دانشكده علوم ایران

مطالعه‌ی ملکول‌های سازنده‌ی پيکر جانداران و واکنش‌هايی که درون جانداران رخ می‌دهد، خودش دانشی است به نام زيست‌شيمی (بيوشيمی). زيست‌شيمی‌دانان در پی آن هستند که با مطالعه‌ی چگونگی برهم کنش ملکول‌های درون سلول‌های جانداران دريابند که آن‌ها چگونه کار می‌کنند. در اين جا ما به معرفی کربوهيدرات‌ها، ليپيدها و پروتيين‌ها می‌پردازيم و  و اسيد نوکلئيک‌ها را در جای ديگر معرفی خواهيم کرد.

   کربوهيدرات‌ها  
  کربوهيدرات‌ها ملکول‌ها آلی هستند که سه عنصر در ساختمان آن‌ها وجود دارد: کربن، هيدروژن و اکسيژن. کربوهيدرات‌ها شامل قندها و مواد نشاسته‌ای هستند. سه نوع ملکول کربوهيدرات اصلی وجود دارد. که برپايه‌ی ساختمان و اندازه نام گذاری شده‌اند:
    1) منوساکاريدها قندهای ساده هستند.
    2) دی‌ساکاريدها از دو منوساکاريد درست شده‌اند.
    3) پلی‌ساکاريدها از چند منوساکاريد درست شده‌اند.
کربوهيدرات‌ها نخستين فراورده‌های فتوسنتز هستند. ليپيدها، پروتيين‌ها و اسيد نوکلييک‌ها از کربوهيدرات‌ها ساخته می‌شوند.

     منوساکاريدها و دی‌ساکاريدها    منوساکاريدها و دی‌ساکاريدها به عنوان قندها طبقه‌بندی می‌شوند و به طور معمول نام‌ آن‌ها با «اُز» پايان می‌يابد، مثل سوکروز، که در ايران به ساکارز مشهور شده است، و لاکتوز. در منوساکاريدها، هميشه سه عنصر کرين، هيدروژن و اکسيژن به يک نسبت وجود دارد و فرمول پايه‌ای آن‌ها (CH2On) است. منوساکاريدها برپايه‌ی تعداد اتم‌های کربنی که دارند، طبقه‌بندی می‌شوند، 3، 5 و 6 کربنی از همه معمول‌تر‌اند. برای مثال، n در گلوکز 6 است. بنابراين، فرمول آن 6(CH2O) يا C6H12O6 است.
    منوساکاريدهای اصلی: گلوکز، فروکتور و گالاکتوز
    دی‌ساکاريدهای اصلی: مالتوز (گلوکز + گلوکز)، ساکارز (گلوکز + فروکتوز) و گالاکتوز (گلوکز + گالاکتوز) 

