كيمياء حيوية

كيمياء حيوية



الكيمياء الحيوية هى أحد فروع العلوم الطبيعية التى تختص بدراسة كل ما هو متعلق بحياة الكائنات الحية سواء كانت كائنات دقيقة (بكتيريا ، فطريات ، طحالب ) او راقية كالانسان و الحيوان و النبات . و يوصف علم الكيمياء الحيوية احيانا بانه علم كيمياء الحياة وذلك نظرا لارتباط الكيمياء الحيوية بالحياة فقد ركز العلماء في هذا المجال على البحث في كيمياء الكائنات الحية على اختلاف انواعها عن طريق دراسة المكونات الخلوية لهذه الكائنات من حيث التراكيب الكيميائية لهذه المكونات و مناطق تواجدها و وظائفها الحيوية فضلا عن دراسة التفاعلات الحيوية المختلفة التى تحدث داخل هذه الخلايا الحية من حيث البناء والتخليق ، أو من حيث الهدم و انتاج الطاقة.
ونظرا لتشعب فروع علم الكيمياء الحيوية فانه تم تقسيمها إلى ثلاثة اتجاهات رئيسية وهى:
1-دراسة التركيب الكيميائي لمكونات الخلايا من حيث النوع و الكم ، و سمى هذا المجال بالكيمياء الحيوية التركيبية .
2-دراسة فزيولوجية لمكونات الخلايا الحية و التحولات الغذائية و انتاج الطاقة ، و سمى هذا المجال بالكيمياء الحيوية الفسيولوجية و الحركية.
3-دراسة وظيفة المركبات الحيوية داخل الخلايا و العلاقة بينها و بين وظائف الاعضاء و الانسجة ، و سمى هذا المجال بالكيمياء الحيوية الوظيفية .



1- المركبات الحيوية :



الكيمياء الحيوية تتضمن أيضا دراسة التركيبِ و وظيفة المكوّنات الخلوية، مثل البروتينات ، كربوهيدرات ، ليبيدات ، حمض نووي ، و الجزيئات الحيوية الأخرى. ركّزتْ كيمياء حيويةُ مؤخراً بشكل مُحدّد أكثرُ على كيمياءِ الأنزيمات التي تَوسّطَ الكثير من العمليات و التفاعلات الحيوية ، وعلى خواص البروتينات .
تتكون الكيمياء الحيوية عامة من دراسة المركبات الحيوية:-
الكربوهيدرات.

السكريات أو الكربوهيدرات مركبات عضوية تصنف ضمن عائلة الفحوم الهدروجينية (الكربوهيدرات) و تحتوي على عدة وظائف غولية (-HO ) ، تتميز بشكل عام بطعم حلو لذلك تستخدم في الأطعمة والأشربة للتحلية .

تستخدم كلمة سكر بشكل عام في الحياة اليومية للدلالة على السكر المستخدم يوميا و هو السكروز أحد أنواع السكريات ذات الحلاوة الواضحة . و هو ما يدعى أيضا بسكر الطاولة أو سكر الطعام مشابها لاسم ملح الطعام ( و هو كلوريد الصوديوم حصرا . ) .

يعتبر السكروز من السكريات الثنائية (المتشكلة من ترابط سكرين أوليين هما الغلوكوز و الفركتوز) و هو ذو بنية بلورية صلبة ، يستخرج غالبا من قصب السكر أو الشوندر السكري .

لكن المصدر الرئيسي للطاقة في الجسم هو السكريات الأولية و بالتحديد الغلوكوز ( يدعى أيضا سكر العنب ) و هو موجود بكثرة في الفاكهة - و خاصة العنب - . يستخدم الغلوكوز من الخلية الحيوانية مباشرة لتحرير الطاقة .

أنواع الكربوهيدرات
1 ـ سكريات أحادية (سكر بسيط) وتشمل:

أ. الجلوكوز: وهو أبسط أنواع المواد الكربوهيدراتية ويسمى سكر الدم، ويكون على شكل سكر طبيعي في الغذاء أو يستطيع الجسم توفيره من خلال هضم الكربوهيدرات المركبة مثل النشويات الموجودة في الأرز والمعكرونة والبطاطا.

ب. الفركتوز: هذا هو سكر الفواكه ويوجد في الفواكه والعسل، وهو أكثر أنواع السكريات والنشويات حلاوة من حيث الطعم.

ج. الغالكتوز: هذا هو سكر الحليب، ولا يوجد في الطعام ولكن يمكن تصنيعه من سكر الحليب في الغدد المنتجة للحليب في جسم الإنسان ويمكن تحويل الفركتوز والغالكتوز إلى الجلوكوز. د - المانوز : أيضاً من السكريات الأحادية كما يحتوي على مجموعة من الألدهيد لذا فهو سكر ألدهيدي وكما انه يتحد مع البروتينات " بروتينات معينة " ويوجد هذا السكر في زلال البيض هـ - الاينوسيتول : يطلق عليه سكر العضلات حيث امكن فصله من نسيج العضلات كما يوجد أيضاً بأنسجة الكبد والقلب ، ويوجد في النبات على هيئة حمض سداسي الفوسفات كما يدخل ضمن مكونات فيتامين ب وهو من السكريات الاحادية أيضاً ، وهو الذي يعطي طعماً مميزاً للحمة

2 ـ سكريات ثنائية: هي عبارة عن سكر مركب ناتج عن اتحاد نوعين من السكر البسيط ويكون دائما أحد النوعين المتحدين هو الجلوكوز ، تحتوي على السكريات التي بها 2-6 وحدة من وحدة احادي التسكر . وهي تشمل:

