Биохимия

Категории Биохимия | Под редакцией сообщества: Биология

Биохимия (биологическая химия или физиологическая химия) - наука о строении и свойствах химических соединений, входящих в состав клеток живых организмов, о взаимодействии этих химических веществ между собой, о различных химических процессах, лежащих в основе жизнедеятельности и путях их регуляции.

Обычно различают так называемую статическую, динамическую, функциональную и сравнительно-эволюционную биохимию. Задачей статической биохимии является описание структуры и свойств различных химических соединений, являющихся основными компонентами живых систем, таких как углеводы, белки, жиры и нуклеиновые кислоты, а также «гибридных» молекул, имеющих в своем составе отдельные элементы перечисленных компонентов (гликопротеиды, липопротеиды, гликолипиды и т.д.). Динамическая биохимия исследует взаимодействие между различными биологически важными соединениями и совокупность превращений отдельных соединений. Функциональная биохимия исследует роль отдельных соединений в ходе различных физиологических процессов. Сравнительно-эволюционная биохимия анализирует состав и обмен веществ у организмов, относящихся к различным таксономическим группам, и широко используется для анализа процессов эволюции и биохимической классификации. Исследования в области биохимии крайне обширны и разнообразны. Далеко неполный перечень проблем биохимии касается следующих вопросов:

Изучение процессов превращения химических соединений в клетке (анализ процессов метаболизма).
Исследование процессов получения энергии.
Анализ механизмов передачи генетической информации.
Изучение механизма действия и путей регуляции активности различных биологических катализаторов (ферментов).
Исследование межклеточных взаимодействий и изучение процессов, лежащих в основе действия гормонов, а также процессов, обеспечивающих возникновения иммунитета.
Изучение молекулярных основ биологической подвижности.
Исследование процессов биохимической эволюции.
Анализ молекулярных механизмов действия различных фармакологических соединений и целенаправленный синтез соединений, которые могут быть использованы для диагностики и лечения различных заболеваний.

↑Смежные дисциплины

Биохимия возникла на стыке химии и биологии, поэтому развитие биохимии тесно связано как с развитием различных биологических дисциплин (таких как клеточная теория, генетика, эволюционная теория, физиология), так и с развитием физической, органической и коллоидной химии. Многие методы биохимии основаны на использовании различных физических подходов (таких как различные виды спектроскопии, калориметрии, ультрацентрифугирование, рентгеноструктурного анализа, методы ядерного магнитного резонанаса (ЯМР) и др.). На ранних этапах своего развития биохимия играла важную роль в решении различных практических задач в таких областях как хлебопечение, сыроварение, виноделие, выделка кож и других, а в настоящее время биохимия формирует теоретический фундамент многих разделов биотехнологии. Став самостоятельной наукой, биохимия способствовала возникновению и развитию большого количества различных смежных дисциплин, таких как клеточная биология, молекулярная биология, генная инженерия, вирусология, биоорганическая и бионеорганическая химия, биофизика, молекулярная эндокринология, иммунохимия, геномика, протеомика и многих других.

↑История развития

Как для большинства биологических дисциплин, история биохимии, вероятно, начинается с создания клеточной теории М.Я. Шлейдена и Т. Шванна (1838-1839), установившей, что все живые существа возникают из одной клетки и что все ткани состоят из взаимодействующих между собой клеток.

Начало и середина XIX века были ознаменованы фундаментальными исследованиями в области химии, были введены понятия изомерии и полимерии, были начаты исследования в области катализа. Огромная роль в этих исследованиях принадлежала шведскому химику Й.Я. Берцелиусу, который впервые указал, что катализ играет важную роль в «лаборатории живых организмов» и тем самым стал провозвестником нового направления в биохимии, получившего название «энзимология», дисциплины занимающейся исследованием структуры, механизмов действия и путей регуляции биологических катализаторов – ферментов (энзимов). В это же время начинается бурное развитие органической химии, и в 1828 году немецкий химик Ф. Веллер путем упаривания водного раствора цианата аммония получает мочевину. Таким образом, впервые из неорганического соединения удается получить природное органическое вещество.

Параллельно с исследованиями в области органической химии начало-средина XIX века отмечены интенсивными работами в области физиологии и медицины. Исследуя анатомию и физиологию желез желудочно-кишечного тракта, механизмы иннервации кровеносных сосудов и анализируя регуляцию углеводного обмена, знаменитый французский физиолог К. Бернар одним из первых указал на важность поддержания постоянства внутренней среды организма и был одним из создателей учения о гомеостазе. Поддержание гомеостаза возможно только в том случае, если в организме существует сложно устроенная система регуляции многочисленных процессов, происходящих в различных органах и тканях. Исследование процессов регуляции способствовало развитию эндокринологии как одной из ветвей физиологии и подтолкнуло к изучению химических соединений и процессов, обеспечивающих поддержание гомеостаза.