     پلی‌ساکاريدها  
  پلی‌ساکاريدها از شمار بسياری منوساکاريد ساخته شده‌اند. نشاسته، گليکوژن، سلولز و کيتين فراوان‌ترين پلی‌ساکاريدها هستند.
    1) نشاسته نشاسته فراوان‌ترين ملکول اندوخته‌ای در گياهان است و به تنهايی بزرگ‌ترين فراهم کنده‌ی انرژی بيش‌تر جانداران جهان است. نشاسته سه ويژگی دارد که آن را به عنوان يک ترکيب اندوخته‌ای مناسب می‌سازد: متراکم، نامحلول، در دسترس.
نشاسته مخلوطی از دو ترکيب است، آميلوز و آميلوپکتين. آميلوز بسپاری بدون شاخه است که گلوکزها در آن با اتصال 1و4-آلفا-گليکوزيدی به هم وصل شده‌اند. اين پيوندها منومرها را با زاويه‌ی اندک کنار هم نگه می‌دارند و زمانی که بارها تکرار شوند، يک ملکول مارپيچی به وجود می‌آيد. در آميلوز شش گلوکز در هر دور مارپيچ وجود دارد.
زنجيره‌های گلوکز در ملکول آميلوپکتين اتصال‌های 1و4-آلفا گليکوزيدی و 1و6-آلفا-گليکوزيدی دارند. بنابراين، ملکول آميلوپکتين شاخه‌دار می‌شود.
    2) گليکوژن
گليکوژن کربوهيدارت اندوخته‌ای جانوران، از جمله انسان، است. ساختمان آن به آميلوپکتين شباهت بسيار دارد، فقط شاخه‌های بيش‌تری دارد. در انسان، گليکوژن به مقدار فراوان در کبد و ماهيچه‌ها اندوخته می‌شود. در فعاليت بدنی طولانی، وقتی اندوخته‌ی دم دستی گلوکز به مصرف رسيد، بدن با شکست گليکوژن جای آن‌ها را پر می‌کند. اگر به يک فرد ميان‌سال غذا نرسد، ذخيره‌ی گليکوژن او پس از حدود يک روز به پايان می‌رسد. اما کسانی که به مدت طولانی فعاليت بدنی شديد دارند، مانند دوندگان ماراتن، در کم‌تر از دو ساعت اندوخته‌ی گليکوژنی خود را به پايان می‌رسانند. وقتی گليکوژن پايان يافت، بدن به استفاده از اندوخته‌های چربی روی می‌آورد. از اين رو، کم خوردن و ورزش کردن سريع‌ترين راه برای کاهش وزن است.
يکی از تغييرهای اصلی که با بهبود مهارت ورزشی ارتباط دارد، افزايش مقدار آنزيم گليکوژن‌سنتاز در ماهيچه‌ها است. اين آنزيم اين امکان را فراهم می‌سازد که گليکوژن پس از مصرف به سرعت بيش‌تر ساخته شود.
    3) سلولز
سلوز يک بسپار ساختمانی است که به ديوراه‌ی سلولی گياهان قدرت و سختی می‌بخشد. ملکول‌ها سلولز زنجيره‌های دراز بدون شاخه‌ای هستند که تعداد بسياری اتصال 1و4-بتا-گليکوزيدی دارند. اين ملکول‌ها خطی کنار هم قرار می‌گيرند و با پيوندهای هيدروژنی که در سرتاسر طول خود با هم برقرار می‌کنند، دسته‌های محکمی به نام ميکروفيبريل می‌سازند.
سلولز به احتمال بسيار فراوان‌ترين ماده‌ی شيميايی ساختمانی روی زمين است، اما تعداد اندکی از جانوران می‌توانند آن را مصرف کنند و بيش‌تر جانوران آنزيم لازم برای گوارش آن، يعنی سلولاز، را توليد نمی‌کنند. جانوران گياه‌خوار، که رژيم غذايی آن‌ها مقدار فراوان سلولز دارد، به اين دليل می‌توانند از  آن بهره ببرند که جاندران توليد کننده‌ی سلولاز را در دستگاه گوارش خود دارند. انسان نمی‌تواند سلولز را گوارش دهد، اما به روش‌های ديگری از آن بهره‌برداری می‌کند. اين ماده برای توليد کاغذ، پنبه، لاک نخن و ليکرا (نوعی پارچه برای لباس ورزش‌کاران) به کار می‌رود.
    4) کيتين اسکلت بيرونی بندپايانی مانند حشره‌ها و عنکبوت‌ها وزن اندکی دارد، اما بسيار محکم و ضد آب است. اين ويژگی‌ها را از کيتين دارد، بسپاری که از واحدهای گلوکزآمين ساخته شده است. گلوکزآمين هنگامی تشکيل می‌شود که يک گروه آمين (NH2) به ملکول گلوکز وصل شود.

     ليپيدها  
ليپيدها گروه متنوعی از ترکيبات هستند که چربی‌ها و روغن‌ها از آن‌ها هستند. ليپيدها ملکول‌ها ناقطبی هستند و از اين رو بيش‌تر آن‌ها در آب حل نمی‌شوند و در حلال‌های ناقطبی مانند الکل و اتر به خوبی حل می‌شوند. فسفوليپيدها، که سرهای قطبی دارند، استثنا هستند. ليپيدها عنصرهای کربن، هيدروژن، اکسيژن و گاهی فسفر و نيتروژن را در خود دارند. آن‌ها ملکول‌هايی با اندازه‌ی ميانه هستند که به بزرگی ملکول‌های درشتی مانند پلی‌ساکاريدها، پلی‌پپتيدها و اسيدنوکلئيک‌ها نمی‌رسند.

