БИОХИМИЯ. Лекция № 1. Биохимия как наука. Структура и функции основных веществ в организме. Предмет и методы исследований в биохимии. Обзор основных классов органических веществ, их роль в гомеостазе.

Биохимия (от греч. βίος - «жизнь» и егип. kēme - «Земля», также биологическая или физиологическая химия) - наука о химическом составе организмов и их составных частей и о химических процессах, протекающих в организмах. Наука имеет дело со структурой и функцией веществ, являющихся компонентами клеток и входящих в состав организма, таких как белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты и другие биомолекулы. Биохимия стремится отвечать на биологические и биохимические вопросы с помощью химических методов.

Биохимия – сравнительно молодая наука, возникшая на стыке биологии и химии в конце 19 века. Она изучает процессы развития и функционирования организмов на языке молекул, структуру и химические процессы, которые обеспечивают жизнь одно- и многоклеточных существ, населяющих Землю. Выдающиеся открытия в области учения о ферментах, биохимической генетики, молекулярной биологии и биоэнергетики превратили биохимию в фундаментальную дисциплину, позволяющую решать многие важные проблемы биологии и медицины.

Хотя существует широкий ряд различных биомолекул, многие из них являются полимерами, т.е. сложными большими молекулами, состоящими из многих подобных субъединиц, мономеров. Каждый класс полимерных биомолекул имеет собственный набор типов этих субъединиц. Например, белки являются полимерами, состоящими из аминокислот. Биохимия изучает химические свойства важных биологических молекул, таких как белки, в частности химию реакций, катализируемых ферментами.

Кроме того, большая часть исследований по биохимии имеет дело с метаболизмом клетки и его эндокринной и паракринной регуляцией. Другие области биохимии включают исследование генетического кода ДНК и РНК, биосинтез белков, транспорта через биологические мембраны и передачу сигналов.

Основы биохимии были заложены в середине 19-го века, когда такие ученые как Фридрих Вьолер и Ансельм Паен сумели впервые описать химические процессы в живых организмах и показать, что они не отличаются от обычных химических процессов. Многие работы в начале 20-го века привели к пониманию структуры белков, стало возможным проведение биохимических реакций (спиртового брожения) за пределами клетки и т. д. В тоже время начал применяться и сам термин «биохимия». Основы биохимии в Украине заложил Владимир Иванович Вернадский в 20-х годах прошлого столетия.

История

К началу 19 века существовала общая уверенность, что жизнь не подлежит физическим и химическим законам, присущим неживой природе. Считалось, что только живые организмы способны производить молекулы, характерные для них. Лишь в 1828 году Фридрих Велер опубликовал работу о синтезе мочевины, осуществленный в лабораторных условиях, доказав, что органические соединения могут быть созданы искусственно. Это открытие нанесло серьезное поражение ученым-виталистам, отрицавшим такую возможность.

К тому времени уже существовал фактический материал для первичных биохимических обобщений, который накапливался в связи с практической деятельностью людей, направленной на изготовление еды и вина, получения пряжи из растений, очистку кожи от шерсти с помощью микробов, на изучение состава и свойств мочи и других выделений здорового и больного человека. После работ Велера постепенно начали устанавливаться такие научные понятия, как дыхание, брожение, ферментация, фотосинтез. Изучение химического состава и свойств соединений, выделенных из животных и растений, становится предметом органической химии (химии органических соединений).

Рождение биохимии также ознаменовалося открытием первого фермента, диастаза (сейчас известного как амилаза) в 1833 году Ансельмом Паеном. Трудности, связанные с получением ферментов из тканей и клеток, использовались сторонниками витализма для утверждения о невозможности изучения клеточных ферментов вне живых существ. Это утверждение было опровергнуто русским врачом М. Манассеиной (1871 - 1872), которая предложила возможность наблюдать спиртовое брожение в экстрактах растертых (т.е. лишенных структурной целостности) дрожжей. В 1896 году эта возможность была подтверждена немецким ученым Эдуардом Бухнером, сумевшим экспериментально воссоздать этот процесс.

Сам термин «биохимия» был впервые предложен в 1882 году, однако, считается, широкого использования он приобрел после работ немецкого химика Карла Нойберг в 1903 году. К тому времени эта область исследований была известна как физиологическая химия. После этого времени биохимия быстро развивалась, особенно начиная с середины 20 века, прежде всего благодаря разработке новых методов, таких как хроматография, рентгеноструктурный анализ, ЯМР-спектроскопия, использование радиоизотопной метки, электронная и оптическая микроскопия и, наконец, молекулярная динамика и другие методы вычислительной биологии. Эти методы позволили открыть и провести детальный анализ многих молекул и метаболических путей клетки, таких как гликолиз и цикл Кребса.

