الجزيئات الحيوية: بحث شامل وتفصيلي

سنتحدث في هذا البحث عن الجزيئات الحيوية؛ وهي تلك التي تتواجد في جميع الكائنات الحية على الأرض مهما كان حجمها من الكائنات المجهرية مثل البكتيريا والفطريات والطحالب وصولاً إلى الحيوانات الضخمة في الحيتان الزرقاء وبالطبع الإنسان.

يطلق على هذه الجزيئات اسم الجزيئات الحيوية، وهذه الجزيئات تعتبر وحدات البناء الرئيسية التي يتكون منها جسم كافة الكائنات الحية، وهي ضرورية لبقاء هذه الكائنات الحية على قيد الحياة.

خصائص الجزيئات الحيوية

• هي مصادر أساسية للطاقة.
• وسيلة لتخزين الطاقة.
• تمثل المعلومات والإرشادات الخاصة ببناء الكائنات الحية. وهي مسؤوله عن تمرير هذه المعلومات إلى الأجيال القادمة.

مكونات الجزيئات الحيوية

الجزيئات الحيوية هي المكونات الرئيسية للحياة؛ ومن هذه الجزيئات:

• الكربوهيدرات.
• الدهون أو الليبيدات.
• البروتينات.
• الأحماض النووية.

تُصنف هذه الجزيئات بنفس الطريقة التي يُصنف بها الطعام. وذلك لأنها تعتبر مواد غذائية، والذي صنف هذه الجزيئات بهذه الطريقة هو طبيب إنجليزي كرس حياته لدراسة بول الإنسان قبل مئات السنين.

وليام بروت William Prout

اهتم في أوائل القرن التاسع عشر بدراسة عملية الهضم عند الإنسان. وتم تحديداً بالبول، لأنه كان يؤمن أن أفضل طريقة لفهم جسم الإنسان هي من خلال علم الكيمياء.

وأن أفضل طريقة لفهم كيمياء الجسم هي من خلال فهم طريقة هضم الجسم للطعام.

كان وليام بروت طبيباً ممارساً، ولكن كل صباح قبل أن يتناول الإفطار كان يُجري أبحاثاً في مختبره منزله في لندن. ومن ذلك المختبر توصل إلى العديد من الاكتشافات العظيمة؛ فهو أول من اكتشف المعدة تحتوي على حمض الهيدروكلوريك.

كما كتب كتاباً متميزاً عن الحصوات الكلوية بعنوان “دراسة حول طبيعة وعلاج الحصوات الكلوية” والأمراض الأخرى المتعلقة باضطرابات أعضاء الجهاز البولي.

وكان أول من اكتشف التركيب الكيميائي لليوريا النقية، أو المكون الرئيسي للبول، وهذا هو التركيب الكيميائي لليوريا. تُطلق اليوريا الأمونيا؛ ولهذا السبب يوجد للبول رائحة.

توصل بروت خلال سنوات دراسته للبول إلى أن جميع المواد الغذائية تُصنف ضمن ثلاث فئات:

• المواد السكرية أو الكربوهيدرات.
• المواد الزيتية أو الدهون.
• المواد الزلالية أو البروتينات.

وقال حتى ينعم الإنسان بصحة جيدة عليه أن يتناول كل هذه المواد الثلاثة وليس نوعاً واحداً فقط.

حيث كان يقتصر طعام معظم سكان لندن آنذاك على لحم الأغنام؛ ومثل العديد من العلماء العظماء لم تحظى اكتشافات ويليام بروت بالتقدير التي تستحقه.

ففي ذلك الوقت لم يكن هناك اهتمام كبير بالأبحاث العلمية، وكان الناس في ذلك الوقت يعتقدون أن شخصية الفرد تُحدد لون بوله.

ويليام بروت لم يكن يعرف أن هذه المواد هي ما نُسميه الآن بالجزيئات الحيوية، لأنه لم يفهم بالضبط ما هي هذه الجزيئات.

ولكنه فهم أن هناك ثلاث مكونات ضرورية للحياة، واتضح أن جميع الكائنات الحية تحتاج إلى إنتاج أو تناول هذه المكونات لتعيش.

