الجزيئات الحيوية: التصنيف والوظائف الرئيسية - مادة الاحياء - 2025

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

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

تحتوي الجزيئات الحيوية أيضًا على ذرات أخرى مشتركة إلى جانب الكربون. وتشمل هذه الذرات الهيدروجين والأكسجين والنيتروجين والفوسفور والكبريت بشكل أساسي. تسمى 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 بشكل عام أيونات معدنية مثل البوتاسيوم والصوديوم والحديد والمغنيسيوم وغيرها. وبالتالي ، يمكن أن تكون الجزيئات الحيوية من نوعين: عضوية أو غير عضوية.

وهكذا ، تتكون الكائنات الحية من أنواع عديدة من الجزيئات الكربونية ، على سبيل المثال: السكريات ، والدهون ، والبروتينات ، والأحماض النووية. ومع ذلك ، هناك مركبات أخرى قائمة على الكربون وليست جزءًا من الجزيئات الحيوية.

يمكن العثور على هذه الجزيئات المحتوية على الكربون والتي لا توجد في النظم البيولوجية في قشرة الأرض والبحيرات والبحار والمحيطات وفي الغلاف الجوي. يتم وصف حركة هذه العناصر في الطبيعة فيما يعرف بالدورات البيوجيوكيميائية.

يُعتقد أن هذه الجزيئات العضوية البسيطة الموجودة في الطبيعة هي التي أدت إلى ظهور أكثر الجزيئات الحيوية تعقيدًا والتي تشكل جزءًا من البنية الأساسية للحياة: الخلية. هذا ما يعرف بنظرية التوليف اللاأحيائي.

تصنيف ووظائف الجزيئات الحيوية

تتنوع الجزيئات الحيوية من حيث الحجم والهيكل ، مما يمنحها خصائص فريدة لأداء الوظائف المختلفة اللازمة للحياة. وبالتالي ، تعمل الجزيئات الحيوية كتخزين 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 تركيبتها الجزيئية. يمكن أيضًا العثور على الجزيئات غير العضوية في أنظمة أخرى (غير حية) في الطبيعة.

أنواع الجزيئات الحيوية غير العضوية هي كما يلي:

ماء

إنه المكون الرئيسي والأساسي للكائنات الحية ، إنه 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 الهامة ، مثل التنظيم الحراري ونقل المواد.

املاح معدنية

إنها جزيئات بسيطة تتكون من ذرات مشحونة بشكل معاكس تنفصل تمامًا في الماء. على سبيل المثال: كلوريد الصوديوم ، مكون من ذرة كلور (سالبة الشحنة) وذرة صوديوم (موجبة الشحنة).

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

غازات

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

ومن أمثلة هذه الغازات: الأكسجين الجزيئي ، المكون من ذرتين من الأكسجين مرتبطة ببعضهما البعض ؛ وثاني أكسيد الكربون ، ويتكون من ذرة كربون مرتبطة بذرتين من الأكسجين. تشارك كلتا الجزيئات الحيوية في تبادل الغازات التي تجريها 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 موزعة في الطبيعة كجزء من الأنظمة غير الحية ، وهي تشكل ما يعرف بالكتلة الحيوية.

أنواع الجزيئات الحيوية العضوية هي كما يلي:

الكربوهيدرات

ربما تكون الكربوهيدرات هي أكثر المواد العضوية وفرة وانتشارًا 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 أساسي من ذرات الكربون والهيدروجين والأكسجين. تُعرف أيضًا باسم الكربوهيدرات أو السكريات ، وهي تعمل كمصادر للطاقة وكمكونات هيكلية للكائنات الحية.

- السكريات الأحادية

السكريات الأحادية هي أبسط الكربوهيدرات وغالبًا ما تسمى السكريات البسيطة. إنها اللبنات الأساسية التي تتكون منها جميع الكربوهيدرات الأكبر.

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

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

إذا كان n = 5 ، يكون الجزيء عبارة عن بنتوز. على سبيل المثال: ريبوز و ديوكسيريبوز.

إذا كان n = 6 ، فإن الجزيء عبارة عن سداسي. على سبيل المثال: الفركتوز والجلوكوز والجلاكتوز.

