జీవ రసాయన శాస్త్రం

జీవ రసాయన శాస్త్రం (Biochemistry) లేదా బయోలాజికల్ కెమిస్ట్రీ అనేది జీవుల లోపల, వాటికి సంబంధించి జరిగే రసాయన ప్రక్రియల (chemical processes) గురించి చేసే అధ్యయనం. ఇది రసాయన శాస్త్రం (chemistry), జీవశాస్త్రం (biology) రెండింటికీ సంబంధించిన ఒక శాఖ. దీనిని ప్రధానంగా మూడు భాగాలుగా విభజించవచ్చు: నిర్మాణాత్మక జీవశాస్త్రం (structural biology), ఎంజైమాలజీ (enzymology), జీవక్రియ (metabolism). 20వ శతాబ్దం చివరలో, జీవ ప్రక్రియలను వివరించడంలో జీవ రసాయన శాస్త్రం చాలా విజయం సాధించింది. నేడు జీవ విజ్ఞాన శాస్త్రం (life sciences) లోని దాదాపు అన్ని రంగాలు జీవ రసాయన పరిశోధనలను ఉపయోగిస్తున్నాయి.Voet (2005), p. 3.

జీవ రసాయన శాస్త్రం ముఖ్యంగా జీవ కణాలు (living cells) లోపల జీవ అణువులు (biomolecules) ఏ విధంగా పని చేస్తాయనే అంశంపై దృష్టి పెడుతుంది. ఇది మన శరీరంలోని కణజాలం (tissues), అవయవాలు (organs) గురించి అర్థం చేసుకోవడానికి కూడా సహాయపడుతుంది.Karp (2009), p. 2.Miller (2012). p. 62. ఈ శాస్త్రం అణు జీవశాస్త్రం (molecular biology) తో దగ్గరి సంబంధం కలిగి ఉంటుంది.Astbury (1961), p. 1124.

జీవ రసాయన శాస్త్రం ప్రోటీన్లు (proteins), న్యూక్లియిక్ ఆమ్లాలు (nucleic acids), కార్బోహైడ్రేట్లు (carbohydrates), లిపిడ్లు (lipids) వంటి పెద్ద జీవ అణువుల (macromolecules) గురించి చర్చిస్తుంది.Eldra (2007), p. 45. కణం లోపల జరిగే రసాయన చర్యలలో చిన్న అణువులు (molecules), అయాన్లు (ions) కూడా పాల్గొంటాయి. ఇవి నీరు (water) వంటి అకర్బన పదార్థాలు కావచ్చు లేదా అమినో ఆమ్లాలు (amino acids) వంటి కర్బన పదార్థాలు (organic compounds) కావచ్చు.Marks (2012), Chapter 14. కణాలు తమకు కావలసిన శక్తిని పర్యావరణం నుండి జీవక్రియ (metabolism) అనే రసాయన చర్యల ద్వారా పొందుతాయి. జీవ రసాయన శాస్త్రం కనుగొన్న విషయాలు వైద్యం (medicine), పోషకాహారం (nutrition), వ్యవసాయం (agriculture) రంగాలలో ఉపయోగపడతాయి. వైద్య రంగంలో జీవ రసాయన శాస్త్రవేత్తలు వ్యాధులు (diseases) తగ్గించడానికి మందులను కనిపెడతారు.Finkel (2009), pp. 1–4. పోషకాహార శాస్త్రం మనం ఆరోగ్యంగా ఎలా ఉండాలో వివరిస్తుంది.UNICEF (2010), pp. 61, 75. వ్యవసాయ రంగంలో శాస్త్రవేత్తలు పంటలను మెరుగుపరచడానికి మట్టి (soil), ఎరువులు (fertilizers) గురించి అధ్యయనం చేస్తారు.

