيجة لتناسق الروابط الهيدروجينية ويتغير ترتيبها وبالتالي تقل كثافته وبذلك يطفو الثلج الماء، وهذه العملية عكس ما هو عليه الحال في المواد الأخرى. ولهذه الظاهرة أهمية حيوية عظمى حيث تتيح فرصة البقاء للكائنات التي تعيش في قيعان البحار والمحيطات المتجمدة. يكون الماء روابط هيدروجينية مع غيره من الجزيئات الكبيرة الموجودة في خلايا الكائنات الحية مثل البروتينات، الكربوهيدرات والأحماض النووية، ويرجع السبب في تكوين الروابط إلى وجود مجاميع كيميائية على تلك الجزيئات مثل المجموعة الكربونيليه Carbonyl والمجموعة الهيدروكسيلية (OH-) Hydroxyl والمجموعة الأمينية Amino (NH2) حيث تحيط جزيئات الماء بهذه المركبات الكبيرة مكونة ما يعرف بالماء المرتبط. بالرغم من أن الماء يعتبر مذيب عام Universal solvent لمختلف المركبات العضوية إلا أن بعض المواد لا تذوب فيه، ومع ذلك فمعظم الأملاح والمركبات الأيونية (كملح الطعام) والمركبات الكيميائية الأخرى مثل الكحولات والسكريات وجميع المركبات الكيميائية التي تحتوي مجموعات كيميائية مثل الهيدروكسيل Hydroxyl والألدهيد Aldehyde والكيتون Keton وعدد كبير من المواد التي تحتوي على مجموعات قطبية Polar وغير قطبية Nonpolar مثل الصابون تذوب في الماء. أما الأحماض الدهنية و مركبات الجليسروفوسفاتيدية Glycerophosphatides التي لا تذوب في الماء ولكنها تكون مذيالات Micclles مع المجموعات القطبية، وجانبية مع المجموعات غير القطبية ولا تكون مع الماء محلول حقيقي True solution ولكنها تكون على هيئة معلق Suspension أو منتثر Dispersion . يعتبر سلوك جزيئات الصابون في الماء مثال عام لتوضيح تكوين المذيالات Micelles شكل (؟؟)، ويتكون جزيء الصابون من تصبن Saponification الأحماض الدهنية التي تتألف من سلسلة هيدروكربونية طويلة وغير مستقطبة وتنتهي بمجموعة رأسية قطبية (كربوكسيلية) ترتبط أيونياً مع أيون معدني مثل الصوديوم أو البوتاسيوم، وعند إنتشارها في الماء فإن جزيئات الصابون تتجمع على هيئة أشكال كروية وتوجد مجموعات الكربوكسيل القطبية في الجهة الخارجية من الكريات بينما السلاسل الهيدروكربونية غير القطبية تتجه إلى الداخل.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
2- الأملاح والأيونات والغازات Salts, Ions and Gases توجد الأملاح في جميع سوائل الجسم والخلايا وتكون غالباً على هيئة أيونات، و توجد الأيونات في سائل الخلية بصورة حرة أو مرتبطة بجزيئات عضوية أخرى مثل البروتينات والدهون والكربوهيدرات، وينحصر دورها في توازن الضغط الأسموزي حيث أن التركيز الكلي للأملاح الزائدة يؤثر على تدفق الماء عبر غشاء الخلية، وللأملاح دور آخر يتمثل في أن بعض الأيونات تساهم في التركيب والوظيفة لجزيئات الخلية وخاصة الجزيئات الكبيرة مثل الإنزيمات، والجدول (؟؟) يوضح الأهمية الحيوية لبعض العناصر. الغازات التي تدخل إلى الخلية من الوسط المحيط أو التي تنتج من العمليات الأيضية داخل الخلية تذوب في ماء السيتوبلازم، والغازات المتوفرة في الهواء هي النيتروجين (N2) والأكسجين (O2) وثاني أكسيد الكربون (CO2)، وعند مستوى سطح البحر يشكل النيتروجين . 78.3%بينما يشكل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون 20.99%و 0.03% على التوالي، ويذوب النيتروجين والأكسجين في الماء بدرجة قليلة، ففي درجة حرارة 25 درجة مئوية وضغط جوي واحد يذوب 2.83 مل من الأكسجين و 1.43 مل من النيتروجين في كل 100 مل من الماء المقطر، أما سلوك CO2 في الماء فيختلف، فبعضه يتفاعل مع الماء ويكون Carbonic acid الذي يتحلل إلى أيوناته كما يلي:- ومعظم CO2الموجود في الخلية الحية يكون في صورة بيكربونات وذوبانية البيكربونات وثاني أكسيد الكربون في الماء أكثر من الأكسجين والنيتروجين وقد وجد أن 9. 75 مل من 2 CO تذوب في كل 100 مل من الماء عند درجة حرارة 025 م وضغط جوي واحد. جدول (؟؟) يوضح النسبة المئوية من الوزن الكلي و الأهمية الحيوية لبعض العناصر المعدنية الداخلة في تركيب خلايا الكائنات الحية. الأحماض والقواعد والأس الهيدروجيني والمحاليل المنظمة Acids , bases , pH and buffers
الحمض هو كل مركب كيميائي معطى للبروتون Proton ]H+J donors بينما القاعدة هي أي مركب كيميائي مستقبل للبروتون Proton acceptor فحمض الخليك على سبيل المثال يتأين في الماء كما يتضح من المعادلة:
ويلاحظ من التفاعل أن حمض الخليك يعطي بروتون واحد للماء وينتج أنيون إلى Acetate وكاتيون إلى H30+( Hydronium) وفي التفاعل العكسي للتفاعل السابق فإن أ "صا 6 CH ) يعمل كمستقبل للبروتون وتنطبق عليه صفة القاعدة لذلك المركبات التي لها هذه الصفات يطلق عليها زوج الحمض والقاعدة المقترنة Conjugate acid-base pair مثل cid and Acetic acetate anion ، ويميل البروتون إلى الانجذاب للقاعدة المقترنة Conjugate base والماء، والحمض الذي يعطي البروتون بسهولة للماء يدعى حمض قوي Strong acid مثل HCl ، بينما الحمض الذي لا يعطي البروتون للماء بسهولة يدعى حمض ضعيف Weak acid مثل حمض الخليك (CH3 COOH) ويكون تأينه جزئي، وتمتاز ا لأحماض بميلها إلى ا لأنفصال (التأين) إلى جزئين ويمكن تقدير مدى الانفصال من ثابت انفصال الحمض حسب ا!لعادلة التالية:
المواد الناتجة المواد المتفاعلة تركيز الحمض غير المنفصل تركيز القاعدة المقترنة
[HA )% : Thc concentration of undissociated acid = ا IHA : ate ba!e ث onju محأ 'Al = The concentration of] تركيز أيون الهيدروجين H+J = The hydrogen ion concentration] ثابت. 3 = Constant ك! يختلف، حسب درجة حرارة المحلول؟ وعادة يشار في علم وظائف الأعضاء والكيمياء الحيوية إلى نى!بثابمسا الانفصال الظاهر Apparent dissociation constant للحمض، وتعتمد هذه القيمة على تركيز المتفاعلات والنواتج التي يمكن قياسها بعد انفصال الحمض في الماء. يختلف تركيز أيون الهيدروجين [H+] في الخلايا ويتراوح مابين 501 '!15 Io جزيئي ومع أن هذا التركيز يظهر منخفض إلا أن التغير البسيط في تركيز أ++ ا له تأثير ملاحظ على وظيفة الخلية، فبلازما الدم نموذج لسائل حيوي له كفاءة عالية للاحتفاظ بالأس الهيدروجيني قريبا من 3. 7` حيث أن أي انحراف في حدود +0.2 ربما يقضي على الحيوان، ويعبر عن تركيز البروتون والأس الهيدروجيني (pH) الذي يمكن حسابه من المعادلة التالية: [+pH = - Log10 ]H لقد وجد في درجة حرارة 25 ئم أن تركيز كل من البروتون أ +H] والهيدروكسيل أ ي!ه أ في الماء النقي يساوي 7!101x جزيئي (M) ويكون المحلول! في حالة التعادل حيث أن مجموعة الهيدروكسيل أ OH] والهيدرونيوم أ +0 3 ي!! ناتجة من تحلل جزى/ واحد من الماء كما في المعادلة. [!3 O+[]OH ث!!- 20 2H 7.0=7- (pH=-Log 15 )lxlO يقدر تركيز البروتون أو قيمة الأس الهيدروجيني (pH) للمحلول في المختبر باستخدام جهاز ا H meterJ ! الذ!ا يتركب من الكترودين تغمس في السائل المراد معرفة اسه الهيدروجيني، وأحد الألكترودالة يعرف بالزجاجي Glass electrode وجهده الكهربائي يعتمد على تركيز أيون الهيدروجين في المحلول، ويقدر الاختلاف في الجهد الكهربائي بين الألكترودين وتحول هذه القيمة إلى ا pHi . المحلول الكابح Buffer solution يتألف من خليط حمض مع قاعدته المقترنة Conjugate acid-base وهذا المحلول يميل إلى مقاومة التغير الفجائي للأس الهيدروجيني (في مدى معين) عند إضافة كمية من الحمض أو القاعدة إليه. الشكل (35-2) يوضح معايرة حمض الفوسفوريك H3PO 4 ( Phosphoric Acid) بحوالي 8 مل من هيدروكسيد الصوديوم (Na OH) ، ويلاحظ حدوث زيادة تدريجية للأس الهيدروجيني تصل إلى 2.5 ، وبالمقارنة فإن زيادة قليلة من NaOH تؤدي إلى ارتفاع مفاجئ في ال + ء للمحاليل ا لألكتروليتية، أما الزيادة التدريجية التي شوهدت عند إضافة: مل من القاعدة فتعزى لتأثير اقتران الحمض والقاعدة Conjugate acid-base في مقاومة التغير في إلى 9 H وذلك لأن NaOH يتفاعل مع 4 03 P+ ويكون 4 02 Oj NaH 2 P ث! كما يلي: 20 2 4 شكل (35-2) يوضح منحنى معايرة حمض الفوسفوريك بهيدروكسيد الصوديوم. -94- يمكن ملاحظة قوة كابحة أخرى في المحلول ولكن في مدى مرتفع من الأس الهيدروجيني حيث أن 4 Na 2 HPO يعمل كقاعدة بينما 4 0NaH 2 P يعمل كحمض، وكذلك يتصرف 4!م 3 Na كقاعدة ؤ 4 Na2HPO كحمض. يستخدم ا Hi " لوصف تركيز البروتون (تركيز أيون الهيدروجين [+H إ) في المحلول ولذلك فإن ثابت تأين الأحماض الضعيفة (، K) يمكن أن تقاس من المعادلة التالية:* pK ! =-Logk ويقع !، "لكل تقارن بين حمض وقاعدة Conjugate acid-base في منتصف المنحنى المستوي Buffen'ng plateau ، والكابح الفعال لزوج من الحمض والقاعدة يمتد حوالي 0.5 وحدة من الأس الهيدروجيني (pH) لكل جهة بالنسبة لقيمة، pK ، والعلاقة بين ث!ح وإلى!،9 يعبر عنها بمعادلة Henderson - Hasselbach التالية: [pH=pK +L 5! ! A [HA إ 15 ثه تركيز الحمض الضعيف: HA = The concentration of the weak acid تركيز القاعدة المقترنة: A = The concentration of the conjugated base وعندما يكون تركيزها متساوي في منتصف المنحنى المستوى فإن أول*ا (1 تساوي واحد في المعادلة السابقة وهذا يعني أن 0=1 5 ا! Lo وفي هذه الحالة فإن ! pH = pK .
