‫بیوشیمی به زبان ساده

‫بیوشیمی به زبان ساده: زیست‌شیمی، مطالعه‌ی شیمیایی موجودات زنده، زمینه‌ای گسترده و هیجان‌انگیز است که در آن هر روز اکتشافات مهمی در مورد چگونگی تداوم حیات و علت بیماری‌ها به عمل می‌آید. خصوصاً در این زمینه که سلول‌های زنده چگونه مولکول‌های مورد نیاز برای زندگی را می‌سازند و آن‌ها را به کار می‌برند، پیشرفت سریعی صورت گرفته است. این امر در تشخیص و درمان بیماری‌ها مفید بوده و هم‌زمان زمینه‌ای جدید موسوم به زیست‌فناوری را باز کرده است.

در زیست‌فناوری از طبیعت به عنوان «ماشینی» برای ساخت مواد مفید استفاده می‌شود. برای مثال، انسولین یک زیست‌مولکول پیچیده است که در بدن برای تنظیم سوخت‌وساز قند به کار می‌رود. بدن بیماران مبتلا به دیابت به اندازه‌ی کافی انسولین ندارد و آن‌ها باید با تزریق یا روش‌های دیگر انسولین بدن خود را تأمین کنند. در گذشته، انسولین از بافت حیوانات تهیه می‌شد.

ولی درک بهتر فرایندهای زیست‌شیمیایی، «کِشت» انسولین را میسر ساخته است. یاد گرفته‌ایم که «دستورات» مربوط به ساخت انسولین را به سلول‌های باکتری‌هایی چون ای‌کولای بدهیم تا این باکتری هنگام رشد، انسولین تولید کند. این انسولین را می‌توان برای استفاده‌ی بیماران دیابتی «درو» کرد.

محصولات دیگری، از جمله حشره‌کش‌های طبیعی، نیز با روش‌های زیست‌فناوری تولید می‌شوند. فهم زیست‌شیمی امکان تولید غذاهای سالم‌تر را نیز ممکن کرده است.

سدیم، منیزیم، پتاسیم، کلسیم، فسفر، گوگرد و کلر نیز به مقدار نسبتاً زیادی در بدن وجود دارند. اولین ردیف فلزهای واسطه، هرچند به مقدار بسیار ناچیزی در بدن وجود دارند، ولی برای کارکرد درست بسیاری از آنزیم‌ها (کاتالیزگرهای زیستی) لازم هستند.

کوچک‌ترین واحد سازنده‌ی موجودات زنده، سلول است که ویژگی‌های مشخص حیات، مثل تولید مثل، سوخت‌وساز، جهش و پاسخ به تحریک‌های خارجی را از خود نشان می‌دهد. تجمع سلول‌ها بافت را تشکیل می‌دهند و هر اندام یک موجود زنده‌ی پیچیده از یک مجموعه بافت تشکیل می‌شود.

پس برای درک چگونگی تداوم حیات و بازتولید موجودات زنده، باید ببینیم سلول‌ها چگونه در سطح مولکولی رفتار می‌کنند. این مهم‌ترین موضوع زیست‌شیمی است.

‫عناصر ضروری و کارکردهای عمده (‫بیوشیمی)

‫ می‌دانیم که بسیاری از مواد مصنوعی بسیار مفید هستند. تعداد زیادی از مواد طبیعی نیز بسیار مفیدند: نشاسته، مو، ابریشم، الیاف پنبه و سلولز گیاهان چوب‌دار تنها تعداد اندکی از این موادند.

در این بخش، یک دسته از بسپارهای طبیعی موسوم به پروتئین‌ها را معرفی می‌کنیم که حدود ۱۵ درصد از بدن ما را تشکیل می‌دهند و جرم مولی آن‌ها در گستره‌ی 10610^6106 تا 10910^9109 گرم است. پروتئین‌ها نقش زیادی در بدن انسان دارند. پروتئین‌های فیبری صلابت ساختاری بسیاری از بافت‌ها را تأمین می‌کنند و بخش اصلی ماهیچه، مو، و غضروف را تشکیل می‌دهند.

پروتئین‌های دیگر که به خاطر شکل کروی‌شان پروتئین‌های گلوبولی نامیده می‌شوند، کارگرهای بدن هستند. این پروتئین‌ها اکسیژن و مواد غذایی را حمل و ذخیره می‌کنند، برای هزاران واکنش حیاتی نقش کاتالیزگر دارند، با اجسام خارجی می‌جنگند، در بسیاری از سامانه‌های تنظیمی بدن شرکت می‌کنند و برای فرایند پیچیده‌ی سوخت مواد غذایی الکترون حمل می‌کنند.

در این ساختار، R می‌تواند نشان‌دهنده‌ی گروه‌هایی چون CH3CH_3CH3​، HHH، یا جانشین‌های پیچیده‌تر باشد. این مولکول‌ها به این خاطر آلفا آمینو اسید خوانده می‌شوند که گروه آمینو (−NH2-NH_2−NH2​) همواره به کربن آلفا متصل است. کربن آلفا همان کربنی است که در کنار گروه کربوکسیل (−COOH-COOH−COOH) قرار دارد. ۲۵ آمینو اسیدی که بیشتر از بقیه در پروتئین‌ها دیده می‌شوند، نشان داده شده‌اند.

آمینو اسیدها بر اساس ترکیب گروه‌های R (که زنجیرهای جانبی نیز نامیده می‌شوند) به دو دسته‌ی قطبی و غیرقطبی تقسیم می‌شوند. زنجیرهای جانبی غیرقطبی عمدتاً از اتم‌های کربن و هیدروژن تشکیل شده‌اند، درحالی‌که زنجیرهای جانبی قطبی، اتم‌های نیتروژن و اکسیژن دارند.

