الشموع (البيولوجية): التركيب ، الخصائص ، الوظيفة ، الأنواع - مادة الاحياء - 2025

A الشمع هو مادة مسعور تتكون من الأحماض الدهنية سلسلة طويلة والكحول (استرات الأحماض الدهنية سلسلة طويلة والكحول). لها وظائف متعددة في الطبيعة ، حيث يتم إنتاجها بشكل طبيعي بواسطة العديد من الأنواع النباتية والحيوانية.

كلمة "الشمع" (من الشمع الإنجليزي) مشتقة من الكلمة اللاتينية "الشمع" ، والتي تشير إلى المادة التي ينتجها النحل ويستخدمها لبناء أمشاطه. يستخدم المصطلح في اللغة الإنجليزية بنفس الدلالة ، حيث أنه مشتق من الكلمة الأنجلو ساكسونية "weax" المستخدمة أيضًا لوصف شمع العسل (في اللغة الإنجليزية شمع العسل).

قرص العسل (الصورة بواسطة Pexels على www.pixabay.com)

مع الأخذ في الاعتبار ما ورد أعلاه ، من المفهوم أن تعريف "الشمع" يشمل مجموعة من المواد التي تشترك في بعض الخصائص ولكن ليس بالضرورة أن يكون لها نفس الخصائص الكيميائية و / أو الفيزيائية.

ومع ذلك ، وبغض النظر عن هويتها الكيميائية ، فإن الشموع عبارة عن مواد شديدة الكراهية للماء وتخدم أغراضًا مختلفة اعتمادًا على الكائن الحي الذي ينتجها. يستخدمها عدد كبير من الكائنات الحية كمواد رئيسية لاحتياطي الطاقة ، بينما يستخدمها آخرون كمواد واقية على سطحهم.

على الرغم من أنها شائعة في النباتات والحيوانات ، إلا أن شموع النباتات هي تلك التي تم وصفها بأكبر قدر من الكثافة (وبعض الحيوانات المعينة) ، نظرًا لأنها ذات أهمية بيولوجية لهذه الكائنات وكذلك صناعية من وجهة نظر الأنثروبولوجيا.

هيكل الشموع

تم تعريف الشمع بشكل كلاسيكي على أنه استرات كحولية للأحماض الدهنية طويلة السلسلة ، والتي تتميز بأطوال 24-30 ذرة كربون ، والتي ترتبط بالكحول الأولي المكون من 16 إلى 36 ذرة كربون (وبالمثل ، يمكن أن ترتبط بالكحول من مجموعة الستيرويد).

تتشكل من خلال التفاعلات التي تنطوي على "اتحاد" الكحول والأحماض الدهنية ، بشكل أو بآخر على النحو التالي:

CH3 (CH2) nCH2OH (كحول) + CH3 (CH2) nCOOH (حمض دهني) → CH3 (CH2) nCH2COOHCH2 (CH2) CH3 (إستر شمع) + H2O (ماء)

يمكن أن تكون طبيعة المكونات الأليفاتية للشمع متغيرة بشكل كبير ، ويمكن العثور عليها في هذه الأحماض الدهنية ، والكحوليات الأولية والثانوية ، والهيدروكربونات ، وإسترات الستيرول ، والألدهيدات الأليفاتية ، والكيتونات ، والديكيتونات ، والجليسرول الثلاثي ، والتريتربين ، والستيرول ، وغيرها.

بنفس الطريقة ، يعتمد كل من طول السلسلة ودرجة التشبع والتفرع للأحماض الدهنية والمكونات الأليفاتية الأخرى للشمع على أصلها.

مع العلم بذلك ، فقد تبين أن تلك الشمع التي تنتجها النباتات مختلفة عن تلك التي تنتجها الحيوانات البحرية والحيوانات البرية على سبيل المثال.

