النبت العام النظري المحاضرة ااولى
المحاضرة الاولى
أهمية علم النبات
تحافظ النباتات على البيئة الحية. فبدون النباتات، سيزداد تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي إلى درجة تجعل الإنسان والحيوانات الأخرى تختنق. في نهاية القرن العشرين وبداية القرن الحالي بدأ كثير من علماء النبات في استخدام تقنيات وراثية جديدة اشتملت على دراسات حول الحمض النووي الرايبي منقوص الأكسجين المعروف باسم DNA. وقد مكنت هذه التقنيات العلماء من تعرف أنواع النباتات، وتحديد أنواع العلاقات بين هذه النباتات بصورة أكثر دقة. وصرح مجموعة من علماء النبات في الغرب بأن نظام لينيوس لتصنيف النبات غير عملي وعفا عليه الدهر. ونادت هذه الفئة بأن يعمل علماء النبات على مراجعة تسمية النباتات وتصنيفها، بل ونادت باستبدال نظام التطور النوعي للنبات بنظام تصنيف لينيوس. ويعتمد نظام التطور النوعي على علاقات التطور بين الكائنات الحية أينما وجدت.
المركبات الكيميائية للنبات The chemical compound of plants
المكونات العضوية Organic Components
أن المكونات العضوية هي عبارة عن سلاسل طويلة مكونة من تكرار وحدات معينة متصلة مع بعضها بواسطة روابط كيميائية وتسمى هذه الوحدات البنائية مونومير (أحادي الوحدة) Monomer بينما تدعى الجزيئة الكبيرة المكونة من تكرار المونوميرات بالبوليمير (متعدد الوحدات Polymer) أن اختلاف عدد المونوميرات المكونة لجزيئة كبيرة معينة يؤدي إلى تكوين جزيئات ذات صفات مختلفة منها ومن المكونات العضوية للخلية الكربوهيدرات والبروتينات والليبيدات Lipidsوالأحماض النووية.
1-الكربوهيدراتCarbohydrates
التركيب والوظيفة Structure and Function
أن جميع المواد العضوية على الكرة الأرضية مشتقة من عملية تثبيت ثنائي أوكسيد الكاربون الموجود في محيط الغلاف الجوي Atmosphere وتحويله إلى كربوهيدرات(n (CH2O) والحرف n يمثل أي عدد )وذلك من خلال عملية البناء الضوئي Photosynthesis كالنشأ والسليلوز والسكروز وتشترك هذه المواد الأولية في توليد الطاقة أثناء عملية التنفس والطاقة المتولدة ذات فائدة عظيمة وتؤلف الكربوهيدرات الجزء الرئيس من جدار الخلية (السيليلوز ) وتعد احد أنواع الغذاء الثلاثة حيث يتكون الغذاء الكربوهيدراتي من السكريات وتوجد الأخيرة على هيئة سكريات أحادية وثنائية وثلاثية .
أهمية الكربوهيدرات Significans of Carbohydrates
تتركز أهميةالكربوهيدرات في:
1- تعتبر مصدراأساسيا كبيراً للطاقة.
2- تخزن الطاقة الكيمائية المشتقة من الكربوهيدرات على شكل مركبات غنية بالطاقة مثل GTP,ATP والكلوكوز-1- فوسفات.
3-تدخل في عملية تكوين بعض محتويات الخلية مثل البروتينات والدهون والأحماض النووية والكاربوهيدرات الأخرى.
4- تدخل في بناء جدار الخلية.
تصنف الكربوهيدرات تبعاً لقابليتها على التحلل المائي ونتائجه الى:
أ- السكريات الاحادية Monosaccharide's
هي ابسط انواع السكريات وتدعى احياناً السكريات البسيطة وهي السكريات التي لا يمكن ان تتحلل الى اشكال مبسطة اخرى بواسطة حامض او قاعدة وتعد وحدات البناء التي تتألف منها الكاربوهيدرات الأخرى .تحتوي السكريات الأحادية على ذرتان هيدروجين وذرة اوكسجين لكل ذرة كاربون في الجزيء الواحد CnH2n Oوعلى الرغم من وجود سكريات أحادية ذات اعداد مختلفة من ذرات الكاربون ( في الغالب من 3- 9) فان السكريات سداسية الكاربون Hexoses تعتبر اكثر السكريات الأحادية توفرا في الحيوانات والنباتات .