Другим важным историческим событием в развитии биохимии стало открытие генов и их роли в передаче информации в клетке. Это открытие заложило возможность возникновения на только генетики, но и ее междисциплинар отрасли на стыке с биохимией - молекулярной биологии. В 1950-х годах Джеймс Ватсон, Фрэнсис Крик, Розалинда Франклин и Морис Уилкинс сумели расшифровать структуру ДНК и предположили ее связь с генетической передачей информации в клетке. Также в 1950-х годах Джордж Отлей и Эдвард Татум доказали, что один ген отвечает за синтез одного белка. С разработкой методов анализа ДНК, таких как генетический фингерпринтинг, в 1988 году Колин Питчфорк стал первым человеком, обвиненной в убийстве с помощью свидетельства на основе ДНК, что стало первым крупным успехом биохимической судмедэкспертизы. В 200-х годах Андрю Файр и Крег Мелло показали роль РНК-интерференции (RNAi), в подавлении экспрессии генов.

Сейчас биохимические исследования протекают в трех направлениях, сформулированных Майклом Шугар. Биохимия растений исследует биохимию преимущественно автотрофных организмов и исследует такие процессы как фотосинтез и другие. Общая биохимия включает исследование как растений, так и животных и человека, тогда как медицинская биохимия фокусируется преимущественно на биохимии человека и отклонениях биохимических процессов от нормы, в частности в результате болезней.

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.

Биохимический анализ крови – один из наиболее популярных методов исследования для пациентов и врачей. Если четко знать, что показывает биохимический анализ из вены, можно на ранних стадиях выявлять ряд серьезных недугов, среди которых – вирусный гепатит , . Раннее выявление таких патологий дает возможность применить правильное лечение и излечить их.

Кровь на исследование медсестра набирает на протяжении нескольких минут. Каждый пациент должен понимать, что неприятных ощущений эта процедура не вызывает. Ответ на вопрос, откуда берут кровь для анализа, однозначен: из вены.

Говоря о том, что такое биохимический анализ крови и что входит в него, следует учесть, что полученные результаты фактически являются своеобразным отображением общего состояния организма. Тем не менее, пытаясь самостоятельно понять, нормальный анализ или есть определенные отклонения от нормального значения, важно понимать, что такое ЛПНП, что такое КФК (КФК - креатинфосфокиназа), понимать, что такое urea (мочевина) и др.

Общие сведения о том, анализ биохимии крови - что это такое и что можно узнать, проведя его, вы получите из этой статьи. Сколько стоит проведение такого анализа, сколько дней нужно, чтобы получить результаты, следует узнавать непосредственно в лаборатории, где пациент намеревается провести это исследование.

Как происходит подготовка к биохимическому анализу?

Перед тем, как сдавать кровь, нужно тщательно подготовиться к этому процессу. Тем, кто интересуется, как правильно сдать анализ, нужно учесть несколько достаточно простых требований:

сдавать кровь нужно только натощак;
вечером, накануне предстоящего анализа, нельзя пить крепкий кофе, чай, потреблять жирную еду, алкогольные напитки (последние лучше не пить на протяжении 2-3 дней);
нельзя курить, по крайней мере, в течение часа до анализа;
за сутки до сдачи анализов не стоит практиковать любые тепловые процедуры – ходить в сауну, баню, также человек не должен подвергать себя серьезным физическим нагрузкам;
сдать лабораторные анализы нужно утром, перед проведением любых медицинских процедур;
человек, который готовится к анализам, придя в лабораторию, должен немного успокоиться, несколько минут посидеть и отдышаться;
негативным является ответ на вопрос, можно ли чистить зубы перед сдачей анализов: чтобы точно определить сахар в крови, утром перед проведением исследования нужно проигнорировать эту гигиеническую процедуру, а также не пить чай и кофе;
не следует перед забором крови принимать , гормональные лекарства, мочегонные средства и др.;
за две недели до исследования нужно прекратить прием средств, которые влияют на липиды в крови, в частности, статины ;
если нужно сдать полный анализ повторно, это нужно делать в одно и то же время, лаборатория тоже должна быть той же самой.

Если был проведен клинический анализ крови, расшифровка показателей проводится специалистом. Также интерпретация показателей биохимического анализа крови может проводиться с помощью специальной таблицы, в которой указаны нормальные показатели анализов у взрослых и у детей. Если какой-либо показатель отличается от нормы, важно обратить на это внимание и проконсультироваться с врачом, который может правильно «прочитать» все полученные результаты и дать свои рекомендации. При необходимости назначается биохимия крови: расширенный профиль.

