-"بنام خداوند بزرگ"

تدوین:سلطانی نژاد21/01/1395

مولکولهای بیولوژیک درمحیط زیست

(Biological molecules in the Environment)

در این فصل می خواهم در باره مولکولهای مهمی که پایه واساس  حیات را شکل می دهند، بحث کنم.

واقعیت این است که مواد ارگانیک یعنی ئیدراتهای کربن، چربیها، پروتئین ها و اسیدهای نیوکلئیک (nucleic acid)، همگی مولکولهای زیست منظری هستند که زندگی همه موجودات زنده روی زمین را مدیریت می کنند.

 

بعنوان مثال:

کربن در ساخت مولکولهای زیستی نقش فوق العاده تعیین کننده ائی دارد، معمولاً هر محصولی که از مولکولهای بیولوژیکی تولید شود یا بدست آید، محصولی آلی و ارگانیک (organic) است.

از ارگانیک زمانی استفاده می کنیم که بخواهیم مولکولهائی که اسکلت کربنی داشته و نیز تعدادی اتم هیدروژن دارند را توضیح دهیم.

اساساً اصطلاح ارگانیک از قدرت و توانمندی موجودات زنده برای سنتز و استفاده از این مولکولها، مشتق می گردد، سنتز (synthesize) در ساخت بیولوژی یعنی تولید مواد توسط فرآیندهای زیست ساختار یا بیولوژیک، آلی مشارکت فعال داشته و در مقابل غیر آلی ، یعنی مولکولهائی که کربن ندارند  نیز قرار دارد.

ولی دی اکسید کربن CO₂ که یک مولکول غیر آلی است، استثنا می باشد.

اتم کربن چهار الکترون در لایه خارجی خود دارد، که البته این لایه ظرفیت هشت تائی دارد، بنابراین اتمهای کربن قادر به ایجاد پیوندهای متنوع و فراوانی هستند.

آنها می توانند با به اشتراک گذاشتن چهار الکترون با سایر اتمها پایدار شده و چهار پیوند منفرد کووالانس یا چند دوگانه و یا حتی پیوندهای کووالانس سه گانه ای ایجاد کنند.

لذا مولکولهائی که اتمهای کربن فراوانی دارند، می توانند اشکال پیچیده ای داشته باشند، زنجیره ائی ، شاخه ای و حلقوی از اشکال گوناگون مولکولهای کربن دار است.

بدین ترتیب مولکولهای ارگانیک، فراتر از اسکلت های پیچیده اتمهای کربن هستند.

گروهی از اتمها به ستون فقرات کربن چسبیده اند، که گروههای کاربردی و عملیاتی نام دارند.(functional groups) این گروهها خصوصیات واکنش پذیری شیمیائی مولکولها را تعیین می نمایند.

گروه های کاربردی فوق کم پایدارتر از ستون فقرات کربن (carbon backbone) هستند و بنظر می رسد که در واکنش های شیمیائی شرکت می کنند.

معمول ترین و مهمترین گروههای کاربردی مولکولهای زیست منظر در جدول ذیل نشان داده اند. 

اصولاً (in principle)، شباهت بین مولکولهای ارگانیک در همه اشکال حیات (life) پی آمد منطقی دو خصوصیت اصلی ذیل است:

1-   استفاده از یک مجموعه یکسان از گروههای کاربردی در تمام مولکولهای ارگانیک و همه انواع شکل های حیات(موجودات زنده).

2-   استفاده از رویکرد مدولار (modular) و منحصر بفرد، به منظور سنتز کردن (تولید مواد توسط فرآیندهای بیولوژیک) مولکولهای ارگانیک بزرگ چهره (large organic molecules).

سنتز مولکولهای ارگانیک:

واقعیت این است که اغلب مولکولهای ارگانیک، بزرگ و در عین حال پیچیده نیز هستند. اصولاً از منظر بیولوژیک دو راه برای ساخت یک مولکول بزرگ و پیچیده وجود دارد.

طریقه اول این گونه است که با یک برنامه فوق العاده جامع اتم ها را با هم ترکیب نمائیم و راه دوم این است که مولکولهای کوچکتر را از قبل جمع کرده و آنها را با هم قلاب کنیم. درست مثل قطارهائی که توسط یک جفت موتور به ماشین ها ی ریلی مختلف وصل شده اند.

 حیات هم همانند واگن های قطار، از رویکردی مدولار، و برنامه ریزی شده  پیروی می کند.

بدین ترتیب مولکولهای ارگانیک کوچک(شکرها) بعنوان واحدهای فرعی (sub units) برای سنتز مولکولهای طویل تر (نشاسته ها)، مورد استفاده قرار می گیرند. همانند واگن های یک قطار.

 واحدهای فرعی که غالباً یک قسمت دارند، مونومر (monomer) نام گرفته اند و زنجیره های طویل یک قسمتی (مونومری) در واقع پلی مر (polymer) یا چند قسمتی نام دارند.

بیشتر مولکولهای ارگانیک در بدن انسان  و سایر مهره داران به شکل مونومرها یا پلی مرها یافت می شوند.

مولکولهای بیولوژیک با اضافه کردن یا حذف کردن آب، به هم دیگر وصل و یا از یک دیگر جدا می گردند .

لابد می دانید که وجود آب برای حیات تا چه اندازه مهم است. در این نوشتار نیز ، آب  نقش مرکزی و بسیار مهمی را در واکنش های شیمیائی – بیولوژیک بازی می کند.

بدین معنی که آب مولکولهای بیولوژیک را شکسته و آنها را به واحدهای کوچک تر و فرعی تبدیل کرده و آزاد می نماید و بدین گونه است که بدن موجودات زنده می تواند از این مولکولهای شکسته شده، بخوبی استفاده کند.

بعلاوه، هنگامیکه مولکولهای پیچیده زیست ساختاری در بدن موجودات سنتز (تبدیل شدن به مواد قابل استفاده) می شوند، آب غالباً بعنوان محصول فرعی (by product) تولید می گردد.

