A biokémia ( biológiai vagy fiziológiai kémia ) az élő sejtek és szervezetek kémiai összetételének, valamint élettevékenységük alapjául szolgáló kémiai folyamatoknak a tudománya . A "biokémia" kifejezést a 19. század közepe óta szórványosan használták , klasszikus értelemben Karl Neuberg német kémikus javasolta és vezette be 1903 -ban a tudományos közösségbe [1] .
A biokémia egy viszonylag fiatal tudomány, amely a biológia és a kémia metszéspontjában található [2] .
A biokémia önálló tudományként mintegy 100 éve alakult ki, de az emberek már az ókorban is alkalmaztak biokémiai folyamatokat, természetesen nem ismerték azok valódi lényegét. A legtávolabbi időkben már ismert volt az olyan biokémiai folyamatokon alapuló gyártás technológiája, mint a kenyérsütés , sajtkészítés , borkészítés , bőröndözés . A betegségek elleni küzdelem szükségessége arra késztetett bennünket, hogy elgondolkodjunk a szervezetben lévő anyagok átalakulásán, hogy magyarázatot keressünk a gyógynövények gyógyító tulajdonságaira . A növények élelmiszerként , színezékként és szövetként való felhasználása kísérletekhez vezetett a növényi anyagok tulajdonságainak megértésére is . Az ókori gondolkodók a levegő és az élelmiszer szerepéről beszéltek az élőlények életfenntartásában, arról, hogy mi okozza az erjedési folyamatot [3] .
A 10. századi perzsa tudós és orvos , Avicenna "Az orvostudomány kánonja " című könyvében számos gyógyászati anyagot [4] részletesen leírt .
A 17. században van Helmont megalkotta az enzim kifejezést az emésztés folyamatában részt vevő kémiai reagens megjelölésére [5] .
A 18. századot M. V. Lomonoszov és A. L. Lavoisier művei fémjelezték . Az általuk felfedezett anyagok tömegmaradásának törvénye és a század végére felhalmozott kísérleti adatok alapján kifejtették a légzés lényegét és az oxigén kivételes szerepét ebben a folyamatban [6] .
Az élet kémiájának tanulmányozása már 1827-ben a biológiai molekulák eddig elfogadott fehérjékre , zsírokra és szénhidrátokra való felosztásához vezetett . Ennek az osztályozásnak a szerzője William Prout angol kémikus és orvos volt [7] . 1828- ban F. Wöhler német kémikus karbamidot állított elő : először ciánsavból és ammóniából (a kapott ammónium-cianát oldatának elpárologtatásával ), majd ugyanebben az évben szén-dioxidból és ammóniából . Így először igazolódott be, hogy egy élő szervezet vegyi anyagai mesterségesen, a szervezeten kívül is szintetizálhatók. Wöhler munkája mérte az első csapást a vitalista irányzat képviselőinek elméleteire, akik minden szerves vegyületben egy bizonyos "életerő" jelenlétét feltételezték [6] . A kémia ezen irányába utóbb hatalmas lendületet a lipidek ( 1854 - ben M. Berthelot , Franciaország ) és a szénhidrátok formaldehidből ( 1861 - A. M. Butlerov , Oroszország ) történő laboratóriumi szintézise jelentette. Butlerov kidolgozta a szerves vegyületek szerkezetének elméletét is [8] .
A biológiai kémia fejlődésének új lendületet adott a Louis Pasteur által kezdeményezett fermentáció tanulmányozása . Eduard Buchner 1897-ben bebizonyította, hogy sejtmentes élesztőkivonat jelenlétében cukorerjedés is létrejöhet, és ez a folyamat nem annyira biológiai, mint inkább kémiai [9] . A 19. és 20. század fordulóján E. Fischer német biokémikus dolgozott . Megfogalmazta a fehérjék szerkezetére vonatkozó peptidelmélet főbb rendelkezéseit , megállapította szinte az összes aminosav szerkezetét és tulajdonságait, amelyek felépítők . James Sumnernek azonban csak 1926-ban sikerült megszereznie az első tiszta enzimet, az ureázt , és bebizonyítani, hogy az enzim fehérje [10] .
