Элементарная биохимия
Информация для студентов / Элементарная биохимия

БИОХИМИЯ

(биологическая химия) – биологическая наука, изучающая химическую природу веществ, входящих в состав живых организмов, их превращения и связь этих превращений с деятельностью органов и тканей. Совокупность процессов, неразрывно связанных с жизнедеятельностью, принято называть обменом веществ.[1]

За последние десятилетия из всех биологических наук наибольшее воздействие на развитие не только биологии, но и всего естествознания в целом оказала биохимия. Достижения биологии и в познавательном, и в практическом плане превзошли самые смелые прогнозы первой половины нашего века. Многое из того, что доступно современным биологам, ещё несколько лет назад представлялось фантастичным.

Учёным удалось проникнуть в глубь живой материи до уровня составляющих её молекул, надмолекулярных комплексов и их организованных ансамблей.  Изучение материальных носителей жизнедеятельности – нуклеиновых кислот и белков – приобрело качественно новый характер. Совершенно заново стали осмысливать и экспериментально исследовать механизмы хранения, передачи и реализации наследственной информации, преобразования материи и энергии в клетке, иммунитета, передачи нервных импульсов и восприятия клеткой сигналов и воздействий внешней среды, принципы гуморальной регуляции и многое другое.

Совершенно новым стало и изучение разнообразных регуляторов процессов, протекающих в клетках и тканях, гормонов, нейропептидов, простагландинов и т. п. Сформировалась совершенно новая система проблем, в которых фундаментальные познавательные задачи оказались сближенными с практическим приложением необычайно высокой эффективности (идёт ли речь о функционировании ферментов, раскрытии механизмов фотосинтеза, зрения, нервной регуляции, деятельности мозга, защиты от инфекций и многого другого, включая важнейшую проблему манипулирования с генетическим материалом).

Всё это привело к тому, что за последнюю четверть века – срок необычайно короткий, если подходить к нему с установившимися историческими мерками, - структура биологии подверглась значительным переменам.

Внедрение методов химии в биологию содействовало тому, что формирующаяся биохимия оказалась среди биологических наук наилучшим образом подготовленной для проникновения в тайны функционирования клетки. Именно благодаря этому она превратилась из «служанки физиологии» в самостоятельную, методологически необычайно важную область биологии. В поисках ответа на вопрос, как функционирует клетка, биохимия определила цитологию и первой проникла в мир субклеточных образований. Прогресс генетики также на определённом этапе зависел от развития биохимических методик и концепций.[2]

Изучение состава живых организмов издавна привлекало внимание учёных, поскольку к числу веществ, входящих в состав живых организмов, помимо воды, минеральных элементов, липидов, углеводов и т. д., относится  ряд наиболее сложных органических соединений: белки и их комплексы с рядом других биополимеров, в первую очередь с нуклеиновыми кислотами.

Установлена возможность спонтанного объединения  (при определённых условиях) большого числа белковых молекул с образованием сложных надмолекулярных структур, например, белкового чехла хвоста фага, некоторых клеточных органоидов и т. д. Это позволило ввести понятие о само собирающихся системах. Такого рода исследования создают предпосылки для решения проблемы образования сложнейших надмолекулярных структур, обладающих признаками и свойствами живой материи, из высокомолекулярных органических соединений, возникших некогда в природе абиогенным путём.

Современная биохимия как самостоятельная наука сложилась на рубеже 19 и 20 вв. До этого времени вопросы, рассматриваемые ныне биохимией, изучались с разных сторон органической химией и физиологией. Органическая химия, изучающая углеродистые соединения вообще, занимается, в частности, анализом и синтезом тех химических соединений, которые входят в состав живой ткани. Физиология же наряду с изучением жизненных функций изучает и химические процессы, лежащие в основе жизнедеятельности. Таким образом, биохимия является продуктом развития этих наук и её можно подразделить на две части: статическую (или структурную) и динамическую. Статическая биохимия занимается изучением природных органических веществ, их анализом и синтезом, тогда как динамическая биохимия изучает всю совокупность химических превращений тех или иных органических соединений в процессе жизнедеятельности. Динамическая биохимия, таким образом, стоит ближе к физиологии и медицине, чем к органической химии. Этим и объясняется то, что вначале биохимия называлась физиологической (или медицинской) химией.[3]

