فيديو الدرس: الكربوهيدرات الأحياء

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نصف تركيب الكربوهيدرات المختلفة، ونوضح دور الكربوهيدرات في الكائنات الحية.

١٦:١٥

‏نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعرف على تركيب الكربوهيدرات المختلفة ووظيفتها، كما سنتعرف على الدور الذي تؤديه داخل خلايا الكائنات الحية. وسوف نتعلم أيضًا كيف ترتبط السكريات البسيطة معًا لتكوين متعدد السكريات، وكيف يرتبط تركيب الكربوهيدرات بوظيفتها.

جزيء الكربوهيدرات هو جزيء يحتوي على ذرات كربون وهيدروجين وأكسجين بنسبة معينة. المقطع «كربو» من الكلمة يشير إلى الكربون، بينما يشير المقطع «هيدرات» إلى الماء، الذي نعرف أنه يحتوي على الهيدروجين والأكسجين. والنسبة التي تتبعها معظم الكربوهيدرات هي ‪C𝑚H2O𝑛‬‏؛ ما يعني وجود عدد ‪𝑚‬‏ من ذرات الكربون وعدد ‪𝑛‬‏ من جزيئات الماء في كل جزيء كربوهيدرات. يطلق على بعض الكربوهيدرات اسم الكربوهيدرات المعقدة، وهي عبارة عن جزيئات كبيرة تعرف أيضًا باسم البوليمرات. البوليمر هو جزيء كبير مكون من عدة وحدات صغيرة متكررة تسمى مونومرات. والمونومرات التي تتكون منها الكربوهيدرات المعقدة تسمى الكربوهيدرات البسيطة.

تلعب أنواع الكربوهيدرات المختلفة أدوارًا متنوعة في الكائنات الحية. حيث تؤدي الكربوهيدرات عدة وظائف. ففي الخلية الحيوانية، تستخدم الكربوهيدرات لنقل الطاقة وتخزينها. وكذلك، ترتبط الكربوهيدرات بالبروتينات الموجودة في غشاء الخلية. هذه البروتينات تسمى الجليكوبروتينات، وتلعب دورًا مهمًّا في اتصال الخلايا معًا. إضافة إلى هذه الأدوار، تعمل الكربوهيدرات على توفير الصلابة والدعم لجدار الخلية في النباتات. نعلم جيدًا أن التركيب في علم الأحياء يرتبط دائمًا بالوظيفة ارتباطًا مباشرًا. ومن ثم فإن أنواع الكربوهيدرات المختلفة، المكونة من أجزاء مختلفة بترتيبات مختلفة، لها خواص مختلفة.

أبسط أنواع الكربوهيدرات هي السكريات البسيطة. وهي تسمى أيضًا بالسكريات الأحادية. المقطع ‪mono‬‏ من الكلمة الإنجليزية ‪monosaccharide‬‏ يعني واحدًا، والمقطع ‪saccharide‬‏ يعني سكرًا. عادة ما تتبع السكريات الأحادية النسبة ‪CH2O𝑛‬‏، حيث يمثل ‪𝑛‬‏ عددًا يتراوح بين ثلاثة وسبعة. ويمكن تصنيف السكريات الأحادية أيضًا بناء على عدد ذرات الكربون التي تحتوي عليها. تتضمن أمثلة السكريات الأحادية الجلوكوز والجالاكتوز والفركتوز. وجميعها سكريات سداسية؛ لأن كلًّا منها يحتوي على ست ذرات من الكربون. وهذه السكريات الثلاثة البسيطة عبارة عن أيزومرات، أو متشكلات. حيث تتبع الصيغة الكيميائية نفسها، مما يعني أنها تحتوي على الذرات نفسها مع اختلاف طفيف في الترتيب. كما أن السكريات الريبوزية، والريبوزية المنقوصة الأكسجين، التي نجدها في الأحماض النووية هي أيضًا من السكريات الأحادية. وهي سكريات خماسية، لأن لكل منها خمس ذرات كربون.

