Что такое биохимия? Что изучает биохимия. Значение биохимии Понятие биохимия

Пациенты больниц и их родственники довольно часто интересуются, что такое биохимия. Данное слово может употребляться в двух значениях: как наука и как обозначение биохимического анализа крови. Рассмотрим каждое из них.

Биохимия как наука

Биологическая или физиологическая химия - биохимия - это наука, которая изучает химический состав клеток любых живых организмов. В ходе ее изучения также рассматриваются закономерности, в соответствии с которыми происходят все химические реакции в живых тканях, обеспечивающие жизнедеятельность организмов.

Смежными с биохимией научными дисциплинами являются молекулярная биология, органическая химия, клеточная биология и др. Слово «биохимия» можно применить, к примеру, в предложении: «Биохимия как отдельная наука сформировалась примерно 100 лет назад».

А вот узнать поподробнее о схожей науке вы сможете, если ознакомитесь с нашей статьей .

Биохимия крови

Биохимический анализ крови подразумевает лабораторное исследование разнообразных показателей в крови, анализы при этом берут из вены (процесс венепункции). По результатам исследования можно оценить состояние организма, а конкретно органов и систем. Подробнее об этом анализе можно узнать из нашего раздела .

Благодаря биохимии крови можно выяснить, как работают почки, печень, сердце, а также определить ревматический фактор, водно-солевой баланс и пр.

Животных, растений, грибов, вирусов, бактерий. Численность представителей каждого царства настолько велика, что остается только удивляться, как мы все помещаемся на Земле. Но, несмотря на такое многообразие, все живое на планете объединяет несколько основных особенностей.

Общность всего живого

Доказательства складываются из нескольких основных особенностей живых организмов:

• необходимости в питании (потреблении энергии и преобразовании ее внутри организма);
• потребности в дыхании ;
• способности к размножению;
• росте и развитии в течение жизненного цикла.

Любой из перечисленных процессов представлен в организме массой химических реакций. Ежесекундно внутри любого живого существа, а тем более человека, происходят сотни реакций синтеза и распада органических молекул. Структура, особенности химического воздействия, взаимодействие друг с другом, синтез, распад и построение новых структур молекул органического и неорганического строения - все это предмет изучения большой, интересной и разнообразной науки. Биохимия - это молодая прогрессивная область знания, изучающая все происходящие внутри живых существ.

Объект

Объектом изучения биохимии являются только живые организмы и все происходящие в них процессы жизнедеятельности. А конкретно - химические реакции, происходящие при поглощении пищи, выделении продуктов жизнедеятельности, росте и развитии. Так, основы биохимии составляет изучение:

1. Неклеточных форм жизни - вирусов.
2. Прокариотических клеток бактерий.
3. Высших и низших растений.
4. Животных всех известных классов.
5. Организма человека.

При этом сама биохимия - это наука достаточно молодая, возникшая только с накоплением достаточного количества знаний о внутренних процессах в живых существах. Ее возникновение и обособление датируется второй половиной XIX века.

Современные разделы биохимии

На современном этапе развития биохимия включает в себя несколько основных разделов, которые представлены в таблице.

Таким образом, можно сказать, что биохимия - это целый комплекс маленьких наук, которые охватывают все многообразие сложнейших внутренних процессов живых систем.

Дочерние науки

С течением времени накопилось настолько много различных знаний и сформировалось столько научных навыков обработки результатов исследований, выведения бактериальных колоний, и РНК, встраивания заведомо известных участков генома с заданными свойствами и так далее, что появилась необходимость в дополнительных науках, которые являются дочерними для биохимии. Это такие науки, как:

• молекулярная биология;
• генная инженерия;
• генная хирургия;
• молекулярная генетика;
• энзимология;
• иммунология;
• молекулярная биофизика.

Каждая из перечисленных областей знаний имеет массу достижений в изучении биопроцессов в живых биологических системах, поэтому является очень важной. Все они относятся к наукам XX века.

Причины интенсивного развития биохимии и дочерних наук

В 1958 г. Корана открыл ген и его структуру, после чего в 1961 г. был расшифрован генетический код. Затем было установлено строение молекулы ДНК - двухцепочечная структура, способная к редупликации (самовоспроизведению). Были описаны все тонкости процессов метаболизма (анаболизм и катаболизм), изучена третичная и четвертичная структура белковой молекулы. И это далеко не полный список грандиозных по значимости открытий XX века, которые и составляют основу биохимии. Все эти открытия принадлежат биохимикам и самой науке как таковой. Поэтому предпосылок для ее развития множество. Можно выделить несколько современных причин ее динамичности и интенсивности в становлении.

1. Выявлены основы большинства химических процессов, происходящих в живых организмах.
2. Сформулирован принцип единства в большинстве физиологических и энергетических процессов для всех живых существ (например, они одинаковы у бактерий и человека).
3. Медицинская биохимия позволяет получить ключ к лечению массы различных сложных и опасных заболеваний.
4. При помощи биохимии стало возможным подобраться к решению самых глобальных вопросов биологии и медицины.