Как всякая быстро развивающаяся наука, биохимия вскоре после своего возникновения начала делится на ряд обособленных дисциплин: биохимия человека и животных, биохимия растений, биохимия микробов (микроорганизмов) и ряд других, поскольку, несмотря на биохимическое единство всего живого, в животных и растительных организмах существуют и коренные различия в характере обмена веществ. В первую очередь это касается процессов ассимиляции. Растения, в отличие от животных организмов, обладают способностью использовать для построения своего тела такие простые химические вещества, как углекислый газ, вода, соли азотной и азотистой кислот, аммиак и др. При  этом процесс построения клеток растений требует для своего осуществления притока энергии извне в форме солнечного света. Использование этой энергии первично осуществляют зелёные аутотрофные организмы (растения, простейшие, ряд бактерий), которые в свою очередь сами служат пищей для всех остальных так называемых гетеротрофных организмов (в том числе и человека), населяющих биосферу. Таким образом, выделение биохимии растений в особую дисциплину является обоснованным как с теоретической, так и с практической сторон.

 Развитие ряда отраслей промышленности и сельского хозяйства (переработка сырья растительного и животного происхождения, приготовление пищевых продуктов, изготовление витаминных и гормональных препаратов, антибиотиков и т.д.) привело к выделению в особый раздел технической биохимии.

При изучении химизма различных микроорганизмов исследователи столкнулись с целым рядом специфических веществ и процессов, представляющих большой научно-практический интерес (антибиотики микробного и грибкового происхождения, различные виды брожений, имеющие промышленное значение, образование белковых веществ из углеводов и простейших азотистых соединений и т. д.). Все эти вопросы рассматривают в биохимии микроорганизмов.

В 20 веке возникла как особая дисциплина биохимия вирусов.

Потребностями клинической медицины было вызвано появление клинической биохимии.

Из других разделов биохимии, которые обычно рассматриваются как достаточно обособленные дисциплины, имеющие свои задачи и специфические методы исследования, следует назвать: эволюционную и сравнительную биохимию (биохимические процессы и химический состав организмов на различных стадиях их эволюционного развития), энзимология (структура и функции ферментов, кинетика ферментативных реакций), биохимию витаминов, гормонов, радиационную биохимию, квантовую биохимию (сопоставление свойств, функций и путей превращения биологически важных соединений с их электронными характеристиками, полученными с помощью квантово-химических расчётов).

Особенно перспективным оказалось изучение структуры и функции белков и нуклеиновых кислот на молекулярном уровне. Этот круг вопросов изучается науками, возникшими на стыках биохимии с  биологией и генетикой.[4]

                         История развития биохимии.

Можно выделить основные этапы развития биохимической науки.

1.      «Протобиохимия». Концепции процессов жизнедеятельности и их природы, развиваемые в древности, античности, в период средневековья. Концепции жизнедеятельности  в Эпоху Возрождения, привлечение их для описания и объяснения химических процессов.

2.      Экспериментальное изучение процессов жизнедеятельности в 17-18 вв. Первые химические теории и объяснения процессов дыхания, пищеварения, брожения.

3.      «Новая химия» и изучение методами химии живых организмов и процесс жизнедеятельности. Первый кризис методологии в области взаимодействия химии и биологии.

4.      Формирование биологической химии в рамках редукционистских программ биологии второй половины 19 века.

5.      Развитие классической биологической химии.

6.      Прогресс биохимии и революция в биологии во второй половине 20 века – формирование физико-химической биологии. Методологические, эмпирические и теоретические основы этого процесса. Интегрирующая роль физико-химической биологии в системе биологических наук.[5]

Изучение живой материи с химической стороны началось с того момента, когда возникла необходимость исследования составных частей живых организмов и совершающихся в них химических процессов в связи с запросами практической медицины и сельского хозяйства. Исследования средневековых алхимиков привели к накоплению большого фактического материала по природным  органическим соединениям. В 16-17 вв. воззрения алхимиков получили развитие в трудах ятрохимиков, считавших, что жизнедеятельность организма человека можно правильно понять лишь с позиций химии. Так, один из виднейших представителей ятрохимии – немецкий врач и естествоиспытатель Ф. Парацельс выдвинул прогрессивное положение о необходимости тесной связи химии с медициной, подчёркивая при этом, что задача алхимии не в изготовлении золота и серебра, а в создании того, что является силой и добродетелью медицины. Ятрохимики ввели в медицинскую практику препараты ртути, сурьмы, железа и других элементов. Позже И. Ван-Гельмонт высказал предположение о наличии в «соках» живого тела особых начал, так называемых «ферментов», участвующих в разнообразных химических превращениях.[6]

В 17-18 вв. работали такие выдающиеся учёные как М.В. Ломоносов и А. Лавуазье, открывшие и утвердившие в науке закон сохранения материи (массы). Лавуазье внёс важнейший вклад в развитие не только химии, но и в изучение биологических процессов. Развивая более ранние наблюдения Майова, он показал, что при дыхании, как и при горении органических веществ, поглощается кислород и выделяется углекислый газ. Одновременно им же, вместе с Лапласом, было показано, что процесс биологического окисления является и источником животной теплоты. Это открытие стимулировало исследования по энергетике метаболизма, в результате чего уже в начале 19 века было определено количество тепла, выделяемого при сгорании углеводов, жиров и белков.

