برزت الكيمياء الحيوية كفرعٍ مميزٍ حوالي أوائل القرن العشرين عندما جمع العلماء بين الكيمياء والفيزياء وعلم الأحياء لبحث الكيمياء في النظام الحيوي. وتستكشف كيمياء الكائنات الحية والأساس الجزيئي للتغيرات التي تصيب الخلايا الحية. وتستخدم نظريات الكيمياء.

ما هي الكيمياء الحيوية

تدرس الكيمياء الحيوية Biochemistry المواد الكيميائية والعمليات التي تحدث في النباتات والحيوانات والكائنات الدقيقة والتغيرات التي مرت بها خلال التطور والحياة. هي تتعامل مع كيمياء الحياة وتعتمد على تقنيات الكيمياء التحليلية والعضوية والفيزيائية، وعلى تقنيات الفيزيائيين الذين يهتمون بالأساس الجزيئي للعمليات الحيوية.

كل التغيرات الكيميائية في الكائن الحي وأيضًا تحلل المواد وذلك لكسب الطاقة الضرورية عادةً أو لتراكم الجزيئات المركبة الضرورية للعمليات الحيوية (إجمالًا يطلق عليها عملية الأيض metabolism) وتعتمد هذه التغيرات الكيميائية على نشاط المحفزات العضوية التي تعرف باسم الأنزيمات.

والأنزيمات تعتمد في وجودها بدورها على جهاز الخلية الجيني (الوراثي). وليس من المفاجئ تبعًا لذلك أن تدخل الكيمياء الحيوية في دراسة واستقصاء التغيرات الكيميائية في الأمراض والعقاقير وغيرها من مجالات الطب بالإضافة إلى علم التغذية وعلم الوراثة والزراعة.1

ويعد كل من الكيمياء الحيوية وعلم الأحياء الجزيئي من أكثر الفروع إثارة في العلوم الحديثة. ومعظم الناس يعتبرون الكيمياء الحيوية مرادفة لعلم الأحياء الجزيئي.2

خلفية تاريخية عن الكيمياء الحيوية

في القرن التاسع عشر، حققت الكيمياء بشكلها الحيوي تدريجيًا إنجازًا ماديًا ثابتًا، وقامت الكيمياء العضوية خلال هذا القرن على التقدم الكبير في الكيمياء غير العضوية، ومعًا وبشرح طبيعة الخلية تم وضع الأساس لتطوير الكيمياء العضوية كفرعٍ منفصلٍ.

وكان هناك اكتشافان حاسمان في بدايات 1830 هما اكتشاف الإيزومرية isomerism التي أعطت الملامح الأولى لتركيب الجزيئات العضوية، وتحديد هوية الأنزيمات كـ محفزات catalysts.

في القرن العشرين، أتاحت التقنيات الفيزيائية الجديدة المجال لتحليل تفصيلي للبنية ومنها المجهر الالكتروني وتصوير البلورات بالأشعة السينية.

وعندما نشبت الحرب العالمية الثانية كان الموضوع قد حقق تقدمًا رئيسيًا، فالحرب أدت إلى تقدمٍ تقنيٍّ عظيمٍ، وبعودة السلام تطور علم تصنيع الآلات بسرعةٍ. ومنها الحواسيب الرقمية التي ساعدت أولًا في التحليل، وبعدها بوشر باستخدامها في التحكم المباشر بالآلات.

ثم ظهرت الجينات وتكوينها للحمض النووي، لكن بقي هناك تساؤلان أساسيان وهما: كيف يتم إنتاج هذه الجينات؟ وكيف تعمل؟ وتم توضيح هذه المشكلات لكن بدرجةٍ من التفصيل لم يكن يمكن تخيلها في منتصف القرن العشرين.3

مميزاتها

  • علم أساسي

أصبحت الكيمياء الحيوية تشكل أساس فهم العمليات الحيوية. فهي تزود بتفسيرات لأسباب حدوث عدة أمراض عند البشر والحيوانات والنباتات. كما يمكنها اقتراح طرق لمعالجتها أو التعامل معها.

