كيمياء الخلية

جميع المواد الحية أم لا ، تتكون من وحدات أساسية والتي تسمى بالعناصر الكيميائية. يتكون الجسم من 96 ٪ من الكربون (C) ، والنيتروجين (N) ، والأكسجين (O) ، والهيدروجين (H). يحتوي الجسم على 3٪ من الكالسيوم (Ca)، الفوسفور (P)، البوتاسيوم (K) والكبريت (S). يتكون باقي الجسم من كميات صغيرة من الحديد (Fe) ، والكلور (Cl) ، واليود (I) ، والصوديوم (Na) ، والمغنيسيوم (Mg) ، والنحاس (Cu) ، والمنغنيز (Mn ) ، الكوبالت (Co) ، الزنك (Zn) ، الكروم (Cr) ، الفلور (F) ، الموليبدينوم (Mo) السيليكون (Si) ، والسيلينيوم (Se) ، ما يسمى المغذيات الدقيقة.

 الذرات

تعريف: تعد الذرة أصغر وحدة أساسية لعنصر يحتفظ بخصائص هذا العنصر. يتكون كل عنصر نقي من نوع واحد فقط من الذرة.

تتكون الذرة من ثلاثة أنواع من الجسيمات الأولية :

  • البروتونات : ذات الشحنة 1+ و كتلة 1
  • النيترونات: عديمة الشحنة  و كتلة 1
  • الإلكترونات : ذاث شحنة  1- و كتلة 1

تحتوي نواة الذرة على بروتونات ونيوترونات.

الرقم الذري (Z) = عدد البروتونات في النواة

الكتلة الذرية = عدد البروتونات + عدد النيوترونات. 

 الرقم الذري هو نفسه لكل ذرات نفس العنصر الكيميائي. حول النواة توجد إلكترونات Z التي تعطي الذرة شحنة كهربائية كاملة. توجد الإلكترونات في مدار حول النواة ، حيث تدور كواكب النظام الشمسي حول الشمس. يتم توزيع الإلكترونات وفقًا لمستويات الطاقة والطبقات الإلكترونية. يمكن أن تحتوي الطبقات الأربع الأولى على 2 و 8 و 18 إلكترونًا. تتموضع الإلكترونات واحدة تلو الأخرى على طبقة معينة وتملأ الطبقات الأعمق أولا بالكامل قبل أن تتلوها الطبقات الأخرى.

الجزيئات والروابط الكيميائية

تعريف : الجزيء هو مزيج من ذرتين أو أكثر مرتبطتين ببعضهما البعض بواسطة رابطة كيميائية.

تشكل الجزيئات الوحدات الأولية للمركبات الكيميائية حيث أن الذرات هي أصغر الوحدات في العنصر الكيميائي. الماء مركب كيميائي أساسي للحياة. ويتكون من جزيئات تحتوي كل منها على ذرة أكسجين واثنين من ذرات الهيدروجين (H2O). الأرقام في فهرس في الترميز الكيميائي ، تشير إلى عدد ذرات كل عنصر في جزيء من المجمع.

ينتج جزيء من تكوين الروابط ، قوى الجذب ، بين الذرات التي تشكلها. يتشكل الرابطة الأيونية بين ذرتين ، أي ذرة واحدة ، فقدت الإلكترونات ، مشحونة إيجابيا ، والأخرى التي تكتسب الإلكترونات ، مشحونة سلبا. الذرات المشحونة هي الأيونات ، ويتم جذب أولئك الذين يحملون الرسوم السالبة بقوة من قبل أولئك الذين يحملون رسوم موجبة (الشكل 2 .1). وتتكون الروابط التساهمية بين الذرات التي تتشارك نفس الإلكترونات (الشكل 2.2). إن ذرة الهيدروجين المتعاملة في رابطة تساهمية مع ذرة كهرإلكترون ، على سبيل المثال ذرة الأكسجين ، تكسب شحنة موجبة منخفضة. الرابطة الهيدروجينية هي تفاعل يثبت بين ذرة الهيدروجين (إيجابية قليلاً) التي تعمل في رابطة تساهمية ، وذروة كهربية أخرى ، مثل الأكسجين ، تعمل في رابطة أخرى. تحدث التفاعلات الكيميائية عندما تتشكل أو تتحلل الجزيئات ، أو تحدث بالترتيبات الذرية.

