21.3: كيمياء الخلية

تتكون الخلية كيميائياً من الماء والجزيئات العضوية والأيونات غير العضوية.

الماء

إن قطبية جزيء الماء والرابط الهيدروجيني الناتج يجعل الماء مادة فريدة لها خصائص خاصة مرتبطة ارتباطاً وثيقاً بعمليات الحياة. تطورت الحياة في الأصل في بيئة مائية، وتحدث معظم الكيمياء الخلوية والتمثيل الغذائي للكائن الحي’ داخل المحتوى المائي للخلية’. من الخصائص الفريدة للماء قدرته الحرارية العالية وحرارة تبخره، وقدرته على إذابة الجزيئات القطبية، وخصائصه المتماسكة واللاصقة، وتفككه إلى أيونات تؤدي إلى أساسيات مفهوم الأس الهيدروجيني (pH). يساعد فهم خصائص المياه هذه في توضيح أهميتها في الحفاظ على الحياة.

تتمثل إحدى خصائص الماء’ المهمة في أنه جزيء قطبي: يشكل الهيدروجين والأكسجين داخل جزيئات الماء (H₂O) روابط تساهمية قطبية. على الرغم من عدم وجود شحنة صافية لجزيء الماء، فإن قطبية الماء' تخلق شحنة موجبة قليلاً على الهيدروجين وشحنة سالبة طفيفة على الأكسجين، مما يساهم في خصائص جذب للماء’. يولد الماء شحنات لأن الأكسجين أكثر كهربائية من الهيدروجين، مما يجعل من المرجح أن يكون الإلكترون المشترك بالقرب من نواة الأكسجين أكثر من نواة الهيدروجين، وبالتالي يولد شحنة سالبة جزئية بالقرب من الأكسجين.

نتيجة لقطبية الماء’، يجذب كل جزيء ماء جزيئات الماء الأخرى بسبب الشحنات المعاكسة بين جزيئات الماء، مما يؤدي إلى تكوين روابط هيدروجينية. يجذب الماء أيضاً الجزيئات والأيونات القطبية الأخرى أو ينجذب إليها. المادة القطبية التي تتفاعل بسهولة مع الماء أو تذوب فيه هي مادة محبة للماء. في المقابل، لا تتفاعل الجزيئات غير القطبية مثل الزيوت والدهون جيداً مع الماء. هذه المركبات غير القطبية تكون كارهة للماء.

الجزيئات العضوية

تعد البروتينات والكربوهيدرات والأحماض النووية والدهون الفئات الأربع الرئيسية للجزيئات الكبيرة— الحيوية الجزيئات الكبيرة الضرورية للحياة والتي يتم إنشاؤها من جزيئات عضوية أصغر. تتكون الجزيئات الكبيرة من وحدات مفردة يسميها العلماء المونومرات التي ترتبط بروابط تساهمية لتكوين بوليمرات أكبر. يعتبر البوليمر أكثر من مجموع أجزائه: فهو يكتسب خصائص جديدة ويؤدي إلى ضغط تناضحي أقل بكثير من الضغط الناتج عن مكوناته. هذه ميزة مهمة في الحفاظ على الظروف التناضحية الخلوية. ينضم المونومر إلى مونومر آخر مع إطلاق جزيء الماء، مما يؤدي إلى تكوين رابطة تساهمية. يطلق العلماء على هذه التفاعلات التجفاف أو التكثيف. عندما تنقسم البوليمرات إلى وحدات أصغر (مونومرات)، فإنها تستخدم جزيء ماء لكل رابطة تكسرها هذه التفاعلات. هذه التفاعلات هي تفاعلات تحلل مائي. تتشابه تفاعلات الجفاف والتحلل المائي مع جميع الجزيئات الكبيرة، ولكن كل تفاعل مونومر وبوليمر خاص بفئته. تتطلب تفاعلات التجفاف عادةً استهلاكاً للطاقة لتكوين روابط جديدة، في حين أن تفاعلات التحلل المائي عادةً ما تطلق الطاقة عن طريق كسر الروابط.

الكربوهيدرات الكربوهيدرات هي مجموعة من الجزيئات الكبيرة التي تعد مصدراً حيوياً للطاقة للخلية وتوفر الدعم الهيكلي للخلايا النباتية والفطريات وجميع المفصليات التي تشمل الكركند وسرطان البحر والروبيان والحشرات والعناكب. يمكن تصنيف الكربوهيدرات إلى السكريات الأحادية، والسكريات الثنائية، والسكريات المتعددة. تخزين الجلوكوز، في شكل بوليمرات مثل النشا أو الجليكوجين، يجعله أقل وصولاً إلى حد ما لعملية التمثيل الغذائي؛ ومع ذلك، فإن هذا يمنعها من التسرب خارج الخلية أو خلق ضغط تناضحي مرتفع قد يتسبب في امتصاص الخلية للماء الزائد.