الجزيئات البيولوجية Biological Molecules تشمل الجزيئات البيولوجية الكربوهيدرات Carbohydrates والدهون Lipids والبروتينات Proteins والأحماض النووية Nucleic acids. والأنواع الثلاثة الأولى قد تكون مع بعضها البعض معقدات تشكل التراكيب الغشائية لجميع أنواع الخلايا الحية والعضيات وتكون أيضاً البروتوبلازم. يتم بناء البروتينات بواسطة الريبوسومات الحرة في السيتوبلازم أو المرتبطة بالشبكة الاندوبلازمية، ويتم إضافة المركبات العضوية الأخرى إلى البروتين لتكون المعقدات بواسطة الشبكة الاندوبلازمية الناعمة، وتلعب الأحماض النووية دوراً أساسياً في بناء الجزيئات البيولوجية حسب حاجة الخلية التركيبية والوظيفية. أولاً: الكربوهيدرات Carbohydrates تشمل الكربوهيدرات عدد كبير جداً من المركبات وتتكون بصفة عامة من الكربون والأكسجين والهيدروجين بنسبة 1:2:1 وصيغتها الكيميائية (CH2O)n، وهي ذات أهمية بالغة للخلايا الحية. ويمكن تقسيم الكربوهيدرات من حيث دور الذي تلعبه في الكائنات الحية إلى: كربوهيدرات غذائية أو تخزينية: مثل الجلايكوجين Glycogen في الحيوان والنشا Starch في النبات. حيث تخزن في الخلايا وتستخدم كمصدر للطاقة. كربوهيدرات تركيبية: مثل السليولوزCellulose الذي يدخل في تركيب جدر الخلايا النباتية والكيتين Chitin الذي يدخل في تركيب الجُليد Cuticle الذي يغطي أجسام الحشرات. والكربوهيدرات الأخرى التي تدخل في التركيب العام للأغشية البلازمية والعضيات. وترتبط الكربوهيدرات مع الدهون لتكون Glycolipids أو مع البروتينات لتكون Glycoproteins. تتكون السكريات من جزيئات بسيطة تدعى Simpel sugars مثل الجلوكوز Glucose ومعظمها تكون صيغته الكيميائية، Cn(H2O)n و بعض السكريات الأحادية قد يحتوي على نيتروجين أو كبريت. وترتبط السكريات الأحادية مع بعضها البعض لتكون سكريات ثنائية Disaccharides حيث يرتبط جزيئين من نفس النوع أو من أنواع مختلفة. وقد يرتبط أكثر من جزئين لتكون سكريات ثلاثية Trisaccharides وسكريات ذات سلاسل قصيرة Oligosaccharides وهذه تشمل السكريات الثنائية والثلاثية والمركبات الكربوهيدراتية التي تتكون من عشرة أو أقل من جزيئات السكر الأحادي. بينما السكريات العديدة Polysaccharides فهي تشمل المركبات الكربوهيدراتية التي تتألف من أكثر من عشرة من الجزيئات السكرية الأحادية وربما تصل لعدة آلاف، وقد أمكن التعرف على حوالي 200 مركب سكري أحادي ولكن المتكررة منها في الخلايا الحية قليلة. (1 السكريات الأحادية :Monosaccharides تمتاز بأنها حلوة المذاق وتذوب في الماء وهي الوحدات البنائية للسكريات الأكثر تعقيداً، وتعتبر مركبات الألدهيدات Aldoses والكيتونات Ketoses من أكثر السكريات الأحادية، وتتكون من 3 إلى 6 ذرات كربون كما في شكل (؟؟)، وهي هيئة سلاسل غير متفرعة وتشمل ثلاثية الكربون Trioses، رباعية الكربون Tetroses ،
|
|
(2 السكريات الثنائية :Disaccharides تتألف السكريات الثنائية من جزيئين من السكريات الأحادية ترتبط بواسطة الرابطة الجليكوسيدية Glycosidic bonds التي تتكون عن طريق تكاثف مجموعة الهيدروكسيل (OH-) المرتبط بذرة الكربون رقم واحد في أحد الجزيئات ومجموعة الهيدروكسيل المرتبطة بذرة الكربون رقم 2 أو 4 أو 6 من الجزيء السكري الثاني، فسكر المالتوز Maltose يتكون من جزيئين من سكر الجلوكوز Glucose الشكل (؟؟).
شكل (؟؟) تكاثف جزيئين من سكر الجلوكوز لتكوين جزئ من سكر المالتوز (a)، لاحظ أيضاً سكر القصب (b) وسكر اللبن (c).
يلاحظ في سكر المالتوز أن جسر الأكسجين يتكون بين ذرة الكربون رقم "1" في جزئ الجلوكوز D-Glucose وذرة الكربون رقم "4" من الجزيء ولهذا تدعى الرابطة1-4Glycosidic bond ومن السكريات الثنائية الهامة السكروز (سكر القصب) ويتألف من جزيئي جلوكوز وأخر فركتوز بينما سكر اللبن Lactose يتألف من جلوكوز وجالكتوز (شكل ؟؟). 3) السكريات العديدة :Polysaccharides السكريات العديدة أو الجليكانات Glycans تتألف من سلاسل طويلة من السكريات بعضها متفرع والبعض الآخر مستقيم ويمكن تقسيمها إلى قسمين رئيسين: 1- السكريات العديدة التركيبية :Structural polysaccharides توجد هذه السكريات داخل أو خارج الخلايا وتلعب دور دعامي وحماية بالنسبة للخلية، وهذه المجموعة تشمل السليولوز Cellulose الذي يكوَّن الجدار الخلوي Cell wall في النباتات. والمانان Mannan الذي يدخل في تركيب الجدار الخلوي في خلايا الخميرة. والكيتين Chitin الذي يدخل في تركيب الجدار الخلوي للخلايا الفطرية وأصداف مفصليات الأرجل، وحمض الهايالورونيك Hyaluronic acid الذي يدخل في تركيب الأنسجة الضامة، والببتيدوجليكانات Peptidoglycans التي تدخل في تركيب الجدار الخلوي للبكتيريا. 2- السكريات العديدة الغذائية :Nutrient polysaccharides هذه المجموعة تتكون من معقدات من السكريات الأحادية، وتستخدم كمخزون غذائي في الخلايا ويمكن أن تتحول إلى سكريات أحادية في حالة النشاطات الأيضية، وتشمل النشا Starch في الخلايا النباتية والبكتيريا، والجلايكوجين Glycogen في الخلايا الحيوانية، والبراميليوم Paramylum في بعض الأوليات الحيوانية. من الناحية الكيميائية يمكن تقسيم السكريات العديدة إلى قسمين:- 1) السكريات العديدة المتجانسة Homopolysaccharides وهذه تتألف من نوع واحد من السكريات الأحادية ويمثلها السليولوز، النشا، الجلايكوجين والبراميليوم، وكل منها يتكون من وحدات متكررة من الجلوكوز. 2) السكريات العديدة غير المتجانسة Heteropolysaccharides السكريات الأحادية المكونة لهذه السكريات العديدة مختلفة الأنواع، وتشمل حمض الهايالورنيك Hyaluronic acid والهميسليولوز Hemicellulose وبعضها متفرع والبعض الاخر مستقيم السلسلة، وتلعب السكريات العديدة أدواراَ حيوية هامة في النشاط الحيوي في الخلية، ومن أهمها: أ)- السليولوز Cellulose يعتبر السليولوز من أكثر المركبات العضوية الموجودة على سطح الكرة الأرضية، ويقدر أن حوالي نصف الكربون العضوي يوجد في صورة سليولوز، ويكوِّن هذا المركب الجدر الخلوية في النباتات ويلعب دور دعامي فيها. السليولوز جزيئات بوليمرية Polymers تؤلف سلسلة غير متفرعة تتكون من تكاثف جزيئات سكر الجلوكوز التي تتصل مع بعضها البعض عن طريق الرابطة الجليكوسيدية 4 – 1 شكل (؟؟).
شكل (??) يوضح جزء صغير من ألياف السليولوز في الجدار الخلوي.
يختلف طول السلسلة في جزئ السليولوز من مئات إلى عدة آلاف من الوحدات الجليكوسيدية وكل حلقة بايرونيه في جزئ السليولوز تلتف بحوالي 180 درجة عن التي تليها ولذلك تأخذ سلسلته شكل “Flip-Flop” وتنتظم جزيئاته في الجدار الخلوي للنبات على هيئة ألياف Microfibrils متوازية أحيانأ ومترابطة عرضياً Cross-Linked أحياناً أخرى مما يؤدي إلى إحداث دعامة قوية جداً تحمي الخلية النباتية (شكل ؟؟).
شكل (??) صورة بالمجهر الإلكتروني الماسح توضح ألياف السليولوز في الجدارالخلوي. عن Thorpe (1984)
تٌغلَّف ألياف السليولوز أحياناً بمادة تدعى Hemicellulose وتتألف من سلسلة متفرعة من سكريات عديدة من الـ Xylose و الـ Mannose والـ Galactose ، والجدار الخلوي يتكون من عدة طبقات من الألياف، وترتبط الجدر الخلوية المتجاورة مع بعضها البعض عن طريق مادة كربوهيدراتية أخرى تدعى البكتين Pectin وهي بوليمرات من حمض الـ Galacturonic. ب- الكيتين Chitin من السكريات العديدة المكونة للتركيب الخارجي لكثير من الكائنات الحية، وتٌكسبها الصلابة وتمنحها الحماية، ويوجد الكيتين بكميات كبيرة في الجليد Cuticle المغطى لأجسام مفصليات الأرجل Artliropods مثل الحشرات، وبعض الإسفنجيات Sponges والرخويات Molluscs والحلقيات Annelids ، ويوجد أيضاً في جدر الخلايا الفطرية وبعض الخلايا الطحلبية الخضراء Green algae. التركيب الكيميائي للكيتين يشبه السليولوز والإختلاف بينهما يتمثل في أن مجموعة الهيدروكسيل في ذرة الكربون الثانية أستبدلت بمجموعة Acetamide ولذلك فالكيتين بوليمر غير متفرع من الـ N-Acetylgulcosamine ويتكون من آلاف الوحدات المتكررة المتصلة برابطة Glycosidic b(1-4) bonds(شكل ؟؟).
شكل (??) يوضح جزء صغيرمن سلسلة الكيتين.
جـ) حمض الهايالورونيك Hyaluronic acid حمض الهايالورونيك من السكريات العديدة غير المتجانسة والمستقيمة، ويتكون من سكريات ثنائية متكررة من الـ N-Acetylglucosamine والـ Glucuronic acid (شكل ؟؟) . يتصل حمض الجلوكورونيك مع الأسيتايل جلوكوز أمين في كل سكر ثنائي برابطة (1-3) Glycosidic bond والذي يليه برابطة (1-4) ويوجد هذا الحمض في الأنسجة الضامه وسوائل المفصل Synovial fluid وفي ماء إنسان العين وفي المحافظ البكتيريه Bacterial capsules.
شكل (؟؟) يوضح جزء صغيرمن تركيب حمض الـ Hyaluronic .
د) الأنيولين Inulin من السكريات العديدة الغذائية غير المتفرعة (شكل ؟؟) يوجد في لب بعض النباتات ويتكون من وحدات متكررة من الفركتوز المتصلة مع بعضها برابطة جليكوسيدية b (2-1).
شكل (??) يوضح جزء من التركيب البنائي لمركب الأنيولين.
هـ) الجليكوجين Glycogen الجليكوجين من السكريات العديدة الغذائية المتجانسة والمتفرعة (شكل ؟؟) ويتكون من وحدات متكررة من جزيئات الجلوكوز المتصلة بروابط جليكوسيدية a (1-4) و a (1-6)، ويوجد في معظم الخلايا الحيوانية وبعض الحيوانات الأولية Protozoa والطحالب. يعتبر الجليكوجين من أهم السكريات العديدة، وذلك لوجوده في الخلايا الحيوانية كمادة تخزينية وقد خضع لدراسات مستفيضة، ويخزن الجليكوجين في خلايا الكبد وعضلات الإنسان وجميع الحيوانات الفقارية ويشكل في جسم الإنسان غير الصائم حوالي %10 من وزن الكبد ويخضع لعمليات البناء Biosynthesis والهدم Degradation في نسيج الكبد، وتنظم الهرمونات أيضه بدقة ويعتبر الجليكوجين المستودع الأساسي لسكر الجلوكوز الذي يجب أن يكون مستواه ثابت في دم الإنسان العادي، وفي حالة الصيام فجميع الجليكوجين يستهلك من الخلايا في خلال 24 ساعة، ويتم إعادة بنائه من المواد الغذائية التي يتناولها الإنسان أو الحيوان.
الشكل (؟؟) يوضح التركيب الكيميائي للجليكوجين.
الوحدات الجليكوسيلة المتصلة بروابط a (1-4) تنتظم في سلاسل طويلة وتتصل في أماكن التفرع بروابطa (1-6) ، وهذا الترتيب يؤدي إلى تكوين تركيب شجري Tree - like structure (شكل ؟؟) ويجب ملاحظة أن جزيئ الجليكوجين يحتوي على وحدة جلوكوز واحدة تحتوي ذرة الكربون الأولى فيها على مجموعة (OH-) بينما جميع المجموعات الأخرى تشترك في تكوين الروابط الجليكوسيدية a (1-4) أو a (1-6) ولذلك فالمجموعة الهيدروكسيلية تدعى النهاية المختزلة Reducing end ويرمز لها بالرمز "R".
شكل (??) يوضح جزء من جزيئ الجليكوجين الشجري الشكل.
