اصول شیمیایی حیات

ترکیب شیمیایی انواع گیاهان، جانوران و میکروب ها بسیار مشابه است. از ۹۲ عنصر موجود در طبیعت فقط تعداد معدودی در ماده زنده یافت می شود. عنصرهای هیدروژن (H)، اکسیژن (O)، کربن (C) و نیتروژن (N) روی هم ۹۹ درصد جرم سلول ها را تشکیل می دهند در حالی که سه عنصر هیدوژن، کربن و نیتروژن کمتر از یک درصد جرم پوسته زمین را شامل می شوند.
علاوه بر عناصر فوق، کلسیم (Ca)، گوگرد (S) و فسفر (P) نیز در ماده زنده به مقادیر قابل ملاحظه یافت می شوند.
تنوع و ثبات ترکیبات کربن دار در موجودات زنده به ویژگی های اتم کربن ارتباط دارد.

چنانکه می دانید ظرفیت هر اتم به تعداد الکترون هایی که برای تکمیل کردن مدار خارجی باید به دست آورد یا از دست بدهد، بستگی دارد. اتم کربن در مدار خارجی خود چهار الکترون دارد و برای تکمیل این مدار به چهار الکترون دیگر نیازمند است؛ بنابراین کربن چهار ظرفیتی است. کربن هم چون سایر اتم ها تمایل دارد مدار خارجی خود را تکمیل کند تا پایدارتر شود. اتم کربن برای رسیدن به این هدف، با اتم های دیگر که آنها نیز برای کامل کردن مدار خارجی خود به الکترون نیازمندند، پیوند تشکیل می دهد. گرایش به تشکیل این پیوندها منشأ تنوع ساختاری مولکول های کربن دار است. یک اتم کربن به علت چهار ظرفیتی بودن، می تواند با چهار یا تعداد کمتری اتم دیگر پیوند تشکیل دهد به نحوی که در نهایت چهار پیوند تشکیل شود.

درشت مولکول های زیستی
سلول ها علاوه بر آب و مولکول های کوچک دیگر، مولکول های بزرگی نیز دارند که درشت مولکول یا ماکرومولکول نامیده می شوند. یک درشت مولکول پلی مری است که از به هم پیوستن تعدادی مولکول کوچک و مشابه به نام تک واحد یا مونومر ساخته شده است.
تک واحدها در درشت مولکول ها به صورت خطی یا منشعب به یکدیگر می پیوندند.

جرم مولکولی تک واحدها چند صد دُلتن و جرم مولکولی درشت مولکول های زیستی بین چندهزار و یک میلیون دُلتن است. مهم ترین درشت مولکول های زیستی عبارتند از : پلی ساکاریدها، پروتئین ها و اسیدهای نوکلئیک که به ترتیب از به هم پیوستن منوساکاریدها، اسیدهای آمینه و نوکلئوتیدها بدست می آیند. لیپیدها معمولاً جزء درشت مولکول ها طبقه بندی نمی شوند.

اما در اینجا همراه با آنها بررسی می شوند زیرا هم چون درشت مولکول ها نقش هایی عمده و مهم در سلول ایفا می کنند. لیپیدها از نظر اندازه بین مولکول های کوچک و درشت-مولکول ها قرار می گیرند.
برای فهمیدن بیوشیمی سلول، باید درشت مولکول ها را شناخت. باید دانست که آنها چه نوع ترکیباتی هستند، چگونه ساخته می شوند، چگونه تجمع می یابند و چگونه عمل می کنند.

ابتدا با کربوهیدرات ها که ساده ترین درشت مولکول های زیستی هستند آشنا می شوید، پس از آن لیپیدها و پروتئین ها و سپس اسیدهای نوکلئیک به ترتیب مورد بحث قرار می گیرند.
کربوهیدرات ها :
کربوهیدرات ها ساده ترین درشت مولکول های زیستی هستند که از سه عنصر اصلی کربن، هیدروژن و اکسیژن ساخته شده اند. در کربوهیدرات ها پیوندهای کووالان متعددی وجود دارند که کربن در آنها شرکت می کند و درنتیجه شکسته شدن آنها مقدار زیادی انرژی تولید می شود، بنابراین کربوهیدرات ها جزء ترکیبات انرژی زای سلول هستند.
مونوساکاریدها ساده ترین کربوهیدرات ها هستند. همه مونوساکاریدها از فرمول کلی (CH2O)n تبعیت می کنند. عدد n در فرمول بین ۳ تا ۷ متغیر است.
مونوساکاریدها سه تا هفت کربن دارند و آلدوز یا کتوز هستند. آلدوزها در کربن شماره ۱ عامل آلدهیدی (-CHO) و کتوزها عامل کتونی (-C=O) دارند. قندهای سه، چهار، پنج، شش و هفت کربنی را به ترتیب تری یوز، تتروز، پنتوز، هگزوز و هپتوز می نامند.