 చరిత్ర   జీవ రసాయన శాస్త్రం మూలాలు ప్రాచీన గ్రీకు కాలం వరకు ఉండవచ్చు.Helvoort (2000), p. 81. కానీ ఇది 19వ శతాబ్దంలోనే ఒక ప్రత్యేక శాస్త్రంగా అభివృద్ధి చెందింది. 1833లో అన్సెల్మే పేయెన్ (Anselme Payen) మొట్టమొదటి ఎంజైమ్ అయిన డయాస్టేస్ (diastase) కనిపెట్టడంతో ఈ శాస్త్రం మొదలైందని కొందరు అంటారు.Hunter (2000), p. 75. మరికొందరు 1897లో ఎడ్వర్డ్ బుచ్నర్ (Eduard Buchner) చేసిన ప్రయోగాన్ని ఉదాహరణగా చెప్తారు. ఆయన కణాలు లేని సారం (cell-free extracts) లో కూడా మద్యం పులియబెట్టడం (fermentation) జరుగుతుందని నిరూపించారు.Hamblin (2005), p. 26. జస్టస్ వాన్ లీబిగ్ (Justus von Liebig) కూడా 1842లో ఈ విషయంపై ఒక ముఖ్యమైన పుస్తకం రాశారు. ఆంటోనీ లావోయిజర్ (Antoine Lavoisier) శ్వాసక్రియపై చేసిన మొదటి అధ్యయనాలు కూడా చాలా ముఖ్యమైనవి.Berg (1980), pp. 1–2. హెర్మన్ ఎమిల్ ఫిషర్ (Hermann Emil Fischer), ఫ్రెడరిక్ గౌలాండ్ హాప్కిన్స్ (Frederick Gowland Hopkins) ఈ రంగంలో ఇతర ముందడుగులు వేసిన ప్రముఖులు.Feldman (2001), p. 206.Rayner-Canham (2005), p. 136.

"బయోకెమిస్ట్రీ" అనే పదం 1858లో విన్సెంజ్ క్లెట్జిన్స్కీ రాసిన పుస్తకంలో కనిపించింది. 1877లో ఫెలిక్స్ హోప్పే-సెయిలర్ (Felix Hoppe-Seyler) ఈ పదాన్ని శరీర ధర్మ రసాయన శాస్త్రం (physiological chemistry) అనే అర్థంలో వాడారు.Ziesak (1999), p. 169. జర్మనీకి చెందిన రసాయన శాస్త్రవేత్త కార్ల్ న్యూబర్గ్ (Carl Neuberg) 1903లో ఈ పదాన్ని సృష్టించారని ఎక్కువ మంది నమ్ముతారు.Ben-Menahem (2009), p. 2982.

1828లో ఫ్రెడరిక్ వోహ్లర్ (Friedrich Wöhler) పొటాషియం సైనైట్, అమ్మోనియం సల్ఫేట్ నుండి యూరియా (urea) తయారు చేశారు. దీనివల్ల "వైటలిజం" (vitalism) అనే పాత నమ్మకం అంతమైపోయింది. అప్పట్లో కేవలం జీవించి ఉన్న ప్రాణులు మాత్రమే జీవ అణువులను తయారు చేయగలవని నమ్మేవారు. 1950 నుండి క్రోమాటోగ్రఫీ (chromatography), ఎక్స్-రే డిఫ్రాక్షన్ (X-ray diffraction) వంటి కొత్త పరికరాలు ఈ శాస్త్రం పెరగడానికి సహాయపడ్డాయి.

1950లలో జేమ్స్ వాట్సన్, ఫ్రాన్సిస్ క్రిక్, రోసలిండ్ ఫ్రాంక్లిన్, మారిస్ విల్కిన్స్ DNA నిర్మాణాన్ని కనుగొన్నారు.Tropp (2012), pp. 19–20. 1958లో జార్జ్ బీడిల్, ఎడ్వర్డ్ టాటమ్ ఒక జన్యువు ఒక ఎంజైమ్‌ను తయారు చేస్తుందని నిరూపించారు.Krebs (2012), p. 32. 1988లో మొదటిసారిగా ఒక హత్య కేసులో DNA ఆధారాలను ఉపయోగించారు. 2006లో ఆండ్రూ ఫైర్, క్రెయిగ్ మెల్లో RNA ఇంటర్ఫరెన్స్ కనుగొన్నందుకు నోబెల్ బహుమతి పొందారు.Chandan (2007), pp. 193–194.

