Биохимия, ее задачи и методы
Биологическая химия как наука о химическом составе и свойствах веществ живых организмов, ее предмет и задачи. Особенности статистической и динамической биохимии. Специфика применяемых ею научных методов. Основные моменты истории развития биохимии.
| Рубрика | Химия |
| Вид | лекция |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 07.03.2011 |
| Размер файла | 31,9 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
19
Размещено на http://www.allbest.ru/
Лекция
Вступление в биологическую химию. Методы биохимии.
История развития и значение
биохимия наука статистический динамический
1. Биологическая химия (биохимия) -- наука о химическом составе и свойствах веществ живых организмов, о превращениях веществ в процессе жизнедеятельности. Совокупность этих превращений, отражающих постоянную взаимосвязь организма с внешней средой, принято называть обменом веществ.
Понятия «химический состав», «превращения веществ» и само название науки -- «биологическая химия» наталкивают на вопрос: разделом биологии или химии является биохимия? Жизнь - качественно своеобразная, высшая форма движения материи в природе. Обмен веществ представляет собой основу, сущность этой особой формы движения материи. «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой». Поэтому наука, изучающая сущность биологической формы движения материи - обмен веществ, должна быть отнесена к группе биологических
Определение биохимии как науки одновременно характеризует и ее положение, значение среди других биологических наук. Изучая сущность жизни, самое главное в жизненных процессах - обмен веществ, биохимия, несомненно, должна быть отнесена к важнейшим биологическим наукам.
Значение биохимии как науки для человеческого общества определяется тем, что она является одной из теоретических основ медицины, сельского хозяйства, биотехнологии, генетической инженерии и ряда отраслей промышленности, лесного дела. В основе многих патологических состояний человека лежат нарушения отдельных биохимических процессов. Известно, например, более ста заболеваний, обусловленных нарушением деятельности ферментативных систем, отсутствием отдельных ферментов вследствие наследственных дефектов. Для некоторых заболеваний характерны изменения в химической структуре ряда высокомолекулярных соединений. Такого рода «молекулярные дефекты» описаны, в частности, для гемоглобина и полисахаридов. Без глубоких знаний молекулярных основ патологии невозможны ни диагностика и лечение, ни профилактика болезней. Успехи биохимии определяют и стратегию создания новых лекарственных препаратов. Большой интерес в этом отношении представляет широкое использование ферментов при лечении некоторых заболеваний, а также использование ферментных препаратов в кормлении животных.
Биохимические процессы и показатели лежат в основе любой технологии пищевой промышленности: хлебопечения, сыроварения, виноделия, пивоварения, производства чая, жиров и масел, переработки молока, мяса и рыбы, плодов и овощей, производства крахмала и патоки. Биохимические знания необходимы для успешной организации кожевенного производства, при изготовлении меховых изделий, обработке натурального шелка. Ферментативные препараты широко используют при изготовлении хлопчатобумажных тканей. Все более расширяются такие биохимические производства, как изготовление витаминов, антибиотиков и других биологически активных соединений, органических кислот, кормового белка. Только на основе глубокого изучения закономерностей обмена веществ сельскохозяйственных растений и животных возможно получение больших урожаев с высоким качеством в растениеводстве и повышение продуктивности в животноводстве. Исключительно эффективно в этом отношении применение в сельском хозяйстве разнообразных химических препаратов: гербицидов, фунгицидов, кормовых витаминов, белков и антибиотиков, дефолиантов и десикантов (вызывают опадение листьев и предуборочное высушивание растений), инсектицидов (уничтожают насекомых-вредителей), репеллентов (отпугивают вредителей) и т. д.
Все перечисленное свидетельствует о большом значении биохимии для человеческого общества, объясняет громадный и все возрастающий интерес к этой науке во всех странах мира.
2. Биохимию принято делить на статическую и динамическую. Задача статической биохимии -- изучение химического состава и свойств веществ живых организмов.
Динамическая биохимия изучает превращения веществ в процессе жизнедеятельности или течение химических процессов в живой материи. Это деление, в значительной мере условное, при проведении же реальных биохимических исследований невозможно глубоко изучить и понять превращения какого-либо вещества в организме, не зная строения, свойств этого вещества, и, наоборот, любая характеристика свойств биохимических соединений будет неполной без описания их превращений в организме.
