1. Биомолекулы

1.1. Определение и становление биохимии как науки

Совокупность биохимических превращений в постоянной взаимосвязи с окружающей средой обеспечивает функционирование живых организмов в ус­ловиях сбалансированности синтеза и распада веществ в клетках и тканях. Главной задачей биохимии является идентификация основных закономерностей биохимических процессов, выяснение взаимосвязи между структурой и функциями биомолекул, участвующих в реакциях клеточного метаболизма.

Биохимия изучает химию живой природы в широком диапазоне: от чело­века и позвоночных до бактерий и вирусов. В зависимости от объекта исследо­вания можно условно выделить биохимию животных и человека, биохимию растений и биохимию микроорганизмов. Однако, несмотря на определенные, порой принципиальные различия в химическом составе и обмене веществ тех или иных видов живых организмов, существует биохимическое единство всех форм жизни.

Выделяют ряд разделов биохимии и по объектам исследования, например: медицинская биохимия, фармацевтическая биохимия, биохимическая экология, биохимическая фармакология и др. Традиционно происходит деление биохимии на структурную, изучающую химическое строение биомолекул; метаболическую, изучающую обмен веществ и энергии, и функциональную биохимию, связанную с изучением взаимосвязи между химическими превращениями веществ в организме и их биологическими функциями. Это деление в значитель­ной степени условно.

Фундаментальная биохимия является основой для многих наук биологи­ческого профиля, таких как генетика, физиология, иммунология, микробиология. Успехи клеточной и генной инженерии в последние годы в значительной мере сблизили биохимию с зоологией и ботаникой. Велико значение биохимии для таких наук, как фармакология и фармация.

Краткий исторический очерк. Как самостоятельная наука биохимия сформировалась на рубеже XIX -XX вв. До середины XIX века биохимия существовала как раздел физиологии и называлась физиологической химией. Однако накопление фактического материала в области строения биологических структур, а также идентификация простейших метаболических процессов сыграли значительную роль в становлении биохимии как самостоятельной науки.

Бурное развитие органической химии в первой трети XIX в. оказало ог­ромное влияние па формирование структурной биохимии. Точкой отсчета можно считать 1828 г., когда Ф. Вёлер сообщил о первом синтезе органического вещества – мочевины из аммиака и циановой кислоты. Спустя семьдесят лет Э. Бухнер показал, что экстракты дрожжевых клеток переваривают крахмал так же эффективно, как и живые дрожжевые клетки. Обе эти работы нанесли существенный удар по витализму – учению, согласно которому химические вещества живой природы синтезируются только с помощью особой жизненной силы, и дали мощный импульс, дальнейшему развитию биохимии. Так, в 50-х гг. XIX в. М. Берно удалось синтезировать целый ряд органических соединений, свойственных живой природе. М. Шеврель заложил основы химии липидов, а Ф. Мишер открыл нуклеиновые кислоты, положив начало изучению этого класса веществ. Однако наибольший вклад в развитие структурной биохимии внес Э. Фишер своими блестящими работами по анализу аминокислот, жиров и липидов.

Исследование процессов метаболизма также началось на рубеже XIX в. На основе открытого М. В. Ломоносовым закона сохранения материи и накопив­шихся к концу XVIII в. экспериментальных данных французский ученый А. Лавуазье количественно исследовал и объяснил сущность дыхания, отметив роль кислорода в этом процессе. Работы А. Лавуазье стимулировали исследова­ния по энергетике метаболизма, и уже в начале XIX в. было определено коли­чество теплоты при сгорании 1 г жиров, белков и углеводов. Примерно в это же время в работах Дж. Пристли и Я. Ингенхуза был открыт процесс фотосинтеза. Из живых объектов К. Шееле выделил ряд органических кислот, Д. Руэлль –мочевину, Ф. Конрад – холестерин.

В XX в. большое число открытий привело к подлинному расцвету биохи­мии. Фундаментальные исследования в области химии белков, липидов, углеводов, идентификация молекулярных механизмов основных обменных процессов, а также структуры и функций генома вывели биохимию на уровень основной количественной биологической науки. Велика роль российских ученых в становлении и развитии биохимии. Приоритетные исследования - белков и аминокислот (А.Я. Данилевский, С. С Салазкин, М.В. Ненцкий и др.); витаминов (П.И. Лунин, К.А. Сосин, В.В. Пашутин); тканевого дыхании (А.Н. Бах); трансаминирования аминокислот (А.Е. Браунштейн); механизмов механохимического сопряжения (В.А. Энгельгардт); химии нуклеиновых кислот и механизмов биосинтеза белка (А. И. Белозерский, А.С. Спирин); биоэнергетики (В.П. Скулачен); структуры и функций генома (Г.П. Георгиев) и работы других российских ученых внесли огромный вклад в современную биохимию).

Успехи современной биохимии. Биологическая химия изучает различные структуры, свойственные живым организмам, и химические реакции, проте­кающие на клеточном и организменном уровнях. Основой жизни является со­вокупность химических реакций, обеспечивающих обмен веществ. Таким об­разом, биохимию можно считать основой всех биологических наук. В настоящее время как биологические структуры, так и обменные процессы благодаря применению эффективных методов изучены достаточно хорошо. Многие разделы биохимии в последние годы развивались столь интенсивно, что выросли в самостоятельные научные направления и дисциплины. Прежде всего можно отметить биотехнологию, генную инженерию, биохимическую генетику, экологическую биохимию, квантовую и космическую биохимию и т. д. Велика роль биохимии в понимании сути патологических процессов и молекулярных механизмов действия лекарственных веществ.