جزيء حيوي

يُعرَّف الجزيء الحيوي، أو الجزيء البيولوجي، بشكل عام بأنه جزيء ينتجه الكائن الحي ، وهو ضروري لعملية بيولوجية واحدة أو أكثر. [1] تشمل الجزيئات الحيوية جزيئات كبيرة مثل البروتينات والكربوهيدرات والدهون والأحماض النووية ، بالإضافة إلى ^{جزيئات صغيرة مثل} الفيتامينات والهرمونات . ويُطلق على هذه الفئة من المواد اسم المواد البيولوجية . تُعدّ الجزيئات الحيوية عنصرًا هامًا في الكائنات الحية، وغالبًا ما تكون داخلية المنشأ ^{[ 2 ]} ، أي تُنتَج داخل الكائن الحي ^{[ 3 ]،} ولكن الكائنات الحية عادةً ما تحتاج أيضًا إلى جزيئات حيوية خارجية المنشأ ، مثل بعض العناصر الغذائية ، للبقاء على قيد الحياة.

تُدرس الجزيئات الحيوية وتفاعلاتها في علم الأحياء وفروعه، كالكيمياء الحيوية وعلم الأحياء الجزيئي . معظم الجزيئات الحيوية مركبات عضوية ، وتشكل أربعة عناصر فقط - الأكسجين والكربون والهيدروجين والنيتروجين - 96% من كتلة جسم الإنسان . لكن العديد من العناصر الأخرى ، مثل المعادن الحيوية المختلفة ، موجودة أيضاً بكميات ضئيلة.

يُعدّ تجانس كل من أنواع محددة من الجزيئات (الجزيئات الحيوية) ومسارات أيضية معينة سمات ثابتة بين التنوع الواسع لأشكال الحياة؛ ولذلك يُشار إلى هذه الجزيئات الحيوية والمسارات الأيضية باسم "الثوابت الكيميائية الحيوية" ^{[ 4 ]} أو "نظرية الوحدة المادية للكائنات الحية"، وهو مفهوم موحد في علم الأحياء، إلى جانب نظرية الخلية ونظرية التطور . ^{[ 5 ]}

توجد مجموعة متنوعة من الجزيئات الحيوية، بما في ذلك:

• الجزيئات الصغيرة :
  • الدهون ، والأحماض الدهنية ، والجليكوليبيدات ، والستيرولات ، والسكريات الأحادية
  • الفيتامينات
  • الهرمونات ، النواقل العصبية
  • المستقلبات
• المونومرات ، والأوليغومرات ، والبوليمرات :

النيوكليوسيدات هي جزيئات تتكون من خلال ربط قاعدة نووية بحلقة ريبوز أو ديوكسي ريبوز . ومن أمثلة هذه الجزيئات: السيتيدين (C)، واليوريدين (U)، والأدينوزين (A)، والجوانوزين (G)، والثيميدين (T).

يمكن فسفرة النيوكليوسيدات بواسطة كينازات محددة في الخلية، مما ينتج عنه نيوكليوتيدات . كل من الحمض النووي DNA والحمض النووي RNA عبارة عن بوليمرات ، تتكون من جزيئات خطية طويلة تُجمَّع بواسطة إنزيمات البوليميراز من وحدات بنائية متكررة، أو مونومرات، من أحاديات النيوكليوتيدات. يستخدم الحمض النووي DNA الديوكسي نيوكليوتيدات C وG وA وT، بينما يستخدم الحمض النووي RNA الريبونوكليوتيدات (التي تحتوي على مجموعة هيدروكسيل (OH) إضافية على حلقة البنتوز) C وG وA وU. القواعد المعدلة شائعة إلى حد ما (مثل تلك التي تحتوي على مجموعات ميثيل على حلقة القاعدة)، كما هو الحال في الحمض النووي الريبوزي RNA أو الحمض النووي الريبوزي الناقل RNA أو لتمييز خيوط الحمض النووي DNA الجديدة عن القديمة بعد التضاعف. ^{[ 6 ]}

