История развития биохимии. 2

РОССИЙСКАЯ  ФЕДЕРАЦИЯ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт  математики, естественных наук и информационных технологий

Отделение биологии 
 
 
 

История развития биохимии 
 
 

                                                                                                Студентки 1 курса

магистратуры

                                                                                                   Ефимовой И.Д. 

                                                                                            Научный руководитель:

                                                                                            Воронова О.Г.

    Тюмень, 2011 
      

    БИОХИМИЯ (биологическая химия) – биологическая  наука, изучающая химическую природу  веществ, входящих в состав живых  организмов, их превращения и связь  этих превращений с деятельностью  органов и тканей. Совокупность процессов, неразрывно связанных с жизнедеятельностью, принято называть обменом веществ.

    Как самостоятельная наука биохимия сформировалась примерно 100 лет назад, однако биохимические процессы люди использовали ещё в глубокой древности, не подозревая, разумеется, об их истинной сущности. В самые отдалённые времена  уже была известна технология таких  основанных на биохимических процессах  производств, как хлебопечение, сыроварение, виноделие, выделка кож. Необходимость  борьбы с болезнями заставляла задумываться о превращениях веществ в организме, искать объяснения целебным свойствам  лекарственных растений. Использование  растений в пищу, для изготовления красок и тканей также приводило  к попыткам понять свойства веществ  растительного происхождения.

    Арабский  учёный и врач X века Авиценна в своей  книге «Канон врачебной науки» подробно описал многие лекарственные вещества.

    Итальянский учёный и художник Леонардо да Винчи  на основании своих опытов сделал важный вывод о том, что живой  организм способен существовать только в такой атмосфере, в которой  может гореть пламя.

    Можно выделить основные этапы развития биохимической науки.

    «Протобиохимия». Концепции процессов жизнедеятельности и их природы, развиваемые в древности, античности, в период средневековья. Концепции жизнедеятельности в Эпоху Возрождения, привлечение их для описания и объяснения химических процессов.

    Экспериментальное изучение процессов жизнедеятельности  в 17-18 вв. Первые химические теории и  объяснения процессов дыхания, пищеварения, брожения.

    «Новая  химия» и изучение методами химии  живых организмов и процесс жизнедеятельности. Первый кризис методологии в области  взаимодействия химии и биологии.

    Формирование  биологической химии в рамках редукционистских программ биологии второй половины 19 века.

    Первоначальные  этапы истории биохимии совпадают  с историей органической химии. До середины XIX в. органической химией называли науку, которая изучала вещества, входящие в состав животных и растительных организмов, т. е. вещества живого («органического») мира. Позднее, в связи с развитием  синтетической химии соединений углерода, смысл термина «органическая  химия» изменился — так теперь называют химию соединений углерода, а науку, изучающую химический состав живых организмов и химические процессы, протекающие в них, стали называть физиологической, а затем биологической  химией. Биологическая химия изучает  не только органические, но и неорганические (минеральные) соединения, содержащиеся в организмах. Разумеется, и после  этой дифференциации органической и  биологической химии их развитие происходит в тесном взаимодействии, объединяемое множеством общих методов  и общих задач.

    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.

    XVIII век ознаменовался трудами М.  В. Ломоносова. На основе открытого  им и французским химиком А.  Л. Лавуазье закона сохранения  массы веществ и накопленных  к концу столетия экспериментальных  данных, была объяснена сущность  дыхания и исключительная роль  в этом процессе кислорода. 

    Изучение  химии жизни уже в 1827 г. привело  к принятому до сих пор разделению биологических молекул на белки, жиры и углеводы. Автором этой классификации  был английский химик и врач Уильям Праут. В 1828 году немецкий химик Ф. Вёлер синтезировал мочевину: сначала — из циановой кислоты и аммиака (выпариванием раствора образующегося цианата аммония), а позже в этом же году — из углекислого газа и аммиака. Тем самым впервые было доказано, что химические вещества живого организма могут быть синтезированы искусственно, вне организма. Работы Вёлера нанесли первый удар по теориям представителей школы виталистов, предполагавших присутствие во всех органических соединениях некой «жизненной силы».В 1882 году Иван Горбачевский сделал большое научное открытие — впервые в мире осуществил синтез мочевой кислоты из глицина. В дальнейших исследованиях он установил источник и пути её образования в человеческом и животном организмах. В 1885 году ему удалось получить метилмочевую кислоту из метилгидантоина и карбамида. В 1886 году он предложил новый метод синтеза креатина, а в 1889-1891 годах открыл фермент ксантиноксидазу. Иван Горбачевский одним из первых указал, что аминокислоты являются составляющими белков. Его заслугой стало также то, что он предложил новую методику определения вместительности азота в моче и других веществах. Последующими мощными толчками в этом направлении химии явились лабораторные синтезы липидов (в 1854 году — П. Бертло, Франция) и углеводов из формальдегида (1861 — А. М. Бутлеров, Россия). Бутлеровым была также разработана теория строения органических соединений (1861).

