Биохимия

Молекулата на живота – дезоксирибонуклеинова киселина.

Биохимията е наука за химичния състав, устройството, термодинамиката и обменните процеси в живите организми, които протичат в тях на молекулно и клетъчно равнище. Основния предмет на биохимията е определянето на състава, строежа и функциите на биомолекулите в организма.

Биохимията е сравнително млада наука, която възниква в пресечната точка на биологията и химията, през 19 век. Тя се намира в тясна връзка с органичната химия, биофизиката, генетиката и молекулярната биология.

Връзка на биохимията с другите субклетъчно-ориентирани 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 – централна догма на молекулярната биология. 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

В биохимията се прилагат множество разнообразни методи от различни области. В класическата биохимия се използват методиките от аналитична химия, органична химия, физикохимия и физика. Важни техники са центрофугиране, хроматография, електрофореза, спектроскопия, изотопни техники, кристализация, потенциометрични, електрохимични, поларографски и манометрични техники. През последните десетилетия се използват молекулярно-биологични техники, методи от компютърните науки, микробиология и други науки. Освен това в съвременната биохимия винаги се прави и количествена оценка на резултатите с математически методи и създаването на формални теории, с помощта на математиката.

История на биохимията

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

Историята на биохимията започва преди около 400 години. Въпреки че терминът „биохимия“ вероятно е използван за пръв път през 1882 г., е прието, че думата „биохимия“ е въведена от немският учен Карл Нойберг през 1903 г. Първоначално се е вярвало, че живото не е предмет на законите на науката по начина, по който неживото е. Вярвало се е, че само живите организми притежават жизнена сила (на латински: Vis Vita) и само те могат да произвеждат молекулите на живота. През 1828 г. Фридрих Вьолер публикува статия относно синтезата на уреята, с което доказва че органични компоненти могат да бъдат създавани изкуствено, като развенчава тази идея.

Важни за биохимията събития

• 1828 – Синтезът на органичен карбамид от неорганичния амониев цианат от Фридрих Вьолер
• 1833 – Откриването на първия ензим (Диастаза, Амилаза) от Анжел Пайен
• 1869 – Откриването на нуклеиновите киселини от Фридрих Мишер
• 1896 – Откриването на безклетъчна ферментация от Едуард Бухнер
• 1926 – Откриването на дихателния ензим цитохром оксидаза от Ото Варбург
• 1929 – Установяването на механизма на гликолизата от Густав Ембден, Ото Майерхоф и Якоб Парнас
• 1932 – Откриване на цикъла на лимонената киселина от Ханс Адолф Кребс (в негова чест „цикъл на Кребс“)
• 1953 – Установяването на структурата на дезоксирибонуклеиновата киселина от Джеймс Уотсън и Франсис Крик

Биомолекули

Четирите основни класа биомолекули са:

• въглехидрати;
• липиди;
• протеини;
• нуклеинови киселини.

Повечето биомолекули са полимери. Те са изградени от мономери, които се свързват помежду си и образуват полимери, чрез процес наречен поликондензация (в литературата често се среща неправилното „полимеризация“).

Въглехидрати

Структура на захарозата.

Въглехидратите са вид органични съединения – въглеводороди, с биологичен произход. Растенията, алгите и някои бактерии произвеждат въглехидрати от неорганични съединения, чрез процеса фотосинтеза.

Общото уравнение на кислородната фотосинтеза е:

2n CO₂ + 2n H₂O + фотони → 2(CH₂O)_n + 2n O₂

въглероден диоксид + вода + светлинна енергия → въглехидрати + кислород

Основната функция на въглехидратите в организма е свързана с обмяната на енергия. Въглехидратите имат още структурна, предпазна и транспортна функция.

Въглехидратите са изградени от мономери наречени 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. Процесите на гликолиза - катаболизъм на глюкозата - са основният източник на енергия за жизнените процеси в организмите на животните и човека.

Други важни монозахариди са фруктозата (C₆H₁₂O₆), галактозата (C₆H₁₂O₆) и дезоксирибозата (C₅H₁₀O₄).

Липиди

Триглицерид, изграден от глицерол в ляво и свързани към него три мастни киселини.

Липидите често, но не задължително, са изградени от глицерол и свързани към него други молекули. При триглицеридите, главната група липиди, глицеролът е естерифициран (свързан) с три мастни киселини. Другият главен клас липиди, стероидите, са производни на холестерола, получени чрез добавяне или заместване на функционални групи.

Протеини

Структура на α-аминокиселина с амино група вляво и карбоксилна вдясно.

Протеините са огромни биополимери изградени от мономери наречени аминокиселини. Има 20 канонични аминокиселини, като всяка има карбонилна група, аминогрупа и страничен радикал, който се бележи с „R“. Страничният радикал е този, който отличава аминокиселините една от друга и им придава специфична роля при изграждането на полипептидната верига и триизмерната структура на протеина. Аминокиселините се свързват при кондензация формирайки пептидна връзка, като по този начин се синтезират дългите вериги на белтъците. Процесът е известен като транскрипция.

Нуклеинови киселини

Нуклеиновите киселини играят ключова роля в съхраняването на наследствената информация (ДНК, при някои вируси РНК), както и в процесите на нейната реализация (РНК) до функционално активен протеин. Мономерите на нуклеиновите киселини се наричат нуклеотиди. В състава на ДНК участват предимно четирите нуклеотида – аденин, цитозин, гуанин и тимин, при РНК вместо тимин се среща урацил.

Нискомолекулни съединения

Някои нискомолекулни съединения, които не участват в изграждането на биополимерите, също са предмет на биохимията, поради голямата им значимост в регулацията и осъществяването на цялостния метаболизъм. Повечето са кофактори в ензимно-катализираните реакции (напр. НАД, ФАД, НАДФ, АМФ, коензим А и много други); други са сигнални молекули, участващи в междуклетъчната сигнализация, както и вторични посредници (second messenger) при осъществяването на сигналната трансдукция (фосфатидилинозитол-3,4-бифосфат, ГТФ, цАМФ, NO).

Метаболизъм

Метаболизмът е начинът, по който се извършва обмяната на веществата в организма. Метаболизмът е съвкупност от химични реакции, които протичат в клетките на организмите, за да ги поддържат живи. Тези процеси позволяват на организмите да нарастват и да се възпроизвеждат, да обновяват своите структури и да отговарят на промени в заобикалящата ги среда. Метаболитните процеси, с цел по-лесното им изследване и разбиране, се поделят на две категории: катаболизъм – разграждане (окисление) на органична материя, с цел получаване на енергия, чрез процеса на клетъчно дишане, и анаболизъм – синтез на собствени за организма компоненти, като протеини и нуклеинови киселини, като се използва енергията, освободена при катаболизма.