واحدهای فرعی (sub units) که مولکولهای بیولوژیک بزرگ را آرایش می دهند، غالبا توسط واکنش شیمیائی بنام سنتز آب گیری (تبدیل به مواد  دیگر از طریق آب گیری) و به همدیگر متصل می گردند. (dehydration synthesis)

در فرآیند سنتز آب گیری (دی هیدراسیون)یک اتم هیدروژن(-H) از یک واحد فرعی گرفته شده (removed) و یک گروه هیدروکسیل (-OH) نیز از واحد فرعی ثانویه برداشته می شود و بدین ترتیب، منافذی در هسته های الکترونی لایه خارجی دو واحد فرعی ایجاد می گردد، این منافذ با به اشتراک (sharing) گذاردن الکترونها بین واحدهای فرعی تکمیل گردیده و یک پیوند کووالانس که آنها را به هم وصل می کند، ایجاد می گردد.

سپس هیدروژن آزاد و یونهای هیدرواکسیل با هم دیگر ترکیب شده و یک مولکول آب بوجود می آید. شکل ذیل گویای این حقیفت است. 

عکس واکنش  نیز صادق است، یعنی مولکول توسط هیدرولیز (hydrolysis) شکسته و از هم جدامیشود این عمل را   آب انجام میدهد، بدین ترتیب هیدرولیز نیز می تواند یک مولکول را به واحدهای فرعی منفرد ، متلاشی نماید، و این عمل، توسط  آب، صورت می گیرد. شکل ذیل عمل هیدرولیز را نمایش می دهد. 

هنگامیکه به بررسی چگونگی  ساختار پیچیدگی موجودات زنده می پردازیم، بطرز اعجاب آوری متوجه می شویم که تقریباً تمام مولکولهای زیست ساختاری هر کدام در یکی از چهار طبقه ذیل قرار می گیرند.

1-   هیدراتهای کربن (carbohydrates).

2-   چربیها (lipids).

3-   پروتئین ها (proteins).

4-   اسیدهای نیوکلئیک (nucleic acids).

جدول ذیل مولکولهای اصلی بیولوژیکی را نشان می دهد. 

1-هیدوراتهای کربن  (carbohydrates)، مولکولهای هستند که از کربن، هیدروژن و اکسیژن به نسبت تقریبی 1:2:1 ، ساخته شده اند.

تمام هیدارتهای کربن یا شکرهای کوچک و قابل حل در آب هستند، مانند گلوکز، فراکتوز و یا زنجیره هائی هستند، مانند نشاسته یا سلولز cellulose که از واحدهای فرعی شکر، بصورت رشته ائی که با ردیف شدن واحدهای فرعی شکر با همدیگر بدست می آیند.

اگر یک ئیدرات کربن از فقط یک مولکول شکر بدست آید، در چنین حالتی تک شکری بوده و منوساکارید نام دارد.

(monosaccharide)

اگر دو یا چند تک شکری با هم پیوند بخورد، در این صورت دو شکری ها تولید می شوند.

دی ساکارید ها(disaccharides)، پلی سارکاریدها(polysaccharides)، ئیدراتهای کربن مانند شکرها و نشاسته، منابع بسیار مهم انرژی برای اغلب موجودات زنده محسوب می شوند.

واقعیت این است که کیک صبحانه هر فرد، اساساً متشکل از ئیدراتهای کربنی است که نهفته در دانه های گندم و یا سایر دانه های استفاده شده در کیک است و یا شکری که شربت شما را شیرین می کند،  و یا آب پرتغالی که می نوشید، عمدتاً از گیاهانی است که بعنوان منبع انرژی، ئیدراتهای کربن را در خود انبار کرده اند.

سایر ئیداتهای کربن مثل، سلولز و مولکولهای نظیر، پشتیبانی و حمایت های ساختاری از سلولهای انفرادی و حتی کلیت و تمامیت بدن موجودات زنده را فراهم می آورند.

بدین ترتیب گیاهان، قارچ ها، باکتریها، حشرات و همه موجودات دیگر از این پشتیبانی ساختاری استفاده می کنند.

اغلب شکرهای منفرد یعنی منوسارکاریدها  (monosaccaharide) از یک استخوان بندی که از سه تا هفت اتم کربن ساخته شده است، برخوردارند.

بعبارت دیگر استخوان بندی منوساکاریدها از سه تا هفت اتم کربن ساخته شده است.

اکثر اتمهای کربن  دارای یک بنیان (-H) هیدروژن و یک گروه هیدروکسیل (-OH) که به آنها چسبیده است ، می باشند.

لذا، ئیدراتهای کربن معمولاً فرمول تقریبی شیمیائی بصورت (CH₂O)_n دارند.  

n تعداد کربن هائی است که در استخوان بندی ئیدرات کربن می باشند. این فرمول منشاء و سرچشمه تمام هیدراتهای کربن را شرح می دهد که به لحاظ ادبی به معنی کربن بعلاوه آب (هنگامیکه در آب حل می شود) است.

در سیتوپلاسم یک سلول، استخوان بندی کربن در یک شکر معمولاً چرخشی است که به سه حلقوی تبدیل می گردد.

اشکال ذیل ساختار گلوکز را نشان می دهند. 

حقیقت این است که منوساکاریدهای متنوعی وجود دارند که تفاوتهای ساختاری اندکی دارند.  یعنی تقریباً با اندک تفاوتی شبیه هم هستند.

گلوکز معمول ترین (CH₂O)_n منوساکارید است که در بدن موجودات زنده وجود دارد و اساساً بنیان و یک واحد فرعی است که اغلب پلی سارکاریدها از آن ساخته می شوند، گلوکز شش کربنی است.

بنابراین امر، فرمول شیمیائی آن عبارت است از C₆H₁₂O₆ .

البته موجودات زنده زیادی وجود دارند که سایر منوساکاریدهائی را که ساختار متفاوتی از گلوکز دارند را سنتز می کنند.

یعنی فرمول شیمیائی آنها مانند گلوکز است ولی ساختارآنها اندکی با گلوکز تفاوت دارد.

این منوساکاریدهای اندک متفاوت عبارتند از:

فراکتوز (fructose) (قند ذرت) که در شربت ذرت و گالاکتوز (galactose) که در شربت پرتغال و لاکتوز (lactose) که در قند و شیر وجود دارند. 

بعضی از سایر منوساکاریدهای معمول و متعارف مانند ریبوز (ribose) و دی اکسی ریبوز (deoxyribose) پنج کربن دارند. 

دو منوساکارید فوق بخش هائی از مولکولهای ژنتیکی RNA و DNA هستند.

