Химический состав живых организмов, вещества, входящие в их состав, и химические процессы, которые происходят в организмах, изучает наука биохимия.

 

К началу XIX века существовала общая уверенность, что жизнь не подлежит физическим и химическим законам, характерным неживой природе. Считалось, что только живые организмы способны производить молекулы, характерные для них. только в 1828 году Фридрих Велер опубликовал работу о синтезе мочевины, осуществлен в лабораторных условиях, доказав, что органические соединения могут быть созданы искусственно. Это открытие нанесло серьезное ученым-виталистов, которые отрицали 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, очистки 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).

 

Начало биохимии также ознаменовался открытием первого фермента диастазы (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 живыми существами. Это утверждение было опровергнуто русским врачом Н. Манассеиною (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 Бухнер, который сумел экспериментально наблюдать этот процесс.

 

Сам термин «биохимия» было впервые предложено в 1882 году, однако считается, что широкого использования он приобрел после работ немецкого химика Карла Нойберга в 1903 году. К тому времени эта область исследований была известна как физиологическая химия. После этого времени биохимия быстро развивалась, особенно начиная с середины ХХ века, прежде всего благодаря разработке новых методов, таких как хроматография, рентгеноструктурный анализ, ЯМР-спектроскопия, радиоизотопное мечение, электронная и оптическая микроскопия и, наконец, молекулярная динамика и другие методы вычислительной биологии. Эти методы дали возможность открытия и детального анализа многих молекул и метаболических путей клетки, таких как гликолиз и цикл Кребса.

 

Другим важным историческим событием в развитии биохимии стало открытие генов и их роль в передаче информации в клетке. Это открытие сделало возможным возникновение не только генетики, но и молекулярной биологии, которая сформировалась на границе генетики и биохимии. В 1950-х годах Джеймс Уотсон, Фрэнсис Крик, Розалинд Франклин и Морис Уилкинс сумели расшифровать структуру ДНК и связали особенности ее строения с генетической передачей информации в клетке. Также в 1950-х годах Джордж Таймер и Эдвард Татум доказали, что один ген отвечает за синтез одного белка. Разработкой методов анализа ДНК, таких как генетический фингерпринтинг, связаны большие успехи биохимической судмедэкспертизы. Так, в 1988 году Колин Питчфорк стал первым человеком, обвиняемой в убийстве с помощью свидетельства на основе анализа ДНК.

 

Сейчас биохимические исследования проводятся в трех направлениях, сформулированных Майклом Шугаром. Биохимия растений исследует биохимию преимущественно автотрофных организмов, в том числе такие процессы как фотосинтез. Общая биохимия включает исследование как растений, так и животных и человека, а медицинская биохимия специализируется на биохимии человека и отклонениях биохимических процессов от нормы, в частности, в результате болезней.

 

Белки были выделены в отдельный класс биологических молекул в XVIII веке в результате работ французского химика Антуана де Фуркруа и других ученых, в которых было отмечено свойство белков коагулировать при нагревании или под действием кислот. В то время были исследованы такие белки, как альбумин из яичных белков, фибрин из крови и глютен из зерна пшеницы. голландский химик Геррит Мульдер провел анализ состава белков и обнаружил, что практически все белки имеют одинаковую эмпирическую формулу. Мульдер также определил продукты разрушения белков - аминокислоты - и для одной из них (лейцина) почти точно определил молекулярную массу - 131 дальтон.

 

Мульдером также принадлежит первая модель химического строения белков, предложенная им в 1836 году. Исходя из теории радикалов, он сформулировал понятие о минимальной структурной единицы в составе белков. Именно эта единица получила позднее название «протеина» (Pr), а концепция - теории протеина. Сам термин «протеин», что в современном понимании означает белок большинством европейских языков, был предложен в 1838 году сотрудником Мульдером Якобом Берцелиусом. Проверка этой модели привлекла внимание известных химиков своего времени, таких как Юстус Либих и Жан-Батист Дюма. Под влиянием новых данных теория протеина несколько раз корегувалася, но все же до конца 1850-х годов от нее пришлось полностью отказаться.

 

К концу XIX века уже было исследовано большинство аминокислот, входящих в состав белков. В 1894 году немецкий физиолог Альбрехт Коссель выдвинул теорию, что аминокислоты являются главными структурными элементами белков. В начале XX века немецкий химик Эмиль Фишер экспериментально доказал, что белки построены из остатков аминокислот, соединенных пептидными связями. Также он выполнил первые анализы аминокислотного состава белков и дал объяснение протеолиза. После 1926 года также стала понятной центральная роль белков в организмах, когда американский химик Джеймс Самнер (впоследствии - лауреат Нобелевской премии) показал, что фермент уреаза также является белком.

 

Изучению белков препятствовала сложность их выделения. Поэтому первые исследования белков проводились с использованием тех полипептидов, которые могли быть очищены в большом количестве, то есть белков крови, куриных яиц, различных токсинов и пищеварительных / метаболических ферментов, которые можно было выделить в местах забоя скота. В конце 1950-х годов компания Armour Hot Dog Co. смогла очистить килограмм бычьей панкреатической рибонуклеазы А, которая стала экспериментальным объектом для многих ученых.

 

Идея о том, что вторичная структура белков образуется в результате формирования водородных связей между аминокислотами, была высказана Уильямом Астбери в 1933 году, но Лайнус Полинг считается первым ученым, который смог успешно предсказать вторичную структуру белков. Позже Уолтер Каузман, опираясь на работы Кая линдерстрем-Ланге, сделал весомый вклад в понимание законов образования третичной структуры белков и роли в этом процессе гидрофобных узаемодий. В 1949 году Фред Сэнгер определил аминокислотную последовательность инсулина, продемонстрировав таким способом, что белки - это линейные полимеры аминокислот, а не разветвленные (как у некоторых сахаров) цепи, коллоиды или циклолы.

 

Первые структуры белков, основанные на методах рентгеноструктура-ного анализа на уровне отдельных атомов, были получены в 1960-х годах, а с помощью ЯМР-спектроскопии - в 1980-х годах. В 2006 году Банк данных белков (Protein Data Bank) содержал около 40 000 структур белков. Сейчас криоэлектронной микроскопия больших белковых комплексов по разрешению приближается к атомного уровня.

 

Особенностью исследований белков начале XXI века является одновременное получение данных о белковый состав целых клеток, тканей или организмов - протеомика. В результате необходимости анализа этих данных и роста возможностей вычислительных технологий активно развиваются методы биоинформатики анализа и сравнения белковых структур и вычислительные методы предсказания структуры белков, например, методы молекулярной динамики, предназначенные заменить в будущем экспериментальное определение белковых структур.


Загрузка...
Яндекс.Метрика Google+