Введение в биохимию

Лекция.

Введение в биохимию. Этапы развития биохимии. Роль биохимии в медицинском образовании.

Биологическая химия, как это следует из самого названия (bios – жизнь) – это химия жизни, химия живой материи.

Биологическая химия – наука о химическом составе живой материи и о химических процессах, происходящих в живых организмах и лежащих в основе их жизнедеятельности.

Биохимия как наука сложилась в основном в конце XIX начале XX века. На современном этапе развития область, охватываемая классической биохимией, расширилась настолько, что граница между этой наукой и другими химическими и биологическими дисциплинами постепенно стирается. Объём информации с каждым годом расширяется и не исключено, что в биохимию вольются такие разделы, которые мы сейчас относим к химии и биологию.

Изучение проблем составляющих предмет современной биохимии, началось, по-видимому, около 200 лет назад. В течение второй половины 18 века и на протяжении 19 века неоднократно предпринимались попытки – и довольно успешные,- проникнуть в сущность процессов жизнедеятельности, уяснить себе их природу, как в структурном, так и в метаболическом аспекте.

Однако из-за сложности рассматриваемых проблем надеяться получить глубокие представления о веществах, участвующих в этих процессах, и о химических реакциях из которых этот процесс слагается, до тех пор, пока другие химические дисциплины, и в первую очередь аналитическая и органическая химии, не достигли должной ступени развития.

Успехи структурной биохимии с самого начала были неразрывно связаны с достижениями в области органической и аналитической химии.

Из первых исследований следует отметить работы шведского ученого К. Шееле, посвященные изучению химического состава растительных и животных тканей. Шееле выделил ряд природных соединений, в том числе винную, молочную, мочевую, щавелевую, лимонную и яблочную кислоты, глицерин, некоторые эфиры, казеин. В начале XIX века в лаборатории Берцелиуса и Либиха были разработаны новые, усовершенствованные методы количественного элементарного анализа. С помощью этих методов было установлено. Что вещества, выделенные К. Шееле, содержат углерод и, следовательно, они относятся к группе органических веществ. Вслед за этим начались попытки синтезировать ряд углеродсодержащих, то есть органических соединений. Это было особенно важно в связи с тем. Что в то время был широко распространен витализинг, то есть убеждения, что органические вещества могут синтезироваться с помощью особой « жизненной силой», присутствующей, как полагалось, только в живых тканях. В 1828 году Фридрих Вёлер осуществил синтез мочевины, продукта жизнедеятельности организма. Этот синтез был осуществлен из неорганических соединений – аммиака и циановой кислоты. Это был первый удар по витализму и практически этот год можно считать годом начала развития биохимии. В--- в работах Колебе, синтезируется --- и кислота. В 1844, Бертло, синтезировал жиры. В 1850-х годах, это положение носило еще большее подтверждение. В изучении структурной химии липидов важную роль сыграла работа Шеврёля, который путем омыления показал, что жиры состоят из жирных кислот и глицерина, некоторые из этих жирных кислот ему удалось выделить, однако наиболее изящная и значительная работа в этой области вышла из лаборатории немецкого химика Э. Фишера. Он провел исследования касающиеся структуры углеводов, аминокислот и жиров.

Из других важных исследований следует отметить выделение мочевой кислоты из мочевых камней , холестерин из желчи, из зеленых растений – пигмент хлорофилл, в составе мышц был открыт креатин. Из желатина и бычьего мяса путем их гидролиза были получены первые аминокислоты – глицин и лейцин. Таким образом, был накоплен большой фактический материал о химических компонентах клетки. Этот этап развития биохимии получил название статической биохимии.

Следующий этап – динамическая биохимия, задача которой изучение всех совокупностей 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 в начале биохимия называлась физиологической (или медицинской) химией.

Юридическое признание биохимии относят к 1863 году, когда А.Я. Данилевский в России в Казанском университете организовал кафедру медицинской химии, а в 1864 году А.Д. Булыгинский основал кафедру медицинской химии на медицинском факультете московского университета.

Вскоре кафедра медицинской химии, позднее переименованная в кафедру физиологической химии, возникает на медицинских факультетах других университетов. В 1892 году начинает функционировать организованная А.Я. Данилевским кафедра физиологической химии в военно-медицинской академии в Петербурге. С этого периода биохимия начинает развиваться как самостоятельная наука.

Несмотря на биохимическое единство всего живого, в животных и растительных организмах существуют и коренные различия в характере обмена веществ и в первую очередь это касается процессов ассимиляции.

Биохимия растений – в отличии от животного организма растения 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 требует для своего осуществления притока энергии извне в форме солнечного света.

Техническая биохимия – занимается вопросом изготовления витаминных и гормональных препаратов, антибиотиков, переработка сырья растительного и животного происхождения, изготовления пищевых продуктов и т.д.

Клиническая биохимия – изучает биохимические процессы и химический состав организмов на различных стадиях их эволюционного развития.

Биохимия микроорганизмов – рассматривает особенности обмена микроорганизмов, что особенно важно для получения антибиотиков микробного и грибкового происхождения, использование брожения, имеющая практическое значения и т.д.

Квантовая биохимия – сопоставление свойств, функций и путей превращения биологически важных соединений с их электронными характеристиками, полученными с помощью квантово-химических расчетов.

Как новый важный этап в развитии биохимии, новая ступень в познании живого следует назвать дату - 1953 год, когда Уотсон и Крик раскрыли структуру и открыли ДНК и ее важную роль в передачи наследственной, генетической информации. Этот год и принято считать как начало развития молекулярной биологии и биохимической генетики, которые возникли на стыке биохимии с биологией и генетикой. Круг вирусов , изучаемых данными науками – структура и функции белков и нуклеиновых кислот, важнейших полимерных соединений биологического происхождения, на молекулярном уровне. Это важно в связи с тем, что белки и нуклеиновые кислоты составляют главную материальную основу всего живого организма и осуществляют важнейшие структурные и каталитические функции в процессах жизнедеятельности. Несмотря на короткий отрезок времени (20 с небольшим лет) в области молекулярной биологии достигнуты исключительно большие успехи и открылись грандиозные перспективы. Так, в частности, вскрыта химическая природа вирусов и механизмы вирусной индикации, расшифрованы основные этапы биосинтеза белка, раскрыты сущность генетического кода, основанного на молекулярной структуре ДНК и этим самым природа мутации (наследственные изменения) - основа эволюции и изменчивости живого мира.

Экспериментальные данные по молекулярной биологии и их интерпретации в смысле понимания биологических явлений имеют большое философское значение. Именно на основании исследований на молекулярном уровне материализовались наши представления о таких жизненных явлениях, как наследственность и изменчивость, а также специфических синтезов биополимеров – белков и нуклеиновых кислот. Так как белок – основа жизни, то при ряде заболеваний как раз и наблюдаются нарушения процессов биосинтеза белка и не столько в его количественную сторону, сколько искажается молекулярная его структура. Отсюда появился термин – «молекулярная болезнь» . Исследования на молекулярном уровне имеют решающее и существенное значение для понимания таковых.

Перспективы

развития биохимии и молекулярной биологии.

1. Одной из основных проблем биохимии и молекулярной биологии следует считать исправление дефектов генетического аппарата. Радикальная терапия наследственных болезней, связана с мутационными изменениями тех или иных генов (участок ДНК) возможен лишь путем трансплантации синтезированных in vitro или выделенных из клеток (например бактерий) , аналогичных здоровых генов.

2. Овладение механизмом регуляции считывания генетической информации, закодированной в ДНК.

3. Изучение и выяснение основных принципов лечения ряда вирусных заболеваний. Этот вопрос может быть решен после выяснения механизма взаимодействия вирусов с инфицируемой клеткой.

4. Изучение процессов на молекулярном уровне позволяет более глубоко изучить такие процессы как биокатализ, механизм использования энергии АТФ и ГТФ, механизм передачи нервного возбуждения, перенос веществ через мембраны, явление иммунитета и т.д., а также откроет новые возможности в создании эффективных лекарственных средств в борьбе с преждевременным старением, развитием сердечно – сосудистых заболеваний (особенно атеросклероза) , продлении жизни.

Биохимия

Биохимическая генетика

Квантовая биохимия

Техническая биохимия

Клиническая биохимия

Радиационная биохимия

Биохимия растений

Биохимия человека и животных

Биохимия вирусов

Биохимия микробов

Сравнительная эволюционная биохимия