بیوشیمی چیست؟ — به زبان ساده

بیوشیمی (Biochemistry) علمی است که به مطالعه واکنش‌های شیمیایی می‌پردازد که درون ارگانیسم‌های انجام می‌گیرند. این علم عناصر مختلف را از دو علم بیولوژی و شیمی با هم ترکیب می‌کند. در اوایل قرن بیستم میلادی دانش مذکور به عنوان یک علم جداگانه به رسمیت شناخته شد. متخصصان بیوشیمی یا بیوشیمیست‌ها بر روی مولکول‌های بزرگی مانند پروتئين‌ها، لیپید‌ها و کربوهیدرات‌ها که در واکنش‌های متابولیسمی ارگانیسم‌های مختلف اهمیت دارند و بر فعالیت‌های سلولی موثر هستند، مطالعه می‌کنند. از سویی دیگر، بیوشیمیست‌ها ساختار و نحوه عملکرد مولکول‌هایی نظیر آنزیم‌ها و DNA را نیز بررسی می‌کنند.

تاریخچه بیوشیمی

تحقیقات بیوشیمی از حدود 400 سال گذشته انجام شده است، با این حال اصطلاح بیوشیمی اولین بار، در سال 1903 توسط شیمیدان آلمانی «کارل نوبرگ» (Carl Neuberg) ابداع شده است، از این رو به او لقب پدر این علم داده شد.

مطالعه بیوشیمی در اصل با اختراع میکروسکوپ در سال 1665 توسط «رابرت هوک» (Robert Hooke) آغاز شد. رابرت هوک اولین کسی بود که توانست سلول‌ها را زیر میکروسکوپ مشاهده کند، اما او تنها قادر به ثبت تصاویر سلول‌های مرده در زیر میکروسکوپ خود بود. پس از آن در سال 1674، «آنتون ون لیوونوئک» (Anton van Leeuwenhoek) سلول‌های گیاهی زنده را در زیر میکروسکوپ مشاهده کرد.

در همین زمان که دانشمندان برای اولین بار سلول‌ها را دیده بودند، مشتاق مطالعه آن‌ها و کشف بیشتر در مورد فرآیندهایی که در داخل آن‌ها رخ می‌دهند، بودند. در قرن هجدهم، دانشمند فرانسوی «آنتوان لوران لاووازیه» (Antoine Lavoisier) مکانیسم واکنشی برای فتوسنتز را پیشنهاد کرد، فتوسنتز فرایندی است که به وسیله آن گیاهان مواد غذایی خود را از دی اکسید کربن، آب و نور خورشید تهیه کرده و اکسیژن را در این فرآیند آزاد می‌کنند. وی همچنین اولین شخصی بود که روند تنفس سلولی و روند ساخت مولکول حامل انرژی آدنوزین تری فسفات (ATP) در میتوکندری سلول را مورد بررسی قرار داد.

در قرن نوزدهم، یک باور غالب این بود که «پروتوپلاسم» (Protoplasm)، بخش ژله مانند در داخل سلول، تمام فرآیندهای مربوط به تجزیه مولکول‌های غذایی را انجام می‌دهد. در آن زمان اعتقاد بر این بود که شیمی موجودات زنده ذاتاً با موجودات غیرزنده متفاوت است. در سال 1897، «ادوارد بوچنر» (Eduard Buchner) آزمایشی را انجام داد که توانست این دیدگاه را تغییر دهد. او عصاره‌ای از مخمر تهیه کرد که او را «زیماز» (Zymase) نامید.

اگرچه زیماز حاوی سلول‌های مخمر زنده‌ای نبود، اما هنوز هم می‌توانست گلوکز را برای تولید دی اکسید کربن و اتانول تخمیر کند. پس از کارهای پژوهشی بوچنر، آنزیم‌ها براساس واکنشی که کاتالیز می‌کردند، نام‌گذاری شدند. به عنوان مثال، DNA پلیمراز، آنزیمی است که DNA را با استفاده از نوکلئوتید‌های و بازهای آلی به صورت رشته‌های طویل پلیمری در می‌آورد. لازم به ذکر است که با گسترش مطالعات در مورد آنزیم‌ها مشخص شد که زیماز مخمر چند آنزیم مختلف است که به صورت هماهنگ با یکدیگر فعالیت می‌کنند.

در قرن بیستم پیشرفت‌های زیادی در زمینه مطالعات بیوشیمی انجام شد. «هانس کربس» (Hans Krebs) مکانیسم «چرخه سیتریک اسید» (Citric Acid Cycle) را کشف کرد، این چرخه به عنوان «چرخه کربس» (Krebs Cycle) نیز معروف است. چرخه کربس مجموعه‌ای از واکنش‌هایی است که در طول تنفس سلولی، جایی که گلوکز و اکسیژن به مولکول ATP، دی اکسید کربن و آب تبدیل می‌شوند، انجام می‌گیرد.

