Предмет та задачі біохімії, методи біохімії.

Біологічна хімія (біохімія) – це наука про хімічний склад та хімічні реакції живих організмів, властивості речовин та перетворення цих речовин в процесі життєдіяльності. Сукупність цих перетворень, які відображають постійний взаємозв’язок організму з навколишнім середовищем, прийнято називати обміном речовин.

Предмет та задачі біохімії, методи біохімії.

1. Предмет та задачі біохімії.

2. Статистична та динамічна біохімія.

3. Методи біохімії.

1.Біологічна хімія (біохімія) – це наука про хімічний склад та хімічні реакції живих організмів, властивості речовин та перетворення цих речовин в процесі життєдіяльності. Сукупність цих перетворень, які відображають постійний взаємозв’язок організму з навколишнім середовищем, прийнято називати обміном речовин.

Поняття «хімічний склад», «перетворення речовин» та сама назва науки – «біологічна хімія» викликає питання: розділом біології чи хімії є біохімія? Життя – якісно своєрідна, вища форма руху матерії в природі. Обмін речовин уявляє собою основу, сутність цієї особливої форми руху матерії. «Життя є спосіб існування білкових тіл, вагомим моментом якого є постійний обмін речовин з оточуючою їх навколишньою природою». Тому наука, яка вивчає сутність біологічної форми руху матерії – обмін речовин, повинна бути віднесена до групи біологічних наук.

Визначення біохімії як науки одночасно характеризує і її положення та значення серед інших біологічних наук. Вивчаючи сутність життя, саме головне у життєвих процесах – обмін речовин, біохімія, безперечно повинна бути віднесена до надважливих біологічних наук.

Значення біохімії, як науки для людства визначається тим, що вона є однією з теоретичних основ медицини, сільського господарства, біотехнології, генної інженерії та інших галузей промисловості. В основі багатьох біологічних станів людини лежать порушення окремих біологічних процесів. Відомо більше ста хвороб, обумовлених порушенням діяльності ферментативних систем, відсутністю окремих ферментів внаслідок спадкоємних дефектів. Для деяких хвороб характерні зміни в хімічній структурі деяких високомолекулярних сполук. Такі своєрідні «молекулярні дефекти» описані, зокрема, для гемоглобіну та полісахаридів. Без глибоких знань молекулярних основ патології не можливі ні діагностика ні лікування, ні профілактика хвороб. Успіхи біохімії визначають і стратегію створення нових лікарських препаратів. Великий інтерес в цьому відношенні має широке використання ферментів при лікуванні деяких хвороб, а також використання ферментних препаратів у годівлі тварин.

Біохімічні процеси та показники лежать в основі будь-якої технології харчової промисловості: хлібопечення, сироваріння, виноробства, пивоваріння, виробництва чаю, жирів та масел, переробки молока, м’яса та риби, плодів та овочів, виробництва крохмалю та патоки. Біохімічні знання необхідні для успішної організації шкіряного виробництва, при виготовленні виробів з хутра, обробці натурального шовку. Ферментативні препарати широко використовують при виготовленні бавовняних тканин. Все більше розширюються біохімічні виробництва для виготовлення вітамінів, антибіотиків, біологічно активних речовин (БАР), органічних кислот, кормового білку. Тільки на основі глибокого вивчення закономірностей обміну речовин с/г рослин та тварин можливе одержання великих врожаїв з високою якістю продуктів у рослинництві та підвищення продуктивності у тваринництві. Виключно ефективним в цьому відношенні є використання в с/г різноманітних хімічних препаратів: гербіцидів, фунгіцидів, кормових вітамінів, білків та антибіотиків, дефоліантів та десікантів (викликають опадання листя та перезбиральне висушування рослин), інсектицидів (знешкоджують комах - шкідників), репелентів (відлякують шкідників) та т.і.

Все перелічене говорить про велике значення біохімії для людства, пояснює великий інтерес до цієї науки у всьому світі.

2.Біохімію прийнято ділити на статичну та динамічну. Задача статичної біохімії – вивчення хімічного складу та властивості речовин живих організмів.

Динамічна біохімія – вивчає перетворення речовин в процесі життєдіяльності або протягом хімічних процесів, які відбуваються у живій матерії. Цей розподіл, у значній мірі умовний, при проведенні реальних біохімічних досліджень неможливо глибоко вивчити та зрозуміти перетворення будь-якої речовини в організмі, не знаючи будови, властивостей цієї речовини, та навпаки, будь-яка характеристика властивостей біохімічних сполук буде неповною без опису їх перетворень в організмі.

Динамічна біохімія потребує знань складу живого тіла, а також речовин, які до нього потрапляють; вмінь ізолювати та одержувати шляхом синтезу окремі речовини, які входять до складу живого організму та їжі як до нього потрапляє. ; вміння відкривати та визначати їх як якісно так і кількісно.

В залежності від об’єктів дослідження розрізняють біохімію людини та тварин, біохімію рослин, біохімію мікроорганізмів. Виділяють окремі розділи біохімії за напрямком досліджень.

