Βιοχημεία

Βιοχημεία (αγγλ. Biochemistry), ή αλλιώς βιολογική χημεία, είναι η διεπιστημονική, κοινή περιοχή των βασικών επιστημών της Χημείας και της Βιολογίας, η οποία πραγματεύεται τη μελέτη των χημικών διεργασιών και των ουσιών που περιλαμβάνουν τη λεγόμενη «ζωντανή ύλη», μέσα, αλλά και έξω, εφόσον έχουν οποιαδήποτε σχέση με τους ζωντανούς οργανισμούς. Οι Νόμοι της Βιοχημείας διέπουν όλους τους ζωντανούς οργανισμούς και τις διεργασίες της ζωής τους, αλλά συνεχίζονται, τουλάχιστον για ένα επιπλέον χρονικό διάστημα, ακόμη και μετά το θάνατο του καθενός. Με τον έλεγχο της ροής των πληροφοριών μέσω της βιοχημικής επικοινωνίας (βιοπληροφορική) και της ροής της χημικής ενέργειας μέσω του μεταβολισμού, οι βιοχημικές διεργασίες δείχνουν το τρόπο λειτουργίας και την πολυπλοκότητα του φαινομένου της ζωής.

Γλυκίνη - Το απλούστερο πρωτεϊνικό αμινοξύ και ένα από τα απλούστερα «βιομονομερή».

Για παράδειγμα, σε κάθε ζωντανό κύτταρο, υπάρχει μια κρίσιμη βιολογική διεργασία που ονομάζεται αναπνοή. Αυτή η διαδικασία είναι η μετατροπή της γλυκόζης σε χρήσιμη μορφή ενέργειας, που αποθηκεύεται προσωρινά στην τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP). Η μελέτη της βιοχημείας αποκαλύπτει τις πολλές χημικές διεργασίες που εμπλέκονται για τη μετατροπή της γλυκόζης σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό.

Η βιοχημεία υποδιαιρείται σε τρία (3 κύρια) πεδία, τα οποία είναι:

1. Δομική βιολογία
2. Ενζυμολογία
3. Μεταβολισμός

Κατά τις τελευταίες δεκαετίες του 20^ού αιώνα, η βιοχημεία πέτυχε να εξηγήσει ζωτικές διεργασίες που αφορούν και τα τρία αυτά πεδία. Σχεδόν όλες οι πλευρές των επιστημών ζωής έχουν αποκαλυφθεί και αναπτυχθεί με βιοχημική μεθοδολογία και έρευνα. Η βιοχημεία εστιάζει στην κατανόηση της χημικής βάσης που επιτρέπει στα βιολογικά χημικά είδη να αρχίζουν τις διεργασίες που συμβαίνουν μέσα στα ζωντανά κύτταρα, αλλά και ενδιάμεσα σε αυτά, που με τη σειρά τους σχετίζονται πολύ με τη μελέτη και την κατανόηση των ιστών και των οργάνων, όπως και ολόκληρων των ζωντανών οργανισμών, τόσο δομικά, όσο και λειτουργικά.

Η βιοχημεία είναι στενά συγγενική με τη μοριακή βιολογία, δηλαδή τη μελέτη των μοριακών μηχανισμών στα βιολογικά φαινόμενα.

Μεγάλο μέρος της βιοχημείας ασχολείται με τις δομές, τις λειτουργίες και τις αλληλεπιδράσεις βιολογικών μακρομορίων, όπως οι πρωτεΐνες, τα νουκλεϊκά οξέα, οι υδατάνθρακες και τα λιπίδια, που παρέχουν τη δομή των κυττάρων και διενεργούν πολλές από τις λειτουργίες που είναι συνδεδεμένες με τη ζωή. Ωστόσο, η χημεία των κυττάρων εξαρτάται επίσης και από αντιδράσεις με μικρότερα χημικά είδη. Όχι μόνο μόρια, αλλά επίσης ιόντα και ελεύθερες ρίζες. Αυτά μπορεί να είναι ανόργανα (όπως για παράδειγμα το νερό και τα μεταλλικά ιόντα) ή οργανικά (όπως για παράδειγμα τα αμινοξέα). Οι μηχανισμοί χημικών αντιδράσεων με τους οποίους τα κύτταρα λαμβάνουν, αποθηκεύουν ή και χρησιμοποιούν ενέργεια που προέρχεται από το περιβάλλον τους ονομάζεται μεταβολισμός. Τα ευρήματα της βιοχημείας εφαρμόζονται κυρίως στην ιατρική, στη διατροφή και στη γεωργία. Στην ιατρική η βιοχημεία ερευνά αίτια και θεραπείες για ασθένειες. Στη διατροφή η βιοχημεία ερευνά τη διατήρηση της υγείας και της ευεξίας, καθώς και διατροφικές ελλείψεις. Στη γεωργία, οι βιοχημικοί ερευνούν εδάφη και λιπάσματα. Επίσης, προσπαθούν να ανακαλύψουν τρόπους βελτίωσης της καλλιέργειας και αποθήκευσης καλλιεργειών, καθώς και τον έλεγχο των παρασίτων.

