فيديو الدرس: كيمياء الطعام الأحياء

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعرف على بنية ثلاثة أنواع من الجزيئات الحيوية الكبيرة الموجودة في طعامنا وداخل أجسامنا، وعلى كيفية الكشف عن وجود هذه الجزيئات باستخدام تحليلات معملية بسيطة، كما سنتعرف على طريقة للتحقق من حجم الطاقة الكيميائية المتولدة عن الطعام عندما تنقسم الجزيئات الكبيرة إلى جزيئات أصغر منها. وخلال ذلك سنحل بعض المسائل التدريبية.

نحتاج إلى الطعام من أجل بناء عملياتنا الحيوية والحفاظ عليها وضمان استمرارها، مثل التنفس وغيره الكثير. وسوف ننظر إلى الكيفية التي يؤدي بها الطعام هذه المهمة. إليك أشهر الأطعمة التي تعد أيضًا كائنات حية معروفة، لكن الأطعمة حتى رقائق الشيتوس وألواح البروتين مكونة من خليط من مواد كانت فيما سبق كائنات حية أيضًا. عند استهلاك الطعام، تنقسم الجزيئات الكبيرة الموجودة داخله، ويمكننا الاستفادة من الجزيئات الصغيرة الناتجة عن ذلك داخل أجسامنا. تتضمن أنواع الجزيئات الكبيرة التي سنركز عليها الكربوهيدرات المعقدة، والبروتينات، والدهون، وهي نوع من الليبيدات. هذه ثلاثة أنواع من الجزيئات الحيوية الكبيرة التي تستخدمها جميع الكائنات الحية في أجسامها، وكلها بوليمرات أيضًا.

الجزء «بولي» من هذه الكلمة بالإنجليزية يعني الكثير، والجزء «مر» يعني جزءًا. والبوليمر جزيء كبير مكون من عدة أجزاء متشابهة. يمكنك أن ترى ذلك بسهولة في مخططات الكربوهيدرات والبروتينات؛ إذ تبدو أشبه بقطارات طويلة مكونة من عربات قطار صغيرة. إلا أن الأمر يختلف نوعًا ما في حالة الدهون، وليست كل المراجع تعتبرها بوليمرات حقيقية. لكننا هنا سنعتبرها من البوليمرات.

خلال الهضم، تنقسم تلك الجزيئات الكبيرة إلى الأجزاء الصغرى المكونة لها، وهي السكريات في حالة الكربوهيدرات، والأحماض الأمينية في حالة البروتينات، والجليسرول والأحماض الدهنية في حالة الدهون. ويمكن تسمية الأجزاء الصغيرة التي تنقسم إليها البوليمرات بالمونومرات، وهذا الاسم يعني جزءًا واحدًا. لكن كيف لمجموعة من المونومرات أن تساعد هذا الديناصور؟ في الواقع، يمكنه استخدام السكريات للحصول على الطاقة أو لبناء جزيئات أكبر. ويمكنه استخدام الأحماض الأمينية لصناعة البروتينات اللازمة له، والتي لها وظائف عدة. ويمكنه أيضًا استخدام الجليسرول والأحماض الدهنية لصناعة أغشية الخلايا، أو يستخدمها وقودًا غنيًّا بالطاقة، وغير ذلك من الاستخدامات الأخرى. وهكذا عندما نتناول الطعام فإننا في الواقع نعيد تنظيم كائنات أخرى بداخلنا من جديد. ومن ثم إذا افترسك نمر، فربما تظل جزءًا من ذلك النمر لفترة طويلة جدًّا.