A biokémia lett az első fejlett matematikai apparátussal rendelkező biológiai tudományág Haldane , Michaelis , Menten és más biokémikusok munkájának köszönhetően, akik megalkották az enzimatikus kinetikát , amelynek alaptörvénye a Michaelis-Menten egyenlet [11] .
1928-ban Frederick Griffith volt az első, aki kimutatta, hogy a hővel elölt, betegséget okozó baktériumok kivonata át tudja vinni a patogenitást jóindulatú baktériumokra . A bakteriális transzformáció vizsgálata tovább vezetett a kórokozó tisztításához, amely a várakozásokkal ellentétben nem fehérje, hanem nukleinsav . Maga a nukleinsav nem veszélyes, csak olyan géneket hordoz , amelyek meghatározzák a mikroorganizmus patogenitását és egyéb tulajdonságait . 1953- ban J. Watson amerikai biológus és F. Crick angol fizikus M. Wilkins és R. Franklin munkái alapján leírta a DNS szerkezetét - az örökletes információ átvitelének elveinek megértésének kulcsát . Ez a felfedezés a tudomány új irányának – a molekuláris biológiának – megszületését jelentette [12] .
1958-ban George Beadle és Edward Tatham Nobel-díjat kapott a gombákkal kapcsolatos munkájukért, ami az egy gén-egy enzim hipotézist eredményezte [13] . 1988-ban Colin Pitchfork volt az első ember, akit a bizonyítékok DNS-ujjlenyomata alapján gyilkosságért elítéltek, és az első bűnöző, akit tömeges ujjlenyomatvétel eredményeként kaptak el [14] . A biokémia fejlődésének legújabb mérföldkövei közül meg kell jegyezni, hogy Andrew Fire és Craig Mello élettani és orvosi Nobel-díjat kapott "az RNS interferencia felfedezéséért – bizonyos gének aktivitását kioltó hatásért " [15] [ 16] .
A 19. század végi életkémia tudományaként [2] keletkezett biokémia, amelyet a szerves kémia rohamos fejlődése előzött meg , a biokémia abban különbözik a szerves kémiától, hogy csak azokat az anyagokat és kémiai reakciókat vizsgálja, amelyek élő szervezetek, elsősorban élő sejtben. E meghatározás szerint a biokémia a sejtbiológia számos területére is kiterjed, és magában foglalja a molekuláris biológiát is [17] . Az utóbbi külön tudományágként való kiemelése után elsősorban módszertani és kutatási tárgyként alakult ki a biokémia és a molekuláris biológia elhatárolása. A molekuláris biológusok elsősorban a nukleinsavakkal dolgoznak, azok szerkezetét és működését tanulmányozzák, míg a biokémikusok a fehérjékre , különösen a biokémiai reakciókat katalizáló enzimekre összpontosítottak . Az utóbbi években a "biokémia" és a "molekuláris biológia" kifejezéseket gyakran felcserélhetően használták [9] .
A biokémiai módszertan frakcionáláson, elemzésen, az élőanyag egyes összetevőinek szerkezetének és tulajdonságainak vizsgálatán alapul. A biokémia módszerei túlnyomórészt a XX. században alakultak ki; a legelterjedtebb a kromatográfia , amelyet M. S. Tsvet talált fel 1903-ban [ 49] , a centrifugálás ( T. Svedberg , 1923, kémiai Nobel-díj 1926) és az elektroforézis ( A. Tiselius , 1937, kémiai Nobel-díj 19048) [5] ] .