Таблица расшифровки биохимического анализа крови у взрослых

Показатель в исследовании	Норма
Белок общий	63-87 г/л
Фракции белка:альбумины глобулины (α1, α2, γ, β)
Креатинин	44-97 мкмоль на л – у женщин, 62-124 – у мужчин
Мочевина	2,5-8,3 ммоль/л
Мочевая кислота	0,12-0,43 ммоль/л — у мужчин, 0,24-0,54 ммоль/л — у женщин.
Холестерин общий	3,3-5, 8 ммоль/л
ЛПНП	менее 3 ммоль на л
ЛПВП	выше или равно 1,2 ммоль на л — у женщин, 1 ммоль на л – у мужчин
Глюкоза	3,5-6,2 ммоль на л
Билирубин общий	8,49-20,58 мкмоль/л
Билирубин прямой	2,2-5,1 мкмоль/л
Триглицериды	менее 1,7 ммоль на л
Аспартатаминотрансфераза (сокращенно АСТ)	аланинаминотрансфераза — норма у женщин и мужчин — до 42 Ед/л
Аланинаминотрансфераза (сокращенно АЛТ)	до 38 Ед/л
Гамма-глутамилтрансфераза (сокращенно ГГТ)	нормальные показатели ГГТ — до 33,5 Ед/л — у мужчин, до 48,6 Ед/л – у женщин.
Креатинкиназа (сокращенно КК)	до 180 Ед/л
Щелочная фосфатаза (сокращенно ЩФ)	до 260 Ед/л
Α-амилаза	до 110 Е на литр
Калий	3,35-5,35 ммоль/л
Натрий	130-155 ммоль/л

Таким образом, биохимическое исследование крови дает возможность провести развернутый анализ для оценки работы внутренних органов. Также расшифровка результатов позволяет адекватно «читать», какие именно , макро- и микроэлементы, нужны организму. Биохимия крови позволяет распознать наличие патологий .

Если правильно расшифровать полученные показатели, намного проще поставить любой диагноз. Биохимия – это более подробное исследование, чем ОАК. Ведь расшифровка показателей общего анализа крови не позволяет получить столь подробных данных.

Очень важно проводить такие исследования при . Ведь общий анализ при беременности не дает возможности получить полной информации. Поэтому биохимию у беременных назначают, как правило, в первые месяцы и в третьем триместре. При наличии определенных патологий и плохого самочувствия этот анализ проводят чаще.

В современных лабораториях способны провести исследование и расшифровать полученные показатели на протяжении нескольких часов. Пациенту предоставляется таблица, в которой указаны все данные. Соответственно, есть возможность даже самостоятельно отследить, насколько показатели крови в норме у взрослых и у детей.

Как таблица расшифровки общего анализа крови у взрослых, так и биохимические анализы расшифровываются с учетом возраста и пола пациента. Ведь норма биохимии крови, как и норма клинического анализа крови, может варьироваться у женщин и мужчин, у молодых и пожилых пациентов.

Гемограмма – это клинический анализ крови у взрослых и детей, который позволяет узнать количество всех элементов крови, а также их морфологические особенности, соотношение , содержание и др.

Так как биохимия крови – это комплексное исследование, она включает также печеночные пробы. Расшифровка анализа позволяет определить, в норме ли функция печени. Печеночные показатели важны для диагностики патологий этого органа. Оценить структурное и функциональное состояние печени дают возможность следующие данные: показатель АЛТ, ГГТП (ГГТП норма у женщин немного ниже), щелочной фосфатазы, уровень и общего белка. Печеночные пробы проводятся при необходимости установить или подтвердить диагноз.

Холинэстераза определяется с целью диагностики выраженности и состояния печени, а также ее функций.

Сахар в крови определяется с целью оценки функций эндокринной системы. Как называется анализ крови на сахар, можно узнать непосредственно в лаборатории. Обозначение сахара можно найти в бланке с результатами. Как обозначается сахар? Он обозначается понятием «глюкоза» или «GLU» на английском.

Важна норма CRP , так как скачок этих показателей свидетельствует о развитии воспаления. Показатель АСТ свидетельствует о патологических процессах, связанных с разрушением тканей.

Показатель MID в анализе крови определяют при проведении общего анализа. Уровень MID позволяет определить развитие , инфекционных болезней, анемии и др. Показатель MID позволяет оценить состояние иммунной системы человека.

МСНС – это показатель средней концентрации в . Если МСНС повышен, причины этого связаны с недостатком или , а также врожденного сфероцитоза.

MPV - среднее значение объема измеренных .

Липидограмма предусматривает определение показателей общего , ЛПВП, ЛПНП, триглицеридов. Липидный спектр определяют с целью выявления нарушений липидного обмена в организме.

Норма электролитов крови свидетельствует о нормальном течении обменных процессов в организме.

Серомукоид – это фракция белков , которая включает группу гликопротеинов. Говоря о том, серомукоид - что это такое, следует учесть, что если разрушается, деградирует или повреждается соединительная ткань, серомукоиды поступают в плазму крови. Поэтому серомукоиды определяют с целью прогноза развития .

