گسترش سريع علم و تکنولوژي زيست‌شيمي در سالهاي اخير، پژوهشگران را قادر ساخته که به بسياري از سوالات و اشکالات اساسي در مورد زيست‌شناسي و علم پزشکي پاسخ بدهند. چگونه يک تخم حاصل از لقاح گامت هاي نر و ماده به سلول هاي ماهيچه‌اي، مغز و کبد تبديل مي‌شود؟ به چه صورت سلول ها با همديگر به صورت يک اندام پيچيده درمي‌ايند؟ چگونه رشد سلولها کنترل مي‌شود؟ علت سرطان چيست؟ سازوکار حافظه کدام است؟ اساس مولکولي روان‌گسيختگي (شيزوفرني) چيست؟
 

  مدلهاي مولکولي ساختمان سه بعدي:
وقتي ارتباط سه بعدي بيومولکولها و نقش بيولوژيکي آنها را بررسي مي‌کنيم، سه نوع مدل اتمي براي نشان دادن ساختمان سه بعدي مورد استفاده قرار مي‌گيرد.
مدل فضاپرکن (Space _ Filling) اين نوع مدل، خيلي واقع بينانه و مصطلح است. اندازه و موقعيت يک اتم در مدل فضا پرکن بوسيله خصوصيات باندها و شعاع پيوندهاي واندروالسي مشخص مي‌شود. رنگ مدلهاي اتم طبق قرارداد مشخص مي‌شود.

 

مدل گوي و ميله (ball _ and _ Stick) اين مدل به اندازه مدل فضا پرکن، دقيق و منطقي نيست. براي اينکه اتمها به صورت کروي نشان داده شده و شعاع آنها کوچکتر از شعاع واندروالسي است.

مدل اسکلتي (Skeletal) ساده‌ترين مدل مورد استفاده است و تنها شبکه مولکولي را نشان مي‌دهد و اتمها به وضوح نشان داده نمي‌شوند. اين مدل، براي نشان دادن ماکرومولکولهاي بيولوژيکي از قبيل مولکولهاي پروتييني حاوي چندين هزار اتم مورد استفاده قرار مي‌گيرد. فضا در نشان دادن ساختمان مولکولي، بکار بردن مقياس اهميت زيادي دارد. واحد آنگستروم، بطور معمول براي اندازه‌گيري طول سطح اتمي مورد استفاده قرار مي‌گيرد. براي مثال، طول باند C _ C، مساوي ۱،۵۴ آنگستروم مي‌باشد. بيومولکولهاي کوچک، از قبيل کربوهيدراتها و اسيدهاي آمينه، بطور تيپيک، طولشان چند آنگستروم است. ماکرومولکولهاي بيولوژيکي، از قبيل پروتيينها، ۱۰ برابر بزرگتر هستند. براي مثال، پروتيين حمل کننده اکسيژن در گلبولهاي قرمز يا هموگلوبين، داراي قطر ۶۵ آنگستروم است. ماکرومولکولهاي چند واحدي ۱۰ برابر بزرگتر مي‌باشند. ماشينهاي سنتز کننده پروتيين در سلولها يا ريبوزومها، داراي ۳۰۰ آنگستروم طول هستند. طول اکثر ويروسها در محدوده ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ آنگستروم است. سلولها بطور طبيعي ۱۰۰ برابر بزرگتر هستند و در حدود ميکرومتر (μm) مي‌باشند. براي مثال قطر گلبولهاي قرمز حدود ۷μm است. ميکروسکوپ نوري حداقل تا ۲۰۰۰ آنگستروم قابل استفاده است. مثلا ميتوکندري را مي‌توان با اين ميکروسکوپ مشاهده کرد. اما اطلاعات در مورد ساختمانهاي بيولوژيکي از مولکولهاي ۱ تا آنگستروم با استفاده از ميکروسکوپ الکتروني X-ray بدست آمده است. مولکولهاي حيات ثابت مي‌باشند.
 