يمكن أن توجد السداسيات والسداسيات في شكلين: دوري وغير دوري. في الشكل غير الدوري ، تُظهر هياكلها الجزيئية مجموعتين وظيفيتين: مجموعة ألدهيد أو مجموعة كيتون.

تسمى السكريات الأحادية التي تحتوي على مجموعة الألدهيد الألدوز ، وتلك التي تحتوي على مجموعة الكيتون تسمى الكيتوز. تعمل الجرعات على تقليل السكريات ، في حين أن الكيتوز ليس سكريات مختصرة.

ومع ذلك ، في الماء توجد البنتوز والسداسي بشكل أساسي في شكل دوري ، وفي هذا الشكل تتحد لتشكل جزيئات السكاريد الأكبر.

- السكريات

معظم السكريات الموجودة في الطبيعة عبارة عن ثنائي السكريات. تتشكل هذه عن طريق تكوين رابطة جليكوسيدية بين اثنين من السكريات الأحادية ، من خلال تفاعل التكثيف الذي يحرر الماء. تتطلب عملية تكوين الرابطة هذه طاقة لتثبيت وحدتي السكاريد الأحاديين معًا.

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.

السكريات الثنائية قابلة للذوبان في الماء ، ولكنها جزيئات حيوية أكبر من أن تعبر غشاء الخلية عن طريق الانتشار. لهذا السبب ، يتم تكسيرها في الأمعاء الدقيقة أثناء الهضم بحيث تنتقل مكوناتها الأساسية (أي السكريات الأحادية) إلى الدم والخلايا الأخرى.

تستخدم الخلايا السكريات الأحادية بسرعة كبيرة. ومع ذلك ، إذا كانت الخلية لا تحتاج إلى طاقة ، فيمكنها تخزينها على الفور في شكل بوليمرات أكثر تعقيدًا. وبالتالي ، يتم تحويل السكريات الأحادية إلى سكريات ثنائية من خلال تفاعلات التكثيف التي تحدث في الخلية.

- قليل السكريات

السكريات القليلة هي جزيئات وسيطة تتكون من ثلاث إلى تسع وحدات سكر بسيطة (السكريات الأحادية). تتشكل عن طريق التكسير الجزئي للكربوهيدرات المعقدة (السكريات).

توجد معظم السكريات قليلة السكاريد الموجودة بشكل طبيعي في النباتات ، وباستثناء المالتوتريوز ، فهي غير قابلة للهضم من قبل البشر لأن جسم الإنسان يفتقر إلى الإنزيمات الضرورية في الأمعاء الدقيقة لتفكيكها.

في الأمعاء الغليظة ، يمكن للبكتيريا المفيدة تكسير السكريات قليلة السكاريد من خلال التخمير ؛ وبالتالي يتم تحويلها إلى عناصر مغذية قابلة للامتصاص توفر بعض الطاقة. يمكن أن يكون لبعض منتجات تكسير السكريات القلة تأثير مفيد على بطانة الأمعاء الغليظة.

تشمل أمثلة السكريات قليلة السكريات رافينوز ، وثلاثي السكاريد من البقوليات ، وبعض الحبوب المكونة من الجلوكوز والفركتوز والجلاكتوز. المالتوتريوز ، وهو الجلوكوز ثلاثي السكاريد ، يحدث في بعض النباتات وفي دم بعض المفصليات.

- السكريات

يمكن أن تخضع السكريات الأحادية لسلسلة من تفاعلات التكثيف ، مضيفة وحدة تلو الأخرى إلى السلسلة حتى يتم تكوين جزيئات كبيرة جدًا. هذه هي السكريات.

تعتمد خصائص السكريات المتعددة على عدة عوامل في تركيبتها الجزيئية: الطول ، والفروع الجانبية ، والطيات ، وما إذا كانت السلسلة "مستقيمة" أو "ملفوفة". هناك العديد من الأمثلة على السكريات في الطبيعة.

غالبًا ما يتم إنتاج النشا في النباتات كوسيلة لتخزين الطاقة ، ويتكون من بوليمرات ألفا جلوكوز. إذا كان البوليمر متفرعا يسمى أميلوبكتين ، وإذا لم يكن متفرعا يسمى أميلوز.

