الهيدروجين في الحياة

hydrogen element

يعتبر عنصر الهيدروجين الأوفر عددا في في تكوين الأجسام الحيوية، لكونه يدخل في تركيب جميع المواد العضوية، كذلك فهو يعتبر ذا مرونة في التفاعلات الحيوية، إضافة إلى قدرته الفريدة في تخليق الروابط الهيدروجينية التي تخلق الأواصر الوراثية بين الكائنات، وذلك لما له من الخواص الكيميائية التي تعطيه الأهمية الحيوية التي يمتلكها.

---

الخواص الكيميائية للهيدروجين

الهيدروجين هو العنصر الأول في الجدول الدوري. حيث تقتصر سحابته الإلكترونية على إلكترون واحد، وهذا تبعا للنواة التي تنطوي على بروتون منفرد. ينتمي الهيدروجين إلى عناصر اللافلزات والتي تميل للاكتساب في العادة، لكن الهيدروجن ينتجه سلوك الفقد في روابطه التساهمية، حيث أن سالبيته الكهربية منخفضة وقدرة نواته على جذب الإلكترونات ضعيفة، كما أن فقد الإلكترون أثناء تشكيل الرابطة التساهمية يجعله مستقرا. أما في تفاعله مع الفلزات فهو يحل في القطب السالب، مكتسبا إلكترونا لتكوين الهيدريدات.

اقرأ أيضا: أهمية الكيمياء العضوية في الصناعة وما هي أهم مجالاتها

---

تواجد عنصر الهيدروجين

يعتبر الهيدروجين من أوفر العناصر في الكون. فهو يستخدم في النجوم كوقود تستمد منه نورها وضوأها، حيث أن الهيدروجين والد للجميع العناصر من خلال عمليات الإندماج التي تحدث في النجوم. أما في كوكب الأرض فالهيدروجين يأتي في المرتبة الثالثة من حيث الوفرة، متخذا عدة الصور:

الماء

حيث ترتبط كل ذرتين منه مع الأكسجين.

القشرة الأرضية

حيث يتواجد مرتبطا بالمعادن.

 الغلاف الجوي

يتواجد غاز H2 بصورة نادرة في الجو، حيث أنه أخف وزنا من جميع غازات الهواء الجوي، لذا فإنه يطفو عليه ويفلت من الجاذبية الأرضية ليستقر في طبقات الفضاء العليا.

اقرأ أيضا: قائمة بأهم أنواع الكيمياء وأهم استخدامات علم الكيمياء

---

الأهمية الحيوية لعنصر الهيدروجين

يتربع عنصر الهيدروجين على عرش الأهمية في العناصر الداخلة في تركيب المواد العضوية، ويمكن حصر تلك الأهمية بالنقاط التالية:

بناء الأنسجة والدخول في التفاعلات الحيوية

يدخل الهيدوجين في تركيب كافة المواد العضوية، حيث يرافق البنية الهيكلية الكربونية لجميع المواد العضوية. فهو يستخدم لإشباع الروابط دون أن يشغل مساحة أكبر أثناء الارتباط ودون زيادة كثافة المركبات بشكل كبير. وذلك راجع إلى الخواص الكيميائية التي تميزه، حيث أن ذرته تعتبر الأصغر من بين العناصر، كذلك فإن انفكاكها عن المركبات مرن مقارنة بالأخريات، مما يسهل من جريان التفاعلات في مساراتها، حيث أن انفصال الهيدروجين عن السلسلة الكربونية يمكنها من اتخاذ البنية الحلقية الشائعة في التركيب الحيوي للمواد العضوية. ومن أهم تلك المركبات العضوية التي تحتوي على الهيدروجين:

السكريات

حيث يمثل الهيدروجين ضعف نسبة الكربون في النموذج المثالي لها، حيث ترتبط كل ذرة كربون بذرة هيدروجين من أحد طرفيها، بينما ترتبط بمجموعة هيدروكسيد بالطرف الآخر، حيث أن الهيدروكسيد يحتوي  على ذرة واحدة من هيدروجين.

