ما هو علم الكيمياء الحيوية

علم الكيمياء

يهتم علم الكيمياء بدراسة المادة وخصائصها وكيفية اتحادها أو انفصالها وكيفية تفاعلها مع الطاقة، وتعد الكيمياء جزءًا أساسيًا في كل ما هو موجود في الحياة، حيث تشكل المواد جميع الموجودات في العالم، بحيث يدخل هذا العلم في أبسط الأمور كتنظيف المنازل إلى أعقدها كإقلاع مركبات الفضاء، ويتضمن هذا العلم مجالات دراسية واسعة يؤثر العديد منها على الحياة اليومية، فهنالك مجالات متخصصة بالأغذية والأدوية، وتهتم بعض المجالات الأخرى بالبيئة والمياه والزراعة والجيولوجيا والكيمياء الشرعية وغيرها، ويشمل علم الكيمياء خمسة فروع رئيسة وهي: الكيمياء التحليلية والحيوية والفيزيائية والعضوية وغير العضوية، وفي هذا المقال ستتم الإجابة عن سؤال ما هو علم الكيمياء الحيوية بشيء من التفصيل.^[١]

أهمية علم الكيمياء

قبل الإجابة عن سؤال ما هو علم الكيمياء الحيوية لا بدّ من معرفة أهمية علم الكيمياء في الحياة اليومية، حيث تدخل تطبيقات علم الكيمياء في الأطعمة والهواء والمنظفات، كما تلعب دورًا في عواطف الأشخاص وكل ما يمكنهم رؤيته ولمسه، ومع أنّ هنالك أمثلة واضحة على أهمية الكيمياء في الحياة إلا أنّ هنالك أمثلة كيميائية قد تفاجئ بعض الأشخاص، وفيما يأتي سيتم الحديث عن بعض المجالات التي يدخل فيها علم الكيمياء في الحياة اليومية:^[٢]

• الجسد البشري: حيث يتشكل 99% من جسم الإنسان من ستة عناصر كيميائية تشمل كلًا من الأكسجين والنيتروجين والهيدروجين والكالسيوم والفسفور والكربون.
• الانفعالات والعواطف: حيث تنتج العواطف والانفعالات عن إشارات كيميائية داخل الجسم، وتعد الناقلات العصبية من أهم الناقلات الكيميائية في الجسم، فمشاعر الحب والغيرة والحسد تنتج بسبب إفراز الجسم لمواد كيميائية كالدوبامين.
• المنظفات والصابون: حيث يصنع الصابون من أملاح الأحماض الدهنية للصوديوم أو البوتاسيوم، ويحتوي كل جزيء من الصابون على سلسلة هيدروكربونية طويلة يتكون طرفها من مجموعة الكربوكسيل.
• البصل: تحدث عملية ذرف الدموع أثناء تقطيع البصل عندما يتحول الحمض الأميني سلفوكسيد إلى حمض السلفينيك، ومن ثم يقوم هذا الحمض بإنتاج مركبات كبريتية متطايرة تتفاعل مع الماء الموجود داخل العيون فيكون حمض الكبريتيك الذي يسبب تهيج العيون.
• طوفان الجليد فوق سطح الماء: عندما تنخفض درجة حرارة الماء إلى أقل من 4 درجات مئوية فإنّ الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء تحافظ على تباعد ذرات الأكسجين السالبة مما يؤدي إلى تكون بلورات جليدية، ولهذا فإنّ كثافة الجليد أقل بِ 9% من كثافة الماء مما يسمح له بالطوفان فوقه.
• واقي الشمس: حيث يتكون واقي الشمس من خليط من المواد العضوية وغير العضوية، حيث يحتوي على أكسيد الزنك أو أكسيد التيتانيوم اللذين يعملان على عكس أشعة الشمس ومنعها من الوصول إلى طبقات الجلد العميقة.