أ. السكروز (سكر القصب): ويتكون من جلوكوز + فركتوز ، من أهم السكريات الغذائية وهو سكر غير مختزل ويتحلل مائياً بواسطة إنزيم السكريز المعوي إلى جلوكوز وفركتوز

ب. اللاكتوز (سكر الحليب): وهو أقل أنواع السكر حلاوة ويتكون من جلوكوز + غالكتوز

ت. المالتوز (سكر الشعير): ويتكون من جلوكوز + جلوكوز ، وهو سكر مختزل لاحتوائه على مجموعة ألدهيد ، ويتكون من جزيئين من الألفا جلوكوز ، ويتحلل في الأمعاء إلى جزسئين ألفا جلوكوز بواسطة إنزيم المالتيز ويعتبر هو ناتج وسطي خلال عملية التحلل المائي للنشا بواسطة إنزيم الأميليز اللعابي من المعروف أن عملية طحن الغذاء بواسطة الاسنان والضروس وتفتيت جزيئات الطعام الكبيرة إلى صغيرة بسيطة تسمى الهضم الميكانيكي يوجد باللعاب مادة مخاطية تسهل عملية مضغ الطعام وبلعه وأيضاً تسهل عملية الكلام وحركة اللسان داخل الفم ، بالإضافة إلى هذه المادة المخاطية يوجد أيضاً باللعاب إنزيم الاميليز اللعابي الهاضم للسكريات والمواد الكربوهيدراتية حيث يحول السكريات العديدة الموجودة في أطعمة كالأرز والمكرونة والخبز إلى سكريات ثنائية ثم تنزل هذه الجزيئات إلى المعدة بالحركة الدودية وفي المعدة لا يتم هضم كربوهيدرات إنما في الاثنى عشر حيث يتم هضم المالتيز بواسطة انزيم المالتيز إلى جزيئين ألفا جلوكوز ولكن إذا لم يتم هضم النشا من البداية ونزل إلى المعدة في صورة نشا فيقوم انزيم الاميليز البنكرياسي بدوره

3 ـ سكريات معقدة (مركبة): تتكون من اتحاد ثلاثة أو أكثر من السكريات البسيطة (الأحادية) وقد تتحد أكثر من 300 -500 وحدة من السكريات البسيطة لتكوين السكريات المعقدة، وهذه السكريات لا تذوب في الماء مثل بقية أنواع السكريات. تنقسم السكريات المعقدة إلى قسمين رئيسيين هما:

ــ السكريات من أصل نباتي: 1 ـ النشا: ويوجد في الأجزاء التي يتم هضمها من النباتات. وتوجد في الذرة والحبوب ومختلف مشتقات القمح والأرز والبطاطا والمعكرونة وجذور النباتات وكذلك الخضار والفواكه. *تركيب المادة العضوية ( سكاروز-نشاء) من طرف النباتات اليخضورية: اثبت ساكس للمرة الأولى 1864 ان الاوراق المعرضة للضوء تركب المادة العضوية و ذلك بوزن الاوراق في بداية النهار و نهايته. بعد تجفيفها، فلاحظ ان كتلة الاوراق تكون أكبر في نهاية النهار ، و تم التعرف على هذه المادة العضوية : وهي النشاء. ينتمي النشاء إلى مجموعة السكريات المعقدة صيغته العامة (C6 H10 O6) حيث n تتراوح بين 2000 إلى 3000 وحدة الغلوكوز. يتلون النشاء مع الماء اليودي بالازرق البنفسجي القاتم. يتراكم النشاء في النهار في البرانشيم الورقي اما في الليل فيتفكك، و يتحول إلى سكريات مذابة في الماء ( غلوكوز-سكاروز) و تنتقل إلى اعضاء التخزين و النمو في النبات. عند العديد من النباتات (سكر القصب، الذرة) يكون ناتج التركيب الضوئي هو السكاروز. وبشكل عام فان السكريات تعتبر أولى المركبات العضوية المتشكلة اثناء التركيب الضوئي. 2 ـ السيليلوز: وهو المادة التي تشكل الألياف وسيقان النباتات (الجزء الذي يعطي النبات شكله الخارجي) كما يوجد في أوراق النباتات والساق والجذور وقشور الحبوب والفواكه والخضراوات وكذلك في النسيج الضام للحوم. وحيث أن هذا الجزء من الكربوهيدرات لا يتم هضمه في الجسم فإن دوره الرئيسي هو إعطاء المواد الغذائية التي يحتوي عليها حجما كبيرا وبذلك يشعر الشخص بالامتلاء في المعدة والأمعاء وبذلك لا يشعر بالجوع، لهذا فإن هذا النوع يساعد في علاج السمنة لأنه مثبط للجوع، في نفس الوقت فإن الألياف أو السليولوز تساعد الجهاز الهضمي حيث يتحد بالماء وكذلك بالكولسترول وأي مواد أخرى لا يحتاجها الجسم، وبسبب حجمه واتحاده بالماء فإنه يسهل حركة الأمعاء وبالتالي يسهل التخلص منه ومن المواد التي يتحد بها، وبذلك يقي الجسم من التهابات الأمعاء وانتفاخها خاصة القولون، وأخيرا، تقوم الألياف بحفز الأمعاء لتنشيط عملية تكاثر أحد أنواع بكتيريا الأمعاء والتي تساعد في إنتاج فيتامين (ك) والذي له دورا هاما في تخثر الدم.

