اساس شیمیایی حیات
هدف‌های رفتاری: فراگیر پس از پایان این مطلب خواهد توانست:
١- اساس شیمیایی بدن جانداران را تا حدودی معرفی کند.
۲- عناصر اصلی تشکیل دهنده بدن جانداران را نام ببرد.
۳- مواد آلی موجود در بدن جانداران و نقش و ساختمان آن‌ها را تعریف کند.
ترکیب اصلی بدن جانداران را موادی تشکیل می‌دهند که به آن‌ها مواد آلی می‌گوییم.
عناصر اصلی سازنده مواد آلی، عبارتند از کربن، هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن، فسفر و گوگرد. طرح مقابل درصد عناصر سازنده بدن جانداران را نشان می‌دهد، همانگونه که مشاهده می‌کنید این عناصر بیش از ۹۷ درصد از مواد سازنده بدن جانداران را تشکیل می‌دهند. در ساختمان بدن جانداران علاوه بر مواد آلی، آب و مواد کانی نیز وجود دارد.
شکل ۱- درصد عناصر سازنده بدن جانداران
آب
یکی از اساسی ترین مواد در بدن جانداران آب است.
در اغلب سلول‌ها حدود ۷۵ درصد آب وجود دارد. اگر میزان آب سلول به مقدار زیادی کاهش یابد، سلول خواهد مرد. آب حلال خوبی است و بسیاری از مواد می‌توانند به صورت محلول در آب به طرف سلول حرکت کنند. مولکول‌های آب در بخش عظیمی از واکنش‌های شیمیایی حیات مانند فتوسنتز دخالت دارند. در گیاهان علفی، فشار آب در سلول‌ها موجب استواری گیاه می‌شود.
خواص فیزیکی و شیمیایی آب طوری است که آن را برای فعالیت حیاتی سلول کاملا مناسب می‌سازد. مثلا زیاد بودن ظرفیت گرمای ویژه آب سبب می‌شود که افزایش دمای محیط تا حد نسبتا زیاد روی واکنش‌های حیاتی درون سلول اثر نامطلوب نداشته باشد. اما به دلیل یخ زدن آب در صفر درجه، بیشتر سلول‌ها آسیب می‌بینند، زیرا دمای کمتر از صفر باعث تشکیل بلورهای یخ درون سلول می‌گردد و سلول‌ها را متلاشی می‌کند.
املاح (مواد کانی)
املاح در سلول به صورت «یون» وجود دارند. مانند کلرید سدیم که به صورت یون سدیم (+Na) و یون کلر (-Cl) در سلول دیده می‌شوند. یونها آزادانه درون سلول جابجا می‌شوند. بعضی از یونها به مولکول‌هایی مانند پروتئین‌ها و یا چربیها متصل می‌شوند و همچنین در تعیین میزان ورود و خروج آب به سلول دخالت دارند. گروهی از یونها مانند کلسیم، پتاسیم و سدیم در ایجاد و انتقال پیامهای عصبی دخالت می‌کنند (در مباحث اعصاب بخوانید). کمبود یا افزایش یونها باعث اختلال در اعمال حیاتی سلول‌ها می‌شوند.
مواد آلی
آن دسته از موادی که در ساختمان شیمیایی آن‌ها حتمأ عنصر کربن به کار رفته و دارای یک اسکلت کربنی هستند، مواد آلی نام دارند. مهمترین مواد آلی موجود در سلول‌ها، هیدراتهای کربن، لیپیدها، پروتئین‌ها و اسیدهای نوکلئیک هستند.
هیدراتهای کربن
هیدراتهای کربن ممکن است ساده مانند گلوکز، دو تایی مانند ساکاروز و یا به صورت مولکول‌های پیچیده‌ای مانند نشاسته و سلولز باشند. ولی به هر صورت همه آن‌ها دارای کربن، هیدروژن و اکسیژن هستند. گلوکز با فرمول شیمیایی C6H12O6 یک هیدرات کربن ساده است.
هیدراتهای کربن ساده را مونوساکارید می‌گوییم. در ترکیب مونوساکاریدها تعداد اتمهای کربن و اکسیژن برابر هم هستند و تعداد اتمهای هیدروژن دو برابر کربنها می‌باشد. مونوساکاریدها ممکن است دارای ۷-۳ کربن باشند. مهمترین آن‌ها پنج و شش کربنی ها هستند.
از ترکیب دو مونوساکارید با یکدیگر یک مولکول دی ساکارید حاصل می‌شود و از ترکیب چند مولکول مونوساکارید با یکدیگر پلی ساکاریدها بوجود می‌آیند.
