بررسی تفاوتهای بیوشیمی با بیولوژی مولکولی و فیزیولوژی (گیاهی و جانوری)
hemmati manuscriptدکتر روح الله همتی، عضو هیات علمی گروه زیست شناسی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه شهرکرد
تلفن تماس: ۰۳۸۳۲۳۲۴۴۰۱
ایمیل: [email protected]
بیوشیمی دانش بینرشتهای است که فرآیندهای زیستی را با اصول و روشهای علم شیمی بررسی میکند. حوزههای مطالعاتی بیوشیمی در سه گروه قابل دستهبندی میباشند که عبارتند از بیوشیمی ساختار و عمل، بیوشیمی اطلاعات و بیوانرژتیک. بیوشیمی از یکسو بر علوم شیمی و فیزیک و از سویی دیگر بر علم بیولوژی استوار است. قلمرو مطالعات ساختاری بیوشیمیایی کربوهیدرات، لیپید، نوکلئیک اسید، ویتامین و پروتئین را شامل میشود و مطالعات عمل این دانش بینرشتهای بر عمل پروتئینها به ویژه آنزیمها متمرکز است. تفاوت بیوشیمی و بیولوژی مولکولی در این است که بیوشیمیست ها میتوانند بدون توجه به دستنخورده بودن سلول، عصاره سلولی را تهیه نموده و بررسی ساختار بیومولکولها بپردازند. این در حالیست که بیولوژی مولکولی عمدتاً پدیدهها را بررسی میکند و معمولاً مطالعات در درون سلول زنده انجام میشود. بیولوژی مولکولی عمدتاً از اصول یا روشهای رشتههای دیگر از قبیل ژنتیک، بیوشیمی، میکروب، بیوفیزیک و سلولی استفاده نموده تا به هدف خود برسد و فاقد روش و اصول خاص است. این درحالیست که اصول بیوشیمی مثلاً در حوزه سنجش آنزیمی مشخص است و دارای اصول میباشد. محدوده مطالعات بیولوژی مولکولی از نظر تاریخی در فاصله سالهای ۱۹۳۸ تا ۱۹۶۵ بوده است و از کدون ژنتیکی تا ترجمه پروتئین به درون RER یا همان بیوسنتز پروتئین است. در مقابل حوزه مطالعاتی بیوشیمی مطالعات ساختار تمامی بیومولکولها و مطالعات عمل پروتئینها (آنزیمها) بوده است. همچنین، بیوشیمی با فیزیولوژی تفاوت اساسی دارد. فیزیولوژی از علوم آناتومی، بیوشیمی، ژنتیک، بیوفیزیک، میکروبیولوژی و سلولی به صورت کلی و نه مفصل و با جزئیات استفاده نموده تا عمل سلول، بافت، اندام و جاندار را بررسی کند. مطالعات فیزلوژیکی در محیط خارج سلول یا در عصاره سلول تخریبشده انجام نمیشود زیرا فیزیو به معنای جسم دستنخورده و سالم است. فیزیولوژی در مقایسه با بیوشیمی مطالعات ماکروسکوپی و بیوشیمی نسبت به فیزیولوژی مطالعات میکروسکوپی انجام میدهد. ورود به سطح مولکول به معنای ورود به ساختار، اتم، پیوند و الکترون است و برهم کنشها است و تمامی این موارد در حوزه علوم فیزیکی (بیوشیمی) است. اگرچه مرزهای علم درهمشکسته شده است ولی واقعیت این است که مطالعات در سطح مولکولی جزو وظایف تعریفشده فیزیولوژی نیست و در مورد بیولوژی مولکولی هم جزء مولکولی واژه بیولوژی مولکولی در قلمرو تخصصی بیوشیمی و جزء بیولوژی آن در حوزه ژنتیک است. به همین دلیل از نظر تاریخی واژه بیولوژی مولکولی مورد اعتراض شدید بیوشیمیست ها قرار گرفته است.