ЛДГ, LDH (лактатдегидрогеназа) – это , принимающий участие в окислении глюкозы и продукции молочной кислоты.

Исследование на остеокальцин проводят для диагностики .

Анализ на ферритин (белковый комплекс, основное внутриклеточное депо железа) проводят при подозрении на гемохроматоз, хронические воспалительные и инфекционные болезни, опухоли.

Анализ крови на ASO важен для проведения диагностики разновидности осложнений после перенесенной стрептококковой инфекции.

Кроме того, определяются и другие показатели, а также проводятся другие следования (электрофорез белков и др.). Норма биохимического анализа крови отображается в специальных таблицах. В ней отображена норма биохимического анализа крови у женщин, таблица также дает информацию о нормальных показателях у мужчин. Но все же о том, как расшифровать общий анализ крови и как прочитать данные биохимического анализа, лучше спрашивать у специалиста, который адекватно оценит результаты в комплексе и назначит соответствующее лечение.

Расшифровка биохимии крови у детей проводится специалистом, который назначил исследования. Для этого также используется таблица, в которой обозначена норма у детей всех показателей.

В ветеринарии также существуют нормы биохимических показателей крови для собаки, кошки – в соответствующих таблицах указан биохимический состав крови животных.

Что значат в анализе крови некоторые показатели, подробнее рассматривается ниже.

Белок очень много значит в организме человека, так как он принимает участие в творении новых клеток, в транспорте веществ и формировании гуморального .

В состав протеинов входит 20 основных , также в их составе содержатся неорганические вещества, витамины, остатки липидов и углеводов.

В жидкой части крови содержится примерно 165 белков, причем, их строение и роль в организме разные. Протеины делятся на три разные белковые фракции:

глобулины (α1, α2, β, γ);
фибриноген .

Так как выработка протеинов происходит в основном в печени, их уровень свидетельствует о ее синтетической функции.

Если проведенная протеинограмма свидетельствует, что в организме отмечается снижение показателей общего белка, это явление определяется как гипопротеинемия. Подобное явление отмечается в следующих случаях:

при белковом голодании – если человек соблюдает определенную , практикует вегетарианство;
если отмечается повышенное выведение белка с мочой – при , болезнях почек, ;
если человек теряет много крови – при кровотечениях, обильных месячных;
в случае серьезных ожогов;
при экссудативном плеврите, экссудативном перикардите, асците;
при развитии злокачественных новообразований;
если нарушено образование белка – при , гепатите;
при снижении всасывания веществ – при , колите, энтерите и др.;
после продолжительного приема глюкокортикостероидов.

Повышенный уровень белка в организме – это гиперпротеинемия . Различается абсолютная и относительная гиперпротеинемия.

Относительный рост протеинов развивается в случае потери жидкой части плазмы. Это происходит, если беспокоит постоянная рвота, при холере.

Абсолютное увеличение белка отмечается, если имеют место воспалительные процессы, миеломная болезнь.

Концентрации этого вещества на 10% изменяются при изменении положения тела, а также во время физических нагрузок.

Почему изменяются концентрации фракций белка?

Белковые фракции – глобулины, альбумины, фибриноген.

Стандартный биоанализ крови не предполагает определения фибриногена, который отображает процесс свертывания крови. Коагулограмма – анализ, в котором определяют этот показатель.

Когда повышен уровень фракций белка?

Уровень альбуминов:

если происходит потеря жидкости во время инфекционных заболеваний;
при ожогах.

Α-глобулины:

при системных болезнях соединительной ткани ( , склеродермия);
при гнойных воспалениях в острой форме;
при ожогах в период восстановления;
нефротический синдром у больных гломерулонефритом.

Β- глобулины:

при гиперлипопротеинемии у людей с сахарным диабетом, ;
при кровоточащей язве в желудке или кишечнике;
при нефротическом синдроме;
при .

Гамма-глобулины повышены в крови:

при вирусных и бактериальных инфекциях;
при системных болезнях соединительной ткани (артрит ревматоидный, дерматомиозит, склеродермия);
при аллергии;
при ожогах;
при глистной инвазии.

Когда понижен уровень фракций белка?

у новорожденных детей вследствие недоразвитости печеночных клеток;
при легких;
при беременности;
при заболеваниях печени;
при кровотечениях;
в случае накопления плазмы в полостях организма;
при злокачественных опухолях.

В организме происходит не только строительство клеток. Они также распадаются, и при этом накапливаются азотистые основания. Формирование их происходит в печени человека, выводятся они через почки. Следовательно, если показатели азотистого обмена повышены, то вероятно нарушение функций печени или почек, а также избыточный распад белков. Основные показатели азотистого обмена – креатинин , мочевина . Реже определяется аммиак, креатин, остаточный азот, мочевая кислота.

