Жизнь и неживое? Химия и биохимия? Где между ними грань? И есть ли она? Где связь? Ключ к разгадке этих проблем долгое время был у природы за семью замками. И лишь в XX веке удалось несколько приоткрыть тайны жизни, причем многие кардинальные вопросы прояснились, когда ученые дошли до исследований на уровне молекул. Познание физико-химических основ жизненных процессов стало одной из главных задач естествознания, и именно на этом направлении, пожалуй, были получены самые интересные результаты, имеющие принципиальное теоретическое значение и сулящие громадный выход в практику.

Химия давно уже присматривается к природным веществам, участвующим в процессах жизнедеятельности.

За прошедшие два столетия химии суждено было сыграть выдающуюся роль в познании живой природы. На первом этапе химическое изучение носило описательный характер, и учеными были выделены и охарактеризованы разнообразные природные вещества, продукты жизнедеятельности микроорганизмов, растений и животных, обладавшие часто ценными свойствами (лекарственные препараты, красители и т. п.). Однако лишь сравнительно недавно на смену этой традиционной химии природных соединений пришла современная биохимия с ее стремлением не только описать, но и объяснить, и не только самое простое, но и самое сложное в живом.

Внеорганическая биохимия

Внеорганическая биохимия как наука сложилась в середине XX столетия, когда на сцену вырвались новые направления биологии, оплодотворенные достижениями других наук, и когда в естествознание пришли специалисты нового склада ума, объединенные желанием и стремлением точнее описать живой мир. И не случайно под одной крышей старомодного здания по Академическому проезду, 18 оказались два вновь организованных института, представлявших самые новые в то время направления химико-биологической науки, - Институт химии природных соединений и Институт радиационной и физико-химической биологии. Этим двум институтам суждено было начать в нашей стране бой за познание механизмов биологических процессов и детальное выяснение структур физиологически активных веществ.

К этому периоду стала ясна уникальная структура основного объекта молекулярной биологии - дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), знаменитая «двойная спираль». (Это длинная молекула, на которой, как на магнитофонной ленте или матрице, записан полный «текст» всей информации об организме.) Появилась структура первого белка - гормона инсулина, был успешно выполнен химический синтез гормона окситоцина.

А что, собственно, такое биохимия, чем она занимается?

Эта наука изучает биологически важные природные и искусственные (синтетические) структуры, химические соединения - как биополимеры, так и низкомолекулярные вещества. Точнее, закономерности связи их конкретной химической структуры с соответствующей физиологической функцией. Биоорганическую химию интересует тонкое устройство молекулы биологически важного вещества, внутренние ее связи, динамика и конкретный механизм ее изменения, роль каждого ее звена в выполнении функции.

Биохимия — ключ к пониманию белков

Биоорганической химии принадлежат, несомненно, крупные успехи в изучении белковых веществ. Еще в 1973 году было завершено выяснение полной первичной структуры фермента аспартат-аминотрансферазы, состоящего из 412 аминокислотных остатков. Это один из наиболее важных биокатализаторов живого организма и один из наиболее крупных белков с расшифрованной структурой. Позднее было определено строение и других важных белков - несколько нейротоксинов из яда среднеазиатской кобры, которые используются при изучении механизма передачи нервного возбуждения в качестве специфических блокаторов, а также растительного гемоглобина из клубеньков желтого люпина и антилейкозного белка актиноксантина.

Огромный интерес представляют родопсины. Давно известно, что родопсин - основной белок , участвующий у животных в процессах зрительной рецепции, и его выделяют из особых систем глаза. Этот уникальный белок принимает световой сигнал и обеспечивает нам способность видеть. Было обнаружено, что подобный родопсину белок встречается и у некоторых микроорганизмов, но выполняет совсем другую функцию (поскольку бактерии «не видят»). Здесь он энергетическая машина, синтезирующая богатые энергией вещества за счет света. Оба белка очень близки по структуре, но их назначение принципиально различно.

Одним из важнейших объектов изучения был фермент, участвующий в реализации генетической информации. Двигаясь по ДНК-матрице, он как бы считывает записанную в ней наследственную информацию и на этой основе синтезирует информационную рибонуклеиновую кислоту. Последняя же, в свою очередь, служит матрицей для синтеза белков. Этот фермент - огромный белок, его молекулярный вес приближается к полумиллиону (вспомним: у воды он всего лишь 18) и состоит из нескольких различных субъединиц. Выяснение его структуры суждено было помочь ответить на важнейший вопрос биологии: каков механизм «снятия» генетической информации, как идет расшифровка текста, записанного в ДНК - основном веществе наследственности.

Пептиды

Ученых привлекают не только белки, но и более короткие цепочки из аминокислот, называемые пептидами. Среди них сотни веществ громадного физиологического значения. Вазопрессин и ангиотензин участвуют в регуляции кровяного давления, гастрин управляет секрецией желудочного сока, грамицидин С и полимиксин - антибиотики, к которым относятся и так называемые вещества памяти. В короткой цепочке несколькими «буквами» аминокислотами записана огромная биологическая информация!

Сегодня мы умеем искусственно получать не только любой сложный пептид, но и простой белок, например инсулин. Значение таких работ трудно переоценить.

Был создан метод комплексного анализа пространственного строения пептидов с помощью разнообразных физических и расчетных методов. А ведь сложная объемная архитектура пептида и определяет всю специфику его биологической активности. Пространственное строение любого биологически активного вещества, или, как говорят, его конформация, - ключ к пониманию механизма его действия.

Среди представителей нового класса пептидных систем - депсипелтидов - коллектив ученых обнаружил вещества поразительной природы, способные селективно переносить ионы металлов через биологические мембраны, так называемые ионофоры. И главный среди них - валиномицин.

Открытие ионофоров составило целую эру в мембранологии, поскольку позволило направленно изменять транспорт ионов щелочных металлов - калий и натрий - через биомембраны. С транспортом этих ионов связаны и процессы нервного возбуждения, и процессы дыхания, и процессы рецепции - восприятия сигналов внешней среды. На примере валиномицина удалось показать, как биологические системы способны выбрать лишь один ион из десятков других, связать его в удобно транспортируемый комплекс и перенести через мембрану. Это удивительное свойство валиномицина заключено в его пространственной структуре, напоминающей собой ажурный браслет.