الكربوهيدرات

على الأرجح أنكم سمعتم بها من قبل، وإذا كنتم تتبعون حمية لإنقاص الوزن فهي من المواد التي قد تبدأون بتجنب تناولها.

ولكن في الحقيقة لا أحد يستطيع تجنب الكربوهيدرات؛ وذلك لأنها المصدر الرئيسي للطاقة المتوفرة لدينا.

مكونات السكريات

تتكون الكربوهيدرات من السكريات، وتنقسم إلى ما يلي:

السكريات الأحادية

يطلق على السكريات البسيطة بالسكريات الأحادية، ومن أهم هذه السكريات هو الجلوكوز؛ الذي يعد المصدر الرئيسي للطاقة في معظم الكائنات الحية.

وهو يحتل المركز الأول في السلسلة الغذائية. وينتج الجلوكوز عن عملية البناء الضوئي التي تعتمد على الطاقة الضوئية الشمسية.

مما يعني أن الطاقة البيولوجية مصدرها الشمس، وعملية البناء الضوئية التي تقوم بها النباتات.

وتحصل الخلايا على الجلوكوز الذي تحتاجه لتوليد الطاقة من خلال عملية التنفس.

بالإضافة إلى جلوكوز هناك أنواع أخرى من السكريات الأحادية مثل الفركتوز. فهو له نفس التركيب الكيميائي لجزيء الجلوكوز.

لكن ترتيب الذرات فيه مختلف، ولهذا الاختلاف البسيط في التركيب الكيميائي له أثر واضح.

الفركتوز على سبيل المثال أكثرُ حلاوة من الجلوكوز بشكل كبير. كما تختلف طريقة تحليل الجسم لهذين النوع من السكر.

السكريات الثنائية

وكما هو واضح من اسمها؛ فهي تتألف من جزيئين من السكريات الأحادية، وأشهرها هو السكروز؛ وهو عبارة عن جزيء جلوكوز مرتبط مع جزيء فركتوز في الرابطة التساهمية.

السكريات الأحادية والثنائية هي مصادر بسيطة للطاقة التي يسهُل على الجسم الاستفادة منها.

ولكن عندما يكبر حجم جزيئات الكربوهيدرات لتُشكل سلاسل أطول، فإن وظيفتها ستتغير.

وبدلا من أن تكون مصدراً فورياً للطاقة تُصبح مخزناً للطاقة. أو مركبات هيكلية.

السكريات المتعددة

وهي عبارة عن مركبات هيكلية، والفرق بينها وبين السكريات الأخرى؛ هو أنها تتألف من أكثر من مجرد جزيئين أو ثلاثة جزيئات من السكر الأحادي. فالسكريات المتعددة تتألف من الآلاف من الوحدة السكريات البسيطة.

ونتيجة لضخامتها فهي تعمل كعناصر تركيبية في البناء الخارجي للخلايا.

والسليلوز النباتي من أكثر السكريات المتعددة شيوعاً؛ وهو عبارة عن مجموعة من جزيئات الجلوكوز المرتبطة ببعضها البعض، ويعتبر من أكثر المركبات العضوية انتشاراً في الطبيعة، ولكنه صعب الهضم.

ويمكن للأبقار أن تهضم السيليلوز، ولكن جسم الإنسان لا يستطيع هضمه؛ ولهذا السبب فإن الإنسان لا يمكنه أكل العشب.

كما يمكن للسكريات المتعددة تخزين الطاقة ليس فقط من الناحية الهيكلية، بل كمخزن فعليّ للطاقة.

الخبز

هو من المصادر الغذائية للكربوهيدرات. وكما تعرفون فإن الخبز يتألف من النشويات. ومن أبسط النشويات هو ما يسمى بـ الأميلوز Amylose والأميلوز شبيه من الناحية الكيميائية بالسليلوز.

ولكن أحدهما يدخل في تركيب العشب، والآخر يدخل في تركيب الخبز.

تخزن النباتات الجلوكوز على هيئة نشا، والذي يُخزن إما في الجذور أو الدرنات أو الثمار حلوة المذاق أو البذور النشوية؛ مثل القمح الذي يتم طحنه ليُصبح طحيناً.

