چند تعریف مهم
قبل از صحبت پیرامون مولکول های حیات لازم است تعاریف دیگری را بررسی کنیم. هرچند این موارد را بارها در زندگی شنیده ایم، اما کمتر به معنای صحیح آن ها توجه می کنیم. دقت و توجه کافی به مسائل و مفاهیم ساده، زمینه ای برای درک مسائل پیچیده تر هستند. بیایید از ماده یا Matter شروع کنیم. موجودات از ماده تشکیل شده اند. ما هرچیزی است که فضایی را اشغال می کند و دارای جرم است. ماده در جهان هستی به اشکال مختلف وجود دارد. سنگ‌ها، فلزات، روغن‌ها، گازها و موجودات زنده مثال‌هایی از ماده هستند.
- ماده از عنصر تشکیل شده و عنصر یا Element جزئی است که با واکنش های شیمیایی به مواد دیگر تجزیه نمی شود. امروزه شیمیدانان 92 عنصر موجود در طبیعت را شناسایی کرده اند. طلا، مس، کربن و اکسیژن نمونه هایی از این عناصر شناخته شده می باشند.
- مولکول یا Molecule گروهی از دو یا چند اتم است که توسط پیوندهای شیمیایی در کنار هم نگه داشته می شوند.
- ترکیب یا Compound ماده ای است متشکل از دو یا چند عنصر مختلف که در یک نسبت ثابت ترکیب شده اند. به عنوان مثال، سدیم کلرید (NaCl) که از Na و Cl با نسبت ۱:۱ ساخته شده است.
می توانیم بگوییم تمام ترکیبات مولکول نیز به شمار می آیند، اما برعکس آن صادق نبوده و هر مولکولی، ترکیب نیست. برای درک بهتر تفاوت بین مولکول و ترکیب می توانید از این لینک استفاده نمایید.
عناصر حیات
از میان ۹۲ عنصر شناخته شده در طبیعت، تنها ۲۰ – ۲۵ درصد آن ها به عنوان عناصر ضروری برای حیات و تولید مثل موجودات زنده مورد استفاده قرار می گیرند. عناصر مورد استفاده بین موجودات مختلف مشترک هستند، هرچند بسته به نوع موجود زنده، عناصر اختصاصی تری نیز مورد استفاده قرار می گیرند. به عنوان مثال، انسان ها به ۲۵ و گیاهان به ۱۷ عنصر حیاتی نیاز دارند.
جالب است بدانید، از بین عناصر ضروری تنها ۴ عنصر اکسیژن (O)، کربن (C)، هیدروژن (H) و نیتروژن (N) حدود ۹۶ درصد ماده زیستی را تشکیل می دهند. کلسیم (Ca)، فسفر (P)، پتاسیم (K)، گوگرد (S) و چند عنصر دیگر ۴ درصد باقی‌مانده یک موجود زنده را تشکیل می دهند. در این میان عناصر دیگری تحت عنوان Trace elements یا عناصر کمیاب وجود دارند که به میزان بسیار اندک موجود نیاز موجود زنده می باشند (مانند آهن یا Fe).
مولکول های بزرگ زیستی
مولکول های زیستی یا Biological molecules، شامل چهار دسته پروتئین ها، کربوهیدرات ها، لیپیدها و نوکلئیک اسیدها می باشند. پروتئین ها طیف وسیعی از عملکردها مانند کاتالیز واکنش های گوناگون و انتقال مواد به داخل و خارج سلول ها را بر عهده دارند. کربوهیدرات ها منبع انرژی بوده و در نقش پشتیبانی های ساختاری نیز نقش ایفا می‌کنند. لیپیدها گروهی متنوع از مولکول ها هستند که به خوبی با آب مخلوط نمی شوند. عملکردهای کلیدی آن ها شامل تامین انرژی، ساخت غشای سلولی و عمل به عنوان هورمون است. اسیدهای نوکلئیک اطلاعات ژنتیکی را ذخیره می‌کنند و در بخش های مختلف بیان ژن (انتقال اطلاعات ژنتیکی از هسته به سیتوپلاسم و نیز فرآیند ترجمه) نیز دخیل هستند.
از بین چهار دسته مولکول های زیستی، سه دسته پروتئین، کربوهیدرات و نوکلئیک اسید به عنوان ماکرومولکولی که پلیمر است طبقه بندی می‌شوند و لیپیدها نه به عنوان ماکرومولکول و نه پلیمر شناخته می شوند. برای درک بهتر این موضوع بهتر است مفاهیم ماکرومولکول و پلیمر را بهتر بررسی کنیم.
- پلیمر مولکولی طویل است که از تعداد زیادی بلوک‌های ساختمانی مشابه یا یکسان تشکیل شده است. این بلوک‌ها یا واحدهای سازنده با پیوندهای کووالانسی به هم متصل شده‌اند، درست مانند قطاری که از واگن‌ها تشکیل شده است.
- واحدهای تکراری که به عنوان بلوک های سازنده یک پلیمر عمل می کنند، مولکول های کوچکتری هستند که مونومر نامیده می شوند (از یونانی monos، تک). علاوه بر تشکیل پلیمرها، برخی مونومرها عملکردهای خاص خود را در همان نقش مونومری نیز دارند.
- ماکرومولکول های زیستی در حقیقت پلیمری هستند که از مونومرها ساخته شده اند.
پروتئین ها از اسیدهای آمینه به عنوان واحدهای سازنده (مونومر) تشکیل شده اند. کربوهیدرات ها از مونوساکارید و نوکلئیک اسیدها از نوکلئوتید ساخته می‌شوند.
لیپیدها نه ماکرومولکول هستند و نه پلیمر
در این مورد اختلاف نظراتی را بین منابع گوناگون شاهد هستیم، اما اگر بخواهیم با توجه به تعاریف اشاره شده در بالا به موضوع لیپید نگاه کنیم، لیپیدها ماکرومولکول های واقعی نیستند، زیرا ساختارهای بزرگی را از طریق پیوندهایی غیر از پیوند کووالانسی تشکیل می دهند. همچنین لازم به ذکر است ترکیباتی که لیپید نامیده می شوند را با یکدیگر در یک گروه قرار می‌دهند، زیرا دارای یک ویژگی مهم و مشترک هستند و آن هم آبگریز بودنشان است. همچنین لیپیدها پلیمر نیستند زیرا فاقد واحد مونومری می‌باشند.
جمع بندی
مولکول های زیستی به صورت کلی در چهار دسته قرار می‌گیرند. چهار دسته اشاره شده در تعامل با یکدیگر و طی فرآیند تکامل ساختارهای گوناگونی از سلول ها را تشکیل داده اند. اینکه واحدهای سازنده به چه شکل در کنار هم قرار گیرند، سبب تولید مولکول های گوناگونی در هر دسته خواهد شد. نظم بی نظیر سازمان های سلولی وابسته به تولید صحیح هریک از مولکول های زیستی است و در صورت بروز مشکل در تولید صحیح هریک از این ساختارها، فرآیند و وظایف طبیعی سلول دچار مشکل خواهد شد. برای مطالعه نحوه عملکرد هریک از این مولکول ها این درسنامه را مطالعه نمایید.
در حالت طبیعی لازم است از هر عنصر و مولکول به یک میزان مشخص در سلول های زنده وجود داشته باشد. برهم خوردن این تعادل سبب بروز مشکلات متعددی خواهد شد. همچنین علاوه بر عناصر مشخصی که مجوز حضور در سیستم‌های زیستی را دارند، سایر عناصر مانند آرسینک می‌توانند سبب بروز مشکلاتی برای موجود زنده به خصوص انسان شوند.