اساساً، دی ساکاریدها (disaccharides) در قندها، از دو قند منفرد که توسط سنتز آبگیری  به هم وصل شده اند، تشکیل می شوند.

لذا، یک قندی ها (monos) مخصوصاً گلوکز و نزدیکانش در سلول از طول عمر کوتاهی برخوردارند.

اکثر مونوساکاریدها یا شکسته نشده و به انرژی شیمیائی آزاد تبدیل و در فعالیت های سلولی مختلف مورد استفاده قرار می گیرند یا توسط سنتز دی هیدراسیون آبگیری به هم متصل گشته و دی ساکاریدها یا پلی ساکاریدها را شکل می دهند.

شکل ذیل، سنتز و شکست مولکولی یک دی ساکارید را نشان می دهد.

 

دی ساکاریدها(disaccharides) غالباً برای انبارکردن(ذخیره) انرژی بصورتکوتاه مدت مورد استفاده قرار می گیرند. این استفاده در گیاهان پررنگ است.

دی ساکاریدهای متفاوت عبارتند از:

-         ساکارز (sucrose) یعنی گلوکز بعلاوه فراکتوز که شما در هنگام قهوه خوردن استفاده می کنید.

-         لاکتوز (lactose)، قند موجود در شیر، یعنی گلوکز همراه با گالاکتوز(galactose) که همگی در شیر موجود هستند.

-         مالتوز (maltose) یعنی گلوکز بعلاوه گلوکز، که از مجرای هضمی شما هنگام صحبانه خوردن، شکل می گیرند و هنگامیکه انرژی مورد نیاز باشد، دی ساکاریدها توسط مکانیزم هیدرولاسیون (hydrolysis)، یعنی آب گرفتن، شکسته شده و به واحدهای فرعی مونوساکارید تبدیل می گردند.

پلی ساکاریدها (polysaccharides) قندهای منفرد زنجیره ئی هستند و برای انبار کردن انرژی در طولانی مدت، مورد استفاده قرار می گیرند.

منوساکاریدهائی همانند گلوکز به هم دیگر متصل شده و تشکیل زنجیره های طویل پلی ساکارید رابوجود می اورند.

پلی ساکاریدها در گیاهان به نشاسته(starch) و در حیوانات به گلی کوژن (glycogen)، معروفند. 

نشاسته معمولاً در ریشه ها و دانه های گیاهان ساخته می شود. مثلاً از دانه های گندم و غیره، نشاسته بصورت زنجیره های حلقوی، غیر شاخه شاخه و تا 1000 واحد فرعی گلوکز و بصورت بسیار معمول تری تا حدود نیم میلیون مونومرگلوکز یافت می شود.

گلیکوژن به عنوان یک منبع انرژی در کبد و ماهیچه های حیوانات و انسان یافت می شود و معمولاً کوچکتر از نشاسته است، ساقه ها و شاخه هائی دارد که از 10 تا 12 واحد فرعی گلوکز تشکیل شده اند.

این شاخه ها و رشته های کوچک فراوان احتمالاً برای تسهیل در متلاشی شدن واحدهای فرعی گلوکز به منظور تسریع در رهاسازی انرژی است.

موجودات زیادی نیز وجود دارند که از پلی ساکارید بعنوان مواد ساختمانی (structural materials) استفاده می کنند.

یکی از مهمترین پلی ساکاریدهای ساختمانی یا ساختاری سلولز (cellulose) است.

سلولز اکثر دیوارهای سلولی گیاهان را آرایش می دهد (make up)، تقریباً نصف تنه یک درخت تنومند از سلولز ساخته شده است.

لذا، اگر همه جنگل های روی کره زمین را در نظر بگیریم، متوجه می شویم که مقدار سلولز در سیاره زمین بسیار بیشتر از سایر مولکولهای ارگانیک روی زمین است.

اکولوژیست ها می گویند که سالانه در حدود ترلیاردها تن (trillion tons) ) سلولز سنتز (تولید می شود) می گردد.

 سلولز همانند نشاسته از واحدهای فرعی گلوکز که با هم پیوند خورده اند، تشکیل می شود.

ولی اکثر حیوانات می توانند بسادگی نشاسته را هضم کرده و فقط چند میکروب که در مجرای هاضمه گاوها و مورچه ها وجود دارد، قادرند سلولز را هضم کنند.

راستی چرا این جوری است؟!

با توجه به اینکه هم نشاسته وهم سلولز از گلوکز ساخته شده اند، چرا اغلب حیوانات نمی توانند از سلولز استفاده کنند؟!

این موضوع بخاطر آن است که سمت و جهت پیوندها بین واحدهای فرعی گلوکز در دو پلی ساکارید متفاوت است .

بطور کلی در سلولز، هر گلوکز دیگر، وارونه است. اگر شکل سلولز و نشاسته را مقایسه کنید به این مهم پی می برید . 

                    دو شکل نشاسته و سلولز

بدین ترتیب، سمت و جهت متفاوت پیوندها در سلولزها و واژگون بودن آنها نسبت به نشاسته، باعث می گردد که از ترشح آنزیمهای گوارشی حیوانات برای حمله و خرد کردن پیوندهای بین واحدهای فرعی گلوکز، جلوگیری گردد.

ولی این آنزیمها توسط میکروبهای معینی سنتز(تولید) شده و می توانند پیوندها را شکسته و متلاشی کنند.

در نتیجه این عمل، سلولز فقط غذائی برای میکروبهای معینی است که عمدتاً در سیستم گوارشی گاو و مورچه ها وجود دارند.

موجودات فوق، آنزیمی آزاد می کنند که پیوندهای واحدهای فرعی گلوکز را متلاشی می نماید.

بدین ترتیب سلولز غذای میکروبها است، ولی برای اکثر حیوانات، سلولز، بافت (fiber) و یا ماده خوراکی زبری(roughage) است، که از طریق مجرای گوارشی بدون هضم شدن عبور می کند.

پوشش های لایه سخت خارجی یا اسکلت خارجی (exoskeletons)، حشرات، خرچنگ ها و عنکبوتها از ماده ئی به نام کیتین (chitin) ساخته شده است.

کیتین یک پلی ساکارید است که از واحدهای فرعی گلوکز  با اضافه شدن  یک گروه کاربردی عملیاتی حاوی نیتروژن، به لحاظ شیمیائی تغییر یافته است.   شکل ذیل نمایش chitin است.