ومن بين السكريات السداسية سكر العنبglucoseوسكر الفواكهFructose لهما أهمية خاصة. للكلوكوز أهمية خاصة للنبات كونه الأساس الذي يتكون منه النشا والسيليلوز. (الصيغة الكيميائية لسكر الكلوكوز والفركتوز C6H12O6).
اما السكريات خماسية الكاربون Pentose's اقل توفرا C5H10O5 تدخل هذه السكريات في تكوين كربوهيدرات معقدة توجد في جدران الخلايا والأصباغ النباتية ويدخل Ribose الرايبوز في تركيب الحوامض النووية واخر يدعى Ribulose يعد مادة وسطية في البناء الضوئي.
وللسكريات الثلاثية C3H6O3 دور مهم في التنفس والبناء الضوئي على الرغم من قلتها وهو اول مادة تنتج من البناء الضوئي .
ويجب ان تكون جميع السكريات مفسفرة Phosphorylated كي تشترك في العمليات الحياتية حيث تحل مجاميع الفوسفات (-H2PO3) محل ذرة او ذرتين من هيدروجين جزيئة السكر. وللسهولة يرمز للمجموعة بالرمز P .
ب- السكريات الثنائية Disaccharides
وهي السكريات التي ينتج عن تحللها المائي جزيئتين من سكر أحادي من نوع واحد أو من نوعين مختلفين ومن
السكريات الثنائية.يعني تتكون من ارتباط جزيئتين من السكريات البسيطة مع فقدان جزيئة ماء يتكون سكر القصب Sucrose من جزيئة كلوكوز وفركتوز . وسكر الشعير Maltose من جزيئتين من الكلوكوز الصيغة العامة للسكروز والمالتوز وغيرها من السكريات الثنائية هيC12 H22 O11 .
ج- السكريات المتعددة Polysaccharides
تتكون السكريات المتعددة من سلاسل طويلة جداً محتوية على وحدات بنائية من السكريات الاحادية المتكررة لنوع واحد أو لنوعين مختلفين ومثال على ذلك النشأ الذي يخزنه النبات في البذور والدرنات السليلوز الذي يكون معظم جدران الخلايا النباتية والاصماغ النباتية وهذه المواد تتحلل مائياً لينتج منها وحدات متماثلة او مختلفة من السكريات الاحادية ويرمز لها بالرمز 2(CH2O) . ويطلق عليها بالجزيئة العملاقة حيث تتكون من مئات او الاف الجزيئات من السكريات الأحادية . واكثر السكريات المعقدة في النبات تتكون من السكريات سداسية وخماسية الكاربون . حيث يتكون السيليلوز والنشا وهما الأكثر توفرا في النبات من جزيئات الكلوكوز . تكون سلاسل النشا ملتفةوالسليلوز مستقيمة بسبب اختلاف قوى الشد بينهما وهي اكبر في النشا. وهذا الاختلاف في التركيب الجزيئي أدى الى اختلاف خصائصهما الفيزيائية. ترتبط جزيئات السيليلوز مكونة الياف قوية اما في النشا لا تتمكن من أن ترتبط على هيئة الياف طويلة مستقيمة كالسيليلوز ( تكون ملتوية او متفرعة) ولذا تتجمع بشكل حبيبات في خلايا النبات .والسكريات المتعددة ليست حلوة المذاق او قابلة للذوبان في الماء. وتوجد سكريات تتكون من 3 جزيئات او اكثر من السكريات الأحادية لكنها قليلة الوجود في النبات.
2- البروتينات Proteins
تعد البروتينات اكثر المركبات العضوية توفرا في البروتوبلازم وهي مع الحوامض النووية تؤلف اكثر المواد مسؤولية عن صفاته ومميزاته الخاصة . وبصورة أخرى تعد البروتينات مركبات ذات جزيئات عملاقة كما تكون عليه جزيئات النشا ، السيليلوز ، وتتكونجزيئة البروتين من مئات أو الأف الحوامض الأمينية مرتبطة مع بعضها البعض حيث تتصل مجموعة الكاربوكسيل COOH لاحد الحوامض الأمينية بمجموعة الأمين NH2- للحامض الأميني الذي يليه ويعرف هذا بارتباط الببتايد Peptide Linkage . وعند فقدان أيون HO وأيون الـ H-عند ارتباط الحوامض الأمينية سوف تتكون جزيئة ماء . ولان 20 حامض أميني هي المسؤولة عن تركيب البروتينات فان هذا يعني إمكانية تكوين ملايين من البروتينات المختلفة .