مقدمه
بیوشیمی یک دانش بینرشتهای است و وظیفه آن مطالعه حیات در سطح مولکولی است. هدف بیوشیمی توصیف فرآیندهای زیستی از زبان مولکولها است و جزئیات را تا سطح اتم توضیح میدهد. به بیانی دیگر بیوشیمی از روشها و مبانی علم شیمی استفاده نموده تا ساختارهای بیو مولکولها را شناسایی نموده و پس از شناسایی ساختار، درک عمل بیومولکول امکانپذیر میشود. اغلب واکنشهای بیوشیمی تکسلولیها و پرسلولیها به صورت یکسان انجام میشوند. برای مثال سوختن گلوکز در مسیر گلیکولیز در باکتری و انسان یکسان است و همه موجودات جهت انتقال اطلاعات ژنتیکی از DNA و RNA استفاده میکنند. مطالعات بیوشیمیایی در سطح مولکولهای یک تکسلولی قابل تعمیم به جاندارن پرسلولی است. فرآیندهای بیوشیمیایی در سه حوزه زیر قابل دستهبندی میباشند:
۱- بیوشیمی مطالعات ساختار و عمل: ساختار شیمیایی و آرایش سهبعدی بیومولکول مورد مطالعه قرار میگیرد. جهت درک رخدادهای زیستی میبایست اتمهای تشکیلدهنده بیومولکول را شناخت تا به عمل دقیق آن بیومولکولها پی برد. برای مثال ساختار آنزیمها، قندها، لیپیدها، نوکلئیک اسیدها و ویتامینها و نیز مکانیسم واکنش های منجر به ساخت و تجزیه این بیومولکولها مورد مطالعه قرار گرفته تا عمل آنها بهتر درک شود. ۲- بیوشیمی اطلاعات: زبان ذخیره و انتقال اطلاعات زیستی نوکلئوتیدها هستند. ژنها از نوکلئوتید ساخته شدهاند. در بیوشیمی فرمولاسیون، برهمکنشها، پیوندها و نیروهای دخیل در تشکیل ساختارهای نوکلئیک اسیدی بررسی شده و مکانیسم واکنشهای آنزیمهای دخیل در ساخت و تجزیه نوکلئیک اسیدها و نیز ساختارهای حاصله بررسی میشود. افزون بر این، مکانیسم واکنشهای انتقال پیام درون سلولی نیز مورد مطالعه قرار می گیرد.۳-بیوانرژتیک: جریان انرژی سلول، واکنشهای انرژی خواه و انرژیزا و نیز واکنشهای جفت شده مورد مطالعه قرار میگیرند. بدون شک بیوانرژتیک یکی از مشکلترین زمینههای مطالعاتی بیوشیمی است. جهت درک بیوانرژتیک بیوشیمیست می بایست مدتی طولانی به مطالعه مفاهیمی از قبیل ترمودینامیک، سینتیک، انرژی آزاد گیبس و به طور کلی بیوشیمی فیزیک بپردازد.
علیرغم اینکه بیش از نیم قرن از ظهور بیوشیمی طی شده است، هنوز هم در محافل علمی از تفاوت بیوشیمی با دیگر زمینه ها از قبیل بیولوژی مولکولی و فیزیولوژی سوال پرسیده می شود. نگارنده در چند سال اخیر همواره با این پرسش مواجه شده است که تفاوت بیوشیمی با بیولوژی مولکولی و فیزیولوژی چیست؟. برخی پرسشگران اعتقاد داشتند که بسیاری از سرفصل های بیوشیمی در بیولوژی مولکولی و فیزیولوژی مورد بحث قرار می گیرد و در این میان ضرورت وجود بیوشیمی زیر سوال قرار دارد. به نظر می رسد که هنوز در ارتباط با اصول و روشهای مطالعاتی بیوشیمی، بیولوژی مولکولی و فیزیولوژی (جانوری و گیاهی) و نیز تفاوتهای آنها ابهاماتی وجود دارد که در این مقاله سعی شده است که به این موارد پرداخته شود. بدیهی است که تمامی رشته های تحصیلی و زمینه های تحقیقاتی ارزشمند هستند و این مقاله سعی ندارد که برتری یک رشته را بر دیگری اثبات نماید و با استفاده از منابع معتبر با رویکرد جستجوی کتابخانه ای و صرفا با هدف تبیین افکار پرسشگران نوشته شده است.