کیتین بطرز بسیار جالبی، دیواره های سلولی قارچ های فراوانی را سفت و سخت می نماید.

دیواره های سلولی باکتریائی انواع دیگری از پلی ساکاریدهای تغییر یافته را با خود دارد که همانند مایعات نرم کننده در مفاصل موجودات و شفافیت قرینه چشم، عمل می کند.

مولکولهای زیاد دیگری، شامل مخاط (mucus) بعضی پیغام آوران شیمیائی مانند هورمونها (hormones) و مولکلهای فراوانی که در غشاء پلاسما هستند. حداقل بخشی از مولکولهای فوق از ئیدراتهای کربن تشکیل یافته اند.

شاید مهمترین این مولکولها، اسید نیوکلئیک (nucleic acid) باشند که حاوی و حمل کننده اطلاعات وراثتی است.

چربیها در موجودات زنده:

چربیها (lipids) مجموعه متنوعی از مولکولها هستند و همه آنها تقریباً دو خصوصیت مهم را به اشتراک می گذارند.

1-   چربیها مناطق وسیعی را شامل می شوند و تقریباً  از هیدروژن و کربن که پیوندهای غیر قطبی کربن – کربن یا کربن – هیدروژن دارند، ساخته شده اند.

2-   این مناطق غیر قطبی چربیها  را آبگریز (hydrophobic) کرده و آنها را غیر قابل حل در آب می نمایند.

انواع مختلفی از چربیها وجود دارند که وظایف متنوع نامحدودی را در بدن موجودات زنده انجام می دهند.

بعضی از چربیها مولکولهای انبار کردن انرژی هستند و بعضی دیگر پوشش های ضد آب (waterproof) را در بدن گیاهان و حیوانات، شکل می دهند، و پاره ای نیز بخش  وسیعی از تمام غشاء های یک سلول را آرایش می دهند.

مهمتر اینکه بعضی از آنها نیز بعنوان هورمون(hormones) عمل می کنند. چربیها در سه گروه اصلی تقسیم بندی شده اند:

1-   در بخش ها و مواد نفتی، چربیهای موجهای چسبنده (waxes)، سازه و استخوان بندی چربیها نظیر هم است و فقط کربن، اکسیژن و هیدروژن دارند.

2-   چربیهای فسفاته (phospholipids) که به لحاظ ساختاری(سازه ئی) نظیر روغنها بوده، ولی نیتروژن و فسفر هم دارند.

3-   خانواده استیرویدهای حلقوی بسته (fused – ring family of steroids) چربیها، روغن ها و مواد نفتی و موم های چسبنده اساساً چربیهائی هستند که فقط کربن، هیدروژن و اکسیژن دارند.

 این مواد به سه طریق ممکن ذیل با هم مرتبط هستند:

1-   فقط کربن، اکسیژن و هیدروژن دارند.

2-   آنها(چربیها) یک یا چند عامل و واحد فرعی اسید چرب دارند که زنجیره های طویل کربن هستند و هیدروژن با یک گروه کربوکسیل (-COOH) در طرف دیگر آنها قرار دارد.

3-   چربیها معمولاً ساختارهای حلقوی (ring – structures) ندارند. چربیها و روغن ها توسط مکانیزم سنتز آبگیری(dehydration synthesis mechanism)، از سه واحد فرعی اسید چرب و یک مولکول گلیسرول (glycerol) ساخته می شوند.

گلیسرول یک مولکول سه کربنی کوتاه با یک گروه هیدوکسیل (-OH) است که  هر کربن از یک مولکول گلیسرول با سه اسید چرب با هم ترکیب شده تری گلیسرید را می سازند. (triglyceride)

تری گلیسرید   → سه اسید چرب  +  گلیسرول           

توجه داشته باشیم که پیوند دوگانه بین دو کربن در واحد فرعی اسید چرب با پیج خوردگی در زنجیره تری گلیسرید ایجاد می شود.

چربیها و مواد روغنی غلظت بالائی از انرژی شیمیائی  را دارند. در حدود 9.3 کالری در هر گرم . در مقایسه با4.1 کیلوکالری در گرم برای (شکرها) قندها و پروتئین ها.

یک کالری که با حرف بزرگ C باشد، معادل 1000 کالری است.

کالری برای اندازه گیری محتوی انرژیتیک غذائی مورد استفاده قرار می گیرد، بنابراین چربیها و روغن ها برای انبار کردن انرژی بصورت طویل المدت، مورد استفاده قرار می گیرند.

این عمل در جانوران بسیار معمول، یعنی حیوانات انرژی را برای مدت بسیار طولانی در چربیها انبار می کنند.

مثلاً خرسهائی که در فصول تابستان و پائیز خوشگزارنی می کنند، در فصل زمستان میزان  جنب و جوش را به پائین ترین حد رسانده و به خواب زمستانی فرومی روند.

تفاوت بین چربی کره خوراکی یا روغن های سرخ کردنی، اصولاً در اسیدهای چرب آنها نهفته است.

لذا، چربیهائی که اسیدهای چرب ، پیوندهای منفرد در زنجیره کربن شان دارند، هیدروژنهای جایگاه تمامی پیوندهای دیگر را در روی کربن ها اشغال می کنند. در چنین حالتی اسید چرب حاصله، اشباع شده (saturated) نام دارد.

 این اسید چرب با هیدروژن اشباع شده است، غنی از هیدروژن است.

عدم پیوندهای دوگانه بین کربن ها، باعث می گردد که زنجیره کربن اسید چرب بصورت مستقیم قرار گیرد.

اسیدهای چرب اشباع شده، چربیهائی مانند مولکول چربی گاو پرواری که

قادرند براحتی و بصورت مستقیم در کنار هم جای گیرند و بصورت تکیه های جامدی در درجه حرارت اتاق نگهداری شوند.

اگر پیوندهای دوگانه ای بین بعضی از کربن ها وجود داشته باشد و تعاقب چند پیوند هیدروژنی بیاید، در چنین حالتی اسید چرب غیر اشباع شده (unsaturated) نام دارد.

روغن ها غالباً اسیدهای چرب غیر اشباع شده دارند.

پیوندهای دوگانه در اسیدهای چرب اشباع شده در روغن ها، تولید پیج خوردگیهائی در زنجیره های اسیدهای چرب می نماید.

