Важнейшие этапы развития биохимии. Разделы биохимии.

Первоначальные этапы истории биохимии совпадают с историей органической химии.

Первоначальные этапы.

Биологическая химия изучает не только органические, но и неорганические (минеральные) соединения, содержащиеся в организмах..
Историю биохимии (и органической химии) принято отсчитывать с конца XVIII в., когда впервые были выделены из организмов в чистом виде некоторые соединения — мочевина, лимонная кислота, яблочная кислота и др. В то время еще не было представлений о строении этих веществ. Длительный период развития биохимии, вплоть до середины XX в., заполнен открытием все новых веществ в живой природе, исследованием их структуры и химических превращений в организмах. Важнейшими достижениями этого периода явилось установление общего плана строения главных биополимеров — белков и нуклеиновых кислот, и раскрытие основных путей химических превращений веществ в организмах (метаболизм). В этот же период произошла дальнейшая дифференциация биохимии: в ней стали выделять статическую биохимию, изучающую химический состав организмов; динамическую биохимию, изучающую метаболизм; функциональную биохимию, изучающую связь химических процессов с физиологическими (биологическими) функциями.
Середина XX столетия явилась переломным этапом в истории биохимии. Развитие молекулярного уровня исследований в последующее время привело к перестройке структуры не только биохимии, но и всей биологии — ее методов, эмпирической основы, теоретических элементов, форм практического использования, классификации разделов биологии.
Отличительной чертой биохимии этого периода является переход к широкому изучению структуры и свойств индивидуальных представителей белков и нуклеиновых кислот, к выяснению функции каждого индивидуального белка и каждой функциональной единицы нуклеиновых кислот в живой клетке. Предпосылкой для этого послужило стремительное развитие методов разделения веществ и изучения их структуры, а также специфических для биохимии методов выделения и исследования надмолекулярных структур — клеточных органелл. Если в предшествующий период функциональная биохимия только зарождалась, то теперь она становится ведущим направлением в биохимии. По-прежнему сохраняются и усиливаются связи с органической химией, но одновременно резко возрастает значение связей биохимии с другими биологическими науками — цитологией, физиологией, генетикой. Наиболее ярким выражением этого явилось раскрытие молекулярных механизмов таких фундаментальных свойств жизни, как наследственность и изменчивость.
В 50-60-х годах XX в., когда была установлена структура ДНК, позволившая объяснить механизм репликации генов, возникло новое название для обозначения этого направления исследований — молекулярная биология. Первоначально молекулярной биологией называли область биохимии, изучающую молекулярные основы общебиологических явлений — наследственности, изменчивости, биологической эволюции. Однако очень скоро значение термина изменилось, и его стали применять в более широком смысле, вплоть до того, что некоторые биохимики считают термины «молекулярная биология» и «биохимия» синонимами.
До середины XX в. в биохимии преобладало исследование химических превращений веществ в организме, сопровождающихся изменением ковалентной структуры соединений (метаболизм). Однако со временем выяснилось, что не меньшее значение в обмене веществ и функционировании организма имеют физико-химические процессы, не связанные с изменением ковал ентной структуры соединений. Область биохимии, изучающую физико-химические и молекулярно-физичес-кие основы жизнедеятельности, называют физико-химической биологией.
Всякое изменение молекул в организме можно изучать в двух направлениях. Одно направление — выяснение роли этого процесса для функционирования живой клетки, органа, организма. В этом случае молекулярные процессы служат для объяснения биологических явлений. Другое направление — выяснение химических и физических основ этого процесса, т. е. объяснение поведения молекул в организме исходя из законов химической и физической форм движения материи. Исследования этого направления составляет содержание биоорганической химии. Биоорганическая химия занимает положение, пограничное с органической химией, в отличие от которой изучает прежде всего те свойства соединения, которые непосредственно связаны с его функцией в организме. Кроме того, биоорганическая химия, исходя из функций отдельных соединений в организме и механизма их действия, разрабатывает принципы создания синтетических биологически активных соединений, т. е. веществ, определенным образом изменяющих функции организма (лекарства, избирательно действующие инсектициды и др.).
Здесь названы основные направления биохимии, имеющие общебиологическое значение. Кроме того, в зависимости от конкретных объектов и задач исследования выделяют и другие разделы биохимии, например: биохимия вирусов, биохимия растений, биохимия животных.