ــ السكريات من أصل حيواني (النشا الحيواني): الكائنات الحية، ومنها الإنسان، عندما يتناولون السكريات من أصل نباتي فإنها تقوم بخزن هذه المواد في العضلات والكبد على شكل جليكوجين الذي يتكون من مئات الوحدات من الجلوكوز. وإن اتحاد الجلوكوز لتكوين الجليكوجين في العضلات أو في الكبد يحتاج إلى الماء، وكل غرام واحد من الجليكوجين في العضلات أو في الكبد يخزن معه حوالي 7.2 غرام من الماء. والجليكوجين في العضلات يستخدم فقط من قبل العضلات أما جليكوجين الكبد فيمكن تحويله إلى جلوكوز ويطرح في الدم لتعويض نقص الجلوكوز في الدم، ومن المعروف أن الجلوكوز هو الوقود الرئيسي للجهاز العصبي المركزي وأي نقص في مستوى الجلوكوز بالدم يؤدي إلى نقص الوقود الخاص بالجهاز العصبي المركزي وبالتالي فإن نشاط هذا الجهاز يتأثر سلبا.


[عدل] وظائف الكربوهيدرات في الجسم
1 ـ مصدر سريع للطاقة: تعتبر المواد الكربوهيدراتية مصدرا سريعا جدا للطاقة مقارنة بالدهن والبروتين، كما تعتبر الكربوهيدرات مادة الطعام الوحيدة في الجسم التي يمكن إنتاج الطاقة منها دون الحاجة للأكسجين.

2 ـ توفير البروتين: عندما تنقص كمية الكربوهيدرات في الجسم وبشكل خاص جلوكوز الدم، فإن مخزون الكبد من الجليكوجين يستخدم لتعويض النقص، وإذا استنفذت كمية الجليكوجين المخزونة في الكبد وهي بحدود 80-100 غرام، فإن الجسم يلجأ إلى تكسير البروتين من العضلات وغيرها من أجزاء الجسم المحتوية على البروتين وذلك لتوفير الجلوكوز للجهاز العصبي المركزي حيث يمكن للجسم تحويل البروتين إلى جلوكوز، وحيث أن البروتين يقوم بوظائف حيوية جدا فإن نقص الجليكوجين والمواد الكربوهيدراتية عموما في الجسم يؤدي إلى استهلاك البروتين من الجسم، وهذا من حيث الصحة ليس في صالح الفرد.

3 ـ يساعد على استخدام الدهن كمصدر للطاقة: لكي يستطيع الجسم استخدام الدهن كمصدر للطاقة فإن أحد مخلفات تكسير الكربوهيدرات هي مادة حامض الأوكسالوأسيتك التي يجب أن تكون متوفرة في الجسم، وبالتالي فإن وجود الكربوهيدرات في الجسم ضروري لكي يستطيع الجسم استخدام الدهن كمصدر للطاقة، لهذا فمن حيث مكافحة السمنة فإن تناول الكربوهيدرات ضروري لكي يستطيع الجسم التخلص من الدهن الزائد من خلال استخدامه كمصدر للطاقة

4 ـ وقود لالجهاز العصبي المركزي:لكي يستطيع الدماغ وبقية أجزاء الجهاز العصبي المركزي القيام بوظائفه في تنظيم الجسم، لا بد من توفر الجلوكوز لأنه مصدر الطاقة الرئيسي لهذا الجهاز الهام، وإن نقص الجلوكوز في الدم يؤدي إلى ضعف عمليات التفكير والتركيز الذهني وبالتالي تكثر الأخطاء في المواقف التي تحتاج إلى سرعة التفكير وحسن التصرف

الاحماض الامينية و البروتينات "


الحمض الأميني أو الحمض النشادري (بالإنجليزية: Amino Acid). الاحماض الامينيه هي "لبنات البناء" الرئيسية لبناء البروتين و الببتبد في الجسم. يمكن ملاحظتها بسهولة بعد هضم البروتين. ثمانيه أساسية مهمة جدا (لا يمكن للجسم البشري أن يصنعها بنفسه) و الباقي غير أساسية (يمكن صنعها داخل الجسم البشري، بشرط التغذية السليمة). بالرغم من قدرة الجسم على تصنيع الأحماض غير الأساسية ، إلا أنه و في بعض الأحيان يتوجب أخذ مكملات للأحماض غير الأساسية لضمان توفر الكميه المثلى في الجسم. البعض يضيف قسما ثالثا هو شبه-أساسية، حيث يقوم الجسم بتصنيع عذه الأحماض و لكن بكميات محدودة.

إضافة إلى بناء الخلايا واصلاح الانسجه، الاحماض الامينيه تشكل مادة البناء الرئيسية للاجسام المضاده لمكافحة غزو البكتريا والفيروسات، و هي تشكل جزءا أساسيا من نظام الانزيمات و الهرمونات؛ وهي تبني البروتينات النووية، رنا (الحَمْضُ النَّوَوِيِّ الرِّيبِي) و دنا (الحَمْضُ الرِّيْبِيُّ النَّوَوِي المَنْزُوع الأوكسِجين). كما تقوم الأحماض الأمينية بدور رئيسي بحمل الاوكسجين إلى انحاء الجسم المختلفة، وهي مكون أساسي للنشاط العضلي.