Другой тип ионофоров представляет собой антибиотик грамицидин А. Это линейная цепочка, построенная из 15 аминокислот, в пространстве образует спираль из двух молекул, причем, как было установлено, это истинная двойная спираль. Первая двойная спираль в белковых системах! И спиральная структура, встраиваясь в мембрану, образует своеобразную пору, канал, через который ионы щелочных металлов проходят сквозь мембрану. Простейшая модель ионного канала. Понятно, почему грамицидин вызвал такую бурю в мембранологии. Ученые уже получили многие синтетические аналоги грамицидина, он детально изучался на искусственных и биологических мембранах. Сколько прелести и значимости в такой, казалось бы, маленькой молекуле!

Не без помощи валиномицина и грамицидина ученые оказались втянутыми в исследование биологических мембран.

Биологические мембраны

Но в состав мембран всегда входит еще один основной компонент, который определяет их природу. Это жироподобные вещества, или липиды. Молекулы липидов невелики по размеру, но они образуют прочные гигантские ансамбли, формирующие сплошной мембранный слой. В этот слой встраиваются молекулы белков - и вот вам одна из моделей биологической мембраны.

Почему же важны биомембраны? Вообще мембраны - важнейшие регуляторные системы живого организма. Сейчас по подобию биомембран создаются важные технические средства - микроэлектроды, датчики, фильтры, топливные элементы… И дальнейшие перспективы использования мембранных принципов в технике поистине безграничны.

Прочие интересы биохимии

Видное место занимают исследования по бихимии нуклеиновых кислот. Они нацелены на расшифровку механизма химического мутагенеза, а также на познание природы связи между нуклеиновыми кислотами и белками.

Особое внимание было издавна сосредоточено на искусственном синтезе гена. Ген, или, если говорить упрощенно, функционально значимый участок ДНК, сегодня уже можно получить химическим синтезом. Это одно из важных направлений модной сейчас «генной инженерии». Работы, лежащие на стыке биоорганической химии и молекулярной биологии, требуют овладения сложнейшими приемами, дружного сотрудничества химиков и биологов.

Еще один класс биополимеров - углеводы, или полисахариды. Мы знаем типичных представителей веществ этой группы - целлюлозу, крахмал, гликоген, свекловичный сахар. Но в живом организме углеводы выполняют самые разнообразные функции. Это защита клетки от врагов (иммунитет), она важнейшая составная часть клеточных стенок, компонент рецепторных систем.

Наконец, антибиотики. В лабораториях выяснено строение таких важнейших групп антибиотиков, как стрептотрицин, оливомицин, альбофунгин, абиковхромицин, ауреоловая кислота, обладающие противоопухолевой, противовирусной и антибактериальной активностью.

Рассказать о всех поисках и достижениях биоорганической химии невозможно. С уверенностью только можно утверждать, что у биооргаников больше планов, чем сделанного.

Биохимия тесно сотрудничает с молекулярной биологией, биофизикой, изучающими жизнь на уровне молекул. Она стала химическим фундаментом этих исследований. Создание и широкое использование новых ее методов, новых научных концепций способствует дальнейшему прогрессу биологии. Последняя, в свою очередь, стимулирует развитие химических наук.

БИОХИМИЯ (биологическая химия), наука, изучающая химический состав живых объектов, строение и пути превращения природных соединений в клетках, органах, тканях и целых организмах, а также физиологическую роль отдельных химических превращений и закономерности их регулирования. Термин «биохимия» введён немецким учёным К. Нейбергом в 1903 году. Предмет, задачи и методы исследования биохимии относятся к изучению всех проявлений жизни на молекулярном уровне; в системе естественных наук она занимает самостоятельную область, относящуюся в равной степени как к биологии, так и к химии. Биохимию традиционно подразделяют на статическую, занимающуюся анализом строения и свойств всех органических и неорганических соединений, входящих в состав живых объектов (клеточных органелл, клеток, тканей, органов); динамическую, изучающую всю совокупность превращений отдельных соединений (обмен веществ и энергии); функциональную, исследующую физиологическую роль молекул отдельных соединений и их превращений при определённых проявлениях жизнедеятельности, а также сравнительную и эволюционную биохимию, определяющую сходство и различия состава и обмена веществ у организмов, принадлежащих к разным таксономическим группам. В зависимости от объекта исследования выделяют биохимию человека, растений, животных, микроорганизмов, крови, мышц, нейрохимию и пр., а по мере углубления знаний и их специализации самостоятельными разделами становятся энзимология, изучающая строение и механизм действия ферментов, биохимия углеводов, липидов, нуклеиновых кислот, мембран. Исходя из целей и задач, биохимию часто делят на медицинскую, сельскохозяйственную, техническую, биохимию питания и пр.

Формирование биохимии в 16—19 веках. Становление биохимии как самостоятельной науки тесно связано с развитием других естественнонаучных дисциплин (химия, физика) и медицины. Существенный вклад в развитие химии и медицины в 16 - 1-й половине 17 века внесла ятрохимия. Её представители исследовали пищеварительные соки, жёлчь, процессы брожения и др., ставились вопросы о превращениях веществ в живых организмах. Парацелъс пришёл к выводу, что процессы, происходящие в организме человека, являются химическими процессами. Я. Сильвиус большое значение придавал правильному соотношению в организме человека кислот и щелочей, нарушение которого, как он полагал, лежит в основе многих заболеваний. Я. Б. ван Гельмонт пытался установить, за счёт чего создаётся вещество растений. В начале 17 века итальянский учёный С. Санторио с помощью специально сконструированной им камеры пытался установить соотношение количества принимаемой пищи и выделений человека.

