1 Биохимия – это наука о химическом составе живой материи, химических процессах, происходящих в живых организмах, а также связи этих превращений с деятельностью органов и тканей.

Таким образом, биохимия состоит как бы из трех частей:

1) статическая биохимия (это анализ химического состава живых организмов);

2) динамическая биохимия (изучает совокупность превращения веществ и энергии в организме);

3) функциональная биохимия (исследует процессы, лежащие в основе различных проявлений жизнедеятельности).

Все указанные разделы неразрывно связаны друг с другом и являются частями одной и той же науки – современной биохимии.

Возникнув на стыке смежных дисциплин, таких как органическая и физическая химия, биохимия в то же время не стала каким-то механическим объединением этих дисциплин, несмотря на их некоторую общность. Перед биохимией и смежными с ней науками стоят совершенно различные задачи.

Главным для биохимии является выяснение функционального, то есть биологического назначения всех химических веществ и физико-химических процессов в живом организме, а также механизм нарушения этих функций при разных заболеваниях.

Современная биохимия решает следующие задачи:

1. Биотехнологическую, т.е. создание фармацевтических препаратов (гормонов, ферментов), регуляторов роста растений, средств борьбы с вредителями, пищевых добавок.

2. Проводит разработку новых методов и средств диагностики и лечения наследственных заболеваний, канцерогенеза, природы онкогенов и онкобелков.

3. Проводит разработку методов генной и клеточной инженерии для получения принципиально новых пород животных и форм растений с более ценными признаками.

4. Изучает молекулярные основы памяти, психики, биоэнергетики, питания и целый ряд других задач.

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ БИОХИМИИ

Биохимия – это сравнительно молодая наука, она возникла на рубеже 19 в. Впервые в научной литературе термин «биохимия» использовал в 1903 году немецкий химик Карл Нойберг.

Как наука биохимия сформировалась относительно недавно, однако корни ее уходят в глубокую древность. Так на основе биохимических процессов развивались такие производства как сыроварение, хлебопечение, виноделие, выделка кожи и т.д.

Необходимость борьбы с болезнями заставляла задумываться о преврщении веществ в организме, искать объяснение целебным свойствам растений.

Авиценна (980-1037) – разработал первую химическую классификацию веществ, применяемых в медицине, и изложил ее в труде «Канон врачебной науки».

Средние века, период «алхимии» – это попытки создания химическим путем «панацеи» от всех болезней.

16-17 вв. – появилось особое направление «ятрохимия» от греч. «ятрос» – врач). Немецкий врач-ятрохимик Парацельс выдвинул прогрессивное по тем временам предположение о тесной связи химии и медицины.

Ван-Гель-Монт высказался о наличии в живых организмах факторов, участвующих в различных химических процессах.

17-18 вв. – немецкий химик и врач Шталь сформулировал теорию горючего начала – теорию «флогистона»: якобы в процессе горения из горючего вещества выделяется особое невесомое вещество – флогистон. Эти метафизические воззрения были опровергнуты работами Ломоносова и Лавуазье, которые открыли законы сохранения массы. Лавуазье показал, что при горении, также как и при дыхании поглощается О2 и выделяется СО2.

К концу 18 в. был накоплен большой практический материал и выделено огромное количество органических соединений растительного и животного происхождения. Работы Реомюра и Спалланцони положили начало изучению ферментов пищеварительных соков.

1814 г. – русский ученый Кирхгофф описал осахаривание крахмала под действием фермента амилазы. Либих (1839) выяснил, что главные компоненты животных и растений – это белки, жиры, углеводы.

Бертло (1854) – провел синтез жиров; Бутлеров (1861) – синтез углеводов.

Накопление большого числа сведений о химическом составе животных и растений, химических превращениях, которые в них происходят, привело к систематизации уже имеющихся данных в учебных руководствах Либиха – в Европе, Ходнева – в России. Повсеместно в медицинских институтах открывались соответствующие кафедры.

Таким образом, в конце 19 в., появилась новая отрасль химии – биологическая химия, т.е. химия жизни, химия жизненных процессов. При этом: были заложены главные направления биохимии; открыты основные классы соединений, содержащиеся в живых организмах; были выделены белки из многих животных и растительных организмов; изучение продуктов гидролиза белков привело к открытию аминокислот (АК).

