فصل 3 ساختار شیمیایی
هر ماده ای که می شناسیم از واحد هایی به نام اتم درست شده است.از ترکیب اتم ها مولکول به وجود می آید. مانند مولکول آب که تشکیل شده از عناصر هیدروژن و اکسیژن با فرمول شیمیایی H2O ساده بودن فرمول شیمیای یا عناصر تشکیل دهنده دلیل بر کم اهمیت بودن آن مولکول نیست.مثلا اگر در کرات دیگر کوچکترین نشانه که از آب پیدا کنند ، نتیجه می گیرند که در آنجا امکان حیات وجود دارد. بدن ما هم از اتم ومولکولهایی که آنها تشکیل داده اند درست شده است. پس برای آشنایی با ساختار شیمیایی بدن باید با مواد تشکیل دهنده آن آشنایی پیدا کنیم.
مواد بدن موجودات زنده شامل دو گروه عمده است 1- مواد معدنی 2-مواد آلی
مواد معدنی (Inorganic materials)
نمودار زیر درصد بعضی از مواد معدنی بدن را نشان می دهد
همانگونه که در نمودار مشاهده می کنید قسمت اعظم بدن را آب تشکیل داده است. بیشترفعالیتهای بدن در حضور آب صورت می گیرد. خلاصه این که بدون آب نمی توان زندگی کرد. به همین دلیل است که وقتی در کرات دیگر کوچکترین نشانه ای از آب پیدا می کنند سریعا احتمال حیات در آن سیاره را می دهند.
بعد از آب،دی اکسید کربن و اکسیژن از مواد معدنی مهّم بدن هستند. دی اکسید کربن یکی از مواد خام فتو سنتز می باشد واهمیت اکسیژن هم برای همه روشن است.
بعضی از مواد معدنی به شکل ترکیبات کلریدها، کربنات ها و فسفاتها هم در بدن موجودات زنده به شکل یون در آمده ودر سلول به انجام واکنشهای شیمیایی کمک می کنند یکی از این ترکیبات نمک خوراکی است (درفصل تغذیه با این ماده معدنی بیشتر آشنا می شوید) نمک خوراکی در حضور آب،در بدن تبدیل به یون سدیم با بار مثبت ویون کلر با بار منفی می شود .
مواد آلی (organic materials)
موادی که معمولا توسط موجود زنده ساخته می شود(در آزمایشگاه هم امکان تولید مواد آلی وجود دارد) . یکی از تفاوتهای این مواد با مواد معدنی این است که در همه این ترکیبات کربن وجود دارد و زنجیره ای از کربن اسکلت اصلی مولکولهای این مواد را می سازد. بعضی از مولکولهای مواد آلی اندازه بزرگی دارند با بعضی از آنها در این بخش آشنا می شویم .
مهمترین ترکیبات آلی بدن موجودات زنده شامل 1- هیدراتهای کربن 2- لیپیدها 3- پروتئین 4- اسیدهای نوکلئیک
گروهی از مواد آلی در طبیعت به وفور یافت می شوند وبه عنوان مواد غذایی ذخیره و اسکلت سلولی گیاهان عمل می کند. درفصل بعد می بینیم که قسمت عمده غذای انسان را تشکیل داده وبیشتر انرژی ما از آنها تامین می شود.
هیدراتهای کربن چون جزء مواد آلی هستند پس باید یکی از عناصر سازنده اش کربن باشد علاوه بر کربن عناصر اکسیژن و هیدروژن نیز در مولکولهای هیدراتهای کربن شرکت دارند.موادی مانند نشاسته، قند معمولی، شکر و پنبه هیدرات کربن هستند.
هیدراتهای کربن بسته به تعداد مولکول های سازندهاش به سه گروه اصلی تقسیم بندی می شوند.
1- مونو ساکارید ها 2- دی ساکاریدها 3- پلی ساکاریدها
مونو ساکاریدها : مونو پیشوندی به معنی یک وساکارید هم به معنی مولکول قند است . پس به سادگی می توان نتیجه گرفت ، منو ساکارید ها ساده ترین هیدراتهای کربن هستند.گلوکز منوساکاریدی است که نقش مهمی در سلول دارد به این دلیل که منبع اولیه انرژی سلول است.
دی ساکارید ها : از ترکیب دو منوساکارید و از دست دادن یک مولکول آب، دی ساکارید تشکیل می شود . مالتوز دی ساکاریدی است که از ترکیب دو گلوکز تشکیل شده و ساکارز دی ساکاریدی است که از ترکیب دو مونوساکارید گلوکز و فروکتوز درست شده است.
پلی ساکارید ها: ترکیب تعداد زیادی منوساکارید پلی ساکارید را می سازد. نشاسته پلی ساکاریدی است که از ترکیب تعداد زیادی گلوکز تشکیل شده. در گیاهان گلوکز ساخته شده به صورت نشاسته ذخیره می شود چون محلول در آب نیست وبرای ذخیره بهتر است .در شکل زیر عکس میکروسکوپی از ذخیره نشاسته در سیب زمینی را می بینید.