    Новый толчок развитию биологической химии  дали работы по изучению брожения, инициированные Луи Пастером. В 1897 г. Эдуард Бухнер доказал, что ферментация сахара может происходить в присутствии бесклеточного дрожжевого экстракта, и это процесс не столько биологический, сколько химический. На рубеже XIX и XX веков работал немецкий биохимик Э. Фишер. Он сформулировал основные положения пептидной теории строения белков, установил структуру и свойства почти всех входящих в их состав аминокислот. Но лишь в 1926 г. Джеймсу Самнеру удалось получить первый чистый фермент, уреазу, и доказать, что фермент — это белок.

    Биохимия  стала первой биологической дисциплиной  с развитым математическим аппаратом  благодаря работам Холдейна, Михаэлиса, Ментен и других биохимиков, создавших ферментативную кинетику, основным законом которой является уравнение Михаэлиса-Ментен.

    Открытие  ферментов позволило начать грандиозную  работу по полному описанию всех процессов  метаболизма, не завершённую до сих  пор. Одними из первых значительных находок  в этой области стали открытия витаминов, гликолиза и цикла  трикарбоновых кислот.

    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.).

    В 1928 г. Фредерик Гриффит впервые показал, что экстракт убитых нагреванием болезнетворных бактерий может передавать признак патогенности неопасным бактериям. Исследование трансформации бактерий в дальнейшем привело к очистке болезнетворного агента, которым, вопреки ожиданиям, оказался не белок, а нуклеиновая кислота. Сама по себе нуклеиновая кислота не опасна, она лишь переносит гены, определяющие патогенность и другие свойства микроорганизма. В 1953 году американский биолог Дж. Уотсон и английский физик Ф. Крик описали структуру ДНК — ключ к пониманию принципов передачи наследственной информации. Это открытие означало рождение нового направления науки — молекулярной биологии.

    Прогресс  биохимии и революция в биологии во второй половине 20 века – формирование физико-химической биологии. Методологические, эмпирические и теоретические основы этого процесса. Интегрирующая роль физико-химической биологии в системе  биологических наук.

    Изучение  живой материи с химической стороны  началось с того момента, когда возникла необходимость исследования составных  частей живых организмов и совершающихся  в них химических процессов в  связи с запросами практической медицины и сельского хозяйства. Исследования средневековых алхимиков  привели к накоплению большого фактического материала по природным органическим соединениям. В 16-17 вв. воззрения алхимиков  получили развитие в трудах ятрохимиков, считавших, что жизнедеятельность организма человека можно правильно понять лишь с позиций химии. Так, один из виднейших представителей ятрохимии – немецкий врач и естествоиспытатель Ф. Парацельс выдвинул прогрессивное положение о необходимости тесной связи химии с медициной, подчёркивая при этом, что задача алхимии не в изготовлении золота и серебра, а в создании того, что является силой и добродетелью медицины. Ятрохимики ввели в медицинскую практику препараты ртути, сурьмы, железа и других элементов. Позже И. Ван-Гельмонт высказал предположение о наличии в «соках» живого тела особых начал, так называемых «ферментов», участвующих в разнообразных химических превращениях.

    В 17-18 вв. работали такие выдающиеся учёные как М.В. Ломоносов и А. Лавуазье, открывшие и утвердившие в  науке закон сохранения материи (массы). Лавуазье внёс Лавуазьеважнейший вклад в развитие не только химии, но и в изучение биологических процессов. Развивая более ранние наблюдения Майова, он показал, что при дыхании, как и при горении органических веществ, поглощается кислород и выделяется углекислый газ. Одновременно им же, вместе с Лапласом, было показано, что процесс биологического окисления является и источником животной теплоты. Это открытие стимулировало исследования по энергетике метаболизма, в результате чего уже в начале 19 века было определено количество тепла, выделяемого при сгорании углеводов, жиров и белков. 

    Крупными  событиями второй половины 18 века стали  исследования Р.Реомюра и Л.Спалланцани по физиологии пищеварения. Эти исследователи впервые изучили действие желудочного сока животных и птиц на различные виды пищи (главным образом мясо) и положили начало изучению ферментов пищеварительных соков. Возникновение энзимологии (учение о ферментах), однако, обычно связывают с именами К.С. Кирхгофа, а также Пейена и Персо, впервые изучивших действие на крахмал фермента амилазы in vitro.