الدهون

وتتفاوت نسبة الكربون إلى الهيدروجين بحسب نوع موقع ذرة الكربون، حيث أن موقعها الطرفي يمكنها من الارتباط بثلاث ذرات منه. أما الموقع الداخلي للكربون فلا يتيح لها سوى الارتباط بذرتين منه كحد أقصى. وهذا في حال كون الرابطة بين ذرتي الكربون مشبعة، أما في حال عدم تشبعها فإن سعة استيعاب الكربون للهيدروجين يتضاءل إلى ذرة واحدة أو حتى تتعذر إمكانية ارتباط الكربون به. هذا التدرج في علاقة الكربون معه يظهر في قوام الدهون. فكلما زادت نسبة الهيدروجين إلى الكربون كلما أدى هذا إلى تصلب الدهون، كذلك يؤثر في جعلها اكثر استقرارا. فالدهون المشبعة هي التي تسود في جسم الإنسان.

البروتينات

هنا يرتبط الهيدروجن مع سلسلة ذرات الكربون، كذلك مع ذرات النيتروجين في مجموعة الأمين، حيث في العادة ترتبط ذرتين منه مع كل ذرة نيتروجين.

مركبات عضوية أخرى

أيضا يتوافر الهيدروجين في كل المجموعات العضوية المختلفة التي تشمل الفيتامينات والإنزيمات والأحماض النووية. إما كمرافق للكربون في السلاسل الهيدروكربونية، أو مدمج مع النيتروجين في مجموعة الأمين، أو مرتبط مع الأكسجين في مجموعة الهيدروكسيل، أيضا فإنه يرتبط  مع مجموعة الفوسفات في القواعد النيتروجنية.

المساهمة في عملية البناء الضوئي

عنصر الهيدروجين ضروري في عملية البناء الضوئي، حيث يدخل في هذه العملية من خلال وجوده في الماء. وتتمثل أهميته بالانتقال من الماء إلى الجلوكوز من خلال تفكك الماء إلى جزيئات هيدروكسيد والبروتونات الموجبة التي ترتبط مع الكربون الناتج عن تفكك ثاني أكسيد الكربون إلى كربون وغاز الأكسجين الحر.

تشكيل الروابط الهيدروجنية

تنفرد ذرة الهيدروجين بقدرته على إظهار انجذاب من نوع خاص، خارج عن الروابط التساهمية، ومن أشهر المركبات التي تحتوي عليها:

الروابط الهيدروجنية بين جزيئات الماء

يشكل عدد ذرات الهيدروجين ضعف عدد الأكسجين، إلا أن مساهمة الهيدروجين في وزن وكثافة الماء أقل بكثير من الأكسجين. فالأكسجين يمتلك ثمان بروتنات مقابل بروتن واحد للهيدروجين، تعمل مدارات الأكسجين الهجينة على ضبط الزاوية بين ذرة الأكسجين وذرتي الهيدروجين على 104.5، مما يجعل للماء شكلا رباعي السطوح، ثم يأتي دور الهيدروجين ليعمل على امتداد هذا الشكل بين خمس جزيئات للماء من خلال الروابط الهيدروجينية والتي ينفرد بها عن سائر العناصر الأخرى.

تتكون هذه الروابط نتيجة انخفاض السالبية الهيدروجين، وضعف النواة عن الاحتفاظ بإلكترونها مما يسمح لنواة الأكسجين الثقيلة بجذب الإلكترون إلى ناحيتها. مما يتيح لذرة الأكسجين حمل شحنة سالبة قوية تكتسبها جراء سحبها لألكتروني ذرتي H. بينما يتحول H إلى بروتون موجب، إن قوة الشحنة السالبة التي اكتسبتها نواة الأكسجين تسمح لها بتجاوز المسافة الفاصلة بين جزيئات الماء لتشكيل روابط إضافية بين بروتنات H المجاورة، بحيث أن  كل ذرة أكسجين تشكل رابطتين هيدروجنيتين مع ذرتي H من جزيئين مختلفين من الماء.