يتكون كل نيوكليوتيد من قاعدة نيتروجينية غير حلقية ، وسكر خماسي ، ومجموعة فوسفات واحدة إلى ثلاث مجموعات . تحتوي النيوكليوتيدات على الكربون والنيتروجين والأكسجين والهيدروجين والفوسفور. وتُستخدم كمصادر للطاقة الكيميائية ( مثل أدينوسين ثلاثي الفوسفات وجوانوسين ثلاثي الفوسفات )، وتشارك في الإشارات الخلوية ( مثل جوانوسين أحادي الفوسفات الحلقي وأدينوسين أحادي الفوسفات الحلقي )، وتُدمج في عوامل مساعدة مهمة للتفاعلات الإنزيمية ( مثل الإنزيم المساعد أ ، وفلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد ، وفلافين أحادي النوكليوتيد ، ونيكوتيناميد أدينين ثنائي النوكليوتيد فوسفات ). ^{[ 7 ]}

بنية الحمض النووي DNA والحمض النووي الريبي RNA

تهيمن على بنية الحمض النووي (DNA) بنية الحلزون المزدوج المعروفة، والتي تتكون من اقتران قواعد واتسون-كريك بين السيتوزين (C) والجوانين (G)، والأدينين (A) والثايمين (T). يُعرف هذا النوع من الحمض النووي باسم الحمض النووي من النوع B ، وهو الحالة الأكثر شيوعًا وانتشارًا؛ إذ يُعد اقتران قواعده عالي التخصص والاستقرار أساسًا لتخزين المعلومات الوراثية بشكل موثوق. قد يوجد الحمض النووي أحيانًا على شكل خيوط مفردة (غالبًا ما تحتاج إلى تثبيت بواسطة بروتينات ربط الخيوط المفردة)، أو على شكل حلزونات من النوع A أو Z ، وأحيانًا في هياكل ثلاثية الأبعاد أكثر تعقيدًا، مثل التقاطع عند نقاط هوليداي أثناء تضاعف الحمض النووي. ^{[ 7 ]}

على النقيض من ذلك، يُشكّل الحمض النووي الريبوزي (RNA) تراكيب ثلاثية الأبعاد كبيرة ومعقدة تُشبه البروتينات، بالإضافة إلى الخيوط المفردة غير المُحكمة ذات المناطق المطوية محليًا التي تُكوّن جزيئات الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA ). تحتوي هذه التراكيب على العديد من امتدادات الحلزون المزدوج من النوع A، المتصلة في ترتيبات ثلاثية الأبعاد محددة بواسطة حلقات أحادية السلسلة، وانتفاخات، ووصلات. ^{[ 8 ]} ومن الأمثلة على ذلك الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA)، والريبوسومات، والريبوزيمات ، ومفاتيح الريبوزوم . تُسهّل هذه التراكيب المعقدة حقيقة أن هيكل الحمض النووي الريبوزي (RNA) يتمتع بمرونة محلية أقل من الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA)، ولكنه يمتلك مجموعة كبيرة من التكوينات المتميزة، على ما يبدو بسبب التفاعلات الإيجابية والسلبية لمجموعة الهيدروكسيل الإضافية على الريبوز. ^{[ 9 ]} يمكن لجزيئات الحمض النووي الريبوزي (RNA) المُهيكلة أن ترتبط بشكل انتقائي للغاية بجزيئات أخرى، ويمكن التعرف عليها بشكل انتقائي أيضًا؛ بالإضافة إلى ذلك، يمكنها القيام بالتحفيز الإنزيمي (عندما تُعرف باسم " الريبوزيمات "، كما اكتشفها توم سيش وزملاؤه في البداية). ^{[ 10 ]}