Открытие швейцарским ученым Мишером в 1869 г. ДНК привело к изучению нуклеиновых кислот (НК). Были поставлены первые опыты по взаимопревращению жиров, белков, углеводов. Возникло учение о витаминах (Лунин, Эйкман, Функ и другие), о ферментах (Манасеина, Павлов), гормонах (Бернар).

В 20 в. биохимия достигла подлинного расцвета: Фишером была обоснована пептидная теория строения белков; Кноопом, Ленинджером – окисление и биосинтез жирных кислот; Кребсом, Мейергофом – созданы схемы биохимических превращений углеводов и образования АТФ. К середине 20-го столетия были заложены серьезные основы к развитию таких направлений как биоэнергетика, генная инженерия, молекулярная биология и др. Достижения биохимии широко применяются в медицине, фармации, народном хозяйстве.

2 Химический состав организмов

Живое вещество представляет собой сложную систему органических и неорганических соединений. В составе живого вещества обнаружены практически все химические элементы, известные человеку, но в разных количествах. По содержанию элементы можно разделить на 4 группы:

1. Биоэлементы: кислород, углерод, азот, водород.

2. Макроэлементы (0,1-0,01%): калий, магний, натрий, кальций, железо, сера, фосфор, хлор.

3. Микроэлементы (0,001-0,000001%): бор, кобальт, медь, молибден, цинк, ванадий, йод, бром.

4. Ультрамикроэлементы (менее 0,000001%): уран, золото, ртуть.

Атомы химических элементов входят в состав химических соединений, которые могут быть органическими, неорганическими.

Неорганическими называют вещества, в составе которых отсутствуют атомы углерода (кроме ряда простейших соединений углерода). Важнейшими неорганическими веществами, входящими в состав живых организмов, является вода, ряд солей, кислот и оснований.

Вода является важнейшей частью живого вещества, и играет большую роль как внешний фактор для всех живых существ.

Экологическая роль имеет два аспекта: внешний и внутренний.

Как внешний экологический фактор вода входит в состав абиотических факторов (влажность, водная среда обитания).Как внутренний фактор вода играет большую роль внутри клетки и внутри организма. В клеткевода выполняет следующие функции:

1)среда, в которой располагаются все органоиды клетки;

2)растворитель как для неорганических, так и для органических веществ;

3)субстрат дляпротекания различных биохимических процессов;

4)катализатордля реакций обмена между неорганическими веществами;

5)реагент для процессов гидролиза, гидратации, фотолиза и т.д.;

6) создаетклеточный тургор,что делает клетку упругой и механически прочной;

7) выполняетстроительную функцию.

Функцииводы в организме:

1) транспортная – перемещает растворы веществ от одного органа к другому;

2) проводящая – проводит электрохимические импульсы;

3) гуморальную регуляцию – транспорт гормонов;

4) регулируют температуру тела организма;

5) входит в состав пищевых продуктов и т.д.

Из оксидов для живых организмов большое значение имеет углекислый газ (углекислота, оксид углерода (IV), диоксид углерода). Это вещество является одним из продуктов дыхания. Избыток СО₂ удаляется из организма в результате процессов, протекающих при дыхании (у всех организмов: и у растений, и у животных).

Важнейшими кислотами, содержащимися в живом веществе, являются угольная (Н₂СО₃), фосфорная (Н₃РO₄). Фосфорная кислота играет огромную роль в образовании АТФ и формировании костей. Важна для организмов соляная кислота (HCl). Она содержится в желудочном соке или в растворах, которые способствуют перевариванию пищи (например, желудочный сок в желудке человека).

В живом веществе наибольшее значение имеют следующие положительные ионы металлов (катионы): К⁺, Са²⁺, Na⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, Fе³⁺, Мn²⁺ и некоторые другие. Среди анионов наибольшее значение имеют нитрат- и нитрит-ионы. Ионы, содержащие азот, играют большую роль в организмах растений, так как в своем составе содержат связанный азот и используются для синтеза белков и нуклеиновых кислот.

3 Из истории изучения нуклеиновых кислот

В 1869 г. Ф. Мишер обнаружил в лейкоцитах новое химическое соединение, которое назвал нуклеином (лат. nucleus – ядро). нуклеин - смесь нуклеиновых кислот. Впоследствии нуклеиновые кислоты были обнаружены во всех растительных и животных клетках, бактериях и вирусах.

