فصل دوم زیست شناسی مولکولی: مولکول­های متابولیسم

مقدمه

آب برای حیات ضروری است. ارگانیسم­ها از طریق شبکه­ی پیچیده­ای از واکنش­های شیمیایی که در محیط­های آبی وجود دارد، نیازهای خود را رفع می­کنند. فتوسنتز با استفاده از  نور خورشید، انرژی مورد نیاز برای حیات را فراهم می­کند و تنفس سلولی، هر زمان که لازم باشد این انرژی را آزاد می­کند. در فتوسنتز از ترکیبات کربنی، هیدروژن و اکسیژن برای تأمین و ذخیره انرژی استفاده می­شود. بسیاری از پروتئین­ها نقش آنزیمی دارند و متابولیسم سلول را کنترل می­کنند. سایر پروتئین­ها عملکردهای زیستی متنوعی دارند. اطلاعات ژنتیکی در دئوکسی ریبونوکلئیک اسید(DNA)ذخیره می­شود و پروتئین­ها از روی این اطلاعات ساخته می­شوند.

 

2.1  مولکول­های متابولیسم

مفاهیم

  • زیست­شناسی مولکولی فرآیندهای زنده را در سطح ترکیبات شیمیایی آن­ها توضیح می­دهد.
  • توانایی اتم­های کربن در برقراری 4 پیوند، منجر به ساخت طیف متنوعی از ترکیبات شده است.
  • حیات بر پایه ترکیبات کربنی مانند کربوهیدرات­ها، لیپیدها، پروتئین­ها و اسیدهای نوکلئیک بنا شده است.
  • متابولیسم شبکه­ای از واکنش­های آنزیمی درون سلول یا یک ارگانیسم است.
  • آنابولیسم شامل سنتز مولکول­های پیچیده از مولکول­های ساده­تر مانند ساخت ماکرومولکول­ها از مونومرها با استفاده از واکنش­های تراکمی[1] است.
  • کاتابولیسم شامل تجزیه مولکول­های پیچیده به مولکول­های ساده­تر مانند هیدرولیز ماکرومولکول­ها به مونومرها است.

 

کاربرد علم

  • اوره نمونه­ای از یک ترکیب پیچیده است که توسط ارگانیسم­های زنده به صورت طبیعی تولید می­شود همچنین می­توان آن را به صورت مصنوعی تولید کرد.

 

 

 

مهارت آموزی

  • رسم ساختار مولکولی گلوکز، ریبوز، اسید چرب اشباع و اسیدآمینه.
  • تشخیص ترکیبات بیوشیمیایی مانند کربوهیدرات، لیپید و پروتئین از روی ساختار مولکولی آن‌ها.

 

ماهیت علم

  • رد تئوری­ها: تولید مصنوعی اوره، به رد تئوری اصالت حیات[2] کمک می­کند.

 

زیست­شناسی مولکولی

زیست­شناسی مولکولی فرآیندهای زنده را در سطح ترکیبات شیمیایی آن­ها توضیح می­دهد.

کشف ساختار DNA در سال 1953 انقلابی در زیست­شناسی به راه انداخت و تصور انسان از ارگانیسم­های زنده را دستخوش تغییر کرد. این کشف مهم، باعث شد تا بتوان فرآیندهای زیستی را از روی ساختار مولکول­ها و چگونگی ارتباط بین آن­ها، توضیح داد. ساختارهای مولکولی بسیار متنوع و ارتباطات بین مولکولی بسیار پیچیده هستند. پس اگرچه زیست­شناسی مولکولی قدمتی به طول 50 سال دارد ولی همچنان علمی نوپاست.

بسیاری از مولکول­ها در زندگی موجودات زنده مهم هستند. برخی از این­ مولکول­ها مانند آب ساختاری ساده دارند ولی عمدتاً متنوع و پیچیده هستند؛ مانند پروتئین­ها و اسیدهای نوکلئیک. اسیدهای نوکلئیک، DNA و RNA را می­سازند. از این ترکیبات شیمیایی برای ساخت ژن­ها استفاده می­شود. پروتئین­ها از لحاظ ساختار و عملکرد بسیار متنوع هستند و وظایف فراوانی درون سلول دارند؛ مانند تنظیم واکنش­های شیمیایی سلول به عنوان آنزیم­ها. رابطه بین ژن­ها و پروتئین­ها، هسته اصلی زیست­شناسی مولکولی است.

