Краткая история развития биохимии

Краткая история развития биохимии

Исторически сложилось два этапа исследований в биохимии: статический и динамический. Статическая, или описательная биохимия изучает состав живой материи, структуру и свойства выделяемых биологических соединений. Динамическая биохимия исследует химические превращения веществ в организме и значение этих превращений для процессов жизнедеятельности. Безусловно, статическая биохимия является более ранним этапом, но впоследствии оба направления развивались параллельно.

Биохимия – сравнительно молодая наука, возникшая на рубеже 19 века. Однако корни ее уходят в глубокую древность. Естественное стремление людей понять причину болезни и найти лекарство против недуга пробудило интерес к процессам, протекающим в живых организмах.

Представляется возможным в истории развития биохимических знаний и биохимии как науки выделить четыре периода.

1 период – с древних времен до эпохи Возрождения (15 век). Этот период практического использования биохимических процессов без знания их теоретических основ и первых, порой очень примитивных биохимических исследований.

В самые отдаленные времена люди уже знали технологию таких производств, основанных на биохимических процессах, как хлебопечение, сыроварение, виноделие, дубление кож. Необходимость лечения болезней заставляла задумываться о превращениях веществ в организме, о причинах целебных свойств лекарственных растений. Использование растений в пищевых целях, для изготовления красок, тканей, дубителей также наталкивало на попытки понять свойства отдельных веществ растительного происхождения.

Берестяные грамоты 11 века, найденные при раскопках Новгорода, свидетельствуют, что в то время на Руси была хорошо развита технология пивоварения, виноделия, хлебопечения. Наши предки уже тогда знали много достаточно сложных рецептов красок и чернил из растений.

Крупнейший ученый и врач средневековья Абу Али-ибн-Сина (Авиценна) (980-1037) приводит в своем труде «Канон врачебной науки» классификацию химических веществ, применяемых в медицине, называет вещества, содержащиеся в «соках организма» и в моче.

Однако развитие биохимии долгое время сдерживалось засильем витализма – идеалистического учения о сущности жизни. По представлениям виталистов, живая природа отличается от неживой присутствием особой нематериальной «жизненной силы», поэтому, считали они, вещества живых организмов не могут быть синтезированы в лабораторных условиях.

2-й период в развитии биохимии, существующей еще как раздел физиологии, характеризуется усилением накопления биохимических знаний. Этот период ведет отсчет от начала эпохи Возрождения и заканчивается во второй половине 19 века, когда биохимия становится самостоятельной наукой.

Эпоха Возрождения характеризуется некоторым ослаблением церковного гнета в науке, освобождением естествознания от пут средневекового религиозного мракобесия. Леонардо да Винчи, интересовавшийся также процессами, в основе которых лежат биохимические реакции, провел интересные опыты и на основании их результатов сделал важный для тех лет вывод, что живой организм способен существовать только в такой атмосфере, в которой может гореть пламя.

Восемнадцатый век, ознаменованный гениальными трудами М.В. Ломоносова, характеризуется мощным и всесторонним развитием наук в России. Открытие М.В. Ломоносовым закона сохранения массы веществ нанесло сокрушительный удар по идеализму в естествознании. Это великое открытие заложило основы материалистического понимания природы и ее явлений, послужило началом новой эры в химии, биологии и других науках – эры точных количественных измерений. На основе закона сохранения массы веществ и накопившихся к концу 18 века экспериментальных исследований французский ученый А. Лавуазье количественно исследовал и объяснил сущность дыхания, указав на роль кислорода в этом процессе. Немецкий химик Ю. Либих в 30-40 годы 19 века успешно развил методы количественного химического анализа и применил их к исследованию биологических систем.

Мощным толчком к развитию органической химии и биохимии явилась созданная великим русским химиком А. М. Бутлеровым теория строения органических соединений (1861). Он в своей теории утверждал, что атомы и молекулы существуют в определенных реальных взаимоотношениях, количественных и пространственных, которые и выражаются формулами. Он указывал также, что химические свойства веществ обусловлены их строением.

А.М. Бутлеров сделал и другой ценный вклад в биохимию: он впервые синтезировал лабораторным путем сахар. Виталисты утверждали, что органические соединения могут образовываться только в живом организме под влиянием непознаваемых жизненных сил. Синтез сахара А.М. Бутлеровым и мочевины немецким химиком Ф. Велером опроверг лженаучные утверждения виталистов.

В 50-х годах 19-го века известный французский физиолог К. Бернар выделил из печени гликоген и показал, что он превращается в глюкозу, поступающую в кровоток. В 1868 г. Ф. Мишер в лаборатории немецкого физиолога и биохимика Ф. Гоппе-Зейлера открыл ДНК. Однако по достоинству это открытие и, главное, само вещество были оценены лишь почти 100 лет спустя.