ریشه و تاریخچه ظهور بیوشیمی
تولد بیوشیمی مدرن را به زمان انجام واکنش in vitro فردریش وُهلر دانشمند آلمانی در ۱۸۲۸ نسبت میدهند وی از آمونیاک و سیانیک اسید استفاده نمود و اوره تولید کرد. با وجود این واژه بیوشیمی ۱۰۰ سال قبل به وسیله Carl Neuberg به کار برده شد. بیوشیمی از همگرایی و تلفیق علوم فیزیکی (شامل شیمی و فیزیک) و بیولوژی حاصل شد. تاریخ رخدادهای مهم حیات بیوشیمی و نیز برندگان جوایز نوبل در مسیر رسیدن به بیوشیمی در شکل زیر به تصویر کشیده شده است. زیر نام برندگان جایزه نوبل خط کشیده شده است:
شکل ۱
همانگونه که در شکل ۱ نشان داده شده است شاخه علوم فیزیکی (شیمی و فیزیک) تشکیل دهنده بیوشیمی بر ساختار بیومولکولها و فرمولاسیون آنها تاکید دارد و از قوانین اصلی فیزیک و شیمی جهت مطالعه بیومولکولها استفاده میشود. سنتز اوره توسط وهلر، شیمی کربوهیدراتها توسط پاستور، عمل آنزیم توسط فیشر، تخمیر توسط بوچنر، کریستاله کردن اوره آز توسط سامنر و گلیکولیز توسط امبدن- بیرهوف، چرخه کربس توسط کربس و تعیین ساختار پروتئین توسط پائولینگ همگی بر فرمولاسیون و ساختار بیومولکولها تاکید دارند و این دانشمندان در حوزه علوم فیزیک و شیمی قرار داشتند؛ اما شاخه علوم زیستی تشکیل دهنده بیوشیمی به وسیله بیولوژیست ها طی شده است و در این مسیر بیشتر بر بیولوژی تاکید دارد. در شاخه بیولوژیکی از زمانهای دور تاکنون به ترتیب براون هسته سلول را کشف نمود، سپس تئوری سلول به وسیله شوان ارائه شد، قوانین ژنتیک به وسیله مندل پایه گذاری شد، فردریک میشر DNA را کشف کرد، مطالعه ژنتیک دروزوفیلا توسط مورگان انجام شد، روسکا میکروسکوپ الکترونی را اختراع کرد، عملکرد DNA توسط هرشی و دیگر بیولوژیست ها مطالعه شد. همانگونه که می بینیم شاخه بیولوژیکی تشکیل دهنده بیوشیمی بیشتر حاوی رخدادهای بیولوژیکی است.
نخستین کسانی که خود را بیوشیمیست معرفی نمودند در شاخه علوم فیزیکی (شیمی و فیزیک) قرار داشتند نه در شاخه بیولوژی و در واقع این افراد بیولوژیست نبودند بلکه آنان شیمیست بودند. با توجه به شکل ۱ پس از کشف ساختار DNA توسط واتسون و کریک دو شاخه بیولوژی و علوم فیزیک همگرا شده و تلفیق شدند. زمینه علمی جدید تلفیقی بیوشیمی بود. در تعیین ساختار DNA، مبانی و روشهای فیزیکی شامل کریستالوگرافی اشعه X، مبانی شیمی از قبیل پیوندها و فرمولاسیون و نیز اصول بیولوژیکی از قبیل اطلاعات ژنتیکی وراثت همزمان به کار گرفته شدند تا بغرنج ترین مشکل زیستی آن زمان یعنی ساختار DNA شناسایی و بیوشیمی متولد شود. از ۱۹۵۲ به بعد بیوشیمی رشدی انفجاری و سریع داشته است.
رابطه بیوشیمی و بیولوژی مولکولی