Динамическая биохимия требует знания состава живого тела, а также поступающих б него веществ; умения изолировать и получать путем синтеза отдельные вещества, входящие в состав живого тела и поступающей в него пищи; умения открывать и определять их как качественно, так и количественно.
В зависимости от объектов исследования различают биохимию человека и животных, биохимии растений, биохимию микроорганизмов. Выделяют определенные разделы биохимии и по направленности исследований.
Техническая биохимия разрабатывает биохимические основы тех отраслей промышленности, где перерабатываются сырье и материалы биологического происхождения (хлебопечение, сыроварение, виноделие и т. д.).
Медицинская биохимия изучает биохимические процессы в организме человека в норме и при патологии.
Эволюционная биохимия сопоставляет состав и пути превращения веществ и энергии различных систематических групп живых организмов в эволюционном плане.
Квантовая биохимия исследует свойства, функции и пути превращения различных веществ живых организмов в связи с электронными характеристиками этих веществ, полученными с помощью квантово-механических расчетов.
Энзимология изучает структуру, свойства и механизм действия энзимов (ферментов) -- биологических катализаторов.
Из всех других наук биохимия наиболее тесно связана с физиологией. Эта связь обусловлена самой природой, сущностью биологических процессов. В основе любого нарушения какой-либо физиологической функции лежит система изменений биохимических ре-акций. Нельзя глубоко, до конца правильно понять природу любого физиологического процесса, не зная его биохимизма, так же как нельзя изучать биохимические реакции в отрыве от их физиологического значения. Неудивительно поэтому, что до второй половины XIX столетия биохимия была не самостоятельной наукой, а разделом физиологии. На течение биохимических процессов решающее значение оказывает состояние физиологических функций организма и прежде всего состояние нервной системы.
Тесная связь биохимии и физиологии отразилась и в творчестве многих крупных исследователей. Великий русский физиолог и акад. И.П.Павлов является одновременно одним из основоположников ряда важных разделов биохимии, в частности разделов энзимологии: о превращении зимогенов (проферментов) в активные ферменты, об обратимости действия ферментов, о строении и свойствах пищеварительных ферментов.
Постепенно, в связи с накоплением биологических знаний, биохимия стала одним из ведущих разделов физиологии, а затем обособилась в самостоятельную науку. В наши годы, в связи с мощным развитием отдельных разделов биохимии, появляется тенденция выделения некоторых из них в самостоятельные научные дисциплины (например, энзимологии).
Биохимия взаимосвязана и с органической химией. При проведении исследований биохимики выделяют отдельные вещества из живых организмов, очищают от примесей, устанавливают однородность, определяют состав и структуру, изучают свойства, после чего, при необходимости, синтезируют эти вещества. Таковы же этапы исследования и химика-органика.
Но если у химика на этом работа исчерпывается, у биохимика начинается самое важное и интересное -- изучение превращений данных соединений в общей системе обмена веществ живого организма, выяснение их роли в его жизнедеятельности. Связь биохимии и органической химии также отразилась в научном творчестве ряда ученых. Так крупнейший советский химик-органик акад. Н. Д. Зелинский известен своими работами по биохимии белков.
С каждым годом расширяются связи биохимии с физической химией. Большое значение для протекания жизненных процессов имеют скорости биохимических реакций, их зависимость от температуры, активной реакции среды и связи с осмотическими явлениями. Все эти вопросы являются одновременно компетенцией и биохимии и физической химии.
Еще лет тридцать назад вряд ли можно было говорить о серьезном взаимодействии биохимии с математикой. Теперь же это стало очевидным фактом. И не только потому, что результатам биохимических исследований лишь тогда можно доверять, когда они статистически обработаны, известна степень их достоверности.
Значительно более важен вклад математики в биохимию в связи с широким внедрением метода математических моделей, рассмотрением ряда биохимических процессов с точки зрения прямых и обратных связей, механизмов регуляции и управления этими процессами, их саморегуляции (т.е. сопряжения биохимии с кибернетикой), что привело к широкому использованию компьютеров в современных биохимических исследованиях.
Методы биохимии.
Какими же методами пользуется биохимия для решения поставленных перед ней задач? Эти методы очень разнообразны. Биологическая химия, как и любая наука, располагает особенными методами исследования, которые в процессе развития науки изменялись и совершенствовались.
Методы аналитической химии широко использовались и используются в биохимии и в настоящее время.
