مولکول های زیستی چگونه عمل می کنند؟ (آشنایی کلی)

همانطور که در این درسنامه اشاره شد، ۴ دسته مولکول های زیستی وجود دارند. پروتئین ها، کربوهیدرات ها، نوکلئیک اسیدها و لیپیدها. از این چهار دسته، به جز لیپیدها سایر مولکول های زیستی به عنوان ماکرومولکول و نیز پلیمر در نظر گرفته می‌شوند. در این درسنامه به بررسی کلی هریک از این مولکول‌ها و نحوه عملکردشان خواهیم پرداخت.

پروتئین ها

اعمال دینامیک سلول‌های زنده وابسته به پروتئین‌هاست. در واقع، اهمیت پروتئین‌ها با نام آن‌ها مشخص می‌شود که از کلمه یونانی proteios به معنای «اول» یا «اولیه» آمده است. پروتئین ها بیش از 50 درصد از جرم خشک اکثر سلول ها را تشکیل می دهند (با توجه به آمار ارائه شده در کتاب بیولوژی کمپل) و تقریباً در هر کاری که موجودات زنده انجام می دهند، نقش دارند. برخی از پروتئین ها واکنش های شیمیایی را تسریع می کنند، در حالی که برخی دیگر در دفاع، ذخیره سازی، حمل و نقل، ارتباطات سلولی، حرکت و یا پشتیبانی ساختاری نقش دارند.

دسته ای مهم از پروتئین ها، آنزیم ها هستند. زندگی بدون آنزیم ها که بیشترشان پروتئین هستند امکان پذیر نیست. پروتئین های آنزیمی با عمل به عنوان کاتالیزور، متابولیسم را تنظیم می کنند. آنزیم‌ها مولکول‌هایی هستند که به طور انتخابی واکنش های شیمیایی را سرعت می بخشند. از آنجایی که یک آنزیم می‌تواند بارها و بارها عملکرد خود را انجام دهد، این مولکول‌ها را می‌توان به‌عنوان اسب‌های کاری سلول در نظر گرفت که با انجام فرآیندهای حیاتی، سلول‌ها را به صورت پویا و عملکردی نگه می‌دارند.

یک انسان ده ها هزار پروتئین مختلف دارد که هر کدام ساختار و عملکرد خاصی دارند. پروتئین ها در واقع پیچیده ترین مولکول های ساختاری شناخته شده هستند. بسته به عملکرد، هر پروتئین ساختار فضایی (سه بعدی) متفاوتی دارد. بلوک‌های سازنده پروتئین ها (مونومرشان)، اسیدهای آمینه هستند. ۲۰ نوع اسید آمینه برای ساخت پروتئین‌های انسانی در دسترس است و طی فرآیند ترجمه، اسیدهای آمینه یکی یکی بسته به توالی RNA پیام‌رسان، در کنار هم قرار می‌گیرند و یک رشته پلی پپتیدی را ایجاد می‌کنند. این رشته بعدا به ساختار اصلی و عملکردی پروتئین تبدیل خواهد شد. جزئیات فرآیند ترجمه در بخش های‌ ‌بعدی مورد بررسی قرار خواهند گرفت.

کربوهیدرات ها

کربوهیدرات ها شامل قندها و پلیمرهای قندی هستند. ساده ترین قندها، مونوساکاریدها یا همان قندهای ساده می‌باشند. دی ساکاریدها از دو مونوساکارید تشکیل شده اند و پلی ساکاریدها، پلیمرهایی از مونوساکارید می‌باشند.