Мочевина (urea)

гломерулонефриты, острые и хронические;
нефросклероз;
отравление разными веществами - дихлорэтаном, этиленгликолем, солями ртути;
артериальная гипертензия;
краш-синдром;
поликистоз или почек;

Причины, вызывающие понижение:

увеличенное выделение мочи;
введение глюкозы;
печеночная недостаточность;
снижение обменных процессов;
голодание;
гипотиреоз.

Креатинин

Причины, вызывающие повышение:

почечная недостаточность в острой и хронической формах;
декомпенсированный ;
акромегалия;
непроходимость кишечника;
дистрофия мышц;
ожоги.

Мочевая кислота

Причины, вызывающие повышение:

лейкозы;
дефицит витамина В-12;
инфекционные болезни острого характера;
болезнь Вакеза;
заболевания печени;
сахарный диабет в тяжелой форме;
патологии кожных покровов;
отравление угарным газом, барбитуратами.

Глюкоза

Глюкоза считается основным показателем обмена углеводов. Она является основным энергетическим продуктом, который поступает в клетку, так как жизнедеятельность клетки зависит именно от кислорода и глюкозы. После того, как человек принял пищу, глюкоза попадает в печень, а там происходит ее утилизация в виде гликогена . Контролируют эти процессы поджелудочной – и глюкагон . Вследствие недостатка глюкозы в крови развивается гипогликемия, ее избыток говорит о том, что имеет место гипергликемия.

Нарушение концентрации глюкозы в крови происходит в следующих случаях:

Гипогликемия

при продолжительном голодании;
в случае нарушения всасывания углеводов – при , энтерите и др.;
при гипотиреозе;
при хронических патологиях печени;
при недостаточности коры надпочечников в хронической форме;
при гипопитуитаризме;
в случае передозировки инсулином или гипогликемическими лекарствами, которые принимают перорально;
при , инсуломе, менингоэнцефалите, .

Гипергликемия

при сахарном диабете первого и второго типов;
при тиреотоксикозе;
в случае развития опухоли ;
при развитии новообразований коры надпочечников;
при феохромоцитоме;
у людей, которые практикуют лечение глюкокортикоидами;
при ;
при травмах и опухолях мозга;
при психоэмоциональном возбуждении;
если произошло отравление угарным газом.

Специфические окрашенные белки – это пептиды, в составе которых есть металл (медь, железо). Это миоглобин, гемоглобин, цитохром, церуллоплазмин и др. Билирубин – это конечный продукт распада таких белков. Когда завершается существование эритроцита в селезенке, за счет биливердинредуктазы вырабатывается билирубин, который называется непрямой или свободный. Этот билирубин токсичен, поэтому для организма он вреден. Однако так как происходит его быстрая связь с альбуминами крови, то отравление организма не происходит.

В то же время у людей, которые страдают циррозом, гепатитом, в организме связи с глюкуроновой кислотой не происходит, поэтому анализ показывает высокий уровень билирубина. Далее происходит связывание непрямого билирубина с глюкуроновой кислотой в клетках печени, и он превращается в связанный или прямой билирубин (DBil), не являющийся токсичным. Высокий уровень его отмечается при синдроме Жильбера , дискинезиях желчевыводящих путей . Если проводятся печеночные пробы, расшифровка их может демонстрировать высокий уровень прямого билирубина, если повреждены печеночные клетки.

Ревмопробы

Ревмопробы – комплексный иммунохимический анализ крови, в который входит исследование на определение ревматоидного фактора, анализ на циркулирующие иммунные комплексы, определение антител к о-стрептолизину. Ревмопробы могут проводиться самостоятельно, а также как часть исследований, которые предусматривает иммунохимия. Ревмопробы следует проводить, если есть жалобы на боли в суставах.

Выводы

Таким образом, общетерапевтический развернутый биохимический анализ крови – очень важное исследование в процессе диагностики. Тем, кто хочет провести в поликлинике или в лаборатории полный расширенный БХ анализ крови или ОАК, важно учесть, что в каждой лаборатории используют определенный набор реактивов, анализаторы и другие аппараты. Следовательно, нормы показателей смогут различаться, что нужно учитывать, изучая, что показывает клинический анализ крови или результаты биохимии. Перед тем, как читать результаты, важно убедиться, что в бланке, который выдают в медучреждении, обозначены нормативы, чтобы расшифровать результаты пробы правильно. Норма ОАК у детей также обозначена в бланках, но оценивать полученные результаты должен врач.

Многие интересуются: анализ крови форма 50 - что это и зачем его сдавать? Это анализ на определение антител, которые есть в организме, если он заражен . Анализ ф50 делается как при подозрении на ВИЧ, так и с целью профилактики у здорового человека. К такому исследованию также стоит правильно подготовиться.

