Структура и функции основных веществ в организме

БИОХИМИЯ. Лекция № 1. Биохимия как наука. Структура и функции основных веществ в организме. Предмет и методы исследований в биохимии. Обзор основных классов органических веществ, их роль в гомеостазе.

Биохимия (от греч. βίος - «жизнь» и егип. kēme - «Земля», также биологическая или физиологическая химия) - наука о химическом составе организмов и их составных частей и о химических процессах, протекающих в организмах. Наука имеет дело со структурой и функцией веществ, являющихся компонентами клеток и входящих в состав организма, таких как белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты и другие биомолекулы. Биохимия стремится отвечать на биологические и биохимические вопросы с помощью химических методов.

Биохимия – сравнительно молодая наука, возникшая на стыке биологии и химии в конце 19 века. Она изучает процессы развития и функционирования организмов на языке молекул, структуру и химические процессы, которые обеспечивают жизнь одно- и многоклеточных существ, населяющих Землю. Выдающиеся открытия в области учения о ферментах, биохимической генетики, молекулярной биологии и биоэнергетики превратили биохимию в фундаментальную дисциплину, позволяющую решать многие важные проблемы биологии и медицины.

Хотя существует широкий ряд различных биомолекул, многие из них являются полимерами, т.е. сложными большими молекулами, состоящими из многих подобных субъединиц, мономеров. Каждый класс полимерных биомолекул имеет собственный набор типов этих субъединиц. Например, белки являются полимерами, состоящими из аминокислот. Биохимия изучает химические свойства важных биологических молекул, таких как белки, в частности химию реакций, катализируемых ферментами.

Кроме того, большая часть исследований по биохимии имеет дело с метаболизмом клетки и его эндокринной и паракринной регуляцией. Другие области биохимии включают исследование генетического кода ДНК и РНК, биосинтез белков, транспорта через биологические мембраны и передачу сигналов.

Основы биохимии были заложены в середине 19-го века, когда такие ученые как Фридрих Вьолер и Ансельм Паен сумели впервые описать химические процессы в живых организмах и показать, что они не отличаются от обычных химических процессов. Многие работы в начале 20-го века привели к пониманию структуры белков, стало возможным проведение биохимических реакций (спиртового брожения) за пределами клетки и т. д. В тоже время начал применяться и сам термин «биохимия». Основы биохимии в Украине заложил Владимир Иванович Вернадский в 20-х годах прошлого столетия.

История

К началу 19 века существовала общая уверенность, что жизнь не подлежит физическим и химическим законам, присущим неживой природе. Считалось, что только живые организмы способны производить молекулы, характерные для них. Лишь в 1828 году Фридрих Велер опубликовал работу о синтезе мочевины, осуществленный в лабораторных условиях, доказав, что органические соединения могут быть созданы искусственно. Это открытие нанесло серьезное поражение ученым-виталистам, отрицавшим такую возможность.

К тому времени уже существовал фактический материал для первичных биохимических обобщений, который накапливался в связи с практической деятельностью людей, направленной на изготовление еды и вина, получения пряжи из растений, очистку кожи от шерсти с помощью микробов, на изучение состава и свойств мочи и других выделений здорового и больного человека. После работ Велера постепенно начали устанавливаться такие научные понятия, как дыхание, брожение, ферментация, фотосинтез. Изучение химического состава и свойств соединений, выделенных из животных и растений, становится предметом органической химии (химии органических соединений).

Рождение биохимии также ознаменовалося открытием первого фермента, диастаза (сейчас известного как амилаза) в 1833 году Ансельмом Паеном. Трудности, связанные с получением ферментов из тканей и клеток, использовались сторонниками витализма для утверждения о невозможности изучения клеточных ферментов вне живых существ. Это утверждение было опровергнуто русским врачом М. Манассеиной (1871 - 1872), которая предложила возможность наблюдать спиртовое брожение в экстрактах растертых (т.е. лишенных структурной целостности) дрожжей. В 1896 году эта возможность была подтверждена немецким ученым Эдуардом Бухнером, сумевшим экспериментально воссоздать этот процесс.

Сам термин «биохимия» был впервые предложен в 1882 году, однако, считается, широкого использования он приобрел после работ немецкого химика Карла Нойберг в 1903 году. К тому времени эта область исследований была известна как физиологическая химия. После этого времени биохимия быстро развивалась, особенно начиная с середины 20 века, прежде всего благодаря разработке новых методов, таких как хроматография, рентгеноструктурный анализ, ЯМР-спектроскопия, использование радиоизотопной метки, электронная и оптическая микроскопия и, наконец, молекулярная динамика и другие методы вычислительной биологии. Эти методы позволили открыть и провести детальный анализ многих молекул и метаболических путей клетки, таких как гликолиз и цикл Кребса.

Другим важным историческим событием в развитии биохимии стало открытие генов и их роли в передаче информации в клетке. Это открытие заложило возможность возникновения на только генетики, но и ее междисциплинар отрасли на стыке с биохимией - молекулярной биологии. В 1950-х годах Джеймс Ватсон, Фрэнсис Крик, Розалинда Франклин и Морис Уилкинс сумели расшифровать структуру ДНК и предположили ее связь с генетической передачей информации в клетке. Также в 1950-х годах Джордж Отлей и Эдвард Татум доказали, что один ген отвечает за синтез одного белка. С разработкой методов анализа ДНК, таких как генетический фингерпринтинг, в 1988 году Колин Питчфорк стал первым человеком, обвиненной в убийстве с помощью свидетельства на основе ДНК, что стало первым крупным успехом биохимической судмедэкспертизы. В 200-х годах Андрю Файр и Крег Мелло показали роль РНК-интерференции (RNAi), в подавлении экспрессии генов.