3-й период в истории биохимии, начинающийся со второй половины 19 века, ознаменован выделением биохимии как самостоятельной науки из физиологии. Это связано с резким увеличением интенсивности и глубины биохимических исследований, объема получаемой информации, возросшим прикладным значением – использованием биохимии в промышленности, медицине, сельском хозяйстве.

К этому времени относятся работы одного из основоположников отечественной биохимии А. Я. Данилевского (1838-1923). Исследуя строение белков, он сформулировал ряд положений, которые в дальнейшем легли в основу полипептидной теории структуры беков. А.Я. Данилевским впервые высказана идея об обратимости действия ферментов и на основании этого осуществлен ферментативный синтез белковоподобных веществ (пластеины). Он разработал оригинальную методику разделения и очистки ферментов путем адсорбции и элюции (десорбции), которую широко используют и в наши дни. А.Я. Данилевский возглавил в Казанском университете первую в России кафедру биохимии и создал первую русскую школу биохимиков.

Большие заслуги в развитии отечественной биохимии принадлежат М.В. Ненцкому (1847-1901). В 1891 г. он создал первую в России биохимическую лабораторию при Институте экспериментальной медицины в Петербурге. Им был выполнен ряд выдающихся исследований: совместно с сотрудниками впервые были установлены основные этапы биосинтеза мочевины, также впервые подробно исследовано строение гемоглобина и сделано сопоставление в эволюционном плане со структурой хлорофилла.

К концу прошлого столетия относится открытие Н.И. Луниным витаминов (1880), Д.И. Ивановским – вирусов (1892).

На рубеже 19 и 20 веков работал крупнейший немецкий химик-органик и биохимик Э. Фишер (1852-1919). Его исследования составили целую эпоху в развитии биохимии. Им были сформулированы основные положения полипептидной теории белков, начало которой дали исследования А.Я. Данилевского. Э. Фишер установил структуру, предложил формулы и исследовал свойства почти всех аминокислот, входящих в состав белков. Им было проведено подробное и обширное изучение строения и ферментативных превращений углеводов, особенно моносахаридов.

К этому же времени относятся исследования великого русского физиолога растений К. А. Тимирязева (1843-1920), в трудах которого затрагиваются многие биохимические вопросы фотосинтеза и минерального питания растений.

В конце прошлого столетия начал свои исследования и другой великий русский ученый – А.Н. Бах, ставший впоследствии основателем советской биохимической школы. С самого начала своей научной деятельности А.Н. Бах направил внимание на одну из узких проблем биохимии – дыхание. Его не удовлетворяла идея о полной аналогии между дыханием и горением, высказанная А. Лавуазье. Созданная А.Н. Бахом на основании глубоких исследований перекисная теория объяснила механизм участия кислорода воздуха в реакциях дыхания. Многое сделано А.Н. Бахом в области энзимологии, им заложены основы учения о физиологической роли ферментов. Его исследования способствовали развитию технической биохимии в нашей стране.

Ряд замечательных русских ученых, начавших научную деятельность до Октябрьской революции, проявили свой талант уже в годы Советской власти:

В.И. Палладин показал, что дыхание представляет собой систему ферментативных процессов, установил роль кислорода воды и реакций дегидрогенизации – отщепления водорода – при дыхании;

С. П. Костычев исследовал химизм спиртового брожения и анаэробной фазы дыхания, нашел общность между ними;

Д. Н. Прянишников заложил основы учения об азотном обмене растений, раскрыл роль аммиака и аспарагина в этом процессе, создал основы советской агрохимии.

Начало 20 века характеризуется рядом фундаментальных исследований в области химии и за рубежом. В 1905 г. А. Гарден и В. Ионг выделили первый кофермент спиртового брожения -–«озимазу», называемый в наше время НАД. В этом же году Ф. Кнооп открыл и исследовал b-окисление жирных кислот. К 20-30-м годам относятся блестящие работы немецкого биохимика О. Варбурга по выделению и изучению дыхательных ферментов (цитохромоксидаза, флавиновые дегидрогеназы и др.), выделению пиридиновых нуклеотидов, изучению их структуры и функции. В 1933 г. Г. Кребс подробно изучил орнитиновый цикл образования мочевины, а 1937 г. датируется открытие им же цикла трикарбоновых кислот.

В 1931 г. В.А. Энгельгардт показал, что фосфорилирование сопряжено в процессе дыхания с окислительными процессами, а в 1942 г. он же совместно с М.Н. Любимовой открыл АТФ-азную активность миозина и других сократительных белков.

В 1938 г. А.Е. Браунштейн и М. Крицман впервые описали реакции трансаминирования.