گلیسر آلدهید یک قند ۳ کربنی است و فرمول شیمیایی آن چنین است :

در این ترکیب کربن شماره ۲ نامتقارن است زیرا با ۴ گروه مختلف پیوند تشکیل داده است.
چنین کربنی می تواند دو ایزومر L,D داشته باشد. بطور کلی برای یک مولکول قند با n کربن اگر گروه –OH متصل به کربن شماره ۱ – n آن دست راست و –H دست چپ رسم شود، ایزومر D و برعکس آن L نامیده می شود.

قندهای پنج کربنی و شش کربنی اهمیت ویژه ای دارند زیرا علاوه بر این که در راه های متابولیسمی شرکت دارند، در ساختار برخی درشت مولکول ها نیز بکار می روند. ریبوز و مشتقات آن که در ساختار اسیدهای نوکلئیک شرکت دارند، از مهم ترین قندهای پنج کربنی هستند. قند شش کربنی گلوکز با فرمول C6H12O6 واحد سازنده نشاسته، گلیکوژن و سلولز است.

الیگوساکاریدها ترکیباتی هستند که بین دو و ده واحد منوساکاریدی دارند. الیگوساکاریدها بر حسب تعداد واحدهای تشکیل دهنده آنها طبقه بندی می شوند مثلا اگر دو مولکول منوساکارید به هم متصل شوند دی ساکارید و در صورت اتصال سه مولکول منوساکارید، یک تری ساکارید ایجاد می شود. ساکاروز دی ساکاریدی است که از اتصال گلوکز با فروکتوز بدست می آید. لاکتوز دی ساکارید دیگری است که از اتصال گلوکز و گالاکتوز حاصل می شود.
کربوهیدرات هایی با بیش از ده واحد مونوساکاریدی در گروه پلی ساکاریدها قرار می گیرند.

نشاسته، گلیکوژن و سلولز از مهم ترین پلی ساکاریدهای زیستی اند که هر سه از واحدهای گلوکز ساخته شده اند.
نشاسته پلی ساکارید ذخیره ای در گیاهان است. شکل خطی آن آمیلوز و شکل شاخه دار آن آمیلوپکتین نام دارد.

گلیکوژن پلی ساکارید ذخیره ای در جانوران است و در سلول های کبد و ماهیچه به مقدار زیاد وجود دارد. جرم مولکولی گلیکوژن بیشتر از نشاسته است.
سلولز در دیواره سلول های گیاهی یافت می شود و ساختاری مشابه آمیلوز دارد. این پلی- ساکارید برای اغلب جانداران غذا محسوب نمی شود زیرا جانوران توانایی شکستن پیوندهای بین واحدهای گلوکز موجود در سلولز را ندارند. نشخوارکنندگان بدلیل داشتن باکتری های تجزیه کننده سلولز در دستگاه گوارش خود قادر به هضم سلولز هستند و لذا از آن به عنوان منبع غذایی استفاده می کنند.

کیتین یک پلی ساکارید ذخیره ای است که در پوشش خارجی بدن بسیاری از حشرات و سخت پوستان وجود دارد.

لیپیـدها :
لیپیدها دسته دیگری از ترکیبات موجود در سلول هستند که همانند کربوهیدارت ها هر دو نقش ساختاری و ذخیره ای را دارند. این مولکول ها ترکیبات اصلی تشکیل دهنده غشاهای زیستی هستند. لیپیدهای ذخیره ای، منابع پرانرژی سلول ها به حساب می آیند. لیپیدها در آب انحلال ناپذیرند، اما در حلّال های آلی مانند اتر و کلروفرم حل می شوند. بخش هیدروکربنی در آنها غیرقطبی و گسترده و تعداد گروه های قطبی آنها کوچک و کم است.

اسیدهای چرب خود لیپیدهایی ساده و جزئی از ساختار لیپیدهای دیگر هستند. این مولکول ها از یک زنجیره هیدورکربنی که در یک انتهای آن گروه کربوکسیل قرار دارد، تشکیل شده اند. بخش هیدروکربنی اسید چرب که غیرقطبی است، «دُم» و گروه کربوکسیل که قطبی است، «سر» نامیده می شود.

