ПолесГУ Аналитическая биохимия и биоинформатика 23-БХ-1 / Vvedenie_v_spetsial'nost'

21

Разработаны методы количественного определения целого ряда биохимических компонентов крови и тканей.

В. А. Энгельгардтом, а также Липманном было введено понятие о «богатых энергией» фосфорных соединениях, в частности АТФ, в макроэргических связях которых аккумулируется значительная часть энергии, освобождающейся при тканевом дыхании.

20 век ознаменовался расшифровкой химического строения всех известных в настоящее время витаминов. Вводятся международные единицы витаминов, устанавливаются потребности в витаминах человека и животных, создается витаминная промышленность.

Не менее значительные успехи достигнуты в области биохимии гормонов. Получены первые данные о механизме действия гормонов на обмен веществ. Расшифрован механизм регуляции функций эндокринных желёз по принципу обратной связи.

Возникает новое направление в биохимии – нейрохимия. Установлены особенности в химическом составе нервной ткани. Вводятся в медицинскую практику различные психофармакологические вещества, открывающие новые возможности в лечении нервных заболеваний. Широко используются, особенно в сельском хозяйстве ингибиторы холинэстеразы (медиатора, действующего на нервные окончания) для борьбы с насекомымивредителями.

Важные результаты получены при изучении состава и свойств крови: изучена дыхательная функция крови в норме и при ряде патологических состояний; выяснен механизм переноса кислорода от лёгких к тканям и углекислоты от тканей к лёгким; уточнены и расшифрованы представления о механизме свёртывания крови, изучены факторы, при врождённом отсутствии которых в крови наблюдаются различные формы гемофилии.

С помощью современных методов и приборов для секвенирования были расшифрованы геномы многих видов организмов, в том числе и человека.

В развитии современной биохимии важную роль сыграла разработка ряда специальных методов исследования: изотопной индикации, дифференциального центрифугирования, спектрофотометрии, электронного парамагнитного резонанса и др.

2.6История развития отечественной биохимии

Наши соотечественники внесли большой вклад в развитие биохимии. Так, первый в России учебник физиологической химии издан еще в 1847 г. А.И. Ходневым.

Основоположником отечественной биохимии является профессор

Александр Яковлевич Данилевский (1839-1923), который в 1863 г. создал первую кафедру биохимии в Казанском университете, создал первую русскую школу биохимиков. Занимаясь исследованием белков, он впервые постулировал идею пептидной связи в белке, высказал идеи об обратимости

22

действия ферментов, на основе чего впервые осуществил синтез белковоподобных веществ - пластеидов, разработал методы очистки ферментов путем адсорбции с последующей элюцией и т.д.

В1891 г. М.В. Ненцким (1847-1901) организована первая биохимическая лаборатория в Институте экспериментальной медицины в Петербурге, в которой проводились работы по изучению механизма синтеза мочевины, химического состава гемина и хлорофилла, исследованию обмена белков.

К числу наиболее значимых достижений отечественной биохимии следует отнести открытие в 1880 г. Н.И. Луниным витаминов, создание А.Н. Бахом в 1896 г. теории биологического окисления (активирования кислорода), открытие в 1899г. И.П. Павловым и Н.П. Шеповальниковым

проферментов, разработка метода хроматографии М.С. Цветом в 1903 г., создание В.И. Палладиным в 1912 г. теории биологического окисления (активирования водорода) и др.

Советский этап развития биохимии связан с именем Алексея Николаевича Баха (1859-1946), который организовал в 1921 г. в Москве Научно-исследовательский биохимический институт Наркомздрава, а в 1935 г. он возглавил переведенный из Ленинграда в Москву Институт биохимии АН СССР, названный впоследствии его именем. На протяжении многих лет Институт биохимии АН СССР им. А.Н. Баха возглавлял акад. А.И. Опарин - автор первой теории происхождения жизни на Земле. На базе этого института в 1959 г. создан Институт молекулярной биологии АН СССР

получивший впоследствии имя его основателя - акад. В.А. Энгельгардта - автора классических работ по окислительному фосфорилированию, механохимии мышц, углеводному обмену и др.

Отечественная наука по праву гордится пионерскими работами акад. Ю.А. Овчинникова в области мембранной биологии, акад. А.С. Спирина по молекулярным механизмам биосинтеза белка, акад. В.П. Скулачева по биоэнергетике.