    1) تری‌گليسريدها تری‌گليسيريدها، که اندوخته‌ی انرژی در گياهان و جانوران هستند، گروه بزرگ و مهمی از ليپيدها هستند. تری‌گليسريدها از يک ملکول گليسرول و سه ملکول اسيد چرب ساخته شده‌اند. اين چهار ترکيب با واکنش تراکمی به هم وصل می‌شوند تا ملکول E شکلی را بسازند. ملکول گليسرول در همه‌ی گليسيريدها وجود دارد و بنابراين ويژگی‌های تری‌گليسيريدهای مختلف به ماهيت اسيدچرب‌های آن‌ها بستگی دارد.
    2) اسيدهای چرب
اسيد چرب‌ها از نظر طول زنجيره‌شان و ميزان اشباع شدن با هم تفاوت دارند. زنجيره‌هايی با 14 تا 16 اتم کربن از همه معمول‌تر هستند، اما تعداد کربن‌ها از 4 تا 28 متغير است. اسيد چرب اشباع بيش‌ترين مقدار هيدروژن را دارد و بنابراين پيوند دوگانه ندارد. اسيدهای چرب اشباع نشده يک يا چند پيوند دوگانه‌ی C=C دارند.
   3) فسفوليپيدها
فسفوليپيدها ساختمانی شبيه تری‌گليسيريدها دارند، اما به جای يکی از اسيدهای چرب، يک فسفوريک اسيد قطبی دارند. اين جابه‌جايی باعث می‌شود اين ملکول‌ها يک سر قطبی و يک دم ناقطبی داشته باشند. وقتی فسفوليپيدها در آب قرار می‌گيرند، دم‌های آبگريز آن‌ها به درون و سرهای آبدوست آن‌ها به بيرون جهت‌گيری می‌کنند. اين آرايش نقش بسيار مهمی دارد، زيرا باعث شکل‌گيری لايه‌های دوتايی می‌شود که به طور معمول دولايه ناميده می‌شوند. دولايه‌های فسفوليپيدی اساس غشاهای زيستی هستند.
    4) کلسترول بسياری از مردم کلسترول را با بيماری قلبی مرتبط می‌دانند، اما اين ليپيد در واقع يکی از اجزای عادی هر سلول بدن ما است. افزون بر کلسترولی که از راه غذا به بدن ما وارد می‌شود، کبد ما نيز کلسترول می‌سازد. هر چه مقدار آن در رژيم غذايی بيش‌تر باشد، کبد کلسترول کم‌تری می‌سازد. گياه‌خواران که فراورده‌های جانوری نمی‌خورند، همه‌ی کلسترول مورد نياز خود را می‌سازند.
    5) هورمون‌های استروييدی
هورمون‌های استروييدی ساختمانی شبيه کلسترول دارند و در واقع از آن ساخته می‌شوند. اين هورمون‌ها شامل تستوسترون، پروژسترون و استروژن‌ها هستند.
    6) موم‌ها
موم‌ها ليپيدهايی هستند که به عنوان مواد ضد آب به کار می‌روند، بنابراين، از هدر رفتن آب جلوگيری می‌کنند. کوتيکول برگ و پوشش حفاظتی بدن حشره‌ها از موم است. موم‌ها از اسيدهای چرب دراز زنجير درست شده‌اند که به يک ملکول الکل (غير از گليسرول که در تری‌گليسيريدها وجود دارد) متصل هستند. آن‌ها ارزش غذايی ندارند، زيرا ليپازها (آنزيم‌ها گوارنده‌ی ليپيدها) نمی‌توانند آن‌ها را هضم کنند. 

     پروتيين‌ها  
  پروتيين‌ها نقش بنيادی در ساختار و سوخت و ساز همه‌ی جاندارن بازی می‌کنند. ملکول‌های پروتيينی از لحاظ شکل و اندازه، گوناگونی بسيار دارند (گوناگونی ساختاری کربوهيدارت‌ها و ليپيدها در مقايسه با پروتتين‌ها بسيار محدود است). اين گوناگونی در شکل برای نقش پروتيين‌ها در سلول‌ها بسيار کليدی است.

    اهميت پروتيين‌ها برای جاندارن
با نگاه کردن به پراکنش پروتيين‌ها در بدن انسان می‌توانيم گستردگی کارکرد پروتيين‌ها را در بدن جاندارن درک کنيم. برخی از کارهايی که برای انجام آن‌ها به پروتيين‌ها نياز هست، عبارت‌اند از:
    • هر واکنش سوخت‌وسازی در سول با آنزيم متفاوتی آسان می‌شود.
    • بيش‌تر موادی که از  غشای سلول می‌گذرد به ملکول پروتيينی ويژه‌ای به نام ترابر (ترانسپورتر) نياز دارد.
    • برای رويارويی با مواد شيميايی که پيوسته از سوی جاندارن بيماری‌زا مانند باکتری‌ها و ويروس‌ها، توليد می‌شوند، به پادتن (آنتی‌بادی) متفاوتی نياز هست.
آنزيم‌ها، ملکول‌های ترابر و پادتن‌ها همه ملکول‌های پروتيينی هستند که ويژه‌ی برآورده کردن اين نيازها طراحی شده‌اند.