A 20. század végétől a biokémiában egyre gyakrabban alkalmazzák a molekuláris és sejtbiológia módszereit, különösen a gének mesterséges expresszióját és kiütését modellsejtekben és teljes organizmusokban (lásd: génsebészet , biotechnológia ). Az emberi genomi DNS szerkezetének meghatározása megközelítőleg annyi eddig ismeretlen gént és azok nem vizsgált termékét tárta fel, amennyi a 21. század elejére már ismert volt a tudományos közösség fél évszázados erőfeszítéseinek köszönhetően. Kiderült, hogy a hagyományos kémiai elemzés és az enzimek biomasszából történő tisztítása csak azokat a fehérjéket teszi lehetővé, amelyek az élő anyagokban viszonylag nagy mennyiségben jelen vannak. Nem véletlen, hogy az enzimek zömét biokémikusok fedezték fel a 20. század közepén, és a század végére elterjedt az a hiedelem, hogy már minden enzimet felfedeztek. A genomika adatai cáfolták ezeket az elképzeléseket, de a biokémia továbbfejlesztése módszertani változtatást igényelt. A korábban ismeretlen gének mesterséges kifejezése új, hagyományos módszerekkel gyakran elérhetetlen kutatási anyagot biztosított a biokémikusok számára. Ennek eredményeként a biokémiai kutatások tervezésének új megközelítése jelent meg, amelyet fordított genetikának vagy funkcionális genomikának neveznek [52] . Az elmúlt évtizedekben nagy fejlődés ment végbe a számítógépes szimuláció területén . Ez a technika lehetővé teszi a biomolekulák tulajdonságainak tanulmányozását ott, ahol lehetetlen (vagy nagyon nehéz) közvetlen kísérletet végezni. A technika olyan számítógépes programokon alapul, amelyek lehetővé teszik a biomolekulák szerkezetének vizualizálását, várható tulajdonságaik beállítását, valamint az ebből eredő kölcsönhatások megfigyelését a molekulák között, mint például enzim - szubsztrát , enzim- koenzim , enzim- inhibitor [51] .
A természetben természetesen megtalálható 90 kémiai elem alig több mint egynegyede szükséges az élet fenntartásához. A ritka elemek többsége nem nélkülözhetetlen az élet fenntartásához (kivétel a szelén és a jód ). A legtöbb élő szervezet nem használ két közös elemet, az alumíniumot és a titánt . Az élő szervezetekhez szükséges elemek listája a magasabb taxonok szintjén különbözik. Minden állatnak szüksége van nátriumra , és néhány növény megteszi nélküle. A növényeknek bórra és szilíciumra van szükségük , de az állatoknak nincs szükségük (vagy ultramikroszkópos mennyiségben). Csak hat elem (az úgynevezett makrotápanyagok vagy organogén elemek ) teszi ki az emberi test tömegének 99%-át. Ezek a szén , a hidrogén , a nitrogén , az oxigén , a kalcium és a foszfor . Ezen a hat alapelemen kívül az embernek kis vagy mikroszkopikus mennyiségben további 19 elemre van szüksége: nátrium , klór , kálium , magnézium , kén , vas , fluor , cink , szilícium , réz , jód , bór , szelén , nikkel , króm , mangán , molibdén , kobalt [53] és amint azt 2014-ben kimutatták, bróm [54] .
A biokémia által vizsgált négy fő molekulatípus a szénhidrátok , lipidek , fehérjék és nukleinsavak , valamint ezek hibridjei , proteoglikánok , glikoproteinek , lipoproteinek stb. Sok biomolekula polimer ( makromolekula ), amelyek építőkövei inkább egyszerű biomolekulák. . Például a poliszacharidok egyszerű cukrokból, míg a fehérjék aminosavakból állnak . A biológiai polimerek gyakran alkotnak komplexeket, amelyek szerkezetét biológiai funkciójuk határozza meg [55] . Az élő rendszerek kémiai összetettségének hierarchiájában a makromolekulák magasabban helyezkednek el, mint a kémiai elemek, funkcionális csoportok és egyszerű biomolekulák, és ennek a hierarchiának a következő lépései az anyagcsere-pályák , a sejtek , a többsejtű szervezetek és az ökoszisztémák [56] .
A szénhidrátok monoszacharidoknak nevezett monomerekből állnak , mint például a glükóz (C 6 H 12 O 6 ), a fruktóz ( C 6 H 12 O 6 ) [57] és a dezoxiribóz (C 5 H 10 O 4 ). Egy diszacharid molekula szintézise során két monoszacharid molekulából vízmolekula jön létre. A poliszacharidok energia felhalmozására szolgálnak ( növényekben keményítő , állatokban glikogén ) és szerkezetformáló molekulákként (például a növényi sejtfalak fő összetevője a cellulóz poliszacharid , a kitin pedig alacsonyabb rendű növények, gombák és gerinctelenek (főleg ) szerkezeti poliszacharidja. ízeltlábúak szaruhártya - rovarok és rákfélék) [58] .
