سیر انرژی در عالم حیات
هدف‌های رفتاری: فراگیر پس از پایان این مطلب خواهد توانست:
۱- مفهوم کلی و کاربرد انرژی در عالم حیات را شرح دهد.
۲- مفهوم متابولیسم را در سلول‌های زنده توضیح دهد.
۳- مفهوم واکنش‌های انرژی خواه و انرژی زا در سلول را بیان کند.
۴- ساختار آنزیم، عمل و شرایط عمل آنزیم‌ها را شرح دهد.
۵- مفهوم کلی فتوسنتز را تعریف کند.
۶- فتوسنتز را به عنوان فرآیند تولید غذا و تولید‌کننده اکسیژن آزاد در اتمسفر توضیح دهد.
هر موجود زنده‌ای برای ادامه حیات به انرژی نیاز دارد. منشأ این انرژی در سلول‌های زنده مواد آلی است. از این نظر یک سلول را می‌توان همانند یک نیروگاه تولید انرژی به حساب آورد. آثار حیاتی که در بدن موجودات زنده تجلی می‌کنند حاصل واکنش‌های شیمیایی متعددی هستند که در درون سلول‌های آن‌ها انجام می‌گیرند.
بعضی از جانداران مانند گیاهان و جلبکها می‌توانند انرژی نوری را از خورشید دریافت کنند و آن را بصورت انرژی نهفته در پیوندهای شیمیایی مواد آلی (غذا) در بیاورند. بنابراین در مولکولهای مواد غذایی انرژی نهفته است و همه جانداران برای انجام اعمال حیاتی و ادامه حیات خود از آن استفاده می‌کنند. جاندارانی مانند گیاهان و جلبکها را که می‌توانند از مواد کانی ساده به کمک انرژی نوری غذای خود را تولید کنند، اتوتروف می‌گوییم و جاندارانی مانند جانوران که غذای خود را بطور مستقیم و یا غیر مستقیم از اتوتروفها تأمین می‌کنند، و قادر به تولید غذای خود نیستند، هتروتروف خوانده می‌شوند. فرآیند تولید مواد آلی به کمک انرژی نوری را فتوسنتز می‌گوییم.
فرآیندی که طی آن انرژی نهفته در پیوندهای شیمیایی مواد غذایی (مواد آلی) آزاد می‌شود تنفس سلولی خوانده می‌شود. این فرآیند در همه سلول‌های زنده چه آن‌ها که اتوتروفند و چه آن‌ها که هتروتروفند صورت می‌گیرد و چگونگی انجام آن نیز تفاوتی در این دو گروه ندارد.
متابولیسم
سلول‌ها قادر به ساختن و یا شکستن مولکول پروتئین‌ها، لیپیدها، هیدراتهای کربن و یا تغییر شکل آن‌ها در درون خود می‌باشند. سلول‌های حیوانی می‌توانند با مولکولهای گلوکز، گلیکوژن بسازند و سلول‌های گیاهی، نشاسته را از مولکولهای گلوکز می‌سازند. تمام سلول‌ها قادرند از اسیدهای آمینه پروتئین بسازند. سلول‌های حیوانی می‌توانند قندها و لیپیدها را به یکدیگر تبدیل کنند. این سلول‌ها همچنین می‌توانند پروتئین‌ها را به هیدراتهای کربن تبدیل نمایند ولی تا زمانی که آمینواسیدها در اختیار آن‌ها نباشد قادر به ساختن پروتئین نیستند در حالی که سلول‌های گیاهی قادرند، با استفاده از قندها و نمکها (ترکیبات معدنی نیتروژن دار) آمینو اسیدها را تولید کنند. سلول‌های کلروفیل دار گیاهان حتی می‌توانند از دی اکسید کربن و آب، قند تولید کنند (در بحث فتوسنتز خواهید خواند).
بنابراین در سلول‌ها واکنش‌های گوناگونی صورت می‌گیرد که بطور کلی آن‌ها را به دو دسته تقسیم می‌کنند. ۱- ساخته شدن مولکولهای بزرگتر از مولکولهای کوچکتر که آن را «آنابولیسم» می‌گویند.
۲- شکسته شدن مولکولهای بزرگ و تشکیل مولکولهای کوچک که به آن «کاتابولیسم» گفته می‌شود. مجموعه واکنش‌های آنابولیسمی و کاتابولیسمی‌را که در سلول و با دخالت آنزیم‌ها انجام می‌شوند متابولیسم می‌گویند.