• مونوساکارید: از ریشه یونانی monos به معنای منفرد و sacchar به معنای قند گرفته شده است. این قندهای ساده، ضریبی از فرمول شیمیایی CH₂O هستند، مانند گلوکز که فرمول آن C₆H₁₂O₆ است. تعداد کربن های مونوساکاریدها بین ۳ تا ۷ کربن است. مثلا گلوکلز، فروکتوز و گالاکتوز، دارای ۶ کربن می باشند. اما مونوساکاریدهای دیگری با تعداد کربن های دیگر وجود دارند. مونوساکاریدها، به ویژه گلوکز، مواد مغذی اصلی برای سلول ها هستند. در فرآیندی که تحت عنوان تنفس سلولی شناخته می‌شود، سلول‌ها انرژی را از مولکول‌های گلوکز با شکستن آن‌ها و طی واکنش های گوناگون، استخراج می‌کنند. مونوساکاریدها نه تنها سوخت اصلی برای فعالیت سلولی هستند، بلکه اسکلت کربنی آن‌ها نیز به عنوان ماده خام جهت سنتز انواع دیگر مولکول های آلی کوچک (مانند اسیدهای آمینه و اسیدهای چرب) مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• دی‌ساکارید: از بهم پیوستن دو مونوساکارید توسط پیوند گلیکوزیدی (نوعی پیوند کووالانسی)، یک دی‌ساکارید تشکیل می‌شود. به عنوان مثال، مالتوز از بهم پیوستن دو گلوکز ساخته می‌شود. رایج‌ترین دی‌ساکارید، ساکارز است که از گلوکز و فروکتوز تشکیل و به طور طبیعی در گیاهان تولید می‌شود. این دی‌ساکارید ماده اصلی تشکیل دهنده شکر سفید است. لاکتوز دی‌ساکارید دیگری است که در شیر یافت می‌شود و از ترکیب گلوکز و گالاکتوز ایجاد شده است. نکته قابل توجه این است که به منظور استفاده از دی‌ساکاریدها به عنوان سوخت، لازم است در ابتدا به مونوساکاریدهای سازنده خود شکسته و سپس مصرف شوند. حال اگر این اتفاق رخ ندهد، می تواند در برخی موارد سبب بروز مشکلاتی نیز شود. مانند عدم تحمل لاکتوز که یک بیماری شایع در انسان هایی است که فاقد آنزیم لاکتاز هستند. این آنزیم لاکتوز را تجزیه می کند. این قند در این افراد توسط باکتری های روده تجزیه شده و سبب تشکیل گاز می شود. به همین جهت افرادی که به چنین مشکلی دچار هستند، معمولا نمی‌توانند به راحتی از شیر و لبنیات، استفاده کنند.
• پلی‌ساکارید: پلیمرهایی با چند صد تا چند هزار مونوساکارید که توسط پیوندهای گلیکوزیدی به هم متصل شده اند. برخی از پلی‌ساکاریدها به عنوان مواد ذخیره ای عمل می کنند و در صورت نیاز هیدرولیز شده تا مونوساکاریدهای مورد نیاز را برای سلول ها فراهم کنند (مانند نشاسته در گیاهان). پلی ساکاریدهای دیگر به عنوان مصالح ساختمانی در ساختارهایی به کار می‌روند که از سلول یا کل ارگانیسم محافظت می کنند (مانند سلولز در گیاهان). ساختار و عملکرد یک پلی ساکارید توسط مونوساکاریدها و موقعیت پیوندهای گلیکوزیدی آن تعیین می شود.

نوکئیک اسیدها

نوکلئیک اسیدها، پلیمرهایی هستند که از واحدهای نوکلئوتید ساخته شده اند. به صورت کلی، دو نوع ساختار نوکلئیک اسیدی وجود دارد. DNA یا Deoxyribonucleic acid و RNA یا Ribonucleic acid. تفاوت این دو ساختار در نوع قند به کار رفته در نوکلئوتیدهای سازنده شان است. در نوکلئوتیدهای سازنده RNA، قند ریبوز به کار رفته است و در مورد DNA، دئوکسی ریبوز قند سازنده نوکلئوتیدهاست. نوکلئوتیدهای سازنده DNA می‌توانند ۴ باز آلی متفاوت به نام های آدنین (A)، تیمین (T)، سیتوزین (C) و گوانین (G) را داشته باشند. در RNA به جای T، باز یوراسیل (U) قرار خواهد گرفت. DNA به عنوان ماده وراثتی سلول شناخته می‌شود و ساختارهایی تحت عنوان ژن را در خود جای داده است. هریک از ژن‌ها در ابتدا به RNA ترجمه می‌شوند و سپس بسته به ماهیت RNA تولید شده، فرآیند‌های خاصی در ادامه اتفاق می افتند. به صورت کلی DNA به شکل دو رشته ای و RNA به شکل تک رشته ای در سلول یافت می‌شود. البته در بعضی شرایط خاص ساختارهای دیگری نیز ممکن است دیده شوند.

انواع RNA تولیدی در سلول:

• mRNA که در نهایت عمل ترجمه از روی آن صورت می‌پذیرد و طی آن پروتئین تولید خواهد شد.
• rRNA که در ساختار ریبوزوم ها به کار می‌رود.
• tRNA که به آمینواسیدهای اختصاصی متصل و در فرآیند ترجمه نقش مهمی را ایفا می‌کند.
• miRNA که در فرآیند تنظیم بیان ژن در سطح پس از رونویسی عمل می‌کند.
• lnRNA که در فرآیندهای تنظیمی اپی ژنتیک نقش ایفا می‌کند.
• snRNA که در فرآیند Splicing نقش ایفا می‌کند.

در مورد جزئیات ساختار و نحوه عملکرد DNA و RNA های گوناگون طی بخش های بعدی بیشتر صحبت خواهد شد.

لیپیدها

ترکیباتی که تحت عنوان لیپید طبقه بندی می‌شوند، عموما دارای یک ویژگی مشترک می‌باشند و آن آبگریز بودن است (یعنی با آب مخلوط نمی‌شوند). این رفتار لیپیدها بر اساس ساختار مولکولی آن‌ها است. لیپیدها عمدتاً از ساختاری هیدروکربنی با پیوندهای C-H نسبتاً غیر قطبی تشکیل شده اند. اگرچه ممکن است برخی پیوندهای قطبی مرتبط با اکسیژن نیز داشته باشند. لیپیدها از نظر شکل و عملکرد متفاوت هستند. لیپیدهایی که از نظر بیولوژیکی مهم هستند شامل: چربی ها، فسفولیپیدها و استروئیدها می‌باشند.