السكريات الأحادية هي أبسط أشكال الكربوهيدرات ، إذ تحتوي على سكر واحد بسيط فقط. وهي تحتوي أساسًا على مجموعة ألدهيد أو كيتون في تركيبها. ^{[ 11 ]} يُشار إلى وجود مجموعة ألدهيد في السكريات الأحادية بالبادئة "ألدو-" . وبالمثل، يُشار إلى وجود مجموعة كيتون بالبادئة "كيتو-" . ^{[ 6 ]} من أمثلة السكريات الأحادية: الهكسوزات ، والجلوكوز ، والفركتوز ، والتريوزات ، والتتروزات ، والهيبتوزات ، والجلاكتوز ، والبنتوزات ، والريبوز، والديوكسي ريبوز. يختلف معدل إفراغ المعدة للفركتوز والجلوكوز عند تناولهما ، كما يختلف امتصاصهما ومساراتهما الأيضية، مما يتيح فرصًا متعددة لتأثير هذين النوعين من السكريات بشكلٍ مختلف على كمية الطعام المتناولة. ^{[ 11 ]} في النهاية، تُعدّ معظم السكريات مصدرًا للطاقة اللازمة للتنفس الخلوي.

تتكون السكريات الثنائية عندما يرتبط سكران أحاديان، أو سكران بسيطان، برابطة مع فقدان الماء. ويمكن تحللها مائيًا للحصول على وحداتها البنائية، السكرين، عن طريق غليها مع حمض مخفف أو تفاعلها مع إنزيمات مناسبة. ^{[ 6 ]} ومن أمثلة السكريات الثنائية: السكروز ، والمالتوز ، واللاكتوز .

السكريات المتعددة هي سكريات أحادية متعددة، أو كربوهيدرات معقدة. تحتوي على العديد من السكريات البسيطة. من أمثلتها النشا والسليلوز والجليكوجين .وهي عادةً كبيرة الحجم، وغالبًا ما تتميز ببنية متفرعة معقدة. نظرًا لحجمها، فإن السكريات المتعددة غير قابلة للذوبان في الماء، ولكن مجموعات الهيدروكسيل العديدة فيها تترطب بشكل فردي عند تعرضها للماء، كما أن بعضها يُشكل معلقات غروانية كثيفة عند تسخينه في الماء. ^{[ 6 ]} تُسمى السكريات المتعددة الأقصر، التي تتكون من 3 إلى 10 وحدات أحادية، بالسكريات قليلة الوحدات . ^{[ 12 ]} تم تطوير مستشعر بصمة جزيئية يعتمد على مؤشر فلوري لإزاحة الجزيء، وذلك للتمييز بين السكريات. وقد نجح هذا المستشعر في التمييز بين ثلاثة أنواع من عصير البرتقال. ^{[ 13 ]} يرتبط التغير في شدة الفلورة للأغشية الحساسة ارتباطًا مباشرًا بتركيز السكريد. ^{[ 14 ]}

اللجنين جزيء ضخم متعدد الفينولات معقد، يتكون أساسًا من روابط بيتا-O4-أريل. يُعد اللجنين ثاني أكثر البوليمرات الحيوية وفرةً بعد السليلوز، وهو أحد المكونات البنيوية الأساسية لمعظم النباتات. يحتوي على وحدات فرعية مشتقة من كحول الكوماريل ، وكحول الكونيفيريل ، وكحول السينابيل ، ^{[ 15 ]} وهو غير معتاد بين الجزيئات الحيوية لكونه راسيميًا . يعود انعدام النشاط البصري إلى بلمرة اللجنين التي تحدث عبر تفاعلات اقتران الجذور الحرة، حيث لا يوجد تفضيل لأي من التكوينين عند المركز الكيرالي .