خصائص الشمع

للشموع خصائص فيزيائية كيميائية مختلفة يمكن تلخيصها في قائمة صغيرة:

- يمكن أن يختلف قوامه من ناعم ويمكن التحكم فيه إلى صلب (بلاستيك) أو "قابل للكسر" عند 20 درجة مئوية

- وهي ذات لزوجة منخفضة بشكل عام

- غير قابلة للذوبان بشكل كبير في الماء ، لكنها موجودة في مذيبات عضوية ، على الرغم من أن هذه العملية تعتمد كثيرًا على درجة الحرارة

وظيفة

تؤدي الشموع وظائف متعددة في كل من المملكة الحيوانية ومملكة الخضروات ، حيث إنها مواد شائعة للغاية في الطبيعة.

في الحيوانات

تمثل الشمع مركب تخزين الطاقة الرئيسي للكائنات الدقيقة العائمة التي تشكل العوالق.

وبالتالي ، فإن الشمع هو في نفس الوقت أحد مصادر التمثيل الغذائي الرئيسية في قاعدة السلسلة الغذائية للحيوانات البحرية.

تمتلك الحيوانات غددًا جلدية خاصة تفرز الشمع من أجل حماية جلدها وشعرها ، مما يجعلها أكثر مرونة وتزييتًا وطاردًا للماء.

تمتلك الطيور غدة تسمى "الغدة البولية" ، والتي تفرز الشمع باستمرار ، وهذا هو السبب في أنها مسؤولة عن الحفاظ على الريش "مقاوم للماء".

في النباتات

الوظيفة الأساسية للشمع في الكائنات الحية النباتية هي حماية الأنسجة.

وخير مثال على ذلك هو الطلاء الشمعي على شفرات أوراق العديد من النباتات ، مما يقلل من الجفاف الناتج عن أشعة الشمس.

مثال آخر يمكن ذكره هو الطلاء الشمعي الذي تحتويه العديد من البذور في غلافها ، مما يساعدها على تجنب فقد الماء أثناء التخزين.

عادة ما يتم دمج هذه الشمع بين بوليمرات الكوتين والسوبرين ، مما يشكل طبقة غير متبلورة على السطح الخارجي للنبات. تحتوي العديد من النباتات على طبقة حلقية من البلورات الشمعية التي تتداخل مع البشرة وتمنحها مظهرًا رماديًا أو لامعًا.

لا يمنع الشمع فقدان الماء فحسب ، بل يمكنه أيضًا أن يساعد النبات على منع بعض مسببات الأمراض الفطرية أو البكتيرية ، ويلعب دورًا أساسيًا في التفاعلات بين النبات والحشرات ، بالإضافة إلى منع الضرر الناجم عن الأشعة فوق البنفسجية.

في الصناعة

الشموع ذات الأصل البيولوجي مفيدة جدًا أيضًا من الناحية الصناعية ، حيث يتم استخدامها في إنتاج الأدوية ومستحضرات التجميل وما إلى ذلك.

تتكون المستحضرات المستخدمة عادةً لترطيب البشرة ، بالإضافة إلى مواد التلميع وبعض المراهم ، من خليط دهني مع شمع العسل وشمع النخيل البرازيلي وشمع لامبسوول وشمع حوت العنبر وما إلى ذلك.

تستخدم الشمع أيضًا على نطاق واسع في الطلاءات الصناعية التي تسمح بطرد الماء ، وكذلك في تصنيع المواد المستخدمة في تلميع السيارات.

يتم استخدامها في تلدين الذوبان الساخن ، وفي تزييت معدات العمل في صناعة المعادن والسماح بالإفراج المتأخر عن المركبات المستخدمة في الزراعة والصيدلة.

أنواع الشموع

يمكن أن تكون الشموع طبيعية أو صناعية. يمكن أن يكون للشمع "الطبيعي" أيضًا أصل عضوي أو معدني ، وهذا الأخير هو نتاج معالجة الليغنيت (الفحم) ، لذلك فهي بشكل عام غير قابلة للتجديد (مثل الفازلين أو الفازلين).

