الماء والليبيدات والكربوهيدرات

الماء

بينما نتنقل بين أغصان شجرة الحياة، نرى الكثير من التباينات، لكن يبقى جزيء واحد ثابت على الدوام. فأينما وُجد الماء، على كوكب الأرض على الأقل، وُجدت الحياة؛ ولا تزدهر الحياة من دون الماء. لذا، حُق أن يُدرس دَور الماء في الكيمياء الحيوية وما الذي يجعله يتفرَّد في دعم الحياة (كما نعلمها).

لأن الماء غزير بطبيعته، من السهل تجاهلُ خصائصه المميزة والغريبة بنحو واضح، والتي من دونها لن توجد الحياة. عندما تحتسي مشروبًا به قِطع ثلج في عصر يوم صيفي، تتجلَّى بوضوح خاصيةٌ من خصائص الماء وهي طفو الثلج على السطح. ولأن أعيننا ألِفت أن ترى خاصية طفو الثلج، فقد لا ترصد أيَّ قدْر من الغرابة فيها. لكنَّ رؤيةَ شكل صلب من مادةٍ يطفو على سطح حالتها السائلة خاصيةٌ غير عادية بالفعل إلى حد بعيد. وتوضيحًا لمدى أهمية هذه الخاصية، لِنجرِ تجربة فكرية سريعة. تخيَّل لو أن كثافة الثلج أكبرُ من الماء، وغاص الثلج في أعماق إحدى البحيرات أو البحار بعد تكوُّنه. حينها لن يطول الوقت قبل أن يتجمَّد المسطح المائي بالأعلى ويحبس أيَّ كائنات حية داخله. لكن لحسن الحظ وبفضل السلوك الغريب للماء، فإن الثلج الطافي يكوِّن طبقةً عازلة على سطح الماء ما يعين على استمرار الحياة بالأسفل.

هناك نتيجة أخرى لهذه القطبية، وهي أن الماء يمكن أن يشارك في روابط الهيدروجين الضعيفة والبالغة الأهمية في الوقت نفسه. وهنا، يجري «منح» ذرات الهيدروجين ذات الشحنة الموجبة جزئيًّا إلى «المستقبِل» ذي الشحنة السالبة جزئيًّا مثل ذرات الأكسجين في الماء. بإمكان كل جزيء ماء أن يمنح ويستقبل ذرتَي هيدروجين، ما يكوِّن أربع روابط هيدروجين. وهذا ينشئ شبكةً من التفاعلات تؤدي إلى نقطتَي انصهار وغليان عاليتين للماء، مقارنةً بالجزيئات المماثلة. كذلك هذا يتيح للبروتونات أن تتنقَّل بين الماء والجزيئات الأخرى، وهذه الظاهرة يتكرَّر حدوثُها على نحوٍ غير متوقَّع في أثناء التفاعلات الكيميائية الحيوية.

تفضي شبكة روابط الهيدروجين أيضًا إلى تأثير طارد للماء، وهذا التأثير جوهري في طريقة تكوين البنيات الحيوية. سترى هذا التأثير عمليًّا عند تحضير تتبيلة السَّلطة. افتقار الماء إلى خاصية الذوبان يعني أن الماء لا يستطيع أن يمتزجَ بالمواد الدهنية غير القطبية. فالزيوت والدهون والشموع لا تحتوي على العديد (أو أحيانًا على أيٍّ) من المجموعات المشحونة التي يمكن أن ترتبط بها الأجزاء القطبية من الماء. ووجودها في الماء السائب يربك شبكةَ روابط الهيدروجين، ما يؤدي إلى تجمُّع المادة الطاردة للماء بعضها مع بعض، ومن ثَم تقل المساحة المتصلة بالماء. هذا التأثير الطارد للماء لا يؤدي إلى عزل الزيت عن الماء في التتبيلة الفرنسية التي تُحضرها فحسب، بل أيضًا إلى التجميع الذاتي للبروتينات والأغشية الحيوية، وهو أمرٌ سنتناوله بمزيد من التفصيل قريبًا.

الليبيدات

الليبيدات فئةٌ ذات تنوُّع واسع من الجزيئات، ولكن تحتوي جميعها بوجه عام على مكوِّن مهم غير محب للماء، قد يتخذ شكل سلاسل أو حلقات هيدروكربونية، كما تحتوي على مجموعة محبة للماء (قطبية) أصغر. لليبيدات ثلاثة أدوار أساسية في الكيمياء الحيوية، وهي تخزين الطاقة، وإرسال الإشارات، وتكوين البنيات.