به منظور بررسی رابطه بیوشیمی و بیولوژی مولکولی ابتدا به علت ظهور بیولوژی مولکولی می پردازیم. ظاهر فیزیکی جاندار شامل رنگ، اندازه و استعداد و .. فنوتیپ نامیده می شود. ژنتیک در قرن ۱۹ مشخص نمود که انتقال فنوتیپ از یک نسل به نسل دیگر به دلیل انتقال ژنها انجام می شود. در همان سالها، بیوشیمیست ها نیز در قرن ۱۹ اثبات نمودند که پروتئین در بروز فنوتیپ خاص تاثیر دارد؛ اما به مدت چندین سال چگونگی تبدیل کدهای ژنتیکی به پروتئین (بیوسنتز پروتئین) به صورت راز باقی مانده بود. دو بیوشیمیست بنامهای Mahlon Hoagland و Paul Zamecnik توانستند در ۱۹۴۰ وجود tRNA و انرژی لازم جهت اتصال آمینو اسیدها به آن را اثبات نمایند از ۱۹۵۳ تا ۱۹۶۵ با مشارکت بیوشیمیست ها که مطالعات in vitro را انجام می دادند و بیولوژیست های مولکولی (عمدتا ژنتیک دان بودند) که مطالعات بیولوژیکی (موجود زنده) را انجام می دادند اسرار بیوسنتز پروتئین کشف شد. در این مدت بیوشیمیست ها ۲۰ نوع آمینو اسید را کشف کردند، وجود پیوند پپتیدی بین آمینو اسیدهای پروتئین ها را اثبات نمودند، فعال شدن آمینو اسید از طریق ATP آنهم قبل از اتصال به tRNA را کشف نمودند. Zamecnik کاشف tRNA همکاری بیوشیمیست ها و بیولوژیست های مولکولی در طی آن سالها جهت کشف اسرار بیوسنتز پروتئین به حفر تونل از دو سمت تشبیه می کند. او می گوید بیولوژیست های مولکولی از یک سمت از علم ژنتیک استفاده نموده مباحث وراثت، ژن، انتقال ژن از طریق ترانسفورماسیون، ماده ژنتیکی ویروس و باکتریوفاژ و ارتباط DNA و پروتئین را بررسی نموده و از سمت دیگر نیز بیوشیمیست ها ساختار پروتئین ، tRNA و چگونگی فعالسازی آمینو اسید از طریق ATP جهت اتصال به این RNA را کشف نموده و به فعالیت آنزیم های دخیل در این فرآیندها پی بردند تا در میانه تونل به هم رسیده و کار به انجام رسید. حوزه مطالعاتی بیولوژی مولکولی از کدون نوکلئیک اسیدی شروع شده و به پروتئین و در یک کلام به بیوسنتز پروتئین ختم می شود. پس از کشف ساختار DNA، بیوشیمی با بیولوژی مولکولی پیوندی ناگسستنی پیدا کرد. واژه بیولوژی مولکولی نخستین بار توسط بنیاد Rockefeller در سال ۱۹۳۸ جهت توصیف یک برنامه حمایت مالی جهت به کار بردن ابزارهای علوم فیزیکی در بیولوژی مورد استفاده قرار گرفت. با وجود اینکه رویکردهای بیوشیمی و بیولوژی مولکولی در گذشته جهت حل مسائل متفاوت بودهاند ولی اهداف مشابه داشتهاند. بیولوژیست های مولکولی بر مطالعه نوکلئیک اسید (DNA و RNA) به عنوان ماده ژنتیکی تمرکز دارند و ضمن استفاده از برخی تکنیکهای دستگاهی از ژنتیک مولکولی به عنوان ابزار بیولوژیکی تجربی استفاده نموده تا برای مثال DNA نوترکیب تولید کنند. بیوشیمیست ها بر مطالعه ساختار بیومولکولها و عمل مرتبط با آن ساختارها تمرکز دارند. بیوشیمیست ها قبلا بیشتر از ابزارهای اندازهگیری فیزیکی و شیمیایی استفاده مینمودند ولی امروزه از ابزارهای بیولوژی مولکولی همانند DNA نوترکیب استفاده نموده تا به اهداف خود برسند به همین دلیل مرز بین بیولوژی مولکولی و بیوشیمی عملا ناپدید شده است. امروزه بیوشیمیست ها بایستی هم جزئیات چرخه سلول و هم جزئیات چرخه کربس، مسیر گلیگولیز و چرخه اوره را بدانند. از سویی دیگر بیولوژیست های مولکولی نیز بایستی از ساختارهای شیمیایی بیومولکولها اطلاعات کافی داشته باشند.