Το πλαίσιο

Μεγάλο μέρος της βιοχημείας ασχολείται με τη μελέτη της σύνθεσης, της δομής, των λειτουργιών και των αλληλεπιδράσεων των κυτταρικών αλλά και διακυτταρικών συστατικών όπως οι πρωτεΐνες, τα σάκχαρα τα λιπίδια, τα νουκλεϊκά οξέα και άλλα βιομόρια και βιοϊόντα, αν και υπάρχει μια σχετική αύξηση της ενασχόλησης με τις διεργασίες και τις αλληλεπιδράσεις και μια σχετική ελάττωση της ενασχόλησης με τις ανεξάρτητες ουσίες καθεαυτές. Ανάμεσα στον τεράστιο αριθμό των διαφορετικών βιομορίων, που πολλά από αυτά είναι πολύπλοκα και σχετικά μεγάλα (συχνά αποκαλούνται «βιοπολυμερή»), αποτελούνται από πολλές όμοιες υπομονάδες (που αποκαλούνται «βιομονομερή»). Κάθε τάξη βιοπολυμερών έχει ένα διαφορετικό σύνολο υπομονάδων, (συνήθως) συγκεκριμένης τάξης βιομονομερών. Για παράδειγμα, μια πρωτεΐνη είναι ένα βιοπολυμερές και αποτελείται υπομονάδες - βιομονομερή, που ανήκουν σε ένα συγκεκριμένο σύνολο περίπου 20 πρωτεϊνικών αμινοξέων. Η βιοχημεία, λοιπόν, ασχολείται κατεξοχήν με τέτοιες σπουδαίες για το φαινόμενο της ζωής, χημικές ουσίες και με τις αντιδράσεις τους, οι οποίες συνήθως ελέγχονται καταλυτικά από ειδικά βιοπολυμερή, που ονομάζονται ένζυμα.

Η Βιοχημεία ασχολείται με τον κυτταρικό μεταβολισμό, αλλά και με το ενδοκρινικό σύστημα, σε επίπεδο πολυκύτταρου οργανισμού, που το επηρεάζει. Διάφοροι τομείς της Βιοχημείας ασχολούνται με τον γενετικό κώδικα, τη σύνθεση πρωτεϊνών, τη μεταφορά ουσιών διαμέσου ημιπερατών μεμβρανών και με τη μετάδοση ηλεκτρικών ή και χημικών μηνυμάτων.

Εδώ και πάνω από 40 χρόνια η βιοχημεία ήταν τόσο επιτυχής εξηγώντας τις διεργασίες της ζωής, που τώρα πλέον σχεδόν όλες οι Βιολογικές Επιστήμες, από τη Βοτανική και τη Γεωπονία ως τη Φαρμακολογία και την Ιατρική βασίζονται σε μεγάλο ποσοστό στη βιοχημική έρευνα. Σήμερα, ο κύριος στόχος της αποκαλούμενης «καθαρής βιοχημείας» είναι η κατανόηση του πώς ακριβώς τα βιομόρια δίνουν εντολές ελέγχου μέσα στα ζωντανά κύτταρα, φαινόμενα που με τη σειρά τους καθορίζουν σε μεγάλο βαθμό τη μελέτη και κατανόηση της λειτουργίας ολόκληρων οργανισμών και των οικοσυστημάτων τους.

• Σημειώνεται πως η Βιοχημεία εξετάζει τα χημικά φαινόμενα που συνδέονται με την έμβια ύλη, σε αντίθεση με τη Βιοφυσική που εξετάζει τα φυσικά φαινόμενα που συνδέονται με τη μη έμβια ύλη.