Научные основы биохимии были заложены во 2-й половине 18 века, чему способствовали открытия в области химии и физики (в том числе открытие и описание ряда химических элементов и простых соединений, формулировка газовых законов, открытие законов сохранения и превращения энергии), использование химических методов анализа в физиологии. В 1770-х годах А. Лавуазье сформулировал идею о сходстве процессов горения и дыхания; установил, что дыхание человека и животных с химической точки зрения представляет собой процесс окисления. Дж. Пристли (1772) доказал, что растения выделяют кислород, необходимый для жизни животных, а голландский ботаник Я. Ингенхауз (1779) установил, что очищение «испорченного» воздуха производится только зелёными частями растений и только на свету (этими работами было положено начало изучению фотосинтеза). Л. Спалланцани предложил рассматривать пищеварение как сложную цепь химических превращений. К началу 19 века из природных источников был выделен ряд органических веществ (мочевина, глицерин, лимонная, яблочная, молочная и мочевая кислоты, глюкоза и др.). В 1828 году Ф. Вёлер впервые осуществил химический синтез мочевины из цианата аммония, развенчав тем самым господствовавшее до этого времени представление о возможности синтеза органических соединений только живыми организмами и доказав несостоятельность витализма. В 1835 году И. Берцелиус ввёл понятие катализа; он постулировал, что брожение - каталитический процесс. В 1836 году голландский химик Г. Я. Мульдер впервые предложил теорию строения белковых веществ. Постепенно происходило накопление данных о химическом составе растительных и животных организмов и протекающих в них химических реакциях, к середине 19 века описан ряд ферментов (амилаза, пепсин, трипсин и др.). Во 2-й половине 19 века были получены некоторые сведения о структуре и химических превращениях белков, жиров и углеводов, фотосинтезе. В 1850-55 годах К. Бернар выделил гликоген из печени и установил факт его превращения в глюкозу, поступающую в кровь. Работами И. Ф. Мишера (1868) было положено начало изучению нуклеиновых кислот. В 1870 году Ю. Либих сформулировал химическую природу действия ферментов (основные её принципы сохраняют своё значение и в наши дни); в 1894 году Э. Г. Фишер впервые использовал ферменты в качестве биокатализаторов химических реакций; он пришёл к заключению, что субстрат соответствует ферменту как «ключ замку». Л. Пастер сделал вывод о том, что брожение - биологический процесс, для осуществления которого необходимы живые дрожжевые клетки, отвергнув тем самым химическую теорию брожения (Й. Берцелиус, Э. Митчерлих, Ю. Либих), в соответствии с которой сбраживание сахаров - сложная химическая реакция. Ясность в этот вопрос была окончательно внесена после того, как Э. Бухнер (1897, совместно с братом, Г. Бухнером) доказал способность экстракта клеток микроорганизмов вызывать брожение. Их работы способствовали познанию природы и механизма действия ферментов. Вскоре А. Гарден установил, что брожение сопровождается включением фосфата в соединения углеводов, что послужило толчком к выделению и идентификации фосфорных эфиров углеводов и пониманию их ключевой роли в биохимических превращениях.

Развитие биохимии в России в этот период связано с именами А. Я. Данилевского (изучал белки и ферменты), М. В. Ненцкого (исследовал пути образования мочевины в печени, структуру хлорофилла и гемоглобина), В. С. Гулевича (биохимия мышечной ткани, экстрактивные вещества мышц), С. Н. Виноградского (открыл хемосинтез у бактерий), М. С. Цвета (создал метод хроматографического анализа), А. И. Баха (перекисная теория биологического окисления) и др. Российский врач Н. И. Лунин проложил путь к изучению витаминов, экспериментально доказав (1880) необходимость для нормального развития животных особых веществ (помимо белков, углеводов, жиров, солей и воды). В конце 19 века сформировались представления о сходстве основных принципов и механизмов химических превращений у различных групп организмов, а также об особенностях их обмена веществ (метаболизма).

Накопление большого количества сведений относительно химического состава растительного и животных организмов и протекающих в них химических процессов привело к необходимости систематизации и обобщения данных. Первой работой в этом направлении стал учебник И. Зимона («Handbuch der angewandten medicinischen Chemie», 1842). В 1842 году появилась монография Ю. Либиха «Die Tierchemie oder die organische Chemie in ihrer Anwendung auf Physiologie und Pathologie». Первый отечественный учебник физиологической химии был издан профессором Харьковского университета А. И. Ходневым в 1847 году. Периодические издания регулярно начали выходить с 1873 года. Во 2-й половине 19 века на медицинских факультетах многих российских и зарубежных университетов были организованы специальные кафедры (первоначально их называли кафедрами медицинской или функциональной химии). В России впервые кафедры медицинской химии были созданы А. Я. Данилевским в Казанском университете (1863) и А. Д. Булыгинским (1864) на медицинском факультете Московского университета.

Биохимия в 20 веке . Становление современной биохимии произошло в 1-й половине 20 века. Его начало отмечено открытием витаминов и гормонов, определена их роль в организме. В 1902 году Э. Г. Фишер первым синтезировал пептиды, установив тем самым природу химической связи между аминокислотами в белках. В 1912 году польский биохимик К. Функ выделил вещество, предотвращающее развитие полиневрита, и назвал его витамином. После этого постепенно были открыты многие витамины, и витаминология стала одним из разделов биохимии, а также науки о питании. В 1913 году Л. Михаэлисом и М. Ментен (Германия) были разработаны теоретические основы ферментативных реакций, сформулированы количественные закономерности биологического катализа; установлена структура хлорофилла (Р. Вильштеттер, А. Штоль, Германия). В начале 1920-х годов А. И. Опарин сформулировал общий подход к химическому пониманию проблемы возникновения жизни. Впервые были получены в кристаллическом виде ферменты уреаза (Дж. Самнер, 1926), химотрипсин, пепсин и трипсин (Дж. Нортроп, 1930-е годы), что послужило доказательством белковой природы ферментов и толчком для быстрого развития энзимологии. В эти же годы Х. А. Кребс описал механизм синтеза мочевины у позвоночных в ходе орнитинового цикла (1932); А. Е. Браунштейн (1937, совместно с М. Г. Крицман) открыл реакцию переаминирования как промежуточное звено биосинтеза и распада аминокислот; О. Г. Варбург выяснил природу фермента, реагирующего с кислородом в тканях. В 1930-х годах завершился основной этап изучения природы основополагающих биохимических процессов. Установлена последовательность реакций распада углеводов в ходе гликолиза и брожения (О. Мейергоф, Я. О. Парнас), превращения пировиноградной кислоты в циклах ди- и трикарбоновых кислот (А. Сент-Дъёрдъи, Х. А. Кребс, 1937), открыто фоторазложение воды (Р. Хилл, Великобритания, 1937). Работами В. И. Палладина, А. Н. Баха, Г. Виланда, шведского биохимика Т. Тунберга, О. Г. Варбурга и английского биохимика Д. Кейлина заложены основы современных представлений о внутриклеточном дыхании. Из мышечных экстрактов были выделены аденозинтрифосфат (АТФ) и креатинфосфат. В СССР работами В. А. Энгельгардта (1930) и В. А. Белицера (1939) по окислительному фосфорилированию и количественной характеристике этого процесса было положено начало современной биоэнергетике. Позднее Ф. Липман разработал представления о богатых энергией фосфорных соединениях, установил центральную роль АТФ в биоэнергетике клетки. Открытие ДНК у растений (российские биохимики А. Н. Белозерский и А. Р. Кизель, 1936) способствовало признанию биохимического единства растительного и животного мира. В 1948 году А. А. Красновский открыл реакцию обратимого фотохимического восстановления хлорофилла, значительные успехи были достигнуты в выяснении механизма фотосинтеза (М. Калвин).