• چربی‌ یا Fat: اگرچه چربی ها پلیمر نیستند، اما مولکول های بزرگی اند که از مولکول های کوچکتر به واسطه واکنش های dehydration تشکیل شده اند. نام های دیگر چربی، تری آسیل گلیسرول و تری گلیسیرید هستند. یک چربی از یک مولکول گلیسرول که به سه اسید چرب متصل است، تشکیل می‌شود. گلیسرول یک الکل است. هر یک از سه کربن آن دارای یک گروه هیدروکسیل می‌باشند. اسید چرب دارای اسکلت کربنی بلند است که طول آن معمولاً 16 یا 18 اتم کربن است. اسیدهای چرب موجود در یک تری گلیسیرید می توانند همه یکسان باشند یا از دو یا سه نوع مختلف باشند. وظیفه اصلی چربی ها ذخیره انرژی است. زنجیره های هیدروکربنی چربی ها شبیه مولکول های بنزین هستند و همان‌قدر سرشار از انرژی می‌باشند. یک گرم چربی بیش از دو برابر یک گرم پلی‌ساکارید مانند نشاسته انرژی ذخیره می کند. از آنجایی که گیاهان نسبتاً بی حرکت هستند، می توانند با ذخیره انرژی به شکل نشاسته زندگی کنند. با این حال، حیوانات باید ذخایر انرژی خود را با خود حمل کنند، بنابراین، داشتن یک مخزن فشرده‌تر سوخت (چربی) مزیت است. انسان و سایر پستانداران، ذخایر غذایی طولانی مدت خود را در سلول‌های چربی (Adipocyte) ذخیره می‌کنند. بافت چربی علاوه بر ذخیره انرژی، از اندام های حیاتی مانند کلیه ها نیز محافظت می کند و همچنین لایه ای از چربی در زیر پوست، بدن را عایق می کند. این لایه زیر جلدی به ویژه در نهنگ ها، فوک ها و سایر پستانداران دریایی ضخیم است و بدن آن‌ها را در آب سرد اقیانوس عایق می کند.
• فسفولیپید: سازمان‌هایی که تحت عنوان سلول می‌شناسیم بدون نوع دیگری از لیپید‌ها به نام فسفولیپید، ایجاد نخواهند شد. فسفولیپیدها جزء‌ اصلی سازنده غشاء سلولی می‌‌باشند. یک فسفولیپید شبیه به یک مولکول چربی است، اما تنها دو اسید چرب به جای سه اسید چرب به گلیسرول متصل شده اند. سومین گروه هیدروکسیل گلیسرول به یک گروه فسفات متصل می شود که دارای بار الکتریکی منفی در سلول است. به طور معمول، یک مولکول کوچک باردار یا قطبی نیز به گروه فسفات متصل است. دو سر فسفولیپیدها نسبت به آب رفتارهای متفاوتی از خود نشان می دهند. دم های هیدروکربنی هیدروفوب هستند و در نتیجه رفتار آبگریزی از خود نشان می‌دهند. از طرف دیگر، گروه فسفات و گروه دیگر متصل به آن، یک سر آبدوست را تشکیل می دهند. هنگامی که فسفولیپیدها به آب اضافه شوند، خود به خود به سمت تشکیل صفحه دولایه «bilayer» که دم اسیدهای چرب آبگریز به سمت داخل و سر آبدوست به سمت خارج است، تجمع پیدا می‌کنند. غشاء سلولی نیز چنین ساختاری دارد و یک فضای بسته را برای نگهداری اجزای سلولی تشکیل می‌دهد.
• استروئید: استروئیدها لیپیدهایی هستند که با یک اسکلت متشکل از چهار حلقه هیدروکربنی مشخص می شوند. استروئیدهای مختلف با گروه های شیمیایی متصل به این مجموعه از حلقه ها متمایز می شوند. کلسترول یک استروئید معروف و حیاتی در مهره داران به شمار می آید. این کلسترول یا در کبد سنتز می‌شود و یا از طریق تغذیه به دست می‌آید. کلسترول یکی از اجزای غشای سلولی در جانوران است و همچنین به عنوان پیش‌سازی است که سایر استروئیدها، مانند هورمون های جنسی مهره داران، از آن سنتز می شوند.

جمع بندی

مولکول‌های زیستی طی سالیان مختلف و در اثر تکامل، جایگاه خود را درون سلول‌های گوناگون پیدا کرده اند و با نظمی مشخص مشغول فعالیت می‌باشند. تعامل این مولکول‌ها با یکدیگر سبب زنده ماندن سلول شده و هرگونه تداخلی در شرایط نرمال تولید و عملکرد این مولکول‌ها، سبب ایجاد اخلال در وضعیت طبیعی سلول خواهد شد. در نتیجه شناخت بهتر مولکول‌های زیستی و درک تعاملاتشان با یکدیگر، ما را به فهم بهتری نسبت به سلول‌های زنده می‌رساند.