Метод синтеза в изучении структуры белков позволил выяснить весьма существенное в их строении - способ соединения аминокислот друг с другом (пептидные связи) в молекулах белка и затем выяснить последовательность расположения аминокислотных остатков в полипептидных цепях белковых молекул. В настоящее время удалось установить количество полипептидных рядов в молекулах таких белков, как инсулин - гормон белковой природы, рибопуклеаза - фермент, катализирующий расщепление рибонуклеиновой кислоты, и в некоторых других.
Таким образом, химическая структура некоторого количества белков может считаться изученной настолько, что реально может быть поставлен вопрос о получении их путем синтеза.
В настоящее время достигнуты большие успехи в изучении закономерностей развития органического мира. Биохимия все глубже проникает в молекулярную структуру живой клетки, выясняет сущность протекающих в ней элементарных физико-химических процессов и раскрывает связи химических и физических структур клетки с их биохимическими функциями.
В последнее время особенно активно внедряются в биохимические исследования физико-химические и физические методы: хроматография, электрофорез, рентгеноструктурный анализ, электронная микроскопия, инфракрасная спектроскопия, электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), ядерный магнитный резонанс (ЯМР), метод радиоактивных изотопов и т.д. В итоге сформировалась новая область научных знаний -- физико-химическая биология, успешно развивающаяся в нашей стране.
Следует уделить особое внимание методу радиоактивных изотопов, который дает возможность проследить за перемещением того или иного вещества в организме. Этот метод дал возможность расшифровать многие биохимические процессы, которые происходят в отдельных органах. В результате применения меченых атомов выявлена исключительная динамичность белковых веществ. Белки больше, чем какие-либо другие вещества, подвергаются в организме обновлению, распаду и синтезу. Далее было установлено, что постоянному обновлению в известной мере подвергаются составные части таких, казалось бы, инертных образований, как сухожилия, -связки, зубная эмаль и др. Все эти данные в значительной мере расширили наши представления об обмене веществ между организмами и окружающей их средой и поставили перед исследователями ряд новых проблем.
Многие факты, установленные динамической биохимией при использовании бесклеточных соков, отдельных клеточных элементов, митохондрий, макросом, ядер и т. д., были подтверждены изучением химических процессов в целостном организме с помощью метода меченых атомов.
С помощью электронного микроокопа при очень сильном увеличении удалось изучить строение клеток, выявить в них наличие субклеточных образований. Оказалось, что цитоплазма далеко не однородна, как это кажется в обычном микроскопе. В ней имеется ряд специализированных структурных образований, или, как их называют, клеточные органоиды, выполняющие специфические функции: ядро, митохондрии, рибосомы, или микросомы, клеточные гранулы резервного белка или крахмала, капельки жира, которые различаются по размерам и плотности. В клетках растений имеются еще пластиды, содержащие обычно зеленый пигмент хлорофилл.
Крупным шагом вперед явилась разработка способа выделения составных частей клетки, позволяющего получить более или менее однородные и чистые препараты ядра, митохондрий и др. Научились «гомогенизировать» клетки, а затем при помощи высокоскоростных центрифуг отделять митохондрии от других цито-плазматических частиц. Они оседают с разной скоростью, зависящей как от свойств самих внутриклеточных компонентов, так и свойств жидкой фазы гомогената. После этого можно инкубировать in vitro очищенные митохондрии и изучать их метаболические свойства. Изолированные митохондрии способны расщеплять углеводы, жирные кислоты и аминокислоты до углекислоты и воды, т.е. они остаются живыми. В живой клетке митохондрии можно распознать по их избирательному окрашиванию особым красителем-- янусом зеленым.
Обычно они сосредоточены в участках клетки с наиболее интенсивным обманом веществ, состоят из белков, рибонуклеиновых кислот и фосфолипидов. В этих тельцах или на их поверхности находится сложный комплекс ферментов, при помощи которых углеводы, жирные .кислоты и аминокислоты расщепляются до углекислоты и воды.
В биохимии нашли широкое применение физические методы - метод рентгеноструктурного анализа, при помощи которого выявлена структура сложных соединений -- ряда фибриллярных белков, миоглобина, структура лизоцима и других молекул. Физико-химические методы позволили выяснить основные принципы построения биополимеров - белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов, а познание молекулярного строения живого позволяет глубоко проникнуть в тайны жизненных процессов.