Биологическая химия Лелевич Владимир Валерьянович

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

Из книги Пранаяма. Сознательный способ дыхания. автора Гупта Ранджит Сен

Введение Пранаяма – это сознательное восприятие и овладение жизненной энергией, присущей психофизической системе каждого живого существа. Пранаяма – это нечто большее, нежели система контроля дыхания. Пранаяма имеет несколько аспектов – в грубом и в тонком

Из книги Разведение собак автора Хармар Хиллери

ГЛАВА 1. Практическое введение в генетику и разведение

Из книги Собаки и их разведение [Разведение собак] автора Хармар Хиллери

ГЛАВА 1 Практическое введение в генетику и разведение

Из книги Эволюционно-генетические аспекты поведения: избранные труды автора Крушинский Леонид Викторович

Введение Дарвин, останавливаясь на инстинктивной деятельности животных, указывал на естественный отбор как на направляющую причину ее возникновения и развития. Подойдя к сложному и наиболее запутанному вопросу поведения животных, Дарвин применял к нему те же

Из книги Язык как инстинкт автора Пинкер Стивен

Введение Один из важнейших вопросов учения о поведении животных - происхождение сложно-безусловных, инстинктивных реакций организма. Ч. Дарвин в «Происхождении видов» (1896. С. 161) в главе об инстинктах указал на естественный отбор как на фактор, направляющий развитие этой

Из книги Взаимопомощь как фактор эволюции автора Кропоткин Петр Алексеевич

Введение Биология развития поведения как научная дисциплина начала развиваться на рубеже XIX и XX вв. Наиболее существенные исследования в этом направлении выполнены Когхиллом (Coghill, 1929), работавшим на амблистомах. Когхилл приходит к ряду принципиальных положений, важных

Из книги Гомеопатическое лечение кошек и собак автора Гамильтон Дон

Глава 1 ИНСТИНКТ ОВЛАДЕНИЯ МАСТЕРСТВОМ Введение в теорию о том, что язык является инстинктом человека. В основе этой теории - идеи Чарльза Дарвина, Уильяма Джеймса и Ноама Хомского Когда вы читаете эти слова, вы становитесь причастными к одному из удивительнейших

Из книги Химера и антихимера автора Швецов Михаил Валентинович

Из книги Чем питаются насекомые [иллюстрации В. Гребенникова] автора Мариковский Павел Иустинович

Глава I Введение в гомеопатию

Из книги Распространненость жизни и уникальность разума? автора Мосевицкий Марк Исаакович

Введение Теория Дарвина задаётся целью объяснить механически происхождение целесообразностей в организмах. Мы же считаем способность к целесообразным реакциям за основное свойство организма. Выяснять происхождение целесообразностей приходится не эволюционному

Из книги Биология. Общая биология. 10 класс. Базовый уровень автора Сивоглазов Владислав Иванович

Введение Что едят насекомые? Ну, допустим, растения, друг друга, быть может, еще кое-что. Не слишком ли простая и узкая тема, чтобы ей посвятить целую книжку?Мир насекомых бесконечно разнообразен, видов насекомых существует больше, чем всех остальных животных и растений,

Из книги Современное состояние биосферы и экологическая политика автора Колесник Ю. А.

Глава I. Введение Посвящаю родителям и Тане С незапамятных времен человек задумывался над собственным происхождением и возникновением жизни вообще. Библия донесла до нас ответы на эти вопросы, предложенные 2500 лет тому назад. Во многом сходными были воззрения шумеров,

Из книги Синдром Паганини [и другие правдивые истории о гениальности, записанные в нашем генетическом коде] автора Кин Сэм

Введение Биология – наука о жизни. Её название произошло от двух греческих слов: bios (жизнь) и logos (наука, слово). Слово о жизни… Какая наука имеет более глобальное название?.. Изучая биологию, человек познаёт самого себя как индивидуума и как члена определённой популяции,

Из книги Биологическая химия автора Лелевич Владимир Валерьянович

Глава 1 Введение в проблематику биосферы 1.1. Определение биосферы Что же представляет собой биосфера?Напомним некоторые ее характерные признаки.В современной науке имеется много определений биосферы. Приведем лишь некоторые. «Биосфера – особая, охваченная жизнью

Из книги автора

Введение Вот и он, первый абзац книги о ДНК – о том, как перед нами раскрываются истории, хранившиеся в ДНК на протяжении тысяч и даже миллионов лет, о том, как ДНК помогает нам разгадать загадки о человеке, ответы на которые, казалось, давно утрачены. Ах да! Я пишу эту книгу

Из книги автора

Глава 8. Введение в метаболизм Обмен веществ или метаболизм – это совокупность химических реакций в организме, которые обеспечивают его веществами и энергией, необходимыми для жизнедеятельности. Процесс метаболизма, сопровождающийся образованием более простых

Жизнь и неживое? Химия и биохимия? Где между ними грань? И есть ли она? Где связь? Ключ к разгадке этих проблем долгое время был у природы за семью замками. И лишь в XX веке удалось несколько приоткрыть тайны жизни, причем многие кардинальные вопросы прояснились, когда ученые дошли до исследований на уровне молекул. Познание физико-химических основ жизненных процессов стало одной из главных задач естествознания, и именно на этом направлении, пожалуй, были получены самые интересные результаты, имеющие принципиальное теоретическое значение и сулящие громадный выход в практику.