بیولوژی مولکولی جهت مطالعه جنبه عملکرد بیومولکول از علم ژنتیک و جهت مطالعه جنبه ساختار بیومولکول از علم بیوشیمی استفاده می کند. حوزه مطالعات ژنتیک عملکرد نوکلئیک اسیدها است. حوزه مطالعات ساختاری بیوشیمی، لیپیدها، ویتامین ها، کربوهیدرات ها، پروتئین ها و نوکلئیک اسیدها را شامل می شود. همانگونه که در دیاگرام فوق می بینیم در حوزه نوکلئیک اسیدها بین ژنتیک مولکولی و بیوشیمی همپوشانی وجود دارد. ساختار و عمل نوکلئیک اسیدها هر دو جهت درک بیومولکول ضرورت دارند و انکار ناپذیر هستند. بیولوژی مولکولی حلقه واسط بیوشیمی و ژنتیک محسوب شده و و رخدادهای مولکولی از ژن تا پروتئین را به یکدیگر متصل نموده و بدین ترتیب پیوند ناگسستنی میان بیولوژی مولکولی، ژنتیک و بیوشیمی ایجاد شده است. بیولوژی مولکولی شامل تکنیک و ایده است. این زمینه علمی از تکنیک هایی از قبیل کلونیگ، PCR، ژل الکتروفورز، بلاتینگ و میکرواَری و نیز از ایده ها و روشهای بیوشیمیایی و ایده های ژنتیکی استفاده می کند. بیولوژی مولکولی با گذشت زمان توانسته است ایده های مختلفی از ژنتیک، بیوشیمی، بیوفیزیک، میکروبیولوژی و ایمنولوژی را در خود ادغام نماید. علیرغم اهداف یکسان بیوشیمی و بیولوژی مولکولی ممکن است این سوال در ذهن ایجاد شود که تفاوت بیوشیمی و بیولوژی مولکولی چیست؟
واقعیت این است که از نظر تاریخی بیوشیمیست ها بیشترین انتقاد و اعتراض را به واژه بیولوژی مولکولی داشته اند. در ۱۹۵۰ پروفسور Norman Davidson از دانشگاه گلاسکو و متخصص بیوشیمی نوکلئیک اسیدها اعلام کرد اساسا به چیزی به نام بیولوژی مولکولی با هویتی مستقل اعتقاد ندارد؛ اما منتقد سرسخت دیگر بیولوژی مولکولی استاد سرشناس دانشگاه کلمبیا و بیوشیمیستی بنام پروفسور Erwin Chargaff بود. او تعریفی تامل برانگیز از بیولوژی مولکولی دارد و می گوید: «بیولوژی مولکولی همان تمرین بیوشیمی بدون مجوز است». با توجه به قلمرو مطالعاتی بیوشیمی و ماهیت این رشته تفاوتهایی بین آن و بیولوژی مولکولی وجود دارد؛ اما بهتر این است که از این مباحث جنجالی که بگذریم و به مباحث منطقی بیوشیمیست ها در مورد بیولوژی مولکولی اشاره کنیم. Arthur Kornberg بیوشیمیست آمریکایی و برنده جایزه نوبل سال ۱۹۵۹ می گوید بیوشیمیست ها به طور عملی، جداسازی و شناسایی مولکولهای بیولوژیکی انجام می دهند در حالیکه بیولوژیست های مولکولی به پدیده های بیولوژیکی علاقمند هستند. از نظر او بیولوژیست های مولکولی علاقه مند هستند که رخداد ها را درون سلول دست نخورده بررسی کنند و این بیوشیمیست ها هستند که بدون در نظر گرفتن سلول دست نخورده بیومولکولها را جداسازی نموده، قطعه قطعه نموده و شناسایی آنها را انجام می دهند. به اعتقاد وی بیوشیمیست ها روشهای مشخصی برای انجام مطالعات خود دارند و برای مثال ابتدا پروتئین را تخلیص نموده، در دمای کم کریستاله نموده و با استفاده از ابزارهای فیزیکی مناسب ساختار را تعیین می کنند و به نتیجه مشخص دستیابی پیدا می کنند. در مقابل در مورد بیولوژی مولکولی او اعتقاد دارد که بیولوژیست های مولکولی فاقد روش و اصول مشخص هستند و برای حل یک مشکل به تکنیک ها و اصول رشته های دیگر متوسل شده و رویهمرفته با استفاده مخلوطی از تکنیک ها به نتیجه دست می یابند. معمولا بیوشیمیست ها مطالعات ساختار و عمل (به ویژه در مورد آنزیمها) را بر پروتئین ها متمرکز نموده و بیولوژیست های مولکولی بیشتر بر عملکرد DNA و RNA متمرکز هستند. بییولوژیست های مولکولی جریان انتقال اطلاعات ژنتیکی را دنبال نموده و بیوشیمیست ها جریان انتقال انرژِی را بررسی می کنند. برای مثال زمانی که بیولوژیست های مولکولی در پی یافتن پاسخ به این پرسش بودند که ترتیب نوکئوتید ها یا کدون های ژنتیکی سبب انتقال چه نوع اطلاعاتی به سطح پروتئین می شود بیوشیمیست ها کشف نمودند که انرژی ATP جهت ایجاد اتصال کوالان و تشکیل پروتئین ضرورت دارد. در زیر به برخی از رخدادهای بیولوژی مولکولی اشاره شده است:
۱- در ۱۹۲۸ آنها دریافتند که ترانسفورماسیون ماده ژنتیکی از یک با کتری به دیگری انجام می شود.
۲- در ۱۹۴۴ آنها دریافتند که ماده ژنتیکی انتقال یافته فوق DNA است.
۳- در ۱۹۵۰ آنها دریافتند که فرضیه تترانوکلئوتیدی ساختار DNA فاقد اعتبار است.