  • علم عملي

بسبب سعي الكيمياء الحيوية إلى حل التفاعلات الكيميائية المعقدة التي تحدث في تشكيلاتٍ واسعةٍ من الأشكال الحية. فإنها توفر أساسًا عمليًا متقدمًا في الطب والطب البيطري والزراعة والتكنولوجيا. كما تشكل أساس حقولٍ جديدةٍ ممتعةٍ كعلم الوراثة الجزيئي والهندسة الوراثية.

وتطبق المعرفة والنظريات التي طورتها الكيمياء الحيوية في كل حقول الطب والزراعة وفي عدة صناعاتٍ كيميائيةٍ وصحيةٍ ذات صلةٍ. كما أنها فريدة في تزويد العلم والبحث في مجال الهندسة الوراثية ووظائف وبنية البروتين ويعدان مكونان أساسيان في المجال التكنولوجي المتمدد سريعًا.

  • علم متنوع ومتغير

تضم الكيمياء الحيوية عدة تخصصاتٍ فرعيةٍ مثل الكيمياء العصبية والكيمياء الطبية والكيمياء الحيوية السريرية، والكيمياء الحيوية الصيدلية والكيمياء الحيوية الفيزيائية وعلم الوراثة الجزيئي وكيمياء المناعة وغيرها. وقد خلق تطورها مؤخرًا في هذه المجالات روابطًا بين التكنولوجيا والهندسة الكيميائية والكيمياء الحيوية.

  • تدرس الفيزياء وعلم الأحياء الجزيئي وعلم المناعة بنية وسلوك الجزيئات المركبة الموجودة في المادة الحيوية، وطرق تفاعل هذه الجزيئات لتشكيل خلايا وأنسجة وكل الكائن الحي.
  • الكيمياء الحيوية ممتعة مثلًا: في آليات وظائف الدماغ، في الضرب الخلوي وتمميز الخلايا، والتواصل في/ بين الخلايا والأعضاء، والأسس الكيميائية للوراثة والأمراض. ويقوم الاختصاصي بتحديد كيفية عمل الجزيئات الخاصة كالبروتينات والأحماض النووية والسوائل والفيتامينات والهرمونات في مثل هذه العمليات. والتركيز بنوعٍ خاص على تنظيم التفاعلات الكيميائية في الخلايا الحية.4

أنواع الجزئيات التي تدرسها الكيمياء الحيوية

  • الكاربوهيدرات
  • السوائل
  • البروتينات
  • الأحماض النووية

والعديد من هذه الجزيئات هي جزيئاتٌ مركبةٌ تسمى البوليمرات polymers والتي هي موادٌ من وحداتٍ فرعيةٍ متكررةٍ من الجزيئات. وتعتمد جزيئات الكيمياء الحيوية على الكربون.

لماذا تستخدم الكيمياء الحيوية

تستخدم الكيمياء الحيوية لتعلم العمليات الحيوية التي تحدث في الخلايا والكائنات الحية. ويمكن أن تستخدم لدراسة خواص الجزيئات الحيوية، لأغراضٍ متنوعةٍ. مثلًا:

  • يمكن أن يدرس الكيميائي الحيوي خواص الكرياتين في الشعر وكيف يؤثر الشامبو على النعومة أو التجعد.
  • قد يجد الاختصاصي استخدامات للجزيئات الحيوية، مثلًا قد يستخدم الكرياتين السائل كمادةٍ مضافةٍ إلى الطعام.
  • قد يجد الكيميائي الحيوي بديلًا عن جزيءٍ حيويٍّ مألوفٍ، مثل المساعدة على تطوير المحليّات الصناعية.
  • يمكن أن يساعد الخلايا في صنع منتجاتٍ جديدةٍ. فالمعالجة الجينية وكذلك تطوير المعدات والآلات البيولوجية يعدان من ضمن حقل الكيمياء الحيوية.

الفروع ذات العلاقة بها

تعد الكيمياء الحيوية ذات صلةٍ وثيقةٍ بغيرها من العلوم الحيوية التي تتعامل مع الجزئيات. وهناك تداخلاتٌ مهمةٌ بين هذه الفروع:

  • علم الوراثة الجزيئية Molecular Genetics
  • علم العقاقير Pharmacology
  • علم الأحياء الجزيئي  Molecular Biology
  • علم الأحياء الكيميائي (البيولوجيا الكيميائية) Chemical Biology 5

المراجع