Отсюда вывод: биохимия - это прогрессивная, важная и очень широко спектральная наука, позволяющая найти ответы на многие вопросы человечества.

Биохимия в России

В нашей стране биохимия является такой же прогрессивной и важной наукой, как и в целом мире. На территории России действуют Институт биохимии им. А. Н. Баха РАН, Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г. К. Скрябина РАН, НИИ биохимии СО РАН. Нашим ученым принадлежит большая роль и множество заслуг в истории развития науки. Так, например, был открыт метод иммуноэлектрофареза, механизмы гликолиза, сформулирован принцип комплементарности нуклеотидов в структуре молекулы ДНК и сделан ряд других важных открытий. В конце XIX и начале XX в. в основном были сформированы не целые институты, а кафедра биохимии в некоторых из вузов. Однако вскоре появилась необходимость расширить пространство для изучения данной науки в связи с ее интенсивным развитием.

Биохимические процессы растений

Биохимия растений неразрывно связана с физиологическими процессами. В целом, предметом изучения биохимии и физиологии растений является:

• жизнедеятельность растительной клетки;
• фотосинтез;
• дыхание;
• водный режим растений;
• минеральное питание;
• качество урожая и физиология его формирования;
• устойчивость растений к вредителям и неблагоприятным условиям окружающей среды.

Значение для сельского хозяйства

Знание глубинных процессов биохимии в растительных клетках и тканях позволяют повышать качество и количество урожая культурных сельскохозяйственных растений, являющихся массовыми производителями важных продуктов питания для всего человечества. Кроме того, физиология и биохимия растений позволяют находить пути решения проблем заражения вредителями, устойчивости растений к неблагоприятным условиям среды, дают возможность повысить качество продукции растениеводства.

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

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

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

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

Клетки

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

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.

Биологическая химия Лелевич Владимир Валерьянович

Глава 1. Введение в биохимию

Глава 1. Введение в биохимию

Биологическая химия – наука, изучающая химическую природу веществ, входящих в состав живых организмов, превращения этих веществ (метаболизм), а также связь этих превращений с деятельностью отдельных тканей и всего организма в целом.

Биохимия – это наука о молекулярных основах жизни. Существует несколько причин тому, что в наши дни биохимия привлекает большое внимание и быстро развивается.

1. Во-первых, биохимикам удалось выяснить химические основы ряда важнейших биохимических процессов.

2. Во-вторых, обнаружены общие пути превращения молекул и общие принципы, лежащие в основе разнообразных проявлений жизни.

3. В-третьих, биохимия оказывает все более глубокое воздействие на медицину.

4. В-четвертых, быстрое развитие биохимии в последние годы позволило исследователям приступить к изучению самых острых, коренных проблем биологии и медицины.

История развития биохимии

В истории развития биохимических знаний и биохимии как науки можно выделить 4 периода.

I период – с древних времен до эпохи Возрождения (XV век). Это период практического использования биохимических процессов без знаний 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. Использование растений в пищевых целях, для приготовления красок, тканей наталкивало на попытки понять свойства отдельных веществ растительного происхождения.

II период – от начала эпохи Возрождения до второй половины 19 века, когда биохимия становится самостоятельной наукой. Великий исследователь того времени, автор многих шедевров искусства, архитектор, инженер, анатом Леонардо да Винчи провел 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.

В этот период следует выделить работы таких ученых, как Парацельс, М. В. Ломоносов, Ю. Либих, А. М. Бутлеров, Лавуазье.

III период – со второй половины 19 века до 50-х годов 20 века. Ознаменован резким увеличением интенсивности и глубины биохимических исследований, объема получаемой информации, возросшим прикладным значением – использованием достижений биохимии в промышленности, медицине, сельском хозяйстве. К этому времени относятся работы одного из основоположников отечественной биохимии А. Я. Данилевского (1838–1923), М. В. Ненцкого (1847–1901). На рубеже 19 и 20 веков работал крупнейший немецкий химик-органик и биохимик Э. Фишер (1862–1919). Им были сформулированы основные положения полипептидной теории белков, начало которой дали исследования А. Я. Данилевского. К этому времени относятся работы великого русского ученого К. А. Тимирязева (1843–1920), основателя советской биохимической школы А. Н. Баха, немецкого биохимика О. Варбурга. В 1933 г. Г. Кребс подробно изучил орнитиновый цикл образования мочевины, а 1937 г. датируется открытие им же цикла трикарбоновых кислот. В 1933 г. Д. Кейлин (Англия) выделил цитохром С и воспроизвел процесс переноса электронов по дыхательной цепи в препаратах из сердечной мышцы. В 1938 г. А. Е. Браунштейн и М. Г. Крицман впервые описали реакции трансаминирования, являющиеся ключевыми в азотистом обмене.