Сейчас биохимические исследования протекают в трех направлениях, сформулированных Майклом Шугар. Биохимия растений исследует биохимию преимущественно автотрофных организмов и исследует такие процессы как фотосинтез и другие. Общая биохимия включает исследование как растений, так и животных и человека, тогда как медицинская биохимия фокусируется преимущественно на биохимии человека и отклонениях биохимических процессов от нормы, в частности в результате болезней.

Предмет изучения

Биохимия изучает структуры и функции клеточных компонентов: белков, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот и других биомолекул. Кроме того, биохимия рассматривает разложение органических веществ, что связано с возникновением почв, ила, осадочных горных пород, залежей угля, нефти и горючих газов.

Биоорганическая химия – междисциплинарная отрасль, связанная как с химией, так и с биологией, которая занимается синтезом и изучением строения и биологической функции важнейших компонентов живой материи, прежде биополимеров и низкомолекулярных биорегуляторов, уделяя главное внимание выяснению закономерностей взаимосвязи между структурой и биологическим действием.

На базе ее фундаментальных исследований создаются технологии получения практически важных препаратов для медицины, сельского хозяйства, различных отраслей промышленности.

Направления

Соответствии с задачами исследования по биохимии, различают несколько направлений, в частности статическую, динамическую и функциональную биохимию. Статическая биохимия изучает: составляющие химические части организмов, их распределение, физико-химические и биологические свойства. Динамическая биохимия изучает пути превращения определенных соединений в организмах (окисление, восстановление, гидролитическое и фосфоролитическое расщепления, этерификации, синтез сложных соединений из более простых и т.п.). Функциональная биохимия изучает биохимические процессы, лежащие в основе проявлений жизнедеятельности организмов и отдельных органов (питание, ассимиляцию и диссимиляцию, дыхание, брожение, рост, размножение, наследственность, раздражимость, подвижность), а также изменения этих процессов под влиянием различных внешних условий и внутренних факторов, связанных с видовой принадлежностью, возрастом и полом организмов. Согласно объектов исследования различают биохимию человека, животных, растений (фитобиохимия) и микроорганизмов (всех доменов жизни).

Современная биохимия уделяет особое внимание изучению белков, являющихся материальной основой жизни (ферментов, гормонов, антител и других), изучению обмена азотистых соединений, углеводов, жиров и липидов, витаминов, минеральных веществ (в частности, микроэлементов); исследованию влияния на процессы обмена некоторых веществ, стимулирующих рост, антибиотиков и т.п. Подробно изучаются биохимические особенности нервной ткани, мышц, печени и других органов и систем организма. Обобщение биохимических данных помогает понять эволюцию органического мира и возникновение жизни на Земле. Достижения биохимии используются в медицине (клиническая биохимия), сельском хозяйстве (зоотехническое биохимия и агробиохимия) и в пищевой и химико-фармацевтической промышленности (техническая биохимия).

Согласно формальной классификации ВАК Украины, основные направления исследований включают[4]:

Аминокислоты, пептиды и белки (методы выделения и синтеза, исследование строения, свойств; синтез пептидов, изучение связи их строения с функцией).

Нуклеиновые кислоты (выделение, исследование строения, синтез и изучение химических свойств природных и модифицированных генов, нуклеозидов, нуклеотидов, полинуклеотидов и их аналогов).

Липиды (выделение, исследование строения, синтез).

Углеводы и их производные. Смешанные биополимеры (выделение, исследование строения, химических свойств, синтез).

Стероидные гормоны (выделение, химия стероидов, их химическая трансформация, синтез, изучение механизмов действия), витамины, коферменты.

Химические исследования природного сырья (растительного и микробиологического) для разработки биологически активных веществ.

Новые лекарственные препараты (поиск, синтез и изучение новых эффективных лекарственных препаратов, разработку методов выделения и химической трансформации).

Химические препараты для химизации сельского хозяйства (пестициды, инсектициды, гербициды, акарициды, фунгициды и другие препараты для борьбы с вредителями и болезнями растений; регуляторы жизнедеятельности насекомых; природные феромоны, аттрактанты, репелленты и другие; синтетические регуляторы роста растений; дефолианты, десиканты и другие регуляторы отдельных функций растений, новые эффективные препараты для повышения производительности животноводства).

Природные и синтетические низкомолекулярные биорегуляторы и их аналоги.

Методы

В современной биохимии применяются многочисленные методы исследования. В частности, успешно используются соединения, меченные радиоактивными и тяжелыми природными изотопами, разнообразные методы хроматографии, в частности на бумаге и других адсорбентах, с использованием электрофореза и ионообменных смол. Применяются также биологические методы. Их использование позволяет определить наличие и количество определенных соединений на основе проявлений жизнедеятельности многоклеточных животных и микроорганизмов в тех случаях, когда этого нельзя добиться с помощью химических способов. С помощью ультрацентрифуг, что делают 50 - 70 тыс. оборотов в минуту, сейчас разделяют и отделяют фракции белков, нуклеиновых кислот и других составных частей тканей и организмов.

Структура и функции основных веществ в организме.