نظريا يوجد 64 نوع منها، فالدنا تبنى من 4 روامز هي A ، C ، G ، T و تبنى الأحماض عادة بتركيب عدة روامز ، مثل GCA, GCC, GCG . لكن المتوفر في إجسام الكائنات الحية هي أقل من ذلك، ما بين 20 إلى 26 نوع من الأحماض الأمينية. مع ملاحظة أن الكثير منها يتشكل باكثر من ثلاث روامز و قد تصل إلى 6 و البعض منها مكون فقط من رامز واحد.

الحمض الأميني هو أحد مركبات عضوية تحمل نوعين من الجذور الكيميائية، وهي جذر أميني (نشادري) [1] NH2 − و جذر كربوكسيل COOH متحدتين مع ذرة كربون مرتبطة بدورها بسلسلة عضوية جانبية Side chain R تكون مختلفة من حمض أميني إلى آخر. تعتبر الحموض الأمينية وحدة التركيب الأساسية للبروتينات في الكائنات الحية.

ترقم ذرات الكربون عادة بالأحرف الإغريقية، و تنتمي الحموض الأمينية المكونة للبروتينات إلى فئة ألفا α-Amino Acids وذلك لأن جذري الأمين و الهيدروكسيل يرتبطان بذرة الكربون الأولى في السلسلة. وتوجد كذلك حموض أمينية أحيائية من فئة بيتا مثل البيتا-ألانين (بالإنجليزية: β-Alanine) و أخرى من فئة جاما مثل حمض الجاما-بيتيريك (بالإنجليزية: γ-Aminobutyric acid) أو (بالإنجليزية: GABA). و رغم وجود عدد كبير من الحموض الألفا-الأمينية في الطبيعة إلا أن السلاسل البروتينية لا تحتوي سوى 20 نوعا منها فقط. وتضطلع الحموض الأمينية بمهام أخرى كلعبها دور نواقل عصبية و مواد أولية لبعض الهرمونات أو كمصدر للطاقة. و تتوفر أيضا مجموعة من الحموض الأمينية المخلقة(المصطنعة) كيميائيا و لها عديد الاستعملات في مجال الصناعة الكيميائية و الصيدلية و الغذائية.

البروتين أو الهَيُولِين أو الآحين مركب عضوي معقّد التركيب ذو وزن جزيئي عالٍ يتكون من حموض أمينية مرتبطة مع بعضها بواسطة رابطة ببتيدية. البروتين ضروري في تركيب ووظيفة كلّ الخلايا الحية وحتى الفيروسات.


العديد من البروتينات تشكل الانزيمات أَو وحدات بروتينية تدخل في تركيب الإنزيماتِ. كما يقوم البروتين بأدوار أخرى الهيكليةِ أَو الميكانيكيةِ، مثل تلك تشكيل الدعامات و المفاصل ضمن الهيكل الخلوي. تلعب البروتينات مهام حيوية أخرى فهي عضو مهم في الإستجابة المناعية و في تخزين و نقل الجزيئات الحيوية كما تشكل مصدرا للحموض الأمينية بالنسبة للكائنات التي لا تستطيع تشكيل هذه الحموض الأمينية بنفسها .

البروتينات أيضا واحدة من الجزيئات الضخمة الحيوية إلى جانب عديدات السكريدات و الدسم و الأحماض النووية، وهذه الجريئات الضخمة الحيوية تشكل بمجموعها مكونات المادة الحية الأساسية .

تحتوي الخلايا الحية على العديد من المركبات و العناصر الكيميائية البسيطة و المعقدة وهي مهمة بشكل بحت في بقاء الخلية على قيد الحياة ، و من أمثلة تلك العناصر والمركبات على الترتيب الصوديوم و البوتاسيوم و الكلور ... إلخ وكذلك الكربوهيدرات - نشويات و سكريات - والدهون و البروتينات .



الاحماض النووية.

الحموض النووية هي التي تسبب الإختلاف بين البشر، من حيث: الشكل، و اللون. و قد تمكن قديما العالمان جيمس واطسون و فرنسين كريك في منتصف القرن الـ 20 من اكتشاف الشكل الأساسي للحمض النووي DNA، و الذي أدى إلى التعرف على الكثير من المعلومات حول كيفية تخزين و حفظ المعلومات الوراثية، و كيفية نقلها من جيل لاخر.

مكونات الحموض النووية
تتكون الكروموسومات في الخلايا الحية من مادتين أسايتين:

الحمض DNA، الذي يشكل المادة الوراثية، و مجموعة من البروتينات تعرف بالهوستونات، حيث يقوم شريط الـ DNA بالاتفاف حولها بشكل متكرر مشكلا النيوكليوسوم، فيؤدي إلى تكثيف المادة الوراثية مما يساعد على تخزينها في حيز صغير داخل أنوية الخلايا.
الحمض RNA، الذي يوجد منه أنواع متعددة، و يلعب كل من هذه الأنواع دورا أساسيا في ترجمة المادة الوراثية في جزيء DNA إلى بروتينات عدة، تقوم بأداء كافة الوظائف اللازمة لحياة الكائنات الحية.

التركيب الكيميائي للحموض النووية
تتكون الحموض النووية DNA و RNA من سلاسل من وحدات كيمائية تسمى بـ النيكلوتيدات، و يتكون كل نيوكلوتيد من ثلاث مكونات ئيسية:

جزيء سكر خماسي (رايبوز، أو رايبوز منقوص الأكسجين).
مجموعة من الفوسفات.
قاعدة نيتروجينية. و تتكون القواعد النيتروجينية من:
أ- بيورينات، و تشمل قاعدتين هما: أدنين A، غوانين G، و تتألف كل منها من حلقتين.
ب- بيرمدينات، و تشتمل على ثلاث قواعد: ثايمين T، سايتوسين C، و يوراسيل U، و يتألف كل منها على حلقة واحدة.
و يختلف تركيب النيوكليوتيدات بعضها عن بعض بناء على نوع القاعدة النيتروجينية الموجودة فيها، و جزيء السكر.