Акад. Энгельгардт подчеркивал, что в основе жизненных явлений лежат три потока - материи, энергии и информации. Эти три потока переплетаются между собой, представляя триаду. Нуклеиновые кислоты обеспечивают поток информации, белок является основой для потока материи и энергии, а поскольку белки обладают и каталитическими свойствами, им принадлежит и решающая роль в обеспечении структурной организации живой материи. К первую очередь здесь имеется в виду синтез специфических белков, играющих роль пластического материала и регуляторов метаболизма клетки, так как все ферменты являются белками. Биологическая специфичность различных белковых веществ обусловлена главным образом последовательностью распределения 20 аминокислот в белковых молекулах животных и растений.
История развития биохимии.
Как самостоятельная наука биохимия сформировалась около ста лет назад, однако биохимическими процессами люди пользовались и во времена глубокой древности, не зная, естественно, их теоретической сущности. Представляется возможным в истории развития биохимических знаний и биохимии как науки выделить четыре периода.
1-й период - с древних времен до эпохи Возрождения (XV в.).
Это период практического использования биохимических процессов
без знания их теоретических основ и первых, порой очень примитивных, биохимических исследований.
В самые отдаленные времена люди уже знали технологию таких производств, основанных на биохимических процессах, как хлебопечение, сыроварение, виноделие, дубление кож. Необходимость лечения болезней заставляла задумываться о превращениях веществ в организме, о причинах целебных свойств лекарственных растений. Использование растений в пищевых целях, для изготовления красок, тканей, дубителей также наталкивало на попытки понять свойства отдельных веществ растительного происхождения,
Талантливый ученый X столетия Авиценна (Ибн-Сина) в своей знаменитой книге, многократно переиздававшейся вплоть до наших дней, - «Канон врачебной науки» - подробно описал многие лекарственные вещества, отведя им целый раздел книги.
Берестяные грамоты XI в., найденные при раскопках Новгорода, свидетельствуют, что в то время на Руси была хорошо развита технология пивоварения, виноделия, хлебопечения. Наши предки уже тогда знали много достаточно сложных рецептов красок и чернил из растений. До сих пор поражает богатством и свежестью красок знаменитый памятник славянской культуры -- рукописное Остромирово Евангелие (XI в.).
2-й период в развитии биохимии, существующей еще как раздел физиологии, характеризуется усилением накопления биохимических знаний. Этот период ведет отсчет от начала эпохи Возрождения и заканчивается во второй половине XIX в., когда биохимия становится самостоятельной наукой.
Эпоха Возрождения характеризуется некоторым ослаблением церковного гнета в науке, освобождением естествознания от пут средневекового религиозного мракобесия. Гений того времени, автор многих шедевров искусства, архитектор, инженер, анатом Леонардо да Винчи, интересовавшийся также процессами, в основе которых лежат биохимические реакции, провел интересные опыты и на основании их результатов сделал важный для тех лет вывод, что живой организм способен существовать только в такой атмосфере, в которой может гореть пламя.
Для XVI - XVII вв. характерно возникновение и развитие иатрохимии (от греч. иатрос - врач). Сторонники этого направления утверждали, что жизнедеятельность человека, причины его заболеваний можно понять только с точки зрения химии, и лечение многих болезней следует осуществлять путем применения прежде всего химических средств. Один из основоположников иатрохимии, немецкий врач и физиолог Парацельс (1492--1541) писал, что задача алхимии не в изготовлении золота, а в создании того, что является силой медицины.
Восемнадцатый век, ознаменованный гениальными трудами М.В.Ломоносова, характеризуется мощным и всесторонним развитием наук в России. Открытие М.В. Ломоносовым закона сохранения массы веществ заложило основы материалистического понимания природы и ее явлений, послужило началом новой эры в химии, биологии и других науках - эры точных количественных измерений. Известно, что М.В. Ломоносов - основоположник химической науки в России. Ее становление отразилось и на развитии химии растений. Замечательную мысль высказал М.В.Ломоносов во «Введении в истинную физическую химию» (1752): «...хотя органы животных и растений весьма тонки, однако они состоят из более мелких частичек, и именно из неорганических.., потому что при химических операциях разрушается их организованное строение». Эта блестящая материалистическая трактовка строения живых организмов уже в те годы не оставляла места для особой «жизненной силы», для витализма. В работе «Слово о явлениях воздушных» (1753) М.В. Ломоносов впервые в науке высказал важные мысли о «воздушном питании» растений, т.е. о фотосинтезе. В его трудах неоднократно говорится о значении химии для медицины; им дано описание ряда биохимических соединений - жиров, эфирных масел, смол.
