Введение в курс биохимии

Лекция 1.

Введение

в дисциплину

1. Предмет и задачи биохимии

Биологическая химия — это наука, изучающая химический состав живых организмов и химические процессы, лежащие в основе их жизнедеятельности.

Ее можно разделить на 2 основных раздела:

Статическая биохимия — изучает химический состав живых организмов (предметом ее изучения является строение, свойства и функции белков, липидов, углеводов, нуклеотидов, витаминов и других жизненно важных веществ).

Динамическая биохимия — рассматривает превращение химических веществ в живых организмах (предметом ее изучения являются процессы метаболизма).

Биохимия является частью биологии, охватывая те ее области, которые требуют для изучения процессов жизнедеятельности физико-химических и химических подходов, приемов и методов. Особенность биохимии вытекает из ее названия, которое указывает на химическую сущность этой науки, а также на значимость для нее функциональных (биологических) исследований химических процессов.

Исторически биохимия связана родственными узами с органической химией, изучающей химические свойства веществ, входящих в состав живой материи, и физиологией, изучающей функции живых организмов.

Поскольку химические вещества и химические процессы живой материи определяют многие функции организма, то первоначально органическая химия представляла собой как бы химический раздел физиологии. Физиология клетки, простейшей живой системы, занимается, по существу, описанием клеточных функций с позиций физической химии и сближается с биохимией. Не случайно термины «физиологическая химия» и «биохимия» употреблялись как равнозначные понятия.

Возникнув на стыке смежных дисциплин, биохимия в то же время не стала неким механическим объединением химии и физиологии. Несомненно, у нее много общего с химическими дисциплинами, такими, как органическая и физическая химия, особенно это относится к методам, применяемым для изучения природных веществ; однако перед биохимией и химическими науками стоят разные задачи. Для органической и физической химии представляют интерес прежде всего строение и свойства химических соединений, например, их электронная структура, порядок связи и механизм ее образования, изомерия, конформация и т. д., информацию о которых эти науки черпают с помощью специальных методов химии и физической химии. Тогда как главным для биохимии является выяснение функционального назначения всех химических веществ и физико-химических процессов в живом организме, а также механизм нарушения этих функций при разных заболеваниях.

Биохимия обязана своему становлению многим смежным наукам и по-прежнему сохраняет с ними тесную связь в изучении живой природы. Вместе с тем, она остается оригинальной и самостоятельной наукой, задачей которой является исследование взаимосвязи строения веществ и их функций, превращения химических соединений в живом организме, способа преобразования энергии в живых системах, механизмов регуляции химических превращений и физико-химических процессов в клетках, тканях и органах, молекулярных механизмов переноса генетической информации в живых организмах и т. д.

биохимия аминокислота липид углевод.

2. Краткая история развития биохимии

Исторически сложилось два этапа исследований в биохимии: статический и динамический. Статическая, или описательная биохимия изучает состав живой материи, структуру и свойства выделяемых биологических соединений. Динамическая биохимия исследует химические превращения веществ в организме и значение этих превращений для процессов жизнедеятельности. Безусловно, статическая биохимия является более ранним этапом, но впоследствии оба направления развивались параллельно.

Биохимия — сравнительно молодая наука, возникшая на рубеже 19 века. Однако корни ее уходят в глубокую древность. Естественное стремление людей понять причину болезни и найти лекарство против недуга пробудило интерес к процессам, протекающим в живых организмах.

Представляется возможным в истории развития биохимических знаний и биохимии как науки выделить четыре периода.

1 период — с древних времен до эпохи Возрождения (15 век). Этот период практического использования биохимических процессов без знания их теоретических основ и первых, порой очень примитивных биохимических исследований.

В самые отдаленные времена люди уже знали технологию таких производств, основанных на биохимических процессах, как хлебопечение, сыроварение, виноделие, дубление кож. Необходимость лечения болезней заставляла задумываться о превращениях веществ в организме, о причинах целебных свойств лекарственных растений. Использование растений в пищевых целях, для изготовления красок, тканей, дубителей также наталкивало на попытки понять свойства отдельных веществ растительного происхождения.

Берестяные грамоты 11 века, найденные при раскопках Новгорода, свидетельствуют, что в то время на Руси была хорошо развита технология пивоварения, виноделия, хлебопечения. Наши предки уже тогда знали много достаточно сложных рецептов красок и чернил из растений.

