التمثيل الغذائي للمواد الحاملة للطاقة

التمثيل الغذائي للمواد حاملة الطاقة

القطن في الغزل والنسيج بحالتها الطبيعية ،اما في صناعة الورق والاليفا الصناعية فيلزم تغيير الصورة الطبيعية لسليلوز وتحويلة إلى لب لتخليصة من بعض المواد المصاحبة له في الطبيعية كاللجنين والهميسليلوز ،وتعتد كل هذه الصناعات على قوة الألياف الطبيعية ومرونتها فالخشب الطبيعي تكون اليافة متمايكة بفعل المواد اللاصقة التي توجد بينها مثل اللجنين والهيمسليلوز فهي تعطية القوة والصلابة المطلوبة في الصناعية ،وترجع متانة النسيج إلى قوة شد الألياف وعمليات البرم والغزل ،اما الورق فيعتمد في قوته على أن اليافة تكون مندمجة ومكبوسة على

بعضها بعد عملية التصنيع.

يمتاز السليلوز بعدم ذوبان اليافة في المذيبات العادية إلا أن كثي ار من الصناعات القائمة على السليلوز تتطلب تحويلة إلى صورة ذائبة ثم استرجاعة في صورة جديدة كما هو الحال في الرايون والسلوفان ،ومن الصناعات التي تقوم على السليلوز الذائب كما هو أو بعد تحويلة إلى صورة تتغير فيها كثير من خواصة الطبيعية صناعة الخلات ونترات السليلوز كما في البلاستيك والأقلام وغيرها.

وتتوقف العمليات الكيميائية المختلفة المطلوبة في تصنيع هذه المشتقات إلى حد كبير على خواص السليلوز الطبيعية حيث تعتبر كل ليفة وحدة مستقلة بذاتها وما خواص السليلوز الطبيعية الا متوسط هذه الخواص ،وتتوقف الخواص الميكانيكية للسليلوز ومشتقاته على درجة التجمع ،Degree of polymerizationأما اللون ودرجة الثبات والفعلية الكيميائية للمشتقات وصفاء لون المحاليل وقابليتها لتكون الياف جديدة في المحلول فكلها تتوقف على المواد غير السليلوزية الموجودة في مصدر السليلوز الطبيعي والمدى الذي تصل إليه عملية التخلص من هذه المواد.

-٦٠-

المواد الحاملة للطاقة )الوحدات البنائية(

جدول رقم ) (١الصناعات المختلفة القائمة على السليلوز من كل من مصدرية الكبيرين،

الخشب والقطن

القطن

الخشب

وقود

زغب ونفايات )تنجيد(

تجارة وصناعات خشبية

الياف نسيج غزل ومنسوجات

تحضير اللب وصناعة الورق

تنقية وتبييض الزغب

تنقية وتبييض اللب

سليلوز مجهز كيمائي

سليلوز قوي

Etheificatio

ايثرات

نيترة

Nitration

نترو سليلوز

استلة

Acetylation

استرات

سليلوز قوي

Xuthation

ايثرات ذائبة في الماء

بويات

الياف خلات

محلول فيسكوز

بويات -أقلام

مفرقعات

افلام

سلوفان

بلاستيك

بلاستيك

بلاستيك

فيسكور

وجود السليلوز في الطبيعية:

يعتبر السليلوز أكثر المواد العضوية انتشا ار في الطبيعة فهو يكون ما يقرب من ثلث المادة النباتية ،وهو المكون الأساسي لجدار الخلايا في النباتات الراقية ومن هنا اشتق اسمه ،وكان وجوده في النباتات الدنيئة من المملكة النباتية مشكوك فيه إلا أنه توجد بعض الشواهد على وجودة في بعض أجناس مختلفة.

فمثلا تخلو معظم أنواع البكتريا من السليلوز ولكن الفحص الميكروسكوبي

لبكتريا Acetobacter xylimumاثبتت وجود السليلوز فيها ،وبالمثل لا يوجد

جدا في الطجالب Algaeوالفطر Fungi

السليلوز أو قد يوجد بكميات ضئيلة

والاشينات Iichensولو أن تركيب الطحالب البحرية marine algaeيشبه تركيب السليلوز لدرجة تشجع استعمالة كمصدر لصناعة الورق ،وثبت وجود السليلوز في أيضا ويستدل على وجود السليلوز في هذه الأحياء بإجراء عمليات الفحص

الخميرة

بأشعة X-raysأو بعدم ذوبانها في القلويات ،أو باجراء عمليات acetolysis

-٦١-

التمثيل الغذائي للمواد حاملة الطاقة

وتكوين سلوبيوز ثماني الخلات أو بإجراء التحليل المائي إلى جلوكوز أو تفاعلات

الصياغة المميزة .Staining reactions

ومن المؤكد وجود السليلوز في الج اززيات mossesوالسرخسيات fernsاما في النباتات الراقية spematocytsفيوجد السليلوز في جميع انسجتها سواء في الجذر أو الساق أو الورقة أو الزهرة أو الثمرة ،وقد دلت الاختبارات المختلفة على وجود السليلوز في البراعم budsواللحاء والخشب والقشرة والشعر والبشرة epidermisوجدر الخلايا والكأس catyxesوحبوب اللقاح pollenوالاسدية anthersوشوشوة الذرة corn silkوعروق الورقة وعنق الورقة petiolوغمد الريشة coleoptilesوغلاف الثمرة husksوالحبوب ....seedsإلخ.