سلولز پلی ساکاریدی است که مانند نشاسته از تعداد زیادی گلوکز تشکیل شده و شاید بیشترین مولکول آلی باشد که در طبیعت یافت می شود.
چوب ماده ای است که بیشتر آن از سلولز ساخته شده ولی پنبه از سلولز خالص است، کاغذ هم مقدار زیادی سلولز دارد. سلولز در دیواره سلولی گیاهان نقش استحکام دارد.
گلیکوژن شباهت زیادی به نشاسته دارد، به همین دلیل به آن نشاسته حیوانی نیز می گویند. گلوکز در جانوران به شکل گلیکوژن ذخیره می شود.در کبد این ذخیره نقش مهمی دارد، وقتی مقدار قند خون (گلوکز) از حد معینی کمتر شد گلیکوژن ذخیره شده در کبد وارد خون شده ونیاز بدن به انرژی رایج را تامین می کند.
حال این پرسش پیش می آید که با توجه به اینکه هر سه پلی ساکارید فوق از منو ساکارید گلوکز ساخته شده ، تفاوت آنها در چیست؟ اگر به شکل مولکولی این پلی ساکارید ها دقت کنیم متوجه می شویم که تفاوت در به هم وصل شدن منو ساکارید ها یا بهتر بگوئیم پیوند های بین آنها علت این تفاوت ها است.
گلیکوژن ذخیره شده در کبد
لیپید ها انواع مختلفی دارند بعضی از آنها را مثل روغن نباتی به عنوان غذا مصرف می کنیم .موم زنبور عسل هم یک نوع لیپید است ،شاید برگ گیاهانی که چرب هستند و آب در روی آنها به شکل قطراتی باقی می ماند دیده باشید.این مواد همگی یک ویژگی مشترک دارند وآن اینکه در آب حل نمی شوند. جالب است بدانید که لپیدها هم مانند هیدراتهای کربن از سه عنصر کربن ( قبلا گفتیم در همه مواد آلی کربن وجود دارد) ، هیدروژن واکسیژن ساخته شده اند. پس این همه تفاوت از کجا ناشی می شود؟ نسبت این عناصر در هیداتهای کربن ولپیدها با یکدیگر متفاوت است. به عنوان مثال اگر ما آب و خاک را با نسبتهای متفاوت مخلوط کنیم ، ترکیب ما شکلهای متفاوتی بدست می آوریم ،روغنی نباتی شامل معروفترین لپید به نام تری گلیسرید است. تری کلیسرید شامل سه اسید چرب و یک مولکول گلیسرول است ، اسید چرب قسمتی از مولکول است که بزرگی یا کوچک بودن مولکول و نوع آن را تعیین می کند. گلیسرول هم قسمت ثابت در مولکول می باشد.هرچه اندازه اسیدهای چرب بزرگتر باشند مولکول سنگینتر و نقطه ذوب آن بالا می رود .البته در روغن های نباتی انواع دیگری از چربی ها هم وجود دارند که در مورد آنها در فصل تغذیه بیشتر صحبت می کنیم.
:پروتئین ها
نام پروتئین (protein) از از کلمه یونانی (protos) به معنی اولیه اقتباس شده است. مولکولهای بسیار درشت و کارهای متنوع ومهمی در سلول وبدن جانداران انجام می دهند.
پروتئین ها هم از سه عنصر کربن، هیدروژن واکسیژن تشکیل شده اند اما بر خلاف گروهای قبلی عنصر نیتروژن و در بعضی از آنها گوگرد هم وجود دارد. از ابتدا منظور از پروتئین مواد آلی بودند که نیتروژن هم داشتند و این می تواند مهمترین تفاوت این گروه از مواد آلی با گروهای قبلی باشد.( در شکل بالا شکل فضایی و کلی پروتئین نشان داده شده واسید های آمینه تشکیل دهنده آن مشخص نشده اند) پروتئین ها از واحد هایی به نام اسید آمینه تشکیل شده اند.
مجموعا 20 نوع اسیدآمینه وجود دارد که با ترکیب شدن آنها با هم، پروتئین های مختلف را می سازند. در تصاویر بالا شکل موکولی دو نوع از اسید آمینه نشان داده شده است. زیاد بودن تعداد واحدهای سازنده و بزرگ بودن اکثر مولکول پروتئین باعث شده تا از نظر کار و شکل تنوع زیادی پیدا کنند البته موادی که به عنوان پروتئین می شناسیم پروتئین خالص نیستند ولی برای درک موضوع می توان پروتئینهای که در شیر و تخم مرغ به شکل محلول هستند یا در گوشت به شکل جامد یا رشته ای مثال زد. پروتین ها نقشها ی مهم و متعددی در بدن از نظر ساختمانی ، انتقال ، حرکتی ، تاثیر در واکنشهای سلول ، ایمنی و.... دارند . اما نقشهای عمده آنها در بدن شامل :
1- انتقال: پروتئینی به نام هموگلوبین در گلبولهای قرمز خون وجود دارد که کار انتقال گازهای تنفسی به خصوص اکسیژن را دارد.
