Элементарная биохимия
биохимии.
Из других разделов биохимии, которые обычно рассматриваются как
достаточно обособленные дисциплины, имеющие свои задачи и специфические
методы исследования, следует назвать: эволюционную и сравнительную биохимию
(биохимические процессы и химический состав организмов на различных стадиях
их эволюционного развития), энзимология (структура и функции ферментов,
кинетика ферментативных реакций), биохимию витаминов, гормонов,
радиационную биохимию, квантовую биохимию (сопоставление свойств, функций и
путей превращения биологически важных соединений с их электронными
характеристиками, полученными с помощью квантово-химических расчётов).
Особенно перспективным оказалось изучение структуры и функции белков и
нуклеиновых кислот на молекулярном уровне. Этот круг вопросов изучается
науками, возникшими на стыках биохимии с биологией и генетикой.[4]
История развития биохимии.
Можно выделить основные этапы развития биохимической науки.
1. «Протобиохимия». Концепции процессов жизнедеятельности и их природы,
развиваемые в древности, античности, в период средневековья. Концепции
жизнедеятельности в Эпоху Возрождения, привлечение их для описания и
объяснения химических процессов.
2. Экспериментальное изучение процессов жизнедеятельности в 17-18 вв.
Первые химические теории и объяснения процессов дыхания, пищеварения,
брожения.
3. «Новая химия» и изучение методами химии живых организмов и процесс
жизнедеятельности. Первый кризис методологии в области взаимодействия
химии и биологии.
4. Формирование биологической химии в рамках редукционистских программ
биологии второй половины 19 века.
5. Развитие классической биологической химии.
6. Прогресс биохимии и революция в биологии во второй половине 20 века –
формирование физико-химической биологии. Методологические, эмпирические и
теоретические основы этого процесса. Интегрирующая роль физико-химической
биологии в системе биологических наук.[5]
Изучение живой материи с химической стороны началось с того момента,
когда возникла необходимость исследования составных частей живых организмов
и совершающихся в них химических процессов в связи с запросами практической
медицины и сельского хозяйства. Исследования средневековых алхимиков
привели к накоплению большого фактического материала по природным
органическим соединениям. В 16-17 вв. воззрения алхимиков получили развитие
в трудах ятрохимиков, считавших, что жизнедеятельность организма человека
можно правильно понять лишь с позиций химии. Так, один из виднейших
представителей ятрохимии – немецкий врач и естествоиспытатель Ф. Парацельс
выдвинул прогрессивное положение о необходимости тесной связи химии с
медициной, подчёркивая при этом, что задача алхимии не в изготовлении
золота и серебра, а в создании того, что является силой и добродетелью
медицины. Ятрохимики ввели в медицинскую практику препараты ртути, сурьмы,
железа и других элементов. Позже И. Ван-Гельмонт высказал предположение о
наличии в «соках» живого тела особых начал, так называемых «ферментов»,
участвующих в разнообразных химических превращениях.[6]
В 17-18 вв. работали такие выдающиеся учёные как М.В. Ломоносов и А.
Лавуазье, открывшие и утвердившие в науке закон сохранения материи (массы).
Лавуазье внёс важнейший вклад в развитие не только химии, но и в изучение
биологических процессов. Развивая более ранние наблюдения Майова, он
показал, что при дыхании, как и при горении органических веществ,
поглощается кислород и выделяется углекислый газ. Одновременно им же,
вместе с Лапласом, было показано, что процесс биологического окисления
является и источником животной теплоты. Это открытие стимулировало
исследования по энергетике метаболизма, в результате чего уже в начале 19
века было определено количество тепла, выделяемого при сгорании углеводов,
жиров и белков.
Крупными событиями второй половины 18 века стали исследования
Р.Реомюра и Л.Спалланцани по физиологии пищеварения. Эти исследователи
впервые изучили действие желудочного сока животных и птиц на различные виды
пищи (главным образом мясо) и положили начало изучению ферментов
пищеварительных соков. Возникновение энзимологии (учение о ферментах),
однако, обычно связывают с именами К.С. Кирхгофа, а также Пейена и Персо,
впервые изучивших действие на крахмал фермента амилазы in vitro.
