التحلل المائي
التحلل المائي (Hydrolysis) في الكيمياء وعلم وظائف الأعضاء هو في الحقيقة يعد عبارة عن تفاعل تحلل مزدوج مع وجود الماء كأحد المواد المتفاعلة، وبالتالي إذا تم تمثيل مركب ما بالصيغة التالية: AB حيث تكون كلا من المادة A والمادة B ذرات أو مجموعات ويتم تمثيل الماء بواسطة الصيغة HOH يمكن تمثيل تفاعل التحلل المائي بواسطة المعادلة الكيميائية التالية ويكون التفاعل قابل للحدوث بشكل عكسي: AB + HOH ⇌ AH + BOH.
في الحقيقة فإنه قد تكون المواد المتفاعلة عدا الماء ونواتج التحلل المائي عبارة عن جزيئات متعادلة؛ أي أن الشحنة الكلية مقدارها صفر، وهذه هي الحال الطبيعية في معظم تفاعلات التحلل المائي الذي يشتمل على إما مركبات عضوية أو جزيئات أيونية، وكما هو الحال في التحلل المائي للأملاح والأحماض والقواعد.
من الممكن أن يتم توضيح التحلل المائي الذي يشتمل على مركبات أيونية من خلال التغيرات الكيميائية التي تحدث في محلول مائي من ملح أسيتات الصوديوم، حيث أنه في المحلول تنفصل المكونات الأيونية للملح وهي كلا من أيون الأسيتات وأيون الصوديوم، تتحد جزيئات الماء مع أيونات الأسيتات من أجل تكوين حمض الأسيتيك وأيونات الهيدروكسيد، ويتفكك حمض الأسيتيك بشكل عكسي إلى أيونات الأسيتات وأيونات الهيدروجين ولكن بدرجة قليلة جدًا، بحيث يكون المحتوى الأيوني للمحلول إلى حد كبير أيونات الصوديوم والهيدروكسيد.، ومن ثم يُظهر المحلول الخصائص الأساسية (أي أنه يتحول ورق عباد الشمس من اللون الأحمر إلى اللون الأزرق).
تستخدم تفاعلات التحلل المائي الماء من أجل تحطيم البوليمرات إلى مونومرات، وهو عكس التخليق والذي يشكل الماء عند تصنيع بوليمر من المونومرات، وتكسر تفاعلات التحلل المائي الروابط وتطلق الطاقة، مثل إن تُبتلع الجزيئات البيولوجية وتتحلل في الجهاز الهضمي لتشكيل جزيئات أصغر يمكن أن تمتصها الخلايا ثم تتفكك أكثر لإطلاق الطاقة.
تنقسم البوليمرات إلى مونومرات في عملية تعرف باسم التحلل المائي، والتي تعني “تقسيم الماء” وهو تفاعل يستخدم فيه جزيء الماء أثناء التفكك، وخلال هذه التفاعلات ينقسم البوليمر إلى مكونين، إذا كانت المكونات غير متأينة يكتسب جزء واحد ذرة هيدروجين (H-) والآخر يكتسب مجموعة هيدروكسيل (OH-) من جزيء ماء منقسم، وهذا ما يحدث عندما يتم إطلاق السكريات الأحادية من الكربوهيدرات المعقدة عن طريق عملية التحلل المائي.
تتناقض هذه التفاعلات مع تفاعلات تخليق الجفاف (المعروف أيضًا باسم التكثيف)، حيث أنه في تفاعلات التكثيف يتكون جزيء الماء نتيجة لتوليد رابطة تساهمية بين مكونين أحاديين في بوليمر أكبر، في تفاعلات التحلل المائي يُستهلك جزيء الماء نتيجة لكسر الرابطة التساهمية التي تربط مكونين من البوليمر معًا، وبالنسبة لكلا من تفاعلات التكثيف والتحلل المائي هي عبارة عن تفاعلات كيميائية وهذه التفاعلات يتم في الواقع بإخضاعها للتحفيز أو للتسريع، حيث تتم هذه العملية عن طريق إنزيمات معينة تتضمن ما يعرف بتفاعلات الجفاف ولتكوين روابط جديدة تتطلب طاقة، بينما تكسر تفاعلات التحلل المائي الروابط وتطلق الطاقة.
أمثلة على التحلل المائي
تعد عملية إذابة كلا من الملح أو الحمض أو القاعدة في الماء عبارة عن أمثلة لعملية التحلل المائي، أيضا الأحماض القوية يمكن أن تحلل بالماء، وعلى سبيل المثال عند إذابة حمض الكبريتيك في الماء يؤدي إلى إنتاج كلا من الهيدرونيوم والسلفات الثنائية.
التحلل المائي للسكر يمتلك مصطلحا خاصا به وهو التكسير، ومن الممكن أن يخضع سكر السكروز لعملية التحلل المائي ليخترق مكوناته من السكريات بإنواعها.