شكل ٢-١: تمثيل كرتوني لطبقة ليبيد ثنائية.

الكائنات بدائيات النوى ذات الخلايا البسيطة مثل البكتيريا تستخدم الأغشية الليبيدية (بالإضافة إلى جدران الخلايا المعقَّدة المحتوية على الببتيدوجليكان) باعتبارها جزءًا من حدود الخلية. أما الكائنات الحقيقيات النوى ذات الخلايا الأكثر تعقيدًا مثل النباتات والفطريات والحيوانات، فتقسم خلاياها بالأغشية الليبيدية بحيث تشكِّل العضيات. وكل عضية لها دورٌ وكيمياء حيوية مميزان، مثل نواة الخلية حيث يوجد ويتضاعف الدي إن إيه؛ والميتوكوندريا وهي محطات الطاقة للخلايا؛ وفي حالة النباتات، البلاستيدات الخضراء حيث تحدُث عملية البناء الضوئي.

يبدو كلُّ هذا بسيطًا للغاية، ولكن في الواقع تتكوَّن أغشية الخلايا من مجموعة كبيرة ومتنوِّعة من الليبيدات المختلفة التي تنقل سِمات كيميائية وفيزيائية إلى الأغشية. على سبيل المثال، تؤثِّر الثنيات الناتجة عن السلاسل غير المشبعة في سيولة الغشاء الليبيدي. وفي نفس الوقت، يمكن أيضًا أن تتفاوت مجموعاتُ الرأس في الحجم والشحنة والبنية، والتي يمكنها جميعًا تغييرُ وظيفة البروتينات داخل الغشاء أو تكوين تجمُّعات مميزة من الأغشية لها خصائصها الخاصة بها.

الكربوهيدرات

الكربوهيدرات جزيئاتٌ حيوية مألوفة، ولكنها لا تزال بحاجة إلى بعض التعريف. وعلى الرغم من التجاهل المتكرِّر لها مقارنةً بالبروتينات والأحماض النووية المثيرة للاهتمام أكثر فيما يبدو، فإنها أساسيةٌ في الكيمياء الحيوية. إنها توفِّر الوقود الذي يمد الخلايا بالطاقة، وتشكِّل السقالة التي تُبنى حولها العديد من البنيات، وكثيرًا ما تزين البروتينات بحيث تعدِّل سلوكها أو تضيف وظائفَ إليها.

يمكن تقسيم الكربوهيدرات الحيوية إلى ثلاث فئات أساسية. الفئة الأولى هي السكريات البسيطة المتضمَّنة في عملية تحويل الطاقة ويندرج ضمنها السكريات الأحادية — التي يُطلق عليها السكاريد الأحادية — مثل الجلوكوز والفركتوز والجلاكتوز. عندما يرتبط نوعان من هذه السكريات أحدهما بالآخر، فإنهما يكوِّنان الفئةَ الثانية من الكربوهيدرات التي تسمَّى السكاريد الثنائية، مثل السكروز (الذي يتكوَّن بالربط بين الجلوكوز والفركتوز) أو اللاكتوز (الذي يتكوَّن بربط الجلوكوز بالجلاكتوز). السكريات البسيطة سريعةٌ وسهلة الأيض على الخلايا؛ حيث إنها تطلق الطاقة الكيميائية المحتجَزة بداخلها. لكن هذه السكريات يصعُب تخزينها، ومن ثَم تربط أجسامنا السكريات بعضها مع بعض لتشكِّل عديدات سكاريد أكبر (وهي الفئة الثالثة من الكربوهيدرات)، والتي تسمَّى الجلايكوجين، أما النشا فيؤدي في النباتات دورًا مماثلًا. تتضمَّن أنواع الكربوهيدرات الأخرى الكايتين الذي يتكوَّن من أسيتيل الجلوكوزامين الذي تتكوَّن منه جدران الخلايا في الفطريات والهياكل الخارجية للحشرات. كذلك تظهر كبريتات الكيراتان في القرنيات والغضاريف والعظام.