بعضی از مونوساکاریدهای مهم در طبیعت عبارتند از:
١- گلوکز که یک ماده مهم انرژی زا در همه سلول‌های زنده است و در خون انسان به مقدار یک در هزار وجود دارد.
۲- فروکتوز که در اغلب میوه‌ها وجود دارد و شیرینی آن‌ها را سبب می‌شود.
٣- گالاکتوز که از تجزیه قند موجود در شیر بوجود می‌آید.
بعضی از دی ساکاریدهای مهم در طبیعت عبارتند از:
١- ساکاروز که از ترکیب گلوکز و فروکتوز درست می‌شود مانند قند یا شکر معمولی.
۲- مالتوز که در جوانه گندم وجود دارد و از ترکیب دو مولکول گلوکز بوجود می‌آید.
٣- لاکتوز که شیرینی شیر را سبب می‌شود و از ترکیب گالاکتوز و گلوکز تشکیل شده است.
بعضی از پلی ساکاریدهای مهم عبارتند از:
١- گلیکوژن که در بیشتر سلول‌های حیوانی به صورت ذخیره وجود دارد و از چندین مولکول گلوکز بوجود می‌آید.
۲- نشاسته از اتصال صدها مولکول گلوکز که زنجیره‌های بلند و منشعبی را می‌سازند، ساخته شده و یک ذخیره غذایی در سلول‌های گیاهی به حساب می‌آید.
۳- سلولز هم از تعداد زیادی مولکول‌های گلوکز به صورت زنجیره‌های بسیار بلند ساخته شده است. این زنجیره‌ها با هم گروه گروه شده و به صورت رشته‌های میکروسکوپی در ساختمان دیواره سلولی گیاهان شرکت می‌کنند. پلی ساکاریدها در آب نامحلولند. شکل زیر فیبرهای سلولزی در دیواره سلولی گیاهان را نشان می‌دهد.
شکل ۲- مولکول‌های نشاسته و گلیکوژن
لیپیدها
روغنها و چربیها و موادی مانند استروئیدها «لیپید» نام دارند. لیپیدها از کربن، اکسیژن و هیدروژن ساخته شده‌اند. به مولکول چربی، که در آن سه مولکول اسید آلی بنام اسید چرب و یک مولکول گلیسرول وجود دارد «تری گلیسرید» می‌گویند. مانند تری استئارین که سه مولکول اسید استئاریک دارد.
به علت ترکیب انواع مختلف اسیدهای چرب با گلیسرول، لیپیدهای گوناگونی تولید می‌شوند.
در ساختمان تری گلیسریدها، سه اسید چربی که با گلیسرول ترکیب می‌شوند، حتما نباید مثل هم باشند. مانند فرمول زیر:
تری گلیسریدها وقتی به پروتئین متصل می‌شوند «لیپوپروتئین‌ها» را بوجود می‌آورند.
گروه دیگری از لیپیدها مانند کلسترول که دارای ساختمان پیچیده‌ای هستند «استروئید» نامیده می‌شوند. چربیها بخشی از غشای سیتوپلاسمی و غشاهای درونی مثل غشای هسته سلول را می‌سازند.
قطرات چربی و روغن که در سیتوپلاسم سلول انباشته می‌گردند یکی از منابع مهم تولید انرژی در سلول می‌باشند. معمولا مواد لیپیدی را که منشأ حیوانی دارند چربی، و آنهایی را که منشا گیاهی دارند روغن می‌نامند.
پروتئین‌ها
بعضی از پروتئین‌ها در ساختمان بخشهای مختلف سلول مانند غشای پلاسمایی، میتوکندری، ریبوزوم و کروموزوم وجود دارند که به آن‌ها پروتئین‌های ساختمانی می‌گویند.
گروه دیگری از پروتئین‌ها آنزیم‌ها می‌باشند. آنزیم‌ها مانند کاتالیزورهایی که در شیمی‌معدنی خوانده اید، واکنش‌های شیمیایی درون سلول را انجام پذیر می‌کنند.
پروتئین‌ها بسیار متنوعند ولی در همه آن‌ها کربن، هیدروژن، اکسیژن و نیتروژن وجود دارد و مولکول‌های آن‌ها از واحدهای شیمیایی ساده‌ای بنام «آمینواسید» ساخته شده است. حدود ۲۰ نوع آمینو اسید مختلف در پروتئین‌ها وجود دارند.
در مولکول پروتئین‌های مختلف آمینو اسیدها به ترتیب خاصی به دنبال هم قرار دارند.
پیوند شیمیایی بین آمینو اسیدها پیوند پپتیدی نامیده می‌شود. اتصال دو آمینواسید دی پپتید، سه آمینواسید‌تری پپتید و چند آمینو اسید را پلی پپتید می‌گویند.
