التركيب الكيميائي لخلية الكائن الحي

المكونات الكيميائية للخلية:

تتكون المادة من مجموعات من العناصر مثل الهيدروجين أو الكربون، لا يمكن تكسيرها أو تحويلها إلى مواد أخرى بوسائل كيميائية، حيث أن أصغر جسيم في العنصر لا يزال يحتفظ بخصائصه الكيميائية المميزة هو الذرة، ومع ذلك فإن خصائص المواد الأخرى غير العناصر النقية بما في ذلك المواد التي تتكون منها الخلايا الحية تعتمد على الطريقة التي ترتبط بها ذراتها معًا في مجموعات لتشكيل الجزيئات، ومن أجل فهم كيفية بناء الكائنات الحية من مادة غير حية من الضروري معرفة كيفية تكوين جميع الروابط الكيميائية التي تربط الذرات ببعضها البعض في الجزيئات.

تتكون الخلايا من أنواع قليلة من الذرات، إذ تحتوي كل ذرة في مركزها على نواة موجبة الشحنة محاطة من مسافة ما بسحابة من الإلكترونات سالبة الشحنة، مثبتة في سلسلة من المدارات عن طريق الجذب الكهروستاتيكي للنواة، وتتكون النواة بدورها من نوعين من الجسيمات دون الذرية: البروتونات وهي موجبة الشحنة، والنيوترونات وهي محايدة كهربائيًا.

يعطي عدد البروتونات في نواة الذرة العدد الذري، على سبيل المثال ذرة الهيدروجين لها نواة مكونة من بروتون واحد، لذا فإن الهيدروجين برقم ذري 1 هو أخف عنصر، بينما تحتوي نواة ذرة الكربون على ستة بروتونات وعددها الذري 6، إن الشحنة الكهربائية التي يحملها كل بروتون متساوية تمامًا ومعاكسة للشحنة التي يحملها إلكترون واحد، ونظرًا لأن الذرة ككل محايدة كهربائيًا، فإن عدد الإلكترونات سالبة الشحنة المحيطة بالنواة يساوي عدد البروتونات الموجبة الشحنة التي تحتوي عليها النواة، وبالتالي فإن عدد الإلكترونات في الذرة يساوي أيضًا العدد الذري، حيث أن هذه الإلكترونات هي التي تحدد السلوك الكيميائي للذرة وجميع ذرات عنصر معين لها نفس العدد الذري.

التفاعلات غير التساهمية في الأنظمة البيولوجية:

أربعة أنواع من التفاعلات غير التساهمية تساعد في تجميع الجزيئات معًا في الخلايا، حيث في المحاليل المائية تكون الروابط التساهمية أقوى من 10 إلى 100 مرة من القوى الجذابة الأخرى بين الذرات، مما يسمح لوصلاتها بتحديد حدود جزيء من جزيء آخر.

لكن الكثير من علم الأحياء يعتمد على الارتباط المحدد للجزيئات المختلفة ببعضها البعض، إذ يتم التوسط في هذا الارتباط من خلال مجموعة من عوامل الجذب غير التساهمية التي تكون بشكل فردي ضعيفة للغاية، ولكن طاقات روابطها يمكن أن تتجمع لتكوين قوة فعالة بين جزيئين منفصلين.

هناك ثلاثًا من هذه القوى غير التساهمية: الروابط الأيونية والروابط الهيدروجينية وجاذبية فان دير فالس، حيث تتم مقارنة قوة هذه الأنواع الثلاثة من الروابط مع قوة الرابطة التساهمية النموذجية سواء في وجود الماء أو في غيابه، نظرًا لأهميتها الأساسية في جميع الأنظمة البيولوجية.

الخلية ومركبات الكربون:

عند النظر في الطرق التي تتحد بها الذرات في جزيئات صغيرة، وكيف تتصرف هذه الجزيئات في البيئة المائية، واذا تم فحص الفئات الرئيسية للجزيئات الصغيرة الموجودة في الخلايا وأدوارها البيولوجية، سيرى أن بعض الفئات الأساسية للجزيئات التي تشكلت من حفنة من العناصر المختلفة تؤدي إلى كل الثراء غير العادي للشكل والسلوك الذي تظهره الكائنات الحية.

إذا تم تجاهل الماء فإن كل جزيئات الخلية تقريبًا تعتمد على الكربون، حيث يعتبر الكربون متميزًا بين جميع العناصر في قدرته على تكوين جزيئات كبيرة، والسيليكون هو ثانية ونظرًا لأنها صغيرة وتحتوي على أربعة إلكترونات وأربع شواغر في غلافها الخارجي يمكن لذرة الكربون أن تشكل أربعة روابط تساهمية مع ذرات أخرى.

الأهم من ذلك يمكن لذرة كربون واحدة أن تنضم إلى ذرات كربون أخرى من خلال روابط تساهمية CC عالية الاستقرار لتكوين سلاسل وحلقات، وبالتالي تولد جزيئات كبيرة ومعقدة مع عدم وجود حد أعلى واضح لحجمها، وتسمى مركبات الكربون الصغيرة والكبيرة التي تصنعها الخلايا بالجزيئات العضوية.

الجزيئات العضوية الصغيرة للخلية:

الجزيئات العضوية الصغيرة للخلية عبارة عن مركبات قائمة على الكربون لها أوزان جزيئية في النطاق من 100 إلى 1000 وتحتوي على ما يصل إلى 30 ذرة كربون تقريبًا، حيث عادة ما يتم العثور عليها مجانًا في المحلول ولها العديد من المصائر المختلفة.

يتم استخدام بعضها كوحدات فرعية أحادية لبناء الجزيئات البوليمرية العملاقة كالبروتينات والأحماض النووية والسكريات الكبيرة للخلية، ويعمل البعض الآخر كمصادر للطاقة ويتم تكسيرها وتحويلها إلى جزيئات صغيرة أخرى في متاهة من المسارات الأيضية داخل الخلايا.

العديد من الجزيئات الصغيرة لها أكثر من دور واحد في الخلية على سبيل المثال، تعمل كوحدة فرعية محتملة لجزيء ضخم وكمصدر للطاقة، والجزيئات العضوية الصغيرة أقل وفرة بكثير من الجزيئات العضوية الكبيرة، حيث تمثل حوالي عُشر الكتلة الكلية للمادة العضوية في الخلية.