ما هو علم الكيمياء الحيوية

للإجابة عن سؤال: "ما هو علم الكيمياء الحيوية؟" لا بد من معرفة مجال الدراسة الذي يهتم به هذا العلم، حيث تهتم الكيمياء الحيوية بتطبيق علم الكيمياء في دراسة العمليات البيولوجية على المستوى الخلوي، ولقد ظهر هذا العلم كفرع منفصل في بداية القرن العشرين عندما جمع العلماء بين علم الكيمياء وعلم الأحياء والوظائف العضوية للبحث في كيمياء النظم الحيوية، كما يمكن الإجابة عن سؤال ما هو علم الكيمياء الحيوية بطريقة أخرى، فهو العلم الذي يهتم بالبحث في كيمياء الكائنات الحية والتغيرات الجزيئية التي تحدث في الخلايا الحية، ولقد قامت الكيمياء الحيوية على مر السنين بتفسير أسباب العديد من الأمراض البشرية والحيوانية والنباتية.^[٣]

يندرج تحت إجابة سؤال: "ما هو علم الكيمياء الحيوية؟" معرفة أسس دراسة هذا العلم؛ إذ يستند علم الكيمياء الحيوية إلى الطرق الكيميائية والفيزيائية بالإضافة إلى تقنيات البيولوجيا الجزيئية وعلم المناعة في دراسة بنية وسلوكيات الجزيئات المختلفة الموجودة داخل النظم الحيوية، بالإضافة إلى دراسة طرق تفاعل هذه الجزيئات مع بعضها البعض لتشكيل الخلايا والأنسجة والكائنات الحية بأكملها، وهذا قد يتمم الإجابة عن سؤال: "ما هو علم الكيمياء الحيوية؟".^[٣]

تاريخ علم الكيمياء الحيوية

قد يرغب البعض بعد معرفة إجابة سؤال: "على ما هو علم الكيمياء الحيوية؟" بمعرفة التاريخ الذي مرّ به هذا العلم حتى الوقت الحاضر، فإن الحديث عن التاريخ جزء لا يتجزأ من الإجابة على سؤال: "ما هو علم الكيمياء الحيوية؟"، ويعتقد البعض أن بداية علم الكيمياء الحيوية حصلت عندما تم اكتشاف الإنزيم الأول في عام 1833 والذي يعرف حاليًا باسم إنزيم الأميليز، ولكن يعتقد آخرون أنّ بداية هذا العلم كانت على يد إدوارد بوخندر الذي قام باستخدام عمليات كيميائية وحيوية معقدة في تخمير الكحول في عام 1897، وهنالك عدد من الدراسات الأخرى التي اقترحت كبداية لهذا العلم مثل نظرية الأيض التي وضعها العالم لجستوس فون ليبيج عام 1842، أو دراسات أنطوان لافوازييه في عمليات التخمير والتنفس. ^[٤]

لقد ظهر مصطلح الكيمياء الحيوية للمرة الأولى في عام 1877، حيث قام العالم الألماني فلكس سيلر باستخدام هذا المصطلح كمرادف للكيمياء الفسيولوجية، ولكن يعزو البعض هذا المصطلح إلى كارل نيوبرج أو فرانز هوفميستر، وفي ما يأتي بعض أهم الاكتشافات في مجال الكيمياء الحيوية التي حدثت على مر السنين: ^[٤]

• تصنيع اليوريا في عام 1828.
• بنية الحمض النووي في خمسينيات القرن الماضي.
• اكتشاف أن كل جين ينتج إنزيمًا واحدًا عام 1958.
• دورة الأحماض الدهنية للسكر في عام 1963.
• اكتشاف دور تداخل الحمض النووي الريبي في إيقاف التعبير الجيني عام 2006.

مجالات دراسة علم الكيمياء الحيوية

إنّ مجالات دراسة علم الكيمياء تندرج تحت إجابة سؤال: "عن ما هو علم الكيمياء الحيوية؟" معرفة مجالات الدراسة لهذا العلم، إذ يشمل علم الكيمياء الحيوية وصف الحياة على المستوى الجزيئي ووصف جميع التغيرات الكيميائية المعقّدة المرتبطة مع بعضها البعض والتي تحدث داخل الخلايا المختلفة، بحيث تعد مجالات الدراسة إحدى النقاط المهمة في الإجابة عن سؤال: "ما هو علم الكيمياء الحيوية؟"، وفي ما يأتي أهم هذه المجالات: ^[٥]

