| موجودات زنده از مولکولهای بیجان ساخته شده‌اند، هنگامی که این مولکولها بطور جداگانه و تک تک مورد مطالعه قرار گیرند، از همه قوانین فیزیکی و شیمیایی شناخته شده ، پیروی می‌کنند. در حالی که موجودات زنده صفاتی دارند که تجمع ساده مواد مختلف با یکدیگر فاقد آن است. |
دید کلی
پانزده تا بیست بیلیون سال قبل ، جهان به صورت انفجار طوفانی از ذرات تحت اتمی داغ پرانرژی ایجاد گردید. ظرف چند ثانیه ، ساده ترین عناصر (
هیدروژن و
هلیم) ایجاد شدند. با انبساط و سرد شدن جهان ، مواد تحت اثر نیروی جاذبه متراکم شده و ستاره‌ها را ایجاد نمودند. بعضی از ستاره‌ها بسیار بزرگ شده و سپس با انفجار ، انرژی لازم برای ترکیب هسته‌های اتمی کوچک و ایجاد عناصر پیچیده‌تر را آزاد کردند.
بنابراین طی بیلیونها سال ، خود زمین و عناصر شیمیایی موجود بر روی زمین فعلی ایجاد شدند. حدود 4 بیلیون سال قبل ، حیات به شکل میکروارگانیسمهای ساده‌ای ظاهر گردید که توانایی استخراج انرژی از مواد آلی یا نور خورشید را داشتند و از عناصر و ترکیبات ساده موجود در سطح زمین ، برای تولید انواع مختلفی از بیومولکولهای پیچیده‌تر استفاده می‌کردند.
بیوشیمی می‌گوید که چطور هزاران بیومولکول مختلف با یکدیگر واکنش نموده تا خصوصیات برجسته موجودات زنده حاصل گردد.
صفات مشخص کننده ماده زنده
داشتن نظام و هماهنگی
یکی از خواص جانداران این است که در نهایت پیچیدگی ، نظم و ترتیب خاص دارند. شناخت ساختمان موجود زنده ، کاری بس دشوار است زیرا این موجودات نه تنها حاوی انواع و اقسام مولکولهای پیچیده هستند بلکه بطور حیرت آوری متنوع بوده و به صورت صدها هزار گونه و تیره‌های مختلف در طبیعت وجود دارند. در مقایسه با جانداران ، مواد بیجان مانند آب و خاک که جاندارن را احاطه کرده‌اند، مخلوطی هستند از مواد شیمیایی مختلف که ساختمانی ساده و تا حدودی نامرتب دارند.
تقسیم بندی وظایف
هر یک از ترکیبات موجود در جانداران دارای نقش و وظیفه مشخصی است این اصل نه تنها در مورد اجزای مختلف سلولی مانند
هسته ،
غشای سلول و... صادق است بلکه درباره تک تک مولکولهای کوچک و بزرگ مانند
اسیدهای آمینه ،
پروتئینها و
اسیدهای نوکلئیک و ... نیز صدق می‌کند.
توانایی مبادله انرژی
جانداران قادرند انرژی را از محیط زیست بگیرند و پس از تغییراتی برای ساخت اجزا خود بکار برند و یا آن را برای حفظ وجود و رشد خود استفاده کنند. به علاوه این انرژی صرف انجام کارهای مکانیکی مانند حرکت نیز می‌شود. در مقایسه با جانداران ، مواد بیجان در اثر کسب انرژی مانند حرارت و روشنایی تجزیه شده و به مولکولهای بیجان دیگری تبدیل می‌شوند.
عمل همانند سازی
مهمترین خاصیت جانداران ، عمل همانند سازی بسیار دقیق آنهاست که می‌توان آن را از مشخصات انحصاری جاندارن دانست. در مقایسه با جاندارن ، تجمع مواد بیجان شناخته شده هیچگونه همانند سازی را از خود نشان نمی‌دهند. به این معنی که مواد بیجان نمی‌توانند ماده‌ای را ایجاد کنند که از لحاظ شکل و ساختمان داخلی همانند خود باشد.