Химия давно уже присматривается к природным веществам, участвующим в процессах жизнедеятельности.

За прошедшие два столетия химии суждено было сыграть выдающуюся роль в познании живой природы. На первом этапе химическое изучение носило описательный характер, и учеными были выделены и охарактеризованы разнообразные природные вещества, продукты жизнедеятельности микроорганизмов, растений и животных, обладавшие часто ценными свойствами (лекарственные препараты, красители и т. п.). Однако лишь сравнительно недавно на смену этой традиционной химии природных соединений пришла современная биохимия с ее стремлением не только описать, но и объяснить, и не только самое простое, но и самое сложное в живом.

Внеорганическая биохимия

Внеорганическая биохимия как наука сложилась в середине XX столетия, когда на сцену вырвались новые направления биологии, оплодотворенные достижениями других наук, и когда в естествознание пришли специалисты нового склада ума, объединенные желанием и стремлением точнее описать живой мир. И не случайно под одной крышей старомодного здания по Академическому проезду, 18 оказались два вновь организованных института, представлявших самые новые в то время направления химико-биологической науки, - Институт химии природных соединений и Институт радиационной и физико-химической биологии. Этим двум институтам суждено было начать в нашей стране бой за познание механизмов биологических процессов и детальное выяснение структур физиологически активных веществ.

К этому периоду стала ясна уникальная структура основного объекта молекулярной биологии - дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), знаменитая «двойная спираль». (Это длинная молекула, на которой, как на магнитофонной ленте или матрице, записан полный «текст» всей информации об организме.) Появилась структура первого белка - гормона инсулина, был успешно выполнен химический синтез гормона окситоцина.

А что, собственно, такое биохимия, чем она занимается?

Эта наука изучает биологически важные природные и искусственные (синтетические) структуры, химические соединения - как биополимеры, так и низкомолекулярные вещества. Точнее, закономерности связи их конкретной химической структуры с соответствующей физиологической функцией. Биоорганическую химию интересует тонкое устройство молекулы биологически важного вещества, внутренние ее связи, динамика и конкретный механизм ее изменения, роль каждого ее звена в выполнении функции.

Биохимия — ключ к пониманию белков

Биоорганической химии принадлежат, несомненно, крупные успехи в изучении белковых веществ. Еще в 1973 году было завершено выяснение полной первичной структуры фермента аспартат-аминотрансферазы, состоящего из 412 аминокислотных остатков. Это один из наиболее важных биокатализаторов живого организма и один из наиболее крупных белков с расшифрованной структурой. Позднее было определено строение и других важных белков - несколько нейротоксинов из яда среднеазиатской кобры, которые используются при изучении механизма передачи нервного возбуждения в качестве специфических блокаторов, а также растительного гемоглобина из клубеньков желтого люпина и антилейкозного белка актиноксантина.

Огромный интерес представляют родопсины. Давно известно, что родопсин - основной белок , участвующий у животных в процессах зрительной рецепции, и его выделяют из особых систем глаза. Этот уникальный белок принимает световой сигнал и обеспечивает нам способность видеть. Было обнаружено, что подобный родопсину белок встречается и у некоторых микроорганизмов, но выполняет совсем другую функцию (поскольку бактерии «не видят»). Здесь он энергетическая машина, синтезирующая богатые энергией вещества за счет света. Оба белка очень близки по структуре, но их назначение принципиально различно.

Одним из важнейших объектов изучения был фермент, участвующий в реализации генетической информации. Двигаясь по ДНК-матрице, он как бы считывает записанную в ней наследственную информацию и на этой основе синтезирует информационную рибонуклеиновую кислоту. Последняя же, в свою очередь, служит матрицей для синтеза белков. Этот фермент - огромный белок, его молекулярный вес приближается к полумиллиону (вспомним: у воды он всего лишь 18) и состоит из нескольких различных субъединиц. Выяснение его структуры суждено было помочь ответить на важнейший вопрос биологии: каков механизм «снятия» генетической информации, как идет расшифровка текста, записанного в ДНК - основном веществе наследственности.