• التركيب الكيميائي للمواد الحية: بحيث يركز هذا المجال على دراسة مكونات الخلايا والكائنات الحية، بحيث تحتوي الخلايا على الماء والأملاح وعدد كبير من المركبات العضوية الأخرى.
• عمليات الهضم: بحيث يشمل هذا المجال دراسة المسالك الهضمية للكائنات الحية وعمليات تكسير وتحلل الجزيئات الغذائية، والإنزيمات المحللة الموجودة في المعدة وكافة العمليات التي تحصل أثناء الهضم.
• الهرمونات وعمليات الأيض: بحيث يقوم هذا المجال بالتركيز على دراسة آثار الهرمونات وتركيبها الكيميائي والآليات التي تعمل بها لتنظيم عمليات الأيض الناتجة عن التغيرات الكيميائية المعقدة التي تحصل داخل الخلايا.
• الجينات: بحيث يشمل هذا المجال دراسة التركيب الكيميائي للجينات، وطريقة تضاعفها، وعملية تصنيع الحمض النووي الريبي الذي يساهم في إنتاج البروتينات المختلفة، وعلاقة الطفرات الجينية بالناتج البروتيني.

المركبات الأساسية في علم الكيمياء الحيوية

يندرج أيضًا تحت الإجابة عن سؤال ما هو علم الكيمياء الحيوية الحديث عن الأنواع الأربعة الرئيسة التي يدرسها علم الكيمياء الحيوية؛ حيث تتشكل هذه الأنواع من جزيئات صغيرة نسبيًا ترتبط مع بعضها البعض لتكوين بوليمرات طويلة، وفي ما يأتي ذكر للمركبات الأساسية في علم الكيمياء الحيوية:

• الكربوهيدرات: إذ تقوم الكربوهيدرات بتخزين الطاقة والمعلومات الوراثية، كما أنّ لها دورًا في التفاعلات والاتصالات بين الخلايا. ^[٤]
• الدهون: إذ تشكل الدهون الأغشية التي تحيط بالعضيات والخلايا، كما تستخدم في تخزين الطاقة وتصنيع الهرمونات المختلفة. ^[٦]
• البروتينات: تحتوي الخلايا على عدد كبير من البروتينات التي تستخدم في تكوين الإنزيمات والنواقل العصبية والخيوط العضلية والأجسام المضادة. ^[٤]
• الأحماض النووية: تقوم الأحماض النووية بتخزين الشيفرة الوراثية في الخلايا، كما تلعب دورًا في تكوين الأدينوسين ثلاثي الفوسفات. ^[٤]

أنواع التفاعلات في علم الكيمياء الحيوية

بعد الإجابة عن سؤال ما هو علم الكيمياء الحيوية من المهم الحديث عن أنواع التفاعلات الكيميائية التي تحصل داخل الكائنات الحية، إذ من الممكن شمل أنواع التفاعلات هذه ضمن الإجابة عن سؤال ما هو علم الكيمياء الحيوية، وتعرف مجموعة التفاعلات الكيميائية التي تحصل داخل الكائنات الحية باسم عمليات الأيض، وفي ما يأتي النوعين الرئيسين للتفاعلات الكيميائية الحيوية: ^[٧]

• التفاعلات الطاردة للحرارة: بحيث تحدث هذه التفاعلات أثناء عمليات الهدم التي تحصل داخل الخلايا، حيث تقوم هذه التفاعلات بتكسير المركبات إلى وحدات أصغر حجمًا، وعادةً ما يصاحب هذه التفاعلات إطلاق للطاقة، فعلى سبيل المثال تستخدم تفاعلات تكسير الغلوكوز لتزويد الخلايا بالطاقة اللازمة للقيام بالعمليات الحيوية المختلفة.
• التفاعلات الماصة للحرارة: بحيث تحدث هذه التفاعلات أثناء عمليات البناء التي تحصل داخل الخلايا، حيث تقوم هذه التفاعلات ببناء مركبات كبيرة من جزيئات صغيرة، وعادةً ما تتطلب هذه التفاعلات امتصاص قدر من الطاقة، وتعد عملية ربط الأحماض الأمينية مع بعضها البعض لتكوين البروتينات أحد الأمثلة على هذا النوع من التفاعلات.

وظائف المواد الكيموحيوية وبعض الأمثلة عليها

بعد أن تمت الإجابة عن سؤال: "ما هو علم الكيمياء الحيوية؟" فإنه من المهم معرفة أهم المفاهيم الأساسية لهذا العلم، ولقد تم الحديث سابقًا عن المركبات الأساسية التابعة لهذا العلم، وعادةً ما تربط بين هذه المركبات روابط جزيئية وتساهمية وأيونية وهيدروجينية، وفي ما يأتي بعض الوظائف والأمثلة على المواد الكيموحيوية:^[٨]

• الدعامة والمركبات الهيكيلية:
  • في الخلايا: الأسواط وخيوط الميوسين والأكتين.
  • في الحيوانات: الكولاجين والكيراتين والكيتين والحرير.
  • في النباتات: السيليلوز والجدران الخلوية.
• الإنزيمات:
  • يوبيكويتين.
  • كيناز.
  • إنزيم نازع للهيدروجين.
• الأغشية الخلوية:
  • عملية الانتشار.
  • الخاصية الأسموزية.
  • عملية النقل الإلكتروني.
  • قنوات الأيونات ومضخات البروتونات.
• مسارات الطاقة الخلوية :
  • تكوين الأصباغ كالكلوروفيل والكاروتينات والسيتوكروم.
  • تكوين الهيموغلوبين والميوغلوبين.
  • عملية البناء الضوئي.
  • عملية التخمير.
• التنظيم:
  • تكوين الهرمونات كالأوكسين.
  • عملية نقل الإشارات الخلوية وتكوين عوامل النمو.
  • تكون الأورام والأعطال الخلوية الأخرى.
  • وظيفة المستقبلات الخلوية وتكوينها.

التقنيات المستخدمة في علم الكيمياء الحيوية

بعد الحديث عن ما هو علم الكيمياء الحيوية لا بد من الحديث عن التقنيات المستخدمة في هذا النوع من العلوم، حيث تعد هذه التقنيات جزءًا أساسيًا من الإجابة عن سؤال ما هو علم الكيمياء الحيوية، حيث تعزى كل النجاحات والاكتشافات في هذا العلم إلى التقنيات المختلفة التي تم استخدامها في الدراسات الكيموحيوية، وفي ما يأتي أهم التقنيات المستخدمة في هذا النوع من العلوم:

• عملية تحديد تسلسل الحمض النووي: إذ تستخدم هذه التقنية لتحديد ترتيب النيكليوتيدات الأربعة التي تكون الأحماض النووية، حيث تشمل هذه الأحماض الأدينين والجوانين والسايتوسين والثايمين.^[٩]
• قياس التدفق الخلوي: حيث تستخدم هذه الطريقة لاكتشاف الخواص الفيزيائية والكيميائية لمجموعة من الخلايا أو الجزيئات.^[١٠]
• اللطخة المناعية: وتعرف أيضًا باسم لطخة ويسترن، حيث تستخدم هذه الطريقة للكشف عن بروتينات معينة داخل عينة من الأنسجة أو غيرها.^[١١]
• الكروماتوغرافيا: حيث تستخدم هذه التقنية لفصل مكونات خليط ما بسبب ترك هذه المكونات بسرعات مختلفة.^[١٢]
• مقايسة امتصاصية مناعية للإنزيم المرتبط: تعرف هذه التقنية باسم ELISA، حيث تستخدم هذه الطريقة للكشف عن بروتين معين من خلال تعريضه لأجسام مضادة.^[١٣]
• تفاعل البلمرة المتسلسل: حيث تستخدم هذه التقنية لنسخ قطع معينة من الحمض النووي، إذ يتم توليد الآلاف والملايين من هذه القطع.^[١٤]
• دراسة البلورات بالأشعة السينية: حيث تستخدم هذه التقنية لتحديد التركيب الذري والجزيئي للبلورة عن طريق قياس زوايا وشدة الأشعة المنعكسة عن البلورات.^[١٥]
• مقياس الطيف الكتلي: حيث تستخدم هذه التقنية في تحديد النسبة بين الكتلة إلى الشحنة للأيونات، إذ يمكن استخدامها لتحديد العناصر والنظائر المكونة لمادة ما.^[١٦]
• الترسيب المناعي: حيث تستخدم هذه التقنية من أجل عزل وتركيز نوع معين من البروتينات داخل عينة تحتوي على آلاف البروتينات.^[١٧]

تطبيقات علم الكيمياء الحيوية

بعد الإجابة عن سؤال ما هو علم الكيمياء الحيوية من المهم ذكر أهم التطبيقات لهذا العلم، حيث يقترن علم الكيمياء الحيوية بالعديد من العلوم الأخرى، فهنالك العديد من الاختبارات التي تستخدم في الطب وفي اكتشاف الأمراض المختلفة، وفي ما يأتي أهم تطبيقات علم الكيمياء الحيوية:^[٨]

• الاختبارات والتحاليل:
  • اختبار آيمز: يستخدم هذا الفحص لمعرفة قدرة الكيماويات على التسبب بحدوث الطفرات في الحمض النووي، وبذلك يمكن التنبؤ بقدرتها على التسبب بالسرطانات.
  • اختبار الحمل: يستخدم هذا الاختبار للكشف عن وجود هرمون موجهة الغدد التناسلية المشيمائية البشرية hCG، إذ يبدأ هذا الهرمون بالتراكم بعد فترة وجيزة من زرع الجنين في جدار الرحم.
  • فحص سرطان الثدي: يستخدم هذا الفحص للكشف عن الطفرات في جينين يسببان هذا النوع من السرطانات وهما BRC1 وBRC2.
  • الاختبارات الجنينية: حيث تستخدم هذه الاختبارات للكشوف عن أي عيوب وراثية محتملة أو خلل في عدد الكروموسومات التي ينتج عنها متلازمة داون وغيرها.
• الهندسة الوراثية: حيث يمكن بهذه الطريقة أخذ جين من كائن حي ووضعه في كائن آخر، فلقد تم تطبيق هذه الطريقة لإنتاج الإنسولين البشري داخل البكتيريا.
• الاستنساخ: يمكن استخدام علم الكيمياء الحيوية في الاستنساخ، حيث تم استنتساخ النعجة دوللي من خلايا حيوانية بالغة لنعجة عمرها 6 سنوات.
• العلاج الجيني: حيث تستخدم هذه الطريقة لإدخال جين معدل أو صحي داخل كائن مريض ليحل محل الجين المسبب للمرض.

المراجع

1. ↑ "What Is Chemistry?", www.livescience.com, Retrieved 07-11-2019. Edited.
2. ↑ "Chemistry in everyday life", www.toppr.com, Retrieved 07-11-2019. Edited.
3. ^ ^{أ ب} "What is Biochemistry?", www.mcgill.ca, Retrieved 07-11-2019. Edited.
4. ^ ^{أ ب ت ث ج} "Biochemistry", www.wikiwand.com, Retrieved 07-11-2019. Edited.
5. ↑ "Biochemistry", www.britannica.com, Retrieved 07-11-2019. Edited.
6. ↑ "Lipid", www.wikiwand.com, Retrieved 07-11-2019. Edited.
7. ↑ "Types of Biochemical Reactions", bio.libretexts.org, Retrieved 07-11-2019. Edited.
8. ^ ^{أ ب} "Outline of biochemistry ", www.wikiwand.com, Retrieved 07-11-2019. Edited.
9. ↑ "DNA sequencing ", www.wikiwand.com, Retrieved 07-11-2019. Edited.
10. ↑ "Flow cytometry ", www.wikiwand.com, Retrieved 07-11-2019. Edited.
11. ↑ "Western blot ", www.wikiwand.com, Retrieved 07-11-2019. Edited.
12. ↑ "Chromatography", www.wikiwand.com, Retrieved 07-11-2019. Edited.
13. ↑ "ELISA", www.wikiwand.com, Retrieved 07-11-2019. Edited.
14. ↑ "Polymerase chain reaction ", www.wikiwand.com, Retrieved 07-11-2019. Edited.
15. ↑ "X-ray crystallography ", www.wikiwand.com, Retrieved 07-11-2019. Edited.
16. ↑ "Mass spectrometry ", www.wikiwand.com, Retrieved 07-11-2019. Edited.
17. ↑ "Immunoprecipitation", www.wikiwand.com, Retrieved 07-11-2019. Edited.