شکل شماره1. زیست شناسِ مولکولی در حال کار در آزمایشگاه

رویکرد زیست­شناسی مولکولی تقلیل­گرایانه است؛ بدین معنی که واکنش­های بیوشیمیایی مختلف درون یک ارگانیسم زنده را در سطح اجزای تشکیل دهنده آن­ها، بررسی می­کند. این رویکرد مزایای بسیاری در زیست­شناسی به همراه داشته و باعث نگرش متفاوتی نسبت به ارگانیسم­ها شده است. برخی زیست­شناسان معتقدند رویکرد جزئی­نگرانه نمی­تواند تمامی رمز و رازهای یک ارگانیسم زنده را توضیح دهد و همچنین زمانی که اجزاء در کنار یکدیگر هستند، خواصی از خود نشان می­دهند که روی کلیت ارگانیسم اثرگذار است و این خواص را نمی­توان با بررسی جداگانه­ی هر کدام از اجزا کشف کرد.

 

 

 

سنتز اوره

اوره نمونه­ای از یک ترکیب پیچیده است که توسط ارگانیسم­های زنده به صورت طبیعی تولید می­شود همچنین می­توان آن را به صورت مصنوعی تولید کرد.

اوره ترکیبی حاوی نیتروژن است که، به نسبت، ساختار مولکولی ساده­ای دارد (شکل شماره 2). اوره یکی از ترکیبات تشکیل دهنده ادرار است و برای اولین بار در ادرار کشف شد. در صورت وجود اسیدهای آمینه‎ی اضافی در بدن و از طریق دفع نیتروژن آن­ها اوره تشکیل می­شود. برای تولید اوره، چرخه­ای از واکنش­های کاتالیز شده توسط آنزیم­ها در بدن انجام می­شود(شکل شماره 3). این واکنش­ها در کبد انجام می­شوند. سپس اوره از طریق جریان خون به کلیه­ها برده می­شود، در آن­جا از خون جدا شده و از طریق ادرار از بدن خارج می­شود.

شکل شماره 2. ساختار مولکولی اوره

همچنین اوره را می­توان به صورت مصنوعی نیز تولید کرد. در روند تولید مصنوعی اوره، واکنش­های استفاده شده متفاوت از واکنش­هایی هستند که در کبد انجام می­شوند. همچنین در تولید مصنوعی اوره، آنزیم­ها دخالت ندارند هرچند  اوره­ای که تولید می­شود با اوره طبیعی تفاوتی ندارد.

آمونیوم کربامات
اوره + آب

 

 

دی اکسید کربن + آمونیاک

 

سالانه تقریباً 100 میلیون تن اوره‌ی مصنوعی تولید می­شود. از اوره عمدتاً در تولید کودهای نیتروژنی برای گیاهان زراعی استفاده می­شود.

شکل شماره 3. چرخه واکنش­هایی که در سلول­های کبدی اتفاق می­افتد و برای سنتز اوره استفاده می شود.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

اوره و رد تئوری اصالت حیات

رد تئوری­ها: تولید مصنوعی اوره، به رد تئوری اصالت حیات کمک می­کند. 

 

اوره برای اولین بار در سال 1720 و در ادرار کشف شد. در آن زمان تصور می­شد که اوره در کلیه تولید می­شود. در آن دوره بسیاری از افراد معتقد بودند ترکیبات آلی گیاهان و جانوران طبق نظریه”اصالت حیات[3]” از ابتدا وجود داشته­اند و قابل تولید نیستند. این نظریه بیان می­کند که منشأ پدیده­های حیات یک منبع زنده است و بسیار متفاوت از نیروهای شیمیایی و فیزیکی است. ارسطو[4] از کلمه حیات یا روح[5] برای آن منبع زنده استفاده کرد.

