Биохимия

БИОХИМИЯ

Авторы: А.Д. Виноградов, А.Е. Медведев

БИОХИМИЯ (биологическая химия), наука, изучающая химич. состав живых объектов, строение и пути превращения природных соединений в клетках, органах, тканях и целых организмах, а также физиологич. роль отд. химич. превращений и закономерности их регулирования. Термин «Б.» введён нем. учёным К. Нейбергом в 1903. Предмет, задачи и методы исследования Б. относятся к изучению всех проявлений жизни на молекулярном уровне; в системе естеств. наук она занимает самостоят. область, относящуюся в равной степени как к биологии, так и к химии. Б. традиционно подразделяют на статическую, занимающуюся анализом строения и свойств всех органич. и неорганич. соединений, входящих в состав живых объектов (клеточных органелл, клеток, тканей, органов); динамическую, изучающую всю совокупность превращений отд. соединений (обмен веществ и энергии); функциональную, исследующую физиологич. роль молекул отд. соединений и их превращений при определённых проявлениях жизнедеятельности, а также сравнительную и эволюционную Б., определяющую сходство и различия состава и обмена веществ у организмов, принадлежащих к разным таксономич. группам. В зависимости от объекта исследования выделяют Б. человека, растений, животных, микроорганизмов, крови, мышц, нейрохимию и пр., а по мере углубления знаний и их специализации самостоят. разделами становятся энзимология, изучающая строение и механизм действия ферментов, Б. углеводов, липидов, нуклеиновых кислот, мембран. Исходя из целей и задач, Б. часто делят на медицинскую, с.-х., техническую, Б. питания и пр.