تعتبر الشمع من أصل حيواني و / أو نباتي شموعًا طبيعية متجددة وقابلة للتعديل ، حيث يمكن تعديلها بالطرق الكيميائية مثل الهدرجة وإعادة الأسترة ، على سبيل المثال.

وبالتالي ، في السياق البيولوجي ، يتم تصنيف الشمع وفقًا للمصدر الذي يتم الحصول عليه منه.

- شمع نباتي

تنتج النباتات أنواعًا مختلفة من الشمع في أجزاء مختلفة من أجسامها: في الأوراق أو في الأزهار أو في الثمار أو في البذور.

كيف يشبه مسار التخليق الحيوي؟

يتم تصنيع المكونات الأليفاتية للشمع النباتي في خلايا البشرة من الأحماض الدهنية ذات السلاسل الطويلة جدًا (20 إلى 34 ذرة كربون).

يبدأ التوليف بإنتاج الأحماض الدهنية من 16 و 18 كربون ، والتي نشأت في البداية في سدى البلاستيدات بفضل نشاط الإنزيمات القابلة للذوبان التي تشكل مجمع سينثيز الأحماض الدهنية.

بعد ذلك ، يتم استطالة هذه الأحماض الدهنية بفضل المركبات متعددة الإنزيمات المرتبطة بالغشاء المعروف باسم استطالة الأحماض الدهنية. يوجد في كل امتداد لذرتي كربون أربعة تفاعلات:

- التكثيف بين أسيل دهني أسترة إلى جزيء أسيتيل Co-A (ركيزة) وجزيء malonyl-CoA

- تخفيض B-keto

- الجفاف

- تقليل Enoil

تم وصف طريقين رئيسيين لإنتاج مكونات الشمع النباتي ، أحدهما هو طريق اختزال الأسيل والآخر هو طريق نزع الكربونات. ينتج عن الأول تخليق الكحوليات وإسترات الشمع ، بينما ينتج الأخير الألدهيدات والألكانات والكحولات الثانوية والكيتونات.

مسار الحد من الأسيل

يتم تقليل استرات acyl-CoA الناتجة عن استطالة السلسلة في تفاعل من خطوتين يتضمن وسيطًا من نوع الألدهيد العابر والذي يتم تحفيزه بواسطة إنزيم acyl-CoA reductase. يمكن أسترة الكحول الدهني الناتج لتكوين استر شمعي بفضل إنزيم ترانساسيلاز الكحول أسيل- CoA.

مسار نزع الكربونات

تتمثل الخطوة الأولى في هذا المسار في اختزال إستر أسيل- CoA إلى ألدهيد بوساطة إنزيم اختزال أسيل- CoA. عندما يزيل إنزيم ألدهيد ديكاربونيلاز مجموعة الكاربونيل من الجزيء المذكور ، يتم إنتاج ألكان يحتوي على ذرة كربون أقل من سلائفه من الأحماض الدهنية.

يمكن استقلاب هذا الهيدروكربون عن طريق إدخال مجموعة هيدروكسيل في السلسلة عبر هيدروكسيلاز أو أوكسيديز ، مكونًا كحولًا ثانويًا.

يتم تحفيز الخطوة الأخيرة لإنتاج استرات الشمع من الكحوليات طويلة السلسلة والأحماض الدهنية بواسطة إنزيم أسيل- CoA: ترانساسيلاز الكحول ، وهو أمر ضروري أيضًا لتخليق ثلاثي الجلسرين.

- شموع الحيوانات

تنتج الحيوانات أيضًا كميات كبيرة من الشمع ، خاصة الحشرات والحيتان والأغنام والطيور ، والتي يمكن الحصول عليها منها لأغراض التكنولوجيا الحيوية.

تمت دراسة فائدتها البيولوجية ببعض التفاصيل ، واعتمادًا على الحيوان المعني ، يمكن أن تخدم أغراض الحماية والتواصل ، من بين أمور أخرى.