الحمض النووي DNA
مقال تفصيلي :DNA
DNA، هو اختصار لـ (الحمض النووي الرايبوزي منقوص الأكسجين). و يتألف من سلسلتين من النيوكليوتيدات تلتفان حول بعضهما بشكل حلزوني، و يلاحظ أن القاعدة النيتروجينية أدنين A تكون في أحد السلاسل تكون متقابلة مع القاعدة النيتروجينية ثايمين T في السلسلة الثانية، و ترتبط معها برابطتين من الروابط الهيدروجينية بينما تكون القاعدة النيتروجينية غوانين G متقابلة كع القاعدة النيتروجينية سايتوسين C و ترتبط معها 3 روابط هيدروجينية.

و القاعدة النيتروجينية يوراسيل U، لا تدخل في تركيب DNA.

و تتكون سلسلة الحمض النووي DNA من ارتباط مجموعة من الفوسفات في كل نيوكليوتيد مع سكر الرايبوز منقوص الاكسجين في النيوكليوتيد. و تشكل سلسلة القواعد النيتروجينية في جزيء DNA مخزون المعلومات الوراثية، و يسمى ترتيبها بالشيفرة الوراثية التي تميز الكائنات الحية عن بعضها.


الحمض النووي RNA
مقال تفصيلي :RNA
تعني RNA، الحمض النووي الرايبوزي، و يتألف من سلسلة واحد فقط من النيوكليوتيدات التي ترتبط بعضها مع بعض بنفس الطريقة التي يرتبط بها جزيء DNA، و لكنه يختلف عن جزيء DNA في إحتوائه على القاعدة النيتروجينية يوراسيل U، بدلا من احتوائه على الثيامين T.

توجد ثلاث أنواع من الحمض النووي RNA داخل الخلايا و هي:

mRNA أو RNA الرسول، و يقوم بنقل الشيفرة الوراثية من الجينات في النواة إلى الرايبوسومات، ليتم تصنيع البروتينات المختلفة داخل السيتوبلازم.
tRNA أو RNA الناقل، و يقوم بنقل الحموض الامينية في السيتوسول إلى الرايبوسومات لاستخدامها في عملية بناء البروتينات.
rRNA أو الرايبوسومي، يستخدم في إنتاج الرايبوسومات في النوية داخل نواة الخلية.

الفرق بين DNA وRNA
الحمض النووي DNA ....../ ......الحمض النووي RNA

يتكون من سكر رايبوزي منقوص الأكسجين ....../ ...... يتكون من سكر رايبوزي غير منقوص الأكسجين
لا يحتوي على القاعدة النيتروجينية اليوراسيل/....... يحتوي على القاعدة النيتروجينية اليوراسيل
يتكون من سلسلتين ./........يتكون من سلسلة واحدة فقط


آلية تضاعف الحمض النووي DNA
إن مقدرة الخلايا الحية في الحفاظ على درجة عالية من الدقة في الإستمرار في وظائفها من جيلا لآخر تعتمد على قدرتها على مضاعفة المعلومات الوراثية المخزونة في جزيء الـ DNA، المكون للكروموسوم، و يكون ذلك في الطور البيني قبيل عملية الانقسام و إنتاج خلايا جديدة.


الشروط الواجب توافرها حتى يتضاعف جزيء DNA
جزيء DNA الذي تلتزم مضاعفته ليتم إنتاج جزيئات DNA جديدة تحمل نفس المعلومات الوراثية.
كميات كافية من النيوكليوتيدات الأربعة المختلفة التي تدخل في تركيبة (A, G, C, T).
إنزيم التضاعف (إنزيم بلمرة DNA)، إضافة إلى بعض الإنزيمات و البروتينات الأخرى اللازمة لإتمام العملية.

خطوات عملية التضاعف
تنفصل سلسلتا جزيء DNA بعضها عن بعض بشكل تدريجي، نتيجة تكسّر الروابط الهيدروجينية التي تربط القواعد النيتروجينية ببعضها، فتتحول إلى سلاسل أحادية بدءا من نقطة محددة، و ينشطر بشكل طولي حتى نهاية السلسلة.
يرتبط إنزيم التضاعف بالسلسلة الأحادية، و يقوم بوضع النيوكليوتيدات - الموجودة في السائل النووي - الواحدة تلو الأخرى بشكل متمم حسب ترتيب القواعد النيتروجينية الموجودة في سلسلة جزيء DNA الذي يتم تضاعفه بحيث يتم وضع نيوكليوتيد T مقابل نيوكليوتيد A، و نيوكليوتيد G مقابل نيوكليوتيد C، و تستمر هذه العملية بتحرك إنزيم التضاعف من نقطة البدأ حتى نهاية السلسلة.
تتم عمليتي تضاعف سلسلتي جزيء DNA في وقت واحد و بنفس السرعة، فينج من هذه العملية جزيئان كاملان من DNA، يحتوي كل منهما على سلسلة قديمة و أخرى جديدة.
بعد الانتهاء من هذه العملية تقوم بروتينات الهستونات الأصلية و الجديدة بالارتباط جميعها بجزيئي DNA، لتكوين الكروموسومات و تكثيفها داخل النواة.