لعلك لاحظت أن كثيرًا من هذه الكلمات تبدو متناغمة. فالمقطع «أوز» في نهاية كل كلمة يشير إلى السكر. يعد الجلوكوز عنصرًا بالغ الأهمية للخلايا، بما أنه السكر الذي يدخل في تفاعلات التنفس الخلوي. خلال عملية التنفس الخلوي، تتحرر الطاقة الموجودة في الروابط بين ذرات جزيء الجلوكوز وتنتقل إلى جزيء أدينوسين ثلاثي الفوسفات ‪(ATP)‬‏، الذي يمد عملياتنا الحيوية بالطاقة. والسكريات الأحادية، مثل الجلوكوز، قابلة للذوبان أيضًا؛ مما يعني أن تركيزها داخل الخلية يجب أن يخضع للمراقبة والتحكم بعناية.

بعد ذلك، دعونا نلق نظرة على بلمرة الكربوهيدرات. تتحد السكريات الأحادية معًا خلال عملية كيميائية تعرف باسم تفاعل التكثيف. يحدث تفاعل التكثيف عندما يعاد ترتيب مجموعتي الهيدروكسيل الموجودتين على اثنين من السكريات الأحادية بحيث تتشاركان ذرة أكسجين واحدة وتعرف هذه الرابطة باسم الرابطة الجليكوسيدية. ولكي تتكون هذه الرابطة الجليكوسيدية، يجب نزع ذرتي هيدروجين وذرة أكسجين. ترتبط هذه الذرات معًا لتكون جزيء ماء واحدًا يتم تحريره. في الواقع، يأتي اسم تفاعل التكثيف من عملية تحرير جزيء الماء. ويمكنك أن تتذكر ذلك بالتفكير في كيفية تكون الماء من الهواء عندما يتكثف في صورة قطرات. عند ارتباط جزيئين فقط من السكريات الأحادية، يتكون جزيء من السكر الثنائي، وهو نوع آخر من السكريات البسيطة. المقطع ‪di‬‏ من الكلمة الإنجليزية ‪disaccharide‬‏ يعني «اثنين».

عندما يرتبط الجلوكوز بالجلوكوز، يعرف السكر الثنائي الناتج باسم المالتوز. وعندما يرتبط الجالاكتوز بالجلوكوز، يعرف السكر الثنائي الناتج باسم اللاكتوز، ولعلك تتذكر أنه نوع من السكر موجود في اللبن. وعندما يرتبط الجلوكوز بالفركتوز، يعرف السكر الثنائي الناتج باسم السكروز، وهو ما نطلق عليه أيضًا سكر المائدة. عادة ما تتبع السكريات الثنائية الصيغة الكيميائية ‪C𝑚H2O𝑛‬‏، حيث ‪𝑛‬‏ يساوي ‪𝑚‬‏ ناقص واحد، ويرجع ذلك إلى تحرر جزيء ماء واحد خلال تفاعل التكثيف. وجميع هذه السكريات الثنائية الثلاثة تتبع الصيغة الكيميائية ‪C12H22O11‬‏.

من الممكن أن يرتبط أكثر من جزيئي سكر أحادي معًا لتكوين جزيئات كبيرة تسمى متعدد السكريات. المقطع ‪poly‬‏ من الكلمة الإنجليزية ‪polysaccharide‬‏ يعني «عديد» أو «متعدد». يتميز متعدد السكريات بعدم قابليته للذوبان في الماء؛ ومن ثم فهو مثالي للقيام بوظائف مثل توفير الهيكل والدعامة وتخزين الطاقة على المدى البعيد. وقد يتواجد متعدد السكريات بتركيزات أعلى، بما أنه لن يؤثر على توازن الماء داخل الخلية. وعندما تحتاج الخلية إلى تحرير بعض من هذه الطاقة المخزنة، يجب أولًا تكسير متعدد السكريات إلى سكريات أحادية باستخدام عملية كيميائية تعرف باسم تفاعل التحلل المائي، أو ‪hydrolysis‬‏.

