ชีวเคมี (Biochemistry) คือ วิชาที่ศึกษาถึงส่วนประกอบทางเคมีของสิ่งมีชีวิต โดยศึกษาถึงโครงสร้างทางโมเลกุลของสารต่างๆ ภายในเซลล์ รวมถึงการศึกษาถึงการเปลี่ยนแปลงของสารจากสารหนึ่งไปอีกสารหนึ่ง การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในเซลล์ รวมถึงการศึกษาถึงการเปลี่ยนแปลงไปมาของสารทั้งหมดภายในเซลล์ที่เรียกว่า เมแทบอลิซึม (Metabolism) โดยจะศึกษาทั้งเมแทบอลิซึมที่เกิดขึ้นตามปกติและขณะเกิดพยาธิสภาพหลังการเกิดโรค ศึกษาการควบคุมปฏิกิริยาภายในสิ่งมีชีวิตโดยเอนไซม์ชนิดต่างๆ การควบคุมวิถีปฏิกิริยาและเมแทบอลิซึม (Pathways and Metabolism) รวมทั้งการศึกษาโครงสร้างของโปรตีน การสังเคราะห์โปรตีน การควบคุมและการแสดงออกของยีน เป็นต้น
นักชีวเคมี (Biochemist)
ปี 1965 สมาคมนักเคมีชีวภาพแห่งอเมริกา (American Society of Biological Chemists) ได้นิยามคำว่า “นักชีวเคมี” (Biochemist) ดังนี้ นักชีวเคมี คือ ผู้ที่ค้นคว้าทดลองโดยใช้เทคนิคทางเคมี ฟิสิกส์หรือชีววิทยา เพื่อศึกษาธรรมชาติทางเคมีและพฤติกรรมของสิ่งมีชีวิต
นักชีวเคมีต้องมีความรู้ด้านใด
นักชีวเคมีจะต้องมีพื้นฐานความรู้ที่ดีในวิชาเคมี ชีววิทยา ฟิสิกส์ สามารถสรุปความรู้พื้นฐานที่สำคัญในแต่ละวิชาได้ดังนี้
1. วิชาเคมี นักชีวเคมีจะต้องมีความรู้ทางด้านอินทรีย์เคมีที่เกี่ยวกับอะตอมซึ่งเป็นองค์ประกอบ
พื้นฐานของสารชีวโมเลกุล เช่น คาร์บอน ไฮโดรเจน ออกซิเจน ไนโตรเจน ฟอสฟอรัสและซัลเฟอร์ เป็นต้น ต้องรู้จักพันธะระหว่างอะตอม คุณสมบัติของหมู่ทำปฏิกิริยา (function group) ความเป็นกรด-ด่าง ค่า pH ค่า pKa บัฟเฟอร์ อัตราเร็วของการเกิดปฏิกิริยาเคมี ตัวเร่งปฏิกิริยา คุณสมบัติของสารละลาย สเปกโทรสโกปี เป็นต้น
2. วิชาชีววิทยา นักชีวเคมีต้องมีความรู้พื้นฐานทางด้านชีววิทยา ได้แก่ ความรู้เรื่องเซลล์และออร์แกเนลล์ การแบ่งเซลล์แบบไมโตซีสและไมโอซีส ลักษณะและหน้าที่ของอวัยวะ วัฏจักรของสิ่งมีชีวิต ห่วงโซ่อาหาร นิเวศวิทยา การจัดไฟลัมและสปีชีส์ ความหลากหลายทางชีวภาพ เป็นต้น
3. วิชาฟิสิกส์ นักชีวเคมีต้องมีความรู้พื้นฐานทางด้านฟิสิกส์ ได้แก่ ความรู้เรื่องแรง อัตราเร็วของการเคลื่อนที่ อัตราเร่ง แรงดึงดูดของโลก หน่วยพลังงานไฟฟ้า คุณสมบัติทางกายภาพของก๊าซและของเหลว หน่วยความยาว เวลา มวล เป็นต้น
ขอบข่ายของวิชาชีวเคมี
ชีวเคมีเป็นวิชาที่ศึกษาถึงส่วนประกอบทางเคมีและกระบวนการต่าง ๆ ของสิ่งมีชีวิตในระดับโมเลกุล แบ่งการศึกษาออกเป็น 3 ระดับ คือ
1. ระดับโมเลกุล ศึกษาถึงธรรมชาติและองค์ประกอบทางเคมีในสิ่งมีชีวิต อันได้แก่ การศึกษาการสังเคราะห์โมเลกุลของคาร์โบไฮเดรต โปรตีน ลิพิด กรดนิวคลีอิก ฮอร์โมน วิตามิน เมแทบอไลต์ แร่ธาตุและน้ำ เป็นต้น