На основе открытого М.В. Ломоносовым закона сохранения массы веществ и накопившихся к концу XVIII в. экспериментальных исследований французский ученый А. Лавуазье количественно исследовал и объяснил сущность дыхания, указав на роль кислорода в этом процессе. Немецкий химик Ю. Либих в 30-40 годы XIX в. успешно развил методы количественного химического анализа и применил их к исследованию биологических систем.
Мощным толчком к развитию органической химии и биохимии явилась созданная великим русским химиком А.М. Бутлеровым теория строения органических соединений (1861). В те годы некоторые ученые (например, известный химик-органик Ш. Вюрц) считали, что познать строение органических веществ принципиально невозможно и что существующие их формулы являются лишь условными символами строения.
А.М. Бутлеров в своей теории утверждал, что атомы и молекулы существуют в определенных реальных взаимоотношениях, количественных и пространственных, которые и выражаются формулами. Он указывал также, что химические свойства веществ обусловлены их строением. Материалистическая теория А.М. Бутлерова -- революционная для своего времени, надолго определила пути развития органической химии и биохимии.
А.М. Бутлеров сделал и другой ценный вклад в биохимию: он впервые синтезировал лабораторным путем сахар. Виталисты утверждали, что органические соединения могут образовываться только в живом организме под влиянием непознаваемых жизненных сил. Синтез сахара А.М. Бутлеровым и мочевины немецким химиком Ф. Вёлером опроверг лженаучные утверждения виталистов.
В 50-х годах прошлого столетия известный французский физиолог К. Бернар выделил из печени гликоген и показал, что он превращается в глюкозу, поступающую в кровоток. В 1868 г. Ф. Мишер в лаборатории немецкого физиолога и биохимика Ф. Гоппе-Зейлера открыл ДНК. Однако по достоинству это открытие и, главное, само вещество были оценены лишь почти 100 лет спустя.
III период в истории биохимии, начинающийся со второй половины XIX в., ознаменован выделением биохимии как самостоятельной науки из физиологии. Это связано с резким увеличением интенсивности и глубины биохимических исследований, объема получаемой информации, возросшим прикладным значением - использованием биохимии в промышленности, медицине, сельском хозяйстве. К этому времени относятся работы одного из основоположников отечественной биохимии А.Я. Данилевского (1838-1923). Исследуя строение белков, он сформулировал ряд положений, которые в дальнейшем легли в основу полипептидной теории структуры белков. А.Я. Данилевским впервые высказана идея об обратимости действия ферментов и на основании этого осуществлен ферментативный синтез белковоподобных веществ (пластеины). Он разработал оригинальную методику разделения и очистки ферментов путем адсорбции и элюции (десорбция), которую широко используют и в наши дни. А.Я. Данилевский возглавил в Казанском университете первую в России кафедру биохимии и создал первую русскую школу биохимиков.
Большие заслуги в развитии отечественной биохимии принадлежат М.В. Ненцкому (1847-1901). В 1891 г. он создал первую в России биохимическую лабораторию при Институте экспериментальной медицины в Петербурге. Им был выполнен ряд выдающихся исследований: совместно с сотрудниками впервые были установлены основные этапы биосинтеза мочевины, также впервые подробно исследовано строение гемоглобина и сделано сопоставление в эволюционном плане со структурой хлорофилла. Поражает широта диапазона научных интересов М.В. Неицкого, к уже перечисленному можно добавить -- синтез салола, изучение обмена белков, исследование некоторых аспектов этиологии туберкулеза.
К концу позапрошлого столетия относится открытие Н.И.Луниным витаминов (1880), Д.И. Ивановским - вирусов (1892).
На рубеже XIX и XX вв. работал крупнейший немецкий химик-органик и биохимик Э.Фишер (1852--1919). Его исследования составили целую эпоху в развитии биохимии. Им были сформулированы основные положения полипептидной теории белков, начало которой дали исследования А.Я.Данилевского. Э.Фишер установил структуру, предложил формулы и исследовал свойства почти всех аминокислот, входящих в состав белков. Им было проведено подробное и обширное изучение строения и ферментативных превращений углеводов, особенно моносахаридов.
