ترکیب شیمیایی انواع گیاهان، جانوران و میکروب ها بسیار مشابه است. از 92 عنصر موجود در طبیعت فقط تعداد معدودی در ماده زنده یافت می شود. عنصرهای هیدروژن (H)، اکسیژن (O)، کربن (C) و نیتروژن (N) روی هم 99 درصد جرم سلول ها را تشکیل می دهند در حالی که سه عنصر هیدوژن، کربن و نیتروژن کمتر از یک درصد جرم پوسته زمین را شامل می شوند.
علاوه بر عناصر فوق، کلسیم (Ca)، گوگرد (S) و فسفر (P) نیز در ماده زنده به مقادیر قابل ملاحظه یافت می شوند.
تنوع و ثبات ترکیبات کربن دار در موجودات زنده به ویژگی های اتم کربن ارتباط دارد.
چنانکه می دانید ظرفیت هر اتم به تعداد الکترون هایی که برای تکمیل کردن مدار خارجی باید به دست آورد یا از دست بدهد، بستگی دارد. اتم کربن در مدار خارجی خود چهار الکترون دارد و برای تکمیل این مدار به چهار الکترون دیگر نیازمند است؛ بنابراین کربن چهار ظرفیتی است. کربن هم چون سایر اتم ها تمایل دارد مدار خارجی خود را تکمیل کند تا پایدارتر شود. اتم کربن برای رسیدن به این هدف، با اتم های دیگر که آنها نیز برای کامل کردن مدار خارجی خود به الکترون نیازمندند، پیوند تشکیل می دهد. گرایش به تشکیل این پیوندها منشأ تنوع ساختاری مولکول های کربن دار است. یک اتم کربن به علت چهار ظرفیتی بودن، می تواند با چهار یا تعداد کمتری اتم دیگر پیوند تشکیل دهد به نحوی که در نهایت چهار پیوند تشکیل شود.
درشت مولکول های زیستی
سلول ها علاوه بر آب و مولکول های کوچک دیگر، مولکول های بزرگی نیز دارند که درشت مولکول یا ماکرومولکول نامیده می شوند. یک درشت مولکول پلی مری است که از به هم پیوستن تعدادی مولکول کوچک و مشابه به نام تک واحد یا مونومر ساخته شده است.
تک واحدها در درشت مولکول ها به صورت خطی یا منشعب به یکدیگر می پیوندند.
جرم مولکولی تک واحدها چند صد دُلتن و جرم مولکولی درشت مولکول های زیستی بین چندهزار و یک میلیون دُلتن است. مهم ترین درشت مولکول های زیستی عبارتند از : پلی ساکاریدها، پروتئین ها و اسیدهای نوکلئیک که به ترتیب از به هم پیوستن منوساکاریدها، اسیدهای آمینه و نوکلئوتیدها بدست می آیند. لیپیدها معمولاً جزء درشت مولکول ها طبقه بندی نمی شوند.
اما در اینجا همراه با آنها بررسی می شوند زیرا هم چون درشت مولکول ها نقش هایی عمده و مهم در سلول ایفا می کنند. لیپیدها از نظر اندازه بین مولکول های کوچک و درشت-مولکول ها قرار می گیرند.
برای فهمیدن بیوشیمی سلول، باید درشت مولکول ها را شناخت. باید دانست که آنها چه نوع ترکیباتی هستند، چگونه ساخته می شوند، چگونه تجمع می یابند و چگونه عمل می کنند.
ابتدا با کربوهیدرات ها که ساده ترین درشت مولکول های زیستی هستند آشنا می شوید، پس از آن لیپیدها و پروتئین ها و سپس اسیدهای نوکلئیک به ترتیب مورد بحث قرار می گیرند.
کربوهیدرات ها :
کربوهیدرات ها ساده ترین درشت مولکول های زیستی هستند که از سه عنصر اصلی کربن، هیدروژن و اکسیژن ساخته شده اند. در کربوهیدرات ها پیوندهای کووالان متعددی وجود دارند که کربن در آنها شرکت می کند و درنتیجه شکسته شدن آنها مقدار زیادی انرژی تولید می شود، بنابراین کربوهیدرات ها جزء ترکیبات انرژی زای سلول هستند.
مونوساکاریدها ساده ترین کربوهیدرات ها هستند. همه مونوساکاریدها از فرمول کلی (CH2O)n تبعیت می کنند. عدد n در فرمول بین 3 تا 7 متغیر است.