 

 

پیج خوردگی روغن اشباع نشده دانه گیاه بذر کتان باعث می گردد که مولکولهای روغن از هم جدا شوند، و در نتیجه روغن در درجه حرارت اتاق بصورت مایع است.

 روغن نیز می تواند به صورت مختلف تبدیل شود، بعنوان مثال، با شکستن پیوندهای دوگانه بین کربن ها و جایگزین کردن انها با پیوندهای دوگانه و نیز اضافه کردن هیدروژن به محل پیوندهای باقی مانده، می توان روغن هیدروژنه (hydrogenated) تولید نمود.

مومهای چسبنده نیز بلحاظ شیمیائی نظیر چربیها هستند. آنها کاملاً اشباع شده می باشند و در درجه حرارت نرمال خارج از منزل (محیط)، جامد هستند.

مومهای چسبنده  روی برگ ها و شاخه های گیاهان خشکی زی ،پوشش های ضد آب ایجاد می نمایند.

حیوانات ،مومهای چسبنده را در  پوست پستانداران و اسکلت خارجی حشرات بعنوان  ماده ضد آب (waterproof)، سنتز می کنند.

در مواردی نیز از مومهای چسبیده بعنوان کندوهای زنبور عسل که بصورت طبیعی تهیه می شود، استفاده می گردد.

چربیهای فسفاته در قسمت های بالای خود(سر) در آب حل و در قسمت های پائین شان(دم) غیر قابل حل هستند.

غشاء پلاسما که داخل سلول را از جهان خارج آن جدا می کند، دارای چند نوع چربی فسفاته است.(phospholipids)

واقعیت این است که یک چربی بر مبنای فسفات نظیر یک روغن است.البته یک  استثناء مجود دارد و آن اینکه یکی از سه اسید چرب  با یک گروه فسفات که یک گروه کاربردی قطبی کوتاه است و نوعاً گروه نیتروژن داری می باشد، جایگزین شده است.

 

همانگونه که در شکل فوق مشاهده می نمائید، قسمت سر چربیهای فسفاته، آب دوست و قسمت دم آن آبگریز است .

بدین ترتیب این عملکرد دوگانه چربیهای فسفاته برای ساختار و عملکرد غشاء پلاسما بسیار ضروری و اساسی است و باعث می گردد که کل پروتئین غشاء وظایف خود را بخوبی انجام دهد. از جمله:

1-   پروتئین های حمل و نقل، که حرکت اغلب مواد محلول در آب را در سرتاسر غشاء، تنظیم می نمایند.

2-   پروتئین های پذیرنده، که مولکولها را در محیط خارجی به هم پیوند داده، و تغییرات در متابولیسم سلولی را باعث می شوند.

3-   پروتئینهای تشخیص دهنده  که بر چسب های شناسائی و (سایت های) محل های اتصال را فراهم می نمایند.

بطور کلی، عملکرد دوگانه چربیهای فسفاته جریان مواد را به داخل و خارج سلول که به کمک پروتئین های غشاء صورت می گیرد را تنظیم می نمایند.

استیرویدها (steroids):

استیرویدها بلحاظ ساختاری از همه چربیهای دیگر متفاوت هستند.

تمام آنها از چهار حلقه کربنی که به همدیگر متصل شده اند  و گروه های عملیاتی کاربردی مختلفی به نها وصل است.،بوجود می ایند.

کلسترول (cholesterol) یک نوع استیروید (steroid) است.

زرده تخم مرغ سرشار ازکلسترول است.روی هم رفته کلسترول یک جزء حیاتی از سلولهای حیوانی است و سلولها برای سنتز سایر استیرویدها از کلسترول (cholesterol) استفاده می کنند.

بدین ترتیب سایر استیرویدهای بدن که از کلسترول سنتز می شوند عبارتند از هورمونهای جنسی نر و ماده، هورمونهائی که سطوح نمک بدن را تنظیم می کنند، صفرا که هضم چربیها را تسهیل می کند و هورمونهای حشرات که پوست اندازی اسکلت های خارجی بدن حشرات را ترتیب می دهند، همگی در رده استیرویدها فرار دارند.

پروتئین ها (proteins):

مولکولهائی هستند که از یک یا چند زنجیره، اسیدهای امینه (amino acids) تشکیل  شده اند.

پروتئین ها بر اساس جدول ذیل

 اعمال  و وظایف فراوانی را انجام می دهند.

آنزیمهای پروتئینی (protein enzymes) تقریباً همه واکنشهای شیمیائی ، که در داخل سلول صورت می پذیرد را هدایت می کنند.

هر آنزیم (enzyme) فقط یک یا چند واکنش ویژه را پشتیبانی و حمایت می کند.

اغلب سلولها در بدن موجودات زنده صدها نوع آنزیم متفاوت دارند.

سایر پروتئین ها (proteins) برای اهداف ساختاری (ساختمانی) همانند الاستین (elastin) مورد استفاده قرار می گیرند.

الاستین به پوست بدن موجودات حالت ارتجاعی می دهد.

کراتین (keratin) پروتئین اصلی، موها، شاخ ها، ناخن ها و شبکه های تارهای عنکبوتی، است.

انواع دیگری از پروتئین ها نیز برای انبار انرژی و مواد، انتقال و جابجائی و حرکت سلول مورد استفاده قرار می گیرند.

مانند آلبومین در سفیده تخم مرغ؛ کاسین (casein) در شیر قهوه و هموگلوبین ، برای حمل اکسیژن در خون را می توان نام برد.

پروتئین انقباضی در ماهیچه ها، جابجائی و حرکت سلول را تسهیل می کنند، هورمونها مانند انسولین (insulin) و هورمون رشد، مقدمات رشد، موجودات را فراهم می کنند.

آنسولین ،هورمونی است که توسط دستگاه پانکراس (pancreas) ترشح شده  و به واسطه بر انگیختن ،تبدیل گلوکز به گلی کوژن (glycogen) در کبد، قند خون را پائین می آورد.

آنتی بادی ها (antibodies) در مبارزه با بیماری و عفونت به موجودات محیط زیست کمک می کنند و سموم فراوانی مثل سم مار نیز در ردیف پروتئین ها محسوب می شوند.

پروتئینها از زنجیره های اسیدهای آمینه ساخته می شوند و اساساً پلی مرهای اسید های آمینه هستند.