IV период – с начала 50-х годов 20 века по настоящее время. Характеризуется широким использованием в биохимических исследованиях физических, физико-химических, математических методов, активным и успешным изучением основных биологических процессов (биосинтез белков и нуклеиновых кислот) на молекулярном и надмолекулярном уровнях.

Вот краткая хронология основных открытий в биохимии этого периода:

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

1953 г. – Ф. Сенгер впервые расшифровал аминокислотную последовательность белка инсулина.

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

1966 г. – П. Митчелл сформулировал хемиосмотическую теорию сопряжения дыхания и окислительного-фосфорилирования.

1969 г. – Р. Мерифильд химическим путем синтезировал фермент рибонуклеазу.

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

1977 г. – Ф. Сенгер впервые полностью расшифровал первичную структуру молекулы ДНК (фаг? Х 174).

Развитие медицинской биохимии в Беларуси

С момента создания в 1923 г. в Белорусском государственном университете кафедры биохимии началась профессиональная подготовка национальных биохимических кадров. В 1934 г. организована кафедра биохимии в Витебском медицинском институте, в 1959 г. – в Гродненском медицинском институте, в 1992 г. – в Гомельском медицинском институте. На заведование кафедрами приглашались и избирались известные ученые, крупные специалисты в области биохимии: А. П. Бестужев, Г. В. Дервиз, Л. Е. Таранович, Н. Е. Глушакова, В. К. Кухта, В. С. Шапот, Л. Г. Орлова, А. А. Чиркин, Ю. М. Островский, Н. К. Лукашик. На формирование научных школ в области медицинской биохимии огромное влияние оказала деятельность таких выдающихся ученых, как М. Ф. Мережинский (1906–1970), В. А. Бондарин (1909–1985), Л. С. Черкасова (1909–1998), В. С. Шапот (1909–1989), Ю. М. Островский (1925–1991), А. Т. Пикулев (1931–1993).

В 1970 г. в г. Гродно создан Отдел регуляции обмена веществ АН БССР, преобразованный в 1985 г. в Институт биохимии Национальной академии наук Беларуси. Первым заведующим отделом и директором института был академик АН БССР Ю. М. Островский. Под его руководством было начато всестороннее изучение витаминов, в частности, тиамина. Работы

Ю. М. Островского дополнены и продолжены в исследованиях его учеников: Н. К. Лукашика, А. И. Балаклеевского, А. Н. Разумовича, Р. В. Требухиной, Ф. С. Ларина, А. Г. Мойсеенка.

Наиболее важными практическими результатами деятельности научных биохимических школ явилась организация государственной лабораторной службы республики (профессор В. Г. Колб), открытие в Витебском медицинском институте Республиканского липидного лечебно-диагностического центра метаболической терапии (профессор А. А. Чиркин), создание в Гродненском медицинском институте лаборатории медико-биологических проблем наркологии (профессор В. В. Лелевич).

1. Состав и строение химических веществ живого организма – статическая биохимия.

2. Вся совокупность превращения веществ в организме (метаболизм) – динамическая биохимия.

3. Биохимические процессы, лежащие в основе различных проявлений жизнедеятельности – функциональная биохимия.

4. Структура и механизм действия ферментов – энзимология.

5. Биоэнергетика.

6. Молекулярные основы наследственности – передача генетической информации.

7. Регуляторные механизмы метаболизма.

8. Молекулярные механизмы специфических функциональных процессов.

9. Особенности метаболизма в органах и тканях.

Разделы и направления биохимии

1. Биохимия человека и животных.

2. Биохимия растений.

3. Биохимия микроорганизмов.

4. Медицинская биохимия.

5. Техническая биохимия.

6. Эволюционная биохимия.

7. Квантовая биохимия.

Объекты биохимических исследований

1. Организмы.

2. Отдельные органы и ткани.

3. Срезы органов и тканей.

4. Гомогенаты органов и тканей.

5. Биологические жидкости.

6. Клетки.

7. Дрожжи, бактерии.

8. Субклеточные компоненты и органоиды.

9. Ферменты.

10. Химические вещества (метаболиты).

Методы биохимии

1. Гомогенизация тканей.

2. Центрифугирование:

Простое

Ультрацентрифугирование

Центрифугирование в градиенте плотности.

3. Диализ.

4. Электрофорез.

5. Хроматография.

6. Изотопный метод.

7. Колориметрия.

8. Спектрофотометрия.

9. Определение ферментативной активности.

Связь биохимии с другими дисциплинами

1. Биоорганическая химия

2. Физколлоидная химия

3. Биофизическая химия

4. Молекулярная биология

5. Генетика

6. Нормальная физиология

7. Патологическая физиология

8. Клинические дисциплины

9. Фармакология

10. Клиническая биохимия