الطفرة الوراثية
يؤدي حدوث أي خطأ في ترتيب أو تسلسل القواعد النيتروجينية في جزيء DNA إلى تغيير المعلومات الوراثية، فينتج عن ذلك بما يسمى بالطفرة، كما يؤدي هذا التغير في الخلايا الجسدية إلى خلل لدى الفرد الذي حدث له ذلك التغيير، و في حالة حصول الطفرة الوراثية في الخلايا الجنسية يصبح بالامكان نقل هذه الطفرة من جيل لاخر، و ذلك يؤدي إلى ظهور الامراض الوراثية.


عوامل حدوث الطفرة الوراثية
عوامل داخلية: أثناء عملية التضاعف يقوم إنزيم التضاعف بوضع النيوكليوتيدات في غير موضعها الصحيح، و تنتج الطفرة عند عدم قدرة الخلايا على إصلاح كافة الأخطاء الناتجة عن ذلك.
عوامل خارجية: كالإشعاعات المختلفة، و بعض المواد الكيميائية، أو بعض أنواع الفيروسات التي تؤدي إلى إحداث تغيير في تركيب القواعد النيتروجينية لجزيء DNA.
و تكمن خطورة هذه الطفرات عند حصولها قي الجينات الموجودة على الكروموسومات، مما يؤدي إلى التأثير على عملها أو إيقاف عملها بشكل تام، فيسبب ذلك حدوث الإختلال في الوظائف المتربطة بهذه الجينات و ظهور لعديد من الأمراض.


[عدل] ملاحظات
بالإمكان التعرف على عدد الكروموسومات و حجمها عن طريق فصلها عن مكونات الخلية الأخرى و صبغ جزيء الـ DNA بصبغات خاصة ذات ألوان مختلفة.
عدد النيوكليوتيدات الموجودة في كروموسومات الإنسان تبلغ 3.2 مليار نيوكليوتيد، بينما يبلغ عددها على الكروموسوم الوحيد في بكتيريا القولون E.coli حوالي مليون نيوكليوتيد.
الجينات في كروموسومات الإنسان تحتل فقط ما مقداره 5% من حجم الكروموسوم تقريبا، في حين أن 95% من المساحة المتبقية ليس فيها جينات.
الحمض النووي DNA موجود في نواة الخلية، إضافة إلى وجوده أيضا في المايتوكندريا في الخلايا التي لها نواة حقيقية كخلايا الإنسان كما توجد في البلاستيدات الخضراء.
التركيب الكيميائي الأساسي للحموض النووية متطابق في كافة خلايا الكائنات الحية من نباتات و حيوان و حتى في الفيروسات و تختلف في الطول و ترتيب سلسلة القواعد النيتروجينية.
الرابطة الهيدورجينية بين القواعد النيتروجينية في جزيء DNA هي رابطة بين ذرة هيدروجين من قاعدة نيتروجينية و ذرة نيتروجين من قاعدة نيتروجينية متقابلة معها.
عملية التضاعف تبدأ من نقطة معينة في جزيء DNA بشكل دائم و لها تركيب خاض، و يوجد في كروموسوم البكتيريا نقطة واحد فقط، بينما يوجد في كروموسومات الإنسان الآلاف من هذه المواقع ليتيح إتمام العملية بسرعة.
إنزيم تضاعف جزيء DNA يقوم بعملية وضع النيوكليوتيدات ضمن التلسلسل اللازم بدقة متناهية، و مع ذلك قد تحدث بعض الاخطاء، و تقوم الخلايا بإصلاح هذه الأخطاء بعد الانتهاء من عملية التضاعف بآليات خاصة و ذلك باستخدام مجموعة من الإنزيمات.
تستطيع الخلية أن تقوم بإصلاح الطفرات الوراثية التي قد تحدث في جزيء DNA بواسطة آليات خاصة لذلك. و يحدث الخلل غالباً عندما يكون معدل حصول هذه الطفرات أعلى من قدرة الخلايا على إصلاحها.

الانزيمات.


الإنزيم أو إنظيم (بالإنجليزية: Enzyme) وهي كلمة لاتينية تعني ( في الخميرة in yeast )، إذ إن عملية الحفز الحيوي، اكتشفت أولا في عملية تخمر الجلوكوز إلى كحول بواسطة الخميرة. الإنزيم عبارة عن آحين (بروتين ) أو معقد بروتيني معدني يعمل ضمن الجسم الحي في نطاق درجة حرارة الجسم الفيزيولوجية كوسيط يعمل على تسريع التفاعلات الكيميائية الحيوية والتحكم بالبنية الفراغية للناتج ، آلية عمله تشابه باقي الوسطاء عن طريق خفض طاقة التنشيط مما يسمح بانجاز تفاعلات تجري عادة ضمن درجات حرارة مرتفعة جدا ، وفق الشروط الحيوية بدرجة حرارة لا تتعدى درجة حرارة الجسم الحي ، ليعود بعد انجاز التفاعل إلى وضعه الأصلي مما يمكنه من المشاركة بتفاعل جديد وهذا ما يسمح لكميات قليلة من الأنزيم بالمشاركة لفترة زمنية طويلة في التفاعل.