يتدرج الوزن الجزيئي للبروتينات من عدة الأف إلى عدة ملايين.
المستويات البنائية للبروتين Structuralof Levels Proteins
يحدد الشكل لجزيئة البروتين بمستويات أساسية هي:
أ-التركيب الأوليPrimary Structure
وهو يمثل ترتيب تعاقب الاحماض الامينية ضمن سلسلة متعدد البيبتيد المكونة لجزيئة البروتين أي انها تراكيب معقدة فلو كان لدينا بروتين معين وعوضنا عن احد الحوامض في السلسلة بحامض اخر فسوف يؤدي الى تكوين بروتين اخر اويؤدي الى تغيير كبير في إمكانية تنشيط التفاعل اذا كان ذلك البروتين انزيم .
ب- التركيب الثانوي Secondary Structure
ويقصد به التواء السلسلة بشكل حلزوني يعرف بحلزون الفا Alpha helix وترتبط المتجاورة للحلزون بأواصر هيدروجين بين الحوامض الأمينية في احدى الالتواءات وتلك التي تحتها أو فوقها . وبالإضافة إلى ذلك فان مكونات السستينCystine Componentes للسلسلة يمكن ان تتأصر Bond مع السستينات فوقها او تحتها خلال ذراتها الكبريتية Sulfur atoms وعلى هذا تكون أواصر كبريتية ثنائية (-S-S) .
ج- التركيب الثالثي Tertiary Structure
لا يكون سلاسل طويلة لولبية الشكل ولكن توجد منحنيات في السلسلة وهذه المنحنيات او طيات معقدة Complex foldingsلحلزون الفا تؤدي الى تكوين مايشبه الخيط الملتوي على نفسه والمتداخل مع بعضه Badly tangled بحيث يصعب فك عقده. ولكل نوع من أنواع البروتين الثالثي ميزاته الخاصة تماما كما تتميز أنواع البروتينات الابتدائية والثانوية . فأواصر الهيدروجين والكبريت تربط الأجزاء المتجاورة للحلزونات الملتوية .
ويثبت التركيب الثالثي للبروتين بواسطة الروابط التالية:
جسور ثنائي الكبريت.
روابط الكتروستاتيكية.
روابط هيدروجينية.
روابط كارهة للماء وللنهايات غير القطبية.
ملاحظة : يمكن كسر الأواصر بفعل الحرارة ومختلف المواد الكيميائية مما يؤدي الى فقدان تركيبها الثلاثي .
د- التركيب الرابعي Quaternary Structure
هذا التركيب هو الذي يحدد مستوى التجمع او البلمرة في جزيئة البروتين فكثير من جزيئات البروتين تتكون من وحدات صغيرة متجمعة مع بعضها لتكون الجزء الكلي للبروتين ومثال على ذلك انزيم الفوسفوريلز Phosphorylase حيث يحتوي على اربعة وحدات ثانوية متماثلة صغيرة ولا يتكون النشاط الانزيمي الا بتجميعها مع بعضها البعض واذا انفصلت يصبح الانزيم غير نشط Inactive والروابط التي تعمل على تثبيت التركيب الثالثي للبروتين هي نفسها التي تدخل في تثبيت التركيب الرابعي للبروتين .
تصنيف البروتينات Division of peroteins
اولاً: تصنف البروتينات استناداً لتركيبها الكيميائي إلى صنفين رئيسين:
1-البروتينات البسيطة Simple Proteins
وهي تلك البروتينات التي ينتج عن تحليلها المائي احماض امينية فقط او مشتقاتها (سلسلة متعددة الببتيد فقط) مثل الالبومينات والكلوتامينات والهستونات.