تعداد اتم های کربن در اسیدهای چرب بین ۱۲ و ۲۴ است و فراوان ترین اسیدهای چرب در سلول ها ۱۶ یا ۱۸ اتم کربن دارند. اگر همه اتم های کربن موجود در زنجیره هیدروکربنی با پیوند یگانه به یکدیگر متصل شده باشند، اسید چرب را سیرشده و اگر یک یا چند پیوند دوگانه در زنجیره وجود داشته باشد، آن را سیرنشده می نامند. اسید پالمتیک یک اسیدچرب سیرشده و اسید اولئیک یک اسیدچرب سیرنشده است. به طور کلی، اسیدهای چرب سیرشده ساختار میله ای، مانند چوب کبریت دارند در حالی که اسیدهای چرب سیر نشده در محل پیوند دوگانه خمیدگی دارند و ساختار میله ای ندارند.

نقطه ی ذوب اسیدهای چرب سیرشده بیشتر از نقطه ذوب اسیدهای چرب سیرنشده است. بنابراین اسیدهای چرب سیرنشده در دمای اتاق معمولا مایع اند. چنان که گفته شد، هنگامی که اسیدهای چرب در آب قرار می گیرند انتهای قطبی آنها با مولکول های آب پیوند هیدروژنی تشکیل می دهد و دُم غیرقطبی آنها از آب دور می ماند. در سلول ها، اسیدهای چربی به صورت آزاد به مقدر کم یافت می شوند ولی به عنوان واحدهای ساختاری لیپیدهای دیگر فراوان هستند.

تری گلیسریدها مهم ترین شکل های ذخیره ای لیپیدها هستند که در سلول های جانوری و گیاهی به صورت ذرات چربی وجود دارند.
انرژی حاصل از اکسایش تری گلیسریدها، پندبرابر انرژی حاصل از اکسایش قندها یا پروتئین هاست. اکثر چربی های طبیعی مانند کره، روغن جامد و مایع، تری گلیسرید هستند.
تری گلیسریدها از ترکیب سه ملکول اسیدچرب و یک ملکول گلیسرول تشکیل می شوند. گلیسرول الکل سه کربنی است که یک گروه هیدروکسیل با هر یک از کربن های آن در پیوند است. برای تشکیل تری گلیسریدها، یک مولکول اسیدچرب با هر یک از گروه های هیدروکسیل موجود در گلیسرول ترکیب و به ازای هر اتصال حاصل، یک مولکول آب ایجاد می شود. سه اسیدچرب موجود در ساختار هر تری گلیسرید ممکن است از یک نوع و یا از انواع مختلف باشند.

تری گلیسریدها لیپیدهای خنثی و مولکول های غیرقطبی هستند، زیرا گروه کربوکسیل هر یک از اسیدهای چرب آنها با گلیسرول وارد واکنش شده اند. جامد یا مایع بودن تری- گلیسریدها، به درجه سیری اسیدهای چرب آنها بستگی دارد.

فسفولیپیدها، لیپیدهایی هستند که علاوه بر بخش الکلی و اسیدچرب، گروه فسفات نیز دارند. از مهم ترین فسفولیپیدها، فسفوگلیسریدها هستند. ساده ترین فسفوگلیسرید، ساختاری شبیه به تری گلیسریدها دارد با این تفاوت که در آن یک گروه فسفات جایگزین اسیدچرب متصل به کربن شماره ۳ گلیسرول شده است.
تمام فسفولیپیدها مولکول هایی دوگانه دوست هستند. گروه فسفات با بار منفی در یک سرمولکول های فسفولیپید، خاصیت قطبی بودن به آنها می دهد. خاصیت غیرقطبی بودن فسفولیپیدها به زنجیره های هیدروکربنی آنها مربوط است. بخش غیرقطبی اسیدهای چرب از یک زنجیره هیدروکربنی تشکیل شده است اما بخش غیرقطبی فسفولیپیدها دو زنجیره هیدروکربنی دارد.

فسفولیپیدها که بسیار متنوع هستند، ترکیبات اصلی غشاهای سلولی می باشند. فسفولیپیدها در محیط آبی میسل، تک لایه یا دو لایه تشکیل می دهند. مانند میسل های اسیدهای چرب، در میسل های فسفولیپیدی دُم های ملکول درون میسل ها مخفی می شوند و سر آنها با آب بر هم کنش می کند. فسفولیپیدها در شرایط مناسب نیز می توانند ساختار دولایه ای تشکیل دهند. اگر ملکول های فسفولیپیدی در محیط آب تکان داده شوند، ساختارهایی به نام لیپوزوم ایجاد می شوند.
علاوه بر اسیدهای چرب، تری گلیسریدها و فسفولیپیدها، لیپیدهای دیگری نیز در سلول وجود دارند. گلیکولیپیدها لیپیدهایی هستند که به آنها یک یا چند ملکول قند یا زنجیره کربوهیدراتی متصل است. گلیکولیپیدها نیز جزء ساختار غشاء سلولی هستند.