Большим авторитетом в стране и за рубежом пользуются работы украинских биохимиков в области нейрохимии и биохимии витаминов (акад. А.В. Палладин), биохимии белкового, липидного обмена, возрастной биохимии.

Внастоящее время работа биохимического сообщества объединена следующими крупнейшими биохимическими объединениями: FEBS – Federation of European Biochemical Societies (Европейская федерация

направленности являются:“Journal of Biological Chemistry”, “Biochemistry”,

эволюционной биохимии и физиологии”, “Вопросы медицинской химии”,

микробиология”, “Бюллетень экспериментальной биологии и медицины”.

2.7 Развитие биохимии в Беларуси

Развитие биохимии в Республике Беларусь прошло следующие этапы:

1902 г. Создание в Минске первой химической (медицинской) лаборатории.

1921 г. Организация БГУ с медицинским факультетом.

1930 г. Создание Минского медицинского института.

1950-е гг. Организация профильных институтов в Академии наук

БССР.

1970 г. Создание в Белорусском институте усовершенствования врачей кафедры лабораторной диагностики.

1977 г. Создание Республиканского центра по выявлению наследственных дефектов обмена веществ у детей (г. Могилев).

Важнейшие работы по медицинской химии в Беларуси 19 в. - начала 20

в.:

Р.К. Яновский “О кислотности мочи в связи с мышечной работой”

(1876 г.);

С.А. Липинский “Материал для фармакологии морского лука (влияние сциллитоксина на сердце и сосудистую систему” (1881 г.);

А.И. Смирнов “О влиянии йода в форме щелочных солей на азотистый метаморфоз” (1884 г.);

С.С. Нарбут “К вопросу о влиянии высокой и низкой температур пищи и питья на усвоение азотистых частей у здоровых людей” (1887 г.);

С.Н. Урванцева “Материал к изучению об изменении крови в органах (печень и кишки)” (1898 г.).

Важнейшие достижения белорусских ученых в области нейрохимии:

исследованы механизмы деятельности симпатической нервной системы и вегетативных ганглиев (А.И. Вулыган, В.М. Репринцева);

изучены нейромедиаторные механизмы влияния вибрации и ускорения на ЦНС и некоторые периферические ткани в онтогенезе (А.С. Дмитриев);

проанализированы нейромедиаторные и другие нейрохимические механизмы нейротропности витамина В1 и его производных (Ю. М. Островский);

дана характеристика состояния редокс-систем энергетического обмена в ЦНС при гипоксии мозга и путей ее коррекции (Е.Ф. Лунец, Э.П. Титовец, В.Н. Чумаков, А.С. Захаревский);

изучены функциональные отношения между различными нейромедиаторными системами мозга (А.И. Балаклиевский).

Важнейшие достижения белорусских ученых в области биохимии витаминов:

24

изучена биологическая функция витамина В1 (Ю.М. Островский);

исследованы особенности гиповитаминозов, проблемы витаминотерапии (Б.М. Барановский, В.М. Борец, Н.К. Лукашик, Н.З. Яговдик, Т.З. Морозкина).

Важнейшие достижения белорусских ученых в области гистохимии:

исследованы содержание и распределение различных веществ и ферментов в нервной системе и иннервируемых тканях в процессе онтогенеза

внорме и при различных воздействиях (Д.М. Голуб, А.П. Амвросьев, А.А. Артишевский, Л.А. Леонтюк, С.М. Миленков, И.И. Новиков);

изучены особенности гистохимии вегетативных ганглиев (А.И. Булыгин, Д.М. Голуб, В.И. Лапша), органов чувств (Г.Г. Бурак), регенерирующих тканей (Ж.С. Осипович, Е.Я. Корытный, В.М. Макарова), пищеварительных желез (А.А. Туревский, Я.Р. Матюк, А.П. Никонов).

Важнейшие достижения белорусских ученых в области радиационной биохимии:

определена роль гипоталамо-гипофизарно-адреналовой системы в механизмах действия малых доз ионизирующей радиации и зависимость углеводного, энергетического и нуклеинового обмена в ЦНС от уровня глюкокортикоидов (Л.С. Черкасова, А.Т. Пикулев, М.Ю. Тайц, К.В. Фомиченко);

исследованы механизмы действия малых доз ионизирующей радиации на систему глутаминовой и гамма-аминомасляной кислот в мозге (А.Т. Пикулев, Н.А. Дисько).