در آن زمان، DNA به عنوان ماده ژنتیکی سلول شناخته شده بود و ساختار آن توسط «جیمز واتسون» (James Watson) و «فرانسیس کریک» (Francis Crick) براساس مطالعات پراش پرتو ایکس «روزالین فرانکلین» (Rosalind Franklin) مورد شناسایی قرار گرفته بود.

پیشرفت‌های حاصل در زمینه DNA نوترکیب، مهندسی ژن، نشان گذاری رادیو ایزوتوپ‌ها و ساخت میکروسکوپ الکترونی از ادغام مطالعات زیست شناسی و شیمی به وجود آمدند.

پژوهش‌های بیوشیمی

موضوعات تحقیقات بیوشیمی شامل شناخت مکانیسم‌های آنزیمی و سینتیکی است که پروتئين‌ها را از DNA و RNA و اسیدهای آمینه در طول فرایند رونویسی، ترجمه و فرایندهای متابولیسمی سلول تولید می‌کنند.

فیلم آموزش بیوشیمی عمومی در فرادرس

کلیک کنید

بیوشیمی ارتباط نزدیکی با زیست شناسی مولکولی دارد، این بدان معنی است که ساختار و عملکرد مولکول‌های بیولوژیکی مانند DNA، پروتئین‌ها و سایر ماکرومولکول‌ها در بیوشیمی مورد مطالعه قرار می‌گیرد.

تکنیک‌های زیست شناسی مولکولی اغلب برای مطالعه بیوشیمی به همراه تکنیک‌های مرتبط با رشته‌های دیگر مانند ایمونولوژی و فیزیک مورد استفاده قرار می‌گیرد. از آنجا که تمام اتفاقات دنیای زنده را می‌توان به مولکول‌های کوچک و واکنش‌های شیمیایی تقسیم کرد، بیوشیمی علمی گسترده است که از آن می‌توان در مطالعات انواع شاخه‌های زیست شناسی، از گیاه شناسی گرفته تا ژنتیک مولکولی و داروسازی استفاده کرد.

واکنش‌های شیمیایی در سلول‌ها بیشترین زمینه مطالعاتی بیوشیمی را در بر می‌گیرد، اما مباحث خاص تحقیقاتی بیوشیمی می‌توانند بسیار متفاوت باشند. به عنوان مثال، بیوشیمیست‌ها ممکن است علاقه‌مند به تحقیق در مورد واکنش‌های شیمیایی رخ داده در مغز باشند (از این طریق بیوشیمی با نوروشیمی در ارتباط است) و یا نحوه تقسیم و تمایز سلول‌ها، ارتباط سلولی، اساس شیمیایی نحوه وراثت یا چگونگی شیوع بیماری‌هایی از جمله سرطان در تحقیقات محققان این حوزه مورد پژوهش قرار می‌گیرد.

کاربرد بیوشیمی

علم بیوشیمی در زمینه‌های مختلف زیستی و پزشکی کاربردهای فراوانی دارد که در این بخش به برخی از آن‌ها اشاره می‌شود:

فیلم آموزش بیوشیمی ویتامین ها و هورمون ها

کلیک کنید

• این علم برای شناخت فرایندهای بیولوژیکی که در سلول‌های ارگانیسم‌های مختلف انجام می‌شوند، مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• مطالعات ویژگی‌های مولکول‌های بیولوژیکی برای اهداف مختلف زیستی و پزشکی از جمله دیگر کاربردهایی است که می‌توان به آن اشاره کرد. به عنوان مثال، یک بیوشیمیت، ممکن است در مورد مولکول‌های کراتین مو و ویژگی‌های آن مطالعه کند و از این مطالعه برای تولید شامپوهایی با کراتین بالا برای بهبود سلامت موها استفاده کند.
• بیوشیمیست‌ها می‌توانند برای مولکول‌های زیستی مختلف جایگزینی شناسایی کنند. به عنوان مثال، بیوشیمیست‌ها در تولید شیرین کننده‌های مصنوعی کمک می‌کنند.

• بیوشیمیست‌ها می‌توانند به سلول‌ها برای تولید محصولات جدید کمک کنند، ژن تراپی در حوزه بیوشیمی جای می‌گیرد.

بخش‌های رشته بیوشیمی

همان طور که در بالا اشاره شد، بیوشیمی علم گسترده‌ای است از این رو آن را به شاخه‌های مختلفی طبقه‌بندی کرده‌اند. در اینجا به بررسی برخی از شاخه‌های بیوشیمی می‌پردازیم. به علاوه اگر به منابع جامع برای یادگیری بیوشیمی نیاز دارید، می‌توانید از مجموعه آموزش بیوشیمی آموزش، تمرین، حل مثال و تست فرادرس استفاده کنید.