Пептиды

Ученых привлекают не только белки, но и более короткие цепочки из аминокислот, называемые пептидами. Среди них сотни веществ громадного физиологического значения. Вазопрессин и ангиотензин участвуют в регуляции кровяного давления, гастрин управляет секрецией желудочного сока, грамицидин С и полимиксин - антибиотики, к которым относятся и так называемые вещества памяти. В короткой цепочке несколькими «буквами» аминокислотами записана огромная биологическая информация!

Сегодня мы умеем искусственно получать не только любой сложный пептид, но и простой белок, например инсулин. Значение таких работ трудно переоценить.

Был создан метод комплексного анализа пространственного строения пептидов с помощью разнообразных физических и расчетных методов. А ведь сложная объемная архитектура пептида и определяет всю специфику его биологической активности. Пространственное строение любого биологически активного вещества, или, как говорят, его конформация, - ключ к пониманию механизма его действия.

Среди представителей нового класса пептидных систем - депсипелтидов - коллектив ученых обнаружил вещества поразительной природы, способные селективно переносить ионы металлов через биологические мембраны, так называемые ионофоры. И главный среди них - валиномицин.

Открытие ионофоров составило целую эру в мембранологии, поскольку позволило направленно изменять транспорт ионов щелочных металлов - калий и натрий - через биомембраны. С транспортом этих ионов связаны и процессы нервного возбуждения, и процессы дыхания, и процессы рецепции - восприятия сигналов внешней среды. На примере валиномицина удалось показать, как биологические системы способны выбрать лишь один ион из десятков других, связать его в удобно транспортируемый комплекс и перенести через мембрану. Это удивительное свойство валиномицина заключено в его пространственной структуре, напоминающей собой ажурный браслет.

Другой тип ионофоров представляет собой антибиотик грамицидин А. Это линейная цепочка, построенная из 15 аминокислот, в пространстве образует спираль из двух молекул, причем, как было установлено, это истинная двойная спираль. Первая двойная спираль в белковых системах! И спиральная структура, встраиваясь в мембрану, образует своеобразную пору, канал, через который ионы щелочных металлов проходят сквозь мембрану. Простейшая модель ионного канала. Понятно, почему грамицидин вызвал такую бурю в мембранологии. Ученые уже получили многие синтетические аналоги грамицидина, он детально изучался на искусственных и биологических мембранах. Сколько прелести и значимости в такой, казалось бы, маленькой молекуле!

Не без помощи валиномицина и грамицидина ученые оказались втянутыми в исследование биологических мембран.

Биологические мембраны

Но в состав мембран всегда входит еще один основной компонент, который определяет их природу. Это жироподобные вещества, или липиды. Молекулы липидов невелики по размеру, но они образуют прочные гигантские ансамбли, формирующие сплошной мембранный слой. В этот слой встраиваются молекулы белков - и вот вам одна из моделей биологической мембраны.

Почему же важны биомембраны? Вообще мембраны - важнейшие регуляторные системы живого организма. Сейчас по подобию биомембран создаются важные технические средства - микроэлектроды, датчики, фильтры, топливные элементы… И дальнейшие перспективы использования мембранных принципов в технике поистине безграничны.

Прочие интересы биохимии

Видное место занимают исследования по бихимии нуклеиновых кислот. Они нацелены на расшифровку механизма химического мутагенеза, а также на познание природы связи между нуклеиновыми кислотами и белками.

Особое внимание было издавна сосредоточено на искусственном синтезе гена. Ген, или, если говорить упрощенно, функционально значимый участок ДНК, сегодня уже можно получить химическим синтезом. Это одно из важных направлений модной сейчас «генной инженерии». Работы, лежащие на стыке биоорганической химии и молекулярной биологии, требуют овладения сложнейшими приемами, дружного сотрудничества химиков и биологов.

Еще один класс биополимеров - углеводы, или полисахариды. Мы знаем типичных представителей веществ этой группы - целлюлозу, крахмал, гликоген, свекловичный сахар. Но в живом организме углеводы выполняют самые разнообразные функции. Это защита клетки от врагов (иммунитет), она важнейшая составная часть клеточных стенок, компонент рецепторных систем.

Наконец, антибиотики. В лабораториях выяснено строение таких важнейших групп антибиотиков, как стрептотрицин, оливомицин, альбофунгин, абиковхромицин, ауреоловая кислота, обладающие противоопухолевой, противовирусной и антибактериальной активностью.

Рассказать о всех поисках и достижениях биоорганической химии невозможно. С уверенностью только можно утверждать, что у биооргаников больше планов, чем сделанного.

Биохимия тесно сотрудничает с молекулярной биологией, биофизикой, изучающими жизнь на уровне молекул. Она стала химическим фундаментом этих исследований. Создание и широкое использование новых ее методов, новых научных концепций способствует дальнейшему прогрессу биологии. Последняя, в свою очередь, стимулирует развитие химических наук.