25

3 ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ БИОХИМИИ В XXI ВЕКЕ

ПЛАН

3.1Успехи инженерной энзимологии, протеомики, фармацевтической биохимии

3.1.1Изучение протеома человека 3.1.2 Создание химерных ферментов

3.1.3 Разработка противоопухолевых препаратов 3.1.4 Борьба с преждевременным старением

3.1.5 Борьба с развитием сердечно-сосудистых заболеваний 3.1.6 Борьба с неврологическими заболеваниями 3.1.7 Борьба с нарушением обмена веществ

3.2Биохимия в медицине и сельском хозяйстве

3.2.1Создание средств защиты сельскохозяйственных растений

3.2.2Совершенствование технологии консервирования, производства кисломолочных продуктов, детского питания

3.1 Успехи инженерной энзимологии, протеомики, фармацевтической биохимии

3.1.1 Изучение протеома человека

Что наши гены? Они – лишь ”схема“, по которой изготовлена подлинная загадка природы: протеины, то есть белки. В процессах, протекающих в организме, участвует множество белковых молекул. Однако исследование белков – задача куда более сложная, чем расшифровка генома.

Расшифровка человеческого генома была ”детской игрой“ по сравнению с новым проектом биологов: они хотят описать все белки, содержащиеся в организме человека, и понять, как те функционируют, как взаимодействуют друг с другом. Еще недавно расшифровка генома преподносилась СМИ как вершинное достижение биологии. Однако само по себе знание последовательности генов не дает представления о том, как функционирует организм. Более того, знание генома не позволяет нам ничего сказать о том, чем живет клетка – любая клетка человеческого организма.

Сами по себе гены – лишь инструкция по сборке белковых молекул. Тех молекул, из которых, как из кирпичиков, сложены любые наши клетки. Тех молекул, что преобразуют усвоенные организмом компоненты пищи в энергию. Тех молекул, чьим радением организм растет и старится. Тех молекул, из-за дефицита или избытка которых мы болеем.

Лишь ”функциональное исследование генома“, то есть составление атласа протеинов, их опись, позволит понять, какую же роль они играют в человеческой клетке. Вслед за расшифровкой генома необходима расшифровка протеома. Иначе этот ”пульт“ так и останется игрушкой в наших руках.

Термин ”протеом“ предложил в 1994 году австралийский

26

исследователь Марк Уилкинс. Под ним подразумевают полный комплект протеинов, имеющихся в организме, – совокупность белковых молекул, вырабатываемых им. Эти молекулы управляют всеми обменными процессами, протекающими в организме, идет ли речь о пищеварении, выработке гормонов или электрическом возбуждении нервных клеток. Любые молекулярно-биологические процессы, происходящие в организме, отражаются в протеоме.

Исследование протеома – крупный международный научный проект. В 2001 году для работы над ним была создана международная Организация протеома человека (Human Proteome Organization / HUPO). Особое внимание участников проекта вызывают белковые молекулы крови, печени и головного мозга.

В эти исследования включается и большой бизнес – прежде всего, крупные фармацевтические компании. Создаются многочисленные фирмы, занятые изучением человеческих белков.

Протеом – величина не постоянная. Это геном был ”книгой, содержавшей около трех миллиардов букв“. И все: буквы стояли на своих – отведенных им природой – местах. Здесь же – в протеоме – все непрестанно меняется. Если и сравнивать протеом с книгой, то с книгой, которая пишется у вас на глазах. Попробуйте подсчитать в ней количество знаков! Автор то дописывает что-то, то хлестко черкает.

Почти в каждой клетке число белковых молекул все время меняется. Синтезируются новые молекулы и распадаются существовавшие. Состав белков зависит от пола и возраста человека, от его кулинарных пристрастий, от времени суток и многих других причин. В клетках различных органов тела свой состав белков: в головном мозге он один, в поджелудочной железе – другой, в дельтовидной мышце – третий. Протеом раковой клетки разительно отличается от протеома здоровой клетки.

До сих пор неизвестно, сколько белковых молекул имеется в человеческом организме вообще и в клетках тела, в частности. Так, банк данных ”Human Protein Index“, созданный калифорнийской фирмой ”Large Scale Proteomics“ – ведущей фирмой в области исследования протеома, – располагает сведениями о 115 тысячах белков, содержащихся в образцах 157 тканей. Банк данных SWISS PROT содержит сведения о 8500 хорошо исследованных белков.