مكان وجود السليلوز في الخلية النباتية:

يتكون النسيج النباتي اينما كان موقعة من النبات من خلايا تختلف في شكلها تبعا لموقعها وتحاط كل خلية في النسيج المميز بجدار يختلف في سمكة

ووظيفتها

حيث يتراوح ما بين جزء من الميكرون إلى بضعة ميكرونات )الميكرون = واحد على مليون من الملليمتر( ،وتفضل بين الخلايا وبعضها طبقة تسمى الصفيحة الوسطي middle lamellaوهي طبقة تتكون من اللجنين والهميسليلوز ولا يوجد بها سليلوز على الاطلاق ،ووظيفتها العمل على تماسك الألياف في النسيج الخشبي خاصة كما

تعمل طبقة مونة الاسمنت في البناء.

أما جدار الخلية فيتكون مورفولوجيا من طبقتين الاولي تكون ملاصقة للصفيحة الوسطي وتسمي بالجدار الأولى أو الابتدائي primary cell wallوالثانية تتكون من داخل الجدار الاولي وتسميى بالجدار الثانوي secondary ceel wallوالرسم التوضيحى الآتي يبين هذه المناطق في جدار الخلية حسب ما توصل اليه Emertonفي .١٩٥٧ويتكون الجدار الابتدائي أو الأولي من شرائط سليلوزية

-٦٢-

المواد الحاملة للطاقة )الوحدات البنائية(

Cellulose fibrilsذات تركيب شبكي دقيق ولكنه مندمج ومختلط مع كميات كبيرة من مواد عضوية غير سليلوزية مثل اللجنين والهميسليلوز والبكتين ،وسمك هذا الجدار غير ثابت قابل للازدياد بنمو الخلية ،ويحتوي على كثير من الثقوب والفجاوت يجرى خلالها خيوط بروتوبلازمية protoplasmicويتميز الجدار الثانوي بأنه سميك ويترسب اثناء نمو الخلية من داخل الجدار الأولي ويحتوي على كمية زائدة من اللجنين بجانب السليلوز والمواد غير السليلوزية ،ويتكون هذا الجدار من ثلاثة طبقات الخارجية والوسطة والداخلية .الطبقة الخارجية outer secondary wallوهي طبقة رقيقة قليلة السمك وتتكون من حزم طويلة من الشرائط السليلوزية المترتبة في صورة حلزونية متقاطعة في اتجاهات متعاكسة حول محور الليفة، والطبقة الوسطي من الجدار الثانوي inner mediate secondary wallطبقة عريضة تشبه في تركيبها الطبقة التي تسبقها ،أما الطبقة الداخلية من الجدار الثانوي inner secondary wallفهي ضيقة وهناك اعتقاد بأن الشرائط السليلوزية تكون

فيها ذات تركيب عمودي على محور الليفة.

شكل رقم )(١

-٦٣-

التمثيل الغذائي للمواد حاملة الطاقة

ليس هنالك نظرية محددة لتكون السليلوز في النبات غير أن نظرية Lundike, ) (1931تقول بأن السليلوز يتكون على جدار الخلية حيث يحدث التغيير الأولي جلوكوز في السيتوبلازم مويترسب على صورة اميلويد amyloidعلى جدار الخلية ثم يتحول إلى ما يسمي intertcelloseوبالتالي إلى سليلوز.

ثم جاءت نظرية ) Farr, (1940بتكوين السليلوز في البلاستيدات التي توجد في سيتوبلازم الخلية الحية ،وعند درجة خاصة من النمو تنفجر هذه البلاستيدات وينتشر السليلوز في السيتوبلازم على صورة أجسام بيضاوية

ellipsoidal

particlesحجمها ١,١ × ١,٥ميكرون ثم تتجمع هذه الأجسام لتكون شرائط سليلوزية Fibrilsوالتي بدورها تدخل في بناء الطبقات الثانوية secondary

layersلجدار الخلية .cell wall

وباستخدام الميكروسكوب الإلكتروني درس ) Muhlethala, (1950كيفية تكوين

غلافا لرجا لا تركيبي

السليلوز في الخلية البكتيرية acetobacter xylinumفوجد أن

ليس له شكل محدد stucturlessيتكون حول الخلية البكتيرية ثم تظهر فيه الشروط غالبا نتيجة التجمع العديد لاحد مكونات الغلاف.