همه اسیدهای آمینه ساختار بنیادین همسان و یکسان دارند.(the fundamental structure) یعنی، یک کربن مرکزی که با چهار گروه عملیاتی کاربردی متفاوت پیوند خورده است، این چهار گروه کارکردی (اصلی)(functional) عبارتند از:

1-   گروه آمینوی نیتروژن دار(-NH).

2-   گروه کربوکسیل یا اسید کربوکسیلیک (-COOH).

3-   هیدروژن (H) .

4-   یک گروه متغیر دیگر (R).

شکل ذیل گویای حقیقت فوق است .

گروه R  در میان اسیدهای آمینه متفاوت (differ) است و به همین دلیل از ویژه گیهای منحصر بفردی برخوردار می باشد.

معمولاً به تعداد بیست اسید آمینه در پروتئین های موجودات زنده پیدا شده است.

بعضی از اسید های آمینه، از گروه های R که قطبی هستند، تشکیل شده و آب دوست (hydrophilic) تلقی می شوند و این اسیدها در آب قابل حل هستند، در عوض بعضی دیگر از اسیدهای امینه، گروه R آنها غیر قطبی بوده، و در آب حل نمی شوند.

لذا این گروه آب گریز (hydrophobic) هستند.

نوع دیگری از اسیدهای امینه، مانند سیستین (cysteine) وجود دارد که در گروه R خود، سولفور (sulfur) دارد و می توانند با سایر سیستین ها پیوند خورده و بدین ترتیب زنجیره های پروتئین را با هم ارتباط دهند.

لذا، این گونه پیوندها که بین گروه های R مربوط ،سیستین هستند، پل های دی سولفیدی

(disulfide bridges) نام دارند.

ویژه گیهای فیزیکی - شیمیائی اسیدهای امینه نیز متفاوت است.

مسائلی از قبیل، اندازه حلالیت در آب و یا شارژهای الکتریکی ، همگی می توانند بدلیل تفاوت در گروه های R  بوجود آیند.

بنابراین امر، سلسله مراتب واقعی اسید امینه، عملکرد هر پروتئین را مشخص می نماید.

خواه این پروتئین قابل حل در آب باشد یا نباشد، خواه آنزیم باشد، هورمون باشد و یا پروتئین ساختمانی باشد.

سکانس ها و سلسله مراتب اسیدهای امینه در هم آمیخته و مهاجم ،غیر قابل استفاده هستند.

در بعضی موارد، دقیقاً یک اسید امینه اشتباه می تواند عملکرد یک پروتئین را بر باد دهد.

اسیدهای امینه برای تشکیل زنجیره ها توسط سنتز دی هیدراسیون (dehydration synthesis) به هم دیگر متصل می شوند.

پروتئین ها همانند لیپیدها(چربیها) و پلی ساکاریدها توسط فرآیند سنتز دی هیدراسیون تشکیل و ساخته می شوند.

در این روش نیتروژن گروه آمین (amino group) (-NH2) مربوط به اسید امینه به کربن گروه کربوکسیل (-COOH) اسید امینه دیگر توسط یک پیوند منفرد کووالانس وصل می گردد. این پیوند ، پیوند پپتید(peptide) نام دارد.

زنجیره منتجه در دو اسید امینه، پپتید (peptide)نام دارد. به همین ترتیب اسیدهای امینه بیشتری، یکی یکی اضافه می گردد تا اینکه پروتئین کامل گردد.

زنجیره های اسید امینه در سلولهای زنده طول متفاوتی دارند، و غالباً از سه تا هزاران اسید امینه امتداد دارد.

لازم به ذکر است که کلمه پروتئین (protein) و پلی پپتید  (poly peptide) برای زنجیره های طویل معکوس می گردد.

مثلاً برای یک زنجیره 50 تائی یا بیشتر کلمه پلی پپتید و برای زنجیره های کوتاهتر از کلمه پپتید استفاده می شود.

یک پروتئین قادر است تا چهار سطح ساختار داشته باشد .

عبارت زنجیره های اسید امینه، این مطلب را به ذهن خطور می نماید که  ممکن است پروتئین ها، ساختاری بی خاصیت و مسخره داشته باشند در صورتیکه حقیقت چیز دیگری است و پروتئین ها در واقع مولکولهای کاملاً سازمان بندی شده ائی هستند که دارای اشکال متنوعی می باشند.دانشمندان زیست شناس می گویند که حداقل چهار سطح از سازمانبندی در ساختار پروتئین ها وجود دارد.

بعنوان مثال: یک مولکول منفرد هموگلوبین که پروتئین حمل کننده اکسیژن در سلولهای قرمز خون است، هر چهار سطح ساختاری پروتئین را دارد. شکل ذیل سطح ساختمان پروتئین را نشان می دهد.

 ساختار اولیه در واقع، رشته اسیدهای امینه است که پروتئین ها را می سازند.(make up) 

این رشته توسط ژنها کددار(coded) می شود. بدین ترتیب انواع متفاوت پروتئین ها، رشته های متفاوت از اسیدهای امینه دارند.

پیوندهای هیدروژنی باعث می گردند که زنجیره های پروتئینی فراوانی توسط ساختارهای ثانویه (secondary structures) ایجاد  گردد.

لذا، پروتئین های فراوانی مانند پروتئین مو، کراتین و واحدهای فرعی مولکول هموگلوبین از این نوع هستند .

این اشکال پیچ خورده، فنری شکل که ساختار ثانویه دارند، به مارپیچ (helix) معروفند.(شکل فوق)

پیوندهای هیدروژنی بین اکسیژن نسبتاً منفی از –C=O و هیدروژن نسبتاً مثبت از گروههای –N-H مربوط به اسیدهای امینه، پیچ خوردگیهای مارپیچ ها را با هم نگه می دارد. ( b)

اغلب پروتئین ها، علاوه بر ساختارهای ثانویه، ساختارهای منحصر بفرد و پیچیده سه بعدی دارند که به ساختارهای سه وجهی

(tertiary structures) معروفند.

 

پل های دی سولفید تشکیل شده بین اسیدهای امینه سیستین، قسمت دوردست یک پپتید منفرد را بگونه ای دیگر به هم نزدیک می گرداند. (شکل C)

لذا، مارپیچ ها در کراتین (keratin) به طریق مختلفی توسط پیوندهای دی سولفید به هم دیگر متصل می شوند.