التحلل المائي للقاعدة هو نوع آخر من أنواع تفاعلات التحلل المائي، ومن الأمثلة على ذلك التحلل المائي للأميدات، والآن سيتم توضيح بعض أنواع التحلل المائي:
التحلل المائي للإستر: أو إزالة الأسترة هو تحويل الإستر باستخدام الماء إلى حمض كربوكسيل وكحول، حيث أنه عادة ما يتم تحفيز إزالة الأسترات أثناء تفاعلات المرحلة الأولى بواسطة الإسترات، وعلى الرغم من أن التحويل غير الأنزيمي يمكن أن يحدث عند درجة الحموضة 6.0، تتميز الإستراتز المتضمنة إلى حد ما، ولكن لا يُعرف إلا القليل نسبيًا عن أي منها يعدل الكائنات الحية الحيوية.
ستزيد إزالة الأسترة أيضًا من تدرج التركيز أو يحافظ عليه لأن الإستر يتحول إلى حمض وبالتالي يكون التدرج أكثر انحدارًا لدخول استر إضافي، ويمكن النظر إلى إزالة الأسترة كشكل من أشكال التنشيط الحيوي؛ لأن مبيدات الأعشاب لن يتم نقلها بسهولة في شكل الإستر، وفي بعض الحالات يكون الشكل المنزوع الأسترة من مبيدات الأعشاب أكثر سمية أيضًا (أي أن الفينوكسي بروب أكثر سمية للأعشاب العشبية من الفينوكسي بروب-إيثيل).
السمة المميزة للتحلل المائي للإسترات ومعظم المركبات العضوية الأخرى هي أن المادة الثالثة عادة حمض أو قاعدة تزيد من معدل حدوث التغيير الكيميائي، وفي عملية الهضم الكيميائية الحيوية تحفز الإنزيمات التي يفرزها الجهاز الهضمي التحلل المائي للجزيئات المعقدة إلى أشكال يمكن لكائنات الجسم استيعابها، وتتحلل البروتينات إلى أحماض أمينية والدهون إلى أحماض دهنية وجلسرين ونشويات وسكريات معقدة إلى جلوكوز وسكريات بسيطة أخرى.
يمكن توضيح التحلل المائي الذي يشتمل على مركبات عضوية من خلال تفاعل الماء مع إستر حمض الكربوكسيل كل هذه الإسترات لها الصيغة العامة RCO ― OR ′، حيث R و R تجمع بين المجموعات (على سبيل المثال: إذا كان كل من R و R يمثلان مجموعة الميثيل CH3 فإن الإستر هو أسيتات الميثيل).
حيث يتضمن التحلل المائي عدة خطوات الأبطأ منها هو تكوين رابطة تساهمية بين ذرة الأكسجين في جزيء الماء وذرة الكربون في الإستر، في الخطوات التالية، والتي تكون سريعة جدًا تنكسر رابطة الكربون والأكسجين في الإستر وتنفصل أيونات الهيدروجين عن جزيء الماء الأصلي وترتبط بجزيء الكحول الناشئ، كما في المعادلة التالية:
RCO―OR′ + H2O → RCO―OH + R′―OH
حيث يشير RCO ― OH إلى جزيء حمض الكربوكسيل ويشير R′ OH إلى جزيء كحول وتمثل الشرطات الروابط التساهمية التي تنكسر أو تتشكل أثناء التفاعل.
التحلل المائي للأميد: ربما يكون التحلل المائي للأميد هو الأكثر أهمية لمجموعة أسيلانيليد من مبيدات الأعشاب، إذ تتمثل الآلية الرئيسية للانتقائية للتحكم في عشب الفناء في الأرز باستخدام البروبانيل في أن يتحلل الأرز بالبروبانيل باستخدام إنزيم أسيل أريلاميداز.
يحتوي على (Barnyardgrass) أقل من 60 ضعفًا من الأسيل أريلاميداز في أنسجته مقارنة بالأرز، ومن المثير للاهتمام أن بعض المبيدات الحشرية (الكربامات والفوسفات العضوي) تعمل كمؤازرين من خلال الارتباط بالإنزيم وتثبيط تحلل البروبانيل مما يؤدي إلى المزيد من إصابة الأرز.
التحلل المائي لمجموعات Cyano: يمكن استقلاب مجموعة cyano (C = N) لمبيدات الأعشاب مثل السيانازين والبروموكسينيل عن طريق التحلل المائي أيضًا، إذ يتم تحلل مجموعة النتريل إلى أميد ثم إلى حمض الكربوكسيل، تم نقل جين الإنزيم البكتيري نتريلاز من Klebsiella إلى نباتات المحاصيل لتوفير تحمل البروموكسينيل (مثل القطن).
تتطلب تفاعلات التحلل المائي الماء، ما هي المجموعات الوظيفية في مبيدات الآفات الحساسة لتفاعلات التحلل المائي في النباتات؟
الإجابة: الجزيئات التي تحتوي على مجموعات حمض الكربوكسيل ومجموعات الإستر ومجموعات (cyano) أو مجموعات الأميد قادرة على الخضوع للتحلل المائي.