بعد ذلك، دعونا نلق نظرة على بعض الاختبارات المعملية التي يمكننا استخدامها للتعرف على تلك الجزيئات في طعامنا. لنبدأ باختبار بينيدكت للكشف عن السكريات. السكريات في حد ذاتها كربوهيدرات، لكنها في الوقت نفسه تمثل وحدات المونومر لجزيئات كربوهيدرات معقدة أكبر. أولًا، ضع عينة صغيرة من الطعام المراد اختباره داخل أنبوب اختبار. وإذا كان الطعام صلبًا، امزجه بقليل من الماء ثم أضف إليه الكمية نفسها تقريبًا من محلول بينيدكت الأزرق اللون. بعد ذلك ضع الأنبوب في حمام ماء بدرجة حرارة أقل من الغليان قليلًا، واتركه يسخن لبضع دقائق لمعرفة ما إذا كان لونه سيتغير. إذا لم يتغير اللون، فهذا يعني أن النتيجة سلبية، أو بمعنى آخر، لا يوجد سكر. أما إذا تغير اللون من الأزرق إلى الأخضر، أو إلى البرتقالي، أو حتى إلى الأحمر الداكن، فهذا يشير إلى أن النتيجة إيجابية؛ أي وجود السكر. في الواقع، هذه الألوان تشير إلى تركيز السكر أيضًا؛ حيث إن اللون الأخضر يعني أن تركيز السكر منخفض، والبرتقالي يعني أنه مرتفع، والأحمر الداكن يعني أنه في أعلى تركيزاته.

إليك اختبارًا آخر للكربوهيدرات، لكنه مخصص هذه المرة للكربوهيدرات الكبيرة أو المعقدة التي تسمى النشا، والذي يتكون من الكثير والكثير من وحدات الجلوكوز المرتبطة معًا. ضع بضع قطرات من محلول اليود على عينة الطعام، وانظر ما إذا كان اللون سيتغير ليصبح أسود أو أسود مزرقًّا. إذا لم يحدث هذا التغير في اللون، فهذا يشير إلى أن النتيجة سلبية، وهو ما يعني عدم وجود نشا. أما إذا رأيت أن اللون يتغير إلى الأسود أو الأسود المزرق، فهذا يعني وجود نشا.

الاختبار التالي الذي سنتناوله يسمى اختبار بيوريت، وهو يستخدم في الكشف عن وجود البروتينات. أضف بضع قطرات من محلول بيوريت الأزرق، الذي يحتوي على هيدروكسيد البوتاسيوم وكبريتات النحاس، إلى عينة الطعام السائلة أو المسالة، ثم راقب إذا ما تغير اللون إلى البنفسجي. إذا تغير اللون، فهذه نتيجة إيجابية تعني وجود البروتين.

وأخيرًا وليس آخرًا، اختبار المستحلب للكشف عن الليبيدات. مرة أخرى، نضع عينة صغيرة من الطعام داخل أنبوب اختبار ونضيف إليها ضعف كميتها من الإيثانول، ثم نخلطهما معًا. بعد ترك الخليط يهدأ قليلًا، نضيف كمية مساوية من الماء تقريبًا إلى أنبوب الاختبار. وللحصول على نتائج أوضح، نسكب الجزء العلوي من العينة في أنبوب اختبار به كمية مساوية تقريبًا من الماء. إذا تعكر الخليط الناتج، فهذا يعني أن نتيجة اختبار الليبيدات إيجابية. وإذا كان المحلول صافيًا، فهذا يشير إلى عدم وجود دهون. فالعكارة دليل على وجود مستحلب. والمستحلب خليط من سائلين لا يمتزجان في المعتاد ما لم يتبعثر أحدهما في الآخر في صورة قطرات صغيرة.

بينما تحدد هذه الاختبارات وجود جزيئات كبيرة معينة أو سكريات من عدمه، ثمة اختبار آخر يحدد كمية الطاقة المتولدة من الطعام خلال عملية تشبه على نحو مدهش عملية الهضم. وهذه هي عملية الاحتراق أو حرق الطعام. هذه الطريقة تسمى المسعرية الحرارية؛ حيث إن الوحدات التي نقيس بها مستوى الطاقة في الطعام تسمى السعرات الحرارية، وهذه الطريقة معنية بقياسها. يتمثل أحد أبسط المسعرات الحرارية في استخدام حاوية معزولة بها ترمومتر وماء. نسجل درجة الحرارة الابتدائية أو الأولية. ثم يأتي الجزء الممتع من الاختبار؛ حيث نضع عينة الطعام تحت المسعر الحراري ونشعل فيها النار. وعندما يحترق الطعام تمامًا، نسجل درجة الحرارة النهائية.