40-е и особенно 50-е годы характеризуются использованием в биохимических исследованиях физических, физико-химических и математических методов, активным и успешным изучением основных жизненных процессов на молекулярном и надмолекулярном уровнях. 50-е годы, в которые была опубликована статья Д. Уотсона и Ф. Крика о строении двойной спирали ДНК, положившая начало новому научному направлению – молекулярной биологии, считаются одновременно и началом качественно нового – 4-го периода в истории биохимии.

Краткая хронология основных открытий в биохимии этого периода.

1953 – Д. Уотсон и Ф. Крик предложили модель двойной спирали строения ДНК.

1953 – Ф. Сэнгер впервые расшифровал аминокислотную последовательность белка инсулина, состоящего из 51 аминокислотного остатка.

1955-1960 – А.Н. Белозерский и его сотрудники, исследовав нуклеотидный состав ДНК огромного числа представителей животных, растений и бактерий, охарактеризовали таксономическое и эволюционное значение соотношения отдельных азотистых оснований в ДНК.

1959, 1960 – А. С. Спирин и П. Доти установили вторичную и третичную структуру рибосомальной РНК.

1961 – М. Ниренберг расшифровал первую «букву» кода белкового синтеза – триплет ДНК, соответствующий фенилаланину.

1965-1967 – Р. Холли и независимо от него А.А. Баев определили нуклеотидную последовательность транспортных РНК.

1966 – П. Митчелл сформулировал хемиосмотическую теорию сопряжения окисления и фосфорилирования.

1971 – в совместной работе двух лабораторий, руководимых Ю.А. Овчинниковым и А. Е. Браунштейном, установлена первичная структура аспартатаминотрансферазы – белка из 412 аминокислот.

1977 – Ф. Сэнгер и сотрудники впервые полностью расшифровали первичную структуру молекулы ДНК.

В нашей стране в настоящее время продолжают активно развиваться различные направления биохимических исследований. В МГУ многие годы проводятся работы по биохимии дыхания и биоэнергетике. Большие успехи достигнуты коллективом Института биохимии РАН, особенно в области энзимологии, биологической фиксации азота воздуха и азотного обмена растений, технической биохимии, биохимии и биофизики фотосинтеза.

Таким образом, биохимия как самостоятельная наука зародилась в 19 веке. Однако бурное развитие биохимии началось в 20 веке. В настоящее время биохимия представляет собой разветвленную область знания, охватывающую целый ряд разделов, выросших в самостоятельные дисциплины. В зависимости от изучаемого объекта биохимия подразделяется на биохимию растений, биохимию микроорганизмов, биохимию животных и медицинскую биохимию. Исключительно важная роль ферментов – веществ белковой природы, являющихся катализаторами почти всех биохимических процессов, привела к обособлению крупного раздела биохимии – ферментологии, изучающей свойства ферментов, условия их действия и их роль в обмене веществ.

За последние годы бурное развитие биохимии, биофизики, электронной микроскопии и биоорганической химии привело к возникновению особого направления науки – молекулярной биологии, изучающей явления жизни на молекулярном уровне.

3. Основные биополимеры и их мономеры

Статическая биохимия выявила характерную черту живых клеток – их сложность и высокий уровень молекулярной организации, переход от простых компонентов клетки к более сложным. Структурную организацию живой клетки можно представить в виде следующей схемы.

Неорганические вещества

(Н₂О, N₂, CO₂, O₂, P, S)

ß

Мономеры

(нуклеотиды, аминокислоты, моносахариды, жирные кислоты, глицерин)

ß

Макромолекулы

(нуклеиновые кислоты, белки, полисахариды, липиды)

ß

Сложные макромолекулы

(нуклеопротеины, гликопротеины, липопротеины)

ß

Комплексы

(рибосомы, ядрышко, мембраны)

ß

Органеллы

(ядро, митохондрии, лизосомы)

ß

Клетка

4. Общая характеристика метаболических процессов

Метаболизм – совокупность биохимических реакций живого организма, предназначенных для обеспечения его жизнедеятельности.

В метаболизме можно выделить 2 компонента:

· пластический обмен – все реакции, приводящие к синтезу и распаду веществ;

· энергетический обмен – запасание и расход энергии. При этом клетки используют только энергию химических связей.

Метаболизм также делится на:

· катаболизм – расщепление крупных молекул с выделением энергии, заключенной в их структуре и запасание ее в форме АТФ;

· анаболизм – синтез крупных молекул из мелких, идущий с затратой энергии.

Пластический и энергетический обмены отдельно не существуют. Оба амфиболических пути клетки – часть обмена веществ, которая является общей для катаболизма и анаболизма: для катаболизма – это завершающий этап разрушения молекул; для анаболизма – начальный этап синтеза молекул.

В живых организмах метаболизм устроен на основе циклов или цепей биохимических реакций. Реакции обмена веществ связаны между собой, т.к. продукт одной реакции является субстратом для другой.