Технічна біохімія розробляє біохімічні основи тих галузей промисловості, де переробляється сировина та матеріали біологічного походження (хлібопечення, сироваріння, виноробства і т.д. )

Медична біохімія вивчає біохімічні процеси в організмі людини у нормі та при патології.

Еволюційна біохімія співвідносить склад та шляхи перетворення речовин та енергії різних систематичних груп живих організмів в еволюційному плані.

Квантова біохімія досліджує властивості, функції та шляхи перетворення різноманітних речовин живих організмів у зв’язку з електронними характеристиками цих речовин, одержаних за допомогою квантово-механічних розрахунків.

Ензимологія вивчає структуру, властивості та механізм дії ензимів (ферментів) - біологічних каталізаторів.

З усіх інших наук біохімія найбільше пов’язана з фізіологією.

Цей зв’язок обумовлений самою природою, сутністю біологічних процесів. В основі любого порушення будь-якої фізіологічної функції лежить система змін біохімічних реакцій. Не можна глибоко, до кінця вірно зрозуміти природу любого фізіологічного процесу, якщо не знати його біохімізм, так як не можна вивчати біохімічні реакції відокремлено від їхнього фізіологічного значення. Тому стає зрозумілим, чому до другої половини 19 сторіччя біохімія була не самостійною наукою, а розділом фізіології. На хід біохімічних процесів вирішальне значення робить стан фізіологічних функцій організму і перш за все стан нервової системи.

Тісний взаємозв’язок біохімії і фізіології відобразився і у творчості багатьох великих дослідників. Великий руський фізіолог та акад. І.П. Павлов є одночасно одним з основоположників низькі важливих розділів біохімії, зокрема розділів ензимології: про перетворення зімогенів (проферментів) в активні ферменти, о зворотності дії ферментів, будові та властивостях травних ферментів.

Поступово, у зв’язку з накопиченням біологічних знань, біохімія стала одним з ведучих розділів фізіології, а потім відокремилась у самостійну науку. В теперішній час, у зв’язку з могутнім розвитком окремих розділів біохімії, з’являється тенденція виділення деяких з них у самостійні наукові дисципліни (наприклад, ензимології).

Біохімія взаємозв’язана і з органічною хімією. При проведенні досліджень біохіміки виділяють окремі речовини з живих організмів, очищують від домішок, встановлюють однорідність, визначають склад та структуру, вивчають властивості, після чого, при необхідності, синтезують ці речовини. Такі ж самі етапи дослідження у хіміка-органіка. Але якщо у хіміка на цьому робота закінчується, у біохіміка починається найважливіше і найцікавіше – вивчення перетворень цих сполучень у загальній системі обміну речовин живого організму, визначення їх ролі у життєдіяльності організму. Зв’язок біохімії та органічної хімії також відобразився у науковій творчості багатьох вчених. Так видатний радянський хімік-органік акад.. Н.Д. Зелинський відомий своїми працями з біохімії білків.

З кожним роком розширюються зв’язки біохімії з фізичною хімією. Велике значення для протікання життєвих процесів мають швидкості біохімічних реакцій, їх залежності від температури, активної реакції середовища та зв’язку з осмотичними явищами. Всі ці питання входять до компетенції і біохімії і фізичної хімії.

Ще тридцять років потому можна було говорити про серйозну взаємодію біохімії з математикою. Зараз це стало очевидним фактом. І це не тільки тому, що результатам біохімічних досліджень можна вірити лише тоді, коли вони статистично оброблені та визначена ступінь їхньої достовірності. Значно більше вклад математики у біохімію у зв’язку з широким впровадженням метода математичних моделей, розгляданням ряду біохімічних процесів з точки зору прямих та зворотних зв’язків, механізмів регуляції та управління цими процесами, їх саморегуляції (тобто сполучення біохімії з кібернетикою), що призвело до широкого використання комп’ютерів у сучасних біохімічних дослідженнях.

3. Методи біохімії.

Якими ж методами користується біохімія для вирішення поставлених перед нею задач? Ці методи дуже різноманітні. Біохімія, як будь-яка наука, має особливі методи дослідження, які в процесі розвитку науки змінювались та вдосконалювались.

Методи аналітичної хімії широко використовувались та використовуються в біохімії і у теперішній час.

Метод синтезу у вивченні структури білків дозволив винайти досить суттєве у їхній будові – спосіб з’єднання амінокислот один з іншим (пептидні зв’язки) в молекулах білку, а потім визначити послідовність розташування амінокислотних залишків у поліпептидних ланцюгах молекул білка. Зараз вже вдалося встановити кількість поліпептидних рядів у молекулах таких білків, як інсулін – гормон білкової природи, рибонуклеаза – фермент, який каталізує розщеплення рибонуклеїнової кислоти, та дещо інше.

Таким чином, хімічна структура деякої кількості білків може вважатися вивченою настільки, що реально може бути піднятим питання про одержання їх шляхом синтезу.