وكمية الطاقة المنتقلة من الطاقة الكيميائية الموجودة في الطعام إلى الماء في المسعر الحراري يمثلها التغير في درجة الحرارة، ويستخدم هذا التغير في حساب عدد السعرات الحرارية، أو كمية الطاقة المتولدة من عينة الطعام. إذن، الفكرة الرئيسية هنا هي أنه كلما زادت الطاقة أو السعرات الحرارية التي تحتويها عينة الطعام، زادت درجة حرارة الماء. والآن دعونا نحل بعض المسائل التدريبية.

أكمل العبارات لوصف تركيب الجزيئات الحيوية. (أ) يتكون البروتين من العديد من المونومرات التي تسمى فراغ. (ب) يرتبط العديد من جزيئات السكر، مثل الجلوكوز، معًا لتشكل فراغ. (ج) يتكون جزيء الليبيد الأساسي من مركب فراغ واحد وثلاثة أحماض دهنية.

المهارة الأساسية المطلوبة لإكمال هذه العبارات بشكل صحيح هي معرفة تركيب الجزيئات الحيوية التي تعرف أيضًا بالجزيئات الحيوية الكبيرة. إذن دعونا نتذكر مكونات هذه الجزيئات وأنماط بنيتها بينما نتناول هذا السؤال. يطلب منا السؤال وصف مكونات الجزيئات الحيوية. ومن ثم فنحن بحاجة إلى وصف كيفية ارتباط أجزاء الجزيئات الحيوية معًا. الجزيئات الحيوية التي نتحدث عنها هنا هي ثلاثة أنواع من الجزيئات الكبيرة التي نحصل عليها من طعامنا وتوجد داخل أجسامنا، وهي تتضمن الكربوهيدرات والبروتينات والليبيدات. وسوف نتحدث هنا عن الدهون تحديدًا. هذه الأنواع من الجزيئات تسمى البوليمرات.

كلمة بوليمر تعني حرفيًّا عدة أجزاء. ويمكنك أن ترى في المخطط الموضح هنا أن الكربوهيدرات يمكن أن تتكون من عدة أجزاء. وهي في الواقع أكثر بكثير مما عرضناه هنا. ويمكن أن ترتبط الأجزاء في سلسلة واحدة، كما هو موضح بالشكل، ويمكن أيضًا أن تأخذ الكربوهيدرات صورة سلسلة متفرعة. من أمثلة الكربوهيدرات الكبيرة أو المعقدة النشا الذي يستخدم في تخزين الطاقة، والسليلوز الذي يعد أحد العناصر البنيوية للجدار الخلوي للنباتات.

تتكون البوليمرات من عدة أجزاء نطلق عليها المونومرات، التي تعني حرفيا الجزء الواحد. والمونومرات المكونة للكربوهيدرات هي السكريات، والسكريات الأحادية تعد من الكربوهيدرات أيضًا. في الواقع، تتكون بعض أنواع الكربوهيدرات الأخرى من جزيئي سكر فقط مرتبطين معًا، مثل سكر المائدة أو السكروز. إذن من الممكن أن يتراوح عدد جزيئات السكر في الكربوهيدرات من جزيء واحد حتى آلاف الجزيئات. بوليمرات البروتين أيضًا لها مجموعة واسعة النطاق من الأحجام، وترتبط معًا لتكون سلسلة واحدة. من الأمثلة الشائعة للبروتينات التي ربما سمعت بها من قبل هرمون الإنسولين، والبروتين الهيكلي المعروف بالكولاجين. وحدة المونومر المكونة للبروتين تسمى الحمض الأميني، ويوجد 20 نوعًا مختلفًا من الأحماض الأمينية التي نبني منها البروتينات في أجسامنا.