۴- در ۱۹۵۳ آنها دریافتند که ساختار DNA دو رشته ای و مارپیچی است.
تفاوت بیوشیمی و فیزیولوژی
به منظور بررسی رابطه بیوشیمی و فیزیولوژی ابتدا تعاریف فیزیولوژی را در فرهنگ لغات مرور می کنیم. در فرهنگ لغات American heritage فیزیولوژی به عنوان علم مطالعه عملکردهای مختلف موجودات زنده (گیاه یا جانور) از قبیل تغذیه، حرکت و تولیدمثل تعریف شده است. در مقدمه کتاب فیزیولوژی پروفسور گایتون آمده است : “هدف فیزولوژی توصیف فاکتورهای فیزیکی و شیمیایی موثر بر ایجاد، تکوین و تداوم حیات موجود زنده است. این موجود زنده از باکتری تا درخت و انسان متغییر است. به دلیل وسعت مباحث فیزیولوژی این علم به فیزیولوژی گیاهی، جانوری، سلولی و میکروبی تقسیمبندی شده است”.
در ابتدای هر بحث یا فصلی در فیزیولوژی ابتدا آشنایی مختصر بر آناتومی دستگاه یا اندام مورد نظر وجود دارد (استفاده از آناتومی در فیزیولوژی). ولی ورود به جزئیات آناتومیکی صورت نخواهد گرفت. هر چند فیزیولوژی عملکرد طبیعی و نحوهی تنظیم اندامها و دستگاههای گیاه یا جانور را مورد بحث قرار میدهد، اما ناگزیر به ورود به مباحث اختالات فیزیولوژیک نیز می باشد. در علم فیزیولوژی اختلال عملکردی اندام ها و دستگاههای مختلف نیز مورد بررسی قرار می گیرد .
در فیزیولوژی پاسخ به سوالاتی از قبیل چگونه نفس میکشیم، قلب چگونه ضربان دارد، چگونه گیاه آب و املاح را منتقل میکند، عصب چگونه به حس کمک میکند، چگونه گیاه فتوسنتز میکند و عضله چگونه منقبض میشود، مطرح است. به عبارتی دیگر فیزیولوژی به این سوالات پاسخ میدهد که چگونه سلولها، اندامها و بافتها نقش خود را ایفا میکنند. از نظر بیوشیمی پس از اتصال داتیو اکسیژن به اوربیتال d اتم آهن مستقر در بالای مرکز هم شعاع اتم آهن کاهش یافته و بدین ترتیب اتم آهن به مرکز هم فرورفته و پروتئین گلوبین متصل به این آهن که از طریق گروه ایمدیازول اسیدآمینه هیستیدین پیوند داده است نیز به سمت هم کشیده شده و مجموعه این عوامل سبب تغییر کنفورماسیون زیرواحدهای اکسیژن شده و این تغییر کنفورماسیون به صورت تعاونی به زیر واحدهای مجاور منتقلشده و اتصال آنها را به اکسیژن مولکولی چندین برابر سرعت میبخشد. این در حالیست که از نظر فیزیولوژی گلبول قرمز در فشاری خاص به اکسیژن متصل شده و آن را در خون حمل میکند. لیزوزیم آنزیمی است که دیواره سلول باکتری را تجزیه میکند از نظر بیوشیمی لیزوزیم نوعی هیدرولاز است که با استفاده از مولکول آب پیوند اتری بتا ۱ به ۴ مربوط به N- استیل گلوکز آمین و N- استیل گالاکتوز آمین را تجزیه مینماید و یا آنزیمی است که پیوند C-O را هیدرولیز میکند، از نظر فیزیولوژی لیزوزیم آنزیمی است که دیواره سلولی را متلاشی نموده و به دلیل عدم تحمل فشار اسمزی سبب مرگ باکتری میشود و از نظر بیولوژی سلولی لیزوزیم آنزیمی است که در دفاع سلولی نقش دارد. بدیهی است که نوع نگاه بیوشیمیست و فیزیولوژیست به رخدادهای سلول زنده یکسان نیست. در فیزیولوژی از علومی از قبیل ژنتیک، بیوشیمی، میکروبیولوژی و بیولوژی سلولی مولکولی و بیوفیزیک استفاده شده تا اعمال سلول، بافت، اندام و جاندار توضیح داده شود؛ اما این موارد مورداستفاده با جزئیات کامل و موشکافانه نیست بلکه به صورت کلی و تا حدی سطحی از این علوم استفاده میشود. لازمه درک عمیق بیوشیمی مطالعه وسیع شیمی آلی، ترمودینامیک، سینتیک و شیمی فیزیک در کنار بیولوژی مولکولی است. جزئیات واکنشهای زیستی از قبیل ثابت تعادل، ثابت سرعت، انرژی آزاد گیبس، انرژی فعالسازی، پیشرفت مرحلهبهمرحله واکنش های بیولوژیکی، گروه های عاملی فعال مولکولها و نقش هرکدام از آنها در مکانیسم عمل آنزیم، سنجش فعالیت آنزیمی، تخلیص پروتئین (آنزیم)، تثبیت آنزیم، پایدارسازی آنزیم، نشر فلورسانس، نوع ساختارهای دوم پروتئینی و … مباحث فیزیولوژی نیستند و به همین دلیل بیوشیمی علیرغم شباهتی کم با فیزیولوژی (گیاهی و جانوری)، تفاوتی بسیار زیاد با آن دارد.
