Модульная единица 1. Введение.

Цели и задачи изучения модульной единицы. Ознакомить студентов с историей возникновения и развития биохимии, применением достижений биохимии в различных сферах науки, образования и производства.

Предмет и методы биохимии.

Биохимия (биологическая химия) изучает химические процессы, происходящие в живых организмах. Важнейшей ее задачей является исследование химического состава растений, микроорганизмов, человека и животных как на молекулярно-клеточном, так и организменном уровнях, а также выяснение строения, функций и механизмов превращения веществ, участвующих в жизнедеятельности организмов. Современную биохимию в полной мере можно считать наукой, главная цель которой – это познание химических основ жизненных явлений.

В зависимости от объектов исследования в качестве самостоятельных научных направлений выделяют биохимию микро-организмов, растений, животных и человека, а также техническую биохимию, изучающую химические процессы при хранении и переработке продуктов растительного, животного и микробного проис-хождения.

Химические превращения в живых организмах обычно называют биохимическими реакциями или процессами, а образующиеся продукты таких реакций - метаболитами. Вся совокупность биохимических реакций в организме объединяется более общим названием - обмен веществ или метаболизм. Последовательности биохимических реакций, связанных с синтезом и превращениями определенных хи-мических веществ или групп структурно близких соединений, принято называть метаболическими путями.

Являясь в своей основе химической наукой, биохимия широко использует химические и физико-химические методы исследований: колориметрический и спектроскопический анализ, различные виды хроматографии, избирательную адсорб-цию, ультрацентрифугирование, электрофорез и изоэлектрофокусировку, рентгено-структурный анализ, электронную микроскопию, ядерный магнитный резонанс, применение радиоактивных и стабильных изотопов и др. Вместе с тем у биохимии выработались и свои специфические методы исследований. Главные особенности этих методов - применение щадящих способов выделения веществ, лиофильное высуши-вание биологического материала и использование защитных добавок с целью сохранения нативных свойств изучаемых веществ.

В процессе биохимических исследований очень часто используют искусственные полипептиды и олигонуклеотиды, иммуносорбцию и иммунохими-ческий анализ, а также специфические ферментные препараты, позволяющие направленно изучать тот или иной биохимический процесс. С целью более глубокого познания химических превращений, происходящих в организмах, проводится моделирование биохимических процессов в искусственных системах вне организма, а также разработаны специальные методики для проведения биохимических экспериментов в живых объектах (растения, животные, микроорганизмы).

История развития биохимии.

Со времен глубокой древности люди в борьбе за свое существование научились использовать многие биохимические процессы, которые были положены в основу различных производств: приготовление хлеба, сыра, вина и пива, дубление кож, ферментация чая и табака, получение кисломолочных и квашеных продуктов, лекарственных, витаминных и других препаратов. Однако механизмы этих процессов длительное время оставались неизвестными.

Интенсивное изучение органических веществ было начато в XVIII веке, когда в химическом анализе стали применять количественные методы. Из тканей животных и растений были выделены многие химические вещества и исследователи предпринимали попытки выяснить их свойства и биологические функции в организме. Особенно заметным событием в становлении биохимии как самостоятельной науки следует считать открытие действия ферментов - биологических катализаторов белковой природы, с помощью которых осуществляются химические реакции в живых организмах. Ученый Российской академии наук К.С.Кирхгоф в 1814 году установил, что в прорастающем зерне пшеницы содержится вещество, способное катализировать гидролитическое превращение крахмала в декстрины и сахар. Это вещество впо-следствии назвали амилазой. А в настоящее время известно, что гидролиз крахмала катализирует не один фермент, а целая группа амилаз.

Открытие К.С.Кирхгофа положило начало активному исследованию ферментативных реакций и к концу XIX века стало совершенно очевидным, что почти все химические превращения в живых клетках происходят с участием ферментов и благодаря действию этих катализаторов обеспечивается нормальная жизнедея-тельность организмов. В дальнейшем Э.Бухнер (1897 г.) обнаружил в бесклеточных дрожжевых экстрактах вещества, способные катализировать брожение сахара, и таким образом было показано, что в основе микробиологических процессов также находятся определенные химические реакции, которые происходят под воздействием ферментов, выделяемых в окружающую среду микробными клетками.