و- النشا Starch النشا من السكريات العديدة الغذائية، ويوجد في الخلايا النباتية ومملكه الأوليات Protista وبعض البكتيريا ويشبه الجلايكوجين في بعض الصفات (يطلق في العادة على الجلايكوجين "النشا الحيواني" Animal Strach )، والنشا في الخلايا النباتية على هيئة حبيبات Granules يمكن مشاهدتها بالمجهر الضوئي والإلكتروني، وفي بعض الخلايا النباتية مثل الذرة والبطاطس قد يصل قطر حبيبة النشا فيها إلى عدة ميكرونات ولكن في الكائنات الدقيقة تكون الحبيبات صغيرة. تحتوي حبيبات النشا على نوعين من السكريات العديدة هما الأميلوز Amylose والأمايلوبكتين Amylopectin وتختلف النسبة بينهما حسب مصدر النشا، ومكونات النشا من الأميلوز عبارة عن بوليمر غير متفرع من جزيئات الجلوكوز المتصلة بروابط جليكوسيدية a (1-4) ويصل الجزيئ الواحد من الأميلوز إلى عدد من الوحدات الجليكوسيلة، والسلسلة الأميلوزية ذات شكل واحد ملتف التفاف يساري يدعى Left - handed helix (شكل ؟؟) ويعتقد أن اللون الأزرق الذي ينشأ عند إضافة اليود إلى النشا يعزى إلى أن اليود يتجمع داخل الحلزون المؤلف من جزيئات الجلوكوز المكونة للنشا ونتيجة لانكسار الضوء يظهر اللون الأزرق.
شكل (؟؟) يوضح جزء من تركيب جزيئ الأميلوز.
الأمايلوبكتين يشبه الجلايكوجين في كثير من المميزات (جدول ؟؟) ويحتوي على نوعين من الروابط الجليكوسيدية a (1-4) و a (1-6) وهو متفرع، ومع ذلك فعدد روابط a (1-6)فيه أقل منها في الجليكوجين وسلاسله أطول.
جدول (??) - يوضح مميزات كل من الجليكوجين والأمايلوبكتين ا لخواص الوزن الجزيئي متوسط طول السلسلة نسبة الرابطة (6- 1) طول السلسلة الخارجية طول السلسلة الداخلية جليكوجين 610 9 - io 10 - 14 8- 10 6-9 3-4 ا ما يلوبكتين 107 20 - 25 4-5 12 - 17 ي) السكريات العديدة الأخرىهناك سكريات عديدة مثل: 1- المانان Mannan وهو عبارة عن بوليمر متجانس من سكر المانوز Mannose ، ويدخل في تركيب الجدار الخلوي للخميرة Yeast ويخزن أيضا في بعض الخلايا النباتية، ويمتاز جزيئ المانان بأنه متفرع في جدار خلية الخميرة ولكن إذا وجد في الخلايا النباتية فإنه يكون على هيئة جزيئ مستقيم. 2- الباراميليوم Paramylum من السكريات العديدة الغذائية والمتجانسة، ويخزن في خلايا بعض الأوليات مثل اليوجلينا Euglena وهو غير متفرع ومؤلف من الوحدات الجليكوسيدية، ويحتوي روابط (3 - 1) . 3- الدكستران Dextran من السكريات العديدة المتفرعة ويوجد على هيئة بوليمرات متجانسة من سكر الجلوكوز وتُنتجه بعض أنواع البكتيريا. وقد توجد الكربوهيدرات مرتبطة مع الدهون أو البروتينات لتكون جزيئات كبيرة تلعب دوراً حيوياً في حياة الخلية الحية ومن هذه المركبات: أ) بروتيوجليكنات Proteoglycans يشكل الجزء البروتيني نسبة قليلة جدأ من الوزن الجزيئي لهذه المركبات ويعرف هذا النوع بالسكريات المخاطية Mucopolysaccharides ، ومن أهم مركبات هذا النوع الكوندروتين Condroitin الذي يوجد خارج الخلايا في أنسجة الغضاريف والعظام ويكون المادة البينية (الخلالية) لهذه الأنسجة الضامة ويتكون من سلاسل من Glucuronic acid و N-Acetylglucosamine وقد يُستبدل المركب الأخير بمجموعة الكبريت أحياناً. جدر الخلايا البكتيرية تحتوي على الببتيدوجليكانات Peptidoglycans وهى من السكريات العديدة غير المتجانسة حيث تتألف من N-Acetylmurarnic acid و N-Acetylglucosamine . ب) ا لجليكوبروتينات Glycoproteins تتألف هذه المركبات من الكربوهيدرات والبروتينات، وجزء الكربوهيدرات يتكون غالباً من سلاسل قصيرة متفرعة، وتلعب هذه المركبات دوراً هاماً في الخلية وتشمل بعض الإنزيمات Enzymes والهرمونات Hormones والأجسام المضادة Antibodies . جـ) الجليكوليبيدات Glycolipids تتكون من إتحاد الدهون مع الكربوهيدرات، وجزء الكربوهيدرات قد يكون سكر أحادي مستقيم أو متفرع، وتدخل في تكوين الأغشية الخلوية.
ثانياً: الدهون: Fats تتألف الدهون من مجموعة من الجزيئات غير المتجانسة Heterogeneous ، وعدد قليل منها يذوب في الماء ولكنها تذوب في المذيبات العضوية القطبية Nonpolar solvents مثل ا لأسيتون، البنزين، الكلوروفورم و الإيثر، ولتشابهها في الذوبانية فإنها توضع في مجموعة واحدة، ويحدد ذوبانيتها وجود المجموعة الكيميائية غير القطبية - Nonpolar groupمما يجعلها كارهة للماء Hydrophobic (Hydro = water; Phobic = avoiding) ويمكن تعريف الدهون على أنها إسترات لأحماض دهنية وجليسرول G1ycerol، وتؤدي الدهون وظيفتين أساسيتين في الخلية الحية:- (1 تدخل في تركيب أغشية الخلية والعضيات وتكون مصاحبة للإنزيمات والبروتينات السابحة في السيتوبلازم أو في محيط الخلية. (2 تخزن في الخلايا وتستخدم كمصدر لإنتاج الطاقة، إضافة إلى ذلك فإنها مكملة لعمل الإنزيمات الداخلة في تكوين الأغشية البلازمية مثل الإنزيمات المحفزة لنقل الألكترونات Electrons transportوالبناء الضوئي Photosynthesis والأكسدة الفوسفورية Oxidative Phosphorylation وعند تجريد الإنزيم من الدهون المصاحبة له فإنه يفقد فعاليته التنشيطية للتحولات الكيموحيوية، وتدخل الدهون أيضاً في تركيب بعض الهرمونات و الفيتامينات. أنواع الدهون: تعتبر الأحماض الدهنية أكثر الدهون تواجداً في الخلايا الحية كما أن الدهون المتعادلة Neutral fats والفوسفوليبيدات مثل Plasmalogens و الـ Phosphatides والـ Sphingolipids والجليكوليبيدات Glycolipids والتربينات Terpenes والأستيرودات Steroids والشموع Waxes توجد بنسب متفاوتة (جدول ؟؟). جدول (??) يوضح نسب توزيع الدهون بين مكونات الخلية الحية لكبد الفأر بعد تجزئتها بواسطة الطرد المركزى التركيب الخلوي النوا ة الميتوكند ريا الميكروسوم السيتوبلا زم النسبة المئوية لانواع الدهون فوسفوليبيدات دهون طبيعية التربينات والأستيرودات 90 90 90 30 4 2 505 66 6 8 10 4 عن أ 1983 ,I Sheelr and Binachi نسبة الدهون من الوزن الجاف 16 21 32 7 ويلاحظ من الجدول أن النواة والميتوكندريا والميكروسومات تحتوي على نسب كبيرة من الدهون، وأغلب هذه الدهون هي الفوسفوليبيدات التي تكون التراكيب الهيكلية للأغشية بجميع أنواعها حيث تتحد مع البروتينات التركيبية والوظيفية، ويلاحظ أيضاً أن نسبة الدهن الطبيعي عالية في السيتوبلازم لأنه يعتبر المكان المناسب لتخزينه حتى يتم استخدامه كمصدر للطاقة. الخلايا أولية النواة بصفة عامة تحتوي على نسبة أقل من الدهون مقارنة بالخلايا الحيوانية ومعظم الدهون في البكتيريا توجد مرتبطة بتكوين الغشاء البلازمي. (1 الأحماض الدهنية :Fatty acids تعتبر الأحماض الدهنية ذات أهمية بالغة للخلية الحية وهي أكثر الدهون غزارة، وتوجد حرة بكميات قليلة جداً حيث يحدث لها في الغالب أسترة وتدخل كمكونات لتركيبات الأغشية بجميع أنواعها وخاصة في الفوسفوليبيدات المكونة للأغشية. يتكون الحمض الدهني من سلسلة طويلة من ذرات الكربون زوجية العدد وغير متفرعة، وتوجد مجموعة الكربوكسيل كمجموعة طرفية، ويتراوح عدد ذرات الكربون في الحمض الدهني من 4 إلى 24 ذرة كربون، ومع ذلك فأغلب الأحماض الدهنية الموجودة في الخلايا الحيَّة يترواح عدد ذرات الكربون فيها ما بين 14 إلى 22 ذرة كربون وأغلبها 16 و 18 ذرة كربون في الحمض الدهني الواحد، ويوجد نوعان من الأحماض الد هنية (جدول ؟؟) هما: (1 أحماض دهنية مشبعة Saturated fatty acids ويمثل هذه المجموعة حمض الـ Myristic (12 ذرة كربون) ، وحمض الـ Pa1mitic ( 14 ذرة كربون) وحمض الـ Stearic(18 ذرة كربون). الجزء المحب للماء الجزء الكاره للماء Stearic acid حمض الستيرك (2 أحماض دهنية غير مشبعة Unsaturated fatty acids ويمثل هذه المجموعة حمض الـ Oleic(18 ذرة كربون) وبه رابطة مزدوجة واحدة، وحمض الـLinoleic (18 ذرة كربون) وبه رابطتين مزدوجة، وتتألف من جزئين كما يلي: الجزء المحب للماء الجزء الكاره للماء الحزء الكاره للماء الجز المحب للماء Linoleic acid حمض اللينوليك. جدول (؟؟) يوضح بعض أنواع الأحماض الدهنية السائدة في الخلايا الحية: أحماض دهنيه مشبعه أحماض دهنيه غير مشبعة Palmitoleic Myristic Oleic Palmitic Linoleic Stearic Linolenic Arachnidic Elcosenic Behenic Elcosadienic Eicosatrieoic Nervonic مستقيمة ولا يوجد بها إنحناء غير مستقيمة وعدد الإنحناءات يساوي عدد الروابط المزدوجة عدد ذرات الكربون عدد الروابط المزدوجة ويلاحظ في النوع الأول أن جميع الروابط بين ذرات الكربون أحادية أما في النوع الثاني فقد يوجد رابطة مزدوجة أو أكثر بين ذرات الكربون المكونة للحمض الدهني، ويلاحظ أيضاً أن الحمض الدهني يتكون من جزئين:- (1 جزء محب للماء Hydrophilic وهو الجزء المحتوي على مجموعة الكاربوكسيل (COOH) . (2جزء كاره للماء Hydrophobic وهو الجزء المحتوي على السلسلة الكربونية. من الناحية الفسيولوجية فإن اختلاف نسب الأحماض الدهنية المشبعة أو غير المشبعة الداخلة في تكوين فوسفوليبيدات الأغشية تساهم في نفاذية المواد عبر الأغشية وقد اتضح أن النباتات والحيوانات التي تعيش في الأماكن الحارة تحتوي أغشيتهـا الخلوية على نسب مرتفعة من الأحماض الدهنية المشبعة، بينما تلك التي تستوطن أماكن باردة تحتوي أغشيتها على نسب مرتفعة من الأحماض الدهنية غير المشبعة، وتعتبر تغيرات نسب الأحماض الدهنية مقياس هام لقدرة الكائن الحي على التأقلم والتكيف في الظروف البيئية المتغيرة. تمتاز الأحماض الدهنية المشبعة بأنها مستقيمة والعكس بالنسبة للأحماض غير المشبعة، ولهذا فوجود الأحماض غير المشبعة في تركيب الأغشية الخلوية يؤدي إلى عدم انتظام التركيب، وتميل الأغشية المحتوية على نسب عالية منها إلى السيولة Fluidity في درجات الحرارة العادية (الفسيولوجية)، وهذه الخاصية هامة لمرونة وليونة الأغشية الخلوية بجميع أنواعها. بالرغم من أن معظم الكائنات الحية تستطيع تكوين الأحماض الدهنية إلا أن بعض الحيوانات وخاصة الثدييات لا تستطيع تكوين بعض الأحماض الدهنية، ولهذا يجب أن تحصل عليها من غذائها وتدعى الأحماض الدهنية الأساسية Essential fatty acids ومنها حمض Linooleic acid أما أملاح الأحماض الدهنية فتكون كريات صغيرة Small droplets في المحاليل المتعادلة Neutral solutions حيث تدعى مذيالات Micelles كما في الشكل (؟؟) الشكل (؟؟) يوضح تركيب كريات الدهن الصغيرة Micelles مع الماء.