احتمالاً مهمترین تاثیر ساختار سه وجهی یک پروتئین محیط سلولی (cellular environment) آن باشد.

مخصوصاً هنگامیکه پروتئین در آب سیتوپلاسم و یا چربیهای غشاء ها، حداقل نصف به نصف حل می گردد.

اسیدهای امینه آب دوست (hydrophilic) قادرند پیوندهای هیدروژنی با مولکولهای آبهای نزدیکشان شکل دهند.

در صورتیکه اسیدهای امینه آبگریز، این گونه نسیتند.

بدین ترتیب یک پروتئین هنگامیکه در آب حل می شود، تا خورده(چین خورده) و تکه های نامنظمی شکل می گیرند، در صورتیکه اسیدهای امینه آب دوست جهت شان خارج ازمحیط آبی است و پروتئین های امینه آبگریز بصورت خوشه ای در مرکز مولکول قرار می گیرند.

البته ممکن است بعضی اوقات، پپتیدها، بصورت انبوه بهم دیگر وصل شوند و تشکیل سطح چهارم سازمانبندی پروتئین ها را  بوجود آورند.

این چنین ساختاری از دیدگاه بیولوژی سلولی ساختار چهار وجهی (quaternary structure) پروتئین نام دارد.

هموگلوبین از دو جفت پپتید خیلی شبیه به هم تشکیل می شود که توسط پیوندهای هیدروژنی با هم دیگر نگه داشته شده اند.

هر پپتید (peptide) یک مولکول ارگانیک حاوی آهن را که هم (heme) نام دارد، در خود جای می دهد. هم (heme) (صفحه های قرمز رنگ در شکل d) می تواند یک مولکول اکسیژن را بطرف خود بکشاند.

اساساً وظائف پروتئین ها با ساختارهای سه بعدی(three – dimentional structures) آنها ارتباط دارد. 

 واقعیت این است که در درون یک پروتئین تعداد اسیدهای امینه، نوع آنها و محل قرار گیری بنحو بسیار دقیقی برنامه ریزی شده است و هر کدام گروه های R ویژه ای دارند که ساختار پروتئین و وظیفه بیولوژیکی آنرا تعیین می نماید.

ولی در هر پروتئین بعضی از اسید های امینه هستند که از سایر همکاران خود مهم تر می باشند.

بعنوان مثال: در هموگلوبین، اسید امینه معینی که گروه های R ویژه دارند، باید در مکانهای کاملاً درستی قرار گیرند تا بتوانند گروه هم (heme) حاوی آهن را که اکسیژن پیوند می دهد، بخوبی نگه دارد.

اسید نیوکلئیک (nucleic acids):

این اسیدها زنجیره های طویل نظیر هم هستند، ولی واحدهای فرعی ناهمسان آنها، نیوکلئوتیدها (nucleotides) نام دارد، تمام نیوکلئوتیدها یک ساختار سه قسمتی دارند:

1-   یک قند پنج کربنی مانند ریبوز یا دی اکسی ریبوز (ribose/deoxy ribose)

2-   یک گروه فسفات .

3-   یک نیتروژن حاوی قلیا (باز base) که در میان نیوکلئوتیدها متفاوت است.

شکل ذیل ساختمان یک دی اوکسی ریبوز نیوکلئوتید را نشان می دهد.

 

دو نوع نیوکلئوتید وجود دارد. یکی بنام نیوکلئوتیدهای ریبوزی که حاوی ریبوز قندی و دیگر نیوکلئوتیدهای دی کسی ریبوز که حاوی قند دی اکسی ریبوز هستند.

نیوکلئوتیدهای دی اکسی ریبوز به چهار نوع نیتروژن حاوی قلیاهای بنام های آدی نین، گوانین، سی توسین و تیمین، پیوند می خورند.

(adenine, guanines, cytosine and thymine)

به همین ترتیب نیوکلئوتیدهای ریبوزی نیز به چهار نوع باز (قلیا) بنام آدینین، گوانین، سی توسین و اوراسیل (uracil) بجای تیمین پیوند می خورند.

نیوکلئوتیدها قادرند همانند دانه های تسبیح، تشکیل یک زنجیره طولانی را ایجاد کرده و اسیدهای نیوکلئوتید را بوجود آورند.

در چنین حالتی گروه فسفات یک نیوکلئوتید با قند دیگر بصورت کووالانس پیوند می خورد. شکل ذیل یک زنجیره نیوکلئوتید را نشان می دهد.

دو نوع اسید نیوکلئیک وجود دارد:

1-   دی اوکسی ریبو نیوکلئیک اسید.

2-   ریبونیوکلئیک اسید.

واقعیت این است که دو اسید فوق یعنی DNA و RNA ، مولکولهای وراثت را باعث می گردند.

تشریح این عملیات (توزیع اطلاعات ژنتیکی) این گونه است.

نیوکلئوتیدهای دی اکسی ریبوز زنجیره هائی از میلیونها (millons) واحد طویل که دی اکسی ریبونیوکلئیک اسید

(deoxy ribonucleic acid) یا DNA نام دارند را تشکیل می دهند.

DNA در کروموزمهای تمام موجودات زنده پیدا می شود. رشته سلسه مراتب و ردیف های نیوکلئوتیدهای DNA همانند نقطه ها و خط چین های (dots & dashes) رموزمرس بیولوژیک (biological morse codes) ،اطلاعات ژنتیکی مورد نیاز را برای ساخت پروتئین هر موجود زنده بدرستی املاء می نماید.(spell out)

زنجیره های نیوکلئوتیدهای ریبوز، اسیدهای ریبونیوکلئیک یا RNA نام دارند. (ribonucleic acid – RNA)

RNA ها از مخزن DNA که در هسته هر سلول قرار دارد، کپی و نسخه برداری می گردند.

RNA  با رمز ژنتیکی ،DNA را به داخل سیتوپلاسم سلول حمل کرده و بدین ترتیب سنتز پروتئین ها را میسر می سازد.

سایر نیوکلئوتیدها بعنوان پیغام آوران درون سلولی (intra cellular messengers) و آنزیمهای کمکی (coenzymes) عمل می کنند.

همه نیوکلئوتیدها بخشی از اسیدهای نیوکلئیک نمی باشند(not all)، بعضی از آنها بصورت منفرد در سلول وجود دارند.