Формирование биохимии в 16-19 вв

Становление Б. как самостоят. науки тесно связано с развитием др. естеств.-науч. дисциплин (химия, физика) и медицины. Существенный вклад в развитие химии и медицины в 16 - 1-й пол. 17 вв. внесла ятрохимия. Её представители исследовали пищеварит. соки, жёлчь, процессы брожения и др., ставились вопросы о превращениях веществ в живых организмах. Парацельс пришёл к выводу, что процессы, происходящие в организме человека, являются химич. процессами. Я. Сильвиус большое значение придавал правильному соотношению в организме человека кислот и щелочей, нарушение которого, как он полагал, лежит в основе мн. заболеваний. Я. Б. ван Гельмонт пытался установить, за счёт чего создаётся вещество растений. В нач. 17 в. итал. учёный С. Санторио с помощью специально сконструированной им камеры пытался установить соотношение количества принимаемой пищи и выделений человека. Науч. основы Б. были заложены во 2-й пол. 18 в., чему способствовали открытия в области химии и физики (в т. ч. открытие и описание ряда химич. элементов и простых соединений, формулировка газовых законов, открытие законов сохранения и превращения энергии), использование химич. методов анализа в физиологии. В 1770- х гг. А. Лавуазье сформулировал идею о сходстве процессов горения и дыхания; установил, что дыхание человека и животных с химич. точки зрения представляет собой процесс окисления. Дж. Пристли (1772) доказал, что растения выделяют кислород, необходимый для жизни животных, а голл. ботаник Я. Ингенхауз (1779) установил, что очищение «испорченного» воздуха производится только зелёными частями растений и только на свету (этими работами было положено начало изучению фотосинтеза). Л. Спалланцани предложил рассматривать пищеварение как сложную цепь химич. превращений. К нач. 19 в. из природных источников был выделен ряд органич. веществ (мочевина, глицерин, лимонная, яблочная, молочная и мочевая кислоты, глюкоза и др.). В 1828 Ф. Вёлер впервые осуществил химич. синтез мочевины из цианата аммония, развенчав тем самым господствовавшее до этого времени представление о возможности синтеза органич. соединений только живыми организмами и доказав несостоятельность витализма. В 1835 Й. Берцелиус ввёл понятие катализа; он постулировал, что брожение - каталитический процесс. В 1836 голл. химик Г.Я. Мульдер впервые предложил теорию строения белковых веществ. Постепенно происходило накопление данных о химич. составе растит. и животных организмов и протекающих в них химич. реакциях, к сер. 19 в. описан ряд ферментов (амилаза, пепсин, трипсин и др.). Во 2-й пол. 19 в. были получены некоторые сведения о структуре и химич. превращениях белков, жиров и углеводов, фотосинтезе. В 1850-55 К. Бернар выделил гликоген из печени и установил факт его превращения в глюкозу, поступающую в кровь. Работами И.Ф. Мишера (1868) было положено начало изучению нуклеиновых кислот. В 1870 Ю. Либих сформулировал химич. природу действия ферментов (основные её принципы сохраняют своё значение и в наши дни); в 1894 Э.Г. Фишер впервые использовал ферменты в качестве биокатализаторов химич. реакций; он пришёл к заключению, что субстрат соответствует ферменту как «ключ замку». Л. Пастер сделал вывод о том, что брожение - биологич. процесс, для осуществления которого необходимы живые дрожжевые клетки, отвергнув тем самым химич. теорию брожения (Й. Берцелиус, Э. Митчерлих, Ю. Либих), в соответствии с которой сбраживание сахаров - сложная химич. реакция. Ясность в этот вопрос была окончательно внесена после того, как Э. Бухнер (1897, совм. с братом, Г. Бухнером) доказал способность экстракта клеток микроорганизмов вызывать брожение. Их работы способствовали познанию природы и механизма действия ферментов. Вскоре А. Гарден установил, что брожение сопровождается включением фосфата в соединения углеводов, что послужило толчком к выделению и идентификации фосфорных эфиров углеводов и пониманию их ключевой роли в биохимич. превращениях. Развитие Б. в России в этот период связано с именами А.Я. Данилевского (изучал белки и ферменты), М.В. Ненцкого (исследовал пути образования мочевины в печени, структуру хлорофилла и гемоглобина), В.С. Гулевича (биохимия мышечной ткани, экстрактивные вещества мышц), С.Н. Виноградского (открыл хемосинтез у бактерий), М.С. Цвета (создал метод хроматографич. анализа), А.Н. Баха (перекисная теория биологич. окисления) и др. Рос. врач Н.И. Лунин проложил путь к изучению витаминов, экспериментально доказав (1880) необходимость для нормального развития животных особых веществ (помимо белков, углеводов, жиров, солей и воды). В кон. 19 в. сформировались представления о сходстве осн. принципов и механизмов химич. превращений у разл. групп организмов, а также об особенностях их обмена веществ (метаболизма). Накопление большого количества сведений относительно химич. состава растит. и животных организмов и протекающих в них химич. процессов привело к необходимости систематизации и обобщения данных. Первой работой в этом направлении стал учебник И. Зимона («Handbuch der angewandten medicinischen Chemie», 1842). В 1842 появилась монография Ю. Либиха «Die Tierchemie oder die organische Chemie in ihrer Anwendung auf Physiologie und Pathologie». Первый отеч. учебник физиологич. химии был издан проф. Харьковского ун-та А.И. Ходневым в 1847. Периодич. издания регулярно начали выходить с 1873. Во 2-й пол. 19 в. на мед. факультетах мн. российских и зарубежных университетов были организованы спец. кафедры (первоначально их называли кафедрами медицинской или функциональной химии). В России впервые кафедры мед. химии были созданы А.Я. Данилевским в Казанском ун-те (1863) и А.Д. Булыгинским (1864) на мед. ф-те Моск. университета.