(2 الدهون المتعادلة :Neutral fats تمتاز الدهون المتعادلة بأنها لا تحمل شحنات على مجموعاتها الكيميائية في الأس الهيدروجيني الفسيولوجي للخلية، وتتكون من إتحاد مركب كحولى يدعى جليسرول Glycerol بمختلف الأحماض الدهنية (المشبعة أو غير المشبعة) وتسمى أيضاً المركبات ثلاثية الجليسرول Triglycerides أو Triacylglycerols وهي تحتوي على ثلاثة أحماض دهنية، وقد تكون الأحماض الدهنية ذات سلاسل طويلة أو قصيرة، والشكل (؟؟) يوضح الصيغة الكيميائية للدهون المتعادلة.
الشكل ( ??) الصيغة الكيميائية للدهن المتعادل ثلاثي الجليسرول.
يلاحظ من الشكل وجود ثلاثة مراكز لإرتباط الأحماض الدهنية بالجليسرول ولهذا فقد يوجد ثلاثة أنواع من المركبات، ويعتمد ذلك على عدد الأحماض الدهنية المرتبطة بالجليسرول فعندما يرتبط به حمض دهني واحد ينتج أحادي الجليسرول Monoglyceride و إرتباط اثنان من الأحماض الدهنية ينتج ثنائي الجليسرول Diglyceride وعند إرتباط ثلاثة من الأحماض الدهنيه ينتج ثلاثي الجليسرول Trig1yceride، وفي العادة يكون الحمض الدهني المرتبط بذرة الكربون الأولى في الجليسرول مشبع بينما الحمض الدهني المرتبط بذرة الكربون الثانية غير مشبع أما الحمض الدهني المرتبط بذرة الكربون الثالثة فقد يكون مشبع أو غير مشبع، وقد تكون الأحماض الدهنية متشابهة أو مختلفة ولذلك يوجد أنواع كثيرة من الدهون المتعادلة. تخزن معظم الدهون المتعادلة في الخلايا وتستخدم لإنتاج الطاقة وهي أكثر الدهون المخزنة في أجسام الكائنات الحية وتأخذ شكل كرياتDroplets في سيتوبلازم الخلايا ويكثر تواجدها بين الألياف العضلية (شكل ؟؟).
الشكل :(??) يوضح قطاع عرضي في عضلات طيران الذباب، ويلاحض وجود الدهن المخزن بين الألياف العضلية. عن (Fawcett 1966)
يتم الإرتباط بين مركب الجليسرول والأحماض الدهنية بواسطة رابطة كيميائية تنشأ بين مجموعة الهيدروكسيل (OH-) من الجليسرول ومجموعة الكربوكسيل (COOH) من نهاية الحمض الدهني حيث يطرد جزيئ ماء واحد وتتكون الرابطة الأستيرية Ester - linkage. لقد أوضحت الدراسات أنه كلما كانت السلسلة الكربونية في الحمض الدهني طويلة فإن سيولته تقل وأن الجليسرولات الثلاثية سائلة في درجات الحرارة العادية (الفسيولوجية) وتدعى زيوت Oi1s ، وأن النصف سائلة أو الصلبة تدعى دهون Fats . أما الشموع Waxes فتوجد على الأسطح الخارجية لجدر الخلايا النباتية وتغلف البشرة لبعض النباتات لتقلل أو تمنع تبخر الماء أو دخول المواد الغريبة أو الضارة إلى الخلية. (3 الفوسفوليبيدات :Phospholipids (Glycerophosphatides) يندر وجود الجليسريدات في الأغشية الخلوية، ولهذا فإن الفوسفوليبيدات ذات أهمية بالغة في تركيب الأغشية الخلوية وهي عبارة عن مجموعة من الجزيئات المحتوية على الفوسفات، وتشبه في شكلها الجليسريدات فيما عدا أن إحدى ذرات الكربون في مركب الجليسرول مرتبطة بمجموعة فوسفات (شكل ؟؟)، وترتبط مجموعة الفوسفات بمجموعة أخرى هي في العادة كحول قد يحتوي على نيتروجين، وتعمل مجموعة الفوسفات كجسر يربط الكحول المحتوى على النيتروجين مع الجليسرول (شكل ؟؟). ومجموعة "R" في التركيب العام للفوسفوليبيدات قد تكون أحد المركبات التالية:- 1-Phosphatidyl choline (lecithin). 2- Phosphatidyl ethanolamnine (cephalin). 3- Phosphatidyl serine. 4- Phosphatidyl inositol. 5 - Phosphatidyl glycerol. تمتاز هذه المركبات بأنها أمفيباثية Amphipathic (محبة للماء والدهون) في الأس الهيدروجيني الفسيولوجي، وأن أحد نهايات الجزء يكره الارتباط بالماء Hydrophobic وهي النهاية المحتوية على السلاسل الهيدروكربونية (الأحماض الدهنية) بينما النهاية الأخرى تحب الارتباط بالماء Hydrophilic وهي المحتوية على المجموعة الحاملة للشحنة “R”، وبناءاً على هذه الخواص فإن الفوسفوليبيدات تنتظم على سطوح المحاليل في طبقات بحيث تكون المجموعات الكارهة للماء بعيدة عن الماء و العكس بالنسبة للمحبة للماء، ويوجد هذا الترتيب في الأغشية الخلوية التي تكون على هيئة طبقتين Bilayers أو صفائح ثنائية الجزيئات Bimolecular sheets. (شكل ؟؟).
شكل (؟؟) رسم تخطيطي يوضح نموذج للغشاء الخلوي (انتظام طبقتي الدهن).
(4 الليبوسومات Liposomes: عندما يرج معلق من الـ Glycerophosphatides في الماء فإنها تنتثر وتكون حويصلات دهنية Liposomes أو Lipid vesicles ، وهذه تتألف من كرات ثنائية الطبقة Spherical bilayer من جزيئات الـ Glycerophosphatide المحاطة بكمية صغيرة من الوسط المائي، وإذا كان المحلول يحتوي على أيونات ذائبة في الماء فإن بعضها يوجد داخل الليبوسوم كما في الشكل (??) .
شكل (??) يوضح الليبوسوم. (5 البلازما لوجينات :Plasmalogens مجموعة من الدهون توجد بغزارة في أغشية الخلايا العصبية و الخلايا العضلية، ومميزه للخلايا السرطانية Cancer cells وهي تشبه الجليسروفوسفاتيدات فيما عدا وجود الإيثر في الموضع الأول للجلسرول بدلا من الحمض الدهني غير المشبع (شكل ؟؟)، ويتصل بالفوسفات ومجموعة “R” وهي أحد المركبات المبينة في الشكل.
شكل (??) يوضح الصيغة الكيميائية العامة لـ Plasmalogens .
(6 - الأسفنجوليبيدات :Sphingolipids هذه المجموعة من مشتقات الـ Sphingosine وهي عبارة عن أمينو الكحول Arnino alcohol متصلة بسلسلة طويلة من الهيدروكربون المشبع، والغلاف المايليني Myelin sheath الذي يحيط بمحاور الخلايا العصبية غني بهذا النوع وتدعى أيضا Sphingomyelin شكل (؟؟)
شكل (??) يوضح تركيب الإسفنجومايلين والأسفنجوسين.
(7 - الجليكوليبيدات Glycolipids والجليكوبروتينات :Glycoproteins يحاط السطح الخارجي للأغشية البلازمية في معظم الخلايا الحيوانية وخاصة الخلايا الطلائية وكرات الدم البيضاء بطبقة من المركبات السكرية ذات السلاسل القصيرة، وهذه السكريات تدعى Glycoproteins إذا كانت مرتبطة بالبروتين أو Glycolipids في حالة ارتباطها بالدهون، وتلعب دوراً هاماً في المناعة Immunity وتحديد مجموعات الدم Blood groups و التعرف بين الخلايا Cell-cell recognition ، والكربوهيدرات الداخلة في تكوين الـ Glycolipids تتألف من سكريات أحادية (جلوكوز أو جالاكتوز) أو سكريات أولية متنوعة من الـ Oligosaccharides التي تنتج من تكاثف 2 إلى 10 من وحدات سكرية أحادية.
(8 الأستريودات Steroids طائفة مهمة من الدهون تتكون من ارتباط حلقة الـ Cyclohexane والـ Cyclopentane، وجميعها مشتقة من الـ Perhydrocyclopentanophenanthrene وتمتاز الأستريودات بأن لها خواص فسيولوجية، ويحدد هذه الخواص طبيعة المجموعات الكيميائية المتصلة بالهيكل الأساسي للأستريودات، وبعض الأستريودات هرمونات مثل الإستروجين Estrogen والبروجسترون Progesterone أو الكرتيكوسترون Croticosterone، وتؤثر هذه الهرمونات على النشاطات الخلوية وتعبير الجينات، والبعض الآخر من الأستريودات فيتامينات مثل Vitamin D2 ، كما أنها تؤثر أيضا على بعض الإنزيمات أو قد تدخل في تكوين الأغشية البلازمية وتؤثر على تركيبها ونفاذيتها ونقل المواد خلالها، ومن أهمها مركب الكوليسترول Cholestrol الذي يترسب في بعض الحالات المرضية على جدر الأوعية الدموية ويسبب تصلب الشرايين Arterosclerosis مما يؤدي إلى ارتفاع ضغط الدم.
ثالثاً: البروتينات Proteins تكثر البروتينات في المنتجات الغذائية مثل اللحوم، البيض، الحليب، وفي كثير من البذور والثمار كما يوجد بروتينات خاصة تدخل في تكوين الصوف، الشعر، الحوافر والجلود. وتشكل البروتينات أحد المكونات الأساسية للخلية وتصل نسبتها المئوية في الخلية النشطة حوالي %80 من الوزن الجاف، وتحتوي خلايا الإنسان على ما يقرب من 100,000 نوع من البروتينات تستطيع الخلايا بناءها وتتميز البروتينات بتخصصها الدقيق كما تعتبر المنظمة لنشاط الخلية. البروتينات جزيئات كبيرة معقدة وهي من أكثر الجزيئات العضوية تنوعاً من حيث التركيب الكيميائي والدور الفسيولوجي والكيموحيوي الذي تؤديه في الخلايا الحية. (جدول ؟؟).
جدول (؟؟) يوضح الوزن الجزيئي وعدد الأحماض الأمينية الداخلة في تكوين بعض البروتينات.
البروتين الوزن الجزيئى عدد الأحماض الأمينية هرمون الأدرنيوكورتيكوتروبين 4500 39 الأنسولين 5700 51 إنزيم الريبونيوكلييز 12000 124 سيتوكروم 11 ح ا ا 15600 140 ما يوجلوبين (الخيل ) 16000 150 إنزيم التربسين 20000 180 الهيموجلوبين 64500 574 إنزيم اليوريز 473000 4500 هيموسيانين (القوقع ) 910000 8200 عن (1983) Sheeler and Bianchi
تنقسم البروتينات من الناحية الوظيفية إلى قسمين: 1) بروتينات تركيبية Structural proteins وهي البروتينات المتواجدة بالخلية وتكون الهيكل وتشمل عدد من البروتينات الأنبوبية والليفية مثل الأنبوبين Tubulin والبروتينات المشابهة للأكتين Actin like proteins والأنيبيبات الدقيقة Microtubules واللييفات الدقيقة Microfilaments وبعض بروتينات الأغشية، بينما البروتينات خارج الخلية تشمل الكولاجين Collagen الذي يوجد في الجلد Skin ، والغضاريف Cartilages والعظام .Bones والكرياتين Kreatin الذي يدخل في تكوين الشعر والأظافر.