К этому же времени относятся исследования великого русского физиолога растений К.А. Тимирязева (1843--1920), в трудах которого затрагиваются многие биохимические вопросы фотосинтеза и минерального питания растений. Еще в 1868 г. на I съезде русских естествоиспытателей 25-летний Тимирязев сделал сообщение о превращении неорганических веществ зелеными листьями растений в органические под влиянием солнечной энергии. Это было лишь начало его фундаментальных работ по фотосинтезу, завоевавших затем мировое признание.
В конце прошлого столетия начал свои исследования и другой великий русский ученый -- А.Н. Бах, ставший впоследствии основателем советской биохимической школы. С самого начала своей научной деятельности Бах направил внимание на одну из узловых проблем биохимии - дыхание. Его не удовлетворяла идея о полной аналогии между дыханием и горением, высказанная А. Лавуазье. Созданная А.Н. Бахом на основании глубоких исследований перекисная теория объяснила механизм участия кислорода воздуха в реакциях дыхания. Она не потеряла своего значения и в наше время, выяснение роли оксигеназ, пероксидаз и каталазы в процессе биологического окисления все больше привлекает внимание биохимиков.
Многое сделано Бахом в области энзимологии, им заложены основы учения о физиологической роли ферментов. Исследования Баха способствовали развитию технической биохимии в нашей стране. После Октябрьской революции Бах организует ряд крупных биохимических институтов: Биохимический институт Наркомздрава, Институт биохимии АН СССР и др. Образованная акад. Бахом, его учениками и сотрудниками советская школа биохимиков получила всеобщее признание и поныне занимает достойное место в мировой науке. Среди непосредственных сотрудников Баха особого внимания заслуживает А.И. Опарин - создатель широко известной и признанной теории происхождения жизни.
Ряд замечательных русских ученых:
В.И. Палладин показал, что дыхание представляет собой систему ферментативных процессов, установил роль кислорода воды и реакций дегидрогенизации - отщепления водорода - при дыхании;
С.П. Костычев исследовал химизм спиртового брожения и анаэробной фазы дыхания, нашел общность между ними;
Д.Н. Прянишников заложил основы учения об азотном обмене растений, раскрыл роль аммиака и аспарагина в этом процессе, создал основы советской агрохимии.
В первой трети XX в. акад. В.С. Гулевичем (МГУ) были открыты и исследованы карнозин и ансерин - азотистые экстрактивные вещества мышц. В.С. Гулевич -- один из основателей сравнительно-эволюционной биохимии в нашей стране, им создана крупная биохимическая школа.
Начало XX столетия характеризуется рядом фундаментальных исследований в области химии и за рубежом. В 1905 г. А. Гарден и В. Ионг выделили первый кофермент спиртового брожения -- «козимазу», называемый в наше время НАД (никотинамидадениндинуклеотид). В этом же году Ф. Кнооп открыл и исследовал -окисление жирных кислот. К 20-30 прошлого столетия годам относятся блестящие работы немецкого биохимика О. Варбурга по выделению и изучению дыхательных ферментов (цитохромоксидаза, флавиновые дегидрогеназы и др.), выделению пиридиновых нуклеотидов, изучению их структуры и функции. В это же время Д. Самнер и Д. Нортроп (США) впервые выделили ферменты в виде белковых кристаллов, совершив тем самым революцию в энзимологии. В 1933 г. Г.Кребс подробно изучил орнитиновый цикл образования мочевины, а 1937 г. датируется открытие им же цикла трикарбоновых кислот, который является биохимической основой аэробного расщепления углеводов.
В 1933 г. Д. Кейлин (Англия) выделил цитохром С и воспроизвел процесс переноса электронов по дыхательной цепи в препаратах из сердечной мышцы.
В Советском Союзе в 30--40 годах были сделаны два замечательных открытия, сказавшихся на последующем развитии всей биохимии. В 1931 г. В.А. Энгельгардт показал, что фосфорилирование сопряжено в процессе дыхания с окислительными процессами, а в 1942 г. он же совместно с М.Н.Любимовой открыл АТФ-азную активность миозина и других сократительных белков.
В 1938 г. А.Е. Браунштейн и М.Г. Крицман впервые описали реакции трансаминирования, являющиеся одним из узловых пунктов азотного обмена всех живых организмов.