Решение практических проблем, возникших в ходе развития пищевой промышленности, а также поиск новых путей лечения различных инфекционных заболеваний также способствовали зарождению и развитию биохимии как самостоятельной биологической дисциплины. Выдающийся французский естествоиспытатель Л. Пастер по праву может считаться одним из отцов-основателей биохимии как самостоятельной науки. Л. Пастер провел ставшие классическими исследования процессов брожения и гниения, доказал, что эти процессы протекают под действием ферментов микроорганизмов и таким образом заложил научные основы виноделия, пивоварения и хлебопечения. Он выделил возбудителей нескольких инфекционных болезней, создал теорию искусственного иммунитета и внедрил в медицинскую практику систему предохранительных прививок и заложил иммунологии и иммунохимии, ставшими сначала отдельными ветвями биохимии , а затем выделившимися в отдельные биологические дисциплины.

Конец XIX – начало XX века ознаменовались значительными достижениями в области статической биохимии. Немецкий биохимик Э. Фишер осуществил химический синтез нескольких углеводов и создал классификацию этих соединений. Впервые было показано, что в составе белков аминокислоты соединяются между собой посредством пептидной связи, образованной карбоксильной группой одной и аминогруппой другой аминокислоты и был синтезирован первый синтетический полипептид. Были сформулированы первые принципы, лежащие в основе ферментативного катализа, и было высказано предположение, что фермент подходит к субстрату как ключ к замку.

Были продолжены исследования процесса брожение, и было установлено, что дрожжевой сок, не содержащий интактных живых клеток, может обеспечивать эффективное брожение. На основе этого было высказано заключение, что процесс брожения обеспечивается за счет функционирования специфических ферментов, которые могут быть выделены в изолированном виде. За это открытие Э. Бухнер был удостоен Нобелевской премии по химии за 1907 год. Все эти исследования привели к тому, что эпизодически употреблявшийся ранее термин «биохимия» был в 1903 году введен в официальную научную лексику немецким химиком К. Нейбергом.

XX век стал временем бурного развития биохимии. В это время были сделаны открытия, которые сыграли выдающуюся роль в понимании различных процессов жизнедеятельности и которые послужили теоретическим фундаментом для решения многочисленных прикладных проблем физиологии, медицины и биотехнологии. Все эти открытия и достижения невозможно перечислить, поэтому упомянем только некоторые из них.

Были проведены подробные исследования и установлена структура многочисленных сложно построенных биологических соединений, таких как хлорофилл, желчные кислоты, каротиноиды, стероидные гормоны и витамины различной природы. Установление структуры этих соединений позволило осуществить их химический синтез и получить аналоги, обладающие более высокой биологической активностью, чем исходные природные соединения.

Достигнуты огромные успехи в исследовании структуры белка. Так Ф. Сенгером был разработан метод определения первичной структуры (последовательности аминокислот) в составе белка, были синтезированы пептидные гормоны (Дю Виньо) и разработан метод твердофазного синтеза полипептидов (Б. Меррифилд). Были исследованы процессы сворачивания полипептидной цепи белков (К.Б. Анфинсен) и получены сведения о природе химических связях в белке и способах упаковки аминокислот в полипептидной цепи (Л.К. Полинг). В кристаллическом виде были получены многие белки и ферменты (Д.Б. Самнер) и были разработаны методы определения пространственной структуры белков (Д.К. Кендрю и М.Ф. Перутц). Проведены подробные исследования процессов сворачивания полипептидной цепи белка с формированием уникальной третичной структуры и выявлены заболевания, связанные с неправильной упаковкой молекулы белка. Установлено, что неправильное сворачивание полипептидной цепи белка может приводить к возникновению эндемичных заболеваний (куру и болезнь Крейцфельда-Якоба) (Д.К. Гайдузек) и показано, что некоторые неправильно свернутые белки, названные прионами, могут быть инициаторами возникновения инфекционных заболеваний (различные виды губчатых энцефалопатий) (С.Б. Прузинер).