    Важную  роль сыграли работы Пристли и  особенно Ингенхауса, открывших явление фотосинтеза (конец 18 века).

    На  рубеже 18 и 19 вв. были проведены и  другие фундаментальные исследования в области сравнительной биохимии; тогда же было установлено существование круговорота веществ в природе.

    Успехи  статической биохимии с самого начала были неразрывно связаны с развитием органической химии.

    Толчком к развитию химии природных соединений явились исследования шведского  химика К. Шееле (1742-1786 гг.). Он выделил и описал свойства целого ряда природных соединений – молочную, винную, лимонную, щавелевую, яблочную кислоты, глицерин и амиловый спирт и др. Большое значение имели исследования И.Берцелиуса и Ю.Либиха, закончившиеся разработкой в начале 19 века методов количественного элементарного анализа органических соединений. Вслед за этим начались попытки синтезировать природные органические вещества.КирхгофПристли Достигнутые успехи – синтез в 1828 году мочевины, уксусной кислоты (1844 г.), жиров (1850 г.), углеводов (1861 г.) – имели особенно большое значение, так как показали возможность синтеза in vitro ряда органических веществ, входящих в состав животных тканей или же являющихся конечными продуктами обмена. Во второй половине 18 – начале 19 века были проведены и другие важные исследования: из мочевых камней была выделена мочевая кислота, из желчи – холестерин, из меда – глюкоза и фруктоза, из листьев зеленых растений – пигмент хлорофилл, в составе мышц был открыт креатин. Было показано существование особой группы органических соединений – растительных алкалоидов, нашедших позднее применение в медицинской практике. Из желатины и бычьего мяса путем их гидролиза были получены первые аминокислоты: глицин и лейцин.

    Во  Франции в лаборатории К. Бернара  в составе ткани печени был  открыт гликоген (1857), изучены пути его  образования и механизмы, регулирующие его расщепление. В Германии в  лабораториях Э. Фишера, Э. Ф. Гоппе-Зейлера, А. Косселя и других были изучены структура и свойства белков, а также продуктов их гидролиза, в том числе и ферментативного.

    В связи с описанием дрожжевых  клеток (1836-1838гг.) начали активно изучать  процесс брожения (Либих, Пастер и  др.). Вопреки мнению Либиха, рассматривавшего процесс брожения как чисто химический, протекающий с обязательным участием кислорода, Л. Пастер установил возможность  существования анаэробиоза, то есть жизни в отсутствии воздуха, за счет энергии брожения. Бухнеру удалось получить из дрожжевых клеток бесклеточный сок, способный, подобно живым дрожжам, сбраживать сахар с образованием спирта и углекислоты.

    Накопление  большого количества сведений относительно химического состава растительных и животных организмов и химических процессов, протекающих в них, привело  к необходимости систематизации и обобщений в области биохимии. Первой работы в этом плане был  учебник Зимона (1842). Очевидно, именно с этого времени термин «биологическая (физиологическая) химия» утвердился в науке. В России первый учебник физиологической химии был издан профессором Харьковского университета А. И. Ходневым в 1847 году. Периодическая литература по биологической химии регулярно начала выходить с 1873 года в Германии. Позднее биохимические журналы начали издаваться во многих странах мира на английском, французском, русском и других языках. Во второй половине 19 века на медицинских факультетах многих русских и зарубежных университетов были учреждены специальные кафедры медицинской, или физиологической химии.

    Подлинный расцвет биохимии наступил в 20 веке. В самом начале его была сформулирована и экспериментально обоснована полипептидная  теория строения белков (Э. Фишер 1901-1902гг.). Позднее был разработан ряд аналитических  методов, позволяющих изучить аминокислотный состав белка (хроматография, рентгеноструктурный  анализ, метод изотопной индикации, цитоспектрофотометрия, электронная микроскопия). Расшифровывается первичная, вторичная, третичная и четвертичная структура многих белков. Синтезируется ряд важных белковых веществ.

    Выдающееся  значение имели работы Л. Полинга, В. Виньо, Ф. Сэнгера, С. Мура, Д. Филлипса, Дж. Нортропа, М. М. Шемякина, Ф. Штрауба и др.