Дальнейшее развитие биохимии связано с изучением структуры и функции ряда белков, разработкой основных положений теории ферментативного катализа, установлением принципиальных схем обмена веществ и др. Прогресс биохимии во 2-й половине 20 века в значительной степени обусловлен развитием новых методов. Благодаря усовершенствованию методов хроматографии и электрофореза стала возможной расшифровка последовательностей аминокислот в белках и нуклеотидов в нуклеиновых кислотах. Рентгеноструктурный анализ позволил определить пространственную структуру молекул ряда белков, ДНК и других соединений. С помощью электронной микроскопии были открыты ранее неизвестные клеточные структуры, благодаря ультрацентрифугированию выделены различные клеточные органеллы (в том числе ядро, митохондрии, рибосомы); использование изотопных методов дало возможность понять сложнейшие пути превращения веществ в организмах и т. д. Важное место в биохимических исследованиях заняли различные виды радио- и оптической спектроскопии, масс-спектроскопии. Л. Полинг (1951, совместно с Р. Кори) сформулировал представления о вторичной структуре белка, Ф. Сенгер расшифровал (1953) структуру белкового гормона инсулина, а Дж. Кендрю (1960) определил пространственную структуру молекулы миоглобина. Благодаря усовершенствованию методов исследования было внесено много нового в представления о структуре ферментов, формировании их активного центра, об их работе в составе сложных комплексов. После установления роли ДНК как вещества наследственности (О. Эвери, 1944) особое внимание обращается на нуклеиновые кислоты и их участие в процессе передачи признаков организма по наследству. В 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик предложили модель пространственной структуры ДНК (так называемая двойная спираль), увязав её строение с биологической функцией. Это событие явилось переломным моментом в развитии биохимии и биологии в целом и послужило основанием для выделения из биохимии новой науки - молекулярной биологии. Исследования по структуре нуклеиновых кислот, их роли в биосинтезе белка и явлениях наследственности связаны также с именами Э. Чаргаффа, А. Корнберга, С. Очоа, Х. Г. Корана, Ф. Сенгера, Ф. Жакоба и Ж. Моно, а также российских учёных А. Н. Белозерского, А. А. Баева, Р. Б. Хесина-Лурье и др. Изучение структуры биополимеров, анализ действия биологически активных низкомолекулярных природных соединений (витамины, гормоны, алкалоиды, антибиотики и др.) привели к необходимости установления связи между строением вещества и его биологической функцией. В связи с этим получили развитие исследования на грани биологической и органической химии. Это направление стало называться биоорганической химией. В 1950-х годах на стыке биохимии и неорганической химии как самостоятельная дисциплина сформировалась бионеорганическая химия.

К числу несомненных успехов биохимии относятся: открытие участия биологических мембран в генерации энергии и последующие исследования в области биоэнергетики; установление путей превращения наиболее важных продуктов обмена веществ; познание механизмов передачи нервного возбуждения, биохимических основ высшей нервной деятельности; выяснение механизмов передачи генетической информации, регуляции важнейших биохимических процессов в живых организмах (клеточная и межклеточная сигнализация) и многие другие.

Современное развитие биохимии. Биохимия является неотъемлемой частью физико-химической биологии - комплекса взаимосвязанных и тесно переплетённых между собой наук, который включает также биофизику, биоорганическую химию, молекулярную и клеточную биологию и др., изучающих физические и химические основы живой материи. Биохимические исследования охватывают широкий круг проблем, решение которых осуществляется на стыке нескольких наук. Например, биохимическая генетика изучает вещества и процессы, участвующие в реализации генетической информации, а также роль различных генов в регуляции биохимических процессов в норме и при различных генетических нарушениях метаболизма. Биохимическая фармакология исследует молекулярные механизмы действия лекарственных средств, способствуя разработке более совершенных и безопасных препаратов, иммунохимия - структуру, свойства и взаимодействия антител (иммуноглобулинов) и антигенов. На современном этапе биохимия характеризуется активным привлечением широкого методического арсенала смежных дисциплин. Даже такой традиционный раздел биохимии, как энзимология, при характеристике биологической роли конкретного фермента, редко обходится без направленного мутагенеза, выключения гена, кодирующего исследуемый фермент в живых организмах, или, наоборот, его повышенной экспрессии.

Хотя основные пути и общие принципы обмена веществ и энергии в живых системах можно считать установленными, множество деталей метаболизма и особенно его регуляции остаются неизвестными. Особенно актуально выяснение причин нарушений метаболизма, приводящих к тяжёлым «биохимическим» болезням (различные формы диабета, атеросклероз, злокачественное перерождение клеток, нейродегенеративные заболевания, циррозы и многие др.), и научное обоснование его направленной коррекции (создание лекарственных средств, диетические рекомендации). Использование биохимических методов позволяет выявить важные биологические маркеры различных заболеваний и предложить эффективные способы их диагностики и лечения. Так, определение в крови кардиоспецифичных белков и ферментов (тропонин Т и изофермент креатинкиназы миокарда) позволяет осуществлять раннюю диагностику инфаркта миокарда. Важная роль отводится биохимии питания, изучающей химические и биохимические компоненты пищи, их ценность и значение для здоровья человека, влияние хранения пищевых продуктов и их обработки на качество пищи. Системный подход в изучении всей совокупности биологических макромолекул и низкомолекулярных метаболитов конкретной клетки, ткани, органа или организма определённого вида привёл к появлению новых дисциплин. К их числу относятся геномика (исследует всю совокупность генов организмов и особенности их экспрессии), транскриптомика (устанавливает количественный и качественный состав молекул РНК), протеомика (анализирует всё многообразие белковых молекул, характерных для организма) и метаболомика (изучает все метаболиты организма или его отдельных клеток и органов, образующиеся в процессе жизнедеятельности), активно использующие биохимическую стратегию и биохимические методы исследований. Получила развитие прикладная область геномики и протеомики - биоинженерия, связанная с направленным конструированием генов и белков. Названные выше направления порождены в равной мере биохимией, молекулярной биологией, генетикой и биоорганической химией.