В природе существуют два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая и рибонуклеиновая. Различие в названиях объясняется тем, что молекула ДНК содержит сахар дезоксирибозу, а молекула РНК – рибозу

В 1909 г. в результате гидролиза нуклеиновых кислот были выделены входящие в их состав сахара: рибоза и дезоксирибоза.

В 1936 г. советский ученый А.Н. Белозерский впервые обнаружил ДНК в клетках растений. Это открытие имело принципиальное значение – ДНК стали рассматривать как универсальный биологический материал.

с 1900 по 1930 г. проводятся работы по созданию хромосомной теории наследственности, в основу которой положены данные о том, что материальная структура – гены ДНК – содержат генетическую информацию. Основоположником этой теории является Томас Морган.

С 1909 г. Т. Морган начал использовать плодовую мушку дрозофилу как объект для изучения изменения наследственных признаков и их комбинаций. Т. Морган совместно с К. Бриджисом, Г. Меллером и А. Стертевантом разработал и экспериментально обосновал существовавшее в неявном виде представление о генах – элементарных единицах наследственности и изменчивости.

Морганизм является теоретической основой хромосомной теории наследственности. В 1901 г. вышла в свет книга Г. де Фриза «Мутационная теория», в которой была дана интерпретация термина «мутация».

В 1925 г. Г.А. Надсон и Т.С. Филиппов открыли влияние рентгеновских лучей на появление наследственных изменений в эксперименте и обосновали формирование физиологических и биохимических подходов в трактовке понятия гена. Рентгеновское излучение было использовано для ускорения мутационного процесса.

Нуклеиновые кислоты являются реально существующим субстратом, который хранит, передает по наследству и воспроизводит все многообразие свойств и характеристик живых организмов

В 1908 г. А. Гаррод впервые проследил на практике связь между материальным носителем наследственной информации – нуклеиновой кислотой, являющейся структурной основой гена, и ферментом, кодируемым этим геном. Впервые был показан путь к изучению молекулярных основ наследственных заболеваний. А. Гаррод сформулировал концепцию о врожденных болезнях, связанных с нарушением обмена веществ.

В 1926 г. А. Стертевант ввел в употребление понятие инверсии. При этом А. Стертевант обнаружил, что срединный участок одной из хромосом третьей пары перевернут на 180°, т.е. поставлен в обратном направлении. Вот этот переворот участка хромосомы и стали называть инверсией. Инверсии бывают простые (одиночные) и сложные. Причем сложные инверсии ведут к весьма значительным перестановкам блоков генов. В 1928 г. советский биолог К. Кольцов намного опережая открытие Д. Уотсона и Ф. Крика, в ясной форме высказал предположение о матричном синтезе, т.е. о том, что в настоящее время понимают под механизмом репликации и транскрипции. В 1950–1953 гг. Э. Чаргафф с сотрудниками опубликовал сенсационную серию работ, по изучению химической структуры нуклеиновых кислот. Они обследовали огромное количество разных организмов, брали образцы из различных органов и тканей. Проведенные исследования показали, что в состав ДНК, выделенной из ядер клеток человека, входят 30% аденина, 20% гуанина, 20% цитозина, 30% тимина. В то же время у бактерий например Sarcina lutea, эти цифры значительно отличаются и составляют соответственно 13%, 37%, 37%, и 13%. Эти и другие наблюдения позволили сделать вывод, что в состав ДНК разных организмов входит неодинаковое количество азотистых оснований. Итак, общее количество адениновых остатков в каждой молекуле ДНК равно количеству тиминовых остатков, а количество гуаниновых единиц – количеству цитозиновых. В дальнейшем этим открытием, получившим название «правило Чаргаффа» воспользовались Дж. Уотсон и Ф. Крик при построении моделей молекулы ДНК. На основании проведенных исследований было высказано предположение, что такая закономерность обусловлена наличием генетического кода, заключенного в структуре ДНК.