2-البروتينات المقترَنة ((المرتبطة)) Conjugated Proteins
وهي البروتينات التي ينتج عن تحليلها احماض أمينية ومركبات عضوية وغير عضوية مثل الهيم Heme والكربوهيدرات واللبيدات وغيرها ويسمى الجزء الذي يتكون من الاحماض الامينية فقط Apoproteins اما البروتين بكامله فيسمى Holoproteins وتشمل البروتينات النووية والبروتينات الفلزية.
ثانياً: تصنف البروتينات استناداً لأبعادها الكلية الى صنفين رئيسيين وهما:-
1-البروتينات الحويصلية أو الكروية Vesicular orGlobular Proteins
وهي ذات نسبة محورية (النسبة المحورية تعني نسبة الطول الى العرض) اقل من 5: 1 سنتمتر وتكون سلاسل متعدد البيبتيد منطوية او ملتوية ولا تزيد النسبة المحورية عن 1:3 او 1:4 ومن امثلتها هي الالبومينات والانسولين وجميع الانزيمات تقريباً وتمتلك القدرة على الحركة وتذوب في المحاليل المائية.
2- البروتينات الليفية Fibrous Proteins
وهي بروتينات ذات نسبة محورية تزيد عن 5: 1 وتكون سلاسل متعدد الببتيد فيها ممتدة موازية لمحور واحد وهي بروتينات غير ذائبة وتشكل عناصر تركيبية او واقية للكائن الحي مثل الكيراتين والمايوسين ((البروتين العضلي)) او تكون مجموعة سلاسل ملتوية ومنحنية حلزونيا ومتماسكة بروابط مستعرضة تتمثل بجسور ثنائي الكبريت (S.S) وكذلك بروابط هيدروجينية.
ثالثاً: تصنف البروتينات اعتماداً على الفعالية الحيوية حيث يعد هذا التصنيف معبراً بوضوح عن الأهمية الكبيرة للبروتينات ومن اهم أصناف البروتينات استناداً إلى وظيفتها الحيوية: الأنزيمات والبروتينات الناقلة والهرمونات والاوكسينات والبروتينات الخازنة والمستضدات Antigens والكلوبيولينات المناعية Immuno globulins والسايتوكينات .
3-الأنزيماتEnzymes
وهي محفزات بروتينية تبنى داخل الخلية الحية وتعمل كعوامل مساعدة بايولوجية للتعجيل من معدل سرعة التفاعلات الحياتية وهي تعمل بتخصص عال على جزء ( المادة الاساس Substance ) معين أو على صنف من الجزيئات المعينة وتحوي الخلية الواحدة ما يقارب من ( 1000 ) من الأنزيمات المختلفة وهو السبب الذي يجعل الخلية تعمل بكفاءة عالية .
أن الانزيمات تتشابه مع المحفزات غير العضوية من حيث كونها لا تستنفذ ولا تتغير بعد تحفيزها للتفاعل وهي تخفض طاقة التنشيط للتفاعل . وتختلف عنها في كونها تعمل بدرجة عالية من التخصص على جزء معين أو مجموعة جزيئات معينة تنتمي لصنف واحد أي أنالأنزيم الذي يحلل السيليوز لا يمكنأن يحلل النشا على الرغم من المركبين يتشكلان من الكلوكوز.
تتألف الانزيمات من الاحماض الامينية نفسها الموجودة في البروتين تتكون بوساطة الخلايا الحية وتستطيع أن تعمل بصورة مستقلة خارج الخلايا الحية كتحطيم النشا إلى سكر الكلوكوز ولكن بمساعدة درجات الحرارة العالية.
وتتكون الأنزيمات من سلسلة واحدة أو عدة سلاسل من متعدد الببتيد Polypeptide وان بعض الأنزيمات تحتوي على مكونات أخرى يحتاجها الأنزيم لفعاليته تعرف بالعوامل المساعدة أو المرافقة Cofactor حيث تكون هذه العوامل المساعدة أما على شكل معادن مثل المغنيسيوم Mg والحديد Feأو قد تكون بشكل جزيئات عضوية معقدة تسمى مرافقات الأنزيمCoenzyme وقد تحتاج بعض الأنزيماتإلى وجود كلا النوعين المعدنية والجزيئات العضوية المعقدة للقيام بعملها . لذلك فعند ارتباط العوامل المرافقة بالأنزيم يطلق عليها بالمجموعة المترابطة.
