Элементарная биохимия

Элементарная биохимия

Министерство образования Российской Федерации.

Санкт-Петербургский Государственный Институт Сервиса

и Экономики.

Элементарная биохимия.

| |Реферат студентки группы № 017 1 |

| |курса факультета Экономики и |

| |Управления Сферой Сервиса |

| |Лизуновой Светланы Юрьевны |

| |Преподаватель Перевозников Евгений |

| |Николаевич |

Санкт-Петербург.

2000 год.

Содержание

|Определение биохимии, предмет изучения | 3 |

|История развития биохимии | 7 |

|Характеристика основных разделов биохимии |13 |

| Белки |13 |

| Ферменты |15 |

| Нуклеиновые кислоты |16 |

| Углеводы |18 |

| Липиды |19 |

| Витамины |22 |

|Актуальность биохимии как науки |23 |

|Некоторые перспективы развития биохимии |24 |

|Список литературы |26 |

БИОХИМИЯ (биологическая химия) – биологическая наука, изучающая химическую

природу веществ, входящих в состав живых организмов, их превращения и связь

этих превращений с деятельностью органов и тканей. Совокупность процессов,

неразрывно связанных с жизнедеятельностью, принято называть обменом

веществ.[1]

За последние десятилетия из всех биологических наук наибольшее

воздействие на развитие не только биологии, но и всего естествознания в

целом оказала биохимия. Достижения биологии и в познавательном, и в

практическом плане превзошли самые смелые прогнозы первой половины нашего

века. Многое из того, что доступно современным биологам, ещё несколько лет

назад представлялось фантастичным.

Учёным удалось проникнуть в глубь живой материи до уровня составляющих

её молекул, надмолекулярных комплексов и их организованных ансамблей.

Изучение материальных носителей жизнедеятельности – нуклеиновых кислот и

белков – приобрело качественно новый характер. Совершенно заново стали

осмысливать и экспериментально исследовать механизмы хранения, передачи и

реализации наследственной информации, преобразования материи и энергии в

клетке, иммунитета, передачи нервных импульсов и восприятия клеткой

сигналов и воздействий внешней среды, принципы гуморальной регуляции и

многое другое.

Совершенно новым стало и изучение разнообразных регуляторов процессов,

протекающих в клетках и тканях, гормонов, нейропептидов, простагландинов и

т. п. Сформировалась совершенно новая система проблем, в которых

фундаментальные познавательные задачи оказались сближенными с практическим

приложением необычайно высокой эффективности (идёт ли речь о

функционировании ферментов, раскрытии механизмов фотосинтеза, зрения,

нервной регуляции, деятельности мозга, защиты от инфекций и многого

другого, включая важнейшую проблему манипулирования с генетическим

материалом).

Всё это привело к тому, что за последнюю четверть века – срок

необычайно короткий, если подходить к нему с установившимися историческими

мерками, - структура биологии подверглась значительным переменам.

Внедрение методов химии в биологию содействовало тому, что

формирующаяся биохимия оказалась среди биологических наук наилучшим образом

подготовленной для проникновения в тайны функционирования клетки. Именно

благодаря этому она превратилась из «служанки физиологии» в

самостоятельную, методологически необычайно важную область биологии. В

поисках ответа на вопрос, как функционирует клетка, биохимия определила

цитологию и первой проникла в мир субклеточных образований. Прогресс

генетики также на определённом этапе зависел от развития биохимических

методик и концепций.[2]

Изучение состава живых организмов издавна привлекало внимание учёных,

поскольку к числу веществ, входящих в состав живых организмов, помимо воды,

минеральных элементов, липидов, углеводов и т. д., относится ряд наиболее

сложных органических соединений: белки и их комплексы с рядом других

биополимеров, в первую очередь с нуклеиновыми кислотами.

Установлена возможность спонтанного объединения (при определённых

условиях) большого числа белковых молекул с образованием сложных

надмолекулярных структур, например, белкового чехла хвоста фага, некоторых

клеточных органоидов и т. д. Это позволило ввести понятие о само

собирающихся системах. Такого рода исследования создают предпосылки для

решения проблемы образования сложнейших надмолекулярных структур,

обладающих признаками и свойствами живой материи, из высокомолекулярных

органических соединений, возникших некогда в природе абиогенным путём.