2) البروتينات الديناميكية Dynamic proteins تشمل جميع الإنزيمات سواءً التركيبية أو الوظيفية التي تلعب دور حيوي في أيض الخلية Cell metabolism والهرمونات Hormones مثل الأنسولين Insulin و الثيروكسين Thyroxine والأرثروبوتين Erthropoetin ، وأصباغ الدم Blood pigments مثل الهيموجلوبين Hemoglobin والهيموسيانين Hemocyanin وصبغة العضلات Myoglobin . تقسم البروتينات أيضاً على أساس تنظيمها الجزيئي إلى بروتينات ليفية Fibrous وهذه تشبه الخيط Thread-like مثل الكولاجين Collagen و الفيبرين Fibrin والأكتين Actin والمايوسين Mysoin، وبروتينات فجوية Globular مثل الهيموجلوبين والمايوجلوبين Myoglobin وبروتينات بلازما الدم ومعظم الإنزيمات. الأحماض الأمينية Amino acids بالرغم من اختلاف وظائف البروتينات فإنها جميعاً ذات تراكيب متشابهة، وتتكون من واحدة أو أكثر من السلاسل غير المتفرعة، وكل سلسلة في الوحدة البروتينية Subunit تتألف من الأحماض الأمينية، ويوجد 21 حمض أميني (جدول ؟؟) تكون جميع البروتينات، وحجم وشكل ووظيفة البروتين يحددها نوع وعدد الأحماض الأمينية المكونة لجزيء البروتين (جدول ؟؟). تختلف أحجام الجزيئات البروتينية وبالتالي أوزانها الجزيئية باختلاف عدد الأحماض الأمينية المكونة للجزيئ، وتتراوح من جزيئات صغيرة مثل هرمون (ACTH) Adrenocorticotrpin الذي يتكون من 39 حمض أميني ووزنه الجزيئي 4500 إلى جزيئات كبيرة مثل صبغة الدم Hemocyanin في اللافقاريات حيث تتكون من 8200 حمض أميني وزنها الجزيئي أكثر من 900,000 (جدول ؟؟). الرابطة الببتيدية The peptide bond يتألف البروتين من سلسلة واحدة أو أكثر من الأحماض الأمينية المرتبطة مع بعضها البعض (شكل ؟؟) تدعى عديد الببتيد Polypeptides والأحماض الأمينية المتجاورة ترتبط مع بعضها عن طريق الرابطة الببتيدية Peptide bond التي تنشأ بينها كنتيجة لانطلاق جزيئ واحد من الماء وتتكون الرابطة بين Carboxyl carbon atom من أحد الأحماض الأمينية و Amino nitrogen atom من الحمض الأميني الآخر (شكل ؟؟).
(الشكل ؟؟) يوضح الصيغة الكيميائية للأحماض الأمينية.
يلاحظ من الصيغة الكيميائية للحمض الأميني أن ذرة الكربون الفا ترتبط بالمكونات التالية:- 1) ذرة هيدروجين Hydrogen atom (-H) 2) مجموعة الأمينو )2 Amino group (-HN 3) مجموعة الحمض Acid group (-COOH) (كربوكسيل) 4) مجموعة جانبية “R” تختلف من حمض أميني لآخر وتحدد نوع الحمض الأميني (جدول ؟؟).
الجدول (؟؟) يوضح الأحماض الأمينية والتركيب البناني لمجموعة "R" في كل حمض أميني إضافة إلى الأحماض الأمينية. السابقة يوجد أحماض أمينية نادرة مثل Beta-alanine ويدخل في تركيب (Vit. B5) Pantothenic acid، و Ornithine و Citruelline و Homoserine وهي أحماض أمينية وسطية في الأيض الخلوي. جمع وترتيب الأحماض الأمينية المختلفة يؤدي إلى تكوين البروتينات المعروفة. والتفاعلات التي تؤدي إلى اتصال الأحماض الأمينية ببعضها تعرف بتفاعلات التكاتف Condensation reactions أو البناء وتتم بنزع جزيئ الماء Dehydration synthesis وارتباط حمضين أمينيين يؤدي إلى تكوين ما يعرف بثنائي الببتيد Dipeptides، بينما ارتباط أكثر من حمضين أمينيين يؤدي إلى تكوين عديد الببتيد Polypeptides.
شكل (??) يوضح كيفية إتحاد الأحماض الأمينية عن طريق الرابطة الببتيدية وإنتاج ثناثي الببتيد.
ويجب ملاحظة أن عدد الروابط الببتيدية يكون أقل بواحد من عدد الأحماض الأمينية فثنائية الببتيد تحتوي على رابطة ببتيدية واحدة ومركبات ثلاثية الببتيد تحتوي على رابطتين ببتيديتين وهكذا، وإن تكوين ثنائي الببتيد يحتوي على مجموعتين طرفيتين هما (-COOH) Carboxyl- terminal و NH3 ( Amino terminal-) ، وكلاهما يمكن أن يرتبط بحمض أميني آخر، ولكن في الخلايا يتم تكوين البروتينات عن طريق الريبوسومات Ribosomes التي قد تكون حره في سيتوبلازم الخلية أو محمولة على الشبكة الاندوبلازمية المحببة، ولهذا فإضافة الأحماض الأمينية يتم عن طريق المجموعة الكربوكسيلية فقط وإرتباط الأحماض الأمينية بهذه الطريقة يؤدي إلى تكوين البروتين الأولي. البروتينات المرتبطة Conjugated proteins هذه المجموعة من البروتينات تتكون من إتحاد البروتين بمركبات أخرى غير بروتينية، ويمكن تسميتها حسب المجموعة المرتبطة بها ومنها:- 1- البروتينات النووية Nucleoproteins تعتبر من أهم المركبات التي تدخل في تركيب النواة لجميع الكائنات الحية، وتتكون هذه المجموعة نتيجة لإتحاد بروتين بسيط مع حامض نووي والبروتين في هذه المجموعة من الهستون أو البروتامين. 2- البروتينات الملونة Chromoproteins هذه البروتينات ترتبط مع مركبات ملونة مثل الهيموجلوبين في الدم حيث يرتبط البروتين مع عنصر الحديد (2+Fe)، وكذلك الكلوروفيل الأخضر حيث يرتبط البروتين مع عنصر المغنيسيوم (Mg2+) ، وقد لا تحتوي المجموعة على عنصر مثل البروتينات المرتبطة مع صبغة الميلانين الموجودة في الشعر. 3- البروتينات الفوسفاتية Phosphoproteins هذه البروتينات ترتبط مع مجموعة الفوسفات ومن أهمهما الكازين Casein الموجود في الحليب والفيتلين Vitellin الموجود في صفار البيض، وتعتبر هذه المركبات مصدر للفوسفات في الجسم. 4- البروتينات الكربوهيدراتية Glycoprotiens وهي مركبات بروتينية مرتبطة مع السكريات ولقد سبق الإشارة اليها. 5- البروتينات الدهنية Lipioproteins وتتكون نتيجة لإتحاد البروتين مع الدهون وتوجد غالبيتها في أغشية الخلايا الحية وبلازما الدم وصفار البيض. مستويات تركيب البروتينات Levels of protein structure للبروتينات مستويات بنائية تنظم أشكالها وتحدد صفات البروتين، وهذه المستويات في التركيب هي:- 1- التركيب الأولي Primary structure التركيب الأولي هو التتابع المحدد للأحماض الأمينية في سلسلة عديد الببتيد لبروتين معين، ويحدد هذا المستوى البنائي نوع وعدد الأحماض الأمينية وكذلك تسلسل هذه الأحماض في تركيب البروتين، ولتوضيح أهمية التركيب الأولى للبروتين في الكائن الحي وأهمية تتابع الأحماض الأمينية، فإن الإنسان المصاب بفقر الدم المنجلي Sickle-cell anemia يكون الفالين Valine الحمض الأميني رقم "6" في تتابع الأحماض الأمينية بينما في السليم يكون حمض الجلوتاميك Glutamic acid الحمض الأميني رقم "6" في تتابع الأحماض الأمينية كما هو موضح في (الشكل ؟؟). هيموجلوبين الدم الطبيعيValine –Histidine – leucine – Threonine – Proline - Glutamic acid - Glutarnic acidهيموجلوبين المصاب بفقر الدم المنجليValine - Histidine - leucine - Threonine - Proline - Valine - Glutarnic acid
الشكل (؟؟) يوضح أهمية التركيب الأولي للبروتين، ويلاحظ أن سبب الأنيميا المنجلية هو إختلاف تتابع الأحماض الأمينية.
2- التركيب الثانوي Secondary structure هذا المستوى يتعلق بوضع البروتين التركيبي والبنائي Conformation في السلاسل الببتيدية، وبصورة أدق يمثل التفاف هذه السلاسل مع بعضها بشكل حلزوني (شكل ؟؟) حيث تتصل سلسلة عديد الببتيد فيما بينها في أماكن محددة معطية شكلاً خاصاً للبروتين يكون أكثر ثباتاً وتتم هذه الإتصالات بواسطة قوى ثانوية مثل الروابط الهيدروجينية أو التساهمية أو تجاذب قوى Van Der waals ومن أمثلتها البروتين الموجود في الصوف والشعر والحرير.
شكل (؟؟) يوضح الإلتفاف الحلزوني في السلسلة الببتيدية
3- التركيب الثالثي Tertiary structure يوجد البروتين في الطبيعة بشكل مجسم أي أن له ثلاثة أبعاد، ويتضح ذلك من الإلتفافات الإضافية غير الموجودة في البناء الثانوي وتشمل الطي والإنثناء المميز لكل بروتين، وهذا التركيب أكثر استقراراً وهو الطريقة التي تلتف بها كل الأجزاء في عديد الببتيد لتعطيه شكله المحدد، ومن أمثلتها التركيب البنائي للمايوجلوبين (شكل ؟؟) الذي يتميز بأن وزنه الجزيئي 17000 ويتبلور بصورة سهلة.
(شكل ؟؟) يوضح التركيب الكيميائي للمايوجلوبين (التركيب الثالثي).
4- التركيب الرباعي Quaternary structure ينتج التركيب الرباعي من تجمع جزيئات البروتين مع بعضها البعض عن طريق بعض الروابط الخاصة مثل رابطة ثنائي الكبريتيد، وينتج هذا التركيب من إتحاد الوحدات الملتفة في مجاميع ثابتة نسبياً، ومثال هذا النوع الهيموجلوبين (شكل ؟؟).
(شكل ؟؟). يوضح التركيب الكيميائي للهيموجلوبين.
رابعاً: الأحماض النووية Nucleic acids تعتبر الأحماض النووية (DNA) Deoxyribonucleic acid و (RNA) Ribonucleic acid من الجزيئات الأساسية المسئولة عن نقل المعلومات والصفات الوراثية من جيل من الخلايا إلى الجيل الذي يليه، وكذلك تنظم الأيض الخلوي، وتتألف الأحماض النووية من سلاسل طويلة من وحدات متكررة من النيوكليوتيدات Nucleotides وسكر خماسي ومجموعة فوسفات (شكل ؟؟)، وتوجد المعلومات الوراثية محمولة على بعض أجزاء الكروموسومات Chromosomes وتدعى جينات Genes ، والجين مؤلف من عدد من النيوكليوتيدات، وكل جين يمثل جزء كيموحيوي متخصص من جزيئ DNA الطويل الذي يستطيع خزن ونقل المعلومات المطلوبة للنمو Growth وتكاثر Reproduction الخلية، ولذلك فالجينات تحمل شفرات Codes من المعلومات اللازمة لبناء بروتين محدد أو مجموعة من البروتينات المتشابهة.
شكل (??) يوضح التركيب الكيميائي لـ DNA .
مكونات وتركيب الأحماض النووية Composition and structure of the nucleic acids يتكون كل من DNA و RNA من سلسلة غير متفرعة من الوحدات النيوكليوتيدية (جدول ؟؟) وهذه تتألف من: 1- قاعدة نيتروجينية Nitrogenous base إما أن تكون مجموعة بيورينPurine أو بريميدين Pyrimidine . 2- سكر خماسي Pentose إما أن يكون سكر ريبوز Ribose أو ديوكسي ريبوز Deoxyribose . 3- حمض الفوسفوريك Phosphoric acid (مجموعة الفوسفات). السكر الخماسي في RNA هو الريبوز بينما في DNA يكون الديوكسي ريبوز إضافة إلى ذلك فإن DNA يحتوي على القاعدة النيتروجينية الثيامين بدلاً من اليوراسيل الموجود في RNA.
جدول (??) يوضح المكونات الكيميائية للاحماض النووية القاعدة النيتروجنية RNA DNA بيورين Adenine Adenine Purines Guanine Guanine بريميدين Cytosine Cytosine Pyrimidine السكر الخماسى Ribose Deoxyribose Pentose مجموعة الفوسفات Pho!phoric acid Phosphoric acid
خامساً: المركبات الخاصة ومركبات الطاقة بعض المركبات الكيميائية لها أدواراً خاصة في نشاط وايض وحياة الخلية ومن هذه المركبات فوسفات النيوكليوسايد Nucleoside phosphate ، وتتكون من القاعدة النيتروجينية والسكر الخماسي فقط و إذا أضيف لها مجموعة أو أكثر من الفوسفات فإنها تدعى في هذه الحالة نيوكليوتايدNucleotide (شكل ؟؟).
