بیوشیمی - زیست شیمی

● دید کلی
اساس شیمیایی بسیاری از واکنشها در جانداران شناخته شده است. کشف ساختمان دو رشته‌ای دزاکسی ریبونوکلییک اسید (DNA)، جزییات سنتز پروتیین از ژن ها، مشخص شدن ساختمان سه بعدی و مکانیسم فعالیت بسیاری از مولکولهای پروتیینی، روشن شدن چرخه‌های مرکزی متابولیسم وابسته بهم و مکانیسم های تبدیل انرژی و گسترش فناوری Recombinant DNA (نوترکیبی DNA) از دستاوردهای برجسته زیست‌شیمی هستند. امروزه مشخص شده که الگو و اساس مولکولی باعث تنوع جانداران شده است.
تمامی ارگانیسم ها از باکتری ها مانند اشرشیاکلی تا انسان، از واحدهای ساختمانی یکسانی که به صورت ماکرومولکول ها تجمع می‌یابند، تشکیل یافته‌اند. انتقال اطلاعات ژنتیکی از DNA به ریبونوکلییک اسید (RNA) و پروتیین در تمامی جانداران به صورت یکسان صورت می‌گیرد. آدنوزین تری فسفات (ATP)، فرم عمومی انرژی در سیستم های زیستی، از راه های مشابهی در تمامی جانداران تولید می‌شود.
● تاثیر زیست‌شیمی در پزشکی
مکانیسم های مولکولی بسیاری از بیماریها، از قبیل بیماری کم خونی و اختلالات ارثی متابولیسم، مشخص شده است. اندازه گیری فعالیت آنزیمها در تشخیص کلینیکی ضروری می‌باشد. برای مثال، سطح بعضی از آنزیمها در سرم نشانگر این است که آیا بیمار اخیرا سکته قلبی کرده است یا نه؟بررسی DNAدر تشخیص ناهنجاریهای ژنتیکی، بیماریهای عفونی و سرطانها نقش مهمی ایفا می‌‌کند. سوشهای باکتریایی حاوی DNA نوترکیب که توسط مهندسی ژنتیک ایجاد شده است، امکان تولید پروتیینهایی مانند انسولین و هورمون رشد را فراهم کرده است. به علاوه، زیست‌شیمی اساس علایم داروهای جدید خواهد بود. در کشاورزی نیز از فناوری DNA نوترکیب برای تغییرات ژنتیکی روی ارگانیسمها استفاده می‌شود.
گسترش سریع علم و تکنولوژی زیست‌شیمی در سالهای اخیر، پژوهشگران را قادر ساخته که به بسیاری از سوالات و اشکالات اساسی در مورد زیست‌شناسی و علم پزشکی پاسخ بدهند. چگونه یک تخم حاصل از لقاح گامت های نر و ماده به سلول های ماهیچه‌ای، مغز و کبد تبدیل می‌شود؟ به چه صورت سلول ها با همدیگر به صورت یک اندام پیچیده درمی‌آیند؟ چگونه رشد سلولها کنترل می‌شود؟ علت سرطان چیست؟ سازوکار حافظه کدام است؟ اساس مولکولی روان‌گسیختگی (شیزوفرنی) چیست؟
● مدلهای مولکولی ساختمان سه بعدی
وقتی ارتباط سه بعدی بیومولکولها و نقش بیولوژیکی آنها را بررسی می‌کنیم، سه نوع مدل اتمی برای نشان دادن ساختمان سه بعدی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
مدل فضاپرکن (Space _ Filling) این نوع مدل، خیلی واقع بینانه و مصطلح است. اندازه و موقعیت یک اتم در مدل فضا پرکن بوسیله خصوصیات باندها و شعاع پیوندهای واندروالسی مشخص می‌شود. رنگ مدلهای اتم طبق قرارداد مشخص می‌شود. مدل گوی و میله (ball _ and _ Stick) این مدل به اندازه مدل فضا پرکن، دقیق و منطقی نیست. برای اینکه اتمها به صورت کروی نشان داده شده و شعاع آنها کوچکتر از شعاع واندروالسی است.
مدل اسکلتی (Skeletal) ساده‌ترین مدل مورد استفاده است و تنها شبکه مولکولی را نشان می‌دهد و اتمها به وضوح نشان داده نمی‌شوند. این مدل، برای نشان دادن ماکرومولکولهای بیولوژیکی از قبیل مولکولهای پروتیینی حاوی چندین هزار اتم مورد استفاده قرار می‌گیرد. فضا در نشان دادن ساختمان مولکولی، بکار بردن مقیاس اهمیت زیادی دارد. واحد آنگستروم، بطور معمول برای اندازه‌گیری طول سطح اتمی مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای مثال، طول باند C _ C، مساوی ۱،۵۴ آنگستروم می‌باشد. بیومولکولهای کوچک، از قبیل کربوهیدراتها و اسیدهای آمینه، بطور تیپیک، طولشان چند آنگستروم است. ماکرومولکولهای بیولوژیکی، از قبیل پروتیینها، ۱۰ برابر بزرگتر هستند. برای مثال، پروتیین حمل کننده اکسیژن در گلبولهای قرمز یا هموگلوبین، دارای قطر ۶۵ آنگستروم است. ماکرومولکولهای چند واحدی ۱۰ برابر بزرگتر می‌باشند.
ماشینهای سنتز کننده پروتیین در سلولها یا ریبوزومها، دارای ۳۰۰ آنگستروم طول هستند. طول اکثر ویروسها در محدوده ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ آنگستروم است. سلولها بطور طبیعی ۱۰۰ برابر بزرگتر هستند و در حدود میکرومتر (&#۹۵۶;m) می‌باشند. برای مثال قطر گلبولهای قرمز حدود ۷m است. میکروسکوپ نوری حداقل تا ۲۰۰۰ آنگستروم قابل استفاده است. مثلا میتوکندری را می‌توان با این میکروسکوپ مشاهده کرد. اما اطلاعات در مورد ساختمانهای بیولوژیکی از مولکولهای ۱ تا آنگستروم با استفاده از میکروسکوپ الکترونی X-ray بدست آمده است. مولکولهای حیات ثابت می‌باشند.
● زمان لازم برای انجام واکنشهای زیست‌شیمیایی
واکنش‌های شیمیایی در سامانه‌های زیستی به وسیله آنزیمها کاتالیز می‌شوند. آنزیمها سوبستراها را در مدت میلی ثانیه به محصول تبدیل می‌کنند. سرعت بعضی از آنزیمها حتی سریعتر نیز می‌باشد، مثلا کوتاهتر از چند میکروثانیه. بسیاری از تغییرات فضایی در ماکرومولکولهای بیولوژیکی به سرعت انجام می‌گیرد. برای مثال، باز شدن دو رشته هلیکسی DNA از همدیگر که برای همانندسازی و رونویسی ضروری است، یک میکروثانیه طول می‌کشد. جابجایی یک واحد (Domain) از پروتیین با حفظ واحد دیگر، تنها در چند نانوثانیه اتفاق می‌افتد. بسیاری از پیوندهای غیر کووالان مابین گروههای مختلف ماکرومولکولی در عرض چند نانوثانیه تشکیل و شکسته می‌شوند. حتی واکنشهای خیلی سریع و غیر قابل اندازه گیری نیز وجود دارد. مشخص شده است که اولین واکنش در عمل دیدن، تغییر در ساختمان ترکیبات جذب کننده فوتون به نام رودوپسین می‌باشد که در عرض اتفاق می‌افتد.
انرژی ما بایستی تغییرات انرژی را به حوادث مولکولی ربط دهیم. منبع انرژی برای حیات، خورشید است. برای مثال، انرژی فوتون سبز، حدود ۵۷ کیلوکالری بر مول (Kcal/mol) بوده و ATP، فرمول عمومی انرژی، دارای انرژی قابل استفاده به اندازه ۱۲ کیلوکالری بر مول می‌باشد. برعکس، انرژی متوسط هر ارتعاش آزاد در یک مولکول، خیلی کم و در حدود ۰،۶ کیلوکالری بر مول در ۲۵ درجه سانتیگراد می‌باشد. این مقدار انرژی، خیلی کمتر از آن است که برای تجزیه پیوندهای کووالانسی مورد نیاز است، (برای مثال ۸۳Kcal/mol برای پیوند C _ C). بدین خاطر، شبکه کووالانسی بیومولکولها در غیاب آنزیمها و انرژی پایدار می‌باشد. از طرف دیگر، پیوندهای غیر کووالانسی در سیستمهای بیولوژیکی بطور تیپیک دارای چند کیلوکالری انرژی در هر مول می‌باشند. بنابراین انرژی حرارتی برای ساختن و شکستن آنها کافی است. یک واحد جایگزین در انرژی، ژول می‌باشد که برابر ۰،۲۳۹ کالری است.
● ارتباطات قابل بازگشت بیومولکولها
ارتباطات قابل برگشت بیومولکولها از سه نوع پیوند غیر کووالانسی تشکیل شده است. ارتباطات قابل برگشت مولکولی، مرکز تحرک و جنبش موجود زنده است. نیروهای ضعیف و غیر کووالان نقش کلیدی در رونویسی DNA، تشکیل ساختمان سه بعدی پروتیینها، تشخیص اختصاصی سوبستراها بوسیله آنزیمها و کشف مولکولهای سیگنال ایفا می‌کنند. به علاوه، اکثر مولکولهای زیستی و فرآیندهای درون‌مولکولی، بستگی به پیوندهای غیر کووالانی همانند پیوندهای کووالانی دارند. سه پیوند اصلی غیر کووالان عبارت است از: پیوندهای الکترواستاتیک، پیوندهای هیدروژنی و پیوندهای واندروالسی آنها از نظر ژیومتری، قدرت و اختصاصی بودن با هم تفاوت دارند. علاوه از آن، این پیوندها به مقدار زیادی از طرق مختلف در محلولها تحت تاثیر قرار می‌گیرند.

منبع : دانشجویان