Ιστορία της Βιοχημείας

Οι Γκέρτυ Κορί (Gerty Cori) και Καρλ Κορί (Carl Cori) κέρδισαν μαζί το Βραβείο Νόμπελ το 1947, για την ανακάλυψή από αυτούς του κύκλου Κορί στο Roswell Park Memorial Institute medium.

Κάποτε πιστεύονταν γενικά ότι η ζωή και τα υλικά της είχαν κάποια ουσιώδη διαφορά, σε κάποια ουσία ή ιδιότητα, που δεν την είχε η μη ζώσα ύλη. Και επομένως, ότι μόνο ζωντανά όντα μπορούν να παράγουν βιομόρια. Έπειτα, όταν το 1828 ο Φρήντριχ Βέλερ (Friedrich Wöhler) δημοσίευσε τη σύνθεση της οργανικής ουρίας από το ανόργανο ισομερές της κυανικό αμμώνιο, απέδειξε ότι είναι δυνατή η τεχνητή σύνθεση οργανικών ενώσεων.

Η σύνθεση της ουρίας ήταν η αυγή της Οργανικής Χημείας, αλλά η αυγή της Βιοχημείας ήταν η ανακάλυψη του πρώτου ενζύμου, της αμυλάσης (που τότε ονομάστηκε «διαστάση»), το 1833 από τον Ανσέλμ Παγιέ (Anselme Paye). Ο Έντουαρτ Μπούχνερ (Eduard Buchner) συνεισέφερε με την πρώτη επίδειξη μιας πολύπλοκης βιοχημικής διεργασίας έξω από ένα κύτταρο, το 1896: Την αλκοολική ζύμωση με κυτταρικά εκχυλίσματα ζύμης. Η πρώτη χρήση του όρου «βιοχημεία» έγινε το 1882 και είναι γενικά αποδεκτό ότι αναφέρθηκε ως «φυσικολογική χημεία». Από τότε, η βιοχημεία προόδευσε, ειδικά από τα μέσα του 20ού αιώνα, με την ανάπτυξη νέων τεχνικών, όπως η χρωματογραφία, η περίθλαση ακτίνων X, η διπλή πόλωση, η ιντερφερομετρία, η φασματοσκοπία NMR, η ραδιοϊσοτοπική επισήμανση, η ηλεκτρονική μικροσκοπία και οι μοριακές δυναμικές προσομοιώσεις. Αυτές οι τεχνικές επέτρεψαν την ανακάλυψη και τη λεπτομερή ανάλυση πολλών βιομορίων και μεταβολικών οδών μέσα στα κύτταρα, όπως η γλυκόλυση και ο κύκλος του κιτρικού οξέος (ή «κύκλος του Κρεμπς»).

Ένα άλλο σημαντικό ιστορικό συμβάν για τη βιοχημεία ήταν η ανακάλυψη του γονιδίου και του ρόλο του ως αποθήκη και μεταφορέας πληροφοριών στο κύτταρο. Αυτό το τμήμα της βιοχημείας συχνά ονομάζεται μοριακή βιολογία. Από τη δεκαετία του 1950 οι Τζέιμς Γουάτσον (James D. Watson), Φράνσις Κρικ (Francis Crick), Ρόζαλιντ Φράνκλιν (Rosalind Franklin) και Μωρίς Γουΐλκινς (Maurice Wilkins) έπαιξαν καθοριστικό ρόλο στη επίλυση του ζητήματος της δομής του DNA και πρότειναν τη σχέση του με τη μεταφορά της γενετικής πληροφορίας. Το 1959, οι Τζωρτζ Μπηντλ (George Beadle) και Έντουαρντ Τάτουμ (Edward Tatum) έλαβαν το Βραβείο Νόμπελ για την εργασία τους σε μύκητες, δείχνοντας ότι ένα γονίδιο παράγει ένα ένζυμο. Το 1988, ο Κόλιν Πίτσφορκ (Colin Pitchfork) ήταν ο πρώτος άνθρωπος που καταδικάστηκε για φόνο με χρήση εξέτασης DNA ως αποδεικτικό υλικό. Αυτό έδωσε ώθηση στην εγκληματολογία. Πιο πρόσφατα, οι Άντριου Φάιρ (Andrew Z. Fire) και Κρεγκ Μίλλοου (Craig C. Mello) έλαβαν το 2006 Βραβείο Νόμπελ για την ανακάλυψη του ρόλου της παρεμβολής του RNA (RNAi), στην αναστολή της γονιδιακής έκφρασης.