Можно сказать, что история биохимии началась с древних греков, которые интересовались составом и процессами жизни, хотя биохимия как особая научная дисциплина зародилась примерно в начале 19 века. [1] Некоторые утверждали, что началом биохимии могло быть открытие первого фермента , диастазы (сегодня называемой амилазой ), в 1833 году Ансельмом Пайеном , [2] в то время как другие считали, что Эдуард Бюхнер впервые продемонстрировал сложный биохимический процесс. спиртовое брожение в бесклеточных экстрактах стало рождением биохимии. [3] [4] Некоторые также могут указать на влиятельную работу Юстуса фон Либиха 1842 года « Химия животных, или Органическая химия в ее приложениях к физиологии и патологии» , в которой представлена химическая теория метаболизма, [1] или даже раньше. до исследований XVIII века по брожению и дыханию Антуана Лавуазье . [5] [6]
Сам термин «биохимия» происходит от сочетания форм «био-» , что означает «жизнь», и «химия» . Это слово впервые было записано на английском языке в 1848 году [7] , а в 1877 году Феликс Хоппе-Зейлер использовал этот термин ( Biochemie на немецком языке) в предисловии к первому выпуску Zeitschrift für Physiologische Chemie (Журнал физиологической химии) как синоним. по физиологической химии и выступал за создание институтов, занимающихся ее изучением. [8] [9] Тем не менее, несколько источников ссылаются на немецкого химика Карла Нойберга как на изобретателя термина для новой дисциплины в 1903 году, [10] [11] , а некоторые приписывают его Францу Хофмейстеру . [12]
Предметом изучения биохимии являются химические процессы в живых организмах, а ее история включает в себя открытие и понимание сложных компонентов жизни и выяснение путей биохимических процессов. Большая часть биохимии занимается структурами и функциями клеточных компонентов, таких как белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты и другие биомолекулы; их метаболические пути и поток химической энергии посредством метаболизма; как биологические молекулы вызывают процессы, происходящие внутри живых клеток; он также фокусируется на биохимических процессах, участвующих в контроле потока информации посредством биохимической передачи сигналов, и на том, как они связаны с функционированием целых организмов. За последние 40 лет [ по состоянию на? ] эта область добилась таких успехов в объяснении жизненных процессов, что теперь почти все области наук о жизни, от ботаники до медицины, занимаются биохимическими исследованиями.
Среди огромного количества различных биомолекул многие представляют собой сложные и большие молекулы (называемые полимерами), которые состоят из схожих повторяющихся субъединиц (называемых мономерами). Каждый класс полимерных биомолекул имеет свой набор типов субъединиц. Например, белок — это полимер, субъединицы которого выбираются из набора двадцати и более аминокислот, углеводы образуются из сахаров, известных как моносахариды, олигосахариды и полисахариды, липиды образуются из жирных кислот и глицеринов, а нуклеиновые кислоты образуются из нуклеотидов. Биохимия изучает химические свойства важных биологических молекул, таких как белки, и, в частности, химию реакций, катализируемых ферментами. Биохимия клеточного метаболизма и эндокринной системы подробно описана. Другие области биохимии включают генетический код (ДНК, РНК), синтез белка , транспорт клеточных мембран и передачу сигналов .
В некотором смысле можно считать, что изучение биохимии началось в древние времена, например, когда биология впервые начала интересовать общество — когда древние китайцы разработали систему медицины, основанную на инь и ян , а также на пяти фазах . 13] , которые были результатом как алхимических, так и биологических интересов. Ее начало в древнеиндийской культуре было связано с интересом к медицине, поскольку у них была разработана концепция трех юморов, аналогичных четырем юморам у греков (см. Юморизм ). Они также углубились в интерес к телам, состоящим из тканей . Концепция биохимии древних греков была связана с их идеями о материи и болезнях, согласно которым хорошее здоровье обеспечивалось балансом четырех элементов и четырех жидкостей в человеческом теле. [14] Как и в большинстве ранних наук, исламский мир внес значительный вклад в ранние биологические достижения, а также в алхимические достижения; особенно с введением клинических испытаний и клинической фармакологии, представленных в «Каноне медицины » Авиценны . [15] Что касается химии, ранние достижения были в значительной степени связаны с исследованием алхимических интересов, но также включали: металлургию , научный метод и ранние теории атомизма . В более поздние времена изучение химии ознаменовалось такими вехами, как разработка периодической таблицы Менделеева, атомной модели Дальтона и сохранение теории массы . Последнее упоминание имеет наибольшую важность из трех, поскольку этот закон взаимосвязанным образом переплетает химию с термодинамикой .