در سال 1828، شیمی­دان آلمانی فردریک ووهلر[6] با استفاده از نقره، ایزوسیانات و آمونیوم کلرید، به شکل مصنوعی اوره تولید کرد. این اوره اولین ترکیب آلی بود که به صورت مصنوعی ساخته می­شد. ساخت مصنوعی اوره اتفاق بسیار مهمی بود. زیرا هیچ منبع زنده­ای در ساخت آن وجود نداشت. ووهلر با هیجان متن زیر را خطاب به شیمی­دان سوئیسی جان ژاکوب برژلیوس نوشت :

باید به شما بگویم که بدون نیاز به جانور یا کلیه‌ی آن، توانستم اوره بسازم.

نتیجه واضحی که می­توان از این اتفاق گرفت این است که اگر بتوان اوره را بدون کمک یک منبع زنده ساخت پس می­توان سایر ترکیبات آلی را نیز به همین شیوه تولید کرد. دستاور ووهلر شاهدی علیه نظریه اصالت حیات بود. این دستاورد به رد این نظریه کمک زیادی کرد اما نتوانست زیست­شناسان آن زمان را قانع کند. زیرا برای رد یک نظریه باید شواهد قابل قبولی وجود داشته باشد تا بر اساس آن اکثر زیست­شناسان مجاب به رد آن شوند.

اگرچه امروزه زیست­شناسان قبول دارند فرآیندهای درونی موجودات زنده تابع نیروهای فیزیکی و شیمیایی است که در مواد غیر زنده نیز وجود دارند ولی همچنان برخی از مواد آلی هستند که تا امروز به شکل مصنوعی تولید نشده­اند. برای مثال همچنان غیرممکن است که بتوانیم ترکیبات پیچیده­ای مانند هموگلوبین را بدون کمک ریبوزوم­ها و سایر اجزای سلول و به صورت مصنوعی بسازیم. چهار سال پس از سنتز اوره، ووهلر نامه­ای دیگر به برژلیوس نوشت و عنوان کرد که:

شیمی آلی من را دیوانه می­کند. برای من به شکل یک جنگل استوایی ازلی پر از اتفاقات جذاب است. جنگلی وحشت انگیز و بی پایان. افرادی که راه خروجی از آن نمی­بینند جرات ورود به آن را ندارند. ”

 

 

 

 

ترکیبات کربنی

توانایی اتم­های کربن در برقراری 4 پیوند منجر به ساخته شدن طیف متنوعی از ترکیبات شده است.

کربن پانزدهمین عنصر فراوان روی کره زمین است و  برای ساختن طیف وسیعی از مولکول­های مختلف مورد استفاده قرار می­گیرد. کربن تقریباً پتانسیل نامحدودی جهت ساخت ترکیبات شیمیایی و فعالیت­های درون سلولی برای ارگانیسم­های زنده فراهم کرده است. تنوع ترکیبات کربنی با بررسی مشخصات و ویژگی­های کربن قابل توضیح است.

اتم­های کربن می­توانند با سایر اتم­ها پیوند کووالانسی برقرار کنند. پیوند کووالانسی زمانی تشکیل­ می­شود که دو اتم کنار یکدیگر قرار بگیرند و یک جفت الکترون (هر الکترون مربوط به یکی از اتم­ها) به اشتراک بگذارند. پیوند کووالانسی قوی­ترین پیوند بین اتم­ها است و باعث پایداری ترکیبات کربنی می­شود.

هر اتم کربن می­تواند چهار پیوند کووالانسی با سایر اتم­ها برقرار کند. بنابراین مولکول­های حاوی کربن می­توانند ساختارهای بسیار پیچیده­ای داشته باشند. پیوند با سایر کربن­ها باعث تولید حلقه­ها و زنجیره­هایی با طول­های مختلف می­شود. برای مثال اسیدهای چرب از زنجیره­ای کربنی با طول حداکثر 20 اتم کربن ساخته می­شوند. پیوند کووالانسی می­تواند با سایر عناصر مانند هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن و فسفر نیز برقرار شود.