تتحدد وظيفة الإنزيمات كما هي حالة البروتينات ببنيتها ثلاثية الأبعاد ، و يمكن أن نصنف الأنزيمات حسب عدد السلاسل الببتيدية المشاركة في تركيبها:

آحينات ( بروتينات ) أحادية الجزيء: تتالف من سلسلة ببتيدية واحدة ملتفة مؤلفة من مئات الحموض الأمينية .
آحينات (بروتينات ) متعددة الجزيء: تتألف من عدة سلاسل ببتيدية ، مختلفة أو متماثلة ، تتصرف معا كانها بنية واحدة.
و كما هي حال البروتينات فإن الأنزيمات تتشكل من سلاسل ببتيدية مؤلفة من حموض امينية تلتف على بعضها لتشكيل بنية ثلاثية الأبعاد ، كما تترابط السلاسل الببتيدية بعد ذلك بروابط غير تكافؤية لتكون بروتينات معقدة تمتلك خواصا حركية و مراكز ارتباط .

معظم الأنزيمات تشكل جزيئات بروتينية ضخمة أكبر بكثير من الركائز substrates التي ترتبط بها لذلك فإن ما يشكل تماسا مباشرا بين الأنزيم و الركازة المرتبطة لا يتعدى عشرة حموض امينية تشكل ما يسمى تجويف أو موقع الارتباط Bindingsite. أحيانا يمتلك الأنزيم أكثر من موقع ارتباط واحد و احيانا يوجد ضمن الأنزيم موقع ارتباط تميم العامل cofactor وارتباطه ضروري لإنجاز التفاعل. بعض المواقع الإرتباطية ذات وظيفة تنظيمية ، فهي تقوم بزيادة أو تخفيض نشاط الأنزيم.

الإصطفائية
الأنزيمات بشكل عام اصطفائية بالنسبة للتفاعلات و الركائز التي تنجز هذه التفاعلات عليها ، و تلعب هنا تكاملية الشكل و الشحنة لكل من البروتين و الركازة (المادة الأساس ) دورا مهما في هذه الإصطفائية .


الليبيدات .

الدهنيات أو الشحميات Lipids اسم يستخدم للدلالة على مجموعة كبيرة من المركبات احيانا تشمل كل ما هو غير ذواب بالماء أو ما يمكن اعتباره موادا غير قطبية ذات أصل عضوي : بما في ذلك المواد الشمعية waxes و الحموض الدسمة Fattyacids و مشتقاتها من دسم فوسفورية أو سفينغوليبيد أو دسم سكرية أو تربينات و حتى الرتينوئيدات و الستيروئيدات .

هناك تنوع كبير في بنية هذه المركبات فبعضها حلقي ألكاني و بعضها عطري ، بعضها مرن متحرك في حين بعضها الآخر ذو بنية ثابتة .

أنواع الدهنيات
غليسيريدات و الأحماض الدهنية
غليسيريدات ثلاثية = تريغليسيريد دهون Triglycerides ( fats);
شمع Wax;
دسم فوسفورية;
سفينغوليبيد;
غليكوليبيد;
تربينويد;
ريتينويد;
ستيرويد.

الاستقلاب .

الاستقلاب أو الأيض أو عملية التمثيل الغذائي (بالإنجليزية: ****bolism) هي التغيرات الحيوية التي تتم داخل الكائن الحي على المواد الغذائية المختلفة بواسطة العوامل الإنزيمية بغرض الحصول على الطاقة أو بناء الأنسجة وينقسم التمثيل الغذائي إلى:

1- التقويض Catabolism : حيث يتم تكسير المواد الغذائية الرئيسية سواء كانت كربوهيدرات أو بروتينات أو دهون خلال طرق مختلفة من التفاعلات الحيوية إلى جزيئات بسيطة ويتم خلال ذلك الحصول على الطاقة.

2- الابتناء (Anabolism): الجزيئات البسيطة الناتجة من عملية الهدم يمكن استخدامها كنواة لبناء مواد أكثر تعقيدا سواء كانت بروتينية أو أحماض نووية من خلال سلسلة من التفاعلات وذلك لبناء الأنسجة وتستهُلك الطاقة في تلك التفاعلات.

تأخذ عمليات البناء والهدم مسارات مختلفة من ناحية التفاعلات الحيوية داخل جسم الكائن الحي وهذه التفاعلات ليست بالسهولة من ناحية تحويل كلا لآخر.

يقصد بالاستقلاب تلك العمليات البيوكميائية التي تتم داخل الجسم عندما يقوم ببناء الأنسجة الحية من مواد الطعام الأساسية و من ثم يفككها لينتج منها الطاقة, و يحتاج ذلك إلي عملية هضم الطعام في الأمعاء و امتصاص خلاصاتها و تخزينها كمرحلة أنتقالية لدمجها في أنسجة الجسم ثم تفكيكها الي ماء و ثاني أكسيد الكربون فالطاقة التي تتولد من الأستقلاب لا تتحول كلها الي حرارة بل تخزن داخل الخلايا و تستخدم عند الحاجة

و يبدا استقلاب الكاربوهيدرات مع امتصاص الكلوجوز عبر جدران الامعاء الي الدم فيحمل البعض منه الي مختلف أنحاء الجسم حيث يتم إستقلابة في حين يتم تخزين البعض الآخر في الكبد و العضلات علي شكل سكر أو جلوكوجين و تتفكك بعض ذلك عند الحاجة.


الهرمونات.


