الكيمياء الحيوية: هي دراسة العمليات الكيميائية التي تحدث في جميع النباتات والحيوانات والكائنات الحية الدقيقة والعمليات التي تخضع لها عند التطور، وعلى هذا النحو فإنه يعتمد على أساليب الكيمياء التحليلية والعضوية والفيزيائية، وأيضا أساليب علماء الفسيولوجيا المهتمين بالأساس الجزيئي للعمليات الحيوية.
فروع الكيمياء الحيوية
التركيب الكيميائي للمادة الحية
تحتوي كل خلية حية بالإضافة إلى الماء والأملاح أو المعادن على عدد كبير من المركبات العضوية، وهي مواد تتكون من الكربون مجتمعة بكميات متفاوتة، من الهيدروجين والأكسجين عادة، كما ان كل من النيتروجين والفوسفور والكبريت مكونات شائعة، ويمكن تصنيف الجزء الأكبر من المادة العضوية للخلية على أنها:
- بروتين.
- كربوهيدرات.
- دهون.
- الأحماض النووية.
ومختلف المشتقات العضوية الأخرى هي أيضا مكونات مهمة، حيث إن كل فئة تحتوي على تنوع كبير من المركبات الفردية، كما توجد أيضًا العديد من المواد التي لا يمكن تصنيفها في أي من الفئات المذكورة أعلاه، وإن لم تكن بكميات كبيرة في العادة.
التغذية
طالما اهتم علماء الكيمياء الحيوية بالتركيب الكيميائي لغذاء الحيوانات، فقد تتطلب جميع الحيوانات المواد العضوية في نظامهم الغذائي، بالإضافة إلى الماء والمعادن، كما يجب أن تكون هذه المادة العضوية كافية من حيث الكمية لتلبية متطلبات السعرات الحرارية أو الطاقة للحيوانات في حدود معينة.
يمكن استخدام الكربوهيدرات والدهون والبروتين بالتبادل لهذا الغرض، بالإضافة إلى ذلك فإن الحيوانات لديها متطلبات غذائية لمركبات عضوية معينة، بعض الأحماض الدهنية الأساسية وحوالي عشرة أحماض أمينية مختلفة (ما يسمى بالأحماض الأمينية الأساسية)، والفيتامينات مطلوبة من قبل العديد من الحيوانات الأعلى.
الهضم
في المسالك الهضمية للحيوانات العليا، تتحلل الجزيئات بالماء أو تتحلل إلى مكوناتها الأساسية، كما يتم تحويل البروتينات إلى خليط من الأحماض الأمينية، ويتم تحويل السكريات إلى السكريات الأحادية، وبشكل عام، تستخدم جميع الأشكال الحية نفس الجزيئات الصغيرة، لكن العديد من الجزيئات المعقدة الكبيرة تختلف في كل نوع.
لذلك، لا يمكن للحيوان استخدام بروتين نبات أو حيوان آخر بشكل مباشر، ولكن يجب أولاً تقسيمه إلى أحماض أمينية ثم إعادة تجميع الأحماض الأمينية في البروتينات المميزة الخاصة به، كما ان التحلل المائي من المواد الغذائية ضروري أيضًا لتحويل المواد الصلبة إلى مواد قابلة للذوبان مناسبة للامتصاص.
الدم
الدم هو أحد الأنسجة الحيوانية التي تثير فضولًا خاصًا دائمًا، حيث تم فحص الدم بشكل مكثف منذ الأيام الأولى للكيمياء الحيوية، ويُعرف تركيبه الكيميائي بدقة أكبر وبتفاصيل أكثر من أي نسيج آخر في الجسم، كما يأخذ الطبيب عينات الدم لتحديد أشياء مثل محتوى السكر أو محتوى اليوريا أو تكوين الأيونات غير العضوية في الدم، حيث تظهر تغيرات مميزة في المرض.
التمثيل الغذائي والهرمونات
الخلية هي موقع مجموعة ثابتة ومعقدة ومنظمة من التغيرات الكيميائية تسمى مجتمعة التمثيل الغذائي، حيثيرتبط التمثيل الغذائي بإطلاق الحرارة، كما أن الحرارة المنبعثة تكون نفسها في النتائج التي يتم الحصول عليها إذا حدث نفس التغيير الكيميائي خارج الكائن الحي، وهذا يؤكد حقيقة أن قوانين الديناميكا الحرارية تنطبق على الأنظمة الحية تمامًا كما تنطبق على عالم الجماد.
الجينات
ظهرت الدراسات الجينية أن الخصائص الوراثية لأحد الأنواع يتم الحفاظ عليها ونقلها بواسطة وحدات التكرار الذاتي المعروفة باسم الجينات، والتي تتكون من الأحماض النووية والموجودة في كروموسومات النواة، حيثيحتوي أحد الفصول الأكثر روعة في تاريخ العلوم البيولوجية على قصة التوضيح.
تطور الحياة وأصلها
أدى استكشاف الفضاء في منتصف القرن العشرين إلى تكثيف التكهنات حول إمكانية الحياة على الكواكب الأخرى. في الوقت نفسه، بدأ الإنسان في فهم بعض الآليات الكيميائية الحميمة المستخدمة في نقل الخصائص الوراثية، وكان من الممكن، من خلال دراسة بنية البروتين في الأنواع المختلفة، أن نرى كيف تم تغيير تسلسل الأحماض الأمينية للبروتينات الوظيفية (مثل الهيموجلوبين والسيتوكروم) أثناء نسالة (تطور الأنواع).
لذلك كان من الطبيعي أن ينظر علماء الكيمياء الحيوية إلى مشكلة أصل الحياة على أنها مشكلة عملية، ولم يكن تركيب خلية حية من مادة غير حية مهمة مستحيلة للمستقبل.
الطرد المركزي والرحلان الكهربي
أداة مهمة في البحث البيوكيميائي هو أجهزة الطرد المركزي، والتي من خلال الدوران السريع تفرض قوى طرد مركزي عالية على الجسيمات العالقة، أو حتى الجزيئات في المحلول، وتتسبب في فصل هذه المادة على أساس الاختلافات في الوزن.
وبالتالي، يمكن فصل الخلايا الحمراء عن بلازما الدم، والنواة من الميتوكوندريا في متجانسات الخلية، وبروتين عن آخر في خلائط معقدة، كما يتم فصل البروتينات بواسطة تنبذ فائق غزل عالي السرعة للغاية؛ من خلال التصوير المناسب لطبقات البروتين التي تتشكل في مجال الطرد المركزي، ومن الممكن تحديد الأوزان الجزيئية للبروتينات.