Биохимия в 20 в

Становление совр. Б. произошло в 1-й пол. 20 в. Его начало отмечено открытием витаминов и гормонов, определена их роль в организме. В 1902 Э.Г. Фишер первым синтезировал пептиды, установив тем самым природу химич. связи между аминокислотами в белках. В 1912 польск. биохимик К. Функ выделил вещество, предотвращающее развитие полиневрита, и назвал его витамином. После этого постепенно были открыты мн. витамины, и витаминология стала одним из разделов Б., а также науки о питании. В 1913 Л. Михаэлисом и М. Ментен (Германия) были разработаны теоретич. основы ферментативных реакций, сформулированы количественные закономерности биологич. катализа; установлена структура хлорофилла (Р. Вильштеттер, А. Штоль, Германия). В нач. 1920-х гг. А.И. Опарин сформулировал общий подход к химич. пониманию проблемы возникновения жизни. Впервые были получены в кристаллич. виде ферменты уреаза (Дж. Самнер, 1926), химотрипсин, пепсин и трипсин (Дж. Нортроп, 1930-е гг.), что послужило доказательством белковой природы ферментов и толчком для быстрого развития энзимологии. В эти же годы Х.А. Кребс описал механизм синтеза мочевины у позвоночных в ходе орнитинового цикла (1932); А.Е. Браунштейн (1937, совм. с М.Г. Крицман) открыл реакцию переаминирования как промежуточное звено биосинтеза и распада аминокислот; О.Г. Варбург выяснил природу фермента, реагирующего с кислородом в тканях. В 1930-х гг. завершился основной этап изучения природы основополагающих биохимических процессов. Установлена последовательность реакций распада углеводов в ходе гликолиза и брожения (О. Мейергоф, Я.О. Парнас), превращения пировиноградной кислоты в циклах ди- и трикарбоновых кислот (А. Сент-Дьёрдьи, Х.А. Кребс, 1937), открыто фоторазложение воды (Р. Хилл, Великобритания, 1937). Работами В.И. Палладина, А.Н. Баха, Г. Виланда, швед. биохимика Т. Тунберга, О.Г. Варбурга и англ. биохимика Д. Кейлина заложены основы современных представлений о внутриклеточном дыхании. Из мышечных экстрактов были выделены аденозинтрифосфат (АТФ) и креатинфосфат. В СССР работами В.А. Энгельгардта (1930) и В.А. Белицера (1939) по окислительному фосфорилированию и количественной характеристике этого процесса было положено начало совр. биоэнергетике. Позднее Ф. Липман разработал представления о богатых энергией фосфорных соединениях, установил центр. роль АТФ в биоэнергетике клетки. Открытие ДНК у растений (рос. биохимики А.Н. Белозерский и А.Р. Кизель, 1936) способствовало признанию биохимич. единства растит. и животного мира. В 1948 А.А. Красновский открыл реакцию обратимого фотохимич. восстановления хлорофилла, значит. успехи были достигнуты в выяснении механизма фотосинтеза (М. Калвин). Дальнейшее развитие Б. связано с изучением структуры и функции ряда белков, разработкой осн. положений теории ферментативного катализа, установлением принципиальных схем обмена веществ и др. Прогресс Б. во 2-й пол. 20 в. в значит. степени обусловлен развитием новых методов. Благодаря усовершенствованию методов хроматографии и электрофореза стала возможной расшифровка последовательностей аминокислот в белках и нуклеотидов в нуклеиновых кислотах. Рентгеноструктурный анализ позволил определить пространственную структуру молекул ряда белков, ДНК и др. соединений. С помощью электронной микроскопии были открыты ранее неизвестные клеточные структуры, благодаря ультрацентрифугированию выделены разл. клеточные органеллы (в т. ч. ядро, митохондрии, рибосомы); использование изотопных методов дало возможность понять сложнейшие пути превращения веществ в организмах и т. д. Важное место в биохимич. исследованиях заняли разл. виды радио- и оптической спектроскопии, масс-спектроскопии. Л. Полинг (1951, совм. с Р. Кори) сформулировал представления о вторичной структуре белка, Ф. Сенгер расшифровал (1953) структуру белкового гормона инсулина, а Дж. Кендрю (1960) определил пространственную структуру молекулы миоглобина. Благодаря усовершенствованию методов исследования было внесено много нового в представления о структуре ферментов, формировании их активного центра, об их работе в составе сложных комплексов. После установления роли ДНК как вещества наследственности (О. Эвери, 1944) особое внимание обращается на нуклеиновые кислоты и их участие в процессе передачи признаков организма по наследству. В 1953 Дж. Уотсон и Ф. Крик предложили модель пространственной структуры ДНК (т. н. двойная спираль), увязав её строение с биологич. функцией. Это событие явилось переломным моментом в развитии Б. и биологии в целом и послужило основанием для выделения из Б. новой науки - молекулярной биологии. Исследования по структуре нуклеиновых кислот, их роли в биосинтезе белка и явлениях наследственности связаны также с именами Э. Чаргаффа, А. Корнберга, С. Очоа, Х.Г. Корана, Ф. Сенгера, Ф. Жакоба и Ж. Моно, а также рос. учёных А.Н. Белозерского, А.А. Баева, Р.Б. Хесина-Лурье и др. Изучение структуры биополимеров, анализ действия биологически активных низкомолекулярных природных соединений (витамины, гормоны, алкалоиды, антибиотики и др.) привели к необходимости установления связи между строением вещества и его биологич. функцией. В связи с этим получили развитие исследования на грани биологич. и органич. химии. Это направление стало называться биоорганической химией. В 1950-х гг. на стыке Б. и неорганич. химии как самостоят. дисциплина сформировалась бионеорганическая химия. К числу несомненных успехов Б. относятся: открытие участия биологич. мембран в генерации энергии и последующие исследования в области биоэнергетики; установление путей превращения наиболее важных продуктов обмена веществ; познание механизмов передачи нервного возбуждения, биохимич. основ высшей нервной деятельности; выяснение механизмов передачи генетич. информации, регуляции важнейших биохимич. процессов в живых организмах (клеточная и межклеточная сигнализация) и мн. другие.

Современное развитие биохимии

Б. является неотъемлемой частью физико-химич. биологии - комплекса взаимосвязанных и тесно переплетённых между собой наук, который включает также биофизику, биоорганич. химию, молекулярную и клеточную биологию и др., изучающих физич. и химич. основы живой материи. Биохимич. исследования охватывают широкий круг проблем, решение которых осуществляется на стыке нескольких наук. Напр., биохимич. генетика изучает вещества и процессы, участвующие в реализации генетич. информации, а также роль разл. генов в регуляции биохимич. процессов в норме и при разл. генетич. нарушениях метаболизма. Биохимич. фармакология исследует молекулярные механизмы действия лекарственных средств, способствуя разработке более совершенных и безопасных препаратов, иммунохимия - структуру, свойства и взаимодействия антител (иммуноглобулинов) и антигенов. На совр. этапе Б. характеризуется активным привлечением широкого методич. арсенала смежных дисциплин. Даже такой традиционный раздел Б., как энзимология, при характеристике биологической роли конкретного фермента, редко обходится без направленного мутагенеза, выключения гена, кодирующего исследуемый фермент в живых организмах, или, наоборот, его повышенной экспрессии. Хотя осн. пути и общие принципы обмена веществ и энергии в живых системах можно считать установленными, множество деталей метаболизма и особенно его регуляции остаются неизвестными. Особенно актуально выяснение причин нарушений метаболизма, приводящих к тяжёлым «биохимическим» болезням (разл. формы диабета, атеросклероз, злокачественное перерождение клеток, нейродегенеративные заболевания, циррозы и мн. др.), и науч. обоснование его направленной коррекции (создание лекарственных средств, диетические рекомендации). Использование биохимич. методов позволяет выявить важные биологич. маркеры разл. заболеваний и предложить эффективные способы их диагностики и лечения. Так, определение в крови кардиоспецифичных белков и ферментов (тропонин Т и изофермент креатинкиназы миокарда) позволяет осуществлять раннюю диагностику инфаркта миокарда. Важная роль отводится Б. питания, изучающей химич. и биохимич. компоненты пищи, их ценность и значение для здоровья человека, влияние хранения пищевых продуктов и их обработки на качество пищи. Системный подход в изучении всей совокупности биологич. макромолекул и низкомолекулярных метаболитов конкретной клетки, ткани, органа или организма определённого вида привёл к появлению новых дисциплин. К их числу относятся геномика (исследует всю совокупность генов организмов и особенности их экспрессии), транскриптомика (устанавливает количественный и качественный состав молекул РНК), протеомика (анализирует всё многообразие белковых молекул, характерных для организма) и метаболомика (изучает все метаболиты организма или его отд. клеток и органов, образующиеся в процессе жизнедеятельности), активно использующие биохимич. стратегию и биохимич. методы исследований. Получила развитие прикладная область геномики и протеомики - биоинженерия, связанная с направленным конструированием генов и белков. Названные выше направления порождены в равной мере Б., молекулярной биологией, генетикой и биоорганической химией.

Научные учреждения, общества и периодические издания

Науч. исследования в области Б. проводятся во мн. специализир. н.-и. институтах и лабораториях. В России они находятся в системе РАН (в т. ч. Ин-т биохимии, Ин-т эволюционной физиологии и биохимии, Ин-т физиологии растений, Ин-т биохимии и физиологии микроорганизмов, Сибирский ин-т физиологии и биохимии растений, Ин-т молекулярной биологии, Ин-т биоорганич. химии), отраслевых академий (в т. ч. Ин-т биомедхимии РАМН), ряда министерств. Работы по Б. ведутся в лабораториях и на многочисл. кафедрах Б. вузов. Специалистов-биохимиков и за рубежом, и в РФ готовят на химич. и биологич. ф-тах университетов, имеющих специальные кафедры; биохимиков более узкого профиля - в медицинских, технологич., с.-х. и др. вузах. В большинстве стран существуют науч. биохимич. общества, объединённые в Европейскую федерацию биохимиков (Federation of European Biochemical Societies, FEBS) и в Международный союз биохимиков и молекулярных биологов (International Union of Biochemistry, IUBMB). Эти организации собирают симпозиумы, конференции, а также конгрессы. В России Всесоюзное биохимич. об-во с многочисл. республиканскими и городскими отделениями было создано в 1959 (с 2002 Об-во биохимиков и молекулярных биологов). Велико количество периодич. изданий, в которых публикуются работы по Б. Наиболее известны: «Journal of Biological Chemistry» (Balt., 1905), «Biochemistry» (Wash., 1964), «Biochemical Journal» (L., 1906), «Phytochemistry» (Oxf.; N. Y., 1962), «Biochimica et Biophisica Acta» (Amst., 1947) и мн. др.; ежегодники: «Annual Review of Biochemistry» (Stanford, 1932), «Advances in Enzymology and Related Subjects of Biochemistry» (N. Y., 1945), «Advances in Protein Chemistry» (N. Y., 1945), «Febs Journal» (первоначально «European Jour- nal of Biochemistry», Oxf., 1967), «Febs letters» (Amst., 1968), «Nucleic Acids Research» (Oxf., 1974), «Biochimie» (P., 1914; Amst., 1986), «Trends in Biochemical Sciences» (Elsevier, 1976) и др. В России результаты эксперим. исследований печатаются в журналах «Биохимия» (М., 1936), «Физиология растений» (М., 1954), «Журнал эволюционной биохимии и физиологии» (СПб., 1965), «Прикладная биохимия и микробиология» (М., 1965), «Биологические мембраны» (М., 1984), «Нейрохимия» (М., 1982) и др., обзорные работы по Б. - в журналах «Успехи современной биологии» (М., 1932), «Успехи химии» (М., 1932) и др.; ежегодник «Успехи биологической химии» (М., 1950).

Литература Лит.: Джуа М. История химии. М., 1975; Шамин А.М. История химии белка. М., 1977; он же. История биологической химии. М., 1994; Основы биохимии: В 3 т. М., 1981; Страйер Л. Биохимия: В 3 т. М., 1984-1985; Ленинджер А. Основы биохимии: В 3 т. М., 1985; Азимов А. Краткая история биологии. М., 2002; Эллиот В., Эллиот Д. Биохимия и молекулярная биология. М., 2002; Berg J. M., Tymoczko J. L., Stryer L. Biochemistry. 5th ed. N. Y., 2002; Биохимия человека: В 2 т. 2-е изд. М., 2004; Березов Т. Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия. 3-е изд. М., 2004; Voet D., Voet J. Biochemistry. 3rd ed. N. Y., 2004; Nelson D. L., Cox M. M. Lehninger principles of biochemistry. 4th ed. N. Y., 2005; Elliott W., Elliott D. Biochemistry and molecular biology. 3rd ed. Oxf., 2005; Garrett R. H., Grisham C. M. Biochemistry. 3rd ed. Belmont, 2005.

Источники: [ БРЭ ] [ P ] [ B ] и дополнительная информация: [ W ] [ G ] [ Y ]

Автор: Виноградов А.Д.