استروئیدها ترکیباتی هستند که ساختار شیمیایی آنها شباهتی به لیپیدهای ذکر شده ندارند و اسیدهای چرب در آن ها یافت نمی شود.
همه استروئیدها یک اسکلت چهارحلقه ای دارند که در انواع مختلف، تعداد و موقعیت پیوندهای دوگانه و گروه های فعال متصل به آنها متفاوت است.
کلسترول فراوان ترین استروئید در جانوران و تنها استروئید موجود در غشاهای سلول های آنهاست. در غشاهای سلول های گیاهی علاوه بر کلسترول، استروئیدهای دیگری که خاص گیاهان هستند یافت می شوند. بسیاری از هورمون های جانوری مانند هورمون های جنسی در پستانداران استروئیدی هستند. همچنین اسیدهای صفراوی که به هضم لیپیدها کمک می کنند استروئیدی اند.

ترپن ها گروهی دیگر از لیپیدها هستند که همگی از اتصال تعداد متفاوتی از واحدهای ایزوپرن، یا مشتقات آن تشکیل شده اند.
کلروفیل و کاروتن که جزء ترپن های مهم به شمار می آیند. علاوه بر اینها ویتامین E,A وk که در چربی قابل حل هستند نیز در گروه ترپن ها قرار دارند.
پروتئین ها

پروتئین ها واکنش های شیمیایی را سرعت می بخشند، از ترکیبات اصلی ساختار غشاهای سلول هستند و در ترابری مواد از غشای سلول نقش عمده دارند، جزء ساختار اغلب بخش- های سلول همچون اسکلت سلولی در سلول های یوکاریوتی هستند، در انواع فرآیندهای پویای سلول مانند انقباض ماهیچه ها شرکت می کنند و در تنظیم فرآیندهای ژنتیک نیز دخالت دارند.

پروتئین ها زنجیره هایی از واحدهای کوچک تر هستند. این واحدهای کوچک تر اسیدآمینه نام دارند. مشخص شده است که ۲۰ نوع اسید آمینه از میان ۱۰۰ نوع شناخته شده در طبیعت، در ساختار پروتئین ها شرکت می کند. مهره داران توانایی ساختن ده اسیدآمینه را دارند که اینها را اسیدهای آمینه غیرضروری می نامند. ده اسیدآمینه دیگر اسیدهای آمینه ضروری خوانده می شوند.

هر اسیدآمینه یک کربن مرکزی به نام کربن آلفا دارد که سه ظرفیت آن در همه اسیدهای آمینه با اتم هیدروژن (-H)، گروه کربوکسیل (-COOH) و گروه آمین (-NH2) اشغال می شود. در ظرفیت چهارم کربن آلفا، ترکیبی که زنجیره کناری یا گروه خوانده می شود، قرار می گیرد. گروه بر حسب نوع اسیدآمینه متفاوت است.

نام اسیدآمینه به علت وجود گروه کربوکسیل که اسیدی است و گروه آمین به آنها داده شده است.
گروه در انواع اسیدهای آمینه از لحاظ اندازه و بار بسیار متنوع هستند. در گلیسین، گروه تنها یک اتم هیدروژن است.
در برخی اسیدهای آمینه گروه پیچیده تر و یا حلقوی است. تمام اسیدهای آمینه به علت وجود بار در گروه کربوکسیل و آمین آنها تا اندازه ای در آب قابل حل هستند. باید دانست در PH عادی سلول، گروه های کربوکسیل و آمین در اسیدهای آمینه یونیزه می شوند و به ترتیب به صورت درمی آیند.

کربن آلفا در همه اسیدهای آمینه به غیر از گلیسین، نامتقارن است. به این دلیل اغلب های آمینه می توانند به شکل دو ایزومر D و L وجود داشته باشند. اگر گروه –NH3 در سمت راست و –H در سمت چپ رسم شود، آن را فرم D می خوانند و اگر برعکس رسم شود، فرم L به وجود می آید. تنها آسیدهای آمینه نوع L در پروتئین وجود دارند.
برای اتصال دو اسیدآمینه، پیوند آمیدی (CO-NH) بین گروه کربوکسیل یک اسیدآمینه و گروه آمین اسیدآمینه دیگر تشکیل و یک مولکول آب آزاد می شود. پیوند آمیدی بین دو اسید آمینه را پیوند پپتیدی گویند.