تتكون الأحماض النووية مثل الحمض النووي الريبي (ADN) وحمض الريبونوكلي (ARN) من النيوكليوتيدات.و يتكون النوكليوتيد من ثلاثة عناصر: مجموعة فوسفاتيز ، بنتوست ، وقاعدة نيتروجين. إن البنتوز الذي يشارك في تركيبة الحمض النووي هو دائمًا ديوكسيريبوز و الذي يوجد في الحمض النووي الريبي هو ريبوز. إن مجموعة الفوسفات هي نفسها دائماً من نوكليوتيد إلى آخر ولكن في الحمض النووي يمكن أن تكون القاعدة إما أدينين (A) أو الثايمين (T) أو الجوانين (G) أو السيتوزين (C). في ARN ، يستبدل اليوراسيل (U) بالثايمين. الحمض النووي الريبي والحمض النووي الريبونوكلي هي جزيئات ضخمة تتكون من تسلسل من النيوكليوتيدات.

 

الشكل 2.1: تشكيل رابطة الأيونية في جزيء كلوريد الصوديوم

الشكل 2.2: تشكيل رابطة تساهمية في جزيء O²

للمعرفة

الأنواع المختلفة من الروابط الكيميائية :

  • الرابطة الأيونية.
  • الرابطة التساهمية.
  • الرابطة الهيدروجينية.

ترجع معظم الخصائص الفريدة للمياه ونقاط التجمد والغليان والتوتر السطحي والتماسك واللفافة إلى وجود روابط هيدروجينية بين جزيئات الماء.

المحاليل وخصائصها

عندما ترتبط مادتان أو أكثر دون تكوين روابط بينهما ، فإنها تشكل خليطًا. المحاليل إذن هي مخاليط يتم فيها توزيع جزيئات جميع المواد التي تشكلها بطريقة متجانسة. المحلول مثل المياه المالحة يتكون من مرحلة صلبة (المذاب) في السائل (المذيب). يمكن التعبير عن تركيز المذاب للمحلول بطرق مختلفة ؛ وفقا للنسبة المئوية للمذاب في المحلول ، أو وفقا لمولول المذاب من الحل ، والذي يتوافق مع عدد مولات المذاب لكل لتر من محلول (1 مول = 6،022 × 1023 جزيء). 

واحدة من الخصائص الهامة للمحلول هو طابعهه الحمضي أو الأساسي (القلوي). يتم قياس هذه الخاصية بواسطة الرقم الهيدروجيني للحل. في أي عينة مائية ، هناك نسبة من جزيئات الماء المتأينة في شكل بروتونات H + (أيونات الهيدروجين) و OH- (أيونات الهيدروكسيد). في H + عدد الماء النقي يساوي عدد OH- ، ويقال أن المحلول محايد ، مع الرقم الهيدروجيني من 7.

للتدوين

وفقا ل نظرية أرينيوس :

  • الحمض هو المادة التي تزيد تركيز أيون الهيدروجين H + من المحلول. الرقم الهيدروجيني للحامض أقل من 7.
  • القاعدة هي مادة تزيد من تركيز OH في أي محلول. يكون pH الهيدروجيني للقاعدة أكبر من 7 وأقل من أو يساوي 14.

كلما كانت قيمة pH أقل ، كلما زادت حموضة المحلول. كلما زادت قيمة الرقم الهيدروجيني ، كلما زادت درجة القلوية في المحلول.

تعريف : الملح هو مركب أيوني ينتج عن التفاعل بين الحمض والقاعدة. عندما يفقد الحمض بروتونًا (H +) وتفقد قاعدة هيدروكسيد (OH-) ، فإن الأيونات التي يتم إنتاجها تتفاعل أحيانًا لتشكل ملحًا.