شكل (؟؟) يوضح التركيب العام للنيوكليوتيدات، ويلاحظ التشابه بين الأدينوسين أحادي الفوسفات (AMP) وثنائي الفوسفات (ADP) وثلاثي الفوسفات (ATP) . وتشمل مركبات الطاقة:- 1- أدينوسين ثلاثي الفوسفات. Adenosine triphosphate (ATP) 2- أدينوسين ثنائي الفوسفات. Adenosine diphosphate (ADP) 3- أدينوسين أحادي الفوسفات. Adenosine monophosphate (AMP) وتدعى هذه المركبات الحاملة أو الغنية بالطاقة، ومركبات البيريدين نيوكليوسايد NAD+ و NADP+ و FAD+ مرافقات أنزيمية Co- enzymes لبعض التفاعلات التي تنزع الهيدروجين Dehydrogenation في الخلايا، فالهيدروجين المنزوع من مختلف المركبات بفعل نازعات الهيدروجين Dehydrogenase enzymes يستقبل بواسطة البيريدين نيوكليوتايد، ويتم نزع الهيدروجين كأزواج حيث يرتبط إحداها مع المرافق الإنزيمي كهيدرايد والآخر يبقى كأيون هيدروجيني في الوسط، والمرافقات الإنزيمية كثيرة ولها صورتين مؤكسدة Oxidized ومختزلة Reduced شكل (؟؟). 1) ثنائي النيوكليوتيد أدينين نيكوتين أميد، ويسمى أيضاً مرافق إنزيمي Co - enzyme ويشمل: أ) Reduced- Nicotinamide adenine dinucleotide )NADH) مختزل. ب) Oxidized - Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) مؤكسد. 2) نيكوتين أميد أدنين فوسفات ثنائي النيوكليوتيد وهو مرافق إنزيمي أيضاً ويشمل:- أ) Reduced-Nicotinarnide adenine dinucleottde phosphate (NADPH) مختزل. ب) Oxidized Nicotinarnide adenine dinucleofide phosphate (NADP+) موكسد. (3 فلافين أدنين ثنائي النيوكليوتيد وهو مرافق أنزيمي ويشمل:- أ) ) 2 Reduced - Flavin- Adenine dinucleotide (FADH مختزل. ب) Oxidized - Flavin- Adenine dinucleotide (FAD+) مؤكسد. هذه المركبات تشترك كنواقل للطاقة في عدد كبير من التفاعلات الكيموحيوية في الخلية ومن أهمها تفاعلات البناء الضوئي والتنفس.
شكل (؟؟) يوضح التركيب الكيميائي للمرافقات الإنزيمية الرئيسية.
تعتبر نيوكليوسايدات الفوسفات مركبات غنية بالطاقة، وإضافة إلى مركبات الطاقة (ATP, ADP, AMP) شكل (؟؟) هناك مركبات أخرى تؤدي أدواراً مشابهة، وهذه تشمل مايلي:- 1) جوانوسين ثلاثي الفوسفات Guanosine triphosphate (GTP) 2) يوريدين ثلاثي الفوسفات .Uridine triphosphate (UTP) 3) سيتيدين ثلاثي الفوسفات .Cytidine triphosphate (CTP) النشاطات الآيضية في الخلايا تتم بواسطة سلاسل معقدة من تحولات الطاقة Energy transformation وتعتبر مركبات الطاقة الوسائط الحاملة والمخزنة للطاقة الناتجة من النشاطات الخلوية أو التفاعلات الكيموحيوية. مركبات الطاقة (ATP, GTP, UTP and CTP) تستخدم في الخلية الحية كمركبات معطية للطاقة وتلعب دوراً في جميع التفاعلات المستهلكة للطاقة Energy - consuming reactions ، وتدعى أيضاً المعطية للطاقة Endergonic . من ناحية أخرى فهذه المركبات تنتج من التفاعلات المنتجة للطاقة Energy - producing reactions أو التفاعلات الطاردة Exergonic للطاقة لأن المركبات ثنائيات الفوسفات (ADP , GDP, UDP and CDP) تحمل بالطاقة الناتجة من التفاعلات وتستغلها خلايا الكائن الحي في أوجه نشاطاته المختلفة. معدل تكوين ATP في الأجسام الحية يشير إلى الدور الحيوي في العمليات الأيضية، ففي الإنسان على سبيل المثال تقدر كمية ATP التي يستهلكها الجسم بحوالي نصف وزن الجسم يومياً وهذا يعني أن هذه الكمية يقوم الجسم بإنتاجها يومياً.
شكل (??) يوضح التركيب الكيميائي لمركب الطاقة (ATP). أدينوسين أحادي الفوسفات الحلقى Cyclic nucleoside monophosphate تمتاز عن مركبات الأدينوسين أحادي الفوسفات (AMP) والجوانوسين أحادي الفوسفات (GMP) بأن لها أشكال حلقية، وقد وجد أن لهذه المركبات دور تنظيمي Regulatory في مختلف النشاطات الخلوية، فمركب (cAMP) AdenoSine - 3' , 5' - monophosphate شكل (؟؟) الحلقي ينتج في الأغشية البلازمية كإستجابة لتأثير بعض الهرمونات ويعمل كناقل للمعلومات من خارج الخلية إلى داخلها ولهذا يدعى Intercellular transmitter أو المرسال الثاني Second messenger وبهذه الطريقة تنشط بعض التفاعلات الأيضية داخل الخلايا (أي أنه يعمل على نقل تأثير بعض الهرمونات إلى أيض الخلايا المستهدفة)، ولأن بعض الهرمونات لها أوزان جزيئية كبيرة ولا تستطيع المرور عبر الأغشية الخلوية فإنها ترتبط بمستقبلات خاصة Specific receptor sites على السطح الخارجي للغشاء البلازمي، ويؤدي ارتباط الهرمون بغشاء الخلية إلى تكوين cAMP داخل الخلية، وبذلك تنقل المعلومات من الهرمون إلى العملية أو العمليات الايضية داخل الخلية. وكمثال للدور التنظيمي الذي يؤديه cAMP أثناء نشاط الأنسجة العضلية التي يجب إمدادها بكمية كبيرة من سكر الجلوكوز ينطلق هرمون الأبينيفرين Epinephrine إلى الدورة الدموية ويصل إلى الأنسجة والكبد ويرتبط بالأغشية البلازمية، ونتيجة لهذا الإرتباط يتكون cAMP على السطح الداخلي للغشاء وينطلق إلى سيتوبلازم الخلية حيث يرتبط بأنزيم Protien Kinase ، وهذا الإنزيم ينشط ويؤدي إلى تنشيط إنزيم آخر يدعى Phosphorylase وهذا بدوره ينشط تحلل الجليكوجين وتنتج كمية كبيرة من سكر الجلوكوز الذي تسخدمه الخلية لإنتاج الطاقة المطلوبة للنشاط العضلي. نظام cAMP يؤثر أيضا على إستنساخ Transcription الـ DNA حيث أنه يرتبط مع Catabolite gene activator protein (CAP) ويؤدي إلى تكون الإنزيمات الخلوية المتخصصة.
شكل (??) يوضح التركيب الكيميائي لـ cAMP.
سادساً: الفيتامينات Vitamins الفيتامينات (جدول ؟؟) مركبات عضوية توجد بكميات قليلة في الخلايا، وتلعب دورا هاما في التفاعلات الأيضية التي تحدث داخل الخلايا، وبالرغم من أن الفيتامينات غير مطلوبة بكميات كبيرة إلا أن النقص القليل في بعضها يسبب بعض الأعراض المرضية الناتجة عن النقص Deficiency symptoms . بعض الكائنات لا تستطيع تكوين كل ما تحتاجه من الفيتامينات وخاصة تلك المهمة للتفاعلات الأيضية، وتعتمد في الحصول على هذه الفيتامينات من مصدر خارجي، ويرتبط دور أغلب الفيتامينات بوظائف الإنزيمات وقد يكون الفيتامين جميع أو جزء من الأنزيم غير البروتيني ويدعى مرافق أنزيمي Co-enzyme والنباتات بصفة عامة تستطيع تكوين جميع فيتاميناتها المطلوبة بخلاف الحيوانات. الجدول (؟؟) يوضح بعض أنواع الفيتامينات (1) فيتامين (2) الثيامين (فيتامين ب 1) (3) بيريدوكسين (فيتا مين ب 6) (4) سيانوكوبال أمين (فيتامين ب 12) (5) فيتامين د (6) فيتامين أي (7) فيتامين ك (8) با يوتين (9) حمض الفوليك (10 ) حمض الليبويك (11) نياسين (12) حمض البانتوثينك (13) ريبوفلافين (فيتامين ب 2) Vitamin A (1 mine )Vit . B غ Thi (6Pyridoxine )Vit . B (12 Cyanocobalamin )Vi t. B Vitamin D Vitamin E Vitamin K . Biotin Folic acid Lipoic acid Niacin Pantothenic acid (2Riboflavin )Vit . B
سابعا: الإنزيمات Enzymes الإنزيمات محفزات بيولوجية تسرع معدلات التفاعلات الكيموحيويه، ولذلك فجميع النشاطات المميزة للكائنات الحية مثل النمو والحركة والإستجابة تتم على المستوى الخلوي عن طريق آلاف من التفاعلات الكيموحيوية، التي تنتظم في تتابع دقيق بواسطة أعداد وأنواع مختلفة من الإنزيمات حيث اتضح أن الإنزيم المطلوب لإنجاز تفاعل ما في الخلية يوجد في مكان محدد وينشط في وقت محدد ليؤدي دور محدد، ولهذا فلا حياة للخلية بدون نشاط جميع إنزيماتها. معظم الإنزيمات مركبات بروتينية فجوية Globular proteins لا تذوب في الماء وتتراوح أوزانها الجزيئية مابين 12000 إلى أكثر من مليون دالتون، وتمتاز بأن صفاتها لا تتغير أثناء إشتراكها في التفاعلات الكيموحيوية، وقد أمكن التعرف على أكثر من 2000 إنزيم، وأعداد كبيرة منها تستخدم على نطاق واسع في بعض الصناعات الغذائية والدوائية. وتؤثر الإنزيمات على التفاعلات الكيموحيوية عن طريق خفضها لطاقة التنشيط Activation energy المطلوبة لحدوث التفاعل. استخلاص الإنزيمات وتنقيتها :Extraction and Purification of nzymes ترتبط بعض الإنزيمات ارتباطا وثيقا باغشية بعض عضيات الخلية مثل الغشاء البلازمي و الميتوكندريا والبلاستيدات الخضراء والشبكة الاندوبلازمية، وعليه، فانه كثيرا ما يكون من الصعب فصلها. بيد أن معظم الإنزيمات تكون محاليل غروية في الماء يمكن إلى حد ما فصلها بسهولة، وبنفس الطرق المستخدمة للبروتينات الأخرى. وفي البداية، كثيراً ما كانت عملية فصل البروتينات عملية طويلة وشاقة تعتمد على تمايز (اختلاف) الذوبان في محاليل مختلفة للإنزيم موضوع الدراسة وللبروتينات الأخرى الخاملة والموجودة كملوثات. وفي العقدين أو الثلاثة عقود الأخيرة سهلت تقنيات الكروماتوجرافيا والهجرة الكهربائية تنقية الإنزيمات إلى حد كبير، إذ تم تحضير ما يقارب 1500 إنزيم بشكل نقي أو شبه نقي. وتبدأ الخطوة الأولى بهرس النسيج الذي يحتوي على الإنزيم ثم الطرد المركزي لإزالة المواد غير الذائبة (كما سبق ذكره في ؟؟). وفي بعض الحالات فان المعاملة القصيرة بالحرارة heat treatment ( 50°م) للمحلول الغروي الناتج تخثِّر البروتينات غير المرغوب فيها والقابلة للتغيير بالحرارة مما يؤدي إلى المزيد من تركيز الإنزيم. وهناك عملية هامة وهي معاملة الشوائب أو الإنزيم بالملح، وذلك بإضافة ملح يحتوي على ايون ثنائي سالب الشحنة (على سبيل المثال كبريتات الامونيوم ammonium sulphate أو ايون ثنائي موجب الشحنة على سبيل المثال كلوريد المغنيسيوم magnesium chloride. وينتج عن هذه العملية الترسيب لان ايونات الالكتروليت (electrolyte) تتحد مع الماء مما يقلل من كمية المحلول المتوافرة لذوبان الغروبات الموجودة. إن تغيير الرقم الهيدروجيني لخليط من البروتينات يؤدي إلى ترسيب تمايزى (differential precipitation) ايضا ذلك لان ذائبية كل بروتين يتكون فيه الخليط تكون اقل ما يمكن عند نقطة التعادل الكهربائي. وهناك طريقة ثالثة عامة كثيرا ما تستخدم للحصول على تنقية مبدئية وذلك بالاستفادة من اختلا ف قابلية ذوبان البروتينات المختلفة في محاليل مائية اضيف اليها مقادير متفاوتة من محاليل عضوية ذائبة بالماء كالكحول الايثيلي أو الاسيتون.