В течение XVIII-XIX веков проводилось изучение многих химических веществ, входящих в состав растительных и животных тканей, определялось их содержание и значение для питания и хозяйственной деятельности человека.В середине XIX века, используя новые аналитические методы, Ю.Либих определил содержание в пищевых продуктах белков, углеводов и жиров, а Н.Э.Лясковский выполнил детальные исследования по оценке содержания белков в зерне пшеницы и количества азота в растительных белках. В 1868 г. швейцарский химик И.Ф.Мишер впервые обнаружил в клеточном ядре дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК). В 1880 году Н.И.Лунин открыл в молоке вещества, которые впоследствии назвали витаминами. Э.Г.Фишер в 1901 г. сформулировал основные положения полипептидной теории строения белков. Таким образом, к концу XIX века биохимия сформировалась как самостоятельное научное направление, которое называли физиологической химией. Современное название этой науки "биохимия", или "биологическая химия", было дано в начале XX века (К.Нейберг,1903г.) и в дальнейшем оно уже окончательно вошло в перечень фундаментальных биологических наук.

Бурное развитие биохимии наблюдалось в течение всего XX века, когда во многих научных и образовательных учреждениях появились биохимические лаборатории и кафедры. В результате развернувшейся исследовательской работы уже проводилось не только изучение строения и функций органических веществ, входящих в состав организмов, но и выяснение механизмов их синтеза, распада и превращений.

С использованием современных методов определены структура, химический состав и биологические функции отдельных компонентов живого организма: органов, тканей, клеток, всех клеточных органелл и внутриклеточных мембранных комплексов. Значительные успехи достигнуты в разработке теории ферментативного катализа и регуляции химических процессов в организмах под действием аллостерических ферментов, гормонов и регуляторных белков. В результате углубленного изучения ультраструктуры клетки исследователям удалось сформулировать основные концепции биоэнергетических процессов и биохимических превращений, происходящих с участием клеточных мембран и связанных с ними ферментных комплексов. Достижения биохимии послужили основой для познания молекулярных основ морфогенеза и причин возникновения различных заболеваний, вызванных недостатком витаминов, незаменимых аминокислот и жирных кислот, а также болезней, связанных с недостаточным синтезом ферментов.

Биохимиками выполнены фундаментальные исследования по изучению особен-ностей химического состава сельскохозяйственных, технических и лекарственных растений, в результате которых раскрыты механизмы синтеза и превращений основных химических веществ, участвующих в их жизнедеятельности и формировании урожая, а также определяющих качество растительной продукции. В ходе таких исследований установлено влияние природно-климатических факторов, агротехники и химических средств на количественную и качественную изменчивость химического состава рас-тений и растительных продуктов. В основном выяснены бихимические механизмы превращений веществ, происходящих при хранении и переработке сельскохозяйственной продукции.

 

Образовательное и практическое значение биохимии.

Основные направления развития современной биохимии - дальнейшее изучение ферментативных и биоэнергетических процессов; познание регуляторных механизмов на уровне отдельных органов, тканей, клеток и внутриклеточных структур, а также целого организма; разработка биохимических основ управления процессами жизнедеятельности организмов и оптимизации факторов внешней среды. Важное значение имеет также теоретическое обоснование различных прикладных направлений биохимии, связанных с развитием новых технологий получения пищевых продуктов, кормовых и лекарственных препаратов, а также выращивания сельскохозяйственных культур и создания высокопродуктивных генотипов животных, растений и микроорганизмов.

В связи с тем, что биохимия изучает молекулярные процессы в организмах, она служит теоретической основой для ряда других наук - физиологии, молекулярной генетики, микробиологии, экологии, биотехнологии, фитопатологии, агрохимии, химической защиты растений. Достижения биохимии находят широкое применение в различных областях хозяйственной деятельности человека: селекции животных, растений и микроорганизмов, медицине, пищевой, парфюмерной и биотехнологи-ческой промышленности,сельском хозяйстве. Сведения по биохимии расширяют наши представления об устройстве окружающего нас мира, и прежде всего мира живой природы, поэтому они имеют важное образовательное значение.

Вопросы для повторения:

1. Что изучает биохимия? 2. Как подразделяют биохимию по объектам изучения? 3. Что называют метаболизмом? 4. Какие методы используются в биохимии? 5. Какие открытия послужили началом для развития биохимии? 6. Каковы основные этапы развития биохимии? 7. С какими другими науками тесно связана биохимия? 8. Как используются достижения биохимии в науке, производстве и образовательной деятельности человека? 9. Каковы достижения биохимии по изучению сельскохозяйственных растений?