Biyokimika

Ang biyokimika o haykapnayan ay pag-aaral ng kimika ng buhay. Ito ang agham na nagtutulay sa pagitan ng biyolohiya at kimika na nag-aaral kung papaano nagkaroon ng buhay mula sa kumplikadong pagsasanib ng mga kimikal. Ito ay isang sanga ng kimika na tumututok sa mga prosesong kimikal ng mga may buhay. Ang artikulong ito ay tumatalakay lamang sa biyokimika sa Daigdig (na base sa carbon at tubig) na ang lahat ng may buhay sa mundo ito. Pinaniniwalaan na ang lahat ng may buhay sa ating mundo ay galing sa iisang ninuno. Ang lahat raw ng may buhay ay magkakakatulad ng kanilang biyokimika kahit na sa rabaw ay parang arbitraryo ito tulad ng henetikong kodigo (genetic code) o kiling (handedness) ng maraming biyomolekula. Sa kasalukuyan, hindi pa alam kung ang ibang biyokimika na gumagamit ng ibang sangkap ay posible o praktikal.
Ang biyokimika ay pag-aaral ng estruktura at trabaho ng mga bahagi ng selula tulad ng protina, hidratos de carbon (carbohydrates), lipido (grasa), asido nukleiko at iba pang biyomolekula. Ang biyolohiyang pangkimika ay tumututok na sagutin ang maraming katanungan na lumilitaw sa biyokimika na gumagamit ng mga kasangkapang nadebelop sa loob ng kimika sintetika.
Kahit maraming iba’t-ibang biyomolekula, ang mga ito ay binubuo ng magkakatulad na paulit-ulit na subyunit (na tinatawag na monomero) na may iba’t-ibang kaayusan. Ang bawat klase ng biyomolekula ay ibang set ng subyunit. Kamakailan, nakatutok ng maigi ang biyokimika sa mga pagsasanib na gumagamit ng mga ensimas (enzymes), at sa mga katangian ng proteina.
Malawak nang naipaliwanag ang biyokimika ng metabolismo ng selula at ng sistemang endókrina. Iba pang larangan ng biyokimika - henetikong kodigo (DNA, RNA), sintesis ng proteina, pahatiran sa balat selula at paghahatid ng mga komuniskasyon sa loob nito.

Pagsulong ng biyokimika

Noong unang panahon, pinaniniwalaang ang buhay ay hindi sumasailalim sa mga batas ng agham katulad ng mga may walang-buhay. Sinasabing ang mga may buhay lamang ang pinaniniwalaang makalilikha ng mga molekula ng buhay (mula sa umiinog na mga biyomolekula). Noong 1828, naglathala si Friedrich Wöhler ng isang papel tungkol sa paggawa ng urea na nagpapakita na maaring lumikha sa laboratoryo ng kumpuwestong organiko. Ang pagkakatuklas ng unang ensimas na diastasa, noong 1833 ni Anselme Payen, ang sinasabing nagsilang sa biyokimika. Bagama’t ang katagang "biyokimika" ay unang ginamit noong 1881, tanggap ng marami na ang pormal na paggamit nito ay ginawa ni Carl Neuber, isang kimikong Aleman, noong 1903. Mula noon, sumulong ang biyokimika lalo na mula nitong kalagitnaan ng siglo 20 sa pagdedebelop ng mga makabagong tekniks tulad ng kromotograpiya, X-ray diffraction, NMR, radioisotopic labelling, electron microscopy at molecular dynamics simulations. Ang mga tekniks na ito ang nagbukas sa pagkakatuklas at masusing pagsusuri ng maraming molekula at mga landasing metabiliko ng selula tulad ng glikolisis at ng gulong Krebs (pag-ikot ng asido sitriko)
Ngayon, ang mga tuklas ng biyokimika ay ginagamit sa maraming larangan mula henetika (o palamanahan) hanggang biyolohiyang pangmolekula, at mula pagsasaka hanggang medisina. Sinasabing ang unang gamit ng biyokimika ay ang paggamit ng lebadura (yeast) sa paggawa ng tinapay 5000 taon ang nakalipas.