الجليكوجين هو عديد السكاريد الاحتياطي للطاقة في الحيوانات ويتكون من الأميلوبكتين. وبالتالي ، يتم تكسير نشا النباتات في الجسم لإنتاج الجلوكوز الذي يدخل الخلية ويستخدم في عملية التمثيل الغذائي. الجلوكوز غير المستخدم يتبلمر ويشكل الجليكوجين ، مخزن الطاقة.

الدهون

الدهون هي نوع آخر من الجزيئات الحيوية العضوية التي تتميز بشكل رئيسي بأنها كارهة للماء (وهي تصد الماء) ، وبالتالي فهي غير قابلة للذوبان في الماء. اعتمادًا على هيكلها ، يمكن تصنيف الدهون إلى 4 مجموعات رئيسية:

- الدهون الثلاثية

تتكون الدهون الثلاثية من جزيء الجلسرين المرتبط بثلاث سلاسل من الأحماض الدهنية. الحمض الدهني هو جزيء خطي يحتوي على حمض الكربوكسيل في أحد طرفيه ، متبوعًا بسلسلة هيدروكربونية ومجموعة ميثيل في الطرف الآخر.

اعتمادًا على هيكلها ، يمكن أن تكون الأحماض الدهنية مشبعة أو غير مشبعة. إذا كانت سلسلة الهيدروكربون تحتوي على روابط مفردة فقط ، فهي عبارة عن حمض دهني مشبع. على العكس من ذلك ، إذا كانت سلسلة الهيدروكربون هذه تحتوي على رابطة مزدوجة واحدة أو أكثر ، فإن الأحماض الدهنية غير مشبعة.

ضمن هذه الفئة الزيوت والدهون. الأول هو احتياطي الطاقة للنباتات ، وله مواد غير مشبعة وهي سائلة في درجة حرارة الغرفة. في المقابل ، الدهون هي مخازن الطاقة للحيوانات ، فهي جزيئات مشبعة وصلبة في درجة حرارة الغرفة.

الفسفوليبيدات

تشبه الفسفوليبيدات الدهون الثلاثية من حيث أنها تحتوي على جزيء جلسرين مرتبط بحموضين دهنيين. الفرق هو أن الفسفوليبيدات تحتوي على مجموعة فوسفات على الكربون الثالث من الجلسرين ، بدلاً من جزيء حمض دهني آخر.

هذه الدهون مهمة للغاية بسبب الطريقة التي يمكن أن تتفاعل بها مع الماء. من خلال وجود مجموعة الفوسفات في أحد طرفيه ، يصبح الجزيء محبًا للماء (يجذب الماء) في تلك المنطقة. ومع ذلك ، فإنه لا يزال كارهًا للماء في باقي الجزيء.

بسبب بنيتها ، تميل الدهون الفسفورية إلى تنظيم نفسها بطريقة تجعل مجموعات الفوسفات متاحة للتفاعل مع الوسط المائي ، في حين أن السلاسل الكارهة للماء التي تنظمها في الداخل بعيدة عن الماء. وبالتالي ، فإن الدهون الفوسفورية جزء من جميع الأغشية البيولوجية.

- منشطات

تتكون المنشطات من أربع حلقات كربون مدمجة ، ترتبط بها مجموعات وظيفية مختلفة. يعتبر الكوليسترول من أهمها لأنه ضروري للكائنات الحية. وهي مقدمة لبعض الهرمونات المهمة مثل هرمون الاستروجين والتستوستيرون والكورتيزون وغيرها.

- شموع

الشموع عبارة عن مجموعة صغيرة من الدهون لها وظيفة وقائية. توجد في أوراق الأشجار وفي ريش الطيور وفي آذان بعض الثدييات وفي الأماكن التي يجب عزلها أو حمايتها من البيئة الخارجية.

احماض نووية

الأحماض النووية هي الجزيئات الرئيسية التي تنقل المعلومات الوراثية في الكائنات الحية. وتتمثل مهمتها الرئيسية في توجيه عملية تخليق البروتين ، والتي تحدد الخصائص الموروثة لكل كائن حي. وهي تتكون من ذرات الكربون والهيدروجين والأكسجين والنيتروجين والفوسفور.

الأحماض النووية عبارة عن بوليمرات مكونة من مكررات مونومرات تسمى نيوكليوتيدات. يتكون كل نوكليوتيد من قاعدة عطرية تحتوي على النيتروجين مرتبطة بسكر البنتوز (خمسة ذرات كربون) ، والذي يرتبط بدوره بمجموعة الفوسفات.