Зараз досягнуті великі успіхи у вивченні закономірностей розвитку органічного світу. Біохімія все глибше проникає у молекулярну структуру живої клітини, вивчає сутність елементарних фізико-хімічних процесів, які протікають у ній, та розкриває зв’язки хімічних та фізичних структур клітини з їх біохімічними функціями.

В останні часи особливо активно впроваджуються в біохімічні дослідження фізико-хімічні та фізичні методи: хроматографія, електрофорез, рентгеноструктурний аналіз, електронна мікроскопія, інфрачервона мікроскопія, електронний парамагнітний резонанс (ЕПР), ядерний магнітний резонанс (ЯМР), метод радіоактивних ізотопів і т.д.

Як наслідок сформувалась нова галузь наукових знань – фізико-хімічна біологія, яка зараз успішно розвивається.

Слід приділити особливу увагу методу радіоактивних ізотопів, який дає можливість прослідкувати за пересуванням тієї чи іншої речовини в організмі. Цей метод дав можливість розшифрувати чисельні біохімічні процеси, які відбуваються в окремих органах. Внаслідок використання мічених атомів виявлена виключна динамічність білкових речовин. Білки більш, ніж які-небудь інші речовини піддаються в організмі оновленню, розкладу та синтезу. Далі було встановлено, що постійному оновленню у відповідній мірі піддаються складові частини таких, як би мовити, інертних утворень, як сухожилля, зв’язки, зубна емаль та ін.. Всі ці дані значною мірою розширили нашу уяву про обмін речовин між організмами та навколишнім середовищем і поставили перед дослідниками ряд інших проблем.

Багато фактів, встановлених динамічною біохімією при використанні неклітинних соків, окремих елементів клітини, мітохондрій, макросом, ядер і т.д., були підтверджені вивченням хімічних процесів у цілісному організмі за допомогою метода мічених атомів.

За допомогою електронного мікроскопу при дуже сильному збільшенні вдалося вивчити будову клітин, виявити в них наявність субклітинних утворень. Було визначено, що цитоплазма досить неоднорідна, як це здається коли дивишся у звичайний мікроскоп. У неї є ряд спеціалізованих структурних утворень, або як їх ще називають, клітинні органоїди, які виконують специфічні функції: ядро, мітохондрії, рибосоми, або мікросоми, клітинні гранули резервного білку або крохмалю, краплинки жиру, які відрізняються за розмірами та за щільністю. У клітинах рослин є ще пластиди, які містять зазвичай зелений пігмент хлорофіл.

Вагомим кроком уперед стала розробка способу виділення складових частин клітини, які дозволяють одержувати більш або менш однорідні та чисті препарати ядра, мітохондрій і т.д. Навчились «гомогенізувати» клітини, а потім за допомогою високошвидкісних центрифуг відокремлювати мітохондрії від інших цитоплазматичних часток. Вони осаджуються з різною швидкістю, яка залежить як від властивостей самих внутрішньоклітинних компонентів., так і від властивостей рідкої фази гомогенату. Після цього можна інкубувати in vitro очищені мітохондрії та вивчати їх метаболічні властивості. Ізольовані мітохондрії здатні розщеплювати вуглеводи, жирні кислоти та амінокислоти до вуглекислоти та води, тобто вони залишаються живими. У живій клітині мітохондрії можна розпізнати за їх винятковим забарвленням особливим барвником – Янусом зеленим.

Зазвичай вони зосереджені у частинах клітини з найбільш інтенсивним обміном речовин, складаються з білків, РНК та фосфоліпідів. У цих тільцях або на їх поверхні знаходиться складний комплекс ферментів, за допомогою яких вуглеводи, жирні кислоти та амінокислоти розщеплюються до вуглекислоти та води.

У біохімії знайшли широке використання фізичні методи – метод рентгеноструктурного аналізу, за допомогою якого виявлена структура таких складних сполук як, ряд фібрилярних білків, міоглобін, структура лізоциму та інших молекул. Фізико-хімічні методи дозволили пояснити основні принципи побудови біополімерів – білків нуклеїнових кислот та полісахаридів, а визначення молекулярної будови живого дозволяє глибше проникнути у тайни життєвих процесів. Акад. Енгельгардт підкреслював, що в основі життєвих явищ лежать три потоки – матерії, енергії та інформації. Ці три потоки перетинаються між собою, утворюючи тріаду. Нуклеїнові кислоти забезпечують потік інформації, білок є основою для потоку матерії і енергії, а оскільки білки мають і каталітичні властивості, їм належить і вирішальна роль у забезпеченні структурною організацією живої матерії. В першу чергу мається на увазі синтез специфічних білків, які грають роль пластичного матеріалу та регуляторів метаболізму клітини, тому що всі ферменти є білками. Біологічна специфічність різних білкових речовин обумовлена головним чином послідовністю розподілу 20 амінокислот у білових молекулах тварин та рослин