Еще лет пятнадцать назад некоторые специалисты заявляли, что составить атлас человеческих белков сравнительно легко. ”Сколько их там? Тысяч тридцать-сорок?“. Теперь мы знаем, что по инструкциям, хранящимся в 40 тысячах наших генов, синтезируется от полумиллиона до миллиона белковых молекул. Многообразие белков явно недооценивалось. Их в десятки раз больше, чем генов. Это – первая неожиданность, с которой столкнулись исследователи протеома.

Биологические основы этого многообразия различны. Долгое время считалось, что схема изготовления белков проста: один ген – один вид

27

молекул РНК; один вид молекул РНК – один сорт белков. Догадка оказалась ошибочной. Более половины генов человека ”отвечают за выпуск“ сразу нескольких молекул РНК. Следовательно, в них заложена инструкция по изготовлению нескольких белков. Вот и сюрприз номер два. На этом сюрпризы не кончились. Каждая клетка – как удельный князек – самовольно распоряжается имуществом, оказавшимся на ее территории, изменяя белковые молекулы до неузнаваемости: там красуется довесок из углеводорода, там – лишний сахар, там – украшеньице из фосфора. Так появляются все новые разновидности белков.

Итак, исследование протеинов – задача не из легких и не из дешевых. Анализ структуры белка обходится сейчас в 50 - 200 тысяч долларов. Зачем они нам нужны? Зачем мы изучаем протеины? Затем, что мы болеем. Сравнив состояние человека с идеальным протеомом, можно понять, какими недугами он страдает. Ведь многие наши болезни вызваны нарушениями синтеза протеинов – их перепроизводством или дефицитом.

Так, при болезнях, вызванных неправильным обменом веществ, в организме наблюдается недостаток белковых молекул или они бездействуют. Если белков слишком много или они проявляют повышенную активность, человек может заболеть раком.

Некоторые болезни, например, ”коровье бешенство“, вызваны появлением в организме дефектного белка – приона (от английского выражения protein infectious, ”инфекционный протеин“). Как только в организм человека попадет этот ”белок-убийца“, начинается его копирование, что приводит к гибели жертвы.

Анализ протеома – это путь к созданию новых лекарств. Особенно важно сравнение протеомов здоровых и больных людей. Это позволит понять, какие белковые молекулы играют ключевую роль в развитии тех или иных заболеваний. Все предстоит открыть и понять заново. Как вырождаются клетки, когда человек болен раком желудка? Как стареют клетки сердечной мышцы? Что происходит при воспалении хряща? Как меняются ткани тела под воздействием гормонов? Выявив эти изменения, можно улучшить диагностику заболеваний и проводить целенаправленное лечение.

Американские исследователи Ланс Лиотта и Эмануэль Петрикоин разработали тест, позволяющий выявить рак яичников на ранней стадии. В основе теста - использование протеинового чипа.

Особый интерес вызывает плазма крови. Предположительно, в ней содержатся все виды протеинов, выработанных организмом человека. А значит, любая болезнь, перенесенная нами, оставляет мету в крови - в этом архиве, хранящемся в наших жилах.

Со временем все эти разрозненные данные о дефектах белковых молекул будут собраны воедино – в образе особой виртуальной клетки. Если ввести в эту модель новое лекарство, то экран тут же покажет, насколько оно эффективно и каковы побочные последствия применения данного лекарства.

28

3.1.2 Создание химерных ферментов

Синтез любого химического или ценного продукта с помощью ферментативного катализа имеет множество преимуществ, поскольку ферменты обладают особыми действиями, такими как эффективность, субстратная специфичность и стереоселективность.

Более ранние исследования были сосредоточены на выделении и характеристике монофункциональных ферментов, но благодаря прогрессу в технологии генной инженерии возрос исследовательский интерес в области разработки многофункциональных ферментов.

Многофункциональный белок может представлять собой отдельный полипептид, одновременно выполняющий различные реакции, или он может представлять собой ассоциацию нескольких ферментов, соединяющихся через линкеры. Многофункциональный фермент умножает преимущества ферментативных реакций, выполняя различные реакции в одной емкости, что дает преимущество для производства целевого продукта с меньшими затратами и с желаемым количеством за меньшее время.

В ходе эволюции природа уже разработала механизм производства многофункциональных химерных белков. Таким образом, следуя по стопам природы, исследователи заинтересованы в разработке новых химерных генов, которые приводят к производству химерного белка с желаемой каталитической активностью.

3.1.3 Разработка противоопухолевых препаратов

Создание противоопухолевых препаратов – очень дорогое и длительное занятие, связанное с высоким риском провала.