 

В биохимии как учебной дисциплине традиционно выделяют следующие разделы:

• статическая биохимия;

• динамическая биохимия

• функциональная биохимия.

Медицинская биохимия изучает химические (биохимические) реакции, составляющие в своей совокупности обмен веществ, или метаболизм живых организмов. Главными своими задачами динамическая биохимия имеет изучение хода и механизмов реакций обмена веществ. частности преобразований в живых организмах таких биомолекул. как углеводы, липиды, белки, нуклеиновые кислоты. Простые биоорганические молекулы и их производные, образующиеся в процессе метаболизма (моносахариды, жирные кислоты, аминокислоты, нуклеотиды, низкомолекулярные карбоновые кислоты и др.), носят название метаболитов.

Статическая биохимия изучает химический состав живых организмов и структуру биоорганических молекул - биомолекул, входящих в их состав: белков, аминокислот, нуклеиновых кислот, нуклеотидов, углеводов и их производных, липидов, витаминов, гормонов и т.д.. Современная статическая биохимия за своими объектами исследования и методологии близка к биоорганической химии. В отличие от химии, биохимия уделяет основное внимание значению определенных биомолекул в образовании клеточных и тканевых структур, реализации физиологических функций организма.

Важным подразделением клинической биохимии с клиническая (медицинская) энзимология. Объектом изучения этого раздела клинической биохимии является ход ферментных реакций в организме больного человека в условиях различных патологических состояний путем определения активности отдельных ферментов, изоферментов и ферментных констелляций в биологических жидкостях и биоптатах и использования полученной информации в диапатическом и лечебном процессе.

Процесс транскрипции

Для того чтобы хранящаяся в ДНК информация могла быть использована, ее необходимо переписать (транскрибировать) в последовательностьРНК. При этом ДНК служит только матрицей, т. е. она не меняется в процессе транскрипции. Транскрибируемые последовательности ДНК, т. е. участки ДНК, которые кодируют определенные белки, называются генами. Установлено, что геном млекопитающих содержит по крайней мере 50000 индивидуальных генов, которые вместе составляют менее 20% суммарной ДНК генома. Функция «избыточных» последовательностей ДНК до конца не установлена.

Как уже упоминалось, РНК-полимераза II связывается с 3'-концом промоторного участка. Последовательность, обеспечивающая это связывание, так называемый ТАТА-бокс, короткий А- и Т-обогащенный участок, последовательность которого слегка варьирует у разных генов. Типичная последовательность (каноническая) —...ТАТААА.... Для взаимодействия полимеразы с этим участком необходимы несколько белков, основныхфакторов транскрипции. Дополнительные факторы могут либо стимулировать, либо ингибировать этот процесс (контроль транскрипции) (см. с.242).

После инициации синтеза (2), РНК-полимераза движется в направлении 3'→5' матричной цепи. В процессе инициации фермент разделяет короткий участок двойной спирали ДНК на две отдельные цепочки. Нуклеозидтрифосфаты связываются комплементарно на кодирующей цепочкеДНК водородными связями и шаг за шагом присоединяются к растущей молекуле РНК (3). Вскоре после начала элонгации 5'-конец транскрипта защищается «кэпом» (от англ. cap) (см. с. 242). Как только транскрипция доходит до сайта полиаденилирования (обычно это последовательность...ААТААА...), транскрипт отщепляется (4). После этого полимераза прекращает транскрипцию и диссоциирует от ДНК.

 

3 ) Лигазы (синтетазы) Это класс ферментов катализирует реакции синтеза соединений с использованием энергии АТФ и других аналогичных макроэргов, или с использованием биотина и делятся на 5 подклассов по типу образующихся связей:

6.1. =С=О связи

6.2. =С-S-связи

6.3.=С=N=связи

6.4. –С-С-связи

6.5. фосфоэфирные связи