Важную роль сыграли работы Пристли и особенно Ингенхауса, открывших
явление фотосинтеза (конец 18 века).
На рубеже 18 и 19 вв. были проведены и другие фундаментальные
исследования в области сравнительной биохимии; тогда же было установлено
существование круговорота веществ в природе.
Успехи статической биохимии с самого начала были неразрывно связаны с
развитием органической химии.
Толчком к развитию химии природных соединений явились исследования
шведского химика К. Шееле (1742-1786 гг.). Он выделил и описал свойства
целого ряда природных соединений – молочную, винную, лимонную, щавелевую,
яблочную кислоты, глицерин и амиловый спирт и др. Большое значение имели
исследования И.Берцелиуса и Ю.Либиха, закончившиеся разработкой в начале 19
века методов количественного элементарного анализа органических соединений.
Вслед за этим начались попытки синтезировать природные органические
вещества. Достигнутые успехи – синтез в 1828 году мочевины, уксусной
кислоты (1844 г.), жиров (1850 г.), углеводов (1861 г.) – имели особенно
большое значение, так как показали возможность синтеза in vitro ряда
органических веществ, входящих в состав животных тканей или же являющихся
конечными продуктами обмена. Во второй половине 18 – начале 19 века были
проведены и другие важные исследования: из мочевых камней была выделена
мочевая кислота, из желчи – холестерин, из меда – глюкоза и фруктоза, из
листьев зеленых растений – пигмент хлорофилл, в составе мышц был открыт
креатин. Было показано существование особой группы органических соединений
– растительных алкалоидов, нашедших позднее применение в медицинской
практике. Из желатины и бычьего мяса путем их гидролиза были получены
первые аминокислоты: глицин и лейцин.
Во Франции в лаборатории К. Бернара в составе ткани печени был открыт
гликоген (1857), изучены пути его образования и механизмы, регулирующие его
расщепление. В Германии в лабораториях Э. Фишера, Э. Ф. Гоппе-Зейлера, А.
Косселя и других были изучены структура и свойства белков, а также
продуктов их гидролиза, в том числе и ферментативного.
В связи с описанием дрожжевых клеток (1836-1838гг.) начали активно
изучать процесс брожения (Либих, Пастер и др.). Вопреки мнению Либиха,
рассматривавшего процесс брожения как чисто химический, протекающий с
обязательным участием кислорода, Л. Пастер установил возможность
существования анаэробиоза, то есть жизни в отсутствии воздуха, за счет
энергии брожения. Бухнеру удалось получить из дрожжевых клеток бесклеточный
сок, способный, подобно живым дрожжам, сбраживать сахар с образованием
спирта и углекислоты.
Накопление большого количества сведений относительно химического
состава растительных и животных организмов и химических процессов,
протекающих в них, привело к необходимости систематизации и обобщений в
области биохимии. Первой работы в этом плане был учебник Зимона (1842).
Очевидно, именно с этого времени термин «биологическая (физиологическая)
химия» утвердился в науке. В России первый учебник физиологической химии
был издан профессором Харьковского университета А. И. Ходневым в 1847 году.
Периодическая литература по биологической химии регулярно начала выходить с
1873 года в Германии. Позднее биохимические журналы начали издаваться во
многих странах мира на английском, французском, русском и других языках. Во
второй половине 19 века на медицинских факультетах многих русских и
зарубежных университетов были учреждены специальные кафедры медицинской,
или физиологической химии.
Подлинный расцвет биохимии наступил в 20 веке. В самом начале его была
сформулирована и экспериментально обоснована полипептидная теория строения
белков (Э. Фишер 1901-1902гг.). Позднее был разработан ряд аналитических
методов, позволяющих изучить аминокислотный состав белка (хроматография,
рентгеноструктурный анализ, метод изотопной индикации,
цитоспектрофотометрия, электронная микроскопия). Расшифровывается
первичная, вторичная, третичная и четвертичная структура многих белков.
Синтезируется ряд важных белковых веществ.
Выдающееся значение имели работы Л. Полинга, В. Виньо, Ф. Сэнгера, С.