Большие успехи были достигнуты в исследовании структуры и механизма функционирования ферментов. В 1931 году Отто Варбург был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине за открытие природы и механизма действия дыхательного фермента. Вместе с коллегами Варбург выделил коферменты оксидоредуктаз (ФАД и НАДФ) и показал, что некоторые витамины являются коферментами. А.Х.Т. Теорелль, ученик Варбурга, был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине (1955 год) за открытия, касающиеся природы и механизма действия окислительных ферментов. В работах Теорелла было убедительно показано, что ферменты – это белки, функционирование некоторых из которых зависит от наличия низкомолекулярных коферментов, которые зачастую являются производными витамином. Г.А. Кребс (также ученик О. Варбурга) провел ставшие классическими исследования метаболизма ди- и трикарбоновых кислот и открыл цикл трикарбоновых кислот, получивший его имя. Помимо этого Г. Кребс подробно исследовал катаболизм аминокислот и установил механизмы синтеза мочевины в тканях животных. Примерно в это же время в исследованиях, проведенных Ф.А. Липманом, был обнаружен кофермент А и установлена его исключительно важная роль в многочисленных реакциях промежуточного обмена. Выдающиеся заслуги Г. Кребса и Ф. Липмана были отмечены Нобелевской премией по физиологии и медицине в 1953 году. Говоря о достижениях в области энзимологии, необходимо отметить исследования, проведенные отечественными биохимиками. В.А. Энгельгардт открыл дыхательное фосфорилирование на уровне клетки и установил, что основной сократительный белок, миозин, обладает АТФазной активностью. А.Е. Браунштейном были проведены ставшие классическими исследования трансаминаз, был подробно описан процесс переаминирования, играющий исключительно важную роль в процессах обмена аминокислот, а также описаны механизмы пиридоксалевого катализа. В научных коллективах, руководимых С.Е. Севериным, были исследованы многочисленные и разнообразные ферменты, принимающие участие в синтезе и распаде АТФ.

XX век был отмечен большими достижениями в области изучения молекулярных основ действия гормонов. В середине XX века К.Ф.Кори и Г.Т. Кори были удостоены Нобелевской премии за открытие каталитического превращения гликогена. В работах Э.У. Сазерленда (Нобелевская премия по физиологии и медицине, 1971 год) было установлено, что многие гормоны участвуют в регуляции углеводного метаболизма и при этом взаимодействие гормона с рецептором сопровождается синтезом внутри клетки специальных вторичных посредников, как правило, низкомолекулярных соединений, способных регулировать многочисленные процессы, протекающие в клетке. Это заключение, которое вначале вызвало серьезные сомнения, было блистательно проверено и доказано в исследованиях, проведенных Э.Х. Фишером и Э.Г. Кребсом. Было установлено, что связывание некоторых гормонов с рецепторами приводит к активации синтеза циклической АМФ. Циклическая АМФ активирует специфическую протеинкиназу, которая катализирует фосфорилирование многочисленных белков-субстратов. Фосфорилирование может приводить к изменению активности ферментов, их траслокации внутри клетки, а также влиять на взаимодействие различных белков-мишеней друг с другом. За открытия, касающиеся обратимого фосфорилирования белков как биологического регуляторного механизма, Э.Х.Фишер и Э.Г. Кребс были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине в1992 году. Оказалось, что механизм передачи гормонального сигнала достаточно сложен и есть специальная группа белков (так называемые G-белки, получившие свое название, потому что они связывают и гидролизуют ГТФ), которые выступают в качестве адаптеров, передающих сигнал от рецепторов к белкам эффекторам (таким как аденилатциклаза или фосфолипаза С). Вездесущие G-белки участвуют как в передаче сигнала от рецепторов многих гормонов внутрь клетки, так и в многочисленных процессах, лежащих в основе фоторецепции или рецепции вкуса. За открытие G-белков и роли этих белков в передаче сигналов в клетке А.Г. Гилман и М. Родбелл в 1994 году были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине.

Исключительно важными для практической медицины стали исследования в области молекулярной эндокринологии. Исследование механизмов синтеза эйкозаноидов позволило объяснить молекулярные механизмы различных воспалительных реакций и приступить к разработке новых фармакологических соединений, блокирующих синтез простагландинов и тромбоксанов и препятствующих развитию воспалительных процессов (С.К. Бергстрем, Б.И. Самуэльсон и Д.Р. Вейн, Нобелевская премия за 1982 год). Долгое время молекулярные основы развития атеросклероза (являющегося одной из причин высокой смертности при различных сердечно-сосудистых заболеваниях) оставались неизвестными. Исследования М.С. Брауна и Д.Л. Голдстайна (Нобелевская премия по физиологии и медицине за 1985 год) позволили установить пути транспорта холестерина в организме и роль липопротеинов в этом процессе. Было обнаружено, что на поверхности клеток есть специальные рецепторы, обеспечивающие связывание липопротеинов низкой плотности и попадание холестерина внутрь клетки. Дефекты в структуре рецепторов или нарушения в обмене липопротеинов приводят к повышению уровня липопротеинов низкой плотности в крови и увеличивают вероятность образования атеросклеротических бляшек на поверхности сосудов.