لكن الأمر يختلف في الليبيدات نوعًا ما، وعلى الرغم من أن بعض المراجع لا تعدها من البوليمرات، فسنعتبرها منها. وبينما لا تقتصر الليبيدات على الدهون فقط، فسنقتصر حديثنا هنا على الدهون. تتكون الدهون من جزيء من الجليسرول مرتبط بثلاث سلاسل من الأحماض الدهنية قد تختلف في طولها ونوعية روابطها. وحدات المونومر الخاصة بالدهون هي الجليسرول والأحماض الدهنية المرتبطة بالجليسرول. وتتفاوت الأحماض الدهنية في طولها، بل وقد يحتوي بعضها على انحناءات. ومزيج الأحماض الدهنية المختلفة التي ترتبط بالجليسرول هو ما يكسب الدهون شكلها الخاص.

يبدو أننا مستعدون لإكمال العبارات الموضحة في السؤال. تقول العبارة (أ) إن البروتين يتكون من عدة مونومرات تسمى فراغ. إذا نظرنا إلى الجدول الموضح أمامنا، نجد أن البروتينات لها وحدات مونومر تسمى الأحماض الأمينية. تقول العبارة (ب) إن جزيئات سكر عديدة، مثل الجلوكوز، ترتبط معًا لتشكل فراغ. لدينا أسماء مثالين للسكريات في جدولنا، وهما الجلوكوز والفركتوز. لذا إذا وضعنا العديد من جزيئات سكر الجلوكوز معًا، فسنحصل على جزيء أكبر من الكربوهيدرات. تقول العبارة (ج) إن جزيء الليبيد الأساسي يتكون من مركب فراغ واحد وثلاثة أحماض دهنية. بالنظر إلى المخطط البياني، يمكننا أن نرى واحدًا، اثنين، ثلاثة أحماض دهنية مرتبطة بمركب جليسرول واحد.

أكمل الجدول لتوضيح الجزيء الحيوي الذي يجري الكشف عنه، واسم الاختبار.

المهارة الأساسية المطلوبة لإكمال هذا الجدول هي معرفة اختبار الطعام المناسب لكل نوع من أنواع الجزيئات الحيوية التي تسمى أحيانًا الجزيئات الحيوية الكبيرة. يحتوي الجدول على أسماء اثنين من الجزيئات الحيوية؛ وهما النشا والبروتين، وأسماء اثنين من اختبارات الطعام؛ وهما اختبار الإيثانول‪/‬‏المستحلب، واختبار آخر يستخدم محلول بينيدكت كاشفًا كيميائيًّا. دعونا نستعرض الجزيئات الحيوية الثلاثة الشائعة في طعامنا وأجسامنا، وهي الكربوهيدرات والليبيدات والبروتينات، بينما نقرر كيف سنكمل هذا الجدول.

هذه الجزيئات الحيوية هي بوليمرات، وهو ما يعني أنها مكونة من عدة وحدات متشابهة متكررة. وهذه الوحدات تسمى المونومرات. والمونومرات التي ترتبط معًا لتكوين جزيئات كربوهيدرات أكبر تسمى السكريات، لكن السكريات قد تكون كربوهيدرات قائمة بذاتها أيضًا. والمونومرات الخاصة بالليبيدات التي سنتناولها هنا هي الجليسرول والأحماض الدهنية الموجودة في الدهون التي تعد نوعًا من الليبيدات. أما وحدات المونومر التي ترتبط معًا لتكوين البروتينات، فتسمى الأحماض الأمينية. من أمثلة الكربوهيدرات الجلوكوز واللاكتوز، وكلاهما سكريات بسيطة، وتوجد أيضًا بعض الكربوهيدرات الأكبر مثل النشا أو الجليكوجين. كما يمكن أيضًا تقسيم الدهون إلى دهون مشبعة ودهون غير مشبعة. ومن أمثلة البروتينات الميوسين واللاكتين الموجودان في خلايانا العضلية ويمكناننا من الحركة.