و بخشی دیگر از آنها نیز ممکن است قسمت هائی از مولکولهای دیگر را تشکیل دهند.

نیوکلئوتیدهای حلقوی (cyclic) مانند آدی نوسین فسفات حلقوی

(cyclic adenosine phosphate) (شکل a و تنوع نیوکلئوتیدها) یا (cyclic AMP) پیغام آوران درون سلولی هستند که اطلاعات را از غشاء پلاسما به مولکولهای دیگر در درون سلول، منتقل می نمایند.

AMP حلقوی زمانیکه هورمونهای معین با غشاء پلاسما در گیر شود، سنتز می گردد. مضافاً اینکه حلقوی فوق واکنش های شیمیائی ضروری را در سیتوپلاسم یا هسته سلول، تهییج می نماید. بعضی از نیوکلئوتیدها، گروه های فسفات اضافی  نیزدارند.

لذا، این نیوکلئوتیدهای دی فسفات و تری فسفات مانند آدینوسین تری فسفات(adenosine tri phosphate) یا ATP مولکولهای ناپایداری هستند که انرژی های تولید شده را (مثل فتوسنتز) در درون سلول از مکانی به مکان دیگر که مورد نیاز واکنش های شیمیائی دیگری باشند را، منتقل می نمایند. مانند انرژی مورد نیاز برای سنتز پروتئین ها.

نهایتاً اینکه نیوکلئوتیدهای معینی هستند که به آنزیمها کمک می کنند تا نقش خود را در تحریک و هدایت واکنش های شیمیائی بهتر ایفا نمایند.این نیوکلئوتیدها، آنزیمهای همکار یا کمکی (co enzymes) نام دارند.

اکثر آنزیمهای هم قطار از یک نیوکلئوتید که با یک ویتامین ترکیب شده است، تشکیل شده اند. شکل c، تنوع نیوکلئوتید.  شکل ذیل نمونه ای از تنوع نیوکلئوتیدها را نشان می دهد.

خلاصه این که:

1-   کربن در مولکولهای بیولوژیک از اهمیت زیادی برخوردار است و مولکولهای ارگانیک بدلیل داشتن اتمهای کربن متنوع بوده و قادرند انواع فراوانی از پیوندهای شیمیائی را شکل دهند.

توانمندی فوق به مولکولهای ارگانیک این امکان را می دهد که اشکال پیچیده فراوان و متنوعی را از قبیل، استخوان بندی، زنجیره ائی ، شاخه ای و حتی حلقوی داشته باشند.

2-   اغلب مولکولهای بزرگ بیولوژیک پلی مرهائی هستند که با متصل شدن به واحدهای فرعی کوچکتر فراوانی، تحت عنوان منومر(monomers) سنتز می شوند.

زنجیره هائی از واحدهای فرعی توسط پیوندهای کووالانس از طریق سنتز دی هیداراسیون (dehydration synthesis) با همدیگر مرتبط  و متصل می شوند.

این امکان نیز وجود دارد که زنجیره ها توسط مکانیزم واکنش های شیمیائی هیدرولیز (hydrolysis) ، شکسته شده و از هم جدا گردند.

مهمترین مولکولهای ارگانیک در چهار طبقه مخصوص قرار می گیرند:

1-   ئیدراتهای کربن.

2-   چربیها.

3-   پروتئین ها.

4-   اسیدهای  نیوکلئیک.

خصوصیات اصلی هر یک از مولکولهای ارگانیک فوق در جدول ذیل درج شده است.

3-   ئیدراتهای کربن (carbohydrates).

ئیدراتهای کربن شامل قندها، نشاسته ها، کیتین و کلوکز می شوند. قندها و بعضی از پلی و دی ساکاریدها از نیوکلئوئیدها هستند، که انبار موقت انرژی بوده و برای ساخت سایر مولکولها مورد استفاده قرار می گیرند.

نشاسته ها و کلی کوژن، پلی ساکاریدهائی هستند که برای انبار کردن طولانی مدت انرژی در گیاهان و حیوانات بکار می روند.

سلولز و سایر پلی ساکاریدهای مرتبط، دیواره های سلولی باکتریها، قارچ ها، گیاهان و بعضی از میکروارگانیزمها را شکل می دهند.

4-   چربیها (لیپیدها) (lipids).

مولکولهای غیر قطبی و غیر قابل حل در آب هستند . ساختار شیمیائی متنوع داشته و شامل روغن ها، چربیها، موم ها، فسفاتها و استرویدها می باشند.

چربیها برای انبار کردن انرژی مورد استفاده قرار گرفته و بعنوان مواد ضد آب

(water proof) در قسمت خارجی بدن گیاهان و حیوانات زیادی، کاربرد دارند.

مومها بعنوان  جزء اصلی غشاء های سلولی تحت نام فسفولیپید یا چربیهای فسفاته هستند و استیرویدها نقش هورمونی دارند.

5-   پروتئین ها (proteins).

زنجیره هائی از اسیدهای امینه می باشند، ساختمان، (ساختار) و وظیفه یک پروتئین توسط رشته وسلسله مراتب اسیدهای امنیه در زنجیره، تعیین می گردد.

پروتئین ها نیز می توانند تحت عنوان آنزیم عمل کنند، آنها در چنین حالتی واکنش های شیمیائی را هدایت می کنند.

مولکولهای ساختاری مانند موم ها و ناخن های حیوانات از جمله انسان، هورمونها، انسولین (insulin) یا مولکولهای حمل و نقل مانند هموگلوبین، نیز در زمره پروتئین ها هستند.

6-   اسیدهای نیوکلئیک (nucleic acids).

مولکولهای اسید نیوکلئیک زنجیره هائی از نیوکلئوتید ها هستند.

هر نیوکلئوتید از یک گروه فسفات، گروه قندی و یک گروه نیتروژنی حاوی قلیا، تشکیل یافته است.

دو نوع اسید نیوکلئوید بنام های DNA و RNA وجود دارد.

سایر نیوکلئوتیدها شامل، پیغام آوران درون سلولی (ATP حلقوی)، مولکولهای حمل کننده انرژی (ATP) و آنزیمهای کمکی هستند.

بدین ترتیب ،کلیه مولکولهای بیولوژیک در محیط زیست اساس حیات را تشکیل می دهند،بدون این زیست واره ها هیچ موجود زنده ئی قادر به ادامه حیات نخواهد بود.