Вероятно, отдельного внимания заслуживают работы, направленные на изучение процессов получения энергии в живой клетке. Процессы биологического окисления, ведущего к получению энергии, велись во многих лабораториях, в том числе и в СССР в научных коллективах, возглавляемых А.Н. Бахом и В.И. Палладиным. В исследованиях, начатых О. Варбургом, и продолженных Ф.Х.Т. Теореллем, изучались флавин-содержащие дыхательные ферменты. Детали процесса получения энергии в митохондриях долгое время оставались малопонятными. Исследования П. Митчелла (Нобелевская премия по химии за 1978 год) позволили сформулировать так называемую хемиосмотическую теорию, согласно которой транспорт электронов по дыхательной цепи сопровождается векторным переносом протонов, вследствие чего на внутренней мембране митохондрий формируется электрический потенциал и создается разность концентраций протонов внутри и снаружи митохондрий. С помощью специального сложно устроенного белкового комплекса протоны могут возвращаться обратно внутрь митохондрий, при этом движение протонов по градиенту концентраций сопровождается синтезом АТФ. Экспериментальная проверка и подтверждение теории Митчелла потребовала значительных усилий и высокого экспериментального мастерства, которые с успехом были продемонстрированы в работах отечественных биоэнергетиков В.П. Скулачева, А.Д. Виноградова и многих других специалистов в области биохимии и биофизики. Детальный анализ молекулярных механизмов синтеза АТФ в митохондриях был невозможен без разработки новых экспериментальных подходов для исследования процессов перемещения протонов через мембрану и особых способов анализа структуры многокомпонентных белковых комплексов, встроенных в биологические мембраны. Работы П.Л. Бойера и Д.Э. Уолкера (Нобелевская премия по химии за 1997 год) позволили объяснить ферментативные механизмы, лежащие в основе синтеза АТФ в митохондриях.

Как уже отмечалось, объектом исследования биохимии являются различные биологические макромолекулы, к которым относятся и нуклеиновые кислоты. Большое направление биохимических исследований было связано с изучением структуры, свойств и механизмов функционирования нуклеиновых кислот. В начале все эти исследования проводились биохимиками и генетиками, а позднее сформировалась отдельная отрасль биохимии, получившая обозначение молекулярная биология, которая со временем превратилась в независимую дисциплину. Т.Х. Морган был создателем хромосомной теории наследственности, согласно которой гены располагаются в виде линейной последовательности в структуре хромосом (Нобелевская премия по физиологии и медицине за 1933 год). Исследования Моргана были продолжены Г.Дж. Меллером, проведшим классические работы по радиационному мутагенезу и установившему возможность искусственного мутагенеза под действием рентгеновских лучей. Работы Меллера привели к созданию новой дисциплины, медицинской радиологии, дали в руки генетиков мощный инструмент для исследований структуры и функций генов и были отмечены Нобелевской премией по физиологии и медицине за 1946 год. В нашей стране успешные исследования в области медицинской радиологии были проведены Н.В. Тимофеевым-Ресовским. Исследования в области молекулярной биологии начали бурно развиваться и в экспериментах, выполненных в 30-40х годах, когда было установлено, что в генах содержится информация, необходимая для синтеза белков и ферментов. В работах Дж.У. Бидла и Э.Л. Тейтема было установлено, что существует цепочка событий ген – фермент – реакция – функция. Эти работы стали основополагающими при возникновении нового направления в области биохимии (Нобелевской премия за 1958 год).

В последующие годы исследования в области молекулярной биологии развивались лавинообразно. В серии работ С. Очоа и А. Корнберг (Нобелевской премией по химии за 1997 год) выделили ферменты, которые оказались способными синтезировать длинные олигонуклеотиды со структурой, сходной со структурой РНК и ДНК. Выделение и очистка полимераз сделала возможным синтез фрагментов нуклеиновых кислот in vitro.