Современная биохимия как самостоятельная наука сложилась на рубеже 19

и 20 вв. До этого времени вопросы, рассматриваемые ныне биохимией,

изучались с разных сторон органической химией и физиологией. Органическая

химия, изучающая углеродистые соединения вообще, занимается, в частности,

анализом и синтезом тех химических соединений, которые входят в состав

живой ткани. Физиология же наряду с изучением жизненных функций изучает и

химические процессы, лежащие в основе жизнедеятельности. Таким образом,

биохимия является продуктом развития этих наук и её можно подразделить на

две части: статическую (или структурную) и динамическую. Статическая

биохимия занимается изучением природных органических веществ, их анализом и

синтезом, тогда как динамическая биохимия изучает всю совокупность

химических превращений тех или иных органических соединений в процессе

жизнедеятельности. Динамическая биохимия, таким образом, стоит ближе к

физиологии и медицине, чем к органической химии. Этим и объясняется то, что

вначале биохимия называлась физиологической (или медицинской) химией.[3]

Как всякая быстро развивающаяся наука, биохимия вскоре после своего

возникновения начала делится на ряд обособленных дисциплин: биохимия

человека и животных, биохимия растений, биохимия микробов (микроорганизмов)

и ряд других, поскольку, несмотря на биохимическое единство всего живого, в

животных и растительных организмах существуют и коренные различия в

характере обмена веществ. В первую очередь это касается процессов

ассимиляции. Растения, в отличие от животных организмов, обладают

способностью использовать для построения своего тела такие простые

химические вещества, как углекислый газ, вода, соли азотной и азотистой

кислот, аммиак и др. При этом процесс построения клеток растений требует

для своего осуществления притока энергии извне в форме солнечного света.

Использование этой энергии первично осуществляют зелёные аутотрофные

организмы (растения, простейшие, ряд бактерий), которые в свою очередь сами

служат пищей для всех остальных так называемых гетеротрофных организмов (в

том числе и человека), населяющих биосферу. Таким образом, выделение

биохимии растений в особую дисциплину является обоснованным как с

теоретической, так и с практической сторон.

Развитие ряда отраслей промышленности и сельского хозяйства

(переработка сырья растительного и животного происхождения, приготовление

пищевых продуктов, изготовление витаминных и гормональных препаратов,

антибиотиков и т.д.) привело к выделению в особый раздел технической

биохимии.

При изучении химизма различных микроорганизмов исследователи

столкнулись с целым рядом специфических веществ и процессов, представляющих

большой научно-практический интерес (антибиотики микробного и грибкового

происхождения, различные виды брожений, имеющие промышленное значение,

образование белковых веществ из углеводов и простейших азотистых соединений

и т. д.). Все эти вопросы рассматривают в биохимии микроорганизмов.

В 20 веке возникла как особая дисциплина биохимия вирусов.

Потребностями клинической медицины было вызвано появление клинической

биохимии.

Из других разделов биохимии, которые обычно рассматриваются как

достаточно обособленные дисциплины, имеющие свои задачи и специфические

методы исследования, следует назвать: эволюционную и сравнительную биохимию

(биохимические процессы и химический состав организмов на различных стадиях

их эволюционного развития), энзимология (структура и функции ферментов,

кинетика ферментативных реакций), биохимию витаминов, гормонов,

радиационную биохимию, квантовую биохимию (сопоставление свойств, функций и

путей превращения биологически важных соединений с их электронными

характеристиками, полученными с помощью квантово-химических расчётов).

Особенно перспективным оказалось изучение структуры и функции белков и

нуклеиновых кислот на молекулярном уровне. Этот круг вопросов изучается

науками, возникшими на стыках биохимии с биологией и генетикой.[4]

История развития биохимии.

Можно выделить основные этапы развития биохимической науки.

1. «Протобиохимия». Концепции процессов жизнедеятельности и их природы,

развиваемые в древности, античности, в период средневековья. Концепции

жизнедеятельности в Эпоху Возрождения, привлечение их для описания и

объяснения химических процессов.

2. Экспериментальное изучение процессов жизнедеятельности в 17-18 вв.

Первые химические теории и объяснения процессов дыхания, пищеварения,

брожения.

3. «Новая химия» и изучение методами химии живых организмов и процесс

жизнедеятельности. Первый кризис методологии в области взаимодействия

химии и биологии.