  زمان لازم براي انجام واکنشهاي زيست‌شيميايي:
واکنش‌هاي شيميايي در سامانه‌هاي زيستي به وسيله آنزيمها کاتاليز مي‌شوند. آنزيمها سوبستراها را در مدت ميلي ثانيه به محصول تبديل مي‌کنند. سرعت بعضي از آنزيمها حتي سريعتر نيز مي‌باشد، مثلا کوتاهتر از چند ميکروثانيه. بسياري از تغييرات فضايي در ماکرومولکولهاي بيولوژيکي به سرعت انجام مي‌گيرد. براي مثال، باز شدن دو رشته هليکسي DNA از همديگر که براي همانندسازي و رونويسي ضروري است، يک ميکروثانيه طول مي‌کشد. جابجايي يک واحد (Domain) از پروتيين با حفظ واحد ديگر، تنها در چند نانوثانيه اتفاق مي‌افتد. بسياري از پيوندهاي غير کووالان مابين گروههاي مختلف ماکرومولکولي در عرض چند نانوثانيه تشکيل و شکسته مي‌شوند. حتي واکنشهاي خيلي سريع و غير قابل اندازه گيري نيز وجود دارد. مشخص شده است که اولين واکنش در عمل ديدن، تغيير در ساختمان ترکيبات جذب کننده فوتون به نام رودوپسين مي‌باشد که در عرض اتفاق مي‌افتد.
انرژي ما بايستي تغييرات انرژي را به حوادث مولکولي ربط دهيم. منبع انرژي براي حيات، خورشيد است. براي مثال، انرژي فوتون سبز، حدود ۵۷ کيلوکالري بر مول (Kcal/mol) بوده و ATP، فرمول عمومي انرژي، داراي انرژي قابل استفاده به اندازه ۱۲ کيلوکالري بر مول مي‌باشد. برعکس، انرژي متوسط هر ارتعاش آزاد در يک مولکول، خيلي کم و در حدود ۰،۶ کيلوکالري بر مول در ۲۵ درجه سانتيگراد مي‌باشد. اين مقدار انرژي، خيلي کمتر از آن است که براي تجزيه پيوندهاي کووالانسي مورد نياز است، (براي مثال ۸۳Kcal/mol براي پيوند C _ C). بدين خاطر، شبکه کووالانسي بيومولکولها در غياب آنزيمها و انرژي پايدار مي‌باشد. از طرف ديگر، پيوندهاي غير کووالانسي در سيستمهاي بيولوژيکي بطور تيپيک داراي چند کيلوکالري انرژي در هر مول مي‌باشند. بنابراين انرژي حرارتي براي ساختن و شکستن آنها کافي است. يک واحد جايگزين در انرژي، ژول مي‌باشد که برابر ۰،۲۳۹ کالري است.
 

  ارتباطات قابل بازگشت بيومولکولها:
ارتباطات قابل برگشت بيومولکولها از سه نوع پيوند غير کووالانسي تشکيل شده است. ارتباطات قابل برگشت مولکولي، مرکز تحرک و جنبش موجود زنده است. نيروهاي ضعيف و غير کووالان نقش کليدي در رونويسي DNA، تشکيل ساختمان سه بعدي پروتيينها، تشخيص اختصاصي سوبستراها بوسيله آنزيمها و کشف مولکولهاي سيگنال ايفا مي‌کنند. به علاوه، اکثر مولکولهاي زيستي و فرايندهاي درون‌مولکولي، بستگي به پيوندهاي غير کووالاني همانند پيوندهاي کووالاني دارند. سه پيوند اصلي غير کووالان عبارت است از: پيوندهاي الکترواستاتيک، پيوندهاي هيدروژني و پيوندهاي واندروالسي آنها از نظر ژيومتري، قدرت و اختصاصي بودن با هم تفاوت دارند. علاوه از آن، اين پيوندها به مقدار زيادي از طرق مختلف در محلولها تحت تاثير قرار مي‌گيرند.