Biokemi ( biologisk eller fysiologisk kemi ) er videnskaben om den kemiske sammensætning af levende celler og organismer , såvel som de kemiske processer, der ligger til grund for deres vitale aktivitet . Udtrykket "biokemi" er blevet brugt sporadisk siden midten af det 19. århundrede , i klassisk forstand blev det foreslået og introduceret i det videnskabelige samfund i 1903 af den tyske kemiker Karl Neuberg [1] .
Biokemi er en relativt ung videnskab, som befinder sig i skæringspunktet mellem biologi og kemi [2] .
Som en uafhængig videnskab blev biokemi dannet for omkring 100 år siden, men folk brugte biokemiske processer i oldtiden, selvfølgelig uvidende om deres sande essens. I de fjerneste tider var teknologien til sådanne produktioner baseret på biokemiske processer som brødbagning , ostefremstilling , vinfremstilling , læderdressing allerede kendt . Behovet for at bekæmpe sygdomme tvang os til at tænke på omdannelserne af stoffer i kroppen, til at lede efter forklaringer på lægeplanters helbredende egenskaber . Brugen af planter til mad , farvestoffer og stoffer førte også til forsøg på at forstå plantestoffernes egenskaber . Gamle tænkere talte om den rolle, som luft og mad spiller i livsunderstøttelsen af levende væsener, om hvad der forårsager gæringsprocessen [3] .
Den persiske videnskabsmand og læge fra det 10. århundrede, Avicenna , beskrev i sin bog "The Canon of Medicine " i detaljer mange medicinske stoffer [4] .
I det 17. århundrede opfandt van Helmont udtrykket enzym for at betegne et kemisk reagens involveret i fordøjelsesprocessen [5] .
Det 18. århundrede var præget af værker af M. V. Lomonosov og A. L. Lavoisier . På grundlag af loven om bevarelse af massen af stoffer opdaget af dem og de eksperimentelle data akkumuleret ved slutningen af århundredet, blev essensen af respiration og iltens exceptionelle rolle i denne proces forklaret [6] .
Studiet af livets kemi førte allerede i 1827 til den hidtil accepterede opdeling af biologiske molekyler i proteiner , fedtstoffer og kulhydrater . Forfatteren til denne klassifikation var den engelske kemiker og læge William Prout [7] . I 1828 syntetiserede den tyske kemiker F. Wöhler urinstof : først fra cyansyre og ammoniak (ved at fordampe en opløsning af det resulterende ammoniumcyanat), og senere samme år fra kuldioxid og ammoniak . Således blev det for første gang bevist, at kemikalierne i en levende organisme kan syntetiseres kunstigt uden for kroppen. Wöhlers arbejde gav det første slag mod teorierne fra repræsentanterne for den vitalistiske skole, som antog tilstedeværelsen af en vis "livskraft" i alle organiske forbindelser [6] . Efterfølgende kraftfulde impulser i denne retning af kemi var laboratoriesyntesen af lipider (i 1854 - M. Berthelot , Frankrig ) og kulhydrater fra formaldehyd ( 1861 - A. M. Butlerov , Rusland ). Butlerov udviklede også en teori om strukturen af organiske forbindelser [8] .
Et nyt skub i udviklingen af biologisk kemi blev givet af arbejdet med undersøgelsen af fermentering initieret af Louis Pasteur . I 1897 beviste Eduard Buchner , at sukkergæring kan forekomme i nærværelse af et cellefrit gærekstrakt, og denne proces er ikke så meget biologisk som kemisk [9] . Ved overgangen til det 19. og 20. århundrede arbejdede den tyske biokemiker E. Fischer . Han formulerede de vigtigste bestemmelser i peptidteorien om strukturen af proteiner , etablerede strukturen og egenskaberne af næsten alle de aminosyrer, der udgør dem . Men det var først i 1926, at det lykkedes James Sumner at opnå det første rene enzym, urease , og bevise, at enzymet er et protein [10] .
Biokemi blev den første biologiske disciplin med et udviklet matematisk apparat takket være arbejdet fra Haldane , Michaelis , Menten og andre biokemikere, der skabte enzymatisk kinetik , hvis grundlov er Michaelis-Menten-ligningen [11] .
I 1928 var Frederick Griffith den første til at vise, at et ekstrakt af varme-dræbte sygdomsfremkaldende bakterier kunne overføre egenskaben patogenicitet til godartede bakterier . Studiet af bakteriel transformation førte yderligere til oprensningen af sygdomsmidlet, som mod forventning ikke viste sig at være et protein, men en nukleinsyre . Nukleinsyren i sig selv er ikke farlig, den bærer kun gener , der bestemmer mikroorganismens patogenicitet og andre egenskaber . I 1953 beskrev den amerikanske biolog J. Watson og den engelske fysiker F. Crick, baseret på M. Wilkins og R. Franklins arbejde, strukturen af DNA - nøglen til at forstå principperne for overførsel af arvelig information . Denne opdagelse betød fødslen af en ny videnskabsretning - molekylærbiologi [12] .