Еще в конце XVIII — начале XIX веков были известны переваривание мяса желудочными выделениями [16] и превращение крахмала в сахара растительными экстрактами и слюной . Однако механизм, благодаря которому это произошло, не был установлен. [17]
В 19 веке, изучая ферментацию сахара в спирт с помощью дрожжей , Луи Пастер пришел к выводу, что это брожение катализируется жизненной силой, содержащейся в дрожжевых клетках, называемой ферментами , которые, по его мнению, функционируют только внутри живых организмов. Он писал, что «спиртовое брожение — это процесс, связанный с жизнью и организацией дрожжевых клеток, а не с гибелью или гниением клеток». [18]
В 1833 году Ансельм Пайен открыл первый фермент , диастазу , [19] , а в 1878 году немецкий физиолог Вильгельм Кюне (1837–1900) ввёл термин « фермент» , который происходит от греческого ενζυμον «в закваске», для описания этого процесса. Слово « фермент» использовалось позже для обозначения неживых веществ, таких как пепсин , а слово « фермент» использовалось для обозначения химической активности, производимой живыми организмами.
В 1897 году Эдуард Бюхнер начал изучать способность дрожжевых экстрактов сбраживать сахар, несмотря на отсутствие живых дрожжевых клеток. В серии экспериментов в Берлинском университете он обнаружил, что сахар сбраживается даже тогда, когда в смеси не было живых дрожжевых клеток. [20] Он назвал фермент, который вызвал ферментацию сахарозы- зимазы . [21] В 1907 году он получил Нобелевскую премию по химии «за биохимические исследования и открытие бесклеточного брожения». Следуя примеру Бюхнера; Ферменты обычно называют в соответствии с реакцией, которую они проводят. Обычно суффикс -аза добавляется к названию субстрата ( например , лактаза – это фермент, расщепляющий лактозу ) или к типу реакции ( например , ДНК-полимераза образует ДНК-полимеры).
Показав, что ферменты могут функционировать вне живой клетки, следующим шагом стало определение их биохимической природы. Многие первые исследователи отмечали, что ферментативная активность связана с белками, но некоторые ученые (например, нобелевский лауреат Рихард Вильштеттер ) утверждали, что белки были просто носителями настоящих ферментов и что белки сами по себе неспособны к катализу. Однако в 1926 году Джеймс Б. Самнер показал, что фермент уреаза представляет собой чистый белок, и кристаллизовал его; Самнер сделал то же самое для фермента каталазы в 1937 году. Вывод о том, что чистые белки могут быть ферментами, был окончательно доказан Нортропом и Стэнли , работавшими над пищеварительными ферментами пепсином (1930), трипсином и химотрипсином. Эти трое учёных были удостоены Нобелевской премии по химии 1946 года. [22]
Это открытие о том, что ферменты можно кристаллизовать, означало, что ученые в конечном итоге смогли определить их структуры с помощью рентгеновской кристаллографии . Впервые это было сделано для лизоцима , фермента, содержащегося в слезах, слюне и яичных белках , который расщепляет оболочки некоторых бактерий; структура была расшифрована группой под руководством Дэвида Чилтона Филлипса и опубликована в 1965 году. [23] Эта структура лизоцима с высоким разрешением положила начало области структурной биологии и попыткам понять, как ферменты работают на атомном уровне детализации. .
Термин «метаболизм» происходит от греческого Μεταβολισμός – Metabolismos , что означает «изменение» или «ниспровержение». [24] История научного изучения метаболизма насчитывает 800 лет. Самые ранние исследования метаболизма начались в начале тринадцатого века (1213–1288 гг.) мусульманским ученым из Дамаска по имени Ибн ан-Нафис . ан-Нафис заявил в своей самой известной работе «Теолог Автодидактус» , что «это тело и все его части находятся в постоянном состоянии растворения и питания, поэтому они неизбежно претерпевают постоянные изменения». [25] Хотя ан-Нафис был первым документально подтвержденным врачом, проявлявшим интерес к биохимическим концепциям, первые контролируемые эксперименты по метаболизму человека были опубликованы Санторио Санторио в 1614 году в его книге Ars de statica medecina . [26] В этой книге описывается, как он взвешивался до и после еды, сна, работы, секса, голодания, питья и испражнения. Он обнаружил, что большая часть принятой им пищи терялась из-за того, что он называл « неощутимым потом ».