4. Формирование биологической химии в рамках редукционистских программ

биологии второй половины 19 века.

5. Развитие классической биологической химии.

6. Прогресс биохимии и революция в биологии во второй половине 20 века –

формирование физико-химической биологии. Методологические, эмпирические и

теоретические основы этого процесса. Интегрирующая роль физико-химической

биологии в системе биологических наук.[5]

Изучение живой материи с химической стороны началось с того момента,

когда возникла необходимость исследования составных частей живых организмов

и совершающихся в них химических процессов в связи с запросами практической

медицины и сельского хозяйства. Исследования средневековых алхимиков

привели к накоплению большого фактического материала по природным

органическим соединениям. В 16-17 вв. воззрения алхимиков получили развитие

в трудах ятрохимиков, считавших, что жизнедеятельность организма человека

можно правильно понять лишь с позиций химии. Так, один из виднейших

представителей ятрохимии – немецкий врач и естествоиспытатель Ф. Парацельс

выдвинул прогрессивное положение о необходимости тесной связи химии с

медициной, подчёркивая при этом, что задача алхимии не в изготовлении

золота и серебра, а в создании того, что является силой и добродетелью

медицины. Ятрохимики ввели в медицинскую практику препараты ртути, сурьмы,

железа и других элементов. Позже И. Ван-Гельмонт высказал предположение о

наличии в «соках» живого тела особых начал, так называемых «ферментов»,

участвующих в разнообразных химических превращениях.[6]

В 17-18 вв. работали такие выдающиеся учёные как М.В. Ломоносов и А.

Лавуазье, открывшие и утвердившие в науке закон сохранения материи (массы).

Лавуазье внёс важнейший вклад в развитие не только химии, но и в изучение

биологических процессов. Развивая более ранние наблюдения Майова, он

показал, что при дыхании, как и при горении органических веществ,

поглощается кислород и выделяется углекислый газ. Одновременно им же,

вместе с Лапласом, было показано, что процесс биологического окисления

является и источником животной теплоты. Это открытие стимулировало

исследования по энергетике метаболизма, в результате чего уже в начале 19

века было определено количество тепла, выделяемого при сгорании углеводов,

жиров и белков.

Крупными событиями второй половины 18 века стали исследования

Р.Реомюра и Л.Спалланцани по физиологии пищеварения. Эти исследователи

впервые изучили действие желудочного сока животных и птиц на различные виды

пищи (главным образом мясо) и положили начало изучению ферментов

пищеварительных соков. Возникновение энзимологии (учение о ферментах),

однако, обычно связывают с именами К.С. Кирхгофа, а также Пейена и Персо,

впервые изучивших действие на крахмал фермента амилазы in vitro.

Важную роль сыграли работы Пристли и особенно Ингенхауса, открывших

явление фотосинтеза (конец 18 века).

На рубеже 18 и 19 вв. были проведены и другие фундаментальные

исследования в области сравнительной биохимии; тогда же было установлено

существование круговорота веществ в природе.

Успехи статической биохимии с самого начала были неразрывно связаны с

развитием органической химии.

Толчком к развитию химии природных соединений явились исследования

шведского химика К. Шееле (1742-1786 гг.). Он выделил и описал свойства

целого ряда природных соединений – молочную, винную, лимонную, щавелевую,

яблочную кислоты, глицерин и амиловый спирт и др. Большое значение имели

исследования И.Берцелиуса и Ю.Либиха, закончившиеся разработкой в начале 19

века методов количественного элементарного анализа органических соединений.

Вслед за этим начались попытки синтезировать природные органические

вещества. Достигнутые успехи – синтез в 1828 году мочевины, уксусной

кислоты (1844 г.), жиров (1850 г.), углеводов (1861 г.) – имели особенно

большое значение, так как показали возможность синтеза in vitro ряда

органических веществ, входящих в состав животных тканей или же являющихся

конечными продуктами обмена. Во второй половине 18 – начале 19 века были

проведены и другие важные исследования: из мочевых камней была выделена

мочевая кислота, из желчи – холестерин, из меда – глюкоза и фруктоза, из

листьев зеленых растений – пигмент хлорофилл, в составе мышц был открыт

креатин. Было показано существование особой группы органических соединений

– растительных алкалоидов, нашедших позднее применение в медицинской

практике. Из желатины и бычьего мяса путем их гидролиза были получены

первые аминокислоты: глицин и лейцин.