البروتينات البروتينات هي فئة من الجزيئات الكبيرة تؤدي مجموعة متنوعة من الوظائف للخلية. إنها تساعد في عملية التمثيل الغذائي من خلال العمل كأنزيمات أو ناقلات أو هرمونات وتوفر الدعم الهيكلي. اللبنات الأساسية للبروتينات هي الأحماض الأمينية.

الدهون الدهون هي فئة من الجزيئات الكبيرة غير القطبية والكارهة للماء بطبيعتها. تشمل الأنواع الرئيسية الدهون والزيوت والشموع والفوسفوليبيد والستيروئيدات. الدهون هي شكل من أشكال الطاقة المخزنة وتُعرف أيضاً باسم ثلاثي الجلسرين أو الدهون الثلاثية. الكوليسترول هو نوع من الستيرويد وهو مكون مهم لغشاء البلازما، حيث يساعد في الحفاظ على طبيعة الغشاء' السائلة.

الأحماض النووية الأحماض النووية عبارة عن جزيئات مكونة من نيوكليوتيدات توجه الأنشطة الخلوية مثل انقسام الخلايا وتصنيع البروتين. هناك نوعان من الأحماض النووية: DNA و RNA. يحمل الحمض النووي المخطط الجيني للخلية' ويمررها من الآباء إلى الأبناء. يشارك الحمض النووي الريبي في تخليق البروتين وتنظيمه.

أيونات غير عضوية

تشكل الأيونات غير العضوية أقل من 1٪ من كتلة الخلية ولكنها ضرورية لوظيفة الخلية. وتشمل تلك الموجودة في الخلية الصوديوم والبوتاسيوم والمغنيسيوم والكالسيوم والفوسفات والكلوريد.

تم اقتباس هذا النص من Openstax, Biology 2e, Unit 1: The Chemistry of Life.

الخلايا هي لبنات البناء الأساسية في الكائنات الحية. تتكون غالبًا من ماء،وجزيئات عضوية،وأيونات غير عضوية. يشكّل الماء 70%من الخلية.

هذه البيئة المائية في السيتوبلازم ضرورية لبنية الخلية وللعديد من التفاعلات التي تحدث داخلها. الماء جزيء عالي القطبية،لذا سيتفاعل مع الجزيئات القطبية الأخرى والأيونات داخل الخلية لكنه لا يتفاعل مع غير القطبية. بيئة السيتوبلازم المحبة للماء،تُعزز تشكّل البنيات ثلاثية الأبعاد للبروتينات،مع الأحماض الأمينية غير القطبية في المركز ومع الأحماض الأمينية القطبية على السطح.

في حالة تشكّل الأغشية،تتفاعل مجموعات الليبيدات الفوسفورية ذات الرؤوس القطبية مع الماء. وعلى العكس،تتفاعل الذيول غير القطبية مع بعضها البعض مولّدة حاجزًا كارهًا للماء على الجانب الخارجي للخلية. حموضة الموائع البيولوجية في الخلية وفي اجزائها،تعزل بإحكام.

قيمة pH في السيتوبلازم،تقارب 7.2،وتنظمها جزيئات مثل أيونات الفوسفات. وعلى العكس،درجة pH في الليسوسومات،وهي جزء متخصصة داخل الخلية،تقارب 5. السبب في ذلك أن الليسوسومات،تحتوي على إنزيمات تعمل على أكمل وجه داخل بيئة حمضية.

من بين الجزيئات العضوية في الخلية الكربوهيدرات،والبروتينات،والليبيدات،والنكليوتيدات. يؤدي كل من هذه الجزيئات الضخمة المتنوعة أدوارًا مختلفة. الكربوهيدرات هي المصدر الرئيسي للطاقة اللازمة لتشغيل عمليات أيض مختلفة؛لكن الخلية قادرة على تفتيت البروتينات والليبيدات،إلى وقود كذلك.

قد تكون البروتينات إنزيمات تحفّز التفاعلات،وقد تساهم في بناء الخلية. الليبيدات من المكونات المهمة لأغشية الخلايا. كما أن هذه الجزيئات الضخمة،تستطيع الترابط تساهميًا فيما بينها،لتشكيل مرافقات مثل البروتينات السكرية،والليبيدات السكرية،التو توجد غالبًا في أغشية الخلايا.

تؤدي النيوكليوتيدات دور المادة الجينية،كما تتشارك مع البروتينات لتشكيل البروتينات النووية،التي تغلّف الـ DNA بإحكام داخل الخلية. كما أن نيوكليوتيد ATP،هو مصدر الطاقة في العديد من العمليات الخلوية. من الأيونات غير العضوية الضرورية لوظائف الخلية،الصوديوم،والبوتاسيوم،والمغنيسيوم،والكالسيوم،والفوسفات،والكلوريد.

رغم أن هذه الأيونات تُشكل أقل من 1%من كتلة الخلية،إلّا أن لها أدوار متعددة داخل الخلية. على سبيل المثال،أيونات كالكالسيوم،تُستخدم لنقل إشارات بيولوجية داخل الخلية،بينما المغنيسيوم ضروري من أجل النشاط التحفيزي للعديد من الإنزيمات.