بعد ذلك، سنعرض قائمة بالاختبارات المستخدمة في التعرف على تلك الجزيئات الحيوية في عينات الطعام. في حالة الكربوهيدرات، يوجد اختباران مختلفان لنوعين مختلفين من الكربوهيدرات، وهما السكريات المختزلة التي تتضمن السكريات البسيطة، والنشويات. يتطلب اختبار الكشف عن السكريات استخدام محلول يسمى محلول بينيدكت. وبمجرد إضافة محلول بينيدكت إلى عينة الطعام، يجب أن يوضع في حمام مياه دفيء لبضع دقائق. أما اختبار الكشف عن النشويات التي تتكون من عدة جزيئات من الجلوكوز مرتبطة معًا، فهو اختبار اليود. وفيه يوضع محلول اليود على عينة الطعام ببساطة. أما اختبار الطعام المستخدم في الكشف عن الليبيدات فيستخدم الإيثانول، ويهدف إلى رؤية ما إذا كانت عينة الطعام ستكون مستحلبًا، والذي يكون في صورة عكارة. والاختبار المستخدم في الكشف عن البروتين في عينة الطعام يسمى اختبار بيوريت.

أصبحنا الآن مستعدين للبدء في إكمال الجدول. من أجل الكشف عن النشا في عينة الطعام، نحن بحاجة لاستخدام اختبار اليود. أما إذا أضفنا الإيثانول إلى عينة الطعام لمعرفة ما إذا كان ثمة مستحلب سيتكون، فهذا لأننا نحاول الكشف عن الليبيدات. وإذا أردنا الكشف عن البروتين في عينة ما، فسنستخدم اختبار بيوريت. وإذا وضعت عينة الطعام في حمام مياه دفيء مع محلول بينيدكت، فسيكون ذلك اختبارًا للكشف عن السكريات.

لنستعرض الآن بعض النقاط الرئيسية الواردة في هذا الفيديو. الجزيئات الحيوية التي تحدثنا عنها هي بوليمرات؛ حيث إنها تتكون من عدة وحدات متشابهة متكررة، وهذه الوحدات تسمى مونومرات. ناقشنا ثلاثة أنواع من الجزيئات الحيوية؛ وهي الكربوهيدرات والبروتينات والليبيدات. ووحدة المونومر المكونة للكربوهيدرات هي السكريات، واختبار الكشف عن السكريات هو اختبار بينيدكت. وتكون نتيجة اختبار بينيدكت الإيجابية باللون الأخضر إذا كان تركيز السكر منخفضًا، وباللون البرتقالي إذا كان التركيز أعلى، وباللون الأحمر الداكن عندما يكون السكر في أعلى تركيز له. وإذا كنا نجري الاختبار من أجل الكشف عن وجود النشا، نستخدم اختبار اليود، وتعطينا النتيجة الإيجابية لونًا أسود أو أسود مزرقًّا. مونومرات البروتينات هي الأحماض الأمينية، واختبار الكشف عن البروتين يسمى اختبار بيوريت. والنتيجة الإيجابية لهذا الاختبار تعطينا اللون البنفسجي أو الأرجواني الزاهي.

الليبيدات التي تحدثنا عنها في هذا الفيديو تسمى الدهون، وهي تتكون من وحدتين من المونومرات؛ إذ تتكون من جليسرول مرتبط بثلاثة أحماض دهنية. واختبار الكشف عن الدهون هو اختبار المستحلب، والنتيجة الإيجابية تبدو عكرة أو تميل إلى البياض. ومن بين هذه الاختبارات كلها، اختبار بينيدكت للكشف عن السكريات المختزلة هو الوحيد الذي يتطلب استخدام حمام ماء دفيء. ناقشنا كذلك عملية المسعرية الحرارية، وهي طريقة لتحديد كمية الطاقة المتولدة عن الطعام عند احتراقه.