أما ما يخص تسمية الأنزيمات فان اسم الأنزيم يتألف من قسمين يشمل القسم الأول اسم المادة الأساس التي يعمل عليها الأنزيمأو اسم الناتج وأما القسم الثاني فهو يصف نوع التفاعل المحفز فمثلا" Glucose phosphate isomerase و Pyruvate kinase .وتعمل على تنشيط تفاعلات معينة بصورة مستقلة عن الكائن الحي الذي انتجها مثل البابايين Papainيستخلص من فواكه البابايا Papaya وهو أنزيم هاضم للمواد البروتينية ويباع في محلات البقالة لتليين اللحوم وتطريتهاوغيرها .كما يمكن استخلاص الأنزيمات من الأنسجة.
4-الليبيداتLipids
تؤلف الليبيدات مجموعة من المواد التي توجد في الطبيعة وتتكون من احماض دهنية ذات الوزن الجزيئي العالي ومواد اخرى مثل الفوسفاتيدات والاستيرولات والكاروتينات وتعرف ايضاً بانها مجموعة المواد الحيوية التي لا تذوب في الماء ولكن تذوب في المذيبات العضوية وهي مواد غير متصلبة ومن اهم وظائفها انها مصدر للطاقة في الجسم وقد وجد انه عند احتراق الليبيدات تنتج كمية كبيرة من الحرارة لكل غرام اكثر من الكمية الناتجة من احتراق 1 غم من الكاربوهيدرات ومن وظائفها انها تعمل عازلة للحرارة في الجسم وتدخل في تركيب الاغشية. توجد المواد الليبيدية في جميع أجزاء النباتات بما في ذلك السيقان والأوراق والجذور والأزهار .
انواع الليبيدات Types ofLipids
تنقسم الليبيدات Lipids على أساس مكوناتها من الاسترات إلى ما يلي:
1- الليبيدات البسيطة Simple Lipids
وهي عبارة عن استرات الاحماض الدهنية مثل الكليسرين في حالة الدهون والزيوت أو الكحول احادي الهيدروكسيل في حالة الشموع والاختلاف بين الدهون الحقيقية والشموع ينحصر فقط في الكحول الداخل في تركيب الأستر وفي نوعية الاحماض الدهنية التي تكونها وتنقسم الليبيدات البسيطة إلى الزيوت والشموع والدهون.
2- الليبيدات المركبة Compound Lipids
وهي استرات أحماض دهنية مع الكحول ويدخل في تركيبها مركبات اخرى مثل حامض الفوسفوريك . وتقسم على اساس نوع الكحول الموجود والمشترك في تكوين الاستر مثل الفوسفولبيدات والاسفنجولبيدات وغيرها.
3- اللليبيدات المشتقة DerivedLipids
وهي الليبيدات التي تنتج من التحلل المائي لليبيدات البسيطة والمركبة فهي تشمل الاحماض الدهنية و الكوليسترول والاستيرولات والكحولات الاخرى والقواعد الازوتية كما يتبع هذا النوع من الليبيدات مركبات لا تحتوي على روابط استيرية بل تكون طبيعية وتوجد ذائبة في الدهون وتنقسم الليبيدات المشتقة الى الهيدروكربونات ((الكربونات المائية)) والاستيرولات والمواد الملونة والتربينات.
5-الحوامض العضوية Organic acids
أ-الحوامض الشحمية Fatty acids :وتتكون في النبات من مشتقات حامض الخليك مرتبطة مع بعضها ، وتختلف الحوامض الشحمية عن بعضها في عدد ذرات الكاربون في السلسلة من جهة( المتكونة طبيعيا تحتوي على عدد زوجي من ذرات الكاربون 2، 4،... 20 ذرة) وفي عدد ذرات الهيدروجين التي ترتبط بذرات الكاربون من جهة أخرى ، فاذا ارتبطت جميع ذرات الكاربون في حامض شحمي بما يكفيها من ذرات الهيدروجين يسمى الحامض مشبع مثل حامض الكابرويك Caproic acidCH3 CH2CH2CH2CH2 COOH . واذا ارتبطت ذرات الكاربون في السلسلة بذرة واحدة من الهيدروجين يسمى حامض غير مشبع.