2- پروتئین های ماهیچه که با انقباض خود باعث حرکت بدن می شوند، این پروتئین ها به شکل رشته هستند.
3- آنزیم ها – که به خاطر نقش مهم آنها در زیر جداگانه توضیح داده می شود.
آنزیم ها: حال که به صفحه مونیتور نگاه می کنید ، سرتان را به اطراف برمی گردانید ،غذایی که می خورید و به شما انرژی می دهد ، نفس می کشید و....... اگر لازم باشد در باره تمام کارهایی را که آانزیم ها ، انجام آنها را امکان پذیر می کنند توضیح دهیم فصل خیلی طولانی می شد.
آیا تمام این کارها را آنزیم ها به تنهایی آنجام می دهند؟ اگر به سطر قبلی کمی دقت کنید نوشته شده که ، آنزیمها انجام این کارها را امکان پذیر می کنند .شما سنگ بزرگی را که در شیب کوه قرار گرفته در نظر بگیرید. اگر با یک چوب به عنوان اهرم امکان حرکت دادن سنگ وجود داشته باشد، سنگ با انرژی زیادی شروع به حرکت می کند. یعنی ما با یک اهرم و صرف مقدار کمی انرژی باعث آزاد شدن انرژی نهفته در سنگ شدیم . سقوط بهمن هم همین حالت را دارد. کار ما با حرکت اهرم و صدایی نسبتا شدید در کوه می تواند نقش آنزیم را داشته باشد تا انرژی عظیم آنها آزاد شود.
آنزیم ها در سلول واکنشهای شیمیایی را ، راه می اندازند و باعث سرعت بخشیدن به انجام آنها می شوند، اما جالب اینکه در این فعل و انفعال خود نه مصرف می شوند و نه تغییر می کنند . در سلولها هر لحظه واکنشهای زیادی در حال انجام است ، مانند تبدبل نور به پیام های عصبی،در سلولهای شبکیه چشم که باعث دیدن ما می شود ، دو ماده وجود دارد که وقتی نور با آنها برخورد می کند از هم جدا شده و همین جدا شدن پیام عصبی رابه وجود می آورد ، از این مواد در سلولهای شبکیه زیاد است ولی در نور شدید تعداد زیادی از آنها از هم جدا می شوند و برای اینکه سلول بتواند نوری که به آن می رسد تبدیل به پیام عصبی کند با ید دوباره این مواد را سریعا به هم متصل کند و این عمل جز با کمک آنزیم آمکان پذیر نیست.
نحوه عمل آنزیم ها :
آنزیم ها مانند دیگر پروتئین ها ساختمانی سه بعدی دارند، قسمتی از آنزیم هم که پیش ماده به آن می چسبد و جایگاه فعال نام دارد نیز ساختمانی سه بعدی دارد. (هر ماده ای یا موادی که برای جدا شدن از هم، اتصال ، یا هر تغییری به جایگاه فعال آنزیم بچسبد پیش ماده نام دارد) این ساختمان سه بعدی در هر آنزیم با آنزیم دیگر متفاوت است .برای مثال می توان به قفل وکلید اشاره کرد ، هر کلیدی قفل را نمی تواند باز کند مگر دندانه های آن دقیقا مکمل قفل باشد ، جایگاه فعال آنزیم (قسمت زرد رنگ شکل)که پیش ماده (substrate) به آن می چسبد هم شکل خاصی دارد .
همانطور که در شکل بالا دیده می شود ، پیش ماده به جایگاه فعال آنزیم متصل شده و بعد از تغییراتی به عنوان محصول (product) یا محصولات ( products)از آن جدا می شود. محصول ماده ای است که هدف آنزیم تولید آن ماده است . برا ی مثال دی ساکارید مالتوز که در جوانه جو وجود دارد ازدو منو ساکارید گلوگز تشکیل شده ، بدن ما برای اینکه از گلوگز موجود در مالتوز استفاده کند با ید دی ساکارید را تجزیه کند در اینجا مالتوز به عنوان پیش ماده و گلوکز ها ، محصول به حساب می آیند . آنزیمی این کار را انجام می دهد باید شکل جایگاه فعالش مکمل شکل مالتوز باشد تامالتوز بتوانند به جایگاه فعال متصل شود. برا ی تجزیه ساکارز که شکلش با مالتوز فرق دارد ، نیاز به آنزیم دیگری است. پس هر واکنشی برای انجام شدن آنزیم مخصوص به خود را لازم دارد.
دما سرعت آنزیم را افزایش می دهد ، چون شانس برخورد پیش ماده و جایگاه فعال را زیاد می کند اما دمای بیش از 45 درجه شکل فضایی آنزیم ها را تغییر می دهد ، در نتیجه شکل جایگاه فعال نیز تغییر کرده و پیش ماده نمی تواند به آن متصل شود ، در این حالت از سرعت واکنش آنزیم کاسته می شود.
اسیدهای نوکلئیک:
شامل مولکولهای DNA و RNA می باشد که آنها را در فصلهای بعدی مطالعه خواهیم کرد .