Одним из самых плодовитых современных биохимиков был Ганс Кребс , который внес огромный вклад в изучение метаболизма. [27] Кребс был учеником чрезвычайно выдающегося Отто Варбурга и написал биографию Варбурга под этим названием, в которой он представляет Варбурга как человека, получившего образование для биологической химии того же, что Фишер сделал для органической химии. Что он и сделал. Кребс открыл цикл мочевины, а позже, работая с Гансом Корнбергом , цикл лимонной кислоты и глиоксилатный цикл. [28] [29] [30] Эти открытия привели к тому, что Кребс был удостоен Нобелевской премии по физиологии в 1953 году, [31] которую разделили с немецким биохимиком Фрицем Альбертом Липманом , который также открыл незаменимый кофактор коэнзим А.
В 1960 году биохимик Роберт К. Крейн открыл свое открытие котранспорта натрия и глюкозы как механизма всасывания глюкозы в кишечнике. [32] Это было самое первое предложение о связи между потоками ионов и субстрата, которое, как считается, вызвало революцию в биологии. Однако это открытие было бы невозможным, если бы не открытие структуры и химического состава молекулы глюкозы . Эти открытия во многом приписываются немецкому химику Эмилю Фишеру , получившему Нобелевскую премию по химии почти 60 лет назад. [33]
Поскольку метаболизм фокусируется на разрушении (катаболические процессы) молекул и построении более крупных молекул из этих частиц (анаболические процессы), использование глюкозы и ее участие в образовании аденозинтрифосфата ( АТФ) имеют основополагающее значение для этого понимания. Наиболее частым типом гликолиза , обнаруживаемым в организме, является тип, следующий по пути Эмбдена-Мейергофа-Парнаса (ЭМП), который был открыт Густавом Эмбденом , Отто Мейергофом и Якобом Каролем Парнасом . Эти трое мужчин обнаружили, что гликолиз является сильно определяющим процессом для эффективности и продуктивности человеческого тела. Значение пути, показанного на изображении рядом, заключается в том, что, определяя отдельные этапы этого процесса, врачи и исследователи могут точно определить места метаболических нарушений, таких как дефицит пируваткиназы , который может привести к тяжелой анемии. Это наиболее важно, поскольку клетки и, следовательно, организмы не способны выжить без правильно функционирующих метаболических путей.
С тех пор биохимия продвинулась вперед, особенно с середины 20-го века, с развитием новых методов, таких как хроматография , рентгеновская дифракция , ЯМР-спектроскопия , радиоизотопная маркировка , электронная микроскопия и моделирование молекулярной динамики . Эти методы позволили открыть и детально проанализировать многие молекулы и метаболические пути клетки , такие как гликолиз и цикл Кребса (цикл лимонной кислоты). Пример прибора ЯМР показывает, что некоторые из этих приборов, такие как HWB-ЯМР, могут быть очень большими по размеру и могут стоить от нескольких тысяч до миллионов долларов (16 миллионов долларов за показанный здесь).
Полимеразная цепная реакция (ПЦР) — это метод первичной амплификации генов, который произвел революцию в современной биохимии. Полимеразная цепная реакция была разработана Кэри Маллисом в 1983 году. [34] Правильная полимеразная цепная реакция состоит из четырех этапов: 1) денатурация 2) удлинение 3) вставка (экспрессируемого гена) и, наконец, 4) амплификация вставленного гена . Эти шаги с простыми наглядными примерами этого процесса можно увидеть на изображении ниже и справа от этого раздела. Этот метод позволяет амплифицировать копию одного гена до сотен или даже миллионов копий и стал краеугольным камнем протокола для любого биохимика, желающего работать с бактериями и экспрессией генов. ПЦР используется не только для исследования экспрессии генов, но также может помочь лабораториям диагностировать определенные заболевания, такие как лимфомы , некоторые виды лейкемии и другие злокачественные заболевания, которые иногда могут озадачить врачей. Без развития полимеразной цепной реакции многие достижения в области изучения бактерий и экспрессии белков не были бы реализованы. [35] Развитие теории и процесса полимеразной цепной реакции имеет важное значение, но изобретение термоциклера не менее важно, потому что этот процесс был бы невозможен без этого инструмента. Это еще одно свидетельство того, что развитие технологий так же важно для таких наук, как биохимия, как и кропотливые исследования, ведущие к разработке теоретических концепций.