Hidratos de carbon (Carbohydrates)

Ang mag-imbak ng enerhiya (lakas) at magbigay balangkas o estruktura sa katawan ang pangunahing tungkulin ng mga hidratos de carbon. Ang mga asukal ay carbohydrates ngunit hindi lahat ng mga hidratos de carbon ay asukal. Tinatayang higit na maraming hidratos de carbon sa Daigdig kaysa ibang pang mga biyomolekula. Ang pinakapayak na carbohydrate ay ang monosakarido na binubuo ng carbon, hidroheno at oksihena sa rationg 1:2:1 (na may pangkalahatang pormula na CnH2nOn, kung saan ang n ay 3 o higit pa). Ang glukosa ang isa sa pinakamahalagang carbohydrates at isang halimbawa ng isang monosakarido. Ang pruktosa ang asukal na nagbibigay tamis sa mga prutas.
Mapagkakawing ang dalawang monosakarido sa pamamagitan ng dehidrasyong sintesis (sintesis na may pag-alis ng tubig) kung saan ang isang atomo ng hidroheno ay inaalis sa isang dulo ng unang molekula and isang grupo ng hidroksil (—OH) ay inaalis naman sa ikalawang molekula. Ang dalawang molekula ay nagdudugtong sa lugar kung saan umalis ang mga atomong nabanggit. Ang H—OH or H2O ay tumitiwalag bilang molekula ng tubig kaya tinatawag na dehidrasyon – pag-alis ng tubig. Ang bagong molekula na binubuo ng dalawang monosakarido ay tinatawag ng disakarido at pinag-iisa ng kawing glikosidiko o ether. Magaganap rin ang pabaliktad na pagsasanib na gumagamit ng tubig upang hatiin ang isang disakarido at gibain ang kawing glikosidiko; ang tawag dito ay hidrolisis. Pinakabantog sa mga disakarido ang sakarosa (sucrose), karaniwang asukal (sa maka-agham na isipan tinatawag itong asukal sa mesa o asukal ng tubo na kakaiba sa ibang mga asukal). Ang sakarosa ay binubuo ng molekula ng glukosa at pruktosa na pinagkawing sa isa’t-isa. Ang isang pang mahalagang disakarido ay ang laktosa na binubuo ng molekula ng glukosa at galaktosa. Kapag nagkakaedad ang tao, ang paggawa ng katawan ng lactasa (lactase), ang ensimang naghihidrolisa sa glukosa at galaktosa ay bumababa. Ang bungang kakulangan nito ay ang – kakulangan sa laktosa na tinatawag ding di kakayahan sa laktosa na nagdudulot ng kabag.
Kapag ang ilang (tatlo hanggang anim) monosakarido ang pinagdugtong-dugtong, ito ay tinatawag na oligosakarido (oligo- "kakaunti o iilan"). Karaniwang ginagamit na pananda o pangsignal ito sa biyokimika.
Polisakarido ang tawag kapag marami nang monosakarido ang pinagdugtong-dugtong. Maari silang pagdugtungin ng tuwid o may sanga. Ang dalawang pinakakaraniwang polisakarido ay ang selulosa (cellulose) at glikoheno na parehong gawa sa paulit-ulit ng molekula ng glukosa. Gawang halaman ang selulosa at mahalagang bahagi ito ng kanilang balat selula (cell wall). Hindi ito nagagawa o natutunaw ng katawan ng tao. Sa kabilang dako, ang glikoheno ay hidratos de carbon ng mga hayop. Ginagamit ito ng tao upang itago ang kanyang enerhiya.
Halos lahat ng may buhay ay umaasa sa glukosa bilang taguan ng kanilang enerhiya (lakas). May ilang katabolikong landasin ang nagsasalikop sa glukosa. Halimbawa, nagigiba ang mga polisakarido sa kani-kanilang monomero (inaalis ng glycogen phosphorylase ang tirang glukosa mula sa glikoheno). Ang disakarido tulad ng laktosa o sakarosa ay napaghihiwalay sa kanilang dalawang bahaging monosakarido. Ang glukosa ay ginagamit ng selula na gumagamit ng mahalagang landasin na may 10-bahagdang na tinatawag na glikolisis (glukolisis) na kung saan ang isang molekula ng glukosa ay ginigiba upang maging dalawang molekula ng pyruvate na nagbubunga rin ng dalawang molekula ng ATP, ang salaping palitan ng mga selula, kasama ang dalawang katumbas na reduksiyon sa paggawa ng NADH mula sa NAD. Hindi ito nangangailangan ng oksiheno. Kung walang oksiheno (o kaya’y walang gamit ang selula sa oksiheno), pinanunumbalik ang NAD sa paggawa ng lactate mula pyruvate (katulad ng sa katawan ng tao halimbawa) o kaya ng etanol sa lebadura. Ang ibang monosakarido tulad ng galaktosa at pruktosa ay magagawang mga intermedyo ng landasing glikolitiko. Sa mga selulang aerobiko na may sapat ng oksiheno tulad ng sa katawan ng tao, patuloy na magagamit ng katawan ang pyruvate. Magagawa itong acetyl-CoA na hindi na mababaliktad na magbibigay ng isang atomo ng carbon bilang dumi ng katawan na carbon dioxide na nagbubunga ng isang molekula ng ATP at ng katumbas na taga-redus bilang NADH. Ang dalawang molekula ng acetyl-CoA (mula sa isang molekula ng glukosa) ay pumapasok naman sa gulong ng asido citriko (citric acid cycle) na nagbubunga pa ng dalawang molekula ng ATP, anim pang NADH at dalawang kaanak na molekula ng FADH2, at nagpapalabas ng mga natitirang atomo ng carbon bilang carbon dioxide. Ang naredus na NADH at FADH2 ay pumapasok naman sa sistemang tawid elektron (electron transport system), kung saan ang mga elektron ay itinatawid sa molekula ng oksiheno na nagbubunga ng tubig at panunumbalik ng orihinal na NAD+ at FAD. Ito ang dahilan kung bakit kailangan ng tao ang oksiheno at nagbubunga palabas ng carbon dioxide. Ang lakas sa paglilipat ng mga elektron mula sa mataas ng estado ng enerhiya sa NADH at FADH2 ay ginamit upang makagawa pa ng 28 molekula ng ATP (dalawa lamang ang nagawa sa glikolisis) upang makabuo ng 32 molekula ng ATP. Malinaw na ang paggamit ng isang organismo ng oksiheno upang lubos na maoksida ang glukosa ay nagbibigay ng ibayong lakas (enerhiya). Ito rin ang dahilan kung bakit lumitaw ang buhay sa lupa matapos makaipon ang atmospera ng sapat na dami ng oksiheno.
Sa mga may gulugod (vertebrates), ang matinding pag-urong o pamumulikat ng muskula ng buto (habang nagbubuhat o tumatakbo halimbawa) ay hindi nakatatangap ng sapat na oksiheno upang matugunan ang kailangang lakas nito at dahil dito nangyayari ang anaerobikong metabolismo kung saan ang glukosa ay nagiging laktato (asido laktiko). Ang atay ay makakagawa ng glukosa sa pamamagitan ng glukoneohenesis. Hindi ito tunay na kabaliktaran ng glikolisis anupat nangangailangan ito ng tatlong ibayong dami ng enerhiya na natamo sa glikolisis (anim na molekula ng ATP ang nagamit kumpara sa dalawang natamo sa glikolisis). Kapares ito sa itaas na pagsasanib, ang nagawang glukosa ay sasailalim sa glikolisis sa kalamnan na nangangailangan ng lakas, itago bilang glikoheno (o gawgaw sa mga halaman), o makagawa ng ibang monosakarido o makabuo ng mga di- o oligosakarido.