وهذه الحبوب المطحونة المكون الأساسي في الخبز، والسعرات الحرارية أو الطاقة المخزونة فيه تأتي من الكربوهيدرات.

وعند تناول قطعة واحدة من الخبز تكون قد حصلت على الطاقة الكيميائية التي حصل عليها نبات القمح من الشمس من أجل تغذية الجيل القادم من البذور التي عادة ما يأخذها الإنسان، ويخزنها ليستفيد منها وقتما يشاء.

ولأن جسم الإنسان لا يُمكنه تكوين ثمار أو درنات لتخزين الطاقة، فيلجأ الجسم بتخزين الطاقة بطريقتين مختلفتين.

الجليكوجين

فالطريقة الأولى لتخزين الكربوهيدرات تكون على هيئة غلايكوجين، وهو مُشابه لتركيب الأميلوز أو النشا، ولكن له تفرعات أكثر، وهو وأكثر تعقيداً.

يتكون الجليكوجين من الجلوكوز الفائض في الجسم، ويتم تخزينه في العضلات إلى وقت الحاجة، ويُخزن كذلك في الكبد.

وتكون هذه الطريقة في التخزين قصيرة الأجل، فإذا لم نتناول الطعام ليوم كامل، سيتم استنفاذ معظم مخزون الجسم من الجليكوجين.

الدهون وأنواعها المختلفة

الطريقة الثانية الأطول أجلاً لتخزين الطاقة هي على هيئة دهون، ويظن الكثير أن الدهون هي عدوة الجسم، ولكن تبين أنها في غاية الأهمية، ومن أنواعها ما يلي:

الليبيدات

هي أشهر أنواع الدهون، وهي جزيئات حيوية أصغر حجما، وأقل تعقيداً من الكربوهيدرات، وتتجمع هذه الجزيئات على بعضها لعدم قدرتها على الذوبان في الماء.

ويعود ذلك إلى أن معظم روابطها الكيميائية تكون غير قطبية، والماء يكره الجزيئات غير القطبية، ولا يمكنه الاختلاط معها مثل حالة الماء والزيت. فلا يمكن للزيت الذوبان في الماء.

إذا سبق وقرأتم الملصقات الغذائية الموجودة على خلف الأطعمة، أو شاهدتم برنامج غذائي في التلفاز، فعلى الأرجح سيكون تصنيف الدهون مؤلف بالنسبة.

وبالرغم من معرفة العديد من الناس بهذه التصنيفات إلا أن معظمنا لا يدرك معناها.

تتكون الدهون من مكونين كيميائيين رئيسيين:

• الأول هو الغليسيرول: وهو نوع من الكحول والأحماض الدهنية التي تتألف من سلاسل هيدروجينية وكربونية طويلة تنتهي بمجموعة كربوكسيلية.
• المكون الثاني الدهون الثلاثية: وعند ارتباط الثلاثة أحماض دهنية مع الجليسيرول نحصل على ما يسمى ب “الدهون الثلاثية”.

وهذا النوع من الدهون موجود بكثرة في الزبدة وزبده الفول السوداني والزيوت، والأجزاء البيضاء من اللحم.

يمكن أن تكون هذه الدهون الثلاثية مشبعة أو غير مشبعة.

وعند ذكر الدهون المشبعة ربما يتبادر إلى الذهن الدهون الضارة التي نحصل عليها من الأطعمة المقلية والدسمة.

ولكننا نتحدث في هذا المقال عن الدهون المشبعة بالهيدروجين، وكما ذكرنا سابقاً في المقالات الأخرى يتميز الكربون بقدرته على تشكيل عدد روابط مختلفة بإلكتروناته الأربعة.

إذ يُمكنه تشكيل رابط أحادية أو ثنائية، وفي بعض الأحيان ثلاثية، وهذا يعني أنه عند ارتباط ذرات الكربون والأحماض الدهنية مع بعضها البعض بروابط أحادية سترتبط جميع ذرات الكربون بذرتي هيدروجين على الأقل وأحدها سيلتقط ذرة هيدروجين ثالثة.