این تفاوت بسیار مهم است، زیرا زنجیرهای جانبی قطبی آبدوست و زنجیرهای جانبی غیرقطبی آب‌گریز هستند. این ویژگی بر ساختار سه‌بعدی پروتئین تأثیر می‌گذارد، زیرا پروتئین‌ها در بدن موجودات زنده در محیط‌های آبی قرار دارند.

بسیاری از پروتئین‌ها از واکنش بین آمینو اسیدها تشکیل می‌شوند. برای نمونه، دو آمینو اسید می‌توانند به صورت زیر ترکیب شوند و با حذف آب، یک پیوند C-N تشکیل دهند. اصطلاح پپتید از این ساختار گرفته شده است.

شیمی‌دان‌ها این پیوند را پیوند پپتیدی می‌نامند. پیشوند «دی» نشان می‌دهد که دو آمینو اسید به هم متصل شده‌اند. واکنش‌های دیگر می‌توانند زنجیر را طولانی‌تر کرده، یک پلی‌پپتید و سرانجام یک پروتئین به وجود آورند.

‫ دو آمینو اسید را می‌توان به هر ترتیبی کنار هم قرار داد و به این ترتیب تعداد بسیار زیادی پروتئین ساخت. این تنوع، پروتئین‌های مختلف مورد نیاز اندام‌های بدن را تأمین می‌کند.

ترتیب یا توالی آمینو اسیدهای یک زنجیر پروتئینی، ساختار اولیه نامیده می‌شود. برای مشخص کردن ساختار اولیه، از رمزهای سه‌حرفی آمینواسیدها استفاده می‌کنیم، با این قرارداد که گروه کربوکسیل انتهایی در سمت راست و گروه آمینوی انتهایی در سمت چپ قرار دارد.

نمونه‌ی بارز اهمیت ساختار اولیه پلی‌پپتیدها را می‌توان در تفاوت بین اکسیتوسین و وازوپرسین مشاهده کرد. اکسیتوسین هورمونی است که انقباض رحم و تراوش شیر را آغاز می‌کند، درحالی‌که وازوپرسین فشار خون را بالا می‌برد و کار کلیه را تنظیم می‌کند. هر دوی این‌ها پلی‌پپتیدهای نه‌تایی هستند و تنها در دو آمینواسید با هم تفاوت دارند؛ ولی در بدن انسان وظایف کاملاً متفاوتی را انجام می‌دهند.

تا اینجا، ساختار اولیه‌ی پروتئین‌ها، یعنی توالی آمینواسیدهای زنجیر، مورد بررسی قرار گرفت. اما دیگر وضعیت ساختاری پروتئین، آرایش فضایی زنجیر بلند مولکولی است که به آن ساختار ثانویه‌ی پروتئین می‌گویند.

یکی از ساختارهای ثانویه‌ی متداول، شبیه مارپیچ آلفا است. این ساختار مارپیچی خاصیت کشسانی (فنری) به پروتئین می‌دهد و در پروتئین‌های فیبری، مانند مو، پشم و رباط‌ها دیده می‌شود. ساختار ثانویه‌ی دیگری به نام صفحه‌ی بتا وجود دارد. آرایش پروتئین در ابریشم به صورت صفحه‌ای است و باعث می‌شود تارهای آن قابل انعطاف ولی بسیار محکم و مقاوم در برابر کشش باشند. این ساختار در فیبرهای ماهیچه نیز یافت می‌شود.

همان‌طور که ممکن است تصور کرده باشید، مولکولی به بزرگی یک پروتئین می‌تواند بسیار انعطاف‌پذیر باشد و شکل‌های متنوعی به خود بگیرد. وظیفه‌ای که از پروتئین انتظار می‌رود، بر شکل آن تأثیر می‌گذارد. برای ساختارهای بلند و نازک مانند مو، پشم، ابریشم و رباط‌ها، یک شکل کشیده لازم است. این شکل ممکن است شامل یک ساختار ثانویه‌ی مارپیچ آلفا باشد (مانند کراتین آلفا در مو و پشم یا کلاژن در رباط‌ها) یا ساختار ثانویه‌ی صفحه‌ی بتا (مانند آنچه در ابریشم دیده می‌شود).

بسیاری از پروتئین‌های بدن که کارکرد ساختاری ندارند (مانند آنزیم‌ها) گلوبولی هستند. میوگلوبین یکی از این پروتئین‌هاست که یک مولکول اکسیژن جذب کرده و آن را برای استفاده‌ی سلول نگه می‌دارد. توجه کنید که ساختار ثانویه‌ی میوگلوبین در اصل مارپیچی است، ولی در محل‌هایی که زنجیر برای ایجاد شکل کروی خم می‌شود، مارپیچ آلفا می‌شکند تا پروتئین بتواند پیچ را ایجاد کند.

سخن آخر

هدف ما این است تا این مقاله را بیشتر برایتان بنویسیم تا بهتر بتوانیم آن را کامل نمایید. امیدواریم تا اینجا از این مقاله استفاده نموده و به زودی مقاله مرتبط را به این صفحه پیوند خواهیم داد. لطفا نظرات خود را برایمان بنویسید.

سیگما ایران، به عنوان نماینده انحصاری محصولات سیگما آلدریچ در ایران، با بیش از دو دهه تجربه، طیف گسترده‌ای از مواد شیمیایی، زیست‌شناسی و تجهیزات آزمایشگاهی را برای پژوهشگران و صنایع مختلف ارائه می‌دهد. برای مشاوره تخصصی و اطلاع از موجودی و قیمت محصولات، با کارشناسان مجرب ما در تماس باشید.