 జీవానికి కావలసిన రసాయన మూలకాలు   జీవం మనుగడ సాగించడానికి సుమారు 24 రసాయన మూలకాలు (chemical elements) అవసరం. సెలీనియం, అయోడిన్ వంటి అరుదైన మూలకాలు తక్కువ మొత్తంలో అవసరమవుతాయి. కానీ అల్యూమినియం వంటి సాధారణ మూలకాలు జీవక్రియలకు అవసరం లేదు. జంతువులన్నింటికీ సోడియం అవసరం, కానీ మొక్కలకు అది అవసరం లేదు. మొక్కలకు బోరాన్, సిలికాన్ అవసరం, కానీ జంతువులకు ఇవి అవసరం ఉండకపోవచ్చు.

జీవ కణాల బరువులో 99% భాగం ఆరు మూలకాలతో తయారవుతుంది: అవి కార్బన్, హైడ్రోజన్, నైట్రోజన్, ఆక్సిజన్, కాల్షియం, ఫాస్పరస్. ఇవి కాకుండా మనుషులకు మరో 18 మూలకాలు చాలా తక్కువ పరిమాణంలో అవసరమవుతాయి.Nielsen (1999), pp. 283–303.

 జీవ అణువులు   జీవ అణువులను (biomolecules) ప్రధానంగా నాలుగు తరగతులుగా విభజించవచ్చు: కార్బోహైడ్రేట్లు, లిపిడ్లు, ప్రోటీన్లు, న్యూక్లియిక్ ఆమ్లాలు.Slabaugh (2007), pp. 3–6. వీటిలో చాలా వరకు మోనోమర్ల (monomers) తో తయారైన పాలిమర్లు (polymers).

 కార్బోహైడ్రేట్లు   కార్బోహైడ్రేట్లు శక్తిని నిల్వ చేస్తాయి, శరీరానికి ఒక నిర్మాణాన్ని ఇస్తాయి. గ్లూకోజ్ అనేది సాధారణంగా మనకు తెలిసిన చక్కెర, కానీ అన్ని కార్బోహైడ్రేట్లు చక్కెరలు కావు. ఇవి భూమిపై అత్యధికంగా లభించే జీవ అణువులు. కణాల మధ్య సమాచార మార్పిడికి కూడా ఇవి ఉపయోగపడతాయి.

సాధారణ కార్బోహైడ్రేట్లను మోనోశాకరైడ్లు (monosaccharides) అంటారు. వీటిలో కార్బన్, హైడ్రోజన్, ఆక్సిజన్ 1:2:1 నిష్పత్తిలో ఉంటాయి. గ్లూకోజ్, ఫ్రక్టోజ్ వంటివి ముఖ్యమైన మోనోశాకరైడ్లు.Whiting (1970), pp. 1–31. రెండు మోనోశాకరైడ్లు కలిస్తే డైశాకరైడ్ ఏర్పడుతుంది, ఉదాహరణకు సుక్రోజ్ లేదా లాక్టోజ్. చాలా మోనోశాకరైడ్లు కలిసి పాలిశాకరైడ్ ఏర్పడుతుంది. సెల్యులోజ్ మొక్కల కణ గోడలను నిర్మిస్తుంది, గ్లైకోజెన్ జంతువులలో శక్తిని నిల్వ చేస్తుంది.

 లిపిడ్లు   లిపిడ్లు నీటిలో సరిగ్గా కరగని అణువులు. వీటిలో మైనం (waxes), కొవ్వు ఆమ్లాలు (fatty acids), ఫాస్ఫోలిపిడ్లు, స్టెరాయిడ్లు ఉంటాయి. ట్రైగ్లిజరైడ్లు ఒక గ్లిజరాల్, మూడు కొవ్వు ఆమ్లాలతో తయారవుతాయి. కొవ్వు ఆమ్లాలు సంతృప్త (saturated) లేదా అసంతృప్త (unsaturated) రకాలుగా ఉండవచ్చు.