گاه چند رشته پلی پپتید به یکدیگر متصل شده و مولکول‌های بزرگتری را بوجود می‌آورند.
شکل مولکول پروتئین در ارتباط با واکنش‌هایی که با سایر مواد ایجاد می‌نماید، بسیار حائز اهمیت است. به توضیحاتی که بعد درباره آنزیم‌ها داده می‌شود دقت کنید.
وقتی به پروتئین بیش از ۵۰ درجه سانتیگراد حرارت داده شود، پیوند بین مولکول‌های آن شکسته شده و پروتئین شکل خود را از دست می‌دهد که دوباره با سرد شدن به شکل اولیه باز نمی‌گردد و به این ترتیب پروتئین خواص خود را از دست می‌دهد. سفیده تخم مرغ یک پروتئین است. وقتی که حرارت ببیند، مولکول‌های آن تغییر شکل می‌دهند و از حالت شفاف و مایع لغزنده به ماده جامد و سفید رنگی که لغزندگی نیز ندارد تبدیل می‌شود.
پروتئین‌ها از مهمترین مواد سازنده سلول می‌باشند. اگر ترکیب شیمیایی پروتئین‌های سلول تغییر کند، اعمال حیاتی سلول متوقف شده و سلول می‌میرد.
اسیدهای نوکلئیک
یکی دیگر از ترکیبات آلی سازنده بدن جانداران اسیدهای نوکلئیک یا اسیدهای هسته‌ای می‌باشند. اسیدهای نوکلئیک مولکول‌های درشت و پیچیده‌ای هستند که از مولکول‌های کوچکتری بنام نوکلئوتید ساخته شده‌اند.
در ترکیب هر نوکلئوتید یک مولکول قند پنج کربنی، یک باز آلی و یک مولکول اسید فسفریک وجود دارد. اسیدهای نوکلئیک برحسب قند موجود در آن به دو دسته تقسیم می‌شوند.
اسید داکسی ریبونوکلئیک (DNA) که قند ساختمانی آن داکسی ریبوز است، در هسته سلول‌ها (کروموزومها) و مقدار خیلی کم نیز در میتوکندریها و کلروپلاستها وجود دارد.
اسید ریبونوکلئیک RNA که قند موجود در آن ریبوز می‌باشد و در هسته و سیتوپلاسم سلول‌ها دیده می‌شود.
در ساختمان اسیدهای نوکلئیک هر مولکول قند ریبوز یا داکسی ریبوز از یک طرف به اسید فسفریک و از طرف دیگر به باز آلی نیتروژن دار متصل می‌گردد. در ساختمان DNA چهار نوع نوکلئوتید شرکت دارد که تفاوت آن‌ها در باز آلی مربوط به آنهاست. این بازها عبارتند از: گوانین، سیتوزین، ادنین و تیمین.
DNA از دو زنجیر پلی نوکلئوتیدی تشکیل شده که به شکل نردبانی در اطراف یک محور فرضی پیچیده‌اند (شکل ۳). طرز قرار گرفتن این بازها در مقابل یکدیگر طوری است که همیشه آدنین در مقابل تیمین و سیتوزین در برابر گوانین قرار دارد. ارتباط هر دو باز به یکدیگر توسط اتصالهای هیدروژنی صورت می‌گیرد (شکل ۴). تعداد و ترتیب قرار گرفتن نوکلئوتیدهای موجود در هر مولکول DNA متفاوت است.
شکل ۳- مولکول DNA که در اطراف یک محور فرضی پیچیده است.
به شکل زیر توجه کنید.
شکل DNA را اغلب به نردبان تشبیه می‌کنند. (الف)
مدل DNA را نشان می‌دهد. (ب)
RNA نیز از چهار نوع نوکلئوتید ساخته شده است و در هر نوکلئوتید آن قند ریبوز، اسید فسفریک و چهار نوع باز آلی نیتروژن دار بنامهای آدنین، گوانین، سیتوزین و اوراسیل دیده می‌شود. همانطور که در مباحث ژنتیک گفته شد مولکول‌های DNA ترکیب شیمیایی ژن‌ها (عوامل انتقال دهنده صفات ارثی) را می‌سازند و مولکول‌های RNA در ساخته شدن پروتئین‌ها در سلول نقش دارند.
شکل ۴- طرز قرار گرفتن بازهای DNA
پرسش‌ها
١- نقش آب را در بدن جانداران شرح دهید.
۲- انواع لیپیدها را نام ببرید.
۳- عناصر عمده موجود در بدن جانداران کدامند؟
۴- مواد آلی موجود در بدن جانداران کدامند و چه تفاوت‌هایی در آن‌ها دیده می‌شود؟
۵- اهمیت پروتئین‌ها را در بدن جانداران توضیح دهید.