الفئتان الرئيسيتان للأحماض النووية هما الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (DNA) وحمض الريبونوكلييك (RNA). الحمض النووي هو الجزيء الذي يحتوي على جميع المعلومات الخاصة بالنوع ، وهذا هو سبب وجوده في جميع الكائنات الحية وفي معظم الفيروسات.

الحمض النووي الريبي هو المادة الوراثية لبعض الفيروسات ، ولكنه موجود أيضًا في جميع الخلايا الحية. هناك يؤدي وظائف مهمة في عمليات معينة ، مثل تصنيع البروتينات.

يحتوي كل حمض نووي على أربعة من خمسة قواعد محتملة تحتوي على النيتروجين: الأدينين (A) ، والجوانين (G) ، والسيتوزين (C) ، والثيمين (T) ، واليوراسيل (U). يحتوي الحمض النووي على قواعد الأدينين ، والجوانين ، والسيتوزين ، والثايمين ، بينما يحتوي الحمض النووي الريبي على نفس القواعد باستثناء الثايمين ، والذي يتم استبداله باليوراسيل في الحمض النووي الريبي.

- حمض الديوكسي ريبونوكلييك (DNA)

يتكون جزيء الحمض النووي من سلسلتين من النيوكليوتيدات مرتبطة ببعضها البعض عن طريق روابط تسمى روابط الفوسفوديستر. كل سلسلة لها هيكل على شكل حلزون. يتشابك اللولبان لإعطاء حلزون مزدوج. القواعد موجودة في الداخل من اللولب ومجموعات الفوسفات في الخارج.

يتكون الحمض النووي من العمود الفقري لسكر الديوكسيريبوز المرتبط بالفوسفات والقواعد النيتروجينية الأربعة: الأدينين ، والجوانين ، والسيتوزين ، والثايمين. تتشكل أزواج القاعدة في DNA مزدوج الشريطة: يرتبط الأدينين دائمًا بالثيمين (AT) والجوانين بالسيتوزين (GC).

يتم تثبيت الحلزونات معًا عن طريق إقران قواعد النيوكليوتيدات عن طريق الرابطة الهيدروجينية. يوصف الهيكل أحيانًا على أنه سلم حيث تكون سلاسل السكر والفوسفات هي الجوانب وتكون روابط القاعدة هي الدرجات.

هذا الهيكل ، إلى جانب الاستقرار الكيميائي للجزيء ، يجعل الحمض النووي المادة المثالية لنقل المعلومات الجينية. عندما تنقسم الخلية ، يتم نسخ الحمض النووي الخاص بها وتمريره من جيل واحد من الخلايا إلى الجيل التالي.

- حمض الريبونوكليك (RNA)

الحمض النووي الريبي هو بوليمر حمض نووي يتكون هيكله من سلسلة نوكليوتيد واحدة: الأدينين ، والسيتوزين ، والجوانين ، واليوراسيل. كما هو الحال في الحمض النووي ، يرتبط السيتوزين دائمًا بالجوانين (CG) ولكن الأدينين يرتبط باليوراسيل (AU).

وهو الوسيط الأول في نقل المعلومات الجينية في الخلايا. الحمض النووي الريبي ضروري لتخليق البروتين ، لأن المعلومات الواردة في الشفرة الوراثية تنتقل عمومًا من الحمض النووي إلى الحمض النووي الريبي ، ومن هذا إلى البروتينات.

كما أن لبعض الرناوات وظائف مباشرة في استقلاب الخلية. يتم الحصول على الحمض النووي الريبي عن طريق نسخ التسلسل الأساسي لجزء من الحمض النووي يسمى الجين ، على جزء من الحمض النووي أحادي الجديلة. يتم تحفيز هذه العملية ، التي تسمى النسخ ، بواسطة إنزيم يسمى RNA polymerase.

هناك عدة أنواع مختلفة من الحمض النووي الريبي (RNA) ، وأهمها 3. النوع الأول هو messenger RNA ، وهو النوع الذي يتم نسخه مباشرة من DNA من خلال النسخ. النوع الثاني هو نقل الحمض النووي الريبي ، وهو النوع الذي ينقل الأحماض الأمينية الصحيحة لتخليق البروتين.

