ตามไปดู "นักวิทยาศาสตร์ชีวเคมี" เค้าทำอะไรกันบ้าง ?
วันนี้มีโอกาสตามมาดูการทำงานในห้องปฏิบัติการชีวเคมีของน้องสาวคนเก่ง น้องผึ้ง ศยามล สิทธิสาร นิสิตปริญญาเอก ภาควิชาชีวเคมี คณะวิทยาศาสตร์มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ .... คาดว่าหลายๆ คนคงสงสัยว่า สาขาชีวเคมี นี่เค้าเรียนอะไร ทำงานกันอย่างไร มีความเหมือนและแตกต่างจาก สาขาเคมี และ สาขาชีววิทยาอย่างไร อันนี้ก็ได้คำอธิบายว่า ............
ชีวเคมี ((Biochemistry คือ วิชาที่ศึกษาถึงส่วนประกอบทางเคมีของสิ่งมีชีวิต โดยศึกษาถึงโครงสร้างทางโมเลกุลของสารต่างๆ ภายในเซลล์ รวมถึงการศึกษาถึงการเปลี่ยนแปลงของสารจากสารหนึ่งไปอีกสารหนึ่ง การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในเซลล์ รวมถึงการศึกษาถึงการเปลี่ยนแปลงไปมาของสารทั้งหมดภายในเซลล์ที่เรียกว่า เมแทบอลิซึม (Metabolism) โดยจะศึกษาทั้งเมแทบอลิซึมที่เกิดขึ้นตามปกติและขณะเกิดพยาธิสภาพหลังการเกิดโรค ศึกษาการควบคุมปฏิกิริยาภายในสิ่งมีชีวิตโดยเอนไซม์ชนิดต่างๆ การควบคุมวิถีปฏิกิริยาและเมแทบอลิซึม (Pathways and Metabolism) รวมทั้งการศึกษาโครงสร้างของโปรตีน การสังเคราะห์โปรตีน การควบคุมและการแสดงออกของยีน เป็นต้น
นักชีวเคมีจะต้องมีพื้นฐานความรู้ที่ดีในวิชาเคมี ชีววิทยา ฟิสิกส์ สามารถสรุปความรู้พื้นฐานที่สำคัญในแต่ละวิชาได้ดังนี้
1. วิชาเคมี นักชีวเคมีจะต้องมีความรู้ทางด้านอินทรีย์เคมีที่เกี่ยวกับอะตอมซึ่งเป็นองค์ประกอบพื้นฐานของสารชีวโมเลกุล 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 การแปรรูปทางเคมีของสารเมแทบอไลต์ต่างๆ 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)
ความสำคัญและประโยชน์ของชีวเคมี
ชีวเคมีเป็นวิชาที่มีความสำคัญวิชาหนึ่งต่อพัฒนาการของเทคโนโลยีชีวภาพ การเกษตร อุตสาหกรรมอาหารและทางการแพทย์ ปัจจุบันได้มีการนำเอาความรู้ด้านชีวเคมีมาแก้ไขปัญหาต่างๆ
อันจะนำมาซึ่งประโยชน์หลายด้าน เช่น
1. ทางการแพทย์ ชีวเคมีสามารถอธิบายพฤติกรรมทางสรีระวิทยาของร่างกายระดับโมเลกุล เช่น การย่อย การหายใจ การทำงานของระบบประสาท ฮอร์โมน เป็นต้น นอกจากนี้ยังนำเอาความรู้ทางชีวเคมีมาใช้ในการรักษาโรคทางพันธุกรรมต่างๆ เช่น โรคธาลัสซีเมีย โรคฮีโมฟีเลีย การนำความรู้เรื่องยีนมาใช้ในการรักษาโรคทางพันธุกรรมที่รักษาไม่ได้ที่เรียกว่า ยีนบำบัด (Gene therapy) และในอุตสาหกรรมการผลิตยาใหม่ๆ เป็นต้น
2. ทางเกษตร การศึกษากระบวนการสำคัญๆ ของพืช เช่น การสังเคราะห์แสง การตรึงไนโตรเจน การเกิดก๊าซเอทิลีน ต้องอาศัยความรู้ทางชีวเคมีมาศึกษาด้วยเพื่อให้เข้าถึงกลไกการทำงานต่างๆ ของพืช การผลิตยาปราบศัตรูพืชโดยใช้ฮอร์โมนในการกำจัดแมลง การสกัดสารชีวภาพจากแบคทีเรียมาใช้กำจัดแมลง การผลิตพืชต้านทานโรคและแมลง การปรับปรุงพันธุ์พืชและพันธุ์สัตว์ให้มีความแข็งแรงต้านทานโรค เป็นต้น
3. อุตสาหกรรมอาหาร การผลิตวัสดุที่เป็นประโยชน์จากวัตถุดิบทางการเกษตร เช่น การหมักสุรา การผลิตเอทานอลจากแป้ง การผลิตผงชูรส ล้วนแล้วแต่ต้องอาศัยความรู้ทางชีวเคมีเช่นกัน