40-е и особенно 50-е годы прошлого века характеризуются усиленным использованием в биохимических исследованиях физических, физико-химических и математических методов, активным и успешным изучением основных жизненных процессов (биосинтез белков, в первую очередь) на молекулярном и надмолекулярном уровнях. Это был несомненно качественный скачок в развитии биохимии, поэтому представляется возможным, 50-е годы, в которые была опубликована статья Д.Уотсона и Ф. Крика о строении двойной спирали ДНК., положившая начало новому научному направлению - молекулярной биологии, считать одновременно и началом качественно нового периода в истории биохимии -- IV периода.
Вот краткая хронология основных открытий в биохимии этого периода.
1953 - Д.Уотсон и Ф.Крик предложили модель двойной спирали строения ДНК.
1953 - Ф. Сэнгер впервые расшифровал аминокислотную последовательность белка инсулина, состоящего из 51 аминокислотного остатка.
1955-1960 - А.Н. Белозерский и его сотрудники, исследовав нуклеотидный состав ДНК огромного числа представителей животных, растений и бактерий, охарактеризовали таксономическое и эволюционное значение количественного соотношения отдельных азотистых оснований в ДНК.
1959, 1960 - А.С. Спирин и П. Доти установили вторичную и третичную структуру рибосомальной РНК.
1961 - М. Ниренберг расшифровал первую «букву» кода белкового синтеза - триплет ДНК, соответствующий фенилаланину. Позднее С.Очоа и Г. Корана расшифровали все буквы этого кода.
1965-1967 - Р. Холли и независимо от него А.А. Баев определили нуклеотидную последовательность транспортных РНК.
1966 - П. Митчелл сформулировал хемиосмотическую теорию сопряжения окисления и фосфорилирования.
1969 - Р. Мерифильд химическим путем синтезировал фермент
рибонцклеазу.
1970 - Г. Корана синтезировал ген (транспортной РНК), а в
1976 г. присоединил его к ДНК мутантного штамма бактериофага
К, дефектного по данному гену, после чего этот бактериофаг стал
нормально размножаться.
1971 - в совместной работе двух лабораторий, руководимых
Ю.А. Овчинниковым и А.Е. Браунштейном, установлена первичная структура аспартатаминотрансферазы -- белка из 412 аминокислот.
1977 - Ф. Сэнгер и сотрудники впервые полностью расшифровали первичную структуру молекулы ДНК.
В настоящее время продолжают активно развиваться различные направления биохимических исследований. В МГУ многие годы под руководством академика С.Е. Северина плодотворно проводятся работы по биохимии дыхания. Крупные работы приоритетного характера по биоэнергетике выполняются в МГУ В.П. Скулачевым. Большие успехи достигнуты коллективом Института биохимии АН СССР, особенно в области энзимологии, биологической фиксации азота воздуха и азотного обмена растений, технической биохимии (В.Л. Кретович), биохимии и биофизики фотосинтеза (А.А. Красновский). Ряд интереснейших открытий в области биосинтеза белков и их структуры сделаны в Институте белка АН СССР (А. С. Спирин), по исследованию структуры и функций нуклеиновых кислот, некоторым энзимологическим проблемам -- в Институте молекулярной биологии АН СССР (В.А. Энгельгардт, А.Е. Браунштейн, А.А. Баев, Г.П. Георгиев). Широкое признание в нашей стране и за рубежом получили исследования структуры и свойств мембран Ю.А. Овчинниковым (Институт биоорганической химии АН СССР).
Проблемы, решение которых предстоит в настоящее время биохимической науке, чрезвычайно важны для человечества, интересны и увлекательны. Одна из них: исследование обмена веществ человека с целью оздоровления, разработки кардинальных методов борьбы с «болезнями века» - раком, сердечно-сосудистыми заболеваниями, нахождение путей увеличения продолжительности жизни. Биохимические исследования - основа решения этой проблемы, ибо возникновение раковых опухолей есть результат изменения строения ядерной ДНК, нарушения биохимических механизмов регуляции клеточного деления. Причина многих сердечно-сосудистых заболеваний заключается в искажении нормального течения липидного обмена. Любая болезнь связана с нарушениями обмена веществ, и лечение очень часто представляет собой нормализацию обмена с помощью лекарственных препаратов. Невозможно представить себе в настоящее время диагностирование (распознавание) болезней без предварительных биохимических анализов. Иммунитет, способность организма противостоять заболеванию, основан на сложной системе биохимических процессов. Иммунохимия - одна из актуальных областей знания в наше время, стоящая на стыке биохимии и медицины.