وبعد التنقية المبدئية، فان انواعا متعددة من انظمة الكروماتوجرافيا والهجرة الكهربائية كثيرا ما تبرهن انها ذات قيمة. و لما كانت الإنزيمات هي بروتينات فانه يمكن تطبيق هذه التقنية بشكل متساو من اجل تنقية الإنزيمات. إن طريقة كروماتوجرافيا التبادل الايوني يمكن استخدامها ايضا لفصل البروتينات. فعلى سبيل المثال يمكن فصل البروتينات الحامضية كروماتوجرافيآ على مواد تبادل ايوني قاعدية مثل ثنائي ايثيل امينو ايثيل سيليولوز diethylaminoethyl cellulose (DEAEC) حيث يمكن فصل البروتينات القاعدية على اعمدة تحتوي على وسط ثابت (stationary phase) سالبة الشحنة مثل كربوكسي ميثيل السيليولوز Carboxymethyl cellulose. وثمة تقنية اخرى تدعى بالترشيح الغروي gel filtration ، يمكن استخدامها ليس لفصل البروتينات المختلفة في اوزانها الجزيئية فحسب، بل وبعد معايرة العمود (باستخدام مواد ذات اوزان جزيئية معروفة) يمكن أن تزودنا بقيمة تقديرية للوزن الجزيئي الظاهري لإنزيم لا يعرف تركيبه الجزيئي. ومن المواد الشائعة لتعبئة الاعمدة في الترشيح الغروي غرويات الدكستران dextran gels المتشابكة (على سبيل المثال سيفادكس sephadex وغرويات عديد الاكريل اميد polyacrylamide). وتتصرف الحبيبات الدقيقة أو الكريات المكونة للمادة المعبئة في العمود وكأنها اغشية ديلزة إذ تعبر جزيئات الماء والجزيئات الصغيرة من خلال الحبيبات في حين لا تستطيع الجزيئات الكبيرة ذلك. وعلاوة على ذلك فانه يمكن صنع الحبيبات بمساميات مختلفة أو خصائص غربالية جزيئيه molecular sieve. والنتيجة هي انه لما كانت جزيئات الماء خارج الحبيبات وداخلها متوافرة بشكل مؤثر للجزيئات الاصغر حجما فقط فان جزيئات الماء خارج الحبيبات متوافرة للجزيئات الاكبر حجما. وبالتالي تتحرك الجزيئات الاكبرحجما باتجاه اسفل العمود بسرعة اكبرمن الجزيئات الاصغر وتظهر للعيان اولا من قاعدة العمود (شكل ؟؟). وعند وجود عدة بروتينات كما هو الحال في عمليات تنقية الإنزيمات فان الجزيئات الاصغر حجما وذات الوزن الجزيئي الاصغر تظهر اولا في السلسلة كلما اخذ حجم المواد المستخلصة في الازدياد. وباستخدام فاصل للجزيئات fraction separator وتقنية مخبرية ملائمة للانزيم موضوع الدرس فان تنقية لا يستهان بها كثيرا ما تكون محتملة. تقدير نشاط الإنزيمات :Assay The Activity of Enzymes
كما هوالحال بالنسبة للتفاعلات الكيمياوية الاخرى ة يمكن قياس سرعة التفاعل الذي يساعد فيه الإنزيم بواسطة: أ)- تقنية اخذ العينة Sampling tecbnique و يقاس نشاط الإنزيم بطريقة غير مستمرة discontinuous assay حث بؤخذ جزء من خليط التفاعل على فترات زمنية محددة يوقف بعدها التفاعل وتفحص العينة على محتواها من مادة التفاعل أو ناتج التفاعل اوكلاهما. ب)- تقنية القياس المستمر continuous monitoring technique تستغل بعض الصفات الفيزيائية والكمية للمادة التفاعل اوناتج التفاعل بحيث يمكن الكشف عنها بدون أن يؤثر ذلك على سيرالتفاعل مثلا يمكن تتبع تكوين NADH بواسطة جهازقياس الطيف الضوئي Spectrophotometer على طول موجي قدره 340 نانومتر. وعلى وجه العموم، يفضل استعمال طريقة القياس المستمر لانها تضمن قياس السرعة الاولية الحقيقية للتفاعل. وقد يفضل احيانا تتبع سيرالتفاعل بالكشف عن تراكم الناتج. ومثلما هوالحال في التفاعلات الكيميائية الاعتيادية، فان سرعة التفاعل الانزيمي تعتمد على الظروف المثلى للتفاعل كدرجة الحرارة والأس الهيدروجيني pH واللذين يتوجب تثبيتهما اثناء التفاعل. في بعض الحالات تؤثرالمواد المتفاعلة الثانوية والعوامل المرافقة Cofactors على سرعة التفاعل وعليه يتوجب توفرهما في وسط التفاعل بتركيزات مثلى للحصول على نتائج دقيقة. كما يمكن الكشف عن الظروف المثلى لعمل الإنزيم بتغييراحد ظروف التفاعل والابقاء على البقية ثابتة. لايمكن الحكم على فعالية الإنزيم من سرعة التفاعل الذي يشارك فيه فقط الا إذا كان معروفا إن سرعة التفاعل تكون قليلة جدا بحيث يمكن اهمالها negligible في حالة عدم وجود الإنزيم. يحصل للانزيمات دنترة denaturation عند معاملتها حراريا، فستفقد فعاليتهاكليا عندما تسخن على 100 درجة مئوية لمدة 0ا - 15 دقيقة. وللتعرف على فعالية الإنزيم في المستخلص الخام للخلية، ينصح بالكشف عن السرعة الاساسية basal rate للتفاعل بوجود المستحضرالخام المسخن إلى درجة الغليان وكذ لك بعدم وجود المستحف!رالخام كليا! ويكون من المحتمل الكشف بهذه الطريقة فيما إذا التحضيرالخام Crude يحتوي على منشطات activators اومثبطات inhibitors ذات طبيعة غير انزيمية ومقاومة للحرارة في نفس الوقت. ولقياس درجة النشاط القصوى لكمية معينة من إنزيم ما، يتوجب التأكد من النقاط التالية: ا- قياس السرعة الاولية للتفاعل، ويفضل استعمال الطريقة المستمرة لقياس تراكم الناتج. 2- توفر المواد المتفاعلة (عدا الإنزيم)، بالتركيزات المثلى. 3- الحفاظ على ثبات الظووف المثلى اثناء التفاعل. 4- تقدير سرعة التفاعل غير الانزيمي (باستعمال الإنزيم المسخن إلى د رجة الغليان). 5- تقدير كمية الإنزيم الموجود في خليط الفاعل (عادة بتقدير المحتوى البروتيني لخليط التفاعل). 6- التأكد من دقة الفحص وذلك كما يلي: أ- التأكد من أن السرعة الأوليه للتفاعل تتناسب طرديا مع تركيز الإنزيم. ب- التأكد من أن السرعة الاولية للتفاعل لا تتغير بزياد ة تركيز ماد ة التفاعل. جـ- إذا كان قياس النشاط غير مسمتمر discontinuousيجب التأكد من أن سرعة التفاعل تتناسب طرديا مع الوقت (الحصول على خط مسعقيم) خلال الفترة التي تؤخذ فيها العينات للقياس. ويعبرعن النشاط الإنزيمي عادة بالوحد ات units of enzyme . والوحدة الواحدة من الإنزيم عبارة عن تلك الكمية من الإنزيم التي تنتج سرعة معينة للتفاعل تحت ظروف محددة. الوحدة الاعتيادية للفعالية الإنزيمية عبارة عن تلك الكمية من الإنزيم التي تساوي استهلاك utilization مايكرومول واحد من مادة التفاعل في الدقيقة تحت الظروف المثلى. وبصورة عامة لايمكن قياس كمية البروتين ذوالفعالية الانزبمية في التحضيرات غيرالنقية، لكن بدلا من ذلك يقاس تركيزالانزيم الموجود في التحضير ويعبرعنه بعدد الوحدات/ مل. ويقاس النشاط النوعي للانزيم specific activity في التحضير ويعبرعنه بوحد ات الإنزيم/ ملغم بروتين كلي. اي أن الوحدة المستعملة للتعبيرعن النشاط النوعي للانزيم عبارة عن عدد مايكرومولات ماد ة التفاعل المتحولة بالدقيقة لكل ملغم بروتين تحت الظروف المثلى و الثابتة من الأس الهيدروجيني pH ودرجة الحرارةرة. من الجدير بالذكر أن النشاط النوعي للانزيم هو ليس نشاط الإنزيم الا انها عبارة عن قياس (بصورة غير مباشرة) للجزء fraction من البروتين الكلي للمستحضر الذي يحتوي على الإنزيم. و يعطي النشاط النوعي مؤشرا على مدى نقاوة الإنزيم في تحضير ما .
الخواص العامة للإنزيمات 1- القدرة على خفض طاقة التنشيط المعروف أن هناك حاجز من الطاقة Energy barrier يفصل بين جزيئات المواد المختلفة ويمنع تفاعلها مع بعضها البعض، وقد يكون الحاجز الطاقي منخفض ويحدث التفاعل ذاتياً Spontaneous أي بدون الحاجة إلى عامل مسرع أو محفز، ولكن معظم التفاعلات الكيموحيوية في الخلايا الحية تحتاج إلى محفزات مثل تحويل سكر الجلوكوز إلى ثاني أكسيد الكربون والماء، وطاقة التنشيط في هذه الحالة هي كمية الحرارة الخارجية التي يلزم إدخالها إلى النظام لحدوث بداية إحتراق السكر. يحدث الإحتراق داخل الخلايا الحية بفعل الإنزيمات ولذلك لا تحتاج الخلايا الحية إلى لهب لحرق سكر الجلوكوز وإستخلاص الطاقة منه ولكن الإنزيمات تؤدي إلى خفض طاقة التنشيط وحدوث التحولات في سلاسل متتابعة تنتهي بإنتاج الماء وثاني أكسيد الكربون، ويمكن تشبيه طاقة التنشيط بالطاقة المطلوبة لتحريك كتلة صخرية مستقرة في قمة الجبل حتى يسهل تدحرجها من قمة الجبل إلى قاعدته.
2- قدرة الإنزيمات على القوة التحفيزية
تمتاز الإنزيمات بقوتها التحفيزية العالية، فتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع الماء لتكوين حمض الكربونيك يعتبر من أهم وسائل نقل ثاني أكسيد الكربون من الخلايا الحيوانية أثناء التنفس، وذلك بواسطة كريات الدم الحمراء إلى الحويصلات الهوائية في الرئة، والتفاعل السابق بطيء ولكن وجود إنزيم Carbonic anhydrase في كريات الدم الحمراء يسرع التفاعل حوالي 107 مقارنة مع عدم وجوده.
Co2 + h2o H2CO3
من ناحية أخرى فإن تحلل الغذاء في المعدة والأمعاء بواسطة الإنزيمات مثل الببسين Pepsin والتربسين Trypsin يتم بسرعة عالية جداً مع المقارنة في عدم وجود هذه الإنزيمات.