يوجد نوع من عديد السكاريد يستحق الذكر على وجه الخصوص، حيث إنه أوفر بوليمر على الكوكب ومسئول عن أكبر البنيات الحيوية في العالم. يتكوَّن السيليولوز من سلاسلَ طويلة خطية من الوحدات الفرعية للجلوكوز، والتي يرتبط كلٌّ منها بالسلاسل المجاورة لها ارتباطًا متقاطعًا عبْر روابط هيدروجين. إن السيليولوز هو الذي تتكوَّن منه الجدران التي تحيط بالخلايا النباتية ما يعطيها خاصية الصلابة. وهذا ما يجعل النباتات موادَّ مفيدة يمكن استخدامها في إنشاء كل شيء بدايةً من الأثاث وحتى الملابس. إن الخشب (بالإضافة إلى نوعٍ آخر من الكربوهيدرات المعقَّدة يسمَّى اللجنين) والقنَّب والقطن بوجه أساسي عبارة عن سيليولوز. وفي الحقيقة، تحدُث إحدى عمليات الكيمياء الحيوية الصغيرة في كل مرة تكوي فيها قميصًا من القطن. فاجتماع الحرارة مع الرطوبة يفكِّك روابط الهيدروجين بسرعة. وعندما تُدخل هذان الأمران بقليل من الضغط، تُجبِر كل جزيئات السيليولوز على أن تتراصَّ موازية بعضها بعضًا، ما يؤدي إلى فردِ الملابس. وبعدما يبرد القميص، تتصلح روابط الهيدروجين وتثبت على الحالة المضغوطة الجديدة.

عملة الطاقة ومكوكات الإلكترونات

العديد من العمليات الكيميائية الحيوية غيرُ مواتية من حيث الطاقة؛ بمعنى أنها المكافئ الأيضي لدفع حجرٍ إلى أعلى تل، ومن ثَم فهي تتطلَّب دفعات قوية وسريعة من أجل تحريكها. وقدْر كبير من الطاقة اللازمة لتشغيل هذه العمليات يأتي في نهاية الأمر من الشمس. حينها، تحبس النباتات الطاقة عبر عملية البناء الضوئي قبل تخزينها في صورة إلكترونات عالية الطاقة داخل الروابط بين ذرات الكربون في الكربوهيدرات والدهون. لكن إطلاق الطاقة المحبوسة في هذه المخازن عمليةٌ بطيئة. يمكنك التفكير في الكربوهيدرات والدهون باعتبارها طاقةً «مودعة» في حساب ادخار، حيث ينبغي بذلُ مجهود خاص للوصول إليها. تحتاج الخلايا إلى مصدر طاقة «سائل» أكثر لتشغيل المحرِّكات والإنزيمات والمضخَّات الخلوية والمكوِّنات الأخرى للآلة الخلوية التي لا تتوقَّف أبدًا. في واقع الأمر، إنها بحاجةٍ إلى عملة طاقة عالمية وسهلة التداول. وفي عالَم الكائنات الحية، فإن الجزيء الأساسي الذي يلبي هذا الدور هو الأدينوسين الثلاثي الفوسفات.

يتكوَّن الأدينوسين الثلاثي الفوسفات من الأدينين (الذي عرفنا من قبلُ أنه واحد من القواعد الأربع في الدي إن إيه) المرتبط بسكر ريبوز وصفٍّ مكون من ثلاث مجموعات فوسفات. مجموعة الفوسفات الأخيرة معرَّضة للمرور بعملية تحلُّل مائي محفَّزة بالإنزيمات (بمعنى أن الإنزيمات يمكن أن تزيلها) لإنتاج مجموعة فوسفات حرة وماء وأدينوسين ثنائي الفوسفات. وفي هذه العملية، تنطلق الطاقة، ومن ثَم يمكن استخدامها لتشغيل آليات الخلية. وفي صميم عملية الأيض، توجد مسارات ودورات مخصَّصة لاقتحام مخازن الطاقة الممتلئة بالكربوهيدرات والدهون واستخدامها لإعادة شحن مخزون الأدينوسين الثلاثي الفوسفات (وهو أمرٌ سنتناوله بمزيد من التفصيل في الفصل الخامس). المحصِّلة هي أن كل جزيء أدينوسين ثلاثي الفوسفات قد يخضع لعملية إعادة التدوير هذه حوالي من ألفين إلى ثلاثة آلاف مرة في اليوم.

شكل ٢-٢: (أ) ثنائي نيوكليوتيد النيكوتيناميد والأدينين في صورته المؤكسدة؛ (ب) الكوليسترول؛ (ﺟ) فوسفوليبيد غير مشبع شائعة الوجود؛ (د) الأدينوسين الثلاثي الفوسفات؛ (ﻫ) السكروز الثنائي السكاريد المكوَّن من حلقات جلوكوز وفركتوز.