الهرمونات (بالإنجليزية: Hormones) أو الحاثّات هي مركبات حيوية يتم تصنيعها في غدد ضمن الأجسام الحية لتقوم بوظائف حيوية مختلفة استقلابية وبنائية فهي مواد كيمائية معقدة للغاية تفرزها خلايا خاصة بكميات ضئيلة جدا حسب حاجة الجسم إليها وقد ينشط افرازها خلايا عصبية مثل افراز الهرمونات عند الخوف والغضب كما أنها تهيئ حالة الجسم حسب البيئة الخارجية كما أنها لها دور مهم في العمليات الحيوية التي يقوم بها الكائن الحى فكل هرومون لة دورة ومتخصص في عملة ونقص الهرومونات يؤدى إلى حالة مرضية وربما الموت.
تأثيرات الهرمونات
تعتبر الغدة النخامية رئيسة الغدد التي تتحكم في جميع الغدد الأخرى وهي اصغر الغدد وتوجد في النصف السفلى من الرأس بينما أكبر الغدد هي الغدة الدرقية وتوجد في الرقبة ولها دور مهم في عملية أيض النشويات والتمثيل الغذائىوهى أيضا أكثر الغدد معرضة للتضخم نتيجة لنقص اليود في الطعام ولنبات هرومونات تسمى بالاوكسينات تساهم في نموه الخضرى كما أن هناك هرمون التيستيستيرون وهو الذي يظهر صفات الرجل عن صفات المرأة كما أن هناك هرمون الادرينالين وهو هرمون القلق مثل ما يحدث في أوقات الاختبارات.و توجد الهرمونات في الجسم بمئات الملايين.

الخواص الدوائية
يفرز الهرمون في الدم مباشرة من خلال غدد خاصة تسمي بالغدد الصماء كما انة هناك نوع آخر من الهرومونات تفرز غدد قنوية مثل الغدد اللعابية الموجودة تحت اللسان وهنال نوع ثالث من الغدد يسمى بالغدد المشتركة والتى تفرز هرومونات في الدم مباشرة وهرومونات خارجية مثل غدة البنكرياس.


الفيتامينات.
الحيمين أو الفيتامين (بالإنجليزية: Vitamin)' و جمعها الحيمينات هي مغذيات عضوية مطلوبة بكميات صغيرة من أجل العديد من الوظائف الكيميائية الحيوية وهي عادة لا تصنع داخل الجسم ولذلك فلابد من تناولها في الغذاء. وتصنّف الفيتامينات على أساس قابليتها للذوبان في الماء أو الدهن حيث توجد فيتامينات قابلة للذوبان في الماء (فيتامينات ب المركب B complex و ج C) وفيتامينات قابلة للذوبان في الدهون (فيتامينات أ A ود D وهـ E وك K.

النقص
الغياب أو النقص النسبي للفيتامينات في الغذاء يؤدي إلى حالات وأمراض نقص مميزة. نقص فيتامين واحد فقط من فيتامينات ب لأن الأغذية الفقيرة تؤدي إلى حالات نقص متعددة. وعلى الرغم من ذلك هناك متلازمات معينة مميزة لنقص فيتامينات معينة. وبالنسبة للفيتامينات القابلة للذوبان في الماء هناك أمراض نقص معينة: البري بري (نقص الثيامين) والتهاب الشفتين والتهاب اللسان والتهاب الجلد الدهني وحساسية الضوء (نقص الرايبوفلافين) البلاجرا أو الحصاف (نقص الناياسين) والتهاب الأعصاب الطرفية (نقص البيريدوكسين) والأنيميا –فقر الدم- الخبيثة وحموضة البول بالميثيل أمونيا وأنيميا خلايا الدم العملاقة (نقص الكوبالامين) وأنيميا خلايا الدم العملاقة (نقص حمض الفوليك) والإسقربوط (نقص حمض الأسكوربيك). ويمكن تجنب نقص الفيتامينات عن طرق تناول أطعمة من أنواع مختلفة بكميات كافية. وبسبب ذوبان هذه الفيتامينات في الماء فإن الزيادة منها تفرز في البول وبالتالي فهي لا تتراكم بتركيزات سامة إلا نادراً ولنفس السبب فإن تخزينهم داخل الجسم محدود يجب أن يتم تناولهم بصورة منتظمة (بإستثناء الكوبالامين). أما بالنسبة للفيتامينات القابلة للذوبان في الدهون فإن الحالات المؤثرة على هضم وامتصاص الفيتامينات القابلة للذوبان في الدهون مثل البراز الدهني والاضطرابات في الجهاز الصفراوي تؤدي جميعاْ إلى النقص مما يؤدي إلى متلازمات تختلف حسب الفيتامين الناقص فمثلاْ نقص فيتامين أ يؤدي إلى العشى الليلي وجفاف العين ونقص فيتامين د يؤدي إلى الكساح ونقص فيتامين هـ -نادر الحدوث- يؤدي إلى اضطرابات عصبية وأنيميا في المواليد الجدد ونقص فيتامين ك وهو أيضاً نادر جداً في البالغين يؤدي إلى النزيف في المواليد الجدد. وبسبب قدرة الجسم على تخزين كميات زائدة من الحيمينات ( الفيتامينات )القابلة للذوبان في الدهون يمكن أن يحدث تسمم نتيجة التناول المفرط لفيتامين أ و د. فيتامينات أ والبيتاكاروتين و هـ تعمل كمضادات للأكسدة مما يفسر دورها في منع حدوث السرطان وتصلب الشرايين


التفاعلات الحيوية
يدرس المتخصصون في الكيمياء الحيوية الجزيئات والتفاعلات الكيميائيةالمُحَفَّزة مِن قبل الإنزيمات التي تسهم في كل العمليات الحيوية ضمن الكائن الحي . يقدم علم الأحياء الجزيئيتخطيطا و وصفا للعلاقة الداخلية بين الكيمياء الحيوية،و علم الأحياء، وعلم الوراثة.