3- التخصص العالي للإنزيمات: الإنزيمات عالية التخصص في اختيار المواد المتفاعلة، وهذا يعني أن كل إنزيم متخصص للتأثير على تفاعلات متشابهة فقط مثل الإنزيمات المحللة للبروتينات، ويعمل على مادة واحدة فقط يطلق عليها مادة التفاعل .Substrate ومثالا لذلك فإن التريبسين Trypsin متخصص تماماً في تكسير الروابط الببتيدية عند مجموعة الكاربوكسيل لكل من اللايسين و الآرجنين فقط، (اشكل ؟؟). كما أن إنزيم ثرومبين Thrombin الذي يساهم في تخثر الدم هو أكثر تخصصاً من التريبسين Trypsin حيث يعمل على تكسير الرابطة الببتيدية بين مجموعة الكاربوكسيل للآرجنين Arginine و مجموعة الأمين للجلايسين Glycine (اشكل ؟؟). تحتوي الإنزيمات على مراكز نشطة Active sites ترتبط بها مادة التفاعل Substrateونتيجة لهذا الإرتباط يُحدث الإنزيم تأثيره على المادة. معظم الإنزيمات تتكون بما لايقل عن 100 حامض أميني أي أن كتلته تزيد عن 100 كيلو دالتون و القطر أكثر من 25 أنكستروم. و قد اتضح أن المراكز النشطة عبارة عن جزيئات ثلاثية الأبعاد، تحتل حيزاً صغيراً من الحجم الكلي للإنزيم إذ لاترتبط معظم الأحماض الأمينية المكونة للإنزيم مع مادة التفاعل، وتتكون المراكز النشطة من أجزاء مختلفة نت التعاقب المستقيم للأحماض الأمينية و قد يكون هنالك أحماض أمينية متباعدة في التعاقب إلا أنها تتفاعل مع مادة التفاعل بقوة أكبر مقارنة بالأحماض الأمينية المتجاورة في التعاقب. ومثالا لذلك إنزيم الايسوزايم Lysozyme المكون من 129 حامض أميني نجد أن المجاميع المهمة والمساهمة في المراكز النشطة تتكون من الأحماض الأمينية ذات الأرقام 35 ، 52 ، 62 و 101. في جميع الإنزيمات المعروفة التركيب وجد أن المراكز النشطة عبارة عن شقوق Clefts أو فجوات Crevices ترتبط بها مادة التفاعل، وتعتمد خاصية الإرتباط على الترتيب الدقيق للذرات في المراكز النشطة، فيجب أن يكون شكل مادة التفاعل مطابقاً لشكل المركز النشط. و قد تم اقتراح عدة نماذج لكيفية ارتباط الإنزيم بمادة التفاعل، منها نموذج القفل و المفتاح Lock and key model الذي اقترحه العالم Emil Fischer (1890) (اشكل ؟؟). الا أن الدراسات الحديثة تشير إلى أن المراكز النشطة لبعض الإنزيمات لاتكون صلبة لذلك فإنها تتحور عند الإرتباط و يصبح شكلها مكملاً لشكل مادة التفاعل، وهذه العملية عبارة عن عملية تحسس ديناميكي Dynamic recognition، يطلق عليها التوافق المستحث Induced fit (اشكل ؟؟).
4- قابلية الإنزيمات للتنظيم: تُفرز بعض الإنزيمات في صور غير نشطة، ويتم تنشيطها عند الحاجة إليها وهذا يعني أنها تُفرز في أي وقت ويتم تنشيطها في الوقت المناسب والمكان المناسب وتحت الظروف المناسبة أيضاً، فالإنزيمات الهضمية Digestive enzymes تفرز في صورة غير نشطة Zymogen ولكن يتم تنشطها إذا توفر الغذاء، فعلى سبيل المثال يُفرز إنزيم الببسين في صورة غير نشطة Pepsinogen وإذا توفر الغذاء في المعدة وتم إفراز حمض الهيدروكلوريك HCl يتحول الإنزيم إلى الصورة النشطة Pepsin ، ومن ناحية أخرى فإنزيم التربسين يفرز على هيئة غير نشطة Trypsinogen ويتم تنشيطه في الأمعاء بفعل إنزيم آخر يدعى Enterokinase يفرز من خلايا الأمعاء الدقيقة فيتحول التربسينوجين إلى التربسين ليكمل هضم البروتينات. كما أن هناك نوع آخر من الميكانيكية التنظيمية على بعض التفاعلات المؤدية إلى تخليق جزيئات صغيرة مثل الأحماض الأمينية، مثل التخليق الحيوي للايسولوسين Isolocine في البكتيريا حيث يتم تحويل الثريونين إلى الايسولوسين في خمس خطوات (شكل ؟؟)، تتم الخطوة الأولى في وجود إنزيم Threonine deaminase وعندما يصل تركيز الايسولوسين إلى مستوى عالي يتم تثبيط إنزيم Threonine deaminase حيث يرتبط الايسولوسين بالموقع المنظم Regulatory site على الإنزيم. ويطلق على هذا التنظيم التثبيط بالتغذية المرتدة Feedback inhibition.
5- التنظيم الفسيولوجي للإنزيمات تخضع بعض الإنزيمات للتنظيم الفسيولوجي، فإنزيم Lactose synthetase الذي ينظم تكوين سكر اللبن في الغدد اللبنية يرتبط وجوده ونشاطه بالحالة الفسيولوجية للأنثى حيث أن هذا الإنزيم يكون غير موجود في حالة عدم الحمل ولكن أثناء الفترة الأخيرة من الحمل ينشط بفعل بعض الهرمونات ويزداد نشاطه بعد الوضع مباشرة ليتكون سكر اللبن Lactose المطلوب، كغذاء للرضيع وهو يتألف من الجلوكوز والجالكتوز (شكل ؟؟).
العوامل المؤثرة على نشاط الإنزيمات يلاحظ أن الإنزيمات بصفة عامة تتأثر بعدد كبير من العوامل المحيطة بها وكذلك بالحالة الفسيولوجية للخلية الحية وكذلك الحالة العامة للكائن. 1- تأثير درجة الحرارة و الأس الهيدروجيني على نشاط الإنزيمات The Effect of temperature and pH on enzymes activity:
وجد أن الإنزيمات تتأثر بدرجات الحرارة (شكل ؟؟) فتكون خاملة في درجات الحرارة المنخفضة ويزداد نشاطها مع إرتفاع درجة الحرارة إلى النهاية العظمى Maximal activity وهذه يحددها النطاق الذي يعيش فيه الكائن الحي فلكل كائن حي مدى عالي من الحرارة ومدى منخفض، وزيادة درجة الحرارة عن درجة الحرارة المثلى للكائن الحي يؤدي إلى تلف الإنزيمات بفعل الحرارة، وقد يؤدي إلى موت الكائن نتيجة لعدم قدرة الإنزيمات على القيام بدورها الطبيعي. الأس الهيدروجيني (pH) أيضاً يؤثر على نشاط الإنزيم حيث أن لكل إنزيم في الخلية الحية درجة مثلى من الأس الهيدروجيني ليؤدي دوره الطبيعي ولكن زيادة الأس الهيدروجيني بإتجاه القاعدية أو الحامضية (شكل ؟؟) يوثر على نشاط الإنزيم وبالتالي على العملية الحيوية التي يشترك في تحفيزها.
(شكل ؟؟) يوضح (a) تأثير درجة الحرارة (b) الأس الهيدروجيني على نشاط الأنزيم.
2- تأثير مادة التفاعل على نشاط الإنزيمات The Effect of substrate on enzymes activity:
يتأثر نشاط الإنزيمات طردياً بزيادة تركيز مادة التفاعل، ولقياس تأثير تركيز مادة التفاعل يجب تثبيت تركيز الإنزيم ثم نزيد تدريجياً تركيز مادة التفاعل، حيث يلاحظ أن السرعة البدائية للتفاعل تزداد كلما زاد تركيز مادة التفاعل، وعندما يصل تركيز مادة التفاعل إلى تراكيز مشبعة Saturating concentrations نلاحظ عدم حدوث أي زيادة في سرعة التفاعل (شكل ؟؟).
3- تأثير المثبطات المتخصصة على نشاط الإنزيمات The Effect of specific inhibitors on enzymes activity: يمكن إيقاف عمل الإنزيمات بواسطة المثبطات Inhibitorsوهي مركبات كيميائية سامة في الغالب تعيق الإنزيمات وتمنعها من قيامها بدورها التحفيزي مثل السيانيد وأول أكسيد الكربون والجليكوسيدات القلبية. وقد أصبح من الممكن التعرف على كثير من الإنزيمات باستخدام مثبطات متخصصة لها، فنجد أن الوابين Ouabin مثبط خاص بإنزيم Na+,K+ -ATPase ، أما البافلومايسين Bafilmicin A1 فإنه خاص بتثبيط إنزيم V-Type ATPase. وهناك نوعين من التثبيط: أ) التثبيط التنافسي Competitive inhibition: يحصل هذا التثبيط نتيجة لتنافس كل من مادة التفاعل و المثبط على الإرتباط بالمواقع الفعالة للإنزيم, حيث يكون هناك تشابه بين تركيب المثبط التنافسي و تركيب مادة التفاعل (شكل ؟؟). يؤدي ذلك إلى منع مادة التفاعل من الإرتباط بالموقع الفعال للإنزيم، لينتج عنه انخفاض سرعة التفاعل وذلك بالإقلال من نسبة ارتباط جزيئات الإنزيم بمادة التفاعل. إلا أنه يمكن التغلب على التثبيط التنافسي بزيادة تركيز مادة التفاعل في وسط التفاعل. ب) التثبيط الغير تنافسي Non competitive inhibition: يحدث هذا النوع من التثبيط بارتباط المثبط و مادة التفاعل في نفس الوقت على الإنزيم، ويعمل المثبط اللاتنافسي تقليل رقم الإنقلاب للإنزيم بدلاً من تقليل نسبة ارتباط جزيئات الإنزيم بمادة التفاعل. ولا يمكن التغلب على هذا النوع من التثبيط بزيادة تركيز مادة التفاعل في وسط التفاعل. حيث يرتبط المثبط بصورة غير عكسية على سطح الإنزيم ولايمكن معه زحزحة المثبط بزيادة تركيز مادة التفاعل. ويوجد أيضاً منشطات Activators ومعدلات Modulators أو مؤثرات Effectors للإنزيمات ولكل مركب كيميائي تأثير محدد على إنزيم محدد في مكان محدد، ولذلك فالإنزيمات حساسة جداً للوسط المحيط بها، وتتأثر بأي تغير مرضي وإن كان بسيط. العوامل المرافقة للإنزيمات:
تصنيف الإنزيمات Classification of enzymes:
يمكن تقسيم الإنزيمات في مجموعات تتحد بالعامل الشائع لنوع المادة المتفاعلة التي ترتبط بها. فهناك على سبيل المثال عدة إنزيمات بروتينيز ( proteinases) (كالببسين مثلا) وعدة إنزيمات استريز ( esterases ) وعدة إنزيمات كربوهيدريز ( carbohydrases ) (كالسكريز sucrase والمالتيز maltase مثلا). وبشكل مشابه إلى حد ما فان جميع إنزيمات الدي هيدروجينيز (dehydrogenases)تزيل الالكترونات والبروتونات (ويبدو أن ذلك كثيرا ما يكون على شكل ذرات هيدروجين) من مادة قابلة للتأكسد وتنقلها إلى NAD أو حامل آخر معين، أما إنزيمات الفوسفاتيز (phosphatases) فانها تزيل مجموعات الفوسفات من استرات الفوسفات، في حين نجد أن إنزيمات اخرى مثل الإنزيمات الناقلة لمجموعة الامين ( Aminotransferases ) وتلك الناقلة لمجموعة الاسيل (acyl transferases) تشكل مجموعات تسمى وفقا لطبيعة المركبات التي تنقلها. وكلما كثر عدد الإنزيمات المفصولة وازداد فهمنا لآلية عمل الإنزيمات اصبح من الواضح أن العديد من الاسماء المعطاة للانزيمات التي تم اكتشافها منذ زمن مبكر كانت غير وافية بالغرض من عدة وجوه. وبالرغم من هذا فان الاسماء الراسخة بشكل جيد لا تزول بسهولة وبخاصة عندما تكون هذه الاسماء قصيرة نسبيا. فانزيمات الاميليز ( amylase ) والدي كربوكسيليز ( decarboxylase ) والهكسوكاينيز (hexokinase) وحتى إنزيم سوكسينيت دي هيدروجينيز (succinate dehydrogenase) إنزيمات يمكن تذكرها ببساطة معقولة. وعلى اية حال، فان الاسماء القصيرة مضللة احيانا، وخاصة عندما تشارك، بالاضافة إلى الإنزيم والمادة المتفاعلة، مادة ثالثة بشكل اجباري وبنشاط في التفاعل. ولهذا السبب فان لجنة الإنزيمات التابعة للاتحاد الدولي للكيمياء الحيوية ( Enzyme Commission of the International Union of Biochemistry ) ابتكرت عام 1964 مخططا للتصنيف نتج عنه تنظيم هام بالمقارنة مع الوضع العشوائي الذي كان قائما آنئذ. وقد حددت لجنة الإنزيمات رقما يتألف من أربعة اجزاء واسم تصنيفي لكل إنزيم. وباديء ذي بدء، تنتمي جميع الإنزيمات إلى واحدة أو اخرى من ست مجموعات رئيسية، لذا يبدأ الرقم ذو الاجزاء الاربع باحد الارقام 1-6 ويوضح (الجدول ؟؟) الخصائص الرئيسية للانزيمات في هذه المجموعات الست.
جدول (؟؟) تصنيف الإنزيمات:
|
