البناء الحيوي للجزيئات

الجزيئات الكبيرة عبارة عن سلاسل طويلة متكررة من بنية كيميائية أولية تسمى المونومر، ويتكون العمود الفقري لهذه السلسلة الطويلة بشكل أساسي من ذرات كربون مرتبطة ببعضها البعض، وبما أن الزاوية بين ذرتين كربون لها قيمة ثابتة، حيث إن الذرات المتتالية تقع في مواضع عشوائية جزئيًا فقط، كما ينتج صلابة الجزيء الكبير عن صلابة المونومر نفسه ومن شكل وحجم المساحة التي يشغلها.

مفهوم البناء الحيوي للجزيئات

إن الطاقة المستمدة من انهيار الجزيئات العضوية (تقويض)، والتي تستخدم لدفع توليف المكونات الأخرى المطلوبة للخلية، والتي تتضمن معظم المسارات التقويضية أكسدة الجزيئات العضوية المقترنة بتوليد كل من الطاقة (ATP) والطاقة المختزلة (NADH).

وفي المقابل، حيث تشتمل مسارات التخليق الحيوي (الابتنائية) عمومًا على استخدام كل من ATP وخفض الطاقة (عادةً في شكل NADPH) لإنتاج مركبات عضوية جديدة، ويكون أحد المسارات الرئيسية للتخليق الحيوي، هو تخليق الكربوهيدرات من ثاني أكسيد الكربون.

البناء الحيوي في الكربوهيدرات

بالإضافة إلى الحصول على الجلوكوز مباشرة من الطعام أو إنتاجه عن طريق التمثيل الضوئي، فإنه يمكن تصنيع الجلوكوز من جزيئات عضوية أخرى، وفي الخلايا الحيوانية، كما أنه وعادةً ما يبدأ تخليق الجلوكوز (استحداث السكر) باللاكتات (التي ينتجها تحلل السكر  اللاهوائي)، أو الأحماض الأمينية (المشتقة من تفكك البروتينات)، أو الجلسرين (الناتج عن تكسير الدهون).

أما النباتات (وليس الحيوانات) فهي قادرة أيضًا على تصنيع الجلوكوز من الأحماض الدهنية؛ وهي عبارة عن عملية مهمة بشكل خاص أثناء إنبات البذور، وذلك عند تخزين الطاقة على شكل دهون يجب تحويلها إلى كربوهيدرات لدعم نمو النبات، وفي كل من الخلايا الحيوانية والنباتية، يتم بلمرة السكريات البسيطة وتخزينها على شكل عديد السكاريد.

البناء الحيوي في الدهون

الدهون هي جزيئات تخزين الطاقة الهامة والمكون الرئيسي لأغشية الخلايا، حيث يتم تصنيعها من الأسيتيل CoA، والذي يتكون من انهيار الكربوهيدرات، في سلسلة من التفاعلات التي تشبه عكس أكسدة الأحماض الدهنية، وكما هو الحال مع التخليق الحيوي للكربوهيدرات، فإن التفاعلات تؤدي إلى تخليق الأحماض الدهنية تختلف عن تلك المتورطة في تدهورها، كما يتم دفعها في اتجاه التخليق الحيوي من خلال اقترانها بإنفاق كل من الطاقة في شكل ATP وتقليل الطاقة في شكل NADPH.

هذا وقد يتم تصنيع الأحماض الدهنية عن طريق الإضافة التدريجية لوحدتين من الكربون مشتقة من أسيتيل CoA إلى سلسلة متنامية، وتتطلب إضافة كل من هاتين الوحدتين الكربونيتين إنفاق جزيء واحد من ATP وجزيئين من NADPH.

البناء الحيوي في البروتينات

على عكس الكربوهيدرات والدهون، تحتوي البروتينات (وكذلك الأحماض النووية) على النيتروجين بالإضافة إلى الكربون والهيدروجين والأكسجين، حيث يتم دمج النيتروجين في المركبات العضوية من مصادر مختلفة في الكائنات الحية المختلفة، ويمكن لبعض البكتيريا استخدام N₂ في الغلاف الجوي من خلال عملية تسمى تثبيت النيتروجين، حيث يتم تقليل N2 الى NH3 على حساب الطاقة في شكل ATP.

على الرغم من قلة أنواع البكتيريا نسبيًا القادرة على تثبيت النيتروجين، يمكن لمعظم البكتيريا والفطريات والنباتات استخدام النترات (NO₃ ^–)، وهو عبارة عن مكون شائع للتربة، عن طريق اختزاله إلى NH₃ عبر الإلكترونات المشتقة من NADH أوNADPH، وأخيرًا، يمكن لجميع الكائنات الحية دمج الأمونيا (NH₃) في المركبات العضوية.

البناء الحيوي في الأحماض الأمينية

تتكون سلائف الأحماض النووية النيوكليوتيدات، من سكريات فوسفورية مكونة من خمسة كربون مرتبطة بقواعد الحمض النووي، ويمكن تصنيع النيوكليوتيدات من الكربوهيدرات والأحماض الأمينية؛ يمكن أيضًا الحصول عليها من مصادر غذائية أو إعادة استخدامها بعد انهيار الحمض النووي، ونقطة البداية للتخليق الحيوي للنيوكليوتيدات هي سكر الفسفرة ريبوز -5-فوسفات، المشتق من الجلوكوز -6-فوسفات.

تؤدي المسارات المتباينة بعد ذلك إلى تخليق البيورين وبيريميدين ريبونوكليوتيدات، وهي السلائف المباشرة لتخليق الحمض النووي الريبي، ويتم تحويل هذه الريبونوكليوتيدات إلى ديوكسي ريبونوكليوتيدات، والتي تعمل بمثابة اللبنات الأساسية الأحادية للحمض النووي.

أخيرا، في التخليق الكيميائي، هناك تخليق لمركب بيولوجي، وفي عملية التمثيل الضوئي، يتم تصنيع المواد العضوية المعقدة باستخدام الماء وثاني أكسيد الكربون والطاقة الضوئية التي يمتصها الكلوروفيل والأصباغ الإضافية والأملاح غير العضوية، وفي تركيب الأحماض الأمينية، هناك توليف من الأحماض الأمينية التي بدورها تستخدم لتخليق الببتيدات والبروتينات، ويتم تصنيع الحمض النووي الريبي والحمض النووي نتيجة للتخليق الحيوي للأحماض النووية في تخليق الحمض النووي.