اتم­های کربن می­توانند فقط با یک نوع عنصر پیوند داشته باشند؛ به عنوان مثال برای ساخت متان با هیدروژن. یا با بیش از یک نوع عنصر پیوند برقرار کنند، مثلاً در اتانول(الکل موجود در آب جو و شراب). این چهار پیوند کووالانسی می­توانند همگی پیوندهای یگانه یا دو پیوند یگانه و یک پیوند دوگانه باشند. برای مثال گروه عاملی کربوکسیل، در اتانوئیک اسید[7] ( اسید سرکه) حاوی دو پیوند یگانه و یک پیوند دوگانه است.

فعالیت

ترکیبات کربنی

آیا می­توانید یک مولکول زیستی دارای کربن مثال بزنید که اتم کربن آن به اتم­های سه عنصر دیگر یا حتی به چهار عنصر دیگر متصل باشد؟

تیتین[8] پروتئینی غول پیکر است که به عنوان فنر مولکولی در ماهیچه­ها عمل می­کند. اسکلت مولکولی تیتین از یک زنجیره 100 هزار اتمی که همگی با پیوندهای کووالانسی یگانه به هم متصل شده­اند، ساخته شده است.

آیا می­توانید مولکولی در درون بدن مثال بزنید که از زنجیره­ای با بیش از 1 میلیون اتم تشکیل شده باشد؟

 

 

 

طبقه بندی ترکیبات کربنی

حیات بر پایه ترکیبات کربنی مانند کربوهیدرات­ها، لیپیدها، پروتئین­ها و اسیدهای نوکلئیک بنا شده است.

ارگانیسم­های زنده از چهار گروه اصلی از ترکیبات کربنی استفاده می­کنند. هر کدام از این گروه­ها ویژگی­های متفاوتی دارند، در نتیجه می­توان از آن­ها برای اهداف مختلفی استفاده کرد.

کربوهیدرات­ها از طریق ترکیباتشان قابل شناسایی هستند. این­ ترکیبات از کربن، هیدروژن و اکسیژن تشکیل شده­اند. نسبت اتم­های هیدروژن به اتم­های اکسیژن در آن­ها 2 به 1 است. به همین دلیل کربوهیدرات نام دارند.

لیپیدها  گروه بزرگ و متنوعی از مولکول­های کربنی هستند که در آب حل نمی­شوند. مانند استروئیدها، موم­ها، اسیدهای چرب و تری گلیسیریدها. تری گلیسیریدها در دمای اتاق جامد هستند. در حالت جامد در زبان عامّه چربی نام دارند و در شکل مایع، روغن نامیده می­شوند.

 

پروتئین­ها از یک یا تعدادی زنجیره اسیدآمینه‌ای ساخته می­شوند. تمامی اسیدآمینه‌های موجود در پروتئین­ها حاوی عناصر کربن، هیدروژن، اکسیژن و نیتروژن هستند. البته دو اسیدآمینه علاوه بر این عناصر، سولفور هم دارند.

 

اسیدهای نوکلئیک زنجیره­ای از زیرواحدهایی به نام نوکلئوتید هستند. نوکلئوتیدها از کربن، هیدروژن، نیتروژن و فسفر تشکیل شده­اند. دو نوع اسید نوکلئیک وجود دارد: ریبونوکلئیک اسید (RNA) و دئوکسی ریبونوکلئیک اسید (DNA).

 

 

شکل شماره4. برخی از ترکیبات کربنی متداول

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

رسم ساختار مولکول­ها

رسم ساختار شکل مولکولی گلوکز، ریبوز، اسید چرب اشباع و اسیدآمینه .

 

نیازی به حفظ کردن ساختار مولکول­های متنوع نیست ولی یک زیست­شناس باید بتواند ساختار مهم ترین مولکول­ها را رسم کند.

هر اتم مولکول با نماد آن عنصر نشان داده شده است. برای مثال اتم کربن با C و اتم اکسیژن با O نشان داده می­شوند. هر پیوند یگانه با یک خط و هر پیوند دوگانه با دو خط نشان داده می­شود. برخی از گروه­های شیمیایی به صورت اتم­هایی در کنار هم نشان داده می­شوند و پیوند بین آن­ها نمایش داده نمی­شود. در جدول شماره 1، برخی از این گروه­ها نشان داده شده است.