2. ระดับเมแทบอลิซึม ศึกษาถึงการเปลี่ยนแปลงชีวโมเลกุลต่าง ๆ โดยมีเอนไซม์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา การแปรรูปทางเคมีของสารเมแทบอไลต์ต่าง ๆ การเปลี่ยนแปลงพลังงานที่เกิดจากการแปรรูปทางเคมี ซึ่งเรียกว่า “เมแทบอลิซึม”
3. ระดับควบคุม ศึกษากระบวนการต่าง ๆ ที่ควบคุมกระบวนการเมแทบอลิซึม ให้เกิดอย่างมีระเบียบแบบแผน การรักษาสมดุลต่าง ๆ ของร่างกาย
การศึกษาระดับที่ 1 (ระดับโมเลกุล) เรียกว่า ชีวเคมีสถิติ (static) การศึกษาระดับที่ 2 (ระดับเมแทบอลิซึม) และ 3 (ระดับควบคุม) เรียกว่า เคมีพลวัต (dynamic)
หลักการของชีวเคมี
วิชาชีวเคมีมีหลักการใหญ่ ๆ ที่สำคัญ ดังนี้
1. ชีวโมเลกุลทุกชนิดไม่ว่าใหญ่หรือเล็กก็มีหน้าที่และบทบาทต่อสิ่งมีชีวิต
2. ศึกษาโครงสร้างและบทบาทหน้าที่ของชีวโมเลกุลที่ถูกสกัดออกมาจากสิ่งมีชีวิต การศึกษาภายในหลอดทดลอง (in vitro) จะช่วยบอกถึงโครงสร้างหน้าที่ของสารชีวโมเลกุลเหล่านั้นภายในสิ่งมีชีวิต จากนั้นทำการทดสอบให้แน่ชัดโดยการศึกษาบทบาทของชีวโมเลกุลเหล่านั้นในสิ่งมีชีวิต (in vivo)
3. ชีวโมเลกุลทั่ว ๆ ไปจะทำงานได้ดีในน้ำที่มีสภาพที่ไม่เป็นกรดและด่างมากเกินไป มีอุณหภูมิที่สูงกว่าจุดเยือกแข็งของน้ำแต่ต่ำกว่าจุดเดือดของน้ำ
4. ชีวโมเลกุลแต่ละชนิดมีอยู่ในสิ่งมีชีวิตในปริมาณน้อย จึงต้องมีการสร้างขึ้นมาทดแทนในส่วนที่ถูกใช้ไป
5. ปฏิกิริยาต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นในสิ่งมีชีวิตเกือบทั้งหมดต้องอาศัยตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพที่เรียกว่า “เอนไซม์”
6. การทำงานอย่างเป็นระเบียบของชีวโมเลกุลหลาย ๆ ชนิด ถูกกำหนดโดยโครงสร้างของชีวโมเลกุล ตำแหน่งที่อยู่ สภาพแวดล้อม พันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต ซึ่งเป็นไปตามหลัการทางเคมีและฟิสิกส์
7. สิ่งมีชีวิตจะยึดหลักประหยัดพลังงาน (ไม่ใช้ ไม่สะสม ไม่สร้างชีวโมเลกุลที่ไม่จำเป็น)
8. สิ่งมีชีวิตมีการแลกเปลี่ยนและถ่ายทอดพลังงานกับสิ่งแวดล้อม เพื่อใช้ในการสร้างและรักษาสภาพโครงสร้างของสิ่งมีชีวิต
9. สิ่งมีชีวิตมีการจัดเรียงตัวกันของสารต่าง ๆ ที่เป็นองค์ประกอบอย่างสลับซับซ้อนและเป็นแบบแผน เช่น ร่างกายของคนมีลำดับการจัดเรียงโครงสร้างจากอะตอมไปเป็นโมเลกุล จากโมเลกุลเป็นแมโครโมเลกุล แมโครโมเลกุลเชิงซ้อน ออร์แกเนลล์ และ อวัยวะต่าง ๆ ตามลำดับ
10. ส่วนต่าง ๆ ของสิ่งมีชีวิตมีหน้าที่และการทำงานที่จำเพาะ เช่น แขน ขา ตา หู อวัยวะต่าง ๆ มีหน้าที่ที่แตกต่างกันไป มีการทำงานที่จำเพาะ
11. สิ่งมีชีวิตมีการสืบพันธุ์และถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมของตนเองจากรุ่นหนึ่งไปสู่รุ่นหนึ่ง