بیوشیمی پدیده حیات
اگر بپذیریم که جانداران نیز مانند اجسام بیجان از تعداد زیادی مولکولهای شیمیایی ساخته شده‌اند،
پس علت وجود اختلاف ذکر شده بین ماده جاندار و بیجان چیست؟ چرا ماده جاندار دارای آنچنان خصوصیاتی است که با مجموعه خواص ساده مواد سازنده آن توجیه پذیر نیست؟ مولکولهای سازنده ماده جاندار از همه قوانین فیزیکی شیمیایی شناخته شده در مورد ماده بیجان پیروی می‌کنند. ولی افزون بر این ، پیوند بین مولکولها در جانداران از اصول دیگری نیز پیروی می‌کند که آنها را بطور کلی "
منطق مولکولی حیات" می‌نامند. این اصول الزاما شامل قوانین فیزیکی و یا نیروهای ناشناسی نبوده ، بلکه همان قواعد کلی هستند که بر ماهیت ، اعمال و پیوندهای مولکولهای خاصی که در موجودات زنده یافت می‌شوند، حکمفرمایی کرده و به آنها این امکان را می‌دهند که به خود سازمان داده و همانند سازی کنند.
بیومولکولها
بیشتر ترکیبات سازنده جانداران از مواد آلی کربن‌داری تشکیل شده‌اند که در آنها
کربن نسبتا احیا شده است و بیشتر بیومولکولها دارای ازت هستند.
پروتئینها و اسیدهای نوکلئیک مولکولهای بسیار پیچیده‌ای هستند که تنها ساختمان تعدادی از آنها شناخته شده است. در انسان حدود پنج میلیون نوع پروتئین مختلف وجود دارد که اگر با سه هزار نوع پروتئین موجود در یک باکتری مقایسه کنیم، گر چه عمل بعضی از آنها شبیه یکدیگر است ولی از نظر ساختمانی با یکدیگر تفاوت دارند.
بیست اسید آمینه مختلف که پروتئینها را می‌سازند و 4
نوکلئوتید مختلف که اسیدهای نوکلئیک را می‌سازند در تمام جاندارن ساختمان یکسانی دارند. مولکولهای ساده‌ای که مصالح ساختمانی مولکولهای بزرگ هستند، هر یک وظایف مختلف دیگری را نیز در جاندار بر عهده دارند. مثلا اسیدهای آمینه برای ساختن هورمونها ،
آلکالوئیدها و پورفیرین و... استفاده می‌شوند. مونوکلئوتیدها علاوه بر شرکت در ساختار اسیدهای نوکلئیک در حمل انرژی شرکت کرده و نقش کوآنزیمی نیز دارا هستند. در سیر تکامل جانداران مصالح ساختمانی طوری انتخاب شده‌اند که قادر باشند وظایف مختلفی را در یک جاندار بر عهده بگیرند.
تولید و مصرف انرژی در متابولیسم
سلولها و موجودات زنده وابسته به منبع دائمی انرژی هستند تا با تمایل شدید موجود در ماهیت یک سیستم برای تخریب شدن و رسیدن به کمترین سطح انرژی ، مقابله نماید. ذخیره و بیان اطلاعات نیاز به مصرف انرژی دارد و بدون آنها ، حتما ساختمانهای دارای اطلاعات ، نامنظم و بی‌معنی می‌شوند. واکنشهای سنتیک که در داخل سلول رخ می‌دهند، نیاز به دادن انرژی دارد. سلولها مکانیسمهای بسیار کارآمدی را برای جفت نمودن انرژی حاصل از نور خورشید یا سوختها با بسیاری از فرآیندهای مصرف انرژی در داخل خود ایجاد نموده‌اند.
آنزیمها توالیهای واکنشهای شیمیایی را تسریع می‌کنند
یک واکنش انرژی‌زا الزاما به سرعت پیشرفت نمی‌نماید. مسیر تبدیل واکنشگرها به محصولها ، تقریبا همیشه مواجه با یک سد انرژی به نام سد
انرژی فعال سازی می‌باشد که می‌بایست برای انجام هر واکنشی بر آن فائق آمد. شکستن پیوندهای موجود و ایجاد پیوندهای جدید ، عموما نیاز به تغییر شکل پیوندهای موجود و ایجاد یک حالت انتقالی با انرژی آزاد بیش از واکنشگر یا محصول دارد. در واقع هر واکنش شیمیایی سلول تنها به دلیل وجود آنزیمها با سرعت قابل اندازه گیری به انجام می‌رسند.
آنزیمها بیوکاتالیستهایی هستند که همانند تمامی کاتالیستهای دیگر ، بدون مصرف شدن منجر به افزایش شدید سرعت واکنشهای شیمیایی اختصاصی می‌گردند. آنزیمها سد انرژی موجود در بین واکنشگر و محصول را کاهش می‌دهند.