وهكذا تُصبح الأحماض الدهنية مشبعة بالهيدروجين، ولكن ترتبط بعض ذرات الكربون مع بعضها البعض بروابط ثنائية يعني ذلك أنه لا يمكن لإلكترونات الكربون أن ترتبط بالمزيد من ذرات الهيدروجين.

مما يعني أنها غير مشبعة بالهيدروجين، وتُسمى بالأحماض الدهنية غير المشبعة.

ولتوضيح ذلك؛ انظروا إلى علبة من زبدة الفول السوداني؛ حيث يوجد في هذه العلبة كلا النوعين من الدهون.

فالجزء السائل الذي ترونه في الأعلى هذه هي الدهون غير المشبعة التي تكون عادة على هيئة زيوت.

أما الجزء السفلي الأكثر صلابة فهو يتكون من الدهون المشبعة وغير المشبعة معاً، وكما قلنا الدهون المشبعة لا تحتوي على أي روابط ثنائية، يعني أنها قادرة على التراص فوق بعضها. وبالتالي؛ تكون صلبة في درجة حرارة الغرفة.

الدهون‌‌ المتحولة

وهي نوع آخر من الدهون، وهذه الدهون التي عادة ما ينصحُنا أخصائيو التغذية بالابتعاد عنها وهم على حق.

فحاولوا تجنب هذا النوع من الدهون قدر الإمكان؛ فالدهون المتحولة هي دهون مصنعة غير موجودة في الطبيعة. وهي عبارة عن أحماض دهنية غير مشبعة.

ولكن بدلا من الارتباط بزاوية معينة تقوم بالارتباط أفقياً، ويكون شكلها مستقيماً. وهي ضارة جداً للجسم يفضل ألا تأكلوها.

دهون أوميجا 3

هي عبارة عن أحماض دهنية غير مشبعة بالهيدروجين في 3 مواقع، وهذا هو الفرق الوحيد بينها وبين غيرها من الدهون.

ولكن تعود أهميتها إلى عدم قدرة الجسم على إنتاجها بنفسه؛ فهي من الأحماض الدهنية الأساسية، ولا يمكن الحصول عليها من خلال تناول الأطعمة التي تحتوي عليها.

الدهون المفسفرة

ذكرنا أن الدهون الثلاثية هي ثلاثة أحماض دهنية متصلة بالجليسرول، ولكن عند استبدال أحد هذه الأحماض الدهنية بمجموعة فوسفات سنحصل على الدهون المفسرة.

تشكيل هذه الدهون جدران أغشية الخلايا، وبما أن مجموعة الفوسفات نهايتها قطبية فإنها تنجذب نحو الماء.

أما الطرف الثاني فهو غير قطبي مما يعني يبتعد عن الماء. لذلك عند وضع مجموعة من الدهون المفسرة في الماء ستترتب هذه الدهون بشكل معين تلقائيا.

بحيث تكون الأطراف الكارهة للماء مواجهة لبعضها البعض في حين تكون الأطراف المحبة للماء مواجهة للماء.

تستخدم جميع خلايا الجسم هذا التركيب الطبيعي لتُشكل الجدار الخلوي لمنع المواد الضارة من الدخول. وفي نفس الوقت لإبقاء المواد المفيدة في الداخل.

الستيرويدات

هي نوع من الأنواع الأخرى للدهون، وتتألف الوحدة الرئيسية من هذه الدهون من 4 حلقات كربونية مترابطة، والتي يمكن استخدامها لتشكيل المئات من الجزيئات المختلفة.

وأهم هذه الستيرويدات هو الكوليسترول؛ الذي يرتبط مع الدهون المفسرة للمساعدة في تشكيل جدران الخلايا.

كما يمكن تفعيل هذه الجزيئات لتشكيل الهرمونات الدهنية المختلفة.

البروتين

هو أحد أهم المواد الكيميائية الموجودة في الجسم وأكثرها تعقيداً وقوة وتنوع. فالبروتينات هي من أكثر المركبات الكيميائية تعقيداً على هذا الكوكب.

