Биохимия

Биохи́мия (биологи́ческая, или физиологи́ческая хи́мия) — фундаментальная наука, изучающая химический состав и свойства веществ, составляющих живые системы, их взаимопревращения в процессе метаболизма, а также роль обменных процессов в функционировании различных органов и тканей в норме и при патологии. Термин «биохимия» начинают использовать эпизодично с середины XIX века, в классическом смысле он был предложен и введён в научную среду в 1903 году немецким химиком Карлом Нейбергом.

История развития

Я. Б. ван Гельмонт

Ста­нов­ле­ние биохимии как са­мо­сто­ятельной нау­ки тес­но связано с раз­ви­ти­ем естественнонаучных дис­ци­п­лин: хи­мии, фи­зи­ки и ме­ди­ци­ны. Су­ще­ст­вен­ный вклад в раз­ви­тие хи­мии и ме­ди­ци­ны в XVI—XVII века вне­сла ятрохимия. Её пред­ста­вите­ли занимались исследованием пищеварительного со­ка, жёлчи, про­цес­са бро­же­ния. Ста­ви­лись во­про­сы о пре­вра­ще­ни­ях ве­ществ в жи­вых ор­га­низ­мах.

Парацельс при­шёл к вы­во­ду, что про­цес­сы, про­ис­хо­дя­щие в ор­га­низ­ме че­ло­ве­ка, яв­ля­ются хи­мическими. Якобус Сильвиус боль­шое значение при­да­вал пра­виль­но­му со­от­но­ше­нию в ор­га­низ­ме че­ло­ве­ка ки­с­лот и ще­ло­чей, на­ру­ше­ние ко­то­ро­го, как он по­ла­гал, ле­жит в ос­но­ве многих за­бо­ле­ва­ний.

Ян Баптист ван Гель­монт пы­тал­ся ус­та­но­вить, за счёт че­го соз­да­ёт­ся ве­ще­ст­во рас­те­ний. В начале XVII века современная биохимия как самостоятельная наука сложилась на рубеже XIX и XX веков. До этого времени вопросы, рассматриваемые ныне биохимией, изучались с разных сторон органической химией и физиологией.

Разделы биохимии

• 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 двух 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 стоит ближе к физиологии и медицине, чем к органической химии. Этим и объясняется то, что вначале биохимии называлась физиологической (или медицинской) химией. Как всякая быстро развивающаяся наука, биохимия вскоре после своего возникновения начала делиться 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. При этом процесс построения клеток растений нуждается для своего осуществления притока энергии извне в форме солнечного света. Использование этой энергии в первую очередь осуществляют зеленые аутотрофные организмы (растения, простейшие — Euglena, ряд бактерий), которые непосредственно сами служат пищей для всех остальных, так называемых гетеротрофных организмов (в том числе и человека), населяющих биосферу. Выделение биохимии растений в особую дисциплину является обоснованным как с теоретической, так и практической сторон.

Методы изучения

Как и другие науки, биохимия направлена на количественную оценку результатов, иногда с помощью сложных приборов. Самым ранним подходом к изучению процессов, происходящих в живом организме, был анализ веществ, поступающих в организм (продукты питания, кислород) и покидающих его (продукты выделения, углекислый газ). Это по-прежнему является основой так называемых экспериментов по балансу, проводимых на животных, в которых, например, тщательно анализируются как продукты питания, так и экскременты. Для этой цели было разработано множество химических методов, включающих специфические цветовые реакции, для количественных измерений которых требуются приборы для спектрального анализа (спектрофотометры). Но есть и другие методы.

Газометрические методы — используются для измерения кислорода и углекислого газа, давая дыхательные коэффициенты (отношение углекислого газа к кислороду). Несколько больше деталей было получено путём определения количеств веществ, поступающих в данный орган и покидающих его, а также путём инкубирования срезов ткани в физиологической среде вне организма и анализа изменений, происходящих в среде. Поскольку эти методы дают общую картину метаболических возможностей, возникла необходимость разрушить клеточную структуру (гомогенизация) и изолировать отдельные части клетки — ядра, митохондрии, лизосомы, рибосомы, мембраны — и, наконец, различные ферменты и отдельные химические вещества клетки в попытке более полно понять химию жизни.

Метод центрифугирования

Важным инструментом в биохимических исследованиях является центрифуга, которая за счёт быстрого вращения создает высокие центробежные силы на взвешенные частицы или даже молекулы в растворе и вызывает разделение таких веществ на основе различий в весе. Таким образом, эритроциты могут быть отделены от плазмы крови, ядра — от митохондрий в клеточных гомогенатах, а один белок — от другого в сложных смесях. Белки разделяются с помощью ультрацентрифугирования — отжима с очень высокой скоростью; при соответствующем фотографировании белковых слоев по мере их формирования в поле центробежной силы можно определить молекулярную массу белков.

Ещё одним свойством биологических молекул, которое использовалось для разделения и анализа, является их электрический заряд. Аминокислоты и белки обладают суммарным положительным или отрицательным зарядом в зависимости от кислотности раствора, в котором они растворены. В электрическом поле такие молекулы с разной скоростью перемещаются к положительно (анод) или отрицательно (катод) заряженным полюсам и допускают разделение. Такое разделение может быть произведено в растворах или когда белки насыщают неподвижную среду, такую как целлюлоза (фильтровальная бумага), крахмал или акриламидные гели. Путём соответствующих цветовых реакций белков и сканирования интенсивности цвета можно измерить количество белков в смеси. Отдельные белки могут быть выделены и определены с помощью электрофореза, а также может быть определена чистота данного белка. Электрофорез гемоглобина человека выявил аномальный уровень гемоглобина при серповидноклеточной анемии, первом окончательном примере «молекулярного заболевания».

Различная растворимость веществ в водных и органических растворителях обеспечивает ещё одну основу для анализа. В более ранней форме разделение проводилось в сложной аппаратуре путём разделения веществ в различных растворителях. Появилась упрощённая форма того же принципа, что и «бумажная хроматография», при которой небольшие количества веществ можно было разделять на фильтровальной бумаге и идентифицировать с помощью соответствующих цветовых реакций. В отличие от электрофореза, этот метод применялся к широкому спектру биологических соединений и внёс огромный вклад в исследования в области биохимии.

Литература

• Fromm, Herbert J.; Hargrove, Mark. Essentials of Biochemistry (англ.). — Springer, 2012. — ISBN 978-3-642-19623-2.
• Hunter, Graeme K. Vital Forces: The Discovery of the Molecular Basis of Life (англ.). — Academic Press, 2000. — ISBN 978-0-12-361811-5.
• Tropp, Burton E. Molecular Biology. — 4th. — Jones & Bartlett Learning, 2012. — ISBN 978-1-4496-0091-4.
• Damodaran M. Vasudevan, et al. Textbook of Biochemistry for Medical Students. — 7th. — JP Medical Publishers, 2013. — ISBN 978-9-3509-0530-2.
• Leslie Collier, Balows, Albert, Sussman, Max. Topley and Wilson’s Microbiology and Microbial Infections / Mahy, Brian and Collier, Leslie. Arnold. — 9th ed.. — Virology, 1998. — Т. 1. — ISBN 0-340-66316-2.
• Северин, Е. С. Биохимия: Учеб. для вузов / Под ред. Е.С. Северина. — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2003. — 779 с. — ISBN 5-9231-0254-4.
• Березов Т. Т., Коровкин Б. Ф. Биологическая химия: Учебник. — 3-е изд. — М.: Медицина, 1998. — 704 с. — ISBN 5-225-02709-1.
• Николаев А. Я. Биологическая химия. — Высшая школа, 1989. — 495 с. — 50 000 экз. — ISBN 5-06-001400-2.