أنواع المواد العضوية في الأحياء: كيف تختلف بنيتها ووظائفها؟

ما الذي يعنيه التصنيف الحيوي؟

الكيمياء العضوية أوسع من دراسة مكونات الكائن الحي. يشكل الكربون سلاسل وحلقات متنوعة، ويمكن أن توجد المركبات العضوية في الطبيعة أو تصنع صناعيًا. ولا يختص وصف «عضوي» في الكيمياء بالأغذية المنتجة بطريقة زراعية معينة. كذلك لا تكفي ذرة الكربون للحكم؛ فثاني أكسيد الكربون مثلًا يعد مركبًا غير عضوي في هذا التصنيف. ^[6][7]

أما في الأحياء، فتجمع العائلات الأربع كثيرًا من الجزيئات المهمة في الخلايا. قد تضم العائلة جزيئات صغيرة وأخرى كبيرة؛ الجلوكوز كربوهيدرات صغيرة، بينما السليلوز سلسلة طويلة من وحدات مرتبطة. لذلك لا نجعل «عضوي» و«جزيء كبير» و«بوليمر» كلمات مترادفة.

البوليمر جزيء يتكون من عدد كبير من وحدات مرتبطة. معرفة الوحدة الأساسية مفيدة، لكن ترتيب الروابط وتفرع السلسلة وطريقة طيها قد تغير خواص المادة أيضًا. ^[1]

الكربوهيدرات: من وحدة سكر إلى سلاسل

من الأمثلة الجلوكوز والفركتوز، والسكريات الثنائية، والسلاسل مثل النشا والسليلوز. ترتبط وحدات السكر بروابط جليكوسيدية. وقد تؤدي الكربوهيدرات دورًا في الطاقة أو في بناء تراكيب خلوية؛ فلا تختزل العائلة في السكر الذي نضيفه إلى الطعام. ^[2]

الصيغة الجزيئية للجلوكوز والفركتوز هي C₆H₁₂O₆، لكنهما يختلفان في ترتيب الذرات. لهذا لا تميز الصيغة وحدها بينهما. كذلك تتكون سلاسل النشا والسليلوز من وحدات مشتقة من الجلوكوز، لكن طريقة الارتباط مختلفة، فتختلف خواص السلسلتين. ^[2]

في مثال حسابي مفترض، ترتبط أربع جزيئات جلوكوز في سلسلة مفتوحة بثلاث روابط ناتجة عن تكاثف. نجمع أولًا ذرات الجزيئات الأربعة، ثم نطرح ثلاث جزيئات ماء: 4(C₆H₁₂O₆)−3(H₂O)=C₂₄H₄₂O₂₁. هذا حساب لموازنة الذرات، ولا يحدد وحده ترتيب الروابط أو اسم سكر معين.

الليبيدات: تراكيب متنوعة لا بوليمر واحد

الليبيدات عائلة تضم الدهون الثلاثية والفوسفوليبيدات والستيرويدات وغيرها. تجمع كثيرًا منها خواص تتعلق بتفاعلها المحدود مع الماء، لكن بعض أفرادها له جزء يتفاعل مع الماء وآخر لا يتفاعل معه بسهولة. ^[3]

في الدهون الثلاثية ترتبط ثلاث سلاسل أحماض دهنية بهيكل جليسرول، بروابط إسترية. ليست هذه بنية بوليمر يتكون من تكرار عدد كبير من وحدة واحدة. وفي الفوسفوليبيدات الشائعة ذات هيكل الجليسرول توجد سلسلتان دهنيتان وجزء يحتوي على فوسفات ورأس قطبي، فتسهم في أغشية الخلايا. ^[3]

أما الستيرويدات فلها هيكل من حلقات مندمجة. لا نرسمها كأنها جليسرول وثلاثة أحماض دهنية، ولا نفترض أن كل جزيئات الليبيدات متطابقة في العناصر أو الوظيفة. اختلاف البناء جزء من سبب تنوع أدوار هذه العائلة.

البروتينات: الترتيب والطي مهمان

وحدات بناء السلسلة البروتينية أحماض أمينية ترتبط بروابط ببتيدية. يحمل الحمض الأميني المعتاد مجموعة أمينية ومجموعة كربوكسيل، ويختلف الجزء الجانبي من نوع إلى آخر. البروتين الوظيفي قد يضم سلسلة واحدة أو أكثر، مع بنية مطوية مناسبة لدوره. ^[4]

من وظائف البروتينات دعم التراكيب والنقل وتحفيز كثير من التفاعلات. لا تعطيك معرفة عدد الأحماض الأمينية وحده كل المعلومات؛ فتبديل ترتيبها قد يؤثر في طي السلسلة وتفاعلها مع الجزيئات الأخرى. ^[4]

افترض سلسلة خطية قصيرة من ست وحدات أمينية بلا حلقات أو تفرعات. بين كل وحدتين متجاورتين رابطة، لذا عدد الروابط الببتيدية 6−1=5. وفي محاسبة التكاثف المبسطة تقابلها خمس جزيئات ماء. هذه محاسبة بنيوية تعليمية، وليست وصفًا كاملًا للخطوات التي تبني بها الخلية البروتين.

إذا قطعت جميع الروابط الخمس بالتحلل المائي، استهلكت المحاسبة خمس جزيئات ماء وعادت ست وحدات منفصلة. القاعدة n−1 تخص هذا النموذج الخطي؛ لا ننقلها تلقائيًا إلى سلسلة حلقية أو إلى كل أنواع الجزيئات الحيوية.

الأحماض النووية: سلاسل تحمل معلومات

يتكون النيوكليوتيد من سكر وقاعدة نيتروجينية وجزء فوسفات. ترتبط وحدات النيوكليوتيد ضمن سلسلة ذات هيكل من السكر والفوسفات، بينما يختلف ترتيب القواعد. أهم نوعين هما DNA و RNA، ويختلفان في نوع السكر وفي بعض القواعد وفي تنظيمهما المعتاد. ^[5]

يرتبط DNA بتخزين المعلومات الوراثية، وتؤدي أنواع من RNA أدوارًا في التعبير عنها وفي تركيب البروتين وتنظيمه. ليست وظيفة الأحماض النووية مجرد إعطاء طاقة، وليست جميع جزيئات RNA نسخًا متطابقة في الشكل أو الدور. ^[5]

ولا يصح أن نستنتج أن تركيب كل بوليمر حيوي في الخلية مجرد إخراج جزيء ماء عند إضافة كل وحدة؛ فالآليات الحيوية تختلف، وبناء الأحماض النووية يعتمد على وحدات منشطة وخطوات خاصة. ^[5]

مقارنة سريعة تساعد على التمييز

عند قراءة اسم مادة جديدة، ابدأ ببنيتها ووحدات بنائها، ثم راجع وظيفتها. وجود الكربون خطوة أولى في الوصف، وليس جوابًا كافيًا عن نوع المادة أو خواصها.