12. หลักการพื้นฐานทางชีวเคมีของพฤติกรรมอย่างหนึ่งที่ได้จากสิ่งมีชีวิตหนึ่ง มักใช้ได้กับอีกสิ่งมีชีวิตหนึ่งที่มีพฤติกรรมคล้ายกัน
ความสำคัญและประโยชน์ของชีวเคมี
ชีวเคมีเป็นวิชาที่มีความสำคัญวิชาหนึ่งต่อพัฒนาการของเทคโนโลยีชีวภาพ การเกษตร อุตสาหกรรมอาหารและทางการแพทย์ ปัจจุบันได้มีการนำเอาความรู้ด้านชีวเคมีมาแก้ไขปัญหาต่าง ๆ อันจะนำมาซึ่งประโยชน์หลายด้าน เช่น
1. ทางการแพทย์ ชีวเคมีสามารถอธิบายพฤติกรรมทางสรีระวิทยาของร่างกายระดับโมเลกุล เช่น การย่อย การหายใจ การทำงานของระบบประสาท ฮอร์โมน เป็นต้น นอกจากนี้ยังนำเอาความรู้ทางชีวเคมีมาใช้ในการรักษาโรคทางพันธุกรรมต่าง ๆ เช่น โรคธาลัสซีเมีย โรคฮีโมฟีเลีย การนำความรู้เรื่องยีนมาใช้ในการรักษาโรคทางพันธุกรรมที่รักษาไม่ได้ที่เรียกว่า ยีนบำบัด (Gene therapy) และในอุตสาหกรรมการผลิตยาใหม่ ๆ เป็นต้น
2. ทางเกษตร การศึกษากระบวนการสำคัญ ๆ ของพืช เช่น การสังเคราะห์แสง การตรึงไนโตรเจน การเกิดก๊าซเอทิลีน ต้องอาศัยความรู้ทางชีวเคมีมาศึกษาด้วยเพื่อให้เข้าถึงกลไกการทำงานต่าง ๆ ของพืช การผลิตยาปราบศัตรูพืชโดยใช้ฮอร์โมนในการกำจัดแมลง การสกัดสารชีวภาพจากแบคทีเรียมาใช้กำจัดแมลง การผลิตพืชต้านทานโรคและแมลง การปรับปรุงพันธุ์พืชและพันธุ์สัตว์ให้มีความแข็งแรงต้านทานโรค เป็นต้น
3. อุตสาหกรรมอาหาร การผลิตวัสดุที่เป็นประโยชน์จากวัตถุดิบทางการเกษตร เช่น การหมักสุรา การผลิตเอทานอลจากแป้ง การผลิตผงชูรส ล้วนแล้วแต่ต้องอาศัยความรู้ทางชีวเคมีเช่นกัน
สาขาของวิชาชีวเคมี
ปัจจุบันวิชาชีวเคมีได้แบ่งสาขาวิชาย่อย ๆ ได้อีกหลายวิชาดังต่อไปนี้
1. ชีวเคมีเชิงฟิสิกส์ (Physical biochemistry)
2. เอ็นไซม์วิทยา (Enzymology)
3. โปรตีนเคมี (Protein chemistry)
4. ชีวเคมีของไขมัน (Biochemistry of Lipid)
5. ชีวเคมีของคาร์โบไฮเดรต (Biochemistry of Carbohydrate)
6. ชีวเคมีของสารปริมาณน้อย (Biochemistry of Trac Elements)
7. ชีวเคมีของโภชนศาสตร์ (Biochemistry of Nutrition)
8. อณูชีววิทยาหรือชีววิทยาเชิงโมเลกุล (Molecular Biology)
9. จีโนมิกส์ (Genomics) การศึกษามวลรหัสของจีโนม
10. โปรตีโอมิกส์ (Protiomics) การศึกษามวลรหัสของโปรตีน
11. Computational Molecular Biology เป็นวิชาที่ประยุกต์เอาคณิตศาสตร์และคอมพิวเตอร์มาใช้ศึกษาทางอณูวิทยา
12. Molecular Medicine เป็นวิชาที่เอาความรู้ทางอณูวิทยามาใช้ในการรักษาโรค
13. ชีวสารสนเทศศาสตร์ (Bioinformatics) เป็นศาสตร์เกี่ยวกับการจัดเก็บข้อมูลทางชีววิทยา โดยเฉพาะข้อมูลทางพันธุกรรม และข้อมูลลำดับรหัสโปรตีน มาไว้ในฐานข้อมูลและวิเคราะห์ข้อมูลโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย เป็นต้น
ที่มา อรนุช นาคชาติ มหาวิทยาลัยราชภัฏสุรินทร์
https://sci-elearning.srru.ac.th