    ساختمان پروتيين‌ها
پروتيين‌ها ملکول‌های بزرگ و پيچيده‌ای هستند. اگر يک ملکول آب (با وزن مولکولی نسبی= 18) به اندازه‌ی يک آجر بود، پروتيين‌ها به اندازه‌ی يک ساختمان کامل بودند.
پروتيين‌ها افزون بر عنصرهای کربن، هيدروژن و اکسيژن، هميشه نيتروژن و گاهی گوگرد دارند. واحد سازنده‌ی پروتيين‌ها آمينو اسيد نام دارند. همين طور که از نامشان برداشت می‌شود، همه‌ی اين ملکول‌ها يک گروه اسيد کربوکسيليک (COOH-) و يگ گروه آمين (NH2-) دارند. همه‌ی اين گروه‌ها به يک اتم کربن مرکزی، به نام کربن آلفا، متصل هستند. بنابراين، اسکلت يک اسيدآمينه از سه اتم C-C-N درست شده‌ است. گروه R در اسيدآمينه‌هاي گوناگون متفاوت است.

   پپتيد، پلی‌پپتيد يا پروتيين‌ها مفهوم دقيق واژه‌های پپتيد، پلی‌پپتيد و پروتيين تا اندازهای گيج‌کننده است و قانونی که در همه‌ی جهان پذيرفته شده باشد، وجود ندارد. وقتی اسيدآمينه‌ها به صورت زنجيره‌های کوتاهی به هم وصل ‌شوند، يک پپتيد تشکيل می‌شود. زنجيره‌های دراز‌تر را پلی‌پپتيد می‌گويند. واژه‌ی پروتيين را برای ملکول پايانی که کاری انجام می‌دهد، به کار می‌بريم. برخی از پروتيين‌ها از يک پلی‌پپتيد و برخی از دو يا چند پلی‌پپتيد ساخته شده‌اند. برای مثال، هموگلوبين چهار پلی‌پپتيد دارد. 

    ساختمان اول ساختمان اول يک پروتيين به توالی يا ترتيب اسيدآمينه‌های آن پروتيين گفته می‌شود.
ساختمان اول يک پروتيين کوچک را به سادگی به صورت زير نشان می‌دهند:
آلانين- هيستيدين- فنيل‌آلانين- گلوتامين- سيستيين