Рентгеноструктурные исследования, проводимые в лаборатории М.Х.Ф. Уилкинса, позволили предположить, что молекула ДНК представлена в виде двойной или тройной спирали, причем снаружи располагаются остатки дезоксирибозы, соединенные остатками фосфорной кислоты, а внутри располагаются азотистые основания. Детали строения и упаковки азотистых оснований оставались непонятными. Решение этой проблемы было найдено Дж.Д. Уотсоном и Ф.Х. Криком, которые смогли показать, что пара аденин-тимин и гуанин-цитозин имеют одинаковые размеры и вследствие этого могут встраиваться в двойную спираль ДНК, не разрушая строгую спиральную укладку. В 1953 году была подготовлена публикация в журнале «Nature», в которой была предложена модель двойной спирали ДНК. Эта модель совершила революцию в понимании процессов передачи генетической информации. Сами авторы считали, что они причастны «быть может, к самому славному событию в биологии со времен книги Дарвина». Это открытие было отмечено Нобелевской премией по физиологии и медицине в 1962 году и, вероятно, с этого времени молекулярная биология становится отдельной биологической дисциплиной. Следующим логическим шагом в понимании того, каким образом последовательность нуклеотидов в составе ДНК (или РНК) может кодировать аминокислотную последовательность белка стала расшифровка генетического кода. В классических работах Х.Г. Корана и М.У. Ниренберга было установлено, что каждая аминокислота в составе белка кодируется триплетом (т.е. тремя азотистыми основаниями) в составе ДНК (или РНК). Более того, удалось составить таблицу, которая позволяла бы переводить триплетный код нуклеиновых кислот в уникальную последовательность из двадцати различных канонических аминокислот в составе белка. Одновременно с этим Р.У. Холли исследовал строение транспортной РНК (тРНК) и показал, что тРНК имеет два разных участка – один участок отвечает за связывание определенной аминокислоты, а второй участок содержит триплет (антикодон), позволяющий тРНК находить и связываться только с определенными кодонами в структуре информационной РНК. Таким образом, удалось установить, что синтез белка протекает по следующей схеме: информация, закодированная в ДНК, копируется в информационную РНК, которая отправляется на рибосому. Рибосома может шагами размером в три нуклеотида перемещаться по информационной РНК, при этом на каждом шаге с кодоном информационной РНК связывается тРНК, которая поставляет для синтеза белка совершенно определенную аминокислоту и таким образом обеспечивает пошаговое удлинение синтезируемой белковой цепи на одну аминокислоту. Исследования Р.У. Холли, Х.Г. Корана и М.У. Ниренберг были отмечены Нобелевской премией по физиологии и медицине в 1968 году.

Велики заслуги отечественных ученых в решение многих проблем молекулярной биологии. В лаборатории А.А. Баева была установлена структура валиновой тРНК дрожжей. А.Н. Белозерский, один из основоположников отечественной школы молекулярных биологов, открыл ДНК в тканях растений, провел подробные исследования по химии и биохимии нуклеиновых кислот показал, что анализ состава ДНК может использоваться для систематики живых организмов. А.С. Спирин (ученик А.Н. Белозерского) предсказал существование информационной РНК, выполнил ставшие классическими исследования по механизму действия рибосом и предложил модель функционирования этой органеллы. В.А. Гвоздев провел подробные исследования малых РНК и их роли в регуляции активности генов. В лаборатории А.А. Богданова проанализированы конформационные превращения РНК в рибосомах и предложен новый метод структурного анализа РНК. Е.Д. Свердловым были заложены основы создания отечественной структурной и молекулярной генетики. Л.Л. Киселевым были выполнены основополагающие исследования генома человека и подробно исследованы процессы транскрипции.

Биохимия является частью физико-химической биологии, комплекса тесно связанных между собой наук, таких как биофизика, биоорганическая химия, молекулярная и клеточная биология, биоинженерия, биоинформатика, геномика, протеомика и многих других, которые изучают физические и химические основы жизнедеятельности различных организмов. Биохимические исследования охватывают очень широкий круг проблем, решение которых находится на стыке нескольких наук и которые в настоящее время играют важнейшую роль в понимании молекулярных основ передачи генетической информации и получения энергии, разработке новых методов диагностики и лечения различных заболеваний, создании новых фармакологических препаратов, в успешном развитии биотехнологии и многих других проблем современной биологии.

Исследования в области биохимии проводятся во многих институтах и лабораториях Российской академии наук, таких как Институт биохимии, Институт биоорганической химии, Институт эволюционной физиологии и биохимии, Институт физиологии растений, Институт молекулярной биологии, Институт биохимии и физиологии микроорганизмов. Помимо этого биохимические исследования проводятся в институтах Российской академии медицинских наук (Институт биомедицинской химии РАМН), а также на многочисленных кафедрах биохимии вузов (например, на кафедре биоорганической химии, кафедре молекулярной биологии и кафедре биохимии биологического факультета МГУ.).