Биохимия

Молекулата на живота – ДНК

Биохимията е наука за химичния състав, устройството, термодинамиката и обменните процеси в живите организми, които протичат в тях на молекулно и клетъчно равнище. Предмет на биохимията е определянето на състава, строежа и функциите на биомолекулите в организма. Биохимията възниква през 19 век и се свързана с органичната химия, биофизиката, генетиката и молекулярната биология.

История

Герти Кори и Карл Кори са носители на Нобеловата награда през 1947 г. за откриването на Цикъла Кори

Историята на биохимията започва през 17 век. Въпреки че терминът „биохимия“ вероятно е използван за пръв път през 1882 г., приема се, че думата „биохимия“ е въведена от немския учен Карл Нойберг през 1903 г. Първоначално се е смятало, че живите организми притежават жизнена сила (на латински: vis vitalis), чрез която произвеждат органични молекули. През 1828 г. Фридрих Вьолер публикува статия относно синтеза на уреята, доказвайки, че органични съединения могат да бъдат създавани изкуствено, с което опровергава идеята за жизнената сила.

Важни събития

• 1828 г. – Фридрих Вьолер синтезира органичното вещество карбамид от неорганичното вещество амониев цианат.
• 1833 г. – Анжел Пайен открива първия ензим (амилаза).
• 1869 г. – Фридрих Мишер открива нуклеиновите киселини.
• 1896 г. – Едуард Бухнер открива безклетъчната ферментация.
• 1926 г. – Ото Варбург открива дихателния ензим цитохромоксидаза.
• 1929 г. – Густав Ембден, Ото Майерхоф и Якоб Парнас установяват механизма на гликолизата.
• 1932 г. – Ханс Адолф Кребс открива на цикъла на лимонената киселина (в негова чест наречен цикъл на Кребс).
• 1953 г. – Джеймс Уотсън и Франсис Крик установяват структурата на ДНК.

Връзка с другите биологични науки

Връзка между биохимията, генетиката и молекулярната биология

В биохимията се използват специфични изследователски техники и методи, присъщи единствено за нея, както и идеи, техники, и методи, специфични за други области на знанието, като биофизика, генетика и молекулярна биология. Трудно може да се постави разделителна линия между тези науки, особено в контекста на изследователските техники и методи. В днешно време термините молекулярна биология и биохимия са до голяма степен взаимозаменяеми. Схемата вдясно интерпретира отношенията на частните биологични науки, които изучават живота на субклетъчно равнище:

• Биохимията е наука за състава, строежа и функциите на биомолекулите – основните химични компоненти, в жизнените процеси на живите организми.
• Генетиката е наука за наследствеността и изменчивостта на организмите, която се фокусира върху физическите носители на тези свойства – гените. Генетиката изучава тяхната структура, функции и процесите, в които участват.
• Молекулярната биология изучава реализацията на генетичната информация, която се осъществята чрез преноса на данни при процесите на репликация, транскрипция и транслация. Тя се фокусира не само върху механизма и ролята на отделните компоненти в него, но и начините за регулация, включително и с терапевтична цел.

Методи

В биохимията се прилагат разнообразни методи от различни научни области: аналитична химия, органична химия, физикохимия и физика. С техническо приложение са методи като центрофугиране, хроматография, електрофореза, спектроскопия, изотопни, молекулярни и статистически методи, кристализация, потенциометрични, електрохимични, полярографски и манометрични техники. През последните десетилетия се използват молекулярно-биологични техники, методи от компютърните науки, микробиологията и други науки. В съвременната биохимия винаги се прави и количествена оценка на резултатите с математически методи и създаването на формални теории с помощта на математиката.

Биомолекули

Природни мономерни, нискомолекулни органични съединения с важни биологични функции често се наричат биомолекули. Универсални за всички организми са три групи биомолекули: въглехидрати, аминокиселини и нуклеотиди. От тях чрез поликондензация се получават биополимери: нуклеинови киселини, белтъци и полизахариди. Други органични съединения с биологична роля са тетрапироловите съединения, липидите, изопреноидите и алкалоидите. Някои нискомолекулни съединения, които не участват в биополимерите, също са предмет на биохимията. Те участват в регулацията на метаболизма. Повечето са кофактори на ензими (НАД, ФАД, НАДФ, АТФ и коензимите), докато други са молекули на междуклетъчната сигнализация (ГТФ, цАМФ, NO).