1CHO
H – 2C – OH
3CH2OH
مونوساکاریدها سه تا هفت کربن دارند و آلدوز یا کتوز هستند. آلدوزها در کربن شماره 1 عامل آلدهیدی (-CHO) و کتوزها عامل کتونی (-C=O) دارند. قندهای سه، چهار، پنج، شش و هفت کربنی را به ترتیب تری یوز، تتروز، پنتوز، هگزوز و هپتوز می نامند.
گلیسر آلدهید یک قند 3 کربنی است و فرمول شیمیایی آن چنین است :
در این ترکیب کربن شماره 2 نامتقارن است زیرا با 4 گروه مختلف پیوند تشکیل داده است.
چنین کربنی می تواند دو ایزومر L,D داشته باشد. بطور کلی برای یک مولکول قند با n کربن اگر گروه –OH متصل به کربن شماره 1 – n آن دست راست و –H دست چپ رسم شود، ایزومر D و برعکس آن L نامیده می شود.
قندهای پنج کربنی و شش کربنی اهمیت ویژه ای دارند زیرا علاوه بر این که در راه های متابولیسمی شرکت دارند، در ساختار برخی درشت مولکول ها نیز بکار می روند. ریبوز و مشتقات آن که در ساختار اسیدهای نوکلئیک شرکت دارند، از مهم ترین قندهای پنج کربنی هستند. قند شش کربنی گلوکز با فرمول C6H12O6 واحد سازنده نشاسته، گلیکوژن و سلولز است.
الیگوساکاریدها ترکیباتی هستند که بین دو و ده واحد منوساکاریدی دارند. الیگوساکاریدها بر حسب تعداد واحدهای تشکیل دهنده آنها طبقه بندی می شوند مثلا اگر دو مولکول منوساکارید به هم متصل شوند دی ساکارید و در صورت اتصال سه مولکول منوساکارید، یک تری ساکارید ایجاد می شود. ساکاروز دی ساکاریدی است که از اتصال گلوکز با فروکتوز بدست می آید. لاکتوز دی ساکارید دیگری است که از اتصال گلوکز و گالاکتوز حاصل می شود.
کربوهیدرات هایی با بیش از ده واحد مونوساکاریدی در گروه پلی ساکاریدها قرار می گیرند.
نشاسته، گلیکوژن و سلولز از مهم ترین پلی ساکاریدهای زیستی اند که هر سه از واحدهای گلوکز ساخته شده اند.
نشاسته پلی ساکارید ذخیره ای در گیاهان است. شکل خطی آن آمیلوز و شکل شاخه دار آن آمیلوپکتین نام دارد.
گلیکوژن پلی ساکارید ذخیره ای در جانوران است و در سلول های کبد و ماهیچه به مقدار زیاد وجود دارد. جرم مولکولی گلیکوژن بیشتر از نشاسته است.
سلولز در دیواره سلول های گیاهی یافت می شود و ساختاری مشابه آمیلوز دارد. این پلی- ساکارید برای اغلب جانداران غذا محسوب نمی شود زیرا جانوران توانایی شکستن پیوندهای بین واحدهای گلوکز موجود در سلولز را ندارند. نشخوارکنندگان بدلیل داشتن باکتری های تجزیه کننده سلولز در دستگاه گوارش خود قادر به هضم سلولز هستند و لذا از آن به عنوان منبع غذایی استفاده می کنند.
کیتین یک پلی ساکارید ذخیره ای است که در پوشش خارجی بدن بسیاری از حشرات و سخت پوستان وجود دارد.
لیپید ها :
لیپیدها دسته دیگری از ترکیبات موجود در سلول هستند که همانند کربوهیدارت ها هر دو نقش ساختاری و ذخیره ای را دارند. این مولکول ها ترکیبات اصلی تشکیل دهنده غشا های زیستی هستند. لیپیدهای ذخیره ای، منابع پرانرژی سلول ها به حساب می آیند. لیپیدها در آب انحلال ناپذیرند، اما در حلّال های آلی مانند اتر و کلروفرم حل می شوند. بخش هیدروکربنی در آنها غیرقطبی و گسترده و تعداد گروه های قطبی آنها کوچک و کم است.
اسیدهای چرب خود لیپیدهایی ساده و جزئی از ساختار لیپیدهای دیگر هستند. این مولکول ها از یک زنجیره هیدورکربنی که در یک انتهای آن گروه کربوکسیل قرار دارد، تشکیل شده اند. بخش هیدروکربنی اسید چرب که غیرقطبی است، «دُم» و گروه کربوکسیل که قطبی است، «سر» نامیده می شود.