Биохимия

Материал из Новая медицинская энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Биохимия — это наука о биологически значимых химических элементах организма и биомолекулах, а также о химических процессах (реакциях) с их участием, о путях и способах регуляции метаболизма, об энергетическом обеспечении этих процессов. Разделы биохимии направлены на объяснение биологических процессов на молекулярном и клеточном уровнях. Как следует из названия, биохимия находится на стыке биологии и химии. Синонимами являются термины: «Физиологическая химия» (иногда как часть медицинской физиологии), «биологическая химия». Биохимия относится к практическим экспериментальным наукам, в значительной степени опирается на количественный анализ и часто включают в себя эксперименты, основанные на гипотезах, предназначенных для ответа на конкретные биологические вопросы, например, определение того, как группа белков катализирует синтез сложной биомолекулы или почему биологические мембраны имеют разные физические свойства в зависимости от их химического состава.

Биохимия является средством выражения понятий и явлений не только в области фундаментальной биологической науки, но и в области клинической медицины. Биохимия, изучающая химические основы жизнедеятельности организмов в норме и при патологии, призвана установить связь между молекулярной структурой и биологической функцией химических компонентов живой материи.

Исторические данные

Основная статья: История развития биохимии

Рождение биохимии традиционно связывают с концом XIX века, когда химики обнаружили, что клеточные экстракты пивных дрожжей содержат все необходимое для спиртового брожения. Это означало, что процессы, связанные с живыми организмами, могут быть поняты с точки зрения фундаментальной химии. В течение большей части XX века ученые сделали многочисленные открытия в области клеточной биохимии, которые привели к пониманию химической основы жизни. Эти достижения включали описание химической структуры и функции основных классов биомолекул: нуклеиновых кислот, белков, углеводов и липидов. Более того, изучены тысячи метаболических реакций, которые характеризовали молекулярный синтез и деградацию в клетках микроорганизмов, растений и животных. Знания, полученные в результате этих биохимических исследований, были использованы для разработки фармацевтических препаратов, медицинских диагностических тестов, новых промышленных процессов. Развитие биохимии получило большое ускорение в 1970-х годах, когда были разработаны технологии рекомбинантной ДНК.

Современная биохимия охватывает как органическую, так и неорганическую химию, а также области микробиологии, генетики, молекулярной биологии, клеточной биологии, физиологии и вычислительной биологии.

Прикладная роль биохимии

Биохимия, наравне с генетикой и клеточной биологией, является центральной дисциплиной в науках о жизни. Биохимия обеспечивает основные химические принципы, определяющие открытия в медицине, сельском хозяйстве и фармацевтике. Понимание химических реакций в живых клетках на молекулярном уровне, знание того, как клетки сообщаются друг с другом в многоклеточном организме, привело к резкому увеличению ожидаемой продолжительности жизни человека за счет улучшения здравоохранения, производства продуктов питания и науки об окружающей среде. Биохимия является мощной прикладной наукой, которая использует передовые экспериментальные методы для разработки "in vitro" клеточных процессов и ферментативных реакций, например, разработку новых фармацевтических препаратов на основе знаний о биохимических процессах при патологических состояниях, внедрение диагностических тестов, которые обнаруживают эти нарушения. Еще одним примером прикладного характера биохимии являются улучшенные детергенты на основе ферментативных реакций и более быстрое созревание фруктов и овощей с использованием этиленового газа.

Более того, наука об экологии также выиграла от достижений в области биохимии за счет разработки количественных полевых испытаний, которые дают информацию об изменениях в хрупких экосистемах из-за промышленного или биологического загрязнения.

Иерархия сложности химической организации живых систем

Говоря о принципах биохимии, выделяют несколько уровней биохимической иерархии (организационной сложности). Биохимия изучает явления на всех этих уровнях.

Биохимия - иерархическая организация живых систем
Иерархическая организация и химическая сложность биологических систем. Семь иерархических уровней, с примерами сложности структур на этих уровнях.[1]

Химические элементы и функциональные группы

Основная статья Химические элементы и функциональные группы в человеческом организме

В основе, в самом низу этой иерархии — химические элементы и функциональные группы. Подавляющее большинство элементов в живых организмах - это водород и кислород (из которых состоит вода). Живые организмы характеризует обильное содержание углерода, основу органических молекул. Водород, кислород, углерод, азот, фосфор и сера, образуя между собой связи, объединяются в функциональные группы, придающие биомолекулам определенные свойства. Наиболее часто в биомолекулах присутствуют амино-, гидроксильные, сульфгидрильные, фосфорильные, карбокси- и метильные группы.