انتقال اطلاعات بیولوژیک
برای ادامه حیات گونه‌های بیولوژیک ، لازم است که اطلاعات ژنتیکی مربوط به آنها به شکل پایداری حفظ شده و همچنین این اطلاعات بتوانند در همان زمان با کمترین اشتباه بیان گردند. ذخیره کارآمد و بیان صحیح پیام ژنتیکی ، گونه‌های خاص را مشخص نموده، آنها را از یکدیگر متمایز نموده و تداوم آنها را در طی نسلهای متوالی تضمین می‌نماید. ماهیت و ساختمان سه بعدی ماده ژنتیکی ،
DNA، از جمله کشفیات اصلی و سرنوشت ساز بیولوژی قرن 20 می‌باشد. توالی داکسی ریبونوکلئوتیدها در این پلیمر خطی ، دستورات لازم برای ایجاد سایر اجزا سلولی را کد نموده و در هنگام
تقسیم سلولی ، قالبی را برای تولید مولکولهای DNA مشابه جهت انتقال به سلولهای دختر ، فراهم می‌آورد.
توالی خطی DNA پروتئینهایی را با ساختمان سه بعدی کد می‌نماید.
اطلاعات موجود در DNA به صورت یک توالی خطی (یک بعدی) از زیر واحدهای نوکلئوتیدی کد می‌شوند. ولی بیان این اطلاعات منجر به ایجاد یک سلول سه بعدی می‌گردد. این تغییر از یک بعد به سه بعد در دو فاز رخ می‌دهد. یک توالی خطی داکسی ریبونوکلئوتید در DNA از طریق ساختن RNA ، تولید پروتئنی با توالی اسیدآمینه‌ای خطی مرتبط می‌نماید. این پروتئین به شکل سه بعدی خاصی تا می‌گردد که توسط توالی اسیدآمینه‌ای آن تعیین شده و اساسا توسط واکنشهای متقابل غیر کووالان تثبیت می‌گردد.
نیروهای غیر کووالان
نیروهایی که سبب پایداری و ایجاد ویژگی در ساختمانهای سه بعدی ماکرومولکولها و کمپلکسهای سوپرا‌مولکولی می‌گردند، اکثرا واکنشهای متقابل غیر کووالان می‌باشند. این واکنشها که به تنهایی ضعیف بوده ولی در جمع قوی می‌باشند، شامل
پیوندهای هیدروژنی ، واکنشهای متقابل یونی گروههای باردار ، واکنشهای متقابل واندروالسی و واکنشهای متقابل آب گریز بین گروههای غیر قطبی هستند. ماهیت زودگذر واکنشهای متقابل غیر کووالان ، سبب انعطاف پذیری ماکرومولکولها می‌گردد که برای عملکرد آنها ضروری است.
چشم انداز
درطول بیش از بیلیونها سال تکامل ، واکنشهای شیمیایی و فرایندهای تنظیمی سلولها شدیدا بهبود یافته‌اند. با این وجود بدون توجه به میزان پیچیدگی آن ، ماشین آلی سلولهای زنده با همان قوانین فیزیکی کار می‌کند که عملکرد ماشینهای فیزیکی متکی بر آنهاست. این سری قواعد در مطالعات انجام شده بر روی موجودات تک سلولی نظیر باکتری اشرشیاکلی که استثنائا تابع بررسی بیوشیمیایی و ژنتیکی می‌باشند کاملا مورد تصدیق قرار گرفته‌اند.
موجودات پرسلولی می‌بایست مسائلی را که در موجودات تک سلولی وجود ندارند، نظیر تمایز تخم بارور شده به انواع سلولهای تخصص یافته را حل نمایند. در اینجا نیز همان قواعد مورد استفاده قرار می‌گیرند.
آیا این بیانات ساده و مکانیکی می‌توانند در مورد انسان ، با ظرفیت فوق‌العاده تفکر ، زبان و خلاقیت نیز بکار روند؟ گامهای پیشرفت اخیر بیوشیمیایی به سمت شناخت فرایندهایی نظیر
تنظیم بیان ژن ، تمایز سلولی ، ارتباطات بین سلولی و فعالیت عصبی فوق‌العاده سریع بوده و در حال سریعتر شدن می‌باشند. موقعیت روشهای بیوشیمیایی در حل و تعریف مجدد این مسائل این امید را ایجاد می‌نماید که پیچیده‌ترین اعمال تکامل یافته‌ترین موجودات را بتوان نهایتا در سطح مولکولی شرح داد. شاید پیشرفت در بیولوژی قرن 21 ، درک این موضوع باشد که برای تمامی تنوع موجود در دنیای
بیولوژی ، یک یگانگی و سادگی اساسی در حیات وجود دارد.
مباحث مرتبط با عنوان