Научные учреждения, общества и периодические издания . Научные исследования в области биохимии проводятся во многих специализированных научно-исследовательских институтах и лабораториях. В России они находятся в системе РАН (в том числе Институт биохимии, Институт эволюционной физиологии и биохимии, Институт физиологии растений, Институт биохимии и физиологии микроорганизмов, Сибирский институт физиологии и биохимии растений, Институт молекулярной биологии, Институт биоорганической химии), отраслевых академий (в том числе Институт биомедхимии РАМН), ряда министерств. Работы по биохимии ведутся в лабораториях и на многочисленных кафедрах биохимических вузов. Специалистов-биохимиков и за рубежом, и в Российской Федерации готовят на химических и биологических факультетах университетов, имеющих специальные кафедры; биохимиков более узкого профиля - в медицинских, технологических, сельскохозяйственных и других вузах.

В большинстве стран существуют научные биохимические общества, объединённые в Европейскую федерацию биохимиков (Federation of European Biochemical Societies, FEBS) и в Международный союз биохимиков и молекулярных биологов (International Union of Biochemistry, IUBMB). Эти организации собирают симпозиумы, конференции, а также конгрессы. В России Всесоюзное биохимическое общество с многочисленными республиканскими и городскими отделениями было создано в 1959 году (с 2002 года Общество биохимиков и молекулярных биологов).

Велико количество периодических изданий, в которых публикуются работы по биохимии. Наиболее известны: «Journal of Biological Chemistry» (Balt., 1905), «Biochemistry» (Wash., 1964), «Biochemical Journal» (L., 1906), «Phytochemistry» (Oxf.; N. Y., 1962), «Biochimica et Biophisica Acta» (Amst., 1947) и многие др.; ежегодники: «Annual Review of Biochemistry» (Stanford, 1932), «Advances in Enzymology and Related Subjects of Biochemistry» (N. Y., 1945), «Advances in Protein Chemistry» (N.Y., 1945), «Febs Journal» (первоначально «European Journal of Biochemistry», Oxf., 1967), «Febs letters» (Amst., 1968), «Nucleic Acids Research» (Oxf., 1974), «Biochimie» (Р., 1914; Amst., 1986), «Trends in Biochemical Sciences» (Elsevier, 1976) и др. В России результаты экспериментальных исследований печатаются в журналах «Биохимия» (М., 1936), «Физиология растений» (М., 1954), «Журнал эволюционной биохимии и физиологии» (СПб., 1965), «Прикладная биохимия и микробиология» (М., 1965), «Биологические мембраны» (М., 1984), «Нейрохимия» (М., 1982) и др., обзорные работы по биохимии - в журналах «Успехи современной биологии» (М., 1932), «Успехи химии» (М., 1932) и др.; ежегодник «Успехи биологической химии» (М., 1950).

Лит.: Джуа М. История химии. М., 1975; Шамин А. М. История химии белка. М., 1977; он же. История биологической химии. М., 1994; Основы биохимии: В 3 т. М., 1981; Страйер Л. Биохимия: В 3 т. М., 1984-1985; Ленинджер А. Основы биохимии: В 3 т. М., 1985; Азимов А. Краткая история биологии. М., 2002; Эллиот В., Эллиот Д. Биохимия и молекулярная биология. М., 2002; Berg J.М., Tymoczko J.L., Stryer L. Biochemistry. 5th ed. N. Y., 2002; Биохимия человека: В 2 т. 2-е изд. М., 2004; Березов Т. Т., Коровкин Б. Ф. Биологическая химия. 3-е изд. М., 2004; Voet D., VoetJ. Biochemistry. 3rd ed. N. Y., 2004; Nelson D. L., Cox М. М. Lehninger principles of biochemistry. 4th ed. N. Y., 2005; Elliott W., Elliott D. Biochemistry and molecular biology. 3rd ed. Oxf., 2005; Garrett R.Н., Grisham С. М. Biochemistry. 3rd ed. Belmont, 2005.

А. Д. Виноградов, А. Е. Медведев.

Биохимия - это наука, занимающаяся изучением различных молекул, химических реакций и процессов, протекающих в живых клетках и организмах. Основательное знание биохимии совершенно необходимо для успешного развития двух главных направлений биомедицинских наук: 1) решение проблем сохранения здоровья человека; 2) выяснение причин различных болезней и изыскание путей их эффективного лечения.

БИОХИМИЯ И ЗДОРОВЬЕ

Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) определяет здоровье как состояние «полного физического, духовного и социального благополучия, которое не сводится к простому отсутствию болезней и недомоганий». Со строго биохимической точки зрения организм можно считать здоровым, если многие тысячи реакций, протекающих внутри клеток и во внеклеточной среде, идут в таких условиях и с такими скоростями, которые обеспечивают максимальную жизнеспособность организма и поддерживают физиологически нормальное (не патологическое) состояние.

БИОХИМИЯ, ПИТАНИЕ, ПРОФИЛАКТИКА И ЛЕЧЕНИЕ

Одной из главных предпосылок сохранения здоровья является оптимальная диета, содержащая ряд химических веществ; главными из них являются витамины, некоторые аминокислоты, некоторые жирные кислоты, различные минеральные вещества и вода. Все эти вещества представляют тот или иной интерес как для биохимии, так и для науки о рациональном питании. Следовательно, между этими двумя науками существует тесная связь. Кроме того, можно полагать, что на фоне усилий, прилагаемых к тому, чтобы сдержать рост цен на медицинское обслуживание, все большее внимание будет уделяться сохранению здоровья и предупреждению болезней, т.е. профилактической медицине. Так, например, для предупреждения атеросклероза и рака со временем, вероятно, все большее значение будет придаваться рациональному питанию. В то же время концепция рационального питания должна основываться на знании биохимии.