جدول شماره1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ریبوز

ریبوز

  • فرمول شیمیایی ریبوز C5H10O5 است.
  • این مولکول به شکل یک حلقه پنج ضلعی به همراه یک زنجیره جانبی است.
  • چهار اتم کربن در حلقه حضور دارند و یک اتم کربن در زنجیره جانبی قرار دارد.
  • اتم­های کربن را از سمت راست و از شماره 1 شماره گذاری می­کنند.
  • گروه­های هیدروکسیل (OH) روی کربن­های شماره 1، 2 و 3 قرار دارند و به ترتیب به سمت بالا، پایین و پایین جهت­گیری کرده­اند.

گلوکز

گلوکز

  • فرمول شیمیایی گلوکز C6H12O6 است .
  • مولکول گلوکز به شکل حلقه­ای شش ضلعی به همراه یک زنجیره جانبی است.
  • پنج اتم کربن در حلقه حضور دارند و یک اتم کربن در زنجیره جانبی قرار دارد.
  • اتم­های کربن را از سمت راست و از شماره 1 شماره گذاری می­کنند.
  • گروه هیدروکسیل (OH) روی اتم­های کربن شماره 1، 2، 3 و 4 حضور دارند و به ترتیب به سمت پایین، پایین، بالا و پایین جهت­گیری کرده­اند. اگرچه در فرمی از گلوکز که توسط گیاهان برای ساخت سلولز استفاده می­شود، گروه هیدروکسیل روی کربن شماره 1 به سمت بالا جهت­گیری می­کند.

 

ساختار مولکولی اسید چرب اشباع شده

 

اسیدهای چرب اشباع

  • در این مولکول­ها اتم­های کربن زنجیره­ای بدون شاخه می­سازند.
  • در اسیدهای چرب اشباع، اتم­های کربن با پیوندهای یگانه به یکدیگر متصل می­شوند.
  • معمولاً تعداد اتم­های کربن در اسیدهای چرب اشباع بین 14 تا 20 کربن است.
  • در یک انتها از زنجیره، اتم کربن بخشی از گروه کربوکسیل است.
  • در انتهای دیگری از زنجیره، اتم کربن به سه اتم هیدروژن متصل می­شود.

ساختار ساده یک اسید چرب اشباع شده
  • سایر اتم­های کربن هر کدام به دو اتم هیدروژن متصل می­شوند.

 

 

اسیدهای آمینه

  • یک اتم کربن در مرکز این مولکول قرار دارد و به چهار گروه مختلف متصل می­شود:
    • یک گروه آمین، دلیل نامگذاری این مولکول به اسیدآمینه همین است.
    • یک گروه کربوکسیل که مولکول را به اسید تبدیل می­کند.

ساختار مولکولی  اسید آمینه
  • یک اتم هیدروژن.
  • گروه R، نیز بخش متغیر اسیدهای آمینه است.

 

شناسایی مولکول­ها

تشخیص ترکیبات بیوشیمیایی مانند کربوهیدرات، لیپید و پروتئین از روی ساختار مولکولی.

 

مولکول­های کربوهیدرات، لیپیدها و پروتئین­ها بسیار با یکدیگر متفاوت هستند و معمولاً تشخیص آن­ها بسیار آسان است.

  • پروتئین­ها از کربن(C)، هیدروژن(H)، اکسیژن(O) و نیتروژن(N) تشکیل شده­اند، درحالیکه کربوهیدرات­ها و لیپیدها فاقد نیتروژن هستند.

شکل شماره 5. یک مولکول معمول زیستی
  • بسیاری از پروتئین­ها سولفور (S) دارند درحالیکه کربوهیدرات­ها و لیپیدها فاقد سولفور هستند.
  • کربوهیدرات­ها حاوی هیدروژن و اکسیژن با نسبت 2 به 1 هستند. برای مثال ترکیب شیمیایی گلوکز C6H12O6 و سوکروز( قند رایج در پخت نان و شیرینی) C12H22O11 است.
  • لیپیدها حاوی مقادیر کمتری اکسیژن نسبت به کربوهیدرات­ها هستند. برای مثال ترکیب شیمیایی اولئیک اسید[9] (یک اسید چرب غیر اشباع) C18H34O2 و استروئید تستسترون[10] C19H28O2 است.

