كتب basic biomolecules

تتعامل الهندسة الحيوية مع معالجة العديد من الجزيئات الحيوية الأساسية. وتشمل هذه المواد، على سبيل المثال، البروتينات والسكريات والأحماض النووية والدهون. هذه الجزيئات هي العناصر الأساسية للحياة ومن خلال التحكم في شكلها ووظيفتها ومعالجتها، هناك العديد من الطرق والمزايا الجديدة المتاحة للمجتمع. نظرًا لاختلاف كل جزيء حيوي، فهناك عدد من التقنيات المستخدمة لمعالجة كل منها على التوالي.

البروتينات

البروتينات عبارة عن بوليمرات تتكون من سلاسل الأحماض الأمينية المرتبطة بواسطة روابط ببتيدية. تحتوي أربعة مستويات مختلفة من حيث البنية: الأولية والثانوية والثالثية والرابعية. البنية الأولية تشير إلى تسلسل أساس الحمض الأميني. تركز البنية الثانوية على التوافقات البسيطة التي تنشأ نتيجة الترابط الهيدروجيني بين سلسلة الأحماض الأمينية.

إذا كان معظم البروتين يحتوي على روابط هيدروجينية بين الجزيئات، يُقال إنه ليفي، وستكون غالبية بنيته الثانوية عبارة عن صفائح بيتا. ومع ذلك، إذا كان معظم التوجه يحتوي على روابط هيدروجين داخل الجزيء، فإن البروتين يشار إليه على أنه كروي ويتألف في الغالب من لولب ألفا. هناك أيضًا تشكيلات تتكون من مزيج من لولب ألفا وصفائح بيتا بالإضافة إلى حلزون بيتا مع صفائح ألفا.

تتعامل البنية الثالثية من البروتينات مع عملية الطي وكيفية تركيب الجزيء الكلي. أخيرًا، البنية الرابعية عبارة عن مجموعة من البروتينات الثلاثية تتجمع وترتبط مع بعضها. مع كل هذه المستويات، تحتوي البروتينات على مجموعة واسعة من الأماكن التي يمكن معالجتها فيها وتعديلها. تُستخدم التقنيات للتأثير على تسلسل الأحماض الأمينية للبروتين (الطفرة الموجهة للموضع)، أو طي البروتين وتشكله، أو طي بروتين ثلاثي واحد داخل مصفوفة بروتين رباعية. البروتينات التي هي المحور الرئيسي للمعالجة تكون عادةً إنزيمات. هذه هي البروتينات التي تعمل كمحفزات للتفاعلات الكيميائية الحيوية. من خلال معالجة هذه المحفزات، يصبح من الممكن التحكم في معدلات التفاعل، والمنتجات، والتأثيرات. الإنزيمات والبروتينات مهمة في المجال البيولوجي، وتبين أن هناك أقسامًا محددة للهندسة تركز فقط على البروتينات والإنزيمات.

السكريات

السكريات تُعد جزيء حيوي مهم آخر. هذه هي البوليمرات، التي تسمى السكريات المتعددة (أو متعدد السكاريد)، والتي تتكون من سلاسل من السكريات البسيطة المتصلة عبر الروابط الغليكوسيدية. تتكون هذه السكريات الأحادية من 5 إلى 6 حلقات كربونية تحتوي على الكربون والهيدروجين والأكسجين - عادة بنسبة 1: 2: 1، على التوالي. السكريات الأحادية الشائعة هي الجلوكوز والفركتوز والريبوز.

عندما يتم ربط السكريات الأحادية معاً ببعضها، يمكن أن تشكل السكريات الثنائية والسكريات قليلة التعدد ومتعدد السكاريد: تعتمد التسمية على عدد السكريات الأحادية المرتبطة ببعضها. السكريات الثنائية الشائعة، عبارة عن اثنين من السكريات الأحادية المتحدين معًا، هم السكروز، والمالتوز، واللاكتوز. السكريات المتعددة الهامة، تحوي روابط للعديد من السكريات الأحادية، هي السليلوز والنشا والكايتين.

السليلوز هو متعدد السكاريد يتكون من 1-4 روابط بيتا بين أحاديات الجلوكوز المتكررة.  إنه المصدر الأكثر وفرة للسكر في الطبيعة وهو جزء رئيسي من صناعة الورق. النشا هو أيضًا متعدد السكاريد تتكون من أحاديات الجلوكوز. ومع ذلك، يتم توصيلها عبر 1-4 روابط ألفا بدلاً من بيتا.

النشويات، وخاصة الأميلاز، مهمة في العديد من الصناعات، بما في ذلك الورق ومستحضرات التجميل والمواد الغذائية.

الكايتين هو مشتق من السليلوز، يمتلك مجموعة أسيتاميد بدلاً من -OH على أحد كاربوناته. نُزعَت سلسلة البوليمر من مجموعة الأسيتاميد ثم سُمّيَت بالكيتوزان. كل من هذه المشتقات من السليلوز هي مصدر رئيسي للبحث عن الصناعات الطبية الحيوية والغذائية.

ثبت أنها تساعد في تخثر الدم، ولها خصائص مضادة للميكروبات، وتُستخدم في التطبيقات الغذائية. يركز الكثير من الهندسة والأبحاث على درجة العامل المُؤَستل الذي يوفر النتيجة الأكثر فعالية لتطبيقات محددة.

الأحماض النووية

الأحماض النووية هي جزيئات كبيرة تتكون من الحمض النووي (دنا) والحمض النووي الريبي (رنا) والتي هي البوليمرات الحيوية التي تتكون من سلاسل الجزيئات الحيوية. هذان الجزيئان هما الشفرة الوراثية والقالب الذي يجعل الحياة ممكنة. ويؤدي التلاعب بهذه الجزيئات والبنى إلى حدوث تغييرات كبيرة في التعبير عن الجزيئات الكبيرة الأخرى ووظيفتها.

النيوكليوسيدات هي أمين غليكوسيلي يحتوي على قاعدة نووية مرتبطة إما بسكر الريبوز أو الريبوز المنقوص الأوكسيجين عبر رابط بيتا غليكوسيدي. يحدد تسلسل القواعد الشفرة الوراثية.  النيوكليوتيدات هي نيوكليوسيدات يتم فسفرتها بواسطة كينازات معينة عن طريق رابطة فوسفات ثنائي الأستر. النيوكليوتيدات هي البُنى المتكررة للأحماض النووية.

تتكون النيوكليوتيدات من قاعدة نيتروجينية وبنتوز (ريبوز للحمض النووي الريبي أو ريبوز منقوص الأوكسيجين للحمض النووي) وثلاث مجموعات فوسفاتية. اطلع على تقنيات، التطفر نوعي الموقع، والحمض النووي مُعاد التركيب، والمُقايسة الامتصاصية المناعية للإنزيم المرتبط (أو الإلايزا).