أمثلة على الشموع البيولوجية

- شموع الحيوانات

شمع النحل

كما يوحي اسمها ، فإن هذا النوع من الشمع ينتج عن طريق النحل ، وأشهرها هو Apis mellifera. تمتلك هذه الحيوانات غددًا متخصصة في بطنها تفرز الشمع الذي تستخدمه لبناء الأمشاط حيث تضع بيضها وتنظم الخلية.

يتم الحصول على هذا الشمع عادة كمنتج ثانوي للعسل ويستخدم لأغراض مختلفة ، سواء في التجميل أو في الصناعة (صناعة الشموع ، والتلميع ، والمواد الغذائية ، والمنسوجات ، والورنيش ، وما إلى ذلك). يتكون من الهيدروكربونات والإسترات والأحماض الحرة وغيرها ، وتشير دراسات أكثر تخصصًا إلى أنه غني بحمض السيروتيك والميريسين.

spermaceti

حوت العنبر هو نوع آخر معروف من شمع الحيوانات ، يتم الحصول عليه من تجويف في رأس حوت فيزيتر ماكروسيفالوس ، والذي يمكن أن ينتج ما يصل إلى 3 أطنان من هذه المادة التي يستخدمها كسونار.

غني بالإسترات الدهنية والدهون الثلاثية والكحوليات والأحماض الخالية. تشمل الإسترات الدهنية بالميتات سيتيل (32 كربون) وسيتيل ميريستات (30 كربون).

يستخدم هذا الشمع الحيواني على نطاق واسع في الطب والتجميل والمستحضرات الصيدلانية ، وكذلك في صناعة الشموع.

ومع ذلك ، توجد بعض اللوائح الدولية حاليًا ، حيث تم قتل الحيتان لغرض وحيد هو الحصول على هذا المنتج ، مما يعني خسائر كبيرة للحيوانات البحرية.

- شمع نباتي

شمع النخيل

نخيل الشمع Copernicia cerifera Martius هو أحد أنواع النخيل البرازيلي الذي ينتج أحد أهم شموع الخضروات من الناحية التجارية.

يتم الحصول على هذا الشمع من السطح العلوي والسفلي لأوراق النخيل وله تطبيقات متعددة في كل من تحضير الطعام والتجميل والأثاث وتشميع السيارات وإنتاج خيط تنظيف الأسنان المشمع وما إلى ذلك.

زراعة نخيل الشمع (تصوير فرناندو أرتياغا على www.pixabay.com)

زيت الجوجوبا

يتم الحصول على شمع الجوجوبا من Simmondsia chinensis ، وهي شجيرة نموذجية من المناطق القاحلة في المكسيك والولايات المتحدة. بذوره غنية بالشمع أو الزيت الذي يتم الحصول عليه عن طريق الضغط البارد وله العديد من التطبيقات الطبية ، كونه أحد البدائل الرئيسية لحوت العنبر.

بذور نبات الجوجوبا (المصدر: Kenneth Bosma / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/2.0) عبر Wikimedia Commons)

المراجع

1. Domínguez، E.، & Heredia، A. (1998). الشموع: موضوع منسي في تعليم الدهن. تعليم الكيمياء الحيوية ، 26 (4) ، 315-316.
2. فايرستون ، د. (2006). الخصائص الفيزيائية والكيميائية للزيوت والدهون والشموع (رقم L-0671). الصحافة Aocs.
3. كولاتوكودي ، بي (1970). الشموع النباتية. الدهون، 5 (2) ، 259-275.
4. Lusas، EW، Riaz، MN، Alam، MS، & Clough، R. (2017). الدهون والزيوت والشموع الحيوانية والنباتية. في كتيب الكيمياء الصناعية والتكنولوجيا الحيوية (ص 823-932). سبرينغر ، شام.
5. Post-Beittenmiller ، D. (1996). الكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية لإنتاج الشمع في النباتات. المراجعة السنوية لبيولوجيا النبات، 47 (1) ، 405-430.
6. Tinto، WF، Elufioye، TO، & Roach، J. (2017). شموع. في العقاقير (ص 443-455). الصحافة الأكاديمية.