БИОХИМИЯ И БОЛЕЗНИ

Все болезни представляют собой проявление каких-то изменений в свойствах молекул и нарушений хода химических реакций и процессов. Основные факторы, приводящие к развитию болезней у животных и человека, приведены в табл. 1.1. Все они оказывают влияние на одну или несколько ключевых химических реакций или на структуру и свойства функционально важных молекул.

Вклад биохимических исследований в диагностику и лечение заболеваний сводится к следующему.

Таблица 1.1. Основные факторы, приводящие к развитию болезней. Все они оказывают влияние на различные биохимические процессы, протекающие в клетке или целом организме

1. Физические факторы: механическая травма, экстремальная температура, резкие изменения атмосферного давления, радиация, электрический шок

2. Химические агенты и лекарственные препараты: некоторые токсические соединения, терапевтические препараты и т.д.

4. Кислородное голодание: потеря крови, нарушение кислородпереносящей функции, отравление окислительных ферментов

5. Генетические факторы: врожденные, молекулярные

6. Иммунологические реакции: анафилаксия, аутоиммунные заболевания

7. Нарушения пищевого баланса: недостаточное питание, избыточное питание

Благодаря этим исследованиям можно 1) выявить причину болезни; 2) предложить рациональный и эффективный путь лечения; 3) разработать методики для массового обследования населения с целью ранней диагностики; 4) следить за ходом болезни; 5) контролировать эффективность лечения. В Приложении описаны наиболее важные биохимические анализы, используемые для диагностики различных заболеваний. К этому Приложению будет полезно обращаться всякий раз, когда будет идти речь о биохимической диагностике различных болезней (например, инфаркта миокарда, острого панкреатита и др.).

Возможности биохимии в отношении предупреждения и лечения болезней кратко проиллюстрированы на трех примерах; позднее в этой же главе мы рассмотрим еще несколько примеров.

1. Хорошо известно, что для поддержания своего здоровья человек должен получать определенные сложные органические соединения - витамины. В организме витамины превращаются в более сложные молекулы (коферменты), которые играют ключевую роль во многих протекающих в клетках реакциях. Недостаток в диете какого-либо из витаминов может привести к развитию различных заболеваний, например цинги при недостатке витамина С или рахита при недостатке витамина D. Выяснение ключевой роли витаминов или их биологически активных производных стало одной из главных задач, которые решали биохимики и диетологи с начала нынешнего столетия.

2. Патологическое состояние, известное под названием фенилкетонурия (ФКУ), в отсутствие лечения может привести к тяжелой форме умственной отсталости. Биохимическая природа ФКУ известна уже около 30 лет: заболевание обусловлено недостатком или полным отсутствием активности фермента, который катализирует превращение аминокислоты фенилаланина в другую аминокислоту, тирозин. Недостаточная активность этого фермента приводит к тому, что в тканях накапливается избыток фенилаланина и некоторых его метаболитов, в частности кетонов, что неблагоприятно сказывается на развитии центральной нервной системы. После того как были выяснены биохимические основы ФКУ, удалось найти рациональный способ лечения: больным детям назначают диету с пониженным содержанием фенилаланина. Массовое обследование новорожденных на ФКУ позволяет в случае надобности начать лечение незамедлительно.

3. Кистозный фиброз - наследуемая болезнь экзокринных, и в частности потовых, желез. Причина болезни неизвестна. Кистозный фиброз является одной из наиболее распространенных генетических болезней в Северной Америке. Он характеризуется аномально вязкими секретами, которые закупоривают секреторные протоки поджелудочной железы и бронхиолы. Страдающие этой болезнью чаще всего погибают в раннем возрасте от легочной инфекции. Поскольку молекулярная основа болезни неизвестна, возможно только симптоматическое лечение. Впрочем, можно надеяться, что в недалеком будущем с помощью технологии рекомбинантных ДНК удастся выяснить молекулярную природу заболевания, что позволит найти более эффективный способ лечения.

ФОРМАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ БИОХИМИИ

Биохимия, как следует из названия (от греческого bios-жизнь), - это химия жизни, или, более строго, наука о химических основах процессов жизнедеятельности.

Структурной единицей живых систем является клетка, поэтому можно дать и другое определение: биохимия как наука изучает химические компоненты живых клеток, а также реакции и процессы, в которых они участвуют. Согласно этому определению, биохимия охватывает широкие области клеточной биологии и всю молекулярную биологию.

ЗАДАЧИ БИОХИМИИ

Главная задача биохимии состоит в том, чтобы достичь полного понимания на молекулярном уровне природы всех химических процессов, связанных с жизнедеятельностью клеток.

Для решения этой задачи необходимо выделить из клеток многочисленные соединения, которые там находятся, определить их структуру и установить их функции. В качестве примера можно указать на многочисленные исследования, направленные на выяснение молекулярных основ мышечного сокращения и ряда сходных процессов. В результате были выделены в очищенном виде многие соединения различной степени сложности и проведены детальные структурно-функциональные исследования. В итоге удалось выяснить ряд аспектов молекулярных основ мышечного сокращения.

Еще одна задача биохимии заключается в выяснении вопроса о происхождении жизни. Наши представления об этом захватывающем процессе далеки от исчерпывающих.

ОБЛАСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Сфера биохимии столь же широка, как и сама жизнь. Всюду, где существует жизнь, протекают различные химические процессы. Биохимия занимается изучением химических реакций, протекающих в микроорганизмах, растениях, насекомых, рыбах, птицах, низших и высших млекопитающих, и в частности в организме человека. Для студентов, изучающих биомедицинские науки, особый интерес представляют

два последних раздела. Однако было бы недальновидно совсем не иметь представления о биохимических особенностях некоторых других форм жизни: нередко эти особенности существенны для понимания разного рода ситуаций, имеющих прямое отношение к человеку.

БИОХИМИЯ И МЕДИЦИНА

Между биохимией и медициной имеется широкая двусторонняя связь. Благодаря биохимическим исследованиям удалось ответить на многие вопросы, связанные с развитием заболеваний, а изучение причин и хода развития некоторых заболеваний привело к созданию новых областей биохимии.