فیلم آموزش بیوشیمی پزشکی ۱

کلیک کنید

• بیوشیمی متابولیسمی: این بخش از بیوشیمی به مطالعه روند واکنش‌های متابولیسمی بدن انسان مانند متابولیسم قندها می‌پردازد.
• بیوشیمی بالینی: بیوشیمی بالینی شامل کاربرد بیوشیمی در زمینه پزشکی و تشخیص، مطالعه و درمان بیماری است.
• بیوشیمی ساختاری: این شاخه از بیوشیمی به بررسی ساختمان ماکرومولکول‌ها و سایر مولکول‌های درون سلول مانند پروتئین‌ها، آنزیم‌ها و اسیدهای نوکلئیک می‌پردازد.

رشته‌های مرتبط با بیوشیمی

علم بیوشیمی با برخی از شاخه‌های علم بیولوژی که در حوزه مطالعات مولکولی قرار دارند، ارتباط نزدیکی دارد، به طوری که بین بیوشیمی و رشته‌های زیر هم‌پوشانی‌های فراوانی مشاهده می‌شود:

• ژنتیک مولکولی
• داروسازی
• زیست شناسی مولکولی
• شیمی بیولوژی

فیلم آموزش زیست شناسی سلولی و مولکولی – مبانی و مفاهیم مقدماتی در فرادرس

کلیک کنید

مشاغل رشته بیوشیمی

بیوشیمی از جمله علوم ازمایشگاهی به شمار می‌آید. برای کار در زمینه بیوشیمی، فرد باید به انجام تحقیق علاقه داشته باشد و حداقل باید تحصیلات خود را در این رشته تا مقطع کارشناسی ادامه دهد. بسیاری از بیوشیمیست‌ها، محققان اصلی آزمایشگاه‌های تحقیقاتی در دانشگاه‌ها هستند و در این آزمایشگاه‌ها تدریس می‌کنند، برای کسب موقعیت‌های تدریس در آزمایشگاه‌ها افراد نیاز به کسب مدرک دکتری بیوشیمی دارند. در حالی که اکثر بیوشیمیست‌های دارای مدرک دکتری در زمینه‌های پژوهشی فعالیت می‌کنند، برخی از آن‌ها نیز مدرس دانشگاهی هستند و صرفاً در دانشگاه‌ها به تدریس می‌پردازند.

متخصصان بیوشیمی که تحصیلات خود را تا مقطع کارشناسی ارشد ادامه می‌دهند، می‌تواند به عنوان مدیر آزمایشگاه بیوشیمی در مراکز تحقیقاتی، پزشکی و دانشگاهی مشغول به کار شوند. با داشتن مدرک کارشناسی، ممکن است بتوان در جایگاه کارشناس آزمایشگاه در آزمایشگاه‌های دانشگاهی فعالیت کرد. هرچه فرد مدارج تحصیلی بیشتری را در این رشته کسب کند، به طور کلی استقلال بیشتری در آزمایشگاه خواهد داشت. کارشناسان آزمایشگاه بیوشیمی به انجام آزمایشات طراحی شده توسط افرادی با تحصیلات دکتری بیوشیمی می‌پردازند که به عنوان محقق اصلی در آزمایشگاه به شمار می‌آیند.

یک مدیر آزمایشگاه نسبت به یک کارشناس آزمایشگاه مسئولیت‌های بیشتری دارد و ممکن است، تحت هدایت مسئول اصلی، پروژه‌های تحقیقاتی مستقلی را انجام دهد.

گذشته از فعالیت‌های دانشگاهی و آکادمیک، بیوشیمیست‌ها در جایگاه‌های مختلف صنعتی نیز فعالیت می‌کنند. آن‌ها ممکن است در آزمایشگاه‌های دولتی یا در شرکت‌های مختلفی از جمله شرکت‌های کشاورزی، دارویی، بهداشت عمومی یا بیوتکنولوژی کار کنند. برخی دیگر خدمات خاصی را مانند سم شناسی، آسیب شناسی پزشکی و پزشکی قانونی ارائه می‌دهند.

برای اینکه یک بیوشیمیست خوب باشید، باید به تحقیقات زیست شناسی یا شیمی علاقه مند شوید و مهارت‌های آزمایشگاهی مناسب و روش‌های ایمنی را بیاموزید. همچنین داشتن مهارت‌های لازم در زمینه ریاضیات و آمار برای دانشجویان این رشته از اهمیت زیادی برخوردار است، زیرا بیوشیمست‌ها باید بتوانند به آسانی به تجزیه و تحلیل داده‌های حاصل از آزمایش‌های بیوشیمیایی و پزشکی بپردازند و از این طریق به نتایج زیستی حاصل از آن‌ها دست یابند.