    Блестящие работы Чаргаффа, Дж. Уотсона и Ф. Крика завершаются выяснением структуры ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). Устанавливается двухспиральная структура ДНК и роль ее в передаче наследственной информации. Осуществляется синтез ДНК и РНК. Решается (1962 и последующие годы) одна из центральных проблем современной биохимии – расшифровывается РНК – аминокислотный код. Вводится понятие о молекулярных болезнях, связанных с определенными дефектами в структуре ДНК хромосомного аппарата клетки.

    Ранее классическими исследованиями И. П. Павлова и его школы раскрываются основные физиологические и биохимические  механизмы работы пищеварительных  желез. Устанавливается существование  заменимых и незаменимых аминокислот, разрабатываются нормы белка  в питании. Детальному изучению подвергаются особенности процесса азотистого обмена у растений. Особое место заняло изучение нарушений азотистого обмена у животных и человека при белковой недостаточности. Детально исследуются  продукты распада гемоглобина, расшифровываются пути образования гема. 

    Выдающиеся  успехи достигнуты в расшифровке  структуры важнейших углеводов  и механизмов углеводного обмена. Подробно выяснено превращение углеводов  в пищеварительном тракте под  влиянием пищеварительных ферментов  и кишечных микроорганизмов. Выясняются биохимические механизмы нарушения  углеводного обмена (диабет, галактоземия, гликогенозы и др.), связанные с наследственными дефектами соответствующих ферментативных систем.

    Достигнуты  успехи в расшифровке структуры  липидов: фосфолипидов, цереброзидов, ганглеозидов. Создается теория b-окисления жирных кислот. Разработаны современные представления о путях окисления и синтеза жирных кислот и сложных липидов. Значительный прогресс достигнут при изучении механизма биологического окисления, тканевого дыхания. Разработаны методы количественного определения целого ряда биохимических компонентов крови и тканей.

    В. А. Энгельгардтом, а также Липманном было введено понятие о «богатых энергией» фосфорных соединениях, в частности АТФ, в макроэргических связях которых аккумулируется значительная часть энергии, освобождающейся при тканевом дыхании.

    20 век ознаменовался расшифровкой  химического строения всех известных  в настоящее время витаминов.  Вводятся международные единицы  витаминов, устанавливаются потребности  в витаминах человека и животных, создается витаминная промышленность.

    Не  менее значительные успехи достигнуты в области биохимии гормонов. Получены первые данные о механизме действия гормонов на обмен веществ. Расшифрован  механизм регуляции функций эндокринных  желёз по принципу обратной связи.

    Возникает новое направление в биохимии – нейрохимия. Установлены особенности в химическом составе нервной ткани. Вводятся в медицинскую практику различные психофармакологические вещества, открывающие новые возможности в лечении нервных заболеваний. Широко используются, особенно в сельском хозяйстве ингибиторы холинэстеразы (медиатора, действующего на нервные окончания) для борьбы с насекомыми-вредителями.

    Важные  результаты получены при изучении состава  и свойств крови: изучена дыхательная  функция крови в норме и  при ряде патологических состояний; выяснен механизм переноса кислорода  от лёгких к тканям и углекислоты  от тканей к лёгким; уточнены и расшифрованы представления о механизме свёртывания  крови, изучены факторы, при врождённом отсутствии которых в крови наблюдаются различные формы гемофилии.

    В развитии современной биохимии важную роль сыграла разработка ряда специальных  методов исследования: изотопной  индикации, дифференциального центрифугирования, спектрофотометрии, электронного парамагнитного резонанса и др. 

    СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ткачук, В. А. Клиническая биохимия/ В. А. Ткачук. – М: Проспект, 2004.  –  506 с.
2. Северин Е.С. Биохимия: учебник/ Е.С. Северин. – М.: ГЭОТАР – Медиа, 2005. – 784 с.
3. Ткачук, В.Л. Клиническая биохимия/ В.Л. Ткачук – М.: ГЭОТАР – Медиа, 2002. – 360 с.
4. Марри, Р. Биохимия человека. Том Ι/ Р. Марри, Д. Греннер, В. Родуэлл.  – М: Мир. – 1993. –398 с.
5. Общая органическая химия. Т.11:Липиды, углеводы, макромолекулы, биосинтез / ред. Н. К. Кочетков.  – М.: Химия, 1986. –  352 с.
6. Овчинников, Ю.А. Биоорганическая химия/ Ю. А. Овчинников  – М.: Просвещение, 1987.  – 452 с.
7. Ленинджер, А. Основы биохимии/ А. Ленинджер  – М.: Мир, 1985  –  Т.1  –  367 с.
8. Уайт, А. Основы биохимии/А. Уайт, Ф. Хэндлер, Э. Смит  – М: Мир. – 1981. – Т.3  – 1896 с.