الدهون (الزيتية) هي في الأساس إسترات الأحماض الدهنية ، وتُعدّ اللبنات الأساسية للأغشية البيولوجية . ومن وظائفها البيولوجية الأخرى تخزين الطاقة (مثل الدهون الثلاثية ). تتكون معظم الدهون من رأس قطبي أو محب للماء (عادةً الجلسرين) وذيل واحد إلى ثلاثة ذيول من الأحماض الدهنية غير القطبية أو الكارهة للماء ، ولذلك فهي ذات طبيعة مزدوجة (محبة للماء وكارهة له). تتكون الأحماض الدهنية من سلاسل غير متفرعة من ذرات الكربون المرتبطة بروابط أحادية فقط ( الأحماض الدهنية المشبعة ) أو بروابط أحادية وثنائية ( الأحماض الدهنية غير المشبعة ). يتراوح طول السلاسل عادةً بين 14 و24 مجموعة كربون، ولكن يكون هذا العدد دائمًا زوجيًا.

بالنسبة للدهون الموجودة في الأغشية البيولوجية، فإن الرأس المحب للماء ينتمي إلى إحدى الفئات الثلاث التالية:

• الجليكوليبيدات ، التي تحتوي رؤوسها على قليل السكريات مع 1-15 من بقايا السكريات.
• الفوسفوليبيدات ، التي تحتوي رؤوسها على مجموعة مشحونة إيجابياً مرتبطة بالذيل بواسطة مجموعة فوسفات مشحونة سلبياً.
• الستيرولات ، التي تحتوي رؤوسها على حلقة ستيرويدية مستوية، على سبيل المثال، الكوليسترول .

تشمل الدهون الأخرى البروستاجلاندينات والليكوترينات ، وكلاهما وحدات أسيل دهنية مكونة من 20 ذرة كربون، يتم تصنيعها من حمض الأراكيدونيك . وتُعرف أيضًا باسم الأحماض الدهنية.

تحتوي الأحماض الأمينية على مجموعات وظيفية من الأحماض الأمينية والكربوكسيلية . (في الكيمياء الحيوية ، يُستخدم مصطلح الحمض الأميني عند الإشارة إلى تلك الأحماض الأمينية التي ترتبط فيها وظائف الأمين والكربوكسيلات بنفس ذرة الكربون، بالإضافة إلى البرولين الذي ليس في الواقع حمضًا أمينيًا).

تُلاحظ أحيانًا أحماض أمينية مُعدّلة في البروتينات؛ وعادةً ما يكون ذلك نتيجةً لتعديل إنزيمي بعد عملية الترجمة ( تخليق البروتين ). على سبيل المثال، يُعدّ فسفرة السيرين بواسطة الكينازات وإزالة الفسفرة بواسطة الفوسفاتازات آلية تحكم مهمة في دورة الخلية . ومن المعروف أن حمضين أمينيين فقط، بالإضافة إلى الأحماض الأمينية العشرين القياسية، يُدمجان في البروتينات أثناء عملية الترجمة، وذلك في بعض الكائنات الحية.

• يتم دمج السيلينوسيستين في بعض البروتينات عند كودون UGA ، والذي عادة ما يكون كودون توقف.
• يُدمج البيروليسين في بعض البروتينات عند كودون UAG. على سبيل المثال، في بعض الميثانوجينات في الإنزيمات المستخدمة لإنتاج الميثان .

إلى جانب تلك المستخدمة في تخليق البروتين ، تشمل الأحماض الأمينية الأخرى ذات الأهمية البيولوجية الكارنيتين (المستخدم في نقل الدهون داخل الخلية)، والأورنيثين ، و GABA ، والتورين .

• الهندسة الجزيئية الحيوية
• قائمة الجزيئات الحيوية
• الاسْتِقْلاب
• نمذجة متعددة الحالات للجزيئات الحيوية

• جمعية العلوم الجزيئية الحيوية هي جهة توفر منتدى للتعليم وتبادل المعلومات بين المهنيين في مجال اكتشاف الأدوية والتخصصات ذات الصلة.