المقطع ‪hydro‬‏ من الكلمة الإنجليزية يشير إلى الماء، والمقطع ‪lysis‬‏ يعني «التحلل». يستهلك تفاعل التحلل المائي جزيء ماء ويكسر الرابطة الجليكوسيدية. وهذا التفاعل عكس تفاعل التكثيف الذي تعرفنا عليه منذ قليل. وما إن تنفصل جزيئات السكريات الأحادية مرة أخرى، يصبح من الممكن استخدامها في عمليات نقل الطاقة مثل عملية التنفس الخلوي. من أمثلة متعدد السكريات النشا والجليكوجين والسليولوز، وتختلف هذه الجزيئات الكبيرة الثلاثة من حيث التركيب والوظيفة. فالمونومرات الموجودة في النشا والجليكوجين هي متشكلات جلوكوز تختلف عن المونومرات الموجودة في السليولوز.

تذكر أن المتشكل هو جزيء يتبع الصيغة الكيميائية نفسها، ولكنه يختلف في ترتيب الذرات. هذان المتشكلان يسميان ألفا جلوكوز وبيتا جلوكوز. ويكمن موضع الاختلاف هنا؛ في الذرات المتصلة بذرة الكربون الأولى. في الألفا جلوكوز، تقع مجموعة الهيدروكسيل المتصلة بذرة الكربون الأولى في الجزيء على الجانب المقابل من مجموعة ‪CH2OH‬‏ التي تراها هنا. وفي البيتا جلوكوز، تقع مجموعة الهيدروكسيل على نفس الجانب مع مجموعة ‪CH2OH‬‏. أضفنا مزيدًا من التفاصيل إلى الرسوم التوضيحية لكل من هذه المونومرات لكي تساعدنا في التمييز بينها.

يتكون النشا والجليكوجين من مونومرات ألفا جلوكوز. وتتمثل وظيفة كل منهما في تخزين الطاقة. لكن النشا لا يصنع إلا بواسطة الخلايا النباتية، بينما يصنع الجليكوجين بواسطة الخلايا الحيوانية. وقد يتواجد النشا في صورة سلاسل طويلة متشعبة أو غير متشعبة، بينما يكون جزيء الجليكوجين دائمًا كثير التشعب. يتكون السليولوز من مونومرات بيتا جلوكوز. ونظرًا لتركيبها، فإن جزيئات البيتا جلوكوز ترتبط معًا في اتجاه متبادل، بحيث تشكل سلاسل طويلة صلبة غير متشعبة. وهذه السلاسل تكون روابط هيدروجينية بسهولة فيما بينها؛ مما يسمح لها بالتجمع معًا لتكوين تراكيب أكبر حجمًا. ولهذا السبب، يستخدم السليولوز في بناء جدار الخلية النباتية، وليس في تخزين الطاقة.

بعد أن تعرفنا على السكريات الأحادية، والسكريات الثنائية، والسكريات المتعددة، وتعرفنا على تركيبها ووظيفتها، لنجرب حل سؤال تدريبي.

يمكن تحديد تركيب السكريات الأحادية والسكريات الثنائية باستخدام الصيغ العامة. ما الصيغة الجزيئية العامة للسكر الأحادي؟ سكر أحادي صيغته هي ‪C6H12O6‬‏. تتحد وحدتان من هذا السكر الأحادي عن طريق تفاعل التكثيف. ما الصيغة الجزيئية للسكر الثنائي الناتج؟

يطلب منا هذا السؤال أن نتذكر ما نعرفه عن الصيغ الكيميائية للسكريات الأحادية والسكريات الثنائية، وكلاهما من أنواع الكربوهيدرات. لنركز فقط على الجزء الأول من هذا السؤال في البداية. نهتم في هذا الجزء بالصيغة الجزيئية العامة للسكريات الأحادية. وبما أنها الصيغة الجزيئية العامة، فمن المفترض أن تنطبق على أكثر من نوع من أنواع السكريات الأحادية. لنتذكر سريعًا أن المقطع ‪mono‬‏ من الكلمة الإنجليزية ‪monosaccharide‬‏ يعني «واحدًا»، وأن ‪saccharide‬‏ تعني «سكر». إذن، فنحن نبحث عن الصيغة الجزيئية العامة لسكر أحادي.