كيف يتم إنتاج البروتين بواسطة الحمض النووي؟

تخيلوا أن في هذه اللحظة هناك عشرات الآلاف من البروتينات الموجودة في أجسامكم وظيفتها هي إبقائكم على قيد الحياة؛ وتشمل هذه البروتينات ما يلي:

• الأنزيمات: وهي التي تُنظم العمليات الكيميائية التي تساعد الجسم على هضم الطعام.
• الأجسام المضادة: وهي التي تربط نفسها بالكائنات المجهرية الضارة؛ مثل البكتيريا والفيروسات حتى يتمكن الجهاز المناعي من محاربتها.
• الهرمونات البروتينية: وهي التي تجعلنا نشعر بالانفعالات العاطفية المختلفة. البروتينات موجودة في جميع أنحاء الجسم؛ وهي مسؤولة عن وظائف عديدة.

الأحماض الأمينية

تقوم البروتينات بكل الوظائف المختلفة باستخدام 20 مكوناً مختلفاً فقط. وهذه المكونات هي الأحماض الأمينية، وهي تماماً مثل الأحماض الدهنية.

تمتلك الأحماض الأمينية على مجموعه كربوكسيلية في أحد أطرافها، أما في الطرف الآخر فلديها مجموعة أمنية.

وستلاحظون أن هذه الحالة يظهر النيتروجين في الطعام، وهذه هذه المعلومة في غاية الأهمية.

فبالرغم من أن النيتروجين يُشكل 80% من الهواء إلا أنه لا يمكن للإنسان سحبه من الهواء ووضعه في الجسم.

لذلك لا يُمكن للإنسان الحصول على النيتروجين إلا من خلال الطعام. وبالتالي؛ علينا تناول الأطعمة التي تحتوي على نسبة عالية من البروتين مثل البيض، وخاصة الأجزاء البيضاء منه، والتي تحتوي كمية جيدة من النيتروجين، نظراً لنسبة البروتين العالية فيها.

ويوجد في منتصف المجموعة الأمينية والحمض الكربوكسيلي ذرة كربون تتشارك أحد إلكتروناتها مع الهيدروجين.

أما الإلكترون الآخر فتتشاركه معها، وهو مجرد رمز عام يُشير إلى العديد من الجزيئات الأخرى.

ويطلق على هذا الرمز مجموعة آر أو مجموعة وظيفية. كما يطلق عليها اسم السلسلة الجانبية.

وهناك 20 نوع مختلف من السلاسل الجانبية، وبناء على نوع هذه السلسلة الجانبية سيتحدد شكل ووظيفة هذا الحمض الأميني.

• الفالين: هو حمض أميني يقوم بوظائف عديدة في الجسم مثل الحماية وبناء الأنسجة العضلية.
• تريبتوفان: وهو المسؤول عن مساعدة الجسم على تنظيم الحالة المزاجية ومستويات الطاقة.

متعددات الببتيد

تُشكل الأحماض الأمينية سلاسل طويلة تُسمى متعددات الببتيد. تكون البروتينات من ارتباط متعددات الببتيد هذه مع بعضها لتكون تراكيب معقدة ومتنوعة؛ فهي قادرة على الانطواء والالتفاف والالتواء.

الاصطناع الحيوي للبروتين

إن الاصطناع الحيوي للبروتين ممكن فقط عن تواجد جميع الأحماض الأمينية اللازمة لهذه العملية.

وهناك 9 أنواع من هذه الأحماض لا يمكن الجسم صنعها بنفسه ومنها:

• هستدين.
• إيزولويسين.
• ليوسين.
• لايسين.
• ميثيونين.
• فينيل ألانين.
• ثريونين.
• تريبتوفان.
• فالين.

وعن طريق تناول الأطعمة التي تحتوي على نسبة عالية من البروتين يمكن للجسم هضم هذه الأطعمة، وتحليلها إلى جزيئات أساسية. ومن ثم استخدام هذه الأحماض الأمينية الأساسية في بناء البروتينات التي يحتاجها الجسم.

وتمتلك بعض الأطعمة خاصة التي تحتوي على البروتين الحيواني جميع الأحماض الأمينية الأساسية. ومثال على هذه الأطعمة هي البيض.