Крайне интересно также изучение биохимических основ деятельности центральной нервной системы, головного мозга. Еще акад. И.П.Павлов указывал, что настоящую теорию всех нервных явлений может дать нам только изучение физико-химического процесса, происходящего в нервной ткани.
Уже сейчас найдены вещества, образующиеся в головном мозгу (чаще всего это пептиды), от которых зависят состояния возбуждения, торможения, характер поведения человека. Решение многих проблем психики человека, его поведения, эмоций, памяти возможно только на основе биохимических исследований.
Быстрый рост народонаселения на нашей планете делает очень актуальной проблему литания. Биохимикам теперь уже хорошо известны реакции, в результате которых в зеленых листьях растений из СО2 воздуха и Н2О образуются сахара, крахмал. Совершенно реальным стало в наши годы решение задачи о воспроизведении этих процессов в реакторах, которые заменят тысячи гектаров посевных площадей с сельскохозяйственными растениями, не будут зависеть от метеоусловий и потребуют значительно меньше рабочих рук. Особое место в проблеме питания занимает вопрос о достаточности содержания белков в рационе. Некоторые бактерии способны интенсивно усваивать азот воздуха, превращая его в аминокислоты, а затем в белки. Воспроизвести биохимические реакции, протекающие при этом у бактерий, в промышленных условиях - крайне заманчивая идея, реализация которой вполне возможна.
Все перечисленные задачи биохимии будут решаться на основе опережающего развития фундаментальных, теоретических исследований структуры и функции биохимических соединений, разработки методов их анализа, выяснения путей их биосинтеза и метаболизма.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Понятие биохимии и биосистемы. Структурно-химическая организация живой клетки и ее строение. Жизненно необходимые соединения, структура и химические реакции аминокислот. Уровни структурной организации белков, жиров и ферментов. Классификация витаминов.
презентация [2,2 M], добавлен 17.12.2010Физиологическая химия. Общая характеристика витамина А. Биохимические функции. Авитаминоз. Роль АТФ. Глюкоза. Формула глюкозы. Энергетика обмена. Функции липидов: структурная, энергетическая, резервная, защитная, регуляторная.
контрольная работа [28,7 K], добавлен 27.09.2006Аминокислоты, содержащие в своем составе атом серы и бензольное кольцо, их сравнительное описание и составление пептида. Понятие и химические свойства лецитина, его значение. Хромопротеины, биологическая роль. Лекарственные препараты витамина Е.
контрольная работа [884,1 K], добавлен 16.11.2013Понятие электролиза, его практическое применение. Электролизные и гальванические ванны, их электроснабжение для получения алюминия. Применение электрохимических процессов в различных областях современной техники, в аналитической химии и биохимии веществ.
презентация [772,0 K], добавлен 25.07.2015Сущность и предмет аналитической химии как науки. Задачи и методы качественного и количественного анализа химических веществ. Примеры качественных реакций на катионы. Характеристика явлений, сопровождающих реакции мокрым (в растворах) и сухим путями.
презентация [1,0 M], добавлен 27.04.2013Предмет медицинской химии, задачи поиска физиологически активных веществ, выявление взаимосвязи между химической структурой и физиологической активностью. Стратегия рационального дизайна лекарств. Аппаратура для высокопроизводительного скрининга.
презентация [12,6 M], добавлен 26.05.2016Характеристика видов, методов применения и значения химических веществ, применяемых в быту и облегчающих домашний труд. Химические препараты и полимерные материалы. Инсектициды и репелленты. Использование химии на кухне и ванной, в косметике и гигиене.
реферат [16,3 K], добавлен 09.04.2011Вещества и их взаимные превращения являются предметом изучения химии. Химия – наука о веществах и законах, которым подчиняются их превращения. Задачи современной неорганической химии – изучение строения, свойств и химических реакций веществ и соединений.
лекция [21,5 K], добавлен 26.02.2009Углеводы - важнейшие химические соединения живых организмов. В растительном мире составляют 70-80% из расчета на сухое вещество. Функции углеводов: энергетическая – главный вид клеточного топлива, функция запасных питательных веществ, защитная, регуляторн
реферат [20,7 K], добавлен 17.01.2009Химия как наука о веществах, их строении, свойствах и превращениях. Основные понятия химии. Химическая связь как взаимодействие двух атомов, осуществляемое путем обмена электронами. Сущность химических реакций, реакции окисления и восстановления.
реферат [95,3 K], добавлен 05.03.2012