 

متابولیسم

متابولیسم شبکه­ای از واکنش­های آنزیمی درون سلول یا یک ارگانیسم است .

 

درون تمام ارگانیسم­های زنده تعداد بسیار زیادی واکنش شیمیایی متفاوت انجام می­شود. این واکنش­ها توسط آنزیم­ها کاتالیز می­شوند. اکثر این واکنش­ها در سیتوپلاسم سلول انجام می­شوند ولی برخی واکنش­ها در فضای خارج سلولی نیز انجام می­شوند، مانند واکنش­های مورد استفاده برای هضم غذا در روده کوچک. متابولیسم در حقیقت مجموعه­ای از واکنش­هایی است که در یک ارگانیسم به وقوع می­پیوندند.

متابولیسم شامل مسیرهایی است که طی آن­ها و پس از گذراندن مجموعه­ای از  مراحل کوچکتر، یک مولکول خاص به مولکولی دیگر تبدیل می­شود. این مسیرها عمدتاً به شکل زنجیره­ای از واکنش­ها هستند درحالیکه برخی مسیرها در یک چرخه انجام می­شوند.

حتی در ارگانیسم­های نسبتاً ساده­ مانند سلول­های پروکاریوتی، متابولیسم مجموعه­ای از بیش از هزار واکنش متفاوت است. نقشه­های متابولیسمی، پیچیدگی فراوان واکنش­ها را نشان می­دهند. با جستجو در اینترنت می­توان این نقشه­ها را یافت. سایت دایره المعارف ژن و ژنوم کیوتو[11] نمونه‌ای از این منابع اینترنتی ست..

 

آنابولیسم

آنابولیسم شامل سنتز مولکول­های پیچیده از مولکول­های ساده­تر مانند ساختن ماکرومولکول­ها از مونومرها با استفاده از واکنش­های تراکمی است.

متابولیسم به دو بخش آنابولیسم و کاتابولیسم تقسیم می­شود. آنابولیسم مجموعه واکنش­هایی است که منجر به ساخته شدن مولکول­های بزرگ­تر از مولکول­های کوچک­تر می­شود. یک راه برای به خاطر سپاری آنابولیسم این است که به یاد بیاورید استروئیدهای آنابولیکی هورمون­هایی هستند که در بدنسازی استفاده می­شوند. واکنش­های آنابولیکی نیاز به انرژی دارند که عمدتاً از ATP تأمین می­شود.

مثال­هایی از آنابولیسم:

  • سنتز پروتئین با استفاده از ریبوزوم­ها.
  • سنتز DNA طی همانندسازی.
  • فتوسنتز، شامل ساخت گلوکز از دی اکسید کربن و آب.
  • سنتز کربوهیدرات­های پیچیده شامل نشاسته ، سلولز و گلیکوژن .

کاتابولیسم

کاتابولیسم شامل تجزیه مولکول­های پیچیده به مولکول­های ساده­تر مانند هیدرولیز ماکرومولکول­ها به مونومرها است.

کاتابولیسم بخشی از متابولیسم است که مولکول­های بزرگ طی آن به مولکول­های کوچکتر تجزیه می­شوند. واکنش­های کاتابولیکی انرژی­زا هستند و در برخی از موارد این انرژی به شکل ATP در سلول ذخیره­ و استفاده می شود.

مثال­هایی از کاتابولیسم:

  • هضم غذا در دهان، معده و روده کوچک.
  • تنفس سلولی، اکسید گلوکز یا لیپید برای تبدیل شدن به دی اکسید کربن و آب.
  • هضم ترکیبات کربنی پیچیده در مواد آلی مرده توسط تجزیه کنندگان.

[1] condensation reactions

[2] vitalism

[3] نظریه ازلی بودن موجودات زنده

[4] Aristotle

[5] soul

[6] Friedrich Wohler

[7] ethanoic acid

[8] Titin

[9] oleic acid

[10] steroid testosterone

[11] Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes

اشتراک گذاری:

دیدگاهتان را بنویسید