Protina

Katulad ng mga Hidratos de carbon, ilang proteina ay may papel pangbalangkas (estruktura). Halimbawa, ang paggalaw ng proteinang aktin (actin) at miyosin (myosin) ang responsable sa kontraksiyon ng muskula ng pangbuto. Ang isang katangiang mayroon ang maraming proteina ay ang kanilang pagigingmapili sa pakikitalik sa molekula o klase ng molekula – maselan at mapili sila kung kanino kakawing. Ang mga antibodies ay halimbawa ng mga proteinang nakikipagtalik lamang sa isang tiyak na uri ng molekula. Sa katunayan, ang enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) na gumagamit ng antibodies ay isa sa mga pinakasensitibong pagsubok na ginagamit sa makabagong medisina upang matiktikan ang iba’t-ibang biyomolekula. Ang pinakamahalaga na rito ay ang mga ensimas. Ang mga kamangha-manghang molekulang ito ay nakakakilala sa mga tiyak ng molekulang sasaniban na tinatawag na simuno (substrates). Ito ay isang katalisador na nagpapabilis ng pagsasanib. Pinabababa nito ang enerhiya ng aktibasyon sa paggamit ng ensimas upang mapabilis ang pagsasanib ng 1011 o higit pang ulit. Ang isang pagsasanib na karaniwan ay 30000 taong upang makumpleto ay magaganap lamang ng walang isang segundo kung may tamang ensimas. Ang ensimas ay hindi naglalaho sa proseso bagkus malaya itong makapagpapabilis sa mismong pagsasanib na gumagamit ng iba namang simuno. Sa paggamit ng iba’t-ibang panimpla (modifiers), ang kaliksihan ng isang ensimas ay nakokontrol at pati na rin ang biyokimika ng selula sa kabuuan nito.
Sa madaling salita, mga kadena ng asido amino ang mga proteina. Ang isang asido amino ay binubuo ng isang atomo ng carbon na nakawing sa apat na grupong punsiyonal. Ang isa ay grupong amino, —NH2, at ang isang ay grupong asido carboksiliko , —COOH (gayunman ito’y umiinog bilang —NH3+ at —COO− sa ilalim ng mga pisyolohikong kundisyones). Ang ikatlo ay isang simpleng atomo ng hidroheno. Ang ika-apat na grupo ay karaniwang ipinakikita bilang "—R" at iba-iba ito sa bawat asido amino. May dalawampung istandard na asido amino. Ang ilan ay may sariling tungkulin at ang iba ay binagong anyo; halimbawa ang glumate ay nagtatrabaho bilang mahalagang neurotransmitter (tagahatid senyas ng nerbyo).
Ang kawing peptidikos (peptide bond) ang nagdudugtong-dugtong sa mga asido amino sa isa’t-isa. Sa dehidrasyong sintesis ng dalawang asido amino, isang molekula ng tubig ang naalis at ang kawing peptidikos ang nagdudugtong sa nitroheno ng grupong amino ng isang asido amino sa carbon ng asido carboksiliko ng karugtong na asido amino. Ang resultang molekula ay tinatawag na dipeptide. Ang maikling kahabaan ng pinagdugtong-dugtong na asido amino (karaniwan ay mababa sa mga 30) ay tinatawag na peptides o polypeptides. Protina ang tawag rito kapag naging mahabang pinagdugtong-dugtong sila. Halimbawa, ang albumin, isang mahalagang proteina sa suwero ng dugo ay naglalaman ng 585 na kalipunan ng asido amino.