Мономери

Строеж на захарозата.

Въглехидратите са карбонилни производни на поливалентни алкохоли. Тяхното разграждане чрез гликолиза е основен енергиен източник за организма. Те имат също структурна, предпазна и транспортна функция. Изградени са от монозахариди. Най-разпространеният монозахарид в природата е глюкозата. Тя се среща рядко в свободна форма. Разпространена е под формата на дизахариди (захароза, лактоза, малтоза) и полизахариди (нишесте, целулоза и гликоген). Други важни монозахариди са фруктозата (C₆H₁₂O₆), галактозата (C₆H₁₂O₆), дезоксирибозата (C₅H₁₀O₄) и рибозата.

Аминокиселините (по-точно, техните α-форми) са мономерите на белтъците. Те изграждат всички клетъчни органели и структури освен мембраната. За всички организми са общи 20 аминокиселини.

Нуклеотидите са азотни хетероциклични съединения, мономери на нуклеиновите киселини. В състава на ДНК участват четирите нуклеотида аденин, цитозин, гуанин и тимин, а при РНК вместо тимин се среща урацил. Нуклеиновите киселини играят ключова роля в съхраняването на наследствената информация (ДНК при повечето организми или РНК при някои вируси), както и в процесите на нейната реализация (РНК) до функционално активни белтъци.

Други съединения

Белтъците (протеините) са огромни биополимери, изградени от аминокиселини (мономери на белтъците). В живите организми се срещат двайсет аминокиселини, като всяка има карбонилна група, аминогрупа и страничен радикал, който се бележи с „R“. Именно страничният радикал прави аминокиселините различни една от друга и им придава специфична роля при изграждането на полипептидните вериги и тримерната структура на белтъците. Аминокиселините се свързват при кондензация, формирайки пептидна връзка. Образуването на белтъците се управлява от наследствената информация в ДНК (или РНК) посредством процес, известен като транскрипция.

Липидите са разнороден клас органични съединения, неразтворими във вода. Делят се на прости липиди (мазнини и восъци) и сложни липиди (фосфолипиди, сфинголипиди, ганглозиди и гликозиди). Отделна група образуват липоидите (стероидите и каротиноидите).

Изопреноидите, наричани и терпентени, са клас ароматни или производни на ароматните органични съединения, разпространени в растенията.

Алкалоидите са азотсъдържащи органични вещества, вторични метаболити при растенията; поразяват нервната система на бозайниците.

Някои нискомолекулни съединения, които не участват в изграждането на биополимерите, също са предмет на биохимията поради голямата си значимост в регулацията на метаболизма. Повечето са кофактори в реакциите, катализирани от ензими: НАД, ФАД, НАДФ, АМФ, коензим А и много други. Има молекули, участващи в междуклетъчната сигнализация, както и вторични посредници при провеждането на сигналите (фосфатидилинозитол-3,4-бифосфат, ГТФ, цАМФ, NO).

Метаболизъм

Метаболизмът е обмяната на веществата в организма. Представлява съвкупност от химични реакции, които протичат в клетките на организмите, за да ги поддържат живи. Тези процеси позволяват растеж, развитие, обновяване на структурите и отговаряне на промени в околната среда. Метаболитните процеси се поделят на две категории: катаболизъм – разграждане (окисление) с цел получаване на енергия чрез клетъчно дишане; анаболизъм – изграждане на собствени съединения с помощта на енергията, освободена при катаболизма.

Бележки

Цитирани източници

• Петров, Галин. Органична химия. София, Университетско издателство „Св. Климент Охридски“, 2006. ISBN 978-954-07-2382-2.
• Северин, Е. С. Биохимия: Учебник. 2-е, испр. Москва, ГЭОТАР-МЕД, 2004. ISBN 5-9231-0390-7. с. 784. (на руски)
• Kauffman, G. B. et al. Friedrich Wöhler (1800 – 1882), on the Bicentennial of His Birth // The Chemical Educator 6 (2). 2001. DOI:10.1007/s00897010444a. p. 121 – 133. (на английски)
• Wöhler, F. Ueber künstliche Bildung des Harnstoffs // Annalen der Physik und Chemie 12. 1828. S. 253 – 256. (на немски)