عالم الأحياء 10: الكربوهيدرات
الجزيئات الكبيرة
إذا حاولت قراءة ملصق غذائي على منتج ما في سوق البقالة، ستُلاحظ بعض المكونات مثل البروتينات، الكربوهيدرات أو الدهون، ولكن ماذا تعني هذه المكونات؟
يتكون طعامنا من مجموعة من الجزيئات الكبيرة كالدهون، الكربوهيدرات والبروتينات، وهذه الجزيئات الكبيرة هي اللبنات الأساسية التي تُشكل طعامنا.
من الجدير بالذكر أيضًا أن أجسادنا تتكون هذه الجزيئات الحيوية الكبيرة.
تتكون أجسامنا من الذرات، والتي تتحد معًا لتكون جزيئات كالماء، وتتحد بعض الجزيئات الكبيرة معًا لتكون الخلايا.
يحتوي جسمك على أربعة أنواع من الجزيئات الكبيرة وهي:
- الدهون.
- البروتينات.
- الكربوهيدرات.
- الأحماض النووية.
لا يتألف جسدنا فقط من الجزيئات الكبيرة، ولكنها تُشكل معظم الجزيئات الصلبة في الجسم، أما الجزيئات السائلة فمعظمها من الماء.
تسمح الجزيئات الكبيرة لأجسادنا بالقيام بالعديد من المهام، فالكربوهيدرات تمنح أجسادنا الطاقة اللازمة.
كما تدخل الدهون في تركيب الغشاء الخلوي، وتُنظم من عملية دخول وخروج المواد المغذية من خارج الخلية إلى داخلها والعكس.
أما الأحماض النووية كجزيء DNA أو RNA فهي التي تخزن المادة الوراثية وتحفظها.
علاوة على ما سبق، تتميز البروتينات بمجال وظائفها الواسع، فهي تساهم في نقل واستقبال الأشارات العصبية، وتقدم الدعم الهيكلي للعديد من أعضاء الجسم.
المونومرات والبوليمرات
يُمكن تشبيه المونومرات بالخرز والبوليمرات بعقد من الخرز، فالمونومرات هي الوحدات الرئيسية للجزيئات الكبيرة.
كما ترتبط المونومرات معًا كسلسلة متماسكة لتُشكل البوليمرات أو الجزيئات الكبيرة.
من الجدير بالذكر أن الدهون تعتبر من الجزيئات الكبيرة، ولكنها لا تعتبر من البوليمرات لعدم تكونها من سلسلة من المونومرات المترابطة معًا.
وترتبط المونومرات معًا باستخدام التفاعل الجاف، وهي رابطة تساهمية بين الذرات ينتج عنها إطلاق جزيء الماء، وهكذا ترتبط المونومرات معًا لتكوين البوليمرات.
على الرغم من أن البوليمرات تتكون من تفاعل بين جزيئات مونومر واحد فقط، ولكنها لا تزال تتميز بتنوعها المذهل.
على سبيل المثال السليلوز، النشا والجليكوجين، هذه المركبات الثلاثة أو البوليمرات الثلاثة تتألف من الجلوكوز فقط، ولكنها تختلف في موقعها ووظيفتها في أجسام المخلوقات الحية.
كما تختلف الروابط بين الجلوكوز في هذه المركبات الثلاثة، مما يؤدي إلى اختلافها.
علاوة على ما سبق، يمكن أن تتفكك البوليمرات إلى مونومرات بتفاعل يُطلق عليه اسم تحليل الماء، وهو تفكيك الروابط بين المونومرات بإضافة جزيء الماء.
من الجدير بالذكر أن الإنزيمات التي تدعم الجسم على القيام بالعديد من المهام هي في الحقيقة تقوم بتسريع عمليات التفاعل الجاف أو تحليل الماء.
الكربوهيدرات
هل فكرت سابقًا بمحتويات البطاطا اللذيذة؟
في الحقيقة، تحتوي البطاطا على قليل من الماء، مع نسبة بسيطة من الدهون بالإضافة إلى كمية كبيرة من الكربوهيدرات.
ومن الجدير بالذكر أن الكربوهيدرات هي في الحقيقة متواجدة في الطبيعة بأشكال مختلفة.
يُمكن العثور على الكربوهيدرات على شكل سكريات تمنح أجسامنا بالطاقة اللازمة لأداء مهامنا اليومية.
كما تحتوي البطاطا على الألياف، وهي شكل آخر من أشكال الكربوهيدرات تُساهم في تحسين صحة الهضم.
علاوة على ذلك تحتوي البطاطا على السليلوز، وهو الذي يمنح البطاطا قوامها الصلب.
كما تحتوي البطاطا على نسبة مرتفعة من النشا، وهو أيضًا من الكربوهيدرات التي تمنحك الطاقة.
كما يحتوي جهازنا الهضمي وتحديدًا اللعاب في الفم على إنزيمات هاضمة تُساهم في تكسير هذه الكربوهيدرات إلى سكريات بسيطة.
تعني الكربوهيدرات بشكل علمي مركبات عضوية تتألف من ذرات الهيدروجين، الأكسجين والكربون.
وتنقسم الكربوهيدرات إلى ثلاثة أنواع وهي سكريات أحادية، سكريات ثنائية وسكريات متعددة.
السكريات الأحادية
السكريات الأحادية أو السكريات البسيطة، وهو أبسط أشكال الكربوهيدرات، وأشهر الأمثلة على السكريات البسيطة الجلوكوز.