Ang estruktura ng mga proteina ay karaniwang ipinakikita sa apat na antas. Ang primaryang estruktura ng isang proteina ay ang kanyang tuwid na pagkakasunod-sunod ng mga asido amino sa kadena nito; halimbawa, "alanine-glycine-tryptophan-serine-glutamate-asparagine-glycine-lysine-...". Ang sekundaryong estruktura ay nauukol sa lokal na hugis nito. May ilang asido amino ay may ugaling umikid na tinatawag na α-helix; ang ilan ay ipinakikita sa itaas na iskema. Ang tersiyarong estruktura ay kabuuang tatlong-dimensiyonal na hugis ng protina. Ang hugis nito ay nababatay sa pakakasunod-sunod ng mga asido amino. Sa katunayan, mababago ang hugis nito kahit na ang isang asido amino ang palitan lamang. Naglalaman ng 146 asido amino ang kadenang β ng hemoglobina; ang pagpapalit ng glutamate sa ika-6 na posisyon ng valine ay nakapagpapabago sa ugali ng hemoglobina lalo na’t nagbubunga ito ng sickle-cell disease. Sa huli, ang kwaternaryong estruktura ay nauukol sa estruktura ng isang protina kasama ang multipleng mga subyunit ng peptide katulad ng hemoglobina at kanyang apat na subyunit. Hindi lahat ng proteina ay may higit sa isang subyunit.
Ang mga kinaing protina ay karaniwang pinahihiwalay-hiwalay sa kanyang saliring asido amino o dipeptide sa maliit na bituka at saka tinutunaw o sinisipsip (absorb) ng katawan. Maaari silang magsamang muli upang makagawa ng bagong protena. Ang intemedyong produkto ng glikolisis, ng pag-ikot ng asido sitriko at ng landas ng pentose phosphate ay maaring magamit upang makagawa ng 20 asido amino. Mayroon nang lahat na kinakailangan ensimas ang karamihan ng mga bakterya at halaman upang makagawa nito. Subalit ang tao at ibang mamalya ay makagagawa lamang ng kalahating bilang ng mga asido amino. Hindi sila makagagawa ng isoleucine, leucine, lysine, methionine, phenylalanine, threonine, tryptophan, at valine. Ito ang tinatawag na mga kailangang asido amino (essential amino acids) dahil kailangan kainin ito mula sa mga pagkain. Ang mga mamalya ay mayroong mga ensimas upang makagawa ng alanine, asparagine, aspartate, cysteine, glutamate, glutamine, glycine, proline, serine, at tyrosine, ang mga di-kailangang asido amino (nonessential amino acids). Dahil hindi nakagagawa ng sapat na dami ng arginine at histidine ang mga ito para sa mga bata at lumalaking hayop, ang dalawang asido aminong ito ay tinatawag ding kailangang asido amino.
Kapag ang grupong amino ay inalis sa isang asido amino, nagiiwan ito ng isang kalansay ng carbon na tinatawag na α-keto acid. Ang mga ensimang tinatawag na mga transaminasas (transaminases) ay madaling makapaglilipat ng grupong amino mula sa isang asido amino (na nagbubunga ng isang α-keto asido) sa isang α-keto asido (na nagbubunga naman ng isang asido amino). Mahalaga ito sa biyosintesis ng asido amino dahil marami sa mga landasin, ang mga intermedyo mula sa ibang biyokimikong landasin ay nagbubunga ng kalansay ng α-keto acid at sa kalaunan ay dinaragdagan ng grupong amino na karaniwan sa pamamagitan ng transaminasyon. At sa lumalaon ay pinagduduktong-dugtong upang makabuo ng isang proteina. Isang kahalintulad na proseso ang ginagamit upang gibain ang mga proteina. Ang una ay hidrolisis nito sa kanya-kanyang asido amino. Ang malayang ammonia (NH3, umiinog bilang ionong ammonium NH4+) sa dugo ay lason sa mga may buhay. Dahil dito, isang maayos na pamamaraan ang kailangan. Ang iba't-ibang hayop ay may iba't-ibang paraan mag-alis nito depende sa pangangailangan ng hayop. Ang mga organismong unicellular (nag-iisang selula) ay simpleng pinalalabas sa kanyang paligid. Katulad rin nito, ang mga karaniwang isdang may tinik ay nag-aalis ng ammonia sa paligid na tubig na agad lumalabnaw para hindi makalason. Sa karaniwan, ang ammonia ay nagiging urea sa mga mamalya sa pamamagitan ng gulong ng urea.