السليلوز fibrils

وفي الباديات نجد تكوين الشرائط السليلوزية يتم اولاص في الجدار الابتدائي ثم تتكون بعد ذلك شرائط الجدار الثانوي ،أما عملية التكوين الكيميائي للسليلوز synthesisفي الخليفة النباتية فتتخلص في خطوتين:

الأولى :تخليق المواد الكربوهيدراتية في النبات عن طريق البناء الضوئي photo synthesisوتكوين سكرات الهسكوز الأحادية.

والثانية :التكوين الكيميائي للسليلوز وشواهد هذا التكوين فيما يلي:

الخطوة الأولى :عملية البناء الضوئي:

تتوقف الحياة على سطح الأرض على عملية البناء الضوئي التي تتم في

-٦٤-

المواد الحاملة للطاقة )الوحدات البنائية(

النباتات الخضراء وتحتاج إلى ثاني أكسيد الكربون والماء وأشعة الشمس ،وذلك بتحويل ثاني أكسيد الكربون الممتص من الجو في نهاية المطاف إلى مواد كربوهيدراتية ومنها يقوم النبات بتخليق جميع ما تحتويه الخلية النباتية من مركبات عضوية مثل الليبيدات والبروتينات وغيرها والتي يتغذى عليها الإنسان والحيوان

وهكذا تمضي الحياة.

وتتم عملية البناء الضوئي في البلاستيدات الخضراء الموجودة في الخلية النباتية حيث يقوم الكلورفيل )اليخضور( بتحويل أشعة الشمس وهي طاقة ح اررية إلى طاقة كيميائية عن طريق اتحاده مع وحدة الضوء الكمية )الفوتون (Photonوالتي يتسبب عنها خصم جزئ الماء وتكوين الأيدروجين النشط الذي يدخل في اختزال ثاني أكسيد الكربون ) (CO2وينفرد جزئ الأكسجين وهو من اهم مخلفات عملية البناء الضوئي كما يتكون في هذه العلمية مركبات الطاقة الفوسفورية وهي NADP ،ATPوهي من مركبات الطاقة المهمة في اختزال وتثبيت ثاني أكسيد الكربون وتحويلة في النهاية إلى جزئ سكر جلوكوز كما تعبر عنه المعادلة الإجمالية الآتية:

ضوء

الشمس

H2O + NADP + Pi + ADP

O2 + NADPH + H+ + ATP

CO2 + NADPH + H+ +ATP

glucose +NADP + ADP + Pi

6CO2 + 6 H2O

C6H12O6 + 6O2

تحتاج هذه العلمية في الاتجاه الأيمن أي تكوين الجلوكوز إلى ٦٨٦‚٠٠٠كيلو كالوري AGوهي نفس كمية الطاقة التي تنفرد عند الاتجاه إلى اليسار أي عند

احتراق جزئ الجلوكوز.

] = ADP – ATPادينوزين ثلاثى وثنائي الفوسفات NADP. NADPH.

= نيكوتين اميد ادنين ثنائي نكليوتيد فوسفات وصورته المختزلة [.

وقد اثبت أبحاث كالفن وأخرين ) (Calvin 1960أن تثبيت ثاني أكسيد

-٦٥-

التمثيل الغذائي للمواد حاملة الطاقة

الكربون يحتاج بجانب ما سبق إلى وجود المركب ريبولوز ١و ٥ثنائي فوسفات )يوجد في الخلية( حيث يمر في خطوات وسطية يتحول بعدها إلى مشتقات فوسفورية لحامض الجلسريك وهذه يعاد بناؤها بواسطة التفاعلات الأنزيمية تكون الفركتوز ٦ فوسفات )أول سكر ينتج عن عملية البناء الضوئي( ومنه تتكون بقية السكريات الأحادية وبالتالي السكريات الثنائية ثم العديد خلال تفاعلات أنزيمية متعددة )يرجع في ذلك في كتب الكيمياء الحيوية( ،وفيما يلى خوات تثبيت ثاني أكسيد الكربون.

يدخل الفركتوز في دورة تكوين سكرات النتروز وبالتالي سكرات البنتوزان ،كما يدخل الجلوكوز في تكوين سكرات الجلاكتوز والمانوز وسكراتها الثنائية كالاميلوز والسيبيوز وسكراتها العديدة كالمانان والجلكتان والجلوكان والنشا والسليلوز وغيرها.