లిపిడ్లలో ఒక భాగం నీటిని వికర్షిస్తుంది (హైడ్రోఫోబిక్), మరొక భాగం నీటిని ఆకర్షిస్తుంది (హైడ్రోఫిలిక్). అందుకే వీటిని ఆంఫిఫిలిక్ (amphiphilic) అంటారు. ఫాస్ఫోలిపిడ్లను కణ పొరల (cell membranes) తయారీలో ఉపయోగిస్తారు. వెన్న, చీజ్ వంటి పదార్థాలు లిపిడ్లకు ఉదాహరణలు. ఇవి ఔషధ ఉత్పత్తులలో మందులను శరీరంలోకి చేరవేసే వాహకాలుగా కూడా పనిచేస్తాయి.

 ప్రోటీన్లు   ప్రోటీన్లు అమీనో ఆమ్లాలతో తయారైన పెద్ద అణువులు. ప్రకృతిలో 20 రకాల ప్రామాణిక అమీనో ఆమ్లాలు ఉన్నాయి. వీటిలో ఒక అమీనో గ్రూపు, ఒక కార్బాక్సిలిక్ ఆమ్లం గ్రూపు, ఒక పార్శ్వ గొలుసు (R group) ఉంటాయి. అమీనో ఆమ్లాలు పెప్టైడ్ బంధాలతో ఒకదానికొకటి కలుస్తాయి. అమీనో ఆమ్లాల పొడవైన గొలుసులను ప్రోటీన్లు అంటారు. హ్యూమన్ సీరం అల్బుమిన్ అనే ప్రోటీన్‌లో 585 అమీనో ఆమ్లాలు ఉంటాయి.Metzler (2001), p. 58.

ప్రోటీన్లు శరీరంలో ఎన్నో పనులు చేస్తాయి. ఆక్టిన్, మయోసిన్ కండరాల కదలికకు సహాయపడతాయి. యాంటీబాడీలు (antibodies) రోగాలతో పోరాడుతాయి. ఎంజైమ్లు అత్యంత ముఖ్యమైన ప్రోటీన్లు. ఇవి రసాయన చర్యల వేగాన్ని పెంచుతాయి.

ప్రోటీన్ నిర్మాణం నాలుగు స్థాయిలలో ఉంటుంది:

ప్రాథమిక నిర్మాణం: అమీనో ఆమ్లాల వరుస క్రమం.

ద్వితీయ నిర్మాణం: ముడతలు లేదా షీట్ల రూపం.

తృతీయ నిర్మాణం: ప్రోటీన్ యొక్క పూర్తి 3D ఆకారం.

చతుర్థ నిర్మాణం: ఒకటి కంటే ఎక్కువ ప్రోటీన్ గొలుసులు కలవడం.Fromm and Hargrove (2012), pp. 35–51.

మానవ శరీరం కొన్ని అమీనో ఆమ్లాలను స్వయంగా తయారు చేయలేదు, వీటిని ఆహారం ద్వారా తీసుకోవాలి. వీటినే అవశ్యక అమీనో ఆమ్లాలు (essential amino acids) అంటారు.

 న్యూక్లియిక్ ఆమ్లాలు   న్యూక్లియిక్ ఆమ్లాలు వంశపారంపర్యంగా వచ్చే జన్యు సమాచారం (genetic information) ను మోసుకెళ్తాయి. వీటి చిన్న ప్రమాణాలను న్యూక్లియోటైడ్లు అంటారు. ప్రతి న్యూక్లియోటైడ్‌లో ఒక నైట్రోజన్ బేస్, ఒక చక్కెర, ఒక ఫాస్పేట్ గ్రూపు ఉంటాయి.Saenger (1984), p. 84. ముఖ్యమైన రకాలు DNA, RNA.

DNA, RNAలలో అడెనైన్, సైటోసిన్, గ్వానైన్, థైమిన్, యురాసిల్ అనే బేస్‌లు ఉంటాయి. అడెనైన్ ఎప్పుడూ థైమిన్ లేదా యురాసిల్‌తో కలుస్తుంది. సైటోసిన్ గ్వానైన్‌తో కలుస్తుంది. న్యూక్లియిక్ ఆమ్లాలు ATP ని కూడా తయారు చేస్తాయి, ఇది కణాలకు ప్రధాన శక్తి వనరు.