I 1958 modtog George Beadle og Edward Tatham Nobelprisen for deres arbejde med svampe, hvilket resulterede i et-gen-et-enzym- hypotesen [13] . I 1988 blev Colin Pitchfork den første person, der blev dømt for mord baseret på DNA-fingeraftryk af bevismateriale og den første forbryder, der blev fanget som følge af massefingeraftryk [14] . Af de seneste milepæle i udviklingen af biokemi skal det bemærkes, at Andrew Fire og Craig Mello modtog Nobelprisen i fysiologi eller medicin for "opdagelsen af RNA- interferens - effekten af at slukke aktiviteten af visse gener " [15] [ 16] .
Oprindelse som videnskaben om livets kemi i slutningen af det 19. århundrede [2] , som blev forudgået af den hurtige udvikling af organisk kemi , adskiller biokemi sig fra organisk kemi ved, at den kun studerer de stoffer og kemiske reaktioner, der finder sted i levende organismer, primært i en levende celle. Ifølge denne definition dækker biokemi også mange områder af cellebiologi og omfatter molekylærbiologi [17] . Efter at sidstnævnte blev udpeget som en separat disciplin, blev afgrænsningen mellem biokemi og molekylærbiologi hovedsageligt dannet som et metodisk og forskningsemne. Molekylærbiologer arbejder primært med nukleinsyrer og studerer deres struktur og funktion, mens biokemikere har fokuseret på proteiner , især enzymer , der katalyserer biokemiske reaktioner. I de senere år er udtrykkene "biokemi" og "molekylærbiologi" ofte brugt i flæng [9] .
Den biokemiske metode er baseret på fraktionering, analyse, undersøgelse af strukturen og egenskaberne af individuelle komponenter af levende stof. Biokemiens metoder blev overvejende dannet i det 20. århundrede; de mest almindelige er kromatografi , opfundet af M. S. Tsvet i 1903 [49] , centrifugering ( T. Svedberg , 1923, Nobelprisen i kemi 1926) og elektroforese ( A. Tiselius , 1937, Nobelprisen i kemi 19 ] [ 514) [514] ] .
Fra slutningen af det 20. århundrede i biokemi bliver metoderne inden for molekylær og cellulær biologi i stigende grad brugt , især kunstig ekspression og knockout af gener i modelceller og hele organismer (se genteknologi , bioteknologi ). Bestemmelse af strukturen af alt humant genomisk DNA har afsløret omtrent lige så mange hidtil ukendte gener og deres ustuderede produkter, som allerede var kendt i begyndelsen af det 21. århundrede takket være et halvt århundredes videnskabelige samfundsindsats. Det viste sig, at traditionel kemisk analyse og oprensning af enzymer fra biomasse gør det muligt kun at opnå de proteiner, der er til stede i levende stof i relativt store mængder. Det er ikke tilfældigt, at hovedparten af enzymer blev opdaget af biokemikere i midten af det 20. århundrede, og i slutningen af århundredet spredte troen sig på, at alle enzymer allerede var blevet opdaget. Data fra genomik modbeviste disse ideer, men den videre udvikling af biokemi krævede en ændring i metodologien. Den kunstige ekspression af hidtil ukendte gener har givet biokemikere nyt materiale til forskning, ofte utilgængeligt med traditionelle metoder. Som følge heraf er der opstået en ny tilgang til planlægning af biokemisk forskning, som kaldes omvendt genetik eller funktionel genomik [52] . I de seneste årtier er der sket en stor udvikling inden for computersimulering . Denne teknik gør det muligt at studere biomolekylers egenskaber, hvor det er umuligt (eller meget svært) at udføre et direkte eksperiment. Teknikken er baseret på computerprogrammer, der gør det muligt at visualisere strukturen af biomolekyler, indstille deres forventede egenskaber og observere de resulterende interaktioner mellem molekyler, såsom enzym - substrat , enzym -coenzym , enzym -hæmmer [51] .
Ud af de 90 kemiske grundstoffer, der findes naturligt i naturen, er der brug for lidt over en fjerdedel for at opretholde liv. De fleste af de sjældne grundstoffer er ikke nødvendige for at opretholde livet (undtagelser er selen og jod ). De fleste levende organismer bruger heller ikke to almindelige grundstoffer, aluminium og titanium . Listerne over elementer, der er nødvendige for levende organismer, er forskellige på niveauet med højere taxa. Alle dyr har brug for natrium , og nogle planter undværer det. Planter har brug for bor og silicium , men dyr har ikke brug for det (eller har brug for det i ultramikroskopiske mængder). Kun seks elementer (de såkaldte makronæringsstoffer eller organogene elementer ) udgør op til 99% af massen af den menneskelige krop. Disse er kulstof , brint , nitrogen , ilt , calcium og fosfor . Ud over disse seks grundstoffer har en person brug for små eller mikroskopiske mængder af yderligere 19 grundstoffer: natrium , klor , kalium , magnesium , svovl , jern , fluor , zink , silicium , kobber , jod , bor , selen , nikkel , krom , mangan , molybdæn , kobolt [53] og, som vist i 2014, brom [54] .