پروتيين‌های واقعی به طور معمول از تعداد بيش‌تری اسيدآمينه ساخته شده‌اند. برای مثال، هورمون انسولين، که پروتيين به نسبت کوچکی است، 51 اسيدآمينه دارد.
رمز ساختمان اول هر پروتيينی در ژن يا ژن‌های آن پروتيين نهفته است. اين رمز، ترتيب دقيق پيوند شدن اسيدآمينه‌ها را به هم و اين که چه اسيد‌آمينه‌هايی در پروتيين وجود داشته باشند، تعيين می‌کند. سپس اين ترتيب مشخص می‌کند که پلی‌پپتيد چگونه چين‌وتا بخورد تا شکل سه بعدی دقيق و خاص هر پروتيين به وجود آيد و اين شکل سه بعدی است که به پروتيين اجازه می‌دهد نقش ويژه‌ی خود را در بدن بازی کند. نخستين سطح چين‌وتا خوردن سه بعدی در ساختمان دوم پروتيين توصيف می‌شود.
    ساختمان دوم  
وقتی آمينواسيد‌های مختلف زنجيروار به هم پيوند شدند، تمايل پيدا می‌کنند که در برخی جاها به صورت شکل و الگوی خاصی ( برای مثال، به صورت مارپيچ) چين و تا بخورند. اين شکل‌ها به اين دليل پديد می‌آيند که آمينواسيدها برای به دست آوردن پايدارترين آرايش از پيوندهای هيدروژنی به اين سو و آن سو گرايش پيدا می‌کند. ساختمان دوم پروتيين به الگوهای موجود در زنجيره‌ی اسيدآمينه گفته می‌شود. چنين الگوهايی در پروتيين‌های مختلف در جاهای مختلف وجود دارند و بنابراين، گوناگوني بسيار از شکل‌های ملکولی را پديد می‌آورند.
نوع‌های اصلی ساختمان دوم در پروتيين‌ها عبارتند از:
    • مارپيچ آلفا، معمول‌ترين نوع ساختمان دوم است. در اين مارپيچ، آمينواسيد‌ها روی محورشان پيچ می‌خورند و هر آمينواسيد با آمينواسيد ديگر (آمينواسيد چهارم در طول رشته‌ی پلی‌پپتيد) پيوند هيدروژنی برقرار می‌کند. اين پيوندهای هيدروژنی ساختمان دوم را پايدار می‌کنند.
    • صفحه‌های بتا، ساختمان مسطحی که از دو يا چند زنجيره‌ی پلی‌پپتيدی درست شده است که موازی هم قرار گرفته و با پيوندهای هيدروژنی به هم وصل شده‌اند.
ساختمان دوم يک پروتيين به ترتيب آمينواسيد‌های آن بستگی دارد: برخی آمينواسيد‌ها (يا ترکيبی از آن‌ها) به توليد مارپيچ‌ آلفا گرايش دارند و برخی به توليد صفحه‌های بتا روی می‌آورند. چند امينواسيد خم‌شدگی‌های تندی در زنجيره به وجود می‌آورند که برای تا خوردن زنجيره روی خودش بسيار مهم است و اين نوع تاخوردگی نقش بنيادی در ساختمان و کار پروتيين دارد.
    ساختمان سوم  
ساختمان سوم پروتيين شکل سه بعدی کلی آن است که در نتيجه‌ی عامل‌های زير پديد می‌آيد:
    • توالي آمينواسيدهايی که مارپيچ‌های آلفا، صفحه‌های بتا و خميدگی‌ها را در جاهای خاصی در طول زنجيره‌ی پلی‌پپتيدی به وجود می‌آورند.
    • ماهيت آبگريزی بسياری از گروه‌های جانبی آمينواسيدها. پروتيين‌های کروی را آب فرامی‌گيرد و بنابراين گروه‌های جانبی آبگريز گرايش دارند درون پروتيين جای گيرند.
ساختمان سوم را نيروهای جذب‌کننده‌ای که اغلب پس از چين‌وتا خوردن زنجيره‌ی پلی‌پپتيدي پديد می‌آيند و اتصال‌های دی‌سولفيدی، پيوندهای کووالانسی‌که بين دو اسيدآمينه‌ی دارای گوگرد به وجود می‌آيند، حفظ می‌کنند. اتصال‌های دی‌سولفيدی اغلب در پروتيين‌های ساختمانی به وجود می‌آيند، يعنی در جايی که به قدرت نياز هست.
ما نمی‌توانيم از اهميت ساختمان سوم برای کارکرد پروتيين‌ها به سادگی بگذريم. پروتيين‌های کارکردی، يعنی پروتيين‌هايی مانند آنزيم‌ها وپادتن‌ها (آنتی‌بادی‌ها) که نقش‌های فعالی در بدن بازی می‌کنند، بايد شکل دقيقی (و گاهی توانايی تغيير شکل بسيار اندکی و حساب‌شده) داشته باشند تا بتوانند نقش خود را در بدن به درستی انجام دهند. محکمی بسياری از پروتيين‌های ساختمانی به ساختمان سوم آن‌ها بستگی دارد. برای مثال، تعداد بسيار از اتصال‌های دی‌سولفيدی در کراتين باعث محکمی ساختارهايی مانند مو، ناخن می‌شود.

    ساختمان چهارم  بيش‌تر پروتيين‌ها از بيش از يک رشته‌ی پلی‌پپتيدی ساخته شده‌اند. برای مثال، هموگلوبين انسان از چهار زنجيره‌ی پلی‌پپيتيدی ساخته شده است. اگر اين زنجيره‌ها با آرايش درست در کنار هم جای گيرند، پروتيين به درستی کار می‌کند. اگر هر يک از اين زتجيره‌ها به علت قرار گرفتن يک آمينواسيد نادرست در جايی از رشته‌ی پلی‌پپيتيدی، ساختمان اول، دوم يا سوم غيرعادی داشته باشند، ممکن است هموگلوبينی پديد آيد که نتواند اکسيژن را به مبزان کافی در گردش خون جابه‌جا کند. فقط تغيير يک آمينواسيد خاص از 146 آمينواسيد يک تک زنجيره‌ی هموگلوبين سبب بيماری کم‌خونی می‌شود.