Брали клетки совершенно различных, удаленных друг от друга органов и тканей. Исследования показали, что ядро любой клетки содержит примерно 6*10 мг ДНК. Только в яйцеклетках и сперматозоидах содержание ДНК было в два раза меньше, чем в клетках остальных тканей. Такое открытие вызвало два предположения. Во-первых, оно говорило об универсальных свойствах ДНК в пределах одного организма, о том, что в отношении хранения и передачи наследственной информации, заключенной в ядре клетки, все клетки организма равны, независимо от того, откуда они были взяты. Во-вторых, в любом организме имеется два типа клеток: соматические клетки – клетки тела организма (в переводе с греч. «сома» – тело) и половые клетки – клетки, связанные с размножением организмов. Между соматическими и половыми клетками существует отличие, которое проявляется в диплоидном и гаплоидном наборе хромосом. Диплоидный – это парный набор хромосом, гаплоидный – одинарный. Именно поэтому в половых клетках находится в два раза меньше нуклеиновых кислот, чем в соматических. Таким образом, вроде бы несложные количественные исследования нуклеиновых кислот дали важную по содержанию информацию.

В 1950 г. Л. Полинг показал, что полипептидные цепи имеют α – спиральную конфигурацию, на основании чего он высказал предположение, что и молекула ДНК, по-видимому, имеет спиральную структуру, закрепленную водородными связями. Было показано, что возможно существование нескольких устойчивых различных конфигураций последовательности аминокислотных остатков в полипептидной цепи, одной из которых является α – спираль. Конфигурация α – спираль является одной из наиболее распространенных структур пептидной цепи. Именно такая структура дает возможность образования водородных связей между аминокислотами, находящимися рядом на смежных витках цепи. Поэтому естественно было предположить, что аналогичный механизм свойственен и для нуклеиновых кислот, так как по протяженности и числу составных элементов – в данном случае мононуклеотидов – они вполне соответствовали полипептидным цепям.

В 1953 г. Д. Уотсон и Ф. Крик обосновали существование двойной спирали ДНК и впервые предложили адекватную модель молекулы ДНК, которая объяснила все факты, связанные с функционированием нуклеиновых кислот. Она показала, каким образом молекула передает информацию и воспроизводит сама себя. Д. Уотсон и Ф. Крик выделили два основных структурных свойства ДНК: ее двуспиральность и комплементарность, соответствие друг другу цепей ДНК. В процессе репликации двойная спираль ДНК раскручивается и на каждой из цепей, как на матрице, строится комплементарная ей дочерняя цепь.

Т рансформация — поглощение изолированной ДНК бактерии до­нора клетками бактерии реципиента. Явление трансформации кратко освещено при изложении доказательств роли ДНК в на­следственности. В процессе трансформации принимают участие две бактериальные клетки: донор и реципиент. Трансформирую­щий агент представляет собой часть молекулы ДНК донора, которая внедряется в геном реципиента, изменяя его фенотип. В процессе трансформации клетки донора и реципиента не сопри­касаются друг с другом. Механизм переноса генетического мате­риала заключается в том, что из клеток донора выделяются в окружающую среду молекулы или фрагменты молекул ДНК. Сначала эта ДНК адсорбируется на оболочке клетки реципиента. Затем через определенные рецепторные участки ее стенки при помощи специальных клеточных белков ДНК втягиваются внутрь клетки. Проникающая донорская ДНК должна быть двухцепочной. В реципиентной клетке она становится одноцепочной. В ДНК реципиента включается одна из цепей трансформи­рующего фрагмента. Эта цепь вступает в синапсис с гомологич­ным участком хромосомы реципиента и встраивается в нее посредством кроссинговера. При этом участок ДНК реципиента замещается фрагментом донора. Молекула ДНК со вставкой трансформирующего участка оказывается гибридной. При следу­ющем удвоении возникают одна нормальная дочерняя молекула ДНК, другая — трансформированная. Установлено, что способ­ность бактерий-реципиентов к трансформации определяется их физиологическим состоянием. Такое физиологическое состояние было названо компетентностью. Состояние компетентности краткосрочно и приурочено к определенному времени клеточно­го цикла. Было обнаружено, что трансформирующей способнос­тью обладают только крупные молекулы ДНК .У бактерий трансформация имеет место чаще в пределах одного вида, но наблюдается и между разными близкими видами. Это указывает на то, что у них сохранилась гомологичность некоторых участков ДНК.

4 Локализация ДНК методы выделения

Локализация ДНК в клетке:

1) в прокариотической – цитоплазма;

2) в эукариотической – ядро, органеллы (митохондрии, пластиды, клеточный центр).