De fire hovedtyper af molekyler, der studeres af biokemi, er kulhydrater , lipider , proteiner og nukleinsyrer , såvel som deres hybrider , proteoglycaner , glycoproteiner , lipoproteiner osv. Mange biomolekyler er polymerer ( makromolekyler ), hvis byggesten er mere simple biomolekyler. . For eksempel består polysaccharider af simple sukkerarter, mens proteiner består af aminosyrer . Biologiske polymerer danner ofte komplekser, hvis struktur er dikteret af deres biologiske funktion [55] . I hierarkiet af kemisk kompleksitet af levende systemer er makromolekyler højere end kemiske elementer, funktionelle grupper og simple biomolekyler, og på de næste trin i dette hierarki er metaboliske veje , celler , flercellede organismer og økosystemer [56] .
Kulhydrater består af monomerer kaldet monosaccharider , såsom glucose (C 6 H 12 O 6 ), fructose (C 6 H 12 O 6 ) [57] og deoxyribose (C 5 H 10 O 4 ). Under syntesen af et disaccharidmolekyle dannes et vandmolekyle af to monosaccharidmolekyler. Polysaccharider tjener til at akkumulere energi ( stivelse i planter, glykogen i dyr) og som strukturdannende molekyler (for eksempel er hovedbestanddelen af plantecellevægge cellulosepolysaccharid , og kitin er et strukturelt polysaccharid af lavere planter, svampe og hvirvelløse dyr (hovedsageligt). hornhinderne hos leddyr - insekter og krebsdyr) [58] .
Lipider (fedtstoffer) er som regel sammensat af et glycerolmolekyle , hvortil fra en ( monoglycerider ) til tre ( triglycerider ) fedtsyrer er bundet med en esterbinding. Fedtsyrer inddeles i grupper efter længden af kulbrintekæden og efter mætningsgraden (tilstedeværelse og antal dobbeltbindinger i kæden). Lipider er de vigtigste energiforbrugende molekyler hos dyr. Derudover har de forskellige funktioner relateret til cellesignalering og transport af lipofile molekyler [59] .
Proteiner er normalt store molekyler - makrobiopolymerer. Deres monomerer er aminosyrer. De fleste organismer syntetiserer proteiner fra 20 forskellige typer aminosyrer. Aminosyrer adskiller sig fra hinanden ved den såkaldte R-gruppe, hvis struktur er af stor betydning ved foldningen af et protein til en tredimensionel struktur. Aminosyrer danner peptidbindinger med hinanden, mens de bygger en kæde - et polypeptid. Sammenligning af aminosyresekvensen i proteiner gør det muligt for biokemikere at bestemme graden af homologi af to (eller flere) proteiner [60] .
Funktionerne af proteiner i cellerne i levende organismer er mere forskellige end funktionerne af andre biopolymerer - polysaccharider og nukleinsyrer . Således katalyserer enzymproteiner forløbet af biokemiske reaktioner og spiller en vigtig rolle i stofskiftet. Nogle proteiner har en strukturel eller mekanisk funktion, der danner et cytoskelet , der bevarer cellernes form. Proteiner spiller også en nøglerolle i cellesignalsystemer , i immunresponset og i cellecyklussen . Mange proteiner, både enzymer og strukturelle proteiner, danner komplekser med ikke-proteinbiomolekyler. Komplekser med oligosaccharider kaldes (afhængigt af den relative andel af protein og polysaccharid i komplekset) glycoproteiner eller proteoglycaner. Komplekser med lipider kaldes lipoproteiner [61] .
Nukleinsyre er et kompleks af makromolekyler bestående af polynukleotidkæder. Nukleinsyrernes hovedfunktion er lagring og kodning af genetisk information. Nukleinsyre syntetiseres fra makroerge mononukleosidtrifosfater (ATP, GTP, TTP, CTP, UTP), hvoraf den ene er adenosintrifosfat (ATP), og er også det vigtigste energiintensive molekyle af alle levende organismer. De mest almindelige nukleinsyrer er deoxyribonukleinsyre (DNA) og ribonukleinsyre (RNA). Nukleinsyrer kan findes i alle levende celler fra archaea til eukaryoter , såvel som i vira [62] .
Navnet "nukleinsyrer" blev givet til denne gruppe af biopolymerer på grund af deres primære placering i cellekernen. Monomererne af disse molekyler kaldes nukleotider . Nukleotider er sammensat af tre komponenter: en nitrogenholdig base ( purin eller pyrimidin ), et pentose - type monosaccharid og en phosphatgruppe . DNA og RNA adskiller sig i typen af pentose (i DNA er det 2 - deoxyribose , og i RNA er det ribose ), samt den mulige sammensætning af nitrogenholdige baser (mens adenin , guanin og cytosin er til stede i både DNA og RNA, thymin er udelukkende til stede i DNA, og uracil - udelukkende i RNA) [63] .
![]() |
| |||
---|---|---|---|---|
|
biokemiske molekyler | Hovedgrupper af|
---|---|