نتیجه گیری
با وجود اینکه هر کدام از علوم فیزیولوژی و بیوشیمی دارای اهمیت غیرقابلانکار میباشند. این تصور که فیزیولوژی (جانوری، گیاهی، سلولی) و بیوشیمی تقریبا یکسان هستند و یا یک فیزیولوژیست مباحث بیوشیمی را کاملا درک میکند، تصوری صحیح نیست و واقعیت این است که تفاوتهای این دو بیش از شباهتهای آنها است. به عقیده نگارنده اگرچه در فیزیولوژی از مباحث بیوشیمیایی از قبیل متابولیسم، مسیرهای آنزیمی دخیل در هضم و جذب، فتوسنتز، سیگنالینگ هورمون و …. به صورت آمیخته و سطحی استفاده میشود تا عملکرد سلول، بافت، اندام و جانور یا گیاه توجیه شود لیکن تمامی این مباحث و مسیرها بیوشیمیایی هستند و در پشت آنها چندین جلد مطلب بیوشیمیایی نهفته است و تبیین ماهیت آنها فقط با علم بیوشیمی امکانپذیر است. اگر بیوشیمی مطالعه بیومولکول را در سطح میکروسکوپی (بار الکتریکی، اوربیتال، پیوند، سه بعدی و …) بررسی میکند، فیزیولوژی نسبت به بیوشیمی مطالعاتی در سطح ماکروسکوپی انجام میدهد و نوع نگاه فیزیولوژی و بیوشیمی به رخدادهای موجود زنده یکسان نیست. فیزیو به منعای جسم و موجود زنده است و تمام مطالعات فیزیولوژی در محدوده سلول زنده است تا جسم یا فیزیو معنا داشته باشد ولی بیوشیمی به سلول دست نخورده توجهی نمی کند. بیوشیمیست بیومولکول را جداسازی نموده، آن را قطعه قطعه نموده، انواعی از مواد یا روشهای شیمیایی یا فیزیکی را به کار برده تا اطلاعات ساختاری بدست آید یا اطلاعات فعالیت آنزیم به دست آید. چنانچه فیزیولوژیست آزمایشها را خارج از سلول دست نخورده انجام دهد دیگر مطالعه او فیزیولوژیکی نیست و بیوشیمیایی است. واقعیت این است که اتمهای شیمیایی بیومولکولها را میسازند و بیومولکولها بافت، اندام و جاندار را ایجاد میکنند. بیوشیمی با جزئیات دقیق واکنشهای بیولوژیکی را بررسی میکند. دقت بیوشیمی به حدی است که به تمامی جزئیات واکنش بیومولکولها می پردازد، بهگونهای که حتی نوع بار الکتریکی، حملات نوکلئوفیلی و الکتروفیلی، از دست دادن و یا گرفتن یک اتم هیدروژن یا یک الکترون نیز نادیده گرفته نمیشود. اگر میخواهیم بدانیم که سلولها و اندامهای جانوران یا گیاهان چگونه عمل میکنند فیزیولوژی به این سوالات پاسخ خواهد داد ولی بیوشیمی علم مطالعه بدن جاندار نیست بلکه علم مطالعه رخدادهای موجودات زنده در سطح مولکول، اتم و الکترون است. در مورد ارتباط بیوشیمی و بیولوژی مولکولی میتوان گفت که بیولوژی مولکولی بر جنبههای بیولوژیکی بیومولکولهای DNA و RNA تمرکز نموده و مبتنی بر علم ژنتیک است این در حالیست که بیوشیمی به جنبههای شیمیایی بیومولکولها توجه نموده و مبتنی بر شیمی و فیزیک است؛ اما بیوشیمی و بیولوژی مولکولی در حال ادغام هستند زیرا به دنبال اهداف یکسان هستند. اهداف آنها این است که پی ببرند ماهیت حیات چیست؟ واقعیت این است که بیولوژی مولکولی از ابزارها و ایده های رشته های مختلفی از قبیل ژنتیک، بیوشیمی، بیوفیزیک، میکروبیولوژی و بیولوژی سلولی استفاده نموده و امروزه در یک دسته بندی کلی مطالعات مولکولی رشته های فوق را تحت عنوان کلی بیولوژی مولکولی می شناسند. از انجایی که مطالعه در سطح مولکولی مستلزم ورود به حوزه مولکول، اتم و زیر اتم و پیوند (حوزه بیوشیمی) است، بیولوژی مولکولی ناگزیر به پیوند با بیوشیمی می باشد، زیرا جزء بیولوژی نام بیولوژی مولکولی کاملا مبتنی بر ژنتیک و جزء مولکولی نام بیولوژی مولکولی کاملا مبتنی بر بیوشیمی است. این بدان معناست که اگر امروزه ما در حوزه تخلیص ، تثبیت ، پایدارسازی و سنجش فعالیت آنزیمی و تعیین ساختار پروتئین و آنزیم، بیوشیمی را فعالتر مشاهده می کنبم نمی توانیم نتیجه گیری کنیم و بگوییم که بیوشیمی یعنی آنزیم یا بیوشیمی یعنی پروتئین، تعریف بیوشیمی تغییری نداشته است فقط بنا بر مقتضیات امروزه حجم زیادی از مطالعات بر روی آنزیم و پروتئین در حال انجام است که شاید در آینده و در شرایط دیگری به سمت بیومولکولهای دیگر غیر از پروتئین شیفت پیدا کند.
منابع و مراجع:
۱-Breo, D., 1993. The double helix—Watson and Crick’s ‘freak find’ of how like begets like. J.Am. Med. Assoc. 269:1040–۱۰۴۵٫
۲- Cohn, M., 2002. Biochemistry in the United States in the first half of the twentieth century. Biochem. Mol. Biol. Educ. 30:77–۸۵٫
۳- Goodsell,D., 1991. Inside a living cell.Trends Biochem. Sci. 16:203–۲۰۶٫
۴- Goodsell, D., 1996. Our Molecular Nature. New York: Copernicus (Springer).
۵-Pederson50 T.,2005. years ago protein synthesis met molecular biology: the discoveries of amino acid activation and transfer RNA.The FASEB Journal.19(12):1583-1584
۶- Ingber,D., 1998.The architecture of life. Sci.Am. 278(1):48–۵۷٫
۷- Srere, P., 2000. Macromolecular interactions: tracing the roots. Trends Biochem. Sci. 25:150–۱۵۳٫
۸-Thieffry,D., 1998.Forty years under the central dogma.Trends Biochem.Sci. 23:312–۳۱۶٫
۹-Watson, J., 2003. A conversation with James Watson. Sci. Am.288(4):67–۶۹٫
۱۰-Wilson, H., 1988. The double helix and all that. Trends Biochem. Sci.13:275–۲۷۸٫
۱۱-Campbell., P .N.,1992. Biochemistry and Molecular Biology,biochemical education. 20 (3): 158-165
۱۲-Smith, E. L.,1981. Biochemistry, in: Campbell P N (editor) Biology in Profile, Pergamon Press, Oxford, pp 120-24
۱۳-Campbell .P .N., 1981. Molecular biology. In Campbell P N (editor) 1981, pp 126-28
۱۴-Kornberg ,A .,1987. The two cultures: chemistry and biology.Biochemistry 26, 6888-6891
۱۵-Darden .L., Craver .C.2002. Strategies in the interfield discovery of the mechanism of protein synthesis. Stud. Hist. Phil. Biol. & Biomed. Sci. 33: 1-28
۱۶-Barrett, K. E., & Ganong, W. F.,2012. Ganong’s review of medical physiology. New York: McGraw-Hill Medical.Hall, J. E., & Guyton, A. C. 2011. Guyton and Hall textbook of medical physiology. Philadelphia, PA: Saunders Elsevier.
۱۷- Strauss .B.S.2016. Biochemical Genetics and Molecular Biology:The Contributions of George Beadle and Edward Tatum,Genetics,203:13-20
۱۸-http://rockefeller100.org/exhibits/show/natural_sciences/molecular-biology