Прежде чем препарат начинает использоваться в клинической практике, его эффективность проверяется на культурах клеток опухоли человека и в экспериментах на животных, а затем он проходит клинические испытания. На стадии доклинического отбора препаратов используют несколько клеточных линий опухолей человека. При этом отбирают препараты, обладающие эффективностью в отношении определенных типов опухолей.

После этого проводят токсикологические исследования на животных и оценивают эффективность препаратов по отношению к опухолям человека, привитых мышам. В экспериментах на животных исследуют фармакокинетику препаратов, выясняют оптимальную схему их применения и токсичность.

Эти эксперименты включают подбор оптимальных доз препаратов, изучение их проникновения в клетки и тканевого распределения, а также исследования времени их существования в плазме крови, путей метаболизма и выведения из организма.

Затем активные препараты передаются на предварительные испытания в клинику (фаза 1). Для испытаний отбирают онкологических больных с обширным опухолевым процессом, которые обычно проявляют устойчивость

29

к большинству лекарственных препаратов.

Цель испытаний заключается в определении оптимальной дозы препарата, выяснении оптимальной схемы его применения, а также особенности фармакокинетики и метаболизма. Отмечают признаки эффективности препарата, а также проявления токсичности. У ранее леченных больных эффективность препаратов проявляется в меньшей степени, чем у больных, которым курс лечения ранее не назначался. Поэтому испытания, проводящиеся в фазе 1, не являются оптимальными для установления степени эффективности препаратов.

На следующей фазе (фаза 2) проводятся детальные испытания препаратов на контингенте ранее леченных или нелеченных больных с определенными типами опухолей. В этих испытаниях устанавливают эффективность лекарственных средств.

В дальнейших испытаниях на больных с конкретным типом опухоли оценивают эффективность препарата при его изолированном применении или совместно с другими противоопухолевыми агентами. Простейшая оценка включает нерандомизированные исследования препарата. При этом для определенного типа опухоли возможно достаточно точно оценить чувствительность к тому или иному препарату, а также его токсичность. Иногда подобные исследования проводят на рандомизированных группах больных, сравнивая эффективность нового препарата с одним из уже используемых в клинике.

После подтверждения эффективности лекарственного средства его применяют в комбинации с другими противоопухолевыми препаратами и снова испытывают на больных с определенным типом опухоли, находящейся на определенной стадии развития. Целью этих испытаний является оценка эффективности и переносимости назначенной рецептуры. Третья фаза испытаний оказывается более результативной, если проводится рандомизированное сравнение с группой больных, проходящих лечение по какой-либо из стандартных схем.

После этого эффективность новой рецептуры можно оценить в крупномасштабных испытаниях. В результате таких исследований тщательно оценивают эффективность лечения определенной категории онкологических больных.

3.1.4 Борьба с преждевременным старением

Все ключевые признаки старения можно разделить на три группы: основные признаки, антагонистические признаки и интегративные признаки (рисунок 3.1).

30

Рисунок 3.1. – Функциональные взаимосвязи между признаками старения

Общей характеристикой основных признаков является то, что они однозначно негативные. Это повреждение ДНК, включая хромосомальные анеуплоидии; мутации митохондриальной ДНК; укорочение теломер, эпигенетический сдвиг и дефектный протеостаз.

В отличие от основных признаков, антагонистические вызывают разные эффекты в зависимости от интенсивности проявления. В небольшом количестве они оказывают благоприятное воздействие, но в большом они становятся вредными. К ним относится сенесценция, которая защищает организм от рака, но которая в избытке ускоряет старение.

Подобным образом активные формы кислорода (АФК) опосредуют клеточный сигналинг и выживание, но при длительном превышении порога концентрации могут вызывать клеточные повреждения; также оптимальное распознавание питательных веществ и оптимальный анаболизм бесспорно необходимы для выживания, но их длительное пребывание в состоянии высокой активности может перерасти в патологию.

Эти ключевые признаки могут рассматриваться в качестве защиты организма от повреждения или недостатка питательных веществ. Но когда они находятся в состоянии хронической активности, то больше не выполняют свою функцию, а провоцируют дальнейшее повреждение.

Третья категория включает интегративные признаки – истощение стволовых клеток и нарушение межклеточной коммуникации – которые напрямую влияют на клеточный гомеостаз и функцию. Несмотря на взаимосвязанность между всеми ключевыми признаками, можно выстроить определенную иерархию (см. рисунок 3.1).

Основные признаки могут быть триггерами, чьи негативные эффекты