Крупнейший ученый и врач средневековья Абу Али-ибн-Сина (Авиценна) (980−1037) приводит в своем труде «Канон врачебной науки» классификацию химических веществ, применяемых в медицине, называет вещества, содержащиеся в «соках организма» и в моче.

Однако развитие биохимии долгое время сдерживалось засильем витализма — идеалистического учения о сущности жизни. По представлениям виталистов, живая природа отличается от неживой присутствием особой нематериальной «жизненной силы», поэтому, считали они, вещества живых организмов не могут быть синтезированы в лабораторных условиях.

2-й период в развитии биохимии, существующей еще как раздел физиологии, характеризуется усилением накопления биохимических знаний. Этот период ведет отсчет от начала эпохи Возрождения и заканчивается во второй половине 19 века, когда биохимия становится самостоятельной наукой.

Эпоха Возрождения характеризуется некоторым ослаблением церковного гнета в науке, освобождением естествознания от пут средневекового религиозного мракобесия. Леонардо да Винчи, интересовавшийся также процессами, в основе которых лежат биохимические реакции, провел интересные опыты и на основании их результатов сделал важный для тех лет вывод, что живой организм способен существовать только в такой атмосфере, в которой может гореть пламя.

Восемнадцатый век, ознаменованный гениальными трудами М. В. Ломоносова, характеризуется мощным и всесторонним развитием наук в России. Открытие М. В. Ломоносовым закона сохранения массы веществ нанесло сокрушительный удар по идеализму в естествознании. Это великое открытие заложило основы материалистического понимания природы и ее явлений, послужило началом новой эры в химии, биологии и других науках — эры точных количественных измерений. На основе закона сохранения массы веществ и накопившихся к концу 18 века экспериментальных исследований французский ученый А. Лавуазье количественно исследовал и объяснил сущность дыхания, указав на роль кислорода в этом процессе. Немецкий химик Ю. Либих в 30−40 годы 19 века успешно развил методы количественного химического анализа и применил их к исследованию биологических систем.

Мощным толчком к развитию органической химии и биохимии явилась созданная великим русским химиком А. М. Бутлеровым теория строения органических соединений (1861). Он в своей теории утверждал, что атомы и молекулы существуют в определенных реальных взаимоотношениях, количественных и пространственных, которые и выражаются формулами. Он указывал также, что химические свойства веществ обусловлены их строением.

А.М. Бутлеров сделал и другой ценный вклад в биохимию: он впервые синтезировал лабораторным путем сахар. Виталисты утверждали, что органические соединения могут образовываться только в живом организме под влиянием непознаваемых жизненных сил. Синтез сахара А. М. Бутлеровым и мочевины немецким химиком Ф. Велером опроверг лженаучные утверждения виталистов.

В 50-х годах 19-го века известный французский физиолог К. Бернар выделил из печени гликоген и показал, что он превращается в глюкозу, поступающую в кровоток. В 1868 г. Ф. Мишер в лаборатории немецкого физиолога и биохимика Ф. Гоппе-Зейлера открыл ДНК. Однако по достоинству это открытие и, главное, само вещество были оценены лишь почти 100 лет спустя.

3-й период в истории биохимии, начинающийся со второй половины 19 века, ознаменован выделением биохимии как самостоятельной науки из физиологии. Это связано с резким увеличением интенсивности и глубины биохимических исследований, объема получаемой информации, возросшим прикладным значением — использованием биохимии в промышленности, медицине, сельском хозяйстве.

К этому времени относятся работы одного из основоположников отечественной биохимии А. Я. Данилевского (1838−1923). Исследуя строение белков, он сформулировал ряд положений, которые в дальнейшем легли в основу полипептидной теории структуры беков. А. Я. Данилевским впервые высказана идея об обратимости действия ферментов и на основании этого осуществлен ферментативный синтез белковоподобных веществ (пластеины). Он разработал оригинальную методику разделения и очистки ферментов путем адсорбции и элюции (десорбции), которую широко используют и в наши дни. А. Я. Данилевский возглавил в Казанском университете первую в России кафедру биохимии и создал первую русскую школу биохимиков.

