شارح الدرس: الكربوهيدرات الأحياء • الصف الأول الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف تركيب الكربوهيدرات المختلفة، ونوضِّح دور الكربوهيدرات في الكائنات الحية.

عندما نفكِّر في الكربوهيدرات، قد نفكِّر في أغذية نشوية مثل الخبز، والأرز، والمعكرونة، والبطاطس. وهذا صحيح! فالنشا نوع من الكربوهيدرات، وهو مصدر للطاقة يسهُل توافره في النظام الغذائي البشري؛ لأنه يسهُل هضمه وتكسيره لإطلاق الطاقة. والنشا شائع في تلك الأغذية التي تأتي من النباتات؛ لأن النشا هو إحدى الطرق التي تخزِّن بها خلايا النباتات الجزيئات التي تستخدمها لتوليد الطاقة الخلوية.

الكربوهيدرات جزيئات حيوية كبيرة لها عدة وظائف مختلفة. فهي تلعب دورًا مهمًّا باعتبارها مصدرًا للطاقة، وشكلًا من أشكال تخزين الطاقة في الخلايا. وهي أيضًا جزيئات تركيبية مهمَّة في الجدران الخلوية لخلايا النبات وخلايا الكائنات الأخرى. كما تتضمن الكربوهيدرات سُكَّريات بسيطة وكربوهيدرات معقَّدة.

يحتوي جزيء الكربوهيدرات على ذرات كربون، وهيدروجين، وأكسجين بنسبة معينة. مقطع «كربو» يعني «كربون»، ومقطع «هيدرات» يعني «ماءً» والذي نعرف أنه . النسبة التي تتبعها معظم الكربوهيدرات هي . هذا يعني أنه يوجد عدد من ذرات الكربون، وعدد من جزيئات الماء مرتَّبة في جزيء الكربوهيدرات.

بعض الكربوهيدرات، التي تسمى الكربوهيدرات المعقَّدة، هي جزيئات كبيرة يشار إليها أيضًا بِاسْم متعدِّدات السُّكَّريات. ومتعدِّد السُّكَّريات هو أحد أنواع البوليمرات. قد تعلم أن البوليمر هو جزيء كبير مكوَّن من عدة وحدات متكررة أصغر تُسمى مونومرات. والمونومرات التي تكوِّن الكربوهيدرات المعقَّدة هي السُّكَّريات، والتي تُسمى أيضًا السُّكَّريات الأحادية.

أبسط الكربوهيدرات هي السُّكَّريات الأحادية، وذلك لأن جزيئًا واحدًا من السُّكَّر الأحادي يمثِّل وحدة سُكَّرية واحدة. وعادةً ما تتَّبع السُّكَّريات الأحادية النسبة حيث عدد بين 3 و7. على سبيل المثال، معظم السُّكَّريات السداسية لها الصيغة الكيميائية ، وهي تعادل الصيغة . السُّكَّريات الأحادية قابلة للذوبان في الماء بوجه عام. ويمكن تصنيف السُّكَّريات الأحادية بعدد ذرات الكربون التي تحتوي عليها. فالسُّكَّريات السداسية يحتوي كلٌّ منها على 6 ذرات كربون. ومن الأمثلة على السُّكَّريات الأحادية السداسية الجلوكوز والفركتوز والجالاكتوز. السُّكَّريات الخماسية يحتوي كلٌّ منها على 5 ذرات كربون. ويُعد سُكَّر الريبوز، والريبوز المنقوص الأكسجين، اللذان نجدهما في الأحماض النووية، من السُّكَّريات الأحادية الخماسية. ربما لاحظت أن العديد من هذه المصطلحات المرتبطة بالسُّكَّر تنتهي بنفس المقطع. وهذا لأن المقطع «أوز» يشير إلى السُّكَّر. يوضِّح الشكل 1 التركيبات الكيميائية لبعض السُّكَّريات الأحادية.

للجلوكوز أهمية خاصة بالنسبة إلى الخلايا؛ لأنه أحد المتفاعلات في عملية التنفس الخلوي. يوضِّح الشكل 2 رسمًا يوضِّح التنفس الخلوي. حيث تُطلَق الطاقة الموجودة داخل الروابط بين الذرات في جزيئات الجلوكوز، وتُنقَل إلى جزيء ATP لإمداد عملياتنا الحيوية الأخرى بالطاقة:

ترتبط السُّكَّريات الأحادية معًا خلال تفاعل كيميائي يُسمى تفاعُلَ تكثيفٍ، والذي يسمى أيضًا تفاعُل نزْع الماء. ويحدُث ذلك عندما يُعاد ترتيب مجموعتَي هيدروكسيل في اثنين من السُّكَّريات الأحادية، وترتبطان معًا بما يُسمى «رابطة جليكوسيدية» كما يظهر في الشكل 3. يُطلِق هذا التفاعلُ جزيءَ ماءٍ، ولهذا يُسمى تفاعُل التكثيف بهذا الاسم. لمساعدتك على تذكُّر ذلك، قد يكون من المفيد التفكير في كيفية إنتاج الماء من الهواء عندما «يتكثَّف» في صورة قطرات.