A lipidek (zsírok) általában egy glicerinmolekulából állnak , amelyhez észterkötéssel egy ( monogliceridek ) és három ( trigliceridek ) zsírsav kötődik. A zsírsavakat a szénhidrogénlánc hossza és a telítettség mértéke (a láncban a kettős kötések jelenléte és száma) szerint csoportokba osztják. A lipidek a fő energiafogyasztó molekulák az állatokban. Ezenkívül különféle funkciójuk van a sejtjelátvitelhez és a lipofil molekulák szállításához [59] .
A fehérjék általában nagy molekulák - makrobiopolimerek. Monomerjeik aminosavak. A legtöbb élőlény 20 különböző típusú aminosavból szintetizálja a fehérjéket. Az aminosavak az úgynevezett R-csoporttal különböznek egymástól, amelynek szerkezete nagy jelentőséggel bír a fehérje háromdimenziós szerkezetté alakításában. Az aminosavak peptidkötéseket képeznek egymással, miközben láncot építenek - egy polipeptidet. A fehérjék aminosav-szekvenciájának összehasonlítása lehetővé teszi a biokémikusok számára, hogy meghatározzák két (vagy több) fehérje homológia fokát [60] .
A fehérjék funkciói az élő szervezetek sejtjeiben szerteágazóbbak, mint más biopolimerek – poliszacharidok és nukleinsavak – funkciói . Így az enzimfehérjék katalizálják a biokémiai reakciók lefolyását, és fontos szerepet játszanak az anyagcserében. Egyes fehérjéknek szerkezeti vagy mechanikai funkciójuk van, citoszkeletont képeznek, amely megőrzi a sejtek alakját. A fehérjék kulcsszerepet játszanak a sejtjelátviteli rendszerekben , az immunválaszban és a sejtciklusban is . Számos fehérje, mind az enzimek, mind a szerkezeti fehérjék komplexeket képeznek nem fehérje biomolekulákkal. Az oligoszacharidokkal rendelkező komplexeket (a komplexben lévő fehérje és poliszacharid relatív arányától függően) glikoproteineknek vagy proteoglikánoknak nevezzük. A lipidekkel képzett komplexeket lipoproteineknek nevezzük [61] .
A nukleinsav makromolekulák komplexe, amely polinukleotid láncokból áll. A nukleinsavak fő funkciója a genetikai információ tárolása és kódolása. A nukleinsavat makroerg mononukleozid-trifoszfátokból (ATP, GTP, TTP, CTP, UTP) szintetizálják, amelyek közül az egyik az adenozin-trifoszfát (ATP), és egyben minden élő szervezet fő energiaigényes molekulája. A leggyakoribb nukleinsavak a dezoxiribonukleinsav (DNS) és a ribonukleinsav (RNS). A nukleinsavak minden élő sejtben megtalálhatók az archaeáktól az eukariótákig , valamint a vírusokban [62] .
A "nukleinsavak" elnevezést a biopolimerek e csoportja a sejtmagban található elsődleges elhelyezkedésük miatt kapta. Ezeknek a molekuláknak a monomereit nukleotidoknak nevezzük . A nukleotidok három komponensből állnak: egy nitrogénbázisból ( purin vagy pirimidin ), egy pentóz típusú monoszacharidból és egy foszfátcsoportból . A DNS és az RNS különbözik a pentóz típusában (a DNS-ben 2 - dezoxiribóz , az RNS-ben pedig ribóz ), valamint a nitrogénbázisok lehetséges összetételében (míg az adenin , guanin és citozin egyaránt jelen van a DNS-ben és az RNS-ben, a timin kizárólag a DNS-ben, az uracil pedig kizárólag az RNS-ben van jelen) [63] .
Szótárak és enciklopédiák |
| |||
---|---|---|---|---|
|
A biokémiai molekulák fő csoportjai | |
---|---|