Крупными событиями второй половины 18 века стали исследования Р.Реомюра и Л.Спалланцани по физиологии пищеварения. Эти исследователи впервые изучили действие желудочного сока животных и птиц на различные виды пищи (главным образом мясо) и положили начало изучению ферментов пищеварительных соков. Возникновение энзимологии (учение о ферментах), однако, обычно связывают с именами К.С. Кирхгофа, а также Пейена и Персо, впервые изучивших действие на крахмал фермента амилазы in vitro.

Важную роль сыграли работы Пристли и особенно Ингенхауса, открывших явление фотосинтеза (конец 18 века).

На рубеже 18 и 19 вв. были проведены и другие фундаментальные исследования в области сравнительной биохимии; тогда же было установлено существование круговорота веществ в природе.

Успехи статической биохимии с самого начала были неразрывно связаны с развитием органической химии.

Толчком к развитию химии природных соединений явились исследования шведского химика К. Шееле (1742-1786 гг.). Он выделил и описал свойства целого ряда природных соединений – молочную, винную, лимонную, щавелевую, яблочную кислоты, глицерин и амиловый спирт и др. Большое значение имели исследования И.Берцелиуса и Ю.Либиха, закончившиеся разработкой в начале 19 века методов количественного элементарного анализа органических соединений. Вслед за этим начались попытки синтезировать природные органические вещества. Достигнутые успехи – синтез в 1828 году мочевины, уксусной кислоты (1844 г.), жиров (1850 г.), углеводов (1861 г.) – имели особенно большое значение, так как показали возможность синтеза in vitro ряда органических веществ, входящих в состав животных тканей или же являющихся конечными продуктами обмена. Во второй половине 18 – начале 19 века были проведены и другие важные исследования: из мочевых камней была выделена мочевая кислота, из желчи – холестерин, из меда – глюкоза и фруктоза, из листьев зеленых растений – пигмент хлорофилл, в составе мышц был открыт креатин. Было показано существование особой группы органических соединений – растительных алкалоидов, нашедших позднее применение в медицинской практике. Из желатины и бычьего мяса путем их гидролиза были получены первые аминокислоты: глицин и лейцин.

Во Франции в лаборатории К. Бернара  в составе ткани печени был открыт гликоген (1857), изучены пути его образования и механизмы, регулирующие его расщепление. В Германии в лабораториях Э. Фишера, Э. Ф. Гоппе-Зейлера, А. Косселя и других были изучены структура и свойства белков, а также продуктов их гидролиза, в том числе и ферментативного.

В связи с описанием дрожжевых клеток (1836-1838гг.) начали активно изучать процесс брожения (Либих, Пастер и др.). Вопреки мнению Либиха, рассматривавшего процесс брожения как чисто химический, протекающий с обязательным участием кислорода, Л. Пастер установил возможность существования анаэробиоза, то есть жизни в отсутствии воздуха, за счет энергии брожения. Бухнеру удалось получить из дрожжевых клеток бесклеточный сок, способный, подобно живым дрожжам, сбраживать сахар с образованием спирта и углекислоты.

Накопление большого количества сведений относительно химического состава растительных и животных организмов и химических процессов, протекающих в них, привело к необходимости систематизации и обобщений в области биохимии. Первой работы в этом плане был учебник Зимона (1842).  Очевидно, именно с этого времени термин «биологическая (физиологическая) химия» утвердился в науке. В России первый учебник физиологической химии был издан профессором Харьковского университета А. И. Ходневым в 1847 году. Периодическая литература по биологической химии регулярно начала выходить с 1873 года в Германии. Позднее биохимические журналы начали издаваться во многих странах мира на английском, французском, русском и других языках. Во второй половине 19 века на медицинских факультетах многих русских и зарубежных университетов были учреждены специальные кафедры медицинской, или физиологической химии.