عندما يرتبط جزيئان من السُّكَّر الأحادي معًا، يُطلَق عليهما اسم «سُكَّر ثنائي». كلمة ثنائي تعني وجود جزيئين. والمالتوز والسُّكَّروز واللاكتوز من أمثلة السُّكَّريات الثنائية. تتبع السُّكَّرياتُ الثنائيةُ الصيغةَ الكيميائيةَ حيث . السُّكَّروز هو سُكَّر المائدة الذي نستعمله عادةً. ويتكون من جزيء جلوكوز مرتبط مع جزيء فركتوز. يوجد اللاكتوز في اللبن، وهو يتكون من جزيء جلوكوز مرتبط مع جزيء جالاكتوز. يوجد المالتوز في العديد من الحبوب، مثل القمح والشعير. ويتكون من جزيئَي جلوكوز مرتبطين معًا. يلخص الجدول 1 تركيبات السُّكَّريات الثنائية الشائعة.

مثال ١: تحديد نوع التفاعل الكيميائي الذي يحدث عندما ترتبط السُّكَّريات الأحادية

ما نوع التفاعل الذي يحدُث عندما يرتبط اثنان فأكثر من السُّكَّريات الأحادية؟

الحل

السُّكَّريات الأحادية هي أبسط الكربوهيدرات. توجد ثلاثة سُكَّريات أحادية شائعة وهي الجلوكوز، والفركتوز، والجالاكتوز. وكلمة أحادية تعني وجود جزيء واحد. يمكن أن يتجمع جزيئَا سُكَّر أحادي معًا لتكوين سُكَّر ثنائي. وكلمة ثنائي تعني وجود جزيئين. وأحد أمثلة السُّكَّريات الثنائية هو السُّكَّروز أو سُكَّر المائدة الشائع. يتكون السُّكَّروز من جزيء جلوكوز مرتبط بجزيء فركتوز. كما يمكن أن ترتبط عدة سُكَّريات أحادية معًا لتكوين متعدِّد سُكَّريات. كلمة متعدِّد تعني وجود العديد من الجزيئات. وتشمل بعض أمثلة متعدِّدات السُّكَّريات الشائعة النشا، والسليولوز، والجليكوجين. جميع متعدِّدات السُّكَّريات الثلاثة هذه بوليمرات مكوَّنة من مونومرات الجلوكوز. ومن أجل تكوين سُكَّر ثنائي أو متعدِّد سُكَّريات، لا بد أن ترتبط سُكَّريات أحادية معًا. حيث يُعاد ترتيب مجموعتَي هيدروكسيل () حتى يتشارك كلا الجزيئين رابطة مع ذرة أكسجين واحدة (). وهذا يعني إزالة ذرتَي هيدروجين () وذرة أكسجين واحدة (). ثم ترتبط هذه الذرات معًا مكوِّنة جزيءَ ماءٍ () يتم تحريره. وبسبب تحرير جزيء ماء، يُطلَق على هذا التفاعل الكيميائي «تفاعل التكثيف».

وهذا يعني أن نوع التفاعل الذي يحدُث عندما يرتبط اثنان فأكثر من السُّكَّريات الأحادية هو تفاعل تكثيف.

مثال ٢: تحديد السُّكَّريات الأحادية من قائمة كربوهيدرات

أيٌّ ممَّا يأتي يُعَد مثالًا لسُكَّر أحادي؟

1. اللاكتوز
2. السُّكَّروز
3. الجلوكوز
4. المالتوز

الحل

السُّكَّر الأحادي هو نوع من السُّكَّريات البسيطة. وتعتبر السُّكَّريات الثنائية أيضًا سُكَّريات بسيطة، لكن السُّكَّريات الثنائية تتكون من جزيئين من السُّكَّر الأحادي مرتبطين معًا. كلمة أحادي تعني وجود جزيء واحد، وكلمة ثنائي تعني وجود جزيئين. يمكن تمييز السُّكَّريات الأحادية أيضًا لأنها تتَّبع عادةً الصيغة الكيميائية ، بينما تتَّبع السُّكَّرياتُ الثنائيةُ الصيغةَ الكيميائيةَ ، حيث .

يتكون اللاكتوز من ارتباط جزيئَي سُكَّر أحادي، وهما الجلوكوز والجالاكتوز (كلاهما ).

يتكون السُّكَّروز من ارتباط جزيئَي سُكَّر أحادي، وهما الجلوكوز والفركتوز (كلاهما ).

يتكون المالتوز من ارتباط جزيئَي سُكَّر أحادي، وهما الجلوكوز والجلوكوز (كلاهما ).