تعمل الروابط الهيدروجنية على منح الصفات الحيوية للماء، من حيث قدرته القطبية التي تجعله  قادرا على إذابة المعادن والمركبات القطبية، كذلك فإن هذه الروابط الهيدروجنية تقلل من درجة تبخر الماء لجعله أشد ترابطا وأكثر تقاربا.

الروابط الهيدروجنية في الحمض النووي

 

أهميتها

للرابطة الهيدروجنية بين شريطي الحمض النووي أهمية كبرى في عالم الكائنات الحية. فهي التي تمكن الصفات الوراثية من الانتقال من الآباء إلى الأبناء، وذلك من خلال آلية النسخ والتضاعف القائمة على هذه الرابطة.

الروابط الهيدروجينية بين السايتوسين والجوانين

توجد الروابط الهيدروجينية أيضا بين زوج شريطي الحمض النووي، حيث تتشكل ثلاث روابط هيدروجينية بين  الجوانين والسياتوسين الذي يقابله على الشريط الآخر، حيث أن الجوانين يحمل الأكسجين المرتبط برابطتين تساهميتين مع الكربون، وبما أن السالبية الكهربية للأكسجين مرتفعة، وسالبية الكربون منخفضة، فإن الأكسجين يسحب الإلكترونين إلى ناحيته مما يجعله يكتسب شحنة سالبة تمكنه من جذب H المرتبط في مجموعة الأمين مع النيتروجين.

وبهذه الرابطة تكون قاعدة الجوانين مستقبلة وقاعدة السايتوسين مانحة للهيدروجين. في الرابطة التالية يتم تبادل الأدوار، بحيث تكون قاعدة الجوانين مانحة للهيدروجين وقاعدة السايتوسين مستقبلة له، وذلك من خلال ذرة النيتروجين المتضمنة داخل حلقة القاعدة النيتروجنية والتي تنشغل إحدى روابطها الثلاثة مع الهيدروجين، من خلال هذا H الحامل للشحنة الموجبة نتيجة فرق السالبية الكهربية المرتفع بينه وبين النيتروجين يمكن تشكيل الرابطة الهيدروجينية مع النيتروجين الداخل في حلقة السايتوسين، حيث أن هذا النيتروجين لا يرتبط برابطة تساهمية مع الهيدروجين، لأن روابطه الثلاثة منشغلة بذرتي الكربون، بحيث أن إحدى رابطتيها مزدوجة، أما الرابطة الهيدروجينية الثالثة بين السايتوسين والجوانين فهي مشابهة تماما للرابطة الأولى غير أنها منعكسة، حيث أن السايتوسين يكون مستقبلا بدلا من أن يكون مانحا.

الروابط الهيدروجينية بين الأدينين والثايمين

أما الأواصر الواصلة بين الأدينين والثايمين فإنها تقتصر على رابطتين يكون الأدنين في إحداهما مانحا وفي الأخرى مستقبلا. وبطبيعة الحال فهذا ينطبق على الثايمين، والسبب في أن الرابطة الهيدروجينية تتمثل بإثنتين. بينما التي تصل بين الجوانين والسايتوسين فهي ثلاثة. أن الأدنين يفتقر في تركيبته إلى الأكسجين كمجموعة وظيفية تلحق بحلقة القاعدة النيتروجنية. فيما عدا ذلك فإن آلية تكوين الروابط الهيدروجينية بينهما يماثل ما بين الجوانين والسايتوسين.

---

لعنصر الهيدروجين حضور بارز في بنية الكائنات الحية، فهو ذو أهمية حيوية كبرى، وهذا راجع إلى الخواص الكيميائية التي تميزه.