أخيرًا ، الفئة الأخرى من الحمض النووي الريبي هي RNA الريبوزومي ، والتي تشكل ، مع بعض البروتينات ، الريبوسومات ، وهي عضيات خلوية مسؤولة عن تخليق جميع البروتينات في الخلية.

بروتين

البروتينات هي جزيئات كبيرة ومعقدة تؤدي العديد من الوظائف الهامة وتقوم بمعظم العمل في الخلايا. إنها ضرورية لبنية الكائنات الحية ووظيفتها وتنظيمها. تتكون من ذرات الكربون والهيدروجين والأكسجين والنيتروجين.

تتكون البروتينات من وحدات أصغر تسمى الأحماض الأمينية ، ترتبط ببعضها البعض عن طريق روابط الببتيد وتشكل سلاسل طويلة. الأحماض الأمينية عبارة عن جزيئات عضوية صغيرة لها خصائص فيزيائية كيميائية خاصة جدًا ، وهناك 20 نوعًا مختلفًا.

يحدد تسلسل الأحماض الأمينية البنية الفريدة ثلاثية الأبعاد لكل بروتين ووظيفته المحددة. في الواقع ، تتنوع وظائف البروتينات الفردية مثل تسلسل الأحماض الأمينية الفريدة الخاصة بها ، والتي تحدد التفاعلات التي تولد هياكل معقدة ثلاثية الأبعاد.

وظائف مختلفة

يمكن أن تكون البروتينات مكونات هيكلية وحركة للخلية ، مثل الأكتين. يعمل البعض الآخر عن طريق تسريع التفاعلات الكيميائية الحيوية داخل الخلية ، مثل بوليميريز الحمض النووي ، وهو الإنزيم الذي يصنع الحمض النووي.

هناك بروتينات أخرى وظيفتها نقل رسالة مهمة للجسم. على سبيل المثال ، تنقل بعض أنواع الهرمونات مثل هرمونات النمو إشارات لتنسيق العمليات البيولوجية بين الخلايا والأنسجة والأعضاء المختلفة.

ترتبط بعض البروتينات ببعضها البعض وتحمل الذرات (أو الجزيئات الصغيرة) داخل الخلايا ؛ هذا هو الحال بالنسبة للفيريتين ، وهو المسؤول عن تخزين الحديد في بعض الكائنات الحية. مجموعة أخرى من البروتينات الهامة هي الأجسام المضادة ، والتي تنتمي إلى جهاز المناعة وهي المسؤولة عن الكشف عن السموم ومسببات الأمراض.

وبالتالي ، فإن البروتينات هي المنتجات النهائية لعملية فك تشفير المعلومات الجينية التي تبدأ بالحمض النووي الخلوي. هذا التنوع المذهل للوظائف مشتق من كود بسيط بشكل مدهش قادر على تحديد مجموعة متنوعة للغاية من الهياكل.

المراجع

1. ألبرتس ، ب ، جونسون ، أ ، لويس ، ج. ، مورغان ، د. ، راف ، إم ، روبرتس ، ك.والتر ، ب. (2014). البيولوجيا الجزيئية للخلية (الطبعة السادسة). علوم جارلاند.
2. بيرج ، جيه ، تيموكزكو ، جيه ، جاتو ، ج.ستراير ، إل (2015). الكيمياء الحيوية (الطبعة الثامنة). دبليو فريمان وشركاه.
3. كامبل ، إن وريس ، ج. (2005). علم الأحياء (الطبعة الثانية) تعليم بيرسون.
4. لوديش ، هـ ، بيرك ، أ ، كايزر ، سي ، كريجر ، إم ، بريتشر ، إيه ، بلويج ، إتش ، آمون ، إيه ومارتن ، ك. (2016). بيولوجيا الخلية الجزيئية (الطبعة الثامنة). دبليو فريمان وشركاه.
5. سولومون ، إي ، بيرج ، إل ومارتن ، د. (2004). علم الأحياء (الطبعة السابعة) Cengage Learning.
6. Voet ، D. ، Voet ، J. & Pratt ، C. (2016). أساسيات الكيمياء الحيوية: الحياة على المستوى الجزيئي (الطبعة الخامسة). وايلي.