آنزیم‌ها
آنزیم‌ها پروتئین‌هایی هستند که مانند کاتالیزورهایی که در شیمی‌خوانده اید، انجام واکنش بین مواد آلی را تسریع می‌کنند. آنزیم‌ها در سلول ساخته شده و بطور اختصاصی در واکنش‌های بیوشیمیایی دخالت می‌کنند. ممکن است که صدها مولکول گلوکز تحت تأثیر آنزیم به یکدیگر متصل شده و یک مولکول بزرگ نشاسته و یا یک مولکول بزرگ سلولز بسازند. مولکولهای پروتئین نیز از اتصال تعداد زیادی اسید آمینه تحت تأثیر آنزیم تولید می‌شوند. برخی از پروتئین‌های تشکیل شده می‌توانند خاصیت آنزیمی‌داشته باشند. آنزیم‌ها می‌توانند مولکولهای بزرگ را نیز شکسته و به مولکولهای کوچکتر تبدیل کنند. مثلا پروتئین‌ها را به آمینو اسیدها و یا نشاسته و سلولز را به مولکولهای گلوکز تبدیل نمایند. آنزیم‌ها (که کاتالیزورهای حیاتی هستند) پس از انجام واکنش آزاد می‌شوند و برای انجام واکنش‌های مشابه دیگری به کار می‌روند. آنزیم‌ها سبب تسریع واکنش‌ها می‌گردند. به عنوان مثال ممکن است مولکولهای دو ماده بدون دخالت آنزیم به هم متصل شوند. ولی این کار بسیار به کندی و در زمان بسیار طولانی صورت می‌گیرد. اگر نشاسته با آب مخلوط شود سالها طول می‌کشد تا به قندهای ساده تبدیل شود در حالی که تحت تأثیر آنزیم آمیلاز این عمل در چند دقیقه یا چند ثانیه انجام می‌شود. آنزیم‌ها بطور اختصاصی عمل می‌کنند. یعنی بطور طبیعی روی مواد خاصی مؤثرند. مثلا آنزیمی‌که باعث اتصال اسیدهای آمینه و تولید پروتئین می‌شود نمی‌تواند سبب اتصال مولکولهای گلوکز و تشکیل نشاسته شود.
نامگذاری آنزیم‌ها غالبا با افزودن پسوند «آز ase» به انتهای نام ماده‌ای که روی آن اثر می‌گذارند و یا واکنشی که باعث انجام و یا تسریع آن می‌شوند صورت می‌گیرد. مثلا پروتئاز Protease آنزیمی است که روی پروتئین‌ها اثر می‌گذارد و لیپاز آنزیمی است که روی لیپیدها اثر می‌کند و موجب تجزیه آن‌ها می‌شود. تمام آنزیم‌ها در طبیعت در درون سلول تولید می‌شوند. بیشتر آن‌ها در سلول باقی مانده و در واکنش‌های درون سلولی دخالت می‌کنند. این آنزیم‌ها را درون سلولی می‌گویند. آنزیم‌های دیگری نیز وجود دارند که پس از ساخته شدن در درون سلول، از آن خارج می‌شوند. این آنزیم‌ها را «بیرون سلولی» می‌گویند. قارچهایی که بر روی نان رشد می‌کنند با آنزیم‌های برون سلولی خود نشاسته نان را تجزیه می‌کنند و یا آنزیم‌های برون سلولی در دستگاه گوارش حیوانات در هضم غذا دخالت می‌کنند.
عاملهای مختلفی می‌توانند بر آنزیم‌ها و واکنش‌های آنزیمی‌مؤثر باشند. تغییرات درجه حرارت که بر سرعت واکنش‌های شیمیایی مؤثر است بر آنزیم‌ها و واکنش‌های مربوط به آن‌ها نیز اثر دارد. چون آنزیم‌ها، ساختمان پروتئینی دارند در درجه حرارت بیش از پنجاه درجه سانتی گراد تغییر ماهیت داده و اثر آن‌ها زایل می‌گردد. یکی از علتهای مردن موجودات زنده در گرمای زیاد همین است.
یکی دیگر از عاملهای بسیار مؤثر بر آنزیم‌ها و واکنش‌های آنزیمی pH است. (درجه قلیایی و یا اسیدی بودن محیط را با pH مشخص می‌کنند، pH یک تا هفت نشان دهنده وضعیت اسیدی است. pH هفت تا چهارده حالت قلیایی محیط را نشان می‌دهد. ۷ = pH خنثی بودن محیط را مشخص می‌کند.) ویژگی‌های آنزیم‌ها مانند پروتئین‌ها در شرایط اسیدی و قلیایی تغییر می‌کند. بعضی از آنزیم‌ها در محیط اسیدی و بعضی در محیط قلیایی فعالیت می‌کنند. بیشتر آنزیم‌ها در محیط تقریبا خنثی (که نه اسید است و نه قلیا) بهترین اثر را دارند. تغییر درجه اسیدی و قلیایی محیط باعث تغییر در سرعت واکنش می‌شود و محیطهای بسیار اسید و یا بسیار قلیا سبب تغییر ماهیت آنزیم می‌شوند.
پرسش‌ها
۱- آنزیم چیست؟ چند نوع آنزیم را نام ببرید.
۲- آنزیم‌ها چه اثری بر واکنش‌های بیوشیمیایی دارند؟
۳- آیا ممکن است واکنشی بیوشیمیایی بدون حضور آنزیم انجام شود؟ توضیح دهید.