 జీవక్రియ  
 శక్తి వనరుగా కార్బోహైడ్రేట్లు  
 గ్లూకోజ్ మన శరీరానికి ప్రధాన శక్తి వనరు. ఎంజైమ్‌ల సహాయంతో పాలిశాకరైడ్లు చిన్న మోనోమర్లుగా విడగొట్టబడతాయి.

 గ్లైకోలిసిస్ (Glycolysis)  
గ్లైకోలిసిస్ అనేది పది దశల ప్రక్రియ. ఇది ఒక గ్లూకోజ్ అణువును రెండు పైరువేట్ అణువులుగా విడగొడుతుంది. దీనివల్ల రెండు ATP అణువులు, రెండు NADH అణువులు వస్తాయి. ఈ ప్రక్రియకు ఆక్సిజన్ అవసరం లేదు. మనుషులలో ఆక్సిజన్ అందనప్పుడు, పైరువేట్ లాక్టిక్ ఆమ్లం (lactic acid) గా మారుతుంది.Fromm and Hargrove (2012), pp. 163–180.

 ఏరోబిక్ జీవక్రియ (Aerobic metabolism)  
ఆక్సిజన్ అందుబాటులో ఉన్నప్పుడు, పైరువేట్ ఎసిటైల్-CoA గా మారుతుంది. ఇది తరువాత సిట్రిక్ ఆమ్ల చక్రం (citric acid cycle) లోకి ప్రవేశిస్తుంది. ఈ చక్రం మరిన్ని ATP, NADH అణువులను ఉత్పత్తి చేస్తుంది. శ్వాసక్రియ గొలుసులో NADH మరిన్ని ATPలను తయారు చేయడానికి సహాయపడుతుంది. ఒక గ్లూకోజ్ అణువు నుండి ఆక్సిజన్ సమక్షంలో 32 ATP అణువులు లభిస్తాయి.Voet (2005), Ch. 17 Glycolysis.

 గ్లూకోనియోజెనిసిస్ (Gluconeogenesis)  
గ్లూకోనియోజెనిసిస్ అంటే కొవ్వు లేదా ప్రోటీన్ వంటి కార్బోహైడ్రేట్లు కాని పదార్థాల నుండి గ్లూకోజ్ తయారు చేయడం. శరీరంలో గ్లైకోజెన్ అయిపోయినప్పుడు ఇది జరుగుతుంది. ఇది ఎక్కువగా కాలేయం (liver) లో జరుగుతుంది. కండరాల నుండి వచ్చే లాక్టేట్ కాలేయంలో మళ్ళీ గ్లూకోజ్‌గా మారే ప్రక్రియను కోరీ చక్రం (Cori cycle) అంటారు.Fromm and Hargrove (2012), pp. 183–194.

 ఇతర శాస్త్రాలతో సంబంధం  
జీవ రసాయన శాస్త్రం జన్యుశాస్త్రం, అణు జీవశాస్త్రం, జీవ భౌతిక శాస్త్రం (biophysics) తో సంబంధం కలిగి ఉంటుంది.

జీవ రసాయన శాస్త్రం జీవులలోని రసాయన పదార్థాల గురించి వివరిస్తుంది.

జన్యుశాస్త్రం (Genetics) జన్యువుల మధ్య తేడాల వల్ల కలిగే ప్రభావాలను చూస్తుంది.

అణు జీవశాస్త్రం (Molecular biology) జీవక్రియల వెనుక ఉన్న అణువుల పనితీరును వివరిస్తుంది.

కెమికల్ బయాలజీ జీవ వ్యవస్థలను అధ్యయనం చేయడానికి చిన్న అణువులను ఉపయోగిస్తుంది.

 మూలాలు  

 ఉదహరించిన గ్రంథాలు  


Category:జీవ రసాయన శాస్త్రం Category:జీవశాస్త్రం Category:రసాయన శాస్త్రం Category:అణు జీవశాస్త్రం