وتعد الحوامض غير المشبعة اكثر تواجد في النبات مقارنة بالحيوان. وهي سوائل زيتية مهمة باعتبارها مكونات للشحوم والشمع والليبيدات.
ب- الحوامض النباتية Plant acids :وهي حوامض ذات جزيئات صغيرة نسبيا تحتوي السلسلة على ست ذرات كاربون أو اقل ولكل جزيئة من 1-3 مجموعات كاربوكسيل .منها حامض الستريك والماليك ، حامض الخليك قد يعد حامضا شحميا او نباتيا. توجد الحوامض النباتية بوفرة في الفواكه وأوراق النباتات العصارية والتي لها دور كبير في عملية التنفس وغيرها من العمليات الحيوية للنبات والحيوان. وبعض الحوامض النباتية قد تحتوي على مجموعة كاربونيل او كيتون بالإضافة الى مجموعة الكاربوكسيل عندها تعرف بحوامض الكيتو والتي يمكنها أن تتحول الى حوامض امينية إضافة الى دورها في عملية التنفس.
جـ- الحوامض الامينية Amino acids:وتعد وحدات البناء للمادة البروتينية .توجد أنواع متعددة منها ولكن 20 منه هذه الحوامض معروف كمكونات للمواد البروتينية والتي تحتوي على مجموعة الأمين NH2 التي تريبط بذرة الكاربون المجاورة لكاربون مجموعة الكاربوكسيل ولهذا فان التركيب العام للحوامض الامينية هو R.CH. COOH تمثل R الذرات الباقية من الجزيئة. والتي تختلف من حامض اميني الى حامض اميني اخر NH2 . وابسط الحوامض الامينية هو حامض الكلايسين وفيه R هو عبارة عن ذرة هيدروجين واحد CH2COOH. وبعضالحوامض الامينية تحوي على الكبريت والقليل منها وجدت في جزيئات البروتينات.
د-الاحماض النووية Nucleic acids
تعرف الاحماض النووية بانها عبارة عن جزيئات كبيرة تحمل المعلومات الوراثية وتكون مسؤولة عن نقل المعلومات الخاصة ببناء البروتينات وتكون الاحماض النووية على نوعين هما :
النوع الاول:
يحتوي هذا النوع على سكر الرايبوز Ribose لذا يطلق عليه الحامض النووي الرايبوزي (RNA) Ribonucleic acid .
النوع الثاني:
يحتوي هذا النوع على سكر الرايبوز منقوص الاوكسجين Deoxyribonucleic acid (DNA) ويتكون كلاهما بشكل بوليمرات خيطية مكونة من وحدات تعرف النيوكليوتيدات Nucleotides
مركبات اليوراسيل Uracil والسايتوسين Cytocine والثايمين Thyamine ويدخل السايتوسين واليوراسيل في تركيب الحامض النووي RNA بينما يدخل الثايمين Thyamine والسايتوسين في تركيب الحامض النووي DNA
ان جزئ RNA يتكون من سلسلة مفردة من متعدد النيوكلوتيد Polynucleotide وتكون على هيئة خيط مفرد وملتف حول نفسه وهناك عدة انواع من الحامض النووي الرايبوزي RNA ويدخل في تركيبها القواعد النتروجينية الادنين (A) والكوانين(G) والسايتوسين (C) واليوراسيل (U) .
6-البروتينات النووية Nucleo proteins :
وهي صنف اخر من البروتينات وتتألف من بروتينات مرتبطة مع حوامض نووية. وتؤلف الانزيمات والبروتينات النوية جزء أساسيا من بروتينات البروتوبلازم .
7-مركبات مهمة أخرى Other important compound: وتشمل الهرمونات والفيتامينات والمضادات الحيوية والكلوروفيل واشباه الكاروتين وحاملات الهيدروجين مثل DPN وحاملات الطاقة ATP واللكنين المتوفر في جدران خلايا الخشب. وتوجد مواد عضوية اخرى في بعض النباتات مثل الانثوسيانين واشباه القلويات والمواد الدباغية والتربنتين والراتنج والحليب النباتيالخ.