حمض الهيدروكلوريك (HCL) + هيدروكسيد الصوديوم  (NaOH) ----> كلورور الصوديوم (NaCL) + الماء (H2O)  (حمض + قاعدة = ماء + ملح)

تعريف : يتكون المحلول المنظِّم بمزيج من حمض ضعيف والقاعدة المترافقة (المضافة في شكل ملح) ، مما يحافظ على بقاء الرقم الهيدروجيني للحل ثابتًا.

 عندما يحتوي المحلول على محلول منظم، فإن إضافة حمض قوي أو قاعدة قوية لا يسبب تباينًا كبيرًا في الأس الهيدروجيني. عند إضافة حمض إلى المحلول المنظم، يتم تحييده بواسطة القاعدة المترافقة. عند إضافة قاعدة إلى المحلول المنظم ، فإن الحمض الضعيف نفسه يحيد القاعدة. ومن أهم أنظمة المحاليل المنظمة الثلاثة في الجسم :  الحمض الكربوني / البيكاربونات في الدم والسوائل خارج الخلوية ، ثنائي فوسفات الصوديوم / أحادي الصوديوم في الكلى والسوائل داخل الخلايا ، والمحلول المنظم البروتيينات / البروتينات  الذي يوجد في الأنسجة.

مهم

ان تلاحظ الفرق بين :

  • حمضي
  • قاعدي
  • ملحي
  • محلول منظم

المركبات العضوية وغير العضوية

لا تحتوي المركبات غير العضوية على الكربون (باستثناء CO و CO2) وعادة ما تكون جزيئات صغيرة. المركبات العضوية تحتوي دائما على الكربون وتتكون من الترابط التساهمي. المركبات العضوية عموما جزيئات كبيرة ومعقدة. تلعب كل من المركبات العضوية وغير العضوية دورًا مهمًا في التفاعلات الكيميائية للأشياء الحية.

في الكائنات الحية ، نجد المركبات غير العضوية التالية: الماء ، وثاني أكسيد الكربون ، والأملاح ، والأحماض ، والقواعد ، والإلكتروليتات ، مثل الصوديوم (Na) ، والبوتاسيوم (K +) ، والكالسيوم (Ca2 +) ، والكلور (Cl-). هذه الإلكتروليتات لها دور مهم في نقل النبضات العصبية ، والحفاظ على خصائص سوائل الجسم ولتحقيق أنشطة هرمونية وإنزيمية.

العائلات الأربع من المركبات العضوية :

الكربوهيدرات : مركبات الكربون والأكسجين والهيدروجين. تصنف مثل السكريات الأحادية والسكريات التنائية والسكريات المتعددة.

الدهون : مركبات الأحماض الدهنية والغليسيرول.

البروتينات : مركبات الأحماض الأمينية. يتم تحديد خاصية البروتين من خلال خصائص الأحماض الأمينية التي يتكون منها.

الأحماض النووية : المركبات النوكليوتيدية المحتوية على الفوسفات ، الأيزيد والقاعدة النيتروجينية.

 تتكون الأحماض النووية مثل الحمض النووي الصبغي (ADN) والحمض النووي الريبوزي (ARN) من النيوكليوتيدات.و يتكون النوكليوتيد من ثلاثة عناصر: مجموعة الفوسفاتيز ، البنتوست ، وقاعدة النيتروجين. إن البنتوز الذي يشارك في تركيبة الحمض النووي الصبغي هو دائمًا الديوكسيريبوز و الذي يوجد في الحمض النووي الريبوزي هو الريبوز. إن مجموعة الفوسفات هي نفسها دائماً تتكون من نوكليوتيد إلى آخر ولكن في الحمض النووي الصبغي يمكن أن تكون القاعدة إما أدينين (A) أو الثايمين (T) أو الجوانين (G) أو السيتوزين (C).أما في الحمض النوويالريبوزي ، يستبدل اليوراسيل (U) بالثايمين. الحمض النووي الصبغي والحمض النووي الريبوزي هي جزيئات ضخمة تتكون من تسلسل من النيوكليوتيدات.