بیوشیمی علمی است که درباره ترکیبات و واکنشهای شیمیایی در موجودات زنده بحث میکند.

دید کلی

اساسشیمیایی بسیاری از واکنشها در موجودات زنده شناخته شده است. کشف ساختماندو رشتهای دزاکسی ریبونوکلئیک اسید (DNA) ، جزئیات سنتز پروتئین از ژنها، مشخص شدن ساختمان سه بعدی و مکانیسم فعالیت بسیاری از مولکولهایپروتئینی ، روشن شدن چرخههای مرکزی متابولیسم وابسته بهم و مکانیسمهایتبدیل انرژی و گسترش تکنولوژی Recombinant DNA (نوترکیبی DNA) ازدستاوردهای برجسته بیوشیمی هستند. امروزه مشخص شده که الگو و اساس مولکولیباعث تنوع موجودات زنده شده است.

تمامی ارگانیسمها از باکتریهامانند اشرشیاکلی تا انسان ، از واحدهای ساختمانی یکسانی که به صورتماکرومولکولها تجمع مییابند، تشکیل یافتهاند. انتقال اطلاعات ژنتیکی ازDNA به ریبونوکلئیک اسید (RNA) و پروتئین در تمامی ارگانیسمها به صورتیکسان صورت میگیرد. آدنوزین تری فسفات (ATP) ، فرم عمومی انرژی درسیستمهای بیولوژیکی ، از راههای مشابهی در تمامی جانداران تولید میشود.
تاثیر بیوشیمی در کلینیک

مکانیسمهایمولکولی بسیاری از بیماریها ، از قبیل بیماری کم خونی و اختلالات ارثیمتابولیسم ، مشخص شده است. اندازه گیری فعالیت آنزیمها در تشخیص کلینیکیضروری میباشد. برای مثال ، سطح بعضی از آنزیمها در سرم نشانگر این است کهآیا بیمار اخیرا سکته قلبی کرده است یا نه؟بررسی DNAدر تشخیص ناهنجاریهایژنتیکی ، بیماریهای عفونی و سرطانها نقش مهمی ایفا می کند. سوشهایباکتریایی حاوی DNA نوترکیب که توسط مهندسی ژنتیک ایجاد شده است، امکانتولید پروتئینهایی مانند انسولین و هورمون رشد را فراهم کرده است. بهعلاوه ، بیوشیمی اساس علایم داروهای جدید خواهد بود. در کشاورزی نیز ازتکنولوژی DNA نوترکیب برای تغییرات ژنتیکی روی ارگانیسمها استفاده میشود.

گسترشسریع علم و تکنولوژی بیوشیمی در سالهای اخیر ، محققین را قادر ساخته که بهبسیاری از سوالات و اشکالات اساسی در مورد بیولوژی و علم پزشکی جواببدهند. چگونه یک تخم حاصل از لقاح گامتهای نر و ماده به سلولهای عضلانی ،مغز و کبد تبدیل میشود؟ به چه صورت سلولها با همدیگر به صورت یک اندامپیچیده درمیآیند؟ چگونه رشد سلولها کنترل میشود؟ علت سرطان چیست؟مکانیسم حافظه کدام است؟ اساس مولکولی اسکیزوفرنی چیست؟
مدلهای مولکولی ساختمان سه بعدی

وقتیارتباط سه بعدی بیومولکولها و نقش بیولوژیکی آنها را بررسی میکنیم، سهنوع مدل اتمی برای نشان دادن ساختمان سه بعدی مورد استفاده قرار میگیرد.
مدل فضا پرکن (Space _ Filling)

ایننوع مدل ، خیلی واقع بینانه و مصطلح است. اندازه و موقعیت یک اتم در مدلفضا پرکن بوسیله خصوصیات باندها و شعاع پیوندهای واندروالسی مشخص میشود.رنگ مدلهای اتم طبق قرارداد مشخص میشود.
مدل گوی و میله (ball _ and _ Stick)

اینمدل به اندازه مدل فضا پرکن ، دقیق و منطقی نیست. برای اینکه اتمها بهصورت کروی نشان داده شده و شعاع آنها کوچکتر از شعاع واندروالسی است.
مدل اسکلتی (Skeletal)

سادهترینمدل مورد استفاده است و تنها شبکه مولکولی را نشان میدهد و اتمها به وضوحنشان داده نمیشوند. این مدل ، برای نشان دادن ماکرومولکولهای بیولوژیکیاز قبیل مولکولهای پروتئینی حاوی چندین هزار اتم مورد استفاده قرارمیگیرد.
فضا