توانایی تفکر و کشف ایده‌های جدید برای طراحی آزمایش‌ها از ویژگی‌های مهم یک بیوشیمیست است. بیوشیمیدان‌ها همچنین باید با خواندن مقالات و مطالب در مجلات علمی و شرکت در کنفرانس‌ها‌، اطلاعات علمی خود را به روز نگه دارند، اگرچه برای انجام این کار، آموزش و مطالعه زیادی باید انجام شود، اما زیست شناسان قادر به کشف اطلاعات جدید در مورد شیمی موجودات زنده هستند و در پیشرفت دانش زیستی و پزشکی کمک شایانی می‌کنند.

تحصیل در رشته بیوشیمی

دانشجویان علاقه‌مند به تحصیل در رشته بیوشیمی باید در دوره‌های کارشناسی دروس زیادی را بگذرانند. برای تحصیل در این رشته دانش عمومی درباره زیست شناسی و شیمی ضروری است. بسیاری از دانشگاه‌ها، بیوشیمی را به عنوان یک رشته اصلی ارائه می‌دهند.

فیلم مجموعه آموزش زیست شناسی – از دروس دانشگاهی تا کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

همچنین ممکن است بعد گذاراندن دوره کارشناسی در یکی از رشته‌های زیست شناسی یا شیمی برای ادامه تحصیل در مقطع کارشناسی ارشد، بتوانید در رشته بیوشیمی تحصیل کنید، یعنی یک دانشجو رشته کارشناسی ارشد زیست شناسی نیاز به گذراندن دوره های شیمی دارد (این معمولا الزام کلیه رشته‌های زیست شناسی کارشناسی است) و یک فرد در رشته کارشناسی ارشد شیمی نیز باید دوره های زیست شناسی را طی کند. البته دوره‌های بیوشیمی نیز به طور خاص وجود دارد که دانشجویان باید در طول تحصیل در کارشناسی ارشد این رشته آن‌ دوره‌ها را بگذرانند. علاوه بر این، همان طور که در بالا اشاره شد برای کسب موفقیت و تبدیل شدن به یک بیوشیمیست متخصص نیاز به کسب توانایی مهارت‌های ریاضی و آمار نیز است.

با پیشرفت دانشجویان در دوره کارشناسی، براساس علایق خاص خود، دوره‌های علمی اختصاصی خود را طی می‌کنند. به عنوان مثال‌، دانشجویان می‌توانند در شاخه‌های بیوشیمی در زمینه گیاه شناسی، زیست شناسی مولکولی، بیوفیزیک، علوم زیست پزشکی یا زیست شناسی ساختاری (نحوه تشکیل مولکول ها به سلول‌ها و بافت‌ها) کلاس بگذرانند و پروژه‌های تحقیقاتی خود را انجام دهند.

در ایران رشته بیوشیمی از زیر شاخه‌های زیست شناسی به شمار می‌آید و در دو گرایش بیوشیمی پایه و بیوشیمی بالینی در دانشگاه‌ها ارائه می‌شود. بیوشیمی پایه در دانشگاه‌های تحت نظارت وزرات علوم تدریس می‌شود و دانشجویان این رشته در دانشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی می‌توانند مشغول به کار شوند. از سویی دیگر رشته بیوشیمی بالینی تنها در دانشگاه‌های وزارت بهداشت و طی یک آزمون جداگانه دانشجو پذیرش می‌کند. فارغ التحصیلان رشته بیوشیمی بالینی می‌تواند در آزمایشگاه‌های تشخیص پزشکی و بیمارستان‌ها مشغول به کار شوند.

دروس تدریسی در هر دو رشته تقریبا مشابه هم هستند و تنها در برخی موارد با یکدیگر تفاوت دارند، به طوری که در بیوشیمی پایه دانشجویان با نظریات پایه و کشفیات نوین در زمینه بیوشیمی و اصول و نحوه انجام واکنش‌های بیوشیمیایی و متابولیسمی بدن آشنا می‌شوند، در حالی که در بیوشیمی بالینی ، مباحث بیوشیمی از جنبه پزشکی و تشخیص طبی مورد بررسی قرار می‌گیرند.

به دلیل اهمیت رشته بیوشیمی دانشکده‌ای تحت عنوان مرکز تحقیقات بیوشیمی و بیوفیزیک (IBB) در سال ۱۳۵۴ به منظور تمرکز بر تحقیقات در زمینه بیوشیمی و بیوفیزیک تاسیس شد و اولین دانشجویان رشته بیوشیمی در سال 1356 در این دانشکده پذیرش شدند. در سال 1381 گروه آموزشی بیوشیمی این دانشکده به صورت مستقل کار خود را آغاز کرد.