Во Франции в лаборатории К. Бернара в составе ткани печени был открыт

гликоген (1857), изучены пути его образования и механизмы, регулирующие его

расщепление. В Германии в лабораториях Э. Фишера, Э. Ф. Гоппе-Зейлера, А.

Косселя и других были изучены структура и свойства белков, а также

продуктов их гидролиза, в том числе и ферментативного.

В связи с описанием дрожжевых клеток (1836-1838гг.) начали активно

изучать процесс брожения (Либих, Пастер и др.). Вопреки мнению Либиха,

рассматривавшего процесс брожения как чисто химический, протекающий с

обязательным участием кислорода, Л. Пастер установил возможность

существования анаэробиоза, то есть жизни в отсутствии воздуха, за счет

энергии брожения. Бухнеру удалось получить из дрожжевых клеток бесклеточный

сок, способный, подобно живым дрожжам, сбраживать сахар с образованием

спирта и углекислоты.

Накопление большого количества сведений относительно химического

состава растительных и животных организмов и химических процессов,

протекающих в них, привело к необходимости систематизации и обобщений в

области биохимии. Первой работы в этом плане был учебник Зимона (1842).

Очевидно, именно с этого времени термин «биологическая (физиологическая)

химия» утвердился в науке. В России первый учебник физиологической химии

был издан профессором Харьковского университета А. И. Ходневым в 1847 году.

Периодическая литература по биологической химии регулярно начала выходить с

1873 года в Германии. Позднее биохимические журналы начали издаваться во

многих странах мира на английском, французском, русском и других языках. Во

второй половине 19 века на медицинских факультетах многих русских и

зарубежных университетов были учреждены специальные кафедры медицинской,

или физиологической химии.

Подлинный расцвет биохимии наступил в 20 веке. В самом начале его была

сформулирована и экспериментально обоснована полипептидная теория строения

белков (Э. Фишер 1901-1902гг.). Позднее был разработан ряд аналитических

методов, позволяющих изучить аминокислотный состав белка (хроматография,

рентгеноструктурный анализ, метод изотопной индикации,

цитоспектрофотометрия, электронная микроскопия). Расшифровывается

первичная, вторичная, третичная и четвертичная структура многих белков.

Синтезируется ряд важных белковых веществ.

Выдающееся значение имели работы Л. Полинга, В. Виньо, Ф. Сэнгера, С.

Мура, Д. Филлипса, Дж. Нортропа, М. М. Шемякина, Ф. Штрауба и др.

Блестящие работы Чаргаффа, Дж. Уотсона и Ф. Крика завершаются

выяснением структуры ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). Устанавливается

двухспиральная структура ДНК и роль ее в передаче наследственной

информации. Осуществляется синтез ДНК и РНК. Решается (1962 и последующие

годы) одна из центральных проблем современной биохимии – расшифровывается

РНК – аминокислотный код. Вводится понятие о молекулярных болезнях,

связанных с определенными дефектами в структуре ДНК хромосомного аппарата

клетки.

Ранее классическими исследованиями И. П. Павлова и его школы

раскрываются основные физиологические и биохимические механизмы работы

пищеварительных желез. Устанавливается существование заменимых и

незаменимых аминокислот, разрабатываются нормы белка в питании. Детальному

изучению подвергаются особенности процесса азотистого обмена у растений.

Особое место заняло изучение нарушений азотистого обмена у животных и

человека при белковой недостаточности. Детально исследуются продукты

распада гемоглобина, расшифровываются пути образования гема.

Выдающиеся успехи достигнуты в расшифровке структуры важнейших

углеводов и механизмов углеводного обмена. Подробно выяснено превращение

углеводов в пищеварительном тракте под влиянием пищеварительных ферментов и

кишечных микроорганизмов. Выясняются биохимические механизмы нарушения

углеводного обмена (диабет, галактоземия, гликогенозы и др.), связанные с

наследственными дефектами соответствующих ферментативных систем.

Достигнуты успехи в расшифровке структуры липидов: фосфолипидов,

цереброзидов, ганглеозидов. Создается теория (-окисления жирных кислот.

Разработаны современные представления о путях окисления и синтеза жирных

кислот и сложных липидов. Значительный прогресс достигнут при изучении

механизма биологического окисления, тканевого дыхания. 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.

Страницы: 1, 2