Большие заслуги в развитии отечественной биохимии принадлежат М. В. Ненцкому (1847−1901). В 1891 г. он создал первую в России биохимическую лабораторию при Институте экспериментальной медицины в Петербурге. Им был выполнен ряд выдающихся исследований: совместно с сотрудниками впервые были установлены основные этапы биосинтеза мочевины, также впервые подробно исследовано строение гемоглобина и сделано сопоставление в эволюционном плане со структурой хлорофилла.

К концу прошлого столетия относится открытие Н. И. Луниным витаминов (1880), Д. И. Ивановским — вирусов (1892).

На рубеже 19 и 20 веков работал крупнейший немецкий химик-органик и биохимик Э. Фишер (1852−1919). Его исследования составили целую эпоху в развитии биохимии. Им были сформулированы основные положения полипептидной теории белков, начало которой дали исследования А. Я. Данилевского.Э. Фишер установил структуру, предложил формулы и исследовал свойства почти всех аминокислот, входящих в состав белков. Им было проведено подробное и обширное изучение строения и ферментативных превращений углеводов, особенно моносахаридов.

К этому же времени относятся исследования великого русского физиолога растений К. А. Тимирязева (1843−1920), в трудах которого затрагиваются многие биохимические вопросы фотосинтеза и минерального питания растений.

В конце прошлого столетия начал свои исследования и другой великий русский ученый — А. Н. Бах, ставший впоследствии основателем советской биохимической школы. С самого начала своей научной деятельности А. Н. Бах направил внимание на одну из узких проблем биохимии — дыхание. Его не удовлетворяла идея о полной аналогии между дыханием и горением, высказанная А. Лавуазье. Созданная А. Н. Бахом на основании глубоких исследований перекисная теория объяснила механизм участия кислорода воздуха в реакциях дыхания. Многое сделано А. Н. Бахом в области энзимологии, им заложены основы учения о физиологической роли ферментов. Его исследования способствовали развитию технической биохимии в нашей стране.

Ряд замечательных русских ученых, начавших научную деятельность до Октябрьской революции, проявили свой талант уже в годы Советской власти:

В.И. Палладин показал, что дыхание представляет собой систему ферментативных процессов, установил роль кислорода воды и реакций дегидрогенизации — отщепления водорода — при дыхании;

С.П. Костычев исследовал химизм спиртового брожения и анаэробной фазы дыхания, нашел общность между ними;

Д.Н. Прянишников заложил основы учения об азотном обмене растений, раскрыл роль аммиака и аспарагина в этом процессе, создал основы советской агрохимии.

Начало 20 века характеризуется рядом фундаментальных исследований в области химии и за рубежом. В 1905 г. А. Гарден и В. Ионг выделили первый кофермент спиртового брожения — -" озимазу", называемый в наше время НАД. В этом же году Ф. Кнооп открыл и исследовалокисление жирных кислот. К 20−30-м годам относятся блестящие работы немецкого биохимика О. Варбурга по выделению и изучению дыхательных ферментов (цитохромоксидаза, флавиновые дегидрогеназы и др.), выделению пиридиновых нуклеотидов, изучению их структуры и функции. В 1933 г. Г. Кребс подробно изучил орнитиновый цикл образования мочевины, а 1937 г. датируется открытие им же цикла трикарбоновых кислот.

В 1931 г. В. А. Энгельгардт показал, что фосфорилирование сопряжено в процессе дыхания с окислительными процессами, а в 1942 г. он же совместно с М. Н. Любимовой открыл АТФ-азную активность миозина и других сократительных белков.

В 1938 г. А. Е. Браунштейн и М. Крицман впервые описали реакции трансаминирования.

40-е и особенно 50-е годы характеризуются использованием в биохимических исследованиях физических, физико-химических и математических методов, активным и успешным изучением основных жизненных процессов на молекулярном и надмолекулярном уровнях.50-е годы, в которые была опубликована статья Д. Уотсона и Ф. Крика о строении двойной спирали ДНК, положившая начало новому научному направлению — молекулярной биологии, считаются одновременно и началом качественно нового — 4-го периода в истории биохимии.

Краткая хронология основных открытий в биохимии этого периода.

• 1953 — Д. Уотсон и Ф. Крик предложили модель двойной спирали строения ДНК.
• 1953 — Ф. Сэнгер впервые расшифровал аминокислотную последовательность белка инсулина, состоящего из 51 аминокислотного остатка.
• 1955;1960 — А. Н. Белозерский и его сотрудники, исследовав нуклеотидный состав ДНК огромного числа представителей животных, растений и бактерий, охарактеризовали таксономическое и эволюционное значение соотношения отдельных азотистых оснований в ДНК.
• 1959, 1960 — А. С. Спирин и П. Доти установили вторичную и третичную структуру рибосомальной РНК.
• 1961 — М. Ниренберг расшифровал первую «букву» кода белкового синтеза — триплет ДНК, соответствующий фенилаланину.
• 1965;1967 — Р. Холли и независимо от него А. А. Баев определили нуклеотидную последовательность транспортных РНК.
• 1966 — П. Митчелл сформулировал хемиосмотическую теорию сопряжения окисления и фосфорилирования.
• 1971 — в совместной работе двух лабораторий, руководимых Ю. А. Овчинниковым и А. Е. Браунштейном, установлена первичная структура аспартатаминотрансферазы — белка из 412 аминокислот.
• 1977 — Ф. Сэнгер и сотрудники впервые полностью расшифровали первичную структуру молекулы ДНК.

В нашей стране в настоящее время продолжают активно развиваться различные направления биохимических исследований. В МГУ многие годы проводятся работы по биохимии дыхания и биоэнергетике. Большие успехи достигнуты коллективом Института биохимии РАН, особенно в области энзимологии, биологической фиксации азота воздуха и азотного обмена растений, технической биохимии, биохимии и биофизики фотосинтеза.

Таким образом, биохимия как самостоятельная наука зародилась в 19 веке. Однако бурное развитие биохимии началось в 20 веке. В настоящее время биохимия представляет собой разветвленную область знания, охватывающую целый ряд разделов, выросших в самостоятельные дисциплины. В зависимости от изучаемого объекта биохимия подразделяется на биохимию растений, биохимию микроорганизмов, биохимию животных и медицинскую биохимию. Исключительно важная роль ферментов — веществ белковой природы, являющихся катализаторами почти всех биохимических процессов, привела к обособлению крупного раздела биохимии — ферментологии, изучающей свойства ферментов, условия их действия и их роль в обмене веществ.

За последние годы бурное развитие биохимии, биофизики, электронной микроскопии и биоорганической химии привело к возникновению особого направления науки — молекулярной биологии, изучающей явления жизни на молекулярном уровне.

3. Основные биополимеры и их мономеры

Статическая биохимия выявила характерную черту живых клеток — их сложность и высокий уровень молекулярной организации, переход от простых компонентов клетки к более сложным. Структурную организацию живой клетки можно представить в виде следующей схемы.

Неорганические вещества.

(Н₂О, N₂, CO₂, O₂, P, S).

Мономеры (нуклеотиды, аминокислоты, моносахариды, жирные кислоты, глицерин) Макромолекулы (нуклеиновые кислоты, белки, полисахариды, липиды) Сложные макромолекулы (нуклеопротеины, гликопротеины, липопротеины) Комплексы (рибосомы, ядрышко, мембраны) Органеллы (ядро, митохондрии, лизосомы) Клетка.

4. Общая характеристика метаболических процессов

Метаболизм — совокупность биохимических реакций живого организма, предназначенных для обеспечения его жизнедеятельности.

В метаболизме можно выделить 2 компонента:

пластический обмен — все реакции, приводящие к синтезу и распаду веществ;

энергетический обмен — запасание и расход энергии. При этом клетки используют только энергию химических связей.

Метаболизм также делится на:

катаболизм — расщепление крупных молекул с выделением энергии, заключенной в их структуре и запасание ее в форме АТФ;

анаболизм — синтез крупных молекул из мелких, идущий с затратой энергии.

Пластический и энергетический обмены отдельно не существуют. Оба амфиболических пути клетки — часть обмена веществ, которая является общей для катаболизма и анаболизма: для катаболизма — это завершающий этап разрушения молекул; для анаболизма — начальный этап синтеза молекул.

В живых организмах метаболизм устроен на основе циклов или цепей биохимических реакций. Реакции обмена веществ связаны между собой, т.к. продукт одной реакции является субстратом для другой.