Mga lipidos (Mga grasa)

Ang katagang lipido o grasa ay lumalagom sa malawak at sari-saring molekula at sa isang dako sa lahat ng mga di-humahalo sa tubig na mga kompuwesto o kompuwestong di-polar (nonpolar compounds) na galing mula sa mga may buhay kasama rito ang sebo (waxes), asidong mataba (fatty acids), mga phospholipids, sphingolipids, glikolipidos at terpenoids mula sa mga asidong mataba tulad ng retinoids at steroids. Ang ilan ay aromitiko samantalang ang iba ay hindi. Ang ilan ay nahuhutok samantalang ang iba ay matigas (rigid).
Maraming lipido ang may kaunting katangiang polar rin kahit na di-polar ito sa kabuuan nito. Sa kabuuan, ang bulto ng kanilang estruktura ay di-polar o hidropobiko ("takutin sa tubig"), na nangangahulugang hindi ito mabuting makipagniig sa mga polar na pantunaw tulad ng tubig. Ang ibang bahagi ng kanilang estruktura ay polar o hidropiliko ("malapitin sa tubig") at nakikipagniig sa mga polar na pantunaw tulad ng tubig. Sa kabuuan nila, ito ay molekulang ampiliko (dahil may hidropobiko at hidropilikong bahagi ito). Sa kolesterol, ang punsiyonal na grupong -OH (hidroksil o alkohol) ang grupong polar nito. Sa mga phospholipids, di hamak na malaki at matapang ang pagkapolar nila.

Mga asido nukleiko

Isang kumplikado na may mataas na molekulang bigat at biyokimikang makromolekula ang mga asido nukleiko. Binubuo ito ng kadena ng nucleotide na nagpapatalastas ng impormasyong namamana (genetic information). Ang asido deoksiribonukleiko (DNA) at asido ribonukleiko (RNA) ang pinakakaraniwang asido nukleiko. Nakikita ang mga ito sa lahat ng selulang buhay at mga virus. Tinawag itong asido nukleiko dahil sa karimihan nito ay masusumpungan sa nukleyo (pula) ng selula. Ang asido nukleiko ay palansak na pangalan sa isang pamilya ng mga biyopolimero. Ang mga monomero nito ay tinatawag na nucleotides na binubuo naman ng tatlong bahagi: isang heterosiklikong beis (purina o pirimidina) na naglalaman ng nitroheno, isang asukal na pentosa, at isang grupong phosphate (fosfato). Magkakaiba sa asukal ang iba’t-ibang uri ng asido nukleiko na matatagpuan sa kanilang kadena (e.g. DNA o asido deoksiribonukleiko ay naglalaman ng 2-deoxyribose). Magkakaiba rin ang mga posibleng nitrohenong beis na makikita sa dalawang klase ng asido nukleiko: adenine, cytosine, at guanine ay posible sa RNA at DNA, subalit ang thymine ay posible lamang sa DNA at ang uracil ay posible lamang sa RNA.