Биомолекулы

Основная статья Биомолекулы

На следующей ступени — химические группы организованы в биомолекулы — мономеры, такие, как аминокислоты, нуклеотиды, простые сахара и жирные кислоты. Биомолекулы — мономеры служат в основном строительными «блоками» для макромолекул — полимеров. Кроме этого, они могут служить сигнальными молекулами для клеток или нейромедиаторами, играть роль в накоплении и преобразовании энергии, катализировать биохимические реакции или иметь структурную функцию.

Макромолекулы

К структурам еще более высокого порядка относят макромолекулы (биомолекулы — полимеры), такие как белки (полимеры аминокислот), нуклеиновые кислоты (полимеры нуклеотидов) или полисахариды, такие как целлюлоза, амилоза и гликоген (полимеры сахаров). Последовательность строительных «блоков» (например, аминокислот) дает важную информацию для определения общей структуры молекулы и ее свойств.

Метаболические пути

Основная статья Метаболические пути

Организация макромолекул и ферментов в метаболические пути является следующим иерархическим уровнем. Эти пути позволяют клеткам координировать и контролировать сложные биохимические процессы внутри них в ответ на энергетические потребности или наличие энергии. Примеры метаболических путей включают: метаболизм глюкозы (гликолиз и глюконеогенез), конверсию энергии (цитратный цикл или ЦТК) и метаболизм жирных кислот (окисление жирных кислот и их биосинтез).

Клетки

Основная статья Клетка

На следующем уровне - клетки с их специализацией, которая позволяет многоклеточным организмам существовать в своей среде. Благодаря механизмам передачи сигналов между клетками происходит обмен информацией.

Организмы

Основная статья Передача сигнала между клетками

Организмы представляют собой следующий уровень, так как они состоят из большого числа специализированных клеток, что позволяет многоклеточным организмам реагировать на изменения окружающей среды. Многоклеточные организмы способны адаптироваться к изменениям посредством механизмов трансдукции сигнала, которые облегчают связь клеток между собой. Эти механизмы существуют благодаря специальным мембранным рецепторам, а также системе кровообращения у животных и её аналогам у растений и других организмов.

Экосистемы

Наконец, совместное проживание разных организмов в одной экологической нише создает сбалансированную экосистему, характеризующуюся совместным использованием ресурсов и утилизацией отходов.

Верхняя ступень иерархической лестницы жизни описывает сложные взаимодействия между организмами, которые происходят в экосистемах. Организмы взаимодействуют со своей средой и друг с другом, могут оказывать полезное или вредное воздействие на жизнь на уровне местных или глобальных экосистем.

Например, водные среды чрезвычайно чувствительны к изменениям динамики экосистем, о чем свидетельствуют эффекты цветения водорослей на популяцию рыб. Если быстрое увеличение роста водорослей происходит в ограниченном районе, таком как залив или озеро, это может привести к биохимическому дисбалансу в экосистеме в результате повышенного разложения органических веществ водорослей, а в некоторых случаях к острому истощению запасов кислорода и массовой гибели рыб. Вредные цветения водорослей происходят, когда уровни питательных веществ повышаются в водной экосистеме, а также когда температура воды и солнечный свет являются оптимальными для роста. Внезапные изменения, которые стимулируют цветение водорослей, могут возникать естественным образом в результате сезонных изменений условий окружающей среды или могут возникать в результате промышленных выбросов, которые непосредственно повышают уровень азота или фосфата в воде. Понимание факторов окружающей среды, которые способствуют цветению водорослей и поиска безопасных способов контроля их в чувствительных водных средах, требует понимания ключевых биохимических процессов на нескольких уровнях экосистемы.

Примечания

  1. Roger L. Miesfeld, Megan M. McEvoy. Biochemistry. W W NORTON & Company Incorporated, 2017 - 1344P

См. также