تتواجد معظم ذرات الأكسجين في السكريات البسيطة على شكل جزيء هيدروكسيل OH، باستثناء ذرة واحدة ترتبط برابطة ثنائية مع الكربون، ويُطلق عليها اسم مجموعة الكربونيل.
إذا كانت مجموعة الكربونيل طرفية وغير مرتبطة بجزيء آخر، يُعرف حينها السكر بأنه من سكر ألدهيدي.
أما إذا ارتبطت مجموعة الكربونيل مرتبطة بذرة أو ذرات أخرى، فحينها يُعرف السكر باسم سكر الكيتوز.
أكثر السكريات الأحادية شيوعًا الجلوكوز، وصيغته الكيميائية هي كالآتي:
C6H12O6
من السكريات البسيطة الشائعة الأخرى أيضًا الجالاكتوز والفركتوز، والمثير للدهشة أنها لجميعها صيغة الجلوكوز الكيميائية ذاتها.
لكن كل من الجالاكتوز، الجلوكوز والفركتوز يختلفون في ترتيب الذرات، وهذا وفق الشكل الآتي:
يدل هذا على أن الجالاكتوز، الفركتوز وسكر المانتوز هم نظائر لسكر الجلوكوز.
من الجدير بالذكر أن سكر الفركتوز هو السكر الذي يُطلق عليه اسم سكر الفواكه.
كما يمكن رسم السكريات الأحادية على شكل حلقة، ومن الجدير بالذكر أنها أكثر استقرارًا مقارنة بالسلسلة.
بالعودة لجزيء الجلوكوز، 99٪ من الجلوكوز الموجود في الطبيعة يتبع الترتيب الحلقي.
السكريات الثنائية
السكريات الثنائية هي السكريات الناتجة عن ارتباط اثنان من السكريات الأحادية.
ترتبط السكريات معًا باعتمادها على تفاعل الجفاف، حيث يخسر السكر الأول جزيء هيدروكسيل، والسكر الثاني يفقد الهيدروجين، فينتج عن هذا التفاعل سكر ثنائي وجزيء ماء.
على سبيل المثال يتحد الجلوكوز مع الفركتوز لتكوين السكروز المعروف باسم سكر المائدة.
نلاحظ في هذه الصورة أن الجلوكوز تخلى عن مجموعة الهيدروكسيل، والفركتوز تخلى عن الهيدروجين، وساهم بذرة الأكسجين فمنحها للجلوكوز ليصلا لمرحلة الاستقرار.
يُطلق على الرابطة التساهمية التي تربط السكريات معًا والموضحة في الشكل أعلاه اسم الرابطة الجليكوسيدية.
عمومًا، فيما يلي أشهر السكريات الثنائية:
- السكروز: وهو سكر المائدة الناتج عن تفاعل الجلوكوز مع الفركتوز.
- اللاكتوز: وهو سكر الحليب، وينتج عن تفاعل الجلوكوز مع الجالاكتوز، وهو سكر مفيد لمعظم الأشخاص باستثناء مرضى حساسية اللاكتوز.
- المالتوز: وهو سكر الشعير الناتج عن تفاعل اثنين من جزيئات الجلوكوز.
- الساكارايد: وهو الشكل الأكثر شيوعًا لسكر المائدة، وينتج عن تفاعل الجلوكوز مع الفركتوز.
السكريات المتعددة
السكريات المتعددة هي سكريات ناتجة عن تفاعل سلسلة من السكريات الأحادية معًا، وقد تكون هذه السلسلة متفرعة أو غير متفرعة.
كما يمكن أن تتألف السكريات المتعددة من مجموعة من السكريات الأحادية.
أشهر أنواع السكريات المتعددة هي السليلوز، النشا، الكيتين والجلايكوجين.
النشا هو شكل السكر الذي تستخدمه النباتات لتخزين الطاقة، فعندما تقوم بصناعة الغذاء عن طريق البناء الضوئي، تُخزن هذه الطاقة على شكل نشا.
يتألف النشا من شكلين مختلفين من بوليمرات الجلوكوز وهما الأميلوبكتين والأميلوز.
تستخدم النباتات النشا الموجود في البذور لتغذية البذور الصغيرة لنمو النباتات منها.
أما في البشر يتم تخزين الطاقة على شكل سكر الجلايكوجين، والذي يتألف من مونومرات الجلوكوز.
يقوم الجسم بتخزين الجلايكوجين في الكبد والعضلات، وعندما يحتاج الجسم للجلوكوز يقوم بتكسير الجلايكوجين عن طريق تفاعل تحليل الماء.
وهذا يعني أنه يكسر الرابطة بين وحدات الجلوكوز التي تكون الجلايكوجين، وينتج عن هذا التفاعل جزيء ماء.
السليلوز أيضًا يعتبر من السكريات الهامة، فهو الذي يدعم بنية الخلايا النباتية، ويمنحها الصلابة والتماسك.
هل لاحظت من قبل أن الخس مقرمش؟
يعود السبب في هذه القرمشة إلى جزيئات السليلوز، ومن الجدير بالذكر أن أجسام البشر لا تحتوي على إنزيمات يمكنها هضم السليلوز.
في المقابل يمكن أن تهضم الحيوانات العاشبة كالخيول أو الأبقار السليلوز بالاستعانة ببكتيريا مفيدة في أمعائها.
كما يمكن لبعض الحشرات هضم السليلوز أيضًا مثل النمل الأبيض.
ليس هذا فحسب، تحتوي أجسام الحشرات أيضًا على نوع من السكريات المتعددة يطلق عليه اسم الكيتين.
الكيتين هو المكون الرئيسي للقشرة الصلبة المحيطة بأجزاء جسم الحشرة.