-٦٦-

المواد الحاملة للطاقة )الوحدات البنائية(

الخطوة الثانية :التكوين الكيميائي للسليلوز وشواهد هذا التكوين:

بعد تكوين الجلوكوز -٦-فوسفات يتكون منه جلوكوز -١-فوسفات حيث يحدث له تنشيط باتحاده مع مركب الطاقة يوريدين ثلاثي الفوسفات ) (UTPلتكوين مركب وسطي غني في الطاقة هو اليوريدين ثنائي الفوسفات مع سكر UDP- glucoseوفي هذه الخطوة يكون هذا المركب هو المسئول عن تكوين مركبات الطاقة مع السكرات الأخرى مثل،UDP-Mannose ،UDP-glucouronate:

xylose

،UDP

galactose

،UDP

،UDP-L-arabinose

UDP-

galactouronateوذلك عن طريق التأثير المباشر أو غير المباشر للانزيمت المختلفة ] UMP ،UDP ،UPTعبارة عن مركبات الطاقة المسماة يوريدين،

-٦٧-

التمثيل الغذائي للمواد حاملة الطاقة

أحادي ،ثنائي ،ثلاثى -فوسفات[.

وفي الخطوة الأخيرة تتكون الرابطة الجليكوسيدة سواء من سكر الطاقة UDP-

معا بواسطة

glucoseأو من خلال جلوكوز -١-فوسفات أو من اتحاد الاثنين التفاعلات الأنزيمية الناقلة للرابطة الجليكوزيدية glucosytrans feraseيتكون سكرات ثنائية وثلاثية واليجو وعديدة كما في النشا والسليلوز والهيمسليلوز وغيرها.

وفي النهاية يتكون السليلوز على صورة جزيئات كبيرة غير متفرعة مكونة من وحدات م-جلوكوز مرتبطة مع بعضها برابطة بيتا١-و-٤جليكوزيدية في سلاسل طويلة كما

في الرمز التالي:

ومن أبرز خواصه ارتباط هذه السلاسل فيما بين بعضها لتكوين الشرائط السليلوزية fibriller micellsثم الألياف السليلوزية غير الذائبة في الماء ،وقد دلت وسائل الفحص بأشعة اكس على أن هذه الألياف ذات تركيب بلوري في معظمها.

ومن شواهد هذه التكوين انه باستعمال م.جلوكوز يحتوي على كربون مشع وجد أنه يدخل في تكوين السليلوز سواء في النباتات الراقية أو الاسيتوباكتر زيلينم وهذا الاستعمال لا بد انه قد حدث دون المرور على أي خطوات وسطية سوى مشتقات

-٦٨-

المواد الحاملة للطاقة )الوحدات البنائية(

الجلوكوز المشع وجدت في السليلوز الناتج في نفس مواقعها التي كانت عليها في الجلوكوز المستعمل وقد تمكن جلاسر Glaser 1959من استخلاص إنزيم من نوع ترانسيفيز من بكتريا استيوباكتر زيلينم في استطاعته تخليق السليلوز من UDP-

glucoseفي وجود دكسترينات ذائبة كمواد بادئة.

مكونات السليلوز :Cellulose fractions

السليلوز من وجهة النظر الكيميائية عبارة عن سكر عديد polysaccharide لسلسلته طول معين يختلف باختلاف مصدره ،عديم الذوبان في الماء أو الأحماض أو القلويات المخففة على درجات الح اررة العادية ويتكون الجزيء كما سبق القول من وحدات الجلوكوز مرتبطة مع بعضها خلال ذرات الكربون ) (٤ ،١بواسطة رابطة جليكوزيدية من النوع بيتا β-glucosydic linkageويجب الأخذ في الاعتبار أن التعريف السابق لا يدل على أن السليلوز يتكون من جزيئات محددة متساوية الوزن، ولكن الحقيقة أن كل جزئ يختلف عن الآخر في عدد وحدات الجلوكوز المكونة له في أوسع حدود الاختلاف لأنه العينة الواحدة من السليلوز تحتوي على عديد من الجزيئات المختلفة في طولها وعلى ذلك فدرجة التجمع أو البلمرة

D.P) Degree of

(polymerizationالتي تدل على هذا التركيبي إنما تدل على متوسط عدد وحدات الجلوكوز في الجزء ويحتوي السليلوز الطبيعي )بعد الحصول عليه بطرق التحضير المختلفة وطرق التنقية( على ثلاثة مكونات fractionsهل الفا وبيتا وجاما سليلوز

كما يلي:

الفا سليلوز alpha celluloseهو ذلك الجزء من السليلوز الذى لا يذوب في محلول مركز من الصودا الكاوية على البارد وتركيزه .%١٧,٥السيليلوز هو ذلك الجزء الذي يطلق علية سليلوز حقيقي true celluloseوهو الناتج من تجمع أو

تبلمر جزيئات الجلوكوز.

-٦٩-