نحن نعرف أن السكريات إحدى أنواع الكربوهيدرات، ومن الممكن أن نستدل من ذلك على صيغتها الكيميائية. فالمقطع «كربو» من الكلمة يشير إلى الكربون، بينما يشير المقطع «هيدرات» إلى الماء. وهكذا فنحن نعرف أن تلك الجزيئات تتكون من بعض جزيئات الكربون وبعض جزيئات الماء. أحد السكريات الأحادية التي ربما تعرفها بالفعل هو الجلوكوز. الجلوكوز هو السكر البسيط الذي نستخدمه في عملية التنفس الخلوي. يبدو جزيء الجلوكوز المفرد هكذا، ويتبع الصيغة الكيميائية ‪C6H12O6‬‏ لأن الجلوكوز يحتوي على ست ذرات كربون و 12 ذرة هيدروجين وست ذرات أكسجين.

ومثل نسبة الكربوهيدرات، فإن عدد ذرات الهيدروجين يساوي ضعف عدد ذرات الكربون والأكسجين. لكن الجلوكوز يحتوي على 6 أمثال عدد الذرات في النسبة الأساسية. وهكذا من أجل إكمال الصيغة العامة، يجب ضرب النسبة الكلية في متغير، سنسميه ‪𝑛‬‏. استكمالًا لمثالنا، فعندما يساوي ‪𝑛‬‏ ستة؛ فهذا يعني أن لدينا ستة أمثال عدد ذرات الكربون والهيدروجين والأكسجين في الجزيء، لتصبح صيغته ‪C6H12O6‬‏. وهذه هي الصيغة الكيميائية الصحيحة للسكر الأحادي الوارد في المثال، وهو الجلوكوز. إذن، الصيغة الجزيئية العامة للسكر الأحادي هي ‪CH2O𝑛‬‏.

والآن لنلق نظرة على الجزء الثاني من هذا السؤال. يطلب منا هذا الجزء معرفة جزيء السكر الثنائي الذي يتكون عند اتحاد اثنين من السكريات الأحادية. المقطع ‪di‬‏ من الكلمة الإنجليزية ‪disaccharide‬‏ يعني «اثنين». دعونا نلق نظرة على ما يحدث عند اتحاد اثنين من السكريات الأحادية معًا لتكوين سكر ثنائي. سوف نستخدم الجلوكوز باعتباره السكر الأحادي في مثالنا هذا، بما أنه يتبع الصيغة الكيميائية ‪C6H12O6‬‏ ونحن نعرف تركيبه بالفعل.

عند ارتباط الجلوكوز بالجلوكوز، يعرف السكر الثنائي الناتج باسم المالتوز. خلال تفاعل التكثيف، يعاد ترتيب مجموعتين من مجموعات الهيدروكسيل بحيث يتشارك كلا الجزيئين الآن ذرة أكسجين واحدة. وهذه العملية تحرر ذرتي هيدروجين وذرة أكسجين، وتتحد هذه الذرات لتكون جزيء ماء واحدًا. ويكتسب تفاعل التكثيف اسمه من عملية تحرير جزيء الماء. إذن، لمعرفة الصيغة الكيميائية، يمكننا عد الذرات الموجودة في جزيء المالتوز. أو يمكننا أن نتذكر أن جزيء المالتوز يتكون عن طريق ارتباط جزيئين من الجلوكوز معًا وتحرير جزيء ماء أثناء العملية. وفي كلتا الحالتين، ستصل إلى الحل نفسه. الصيغة الجزيئية للسكر الثنائي الناتج هي ‪C12H22O11‬‏.

دعونا نلخص الدرس بمراجعة سريعة لما تعلمناه. في هذا الفيديو، تعرفنا على تركيب الكربوهيدرات وأهميتها في الكائنات الحية. كما تعلمنا كيف تتكون الروابط بين السكريات الأحادية من خلال تفاعلات التكثيف، بحيث تتكون السكريات الثنائية ومتعدد السكريات. وتعرفنا أيضًا على ثلاثة أمثلة لمتعدد السكريات — وهي الجليكوجين والنشا والسليولوز — وكيف يرتبط تركيبها بوظيفتها.

تستخدم نجوى ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. معرفة المزيد حول سياسة الخصوصية لدينا.