يمكننا رؤية ذلك في الشكل التالي:

لذا، فالإجابة التي تعد مثالًا على السُّكَّريات الأحادية هي الجلوكوز.

يمكن بلمرة مونومرات السُّكَّريات الأحادية أيضًا لتكوين بوليمرات أكبر من الكربوهيدرات تسمى متعدِّدات السُّكَّريات. ومتعدِّدات السُّكَّريات غير قابلة للذوبان في الماء، لذا فهي مثالية لتخزين الطاقة وكذلك لاستخدامها أيضًا باعتبارها مكوِّنات تركيبية داخل الخلية. تشمل أمثلة متعدِّدات السُّكَّريات النشا، والجليكوجين، والسليولوز. جميع متعدِّدات السُّكَّريات الثلاثة هذه تتكون من جزيئات جلوكوز مرتبطة معًا بترتيبات معينة.

المونومرات الموجودة في النشا والجليكوجين تشكل أيزومرًا مختلفًا للجلوكوز عن المونومرات الموجودة في السليولوز. الأيزومر هو جزيء له الصيغة الكيميائية نفسها، ولكن بترتيب مختلف للذرات. السُّكَّريات الأحادية، أي الجلوكوز والجالاكتوز والفركتوز، جميعها أيزومرات تتبع الصيغة الكيمائية . يُطلَق على أيزومرات الجلوكوز الموجودة في النشا، والجليكوجين، والسليولوز اسمَا «جلوكوز ألفا»، و«جلوكوز بيتا»، ويمكن رؤيتها في الشكل 4. جلوكوز ألفا وجلوكوز بيتا شبه متماثلَيْن تمامًا، إلا أن الهيدروجين والهيدروكسيل المرتبطين بِذَرَّة الكربون الأولى (والتي تُسمى أيضًا ) مقلوبان.

السليولوز هو متعدِّد سُكَّريات مكوَّن من مونومرات جلوكوز بيتا كما موضَّح في الشكل 5. ونظرًا لتركيبها، ترتبط جزيئات جلوكوز بيتا معًا بوضع تبادُلي. حيث تتكون روابط جليكوسيدية بين ذرتَي الكربون الأولى () والرابعة () في مونومرات جلوكوز بيتا، لذلك تُسمى «روابط جليكوسيدية 1,4 بيتا». ينتُج عن هذا الوضع سلاسل طويلة صلبة غير متشعِّبة. وهذه السلاسل تكوِّن روابط هيدروجينية بسهولة بين بعضها وبعض، مما يتيح لها التجمع معًا في تراكيب أكبر. والسليولوز مادة صلبة للغاية ويصعب تكسيرها. لهذا السبب، السليولوز مناسب جدًّا لوظيفته بوصفه متعدِّد سُكَّريات تركيبيًّا موجودًا في جدران خلايا النباتات.

يتكون النشا والجليكوجين من مونومرات جلوكوز ألفا، كما هو موضَّح في الشكل 6. تُكوِّن مونومرات جلوكوز ألفا أيضًا روابط جليكوسيدية 1,4، ولكن تشير جميع الجزيئات إلى الاتجاه نفسه. يُصنع النشا في خلايا النبات ويمكن أن يأخذ شكل سلاسل طويلة متشعِّبة أو غير متشعِّبة. ويُصنع الجليكوجين في الخلايا الحيوانية، ويأخذ شكل عُقَد شديدة التشعُّب. عندما تحدُث تشعُّبات في هذه الجزيئات، يُكوِّن مونومرٌ واحدٌ رابطةً جليكوسيديةً 1,4 ورابطةً جليكوسيديةً 1,6 مع مونومرين آخرين، وهو ما يسمح لسلسلتين بالارتباط معًا.

ويعمل كلٌّ من النشا والجليكوجين في صورة جزيئات لتخزين الطاقة. ومن أجل تحرير هذه الطاقة، يجب أولًا تكسير متعدِّدات السُّكَّريات إلى سُكَّريات أحادية في عملية تسمى التحلل المائي. تَستخدم تفاعلاتُ التحلل المائي، الموضَّحة في الشكل 7، جزيَ ماءٍ لكسر رابطة. وهذا التفاعل في الأساس هو المقابل لتفاعل التكثيف. وبمجرد تكسيرها مرة أخرى، يمكن استخدام السُّكَّريات الأحادية في صورة متفاعلات في التنفس الخلوي.

الكربوهيدرات جزيئات تؤدي وظائف تخزين الطاقة ونقلها، كما توفر التركيب لأنواع معينة من الخلايا. التركيبات المختلفة للكربوهيدرات المختلفة تجعلها مناسبة لوظائفها المختلفة. وهذه التركيبات والوظائف ملخصة في الجدول 2.

لنراجع ما تعلمناه في هذا الشارح.