Подлинный расцвет биохимии наступил в 20 веке. В самом начале его была сформулирована и экспериментально обоснована полипептидная теория строения белков (Э. Фишер 1901-1902гг.). Позднее был разработан ряд аналитических методов, позволяющих изучить аминокислотный состав белка (хроматография, рентгеноструктурный анализ, метод изотопной индикации, цитоспектрофотометрия, электронная микроскопия). Расшифровывается первичная, вторичная, третичная и четвертичная структура многих белков. Синтезируется ряд важных белковых веществ.

Выдающееся значение имели работы Л. Полинга, В. Виньо, Ф. Сэнгера, С. Мура, Д. Филлипса, Дж. Нортропа, М. М. Шемякина, Ф. Штрауба и др.

Блестящие работы Чаргаффа, Дж. Уотсона и Ф. Крика завершаются выяснением структуры ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). Устанавливается двухспиральная структура ДНК и роль ее в передаче наследственной информации. Осуществляется синтез ДНК и РНК. Решается (1962 и последующие годы) одна из центральных проблем современной биохимии – расшифровывается РНК – аминокислотный код. Вводится понятие о молекулярных болезнях, связанных с определенными дефектами в структуре ДНК хромосомного аппарата клетки.

Ранее классическими исследованиями И. П. Павлова и его школы раскрываются основные физиологические и биохимические механизмы работы пищеварительных желез. Устанавливается существование заменимых и незаменимых аминокислот, разрабатываются нормы белка в питании. Детальному изучению подвергаются особенности процесса азотистого обмена у растений. Особое место заняло изучение нарушений азотистого обмена у животных и человека при белковой недостаточности. Детально исследуются продукты распада гемоглобина, расшифровываются пути образования гема.

Выдающиеся успехи достигнуты в расшифровке структуры важнейших углеводов и механизмов углеводного обмена. Подробно выяснено превращение углеводов в пищеварительном тракте под влиянием пищеварительных ферментов и кишечных микроорганизмов. Выясняются биохимические механизмы нарушения углеводного обмена (диабет, галактоземия, гликогенозы и др.), связанные с наследственными дефектами соответствующих ферментативных систем.

Достигнуты успехи в расшифровке структуры липидов: фосфолипидов, цереброзидов, ганглеозидов. Создается теория b-окисления жирных кислот. Разработаны современные представления о путях окисления и синтеза жирных кислот и сложных липидов. Значительный прогресс достигнут при изучении механизма биологического окисления, тканевого дыхания.  Разработаны методы количественного определения целого ряда биохимических компонентов крови и тканей.

В. А. Энгельгардтом, а также Липманном было введено понятие о «богатых энергией» фосфорных соединениях, в частности АТФ, в макроэргических связях которых аккумулируется значительная часть энергии, освобождающейся при тканевом дыхании.

20 век ознаменовался расшифровкой химического строения всех известных в настоящее время витаминов. Вводятся международные единицы витаминов, устанавливаются потребности в витаминах человека и животных, создается витаминная промышленность.

Не менее значительные успехи достигнуты в области биохимии гормонов. Получены первые данные о механизме действия гормонов на обмен веществ. Расшифрован механизм регуляции функций эндокринных желёз по принципу обратной связи.

Возникает новое направление в биохимии – нейрохимия. Установлены особенности в химическом составе нервной ткани. Вводятся в медицинскую практику различные психофармакологические вещества, открывающие новые возможности в лечении нервных   заболеваний. Широко используются, особенно в сельском хозяйстве ингибиторы холинэстеразы (медиатора, действующего на нервные окончания) для борьбы с насекомыми-вредителями.

Важные результаты получены при изучении состава и свойств крови: изучена дыхательная функция крови в норме и при ряде патологических состояний; выяснен механизм переноса кислорода от лёгких к тканям и углекислоты от тканей к лёгким; уточнены и расшифрованы представления о механизме свёртывания крови, изучены факторы,  при врождённом отсутствии которых в крови наблюдаются различные формы гемофилии.

В развитии  современной биохимии важную роль сыграла разработка ряда специальных методов исследования: изотопной индикации, дифференциального центрифугирования, спектрофотометрии, электронного парамагнитного резонанса и др.[7]

Характеристика основных разделов элементарной биохимии.

    Смотрите также

    Спирт
    ...

    Методики теоретического и экспериментального исследования системы Al - АГСВ - каталитические добавки
      В данной главе описаны основные методики, которые использовались в данной работе. А именно: – методика термодинамического расчета по программе Астра-4; – методика зажигания нагретой ...

    Биохимия углеводов в организме человека
    Важнейшими химическими соединениями живых организмов являются углеводы. Они широко распространены в природе, в растительном мире они составляют 70-80% из расчета на сухое вещество, у животн ...