در نشان دادن ساختمان مولکولی ، بکار بردنمقیاس اهمیت زیادی دارد. واحد آنگستروم ()، بطور معمول برای اندازهگیریطول سطح اتمی مورد استفاده قرار میگیرد. برای مثال ، طول باند C _ C ،مساوی 1،54 آنگستروم میباشد. بیومولکولهای کوچک ، از قبیل کربوهیدراتها واسیدهای آمینه ، بطور تیپیک ، طولشان چند آنگستروم است. ماکرومولکولهایبیولوژیکی ، از قبیل پروتئینها ، 10 برابر بزرگتر هستند. برای مثال ،پروتئین حمل کننده اکسیژن در گلبولهای قرمز یا هموگلوبین ، دارای قطر 65آنگستروم است. ماکرومولکولهای چند واحدی 10 برابر بزرگتر میباشند.ماشینهای سنتز کننده پروتئین در سلولها یا ریبوزومها ، دارای 300 آنگسترومطول هستند. طول اکثر ویروسها در محدوده 100 تا 1000 آنگستروم است. سلولهابطور طبیعی 100 برابر بزرگتر هستند و در حدود میکرومتر (μm) میباشند.برای مثال قطر گلبولهای قرمز حدود 7μm است. میکروسکوپ نوری حداقل تا 2000آنگستروم قابل استفاده است. مثلا میتوکندری را میتوان با این میکروسکوپمشاهده کرد. اما اطلاعات در مورد ساختمانهای بیولوژیکی از مولکولهای 1 تاآنگستروم با استفاده از میکروسکوپ الکترونی X-ray بدست آمده است.مولکولهای حیات ثابت میباشند.
زمان لازم برای انجام واکنشهای بیوشیمیایی

راکسیونهایشیمیایی در سیستمهای بیولوژیکی به وسیله آنزیمها کاتالیز میشوند. آنزیمهاسوبستراها را در مدت میلی ثانیه () به محصول تبدیل میکنند. سرعت بعضی ازآنزیمها حتی سریعتر نیز میباشد، مثلا کوتاهتر از چند میکروثانیه ().بسیاری از تغییرات فضایی در ماکرومولکولهای بیولوژیکی به سرعت انجاممیگیرد. برای مثال ، باز شدن دو رشته هلیکسی DNA از همدیگر که برایهمانندسازی و رونویسی ضروری است، یک میکروثانیه طول میکشد. جابجایی یکواحد (Domain) از پروتئین با حفظ واحد دیگر ، تنها در چند نانوثانیه ()اتفاق میافتد. بسیاری از پیوندهای غیر کووالان مابین گروههای مختلفماکرومولکولی در عرض چند نانوثانیه تشکیل و شکسته میشوند. حتی واکنشهایخیلی سریع و غیر قابل اندازه گیری نیز وجود دارد. مشخص شده است که اولینواکنش در عمل دیدن ، تغییر در ساختمان ترکیبات جذب کننده فوتون به نامرودوپسین میباشد که در عرض اتفاق میافتد.
انرژی

ما بایستیتغییرات انرژی را به حوادث مولکولی ربط دهیم. منبع انرژی برای حیات ،خورشید است. برای مثال ، انرژی فوتون سبز ، حدود 57 کیلوکالری بر مول(Kcal/mol) بوده و ATP ، فرمول عمومی انرژی ، دارای انرژی قابل استفاده بهاندازه 12 کیلوکالری بر مول میباشد. برعکس ، انرژی متوسط هر ارتعاش آزاددر یک مولکول ، خیلی کم و در حدود 0،6 کیلوکالری بر مول در 25 درجهسانتیگراد میباشد. این مقدار انرژی ، خیلی کمتر از آن است که برای تجزیهپیوندهای کووالانسی مورد نیاز است، (برای مثال 83Kcal/mol برای پیوند C _C). بدین خاطر ، شبکه کووالانسی بیومولکولها در غیاب آنزیمها و انرژیپایدار میباشد. از طرف دیگر ، پیوندهای غیر کووالانسی در سیستمهایبیولوژیکی بطور تیپیک دارای چند کیلوکالری انرژی در هر مول میباشند.بنابراین انرژی حرارتی برای ساختن و شکستن آنها کافی است. یک واحد جایگزیندر انرژی ، ژول میباشد که برابر 0،239 کالری است.
ارتباطات قابل بازگشت بیومولکولها

ارتباطاتقابل برگشت بیومولکولها از سه نوع پیوند غیر کووالانسی تشکیل شده است.ارتباطات قابل برگشت مولکولی ، مرکز تحرک و جنبش موجود زنده است. نیروهایضعیف و غیر کووالان نقش کلیدی در رونویسی DNA ، تشکیل ساختمان سه بعدیپروتئینها ، تشخیص اختصاصی سوبستراها بوسیله آنزیمها و کشف مولکولهایسیگنال ایفا میکنند. به علاوه ، اکثر مولکولهای بیولوژیکی و پروسههایدرون مولکولی ، بستگی به پیوندهای غیر کووالانی همانند پیوندهای کووالانیدارند. سه پیوند اصلی غیر کووالان عبارت است از: پیوندهای الکترواستاتیک ،پیوندهای هیدروژنی و پیوندهای واندروالسی آنها از نظر ژئومتری ، قدرت واختصاصی بودن با هم تفاوت دارند. علاوه از آن ، این پیوندها به مقدارزیادی از طرق مختلف در محلولها تحت تاثیر قرار میگیرند.