Биохимические исследования, направленные на выявление причин заболеваний

В дополнение к указанным выше мы приведем еще четыре примера, иллюстрирующих широту диапазона возможных применений биохимии. 1. Анализ механизма действия токсина, продуцируемого возбудителем холеры, позволил выяснить важные моменты в отношении клинических симптомов болезни (диарея, обезвоживание). 2. У многих африканских растений содержание одной или нескольких незаменимых аминокислот весьма незначительно. Выявление этого факта позволило понять, почему те люди, для которых именно эти растения являются основным источником белка, страдают от белковой недостаточности. 3. Обнаружено, что у комаров - переносчиков возбудителей малярии - могут формироваться биохимические системы, наделяющие их невосприимчивостью к инсектицидам; это важно учитывать при разработке мер по борьбе с малярией. 4. Гренландские эскимосы в больших количествах потребляют рыбий жир, богатый некоторыми полиненасыщенными жирными кислотами; в то же время известно, что для них характерно пониженное содержание холестерола в крови, и поэтому у них гораздо реже развивается атеросклероз. Эти наблюдения навели на мысль о возможности применения полиненасыщенных жирных кислот для снижения содержания холестерола в плазме крови.

Изучение болезней способствует развитию биохимии

Наблюдения английского врача сэра Арчибальда Гаррода еще в начале 1900-х гг. за небольшой группой пациентов, страдавших врожденными нарушениями метаболизма, стимулировали исследование биохимических путей, нарушение которых происходит при такого рода состояниях. Попытки понять природу генетического заболевания под названием семейная гиперхолестеролемия, приводящего к развитию тяжелого атеросклероза в раннем возрасте, способствовали быстрому накоплению сведений о клеточных рецепторах и о механизмах поглощения холестерола клетками. Интенсивное изучение онкогенов в раковых клетках привлекло внимание к молекулярным механизмам контроля роста клеток.

Изучение низших организмов и вирусов

Ценная информация, которая оказалась весьма полезной для проведения биохимических исследований в клинике, была получена при изучении некоторых низших организмов и вирусов. Например, современные теории регуляции активности генов и ферментов сформировались на базе пионерских исследований, выполненных на плесневых грибах и на бактериях. Технология рекомбинантных ДНК зародилась в ходе исследований, проведенных на бактериях и бактериальных вирусах. Главным достоинством бактерий и вирусов как объектов биохимических исследований является высокая скорость их размножения; это существенно облегчает проведение генетического анализа и генетических манипуляций. Сведения, полученные при изучении вирусных генов, ответственных за развитие некоторых форм рака у животных (вирусных онкогенов), позволили лучше понять механизм трансформации нормальных клеток человека в раковые.

БИОХИМИЯ И ДРУГИЕ БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ

Биохимия нуклеиновых кислот лежит в самой основе генетики; в свою очередь использование генетических подходов оказалось плодотворным для многих областей биохимии. Физиология, наука о функционировании организма, очень сильно перекрывается с биохимией. В иммунологии находит применение большое число биохимических методов, и в свою очередь многие иммунологические подходы широко используются биохимиками. Фармакология и фармация базируются на биохимии и физиологии; метаболизм большинства лекарств осуществляется в результате соответствующих ферментативных реакций. Яды влияют на биохимические реакции или процессы; эти вопросы составляют предмет токсикологии. Как мы уже говорили, в основе разных видов патологии лежит нарушение ряда химических процессов. Это обусловливает все более широкое использование биохимических подходов для изучения различных видов патологии (например, воспалительные процессы, повреждения клеток и рак). Многие из тех, кто занимается зоологией и ботаникой, широко используют в своей работе биохимические подходы. Эти взаимосвязи не удивительны, поскольку, как мы знаем, жизнь во всех своих проявлениях зависит от разнообразных биохимических реакций и процессов. Барьеры, существовавшие ранее между биологическими науками, фактически разрушены, и биохимия все в большей степени становится их общим языком.

Что такое БиоХимия?

Вопрос решен и закрыт .

Будущий врач, химик или фармацевт?

3)ну так белки - они же денатурируют, поэтому и в осадок выпадают! нагреваешь выше 70 градусов и всё. водородные связи распались. белок потерял свою форму в пространстве, т.е. распалась вторичная структура (это когда он закручивался в спираль и занимал определенное пположение в просранстве), только первичная структура не пострадала (аминокислоты, последовательно соединённые пептидными связями "в линию")... * ___это примерно как, если бы песочная фигура вдруг рассыпалась на песчинки и потеряла свою форму в пространстве, хотя молекулы песка сохранились те же___ * ну или кроме нагревания, кислотой и другими химикалиями, органическими растворителями (этанол, например), солями тяжелых металлов можно на белок воздействовать и он в осадок выпадет, ещё УВ излучение, формалин)) ... с третичноу структурой всё сложнее. там еще бывают ионные (соо- и NH3+), гидрофильные, гидрофобные связи...

2)гидролиз белков пролисходит в кислой среде, при повыш. температуре. (методы см.выше) а ещё биохимический гидролиз делают энзимы:) - протеазы. из протеина образуются пептоны, потом полипептиды, потом альфааминокислоты. во, биохимический метод.

1)а если у аминокислоты 2 группы СООН, то у этой кислоты будет отрицательный заряд и соответсвенно - кислотные свойста, а если две группы ОН, то отрицательный заряд и щелочные свойтсва. а какие особенности реакции конденсации - я в ступоре, не знаю.

Из пальца кровь берут для мелких анализов: глюкометр - на сахар, на группу крови могут брать, на проверку уровня гемоглобина. Из вены берут на крупные анализы (гепатит, СПИД и т.д.)


Кровь из пальца??? Странно... уже давно из пальца кровь не берут... ты с какой деревни?


Берут ещё как. Везде!


эта деревня называется россией)))


В России медицина одна из лучших в мире! Разные клиники есть. И не называй Россию деревней! Москва, Питер, Казань, Челябинск, Уфа, Омск, Новосибирск и многое др. городов все около миллиона или больше населением. И ты там был? Я был! Везде динамика! Народ бегает, торгует, работает... а у нас в Латвии внешне наблюдается латышская тормознутость. Картину везде наблюдал: прямая трасса, машине надо повернуть налево, естественно она немного тормозит, в России же народ за этой машиной не будет ждать, пока она повернёт, они все объедут по обочине и поедут дальше. Потому как там важно успевать и делать!

• Можно спать спокойно,но периодически раз в полгода повторять.Так врачи рекомендуют.

  В любом случае придется сдавать и практику, и теорию. Лучше всё подучить, позаниматься самостоятельно и с репетитором. Темы:
  1. Кровь;
  2. Клиническая биохимия;
  3. Мышцы;
  4. Отклонения и нормы;
  5. Аминокислоты;
  6. Белки;
  7. Ферменты;
  8. Обмен аминокислот;
  9. Витамины;
  10. Жиры;
  11. Углеводы;
  12. Нарушение обмена аминокислот;
  13. Превращение аминокислот;
  14. Обмен азотистых оснований и нуклеотидов;
  15. Матричные биосинтозы;
  16. Биосинтозы;
  17. Обмен и строение углеводов;
  18. Общие пути катаболизма;
  19. Гормональная сигнализация;
  20. Биохимия азотистых веществ крови;
  21. Обмен гема и гемоглобина;
  22. Кислотно-основное состояние;
  23. Биохимия почек;
  24. Биохимия печени.

Животных, растений, грибов, вирусов, бактерий. Численность представителей каждого царства настолько велика, что остается только удивляться, как мы все помещаемся на Земле. Но, несмотря на такое многообразие, все живое на планете объединяет несколько основных особенностей.

Общность всего живого

Доказательства складываются из нескольких основных особенностей живых организмов:

• необходимости в питании (потреблении энергии и преобразовании ее внутри организма);
• потребности в дыхании ;
• способности к размножению;
• росте и развитии в течение жизненного цикла.

Любой из перечисленных процессов представлен в организме массой химических реакций. Ежесекундно внутри любого живого существа, а тем более человека, происходят сотни реакций синтеза и распада органических молекул. Структура, особенности химического воздействия, взаимодействие друг с другом, синтез, распад и построение новых структур молекул органического и неорганического строения - все это предмет изучения большой, интересной и разнообразной науки. Биохимия - это молодая прогрессивная область знания, изучающая все происходящие внутри живых существ.

Объект

Объектом изучения биохимии являются только живые организмы и все происходящие в них процессы жизнедеятельности. А конкретно - химические реакции, происходящие при поглощении пищи, выделении продуктов жизнедеятельности, росте и развитии. Так, основы биохимии составляет изучение:

1. Неклеточных форм жизни - вирусов.
2. Прокариотических клеток бактерий.
3. Высших и низших растений.
4. Животных всех известных классов.
5. Организма человека.

При этом сама биохимия - это наука достаточно молодая, возникшая только с накоплением достаточного количества знаний о внутренних процессах в живых существах. Ее возникновение и обособление датируется второй половиной XIX века.

Современные разделы биохимии

На современном этапе развития биохимия включает в себя несколько основных разделов, которые представлены в таблице.

Таким образом, можно сказать, что биохимия - это целый комплекс маленьких наук, которые охватывают все многообразие сложнейших внутренних процессов живых систем.

Дочерние науки

С течением времени накопилось настолько много различных знаний и сформировалось столько научных навыков обработки результатов исследований, выведения бактериальных колоний, и РНК, встраивания заведомо известных участков генома с заданными свойствами и так далее, что появилась необходимость в дополнительных науках, которые являются дочерними для биохимии. Это такие науки, как:

• молекулярная биология;
• генная инженерия;
• генная хирургия;
• молекулярная генетика;
• энзимология;
• иммунология;
• молекулярная биофизика.

Каждая из перечисленных областей знаний имеет массу достижений в изучении биопроцессов в живых биологических системах, поэтому является очень важной. Все они относятся к наукам XX века.

Причины интенсивного развития биохимии и дочерних наук

В 1958 г. Корана открыл ген и его структуру, после чего в 1961 г. был расшифрован генетический код. Затем было установлено строение молекулы ДНК - двухцепочечная структура, способная к редупликации (самовоспроизведению). Были описаны все тонкости процессов метаболизма (анаболизм и катаболизм), изучена третичная и четвертичная структура белковой молекулы. И это далеко не полный список грандиозных по значимости открытий XX века, которые и составляют основу биохимии. Все эти открытия принадлежат биохимикам и самой науке как таковой. Поэтому предпосылок для ее развития множество. Можно выделить несколько современных причин ее динамичности и интенсивности в становлении.

1. Выявлены основы большинства химических процессов, происходящих в живых организмах.
2. Сформулирован принцип единства в большинстве физиологических и энергетических процессов для всех живых существ (например, они одинаковы у бактерий и человека).
3. Медицинская биохимия позволяет получить ключ к лечению массы различных сложных и опасных заболеваний.
4. При помощи биохимии стало возможным подобраться к решению самых глобальных вопросов биологии и медицины.

Отсюда вывод: биохимия - это прогрессивная, важная и очень широко спектральная наука, позволяющая найти ответы на многие вопросы человечества.

Биохимия в России

В нашей стране биохимия является такой же прогрессивной и важной наукой, как и в целом мире. На территории России действуют Институт биохимии им. А. Н. Баха РАН, Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г. К. Скрябина РАН, НИИ биохимии СО РАН. Нашим ученым принадлежит большая роль и множество заслуг в истории развития науки. Так, например, был открыт метод иммуноэлектрофареза, механизмы гликолиза, сформулирован принцип комплементарности нуклеотидов в структуре молекулы ДНК и сделан ряд других важных открытий. В конце XIX и начале XX в. в основном были сформированы не целые институты, а кафедра биохимии в некоторых из вузов. Однако вскоре появилась необходимость расширить пространство для изучения данной науки в связи с ее интенсивным развитием.

Биохимические процессы растений

Биохимия растений неразрывно связана с физиологическими процессами. В целом, предметом изучения биохимии и физиологии растений является:

• жизнедеятельность растительной клетки;
• фотосинтез;
• дыхание;
• водный режим растений;
• минеральное питание;
• качество урожая и физиология его формирования;
• устойчивость растений к вредителям и неблагоприятным условиям окружающей среды.

Значение для сельского хозяйства

Знание глубинных процессов биохимии в растительных клетках и тканях позволяют повышать качество и количество урожая культурных сельскохозяйственных растений, являющихся массовыми производителями важных продуктов питания для всего человечества. Кроме того, физиология и биохимия растений позволяют находить пути решения проблем заражения вредителями, устойчивости растений к неблагоприятным условиям среды, дают возможность повысить качество продукции растениеводства.