أنواع الكيمياء الحيوية واستخداماتها

الكيمياء الحيوية هي من فروع الكيمياء، حيثظهرت الكيمياء الحيوية كعلم ديناميكي خلال المائة عام الماضية، وقد كان هناك تقدم سريع في فهم المبادئ الكيميائية الأساسية، مثل حركية التفاعل والتركيب الذري للجزيئات، كما تم التعرف على العديد من المواد الكيميائية المنتجة في الكائنات الحية بحلول القرن التاسع عشر، ومنذ ذلك الحين استمر نمو الكيمياء الحيوية وتأثيراتها على التخصصات الأخرى بشكل جيد في القرن العشرين.

الكيمياء الحيوية

الكيمياء الحيوية هي دراسة الجزيئات والتفاعلات الكيميائية التي تحدث في الحياة أو الكائنات الحية، ومن المصطلح يمكننا أن نفترض أن هذه الدراسة تدور حول الجمع بين علمين رئيسيين هما البيولوجيا والكيمياء، ومع ذلك فإن التعريف الحقيقي للكيمياء الحيوية يدور حول استخدام لغة الكيمياء لشرح علم آخر ،وهو علم الأحياء على المستوى الجزيئي.

استخدامات أنواع الكيمياء الحيوية

تتمثل أحد أهداف علماء الكيمياء الحيوية في دمج قدر كبير من المعرفة في التفسير الجزيئي للحياة، حيث لا توجد الكيمياء الحيوية كتخصص في الفراغ وتتعلق بالعديد من التخصصات الأخرى مثل:

الكيمياء الحيوية الحيوانية

يعد التنوع بين الحيوانات في هذه الحياة أحد أهم جوانب العالم، ومنذ العصور القديمة، كان العلماء مهتمين بترتيب وتصنيف تلك التنوعات، وفي البداية يمكن التعرف على الهياكل والعمليات فقط، ولكن مع التطور التكنولوجي الذي اكتشف المجهر الإلكتروني جنبًا إلى جنب مع تطور علم الأحياء، فقد تمكن العلماء من دراسة التنوع الجزيئي على مستوى أعمق.

بعبارة أخرى، تعني الكيمياء الحيوية دراسة الجزيئات والتفاعلات الكيميائية التي تحدث في الحياة، ثم تدرس الكيمياء الحيوية للحيوان المعنى المحدد للحياة بنفسها وتفسرها على أنها حيوان، حيث إن دراسة الكيمياء الحيوية الحيوانية هي تحليل الحيوان، وهذه الدراسة مهمة جدا لعلوم الطب البيطري وتربية الحيوانات، كما أن الكيمياء الحيوية الحيوانية هي الفروع الفرعية الأولى للكيمياء الحيوية، حيث تساعد هذه الدراسة بشكل خاص على فهم صحة الحيوان من خلال فهم التمثيل الغذائي لها ووظائفها.

الكيمياء الحيوية النباتية

تختبر الكيمياء الحيوية النباتية الآلية الجزيئية للحياة النباتية، حيث يعد التمثيل الضوئي أحد الموضوعات الرئيسية في الكيمياء الحيوية للنبات، والذي يحدث غالبًا في الأوراق، كما أن التمثيل الضوئي هو عملية نقل طاقة الشمس لتكوين الكربوهيدرات والأحماض الأمينية من الماء وثاني أكسيد الكربون والنترات والكبريتات، وعبر نظام الأوعية الدموية، يتم نقل جزء كبير من هذه المنتجات من الأوراق عبر الساق إلى مناطق أخرى من النبات، حيث تكون مطلوبة، على سبيل المثال لبناء الجذور وتزويدها بالطاقة.

البناء الضوئي

في أوائل عام 1771، اكتشف “جوزيف بريستلي” أن النبات يطور الأكسجين في وجود ضوء الشمس، وتوصل إلى أن الأكسجين هو نتاج عملية التمثيل الضوئي وينقي الهواء بمعنى إنتاج الأكسجين، وفي عام 1937 أوضح روبرت هيل أن الماء هو مصدر تطور الأكسجين الجزيئي خلال المرحلة الضوئية لعملية التمثيل الضوئي.

كما يبدأ التمثيل الضوئي عندما تلتقط النباتات والبكتيريا الزرقاء ضوء الشمس أو الأشعة فوق البنفسجية وتستخدم طاقتها لتخليق المركبات العضوية من المركبات غير العضوية مثل ثاني أكسيد الكربون والنترات والكبريتات لتجميع موادها الخلوية، وهذه القدرة تسمى تمثيل ضوئي، وفي عملية التمثيل الضوئي، يتم فصل الأكسجين والهيدروجين عن الماء بواسطة طاقة الفوتون، والتي تسمى (NADPH)، وهذه العملية تسمى تفاعل الضوء، وهي تحدث في مراكز تفاعل التمثيل الضوئي المدمجة في الأغشية، حيث إنه ينطوي على نقل الإلكترونات، والذي يقترن بتوليف ATP.

وفي الوقت نفسه، يتم استهلاك (NADPH و ATP) في ما يسمى بالتفاعل المظلم لتخليق الكربوهيدرات من ثاني أكسيد الكربون، حيث خلقت عملية التمثيل الضوئي للنباتات والبكتيريا الزرقاء الكتلة الحيوية على الأرض، بما في ذلك رواسب الوقود الأحفوري والأكسجين الجوي.

تعتمد الحيوانات والبشر على إمدادهم بالكربوهيدرات والمركبات العضوية الأخرى كغذاء، مما يجعلهم غير متجانسين أو يعني أنهم لا يستطيعون توليد الطاقة بمفردهم، كما يولدون الطاقة اللازمة لعمليات حياتهم عن طريق أكسدة الكتلة الحيوية، التي أنتجتها النباتات أولاً، وعندما يتم استهلاك الأكسجين، يتشكل ثاني أكسيد الكربون، وبالتالي فإن الطاقة الضوئية التي تلتقطها النباتات هي مصدر الطاقة لعمليات حياة الحيوانات.

علم الأحياء الجزيئي والخلوي

يتكون كل كائن حي على وجه الأرض من خلية واحدة أو أكثر، حيث يمكن اعتبار الخلية على أنها قطرة ماء تحتوي على مادة ذائبة ومعلقة، محاطة بهيكل محيط أو ما يسمى بغشاء البلازما.

الخلية الحية هي الوحدة البيولوجية للنشاط، حيث يعرض أصغر جزء من الكائن الحي مجموعة من الخصائص المرتبطة بالمادة الحية، لذلك فإن فهم الخلية في الكيمياء الحيوية أمر أساسي للغاية ويجب القيام به، كما توجد الخلية بأحجام وأشكال متنوعة، ومع ذلك يمكن تصنيف كل الخلايا إلى فئتين، الخلية حقيقية النواة والخلية بدائية النواة:

خلايا بدائية النواة

تتكون الخلايا بدائية النواة من بنية داخلية أقل تعقيدًا وأصغر من الخلايا حقيقية النواة، وعادة ما تكون بدائيات النوى كائنًا أحادي الخلية مثل البكتيريا، وفي الدراسة المبكرة “للإشريكية القولونية”، وجد العلماء العديد من التفاعلات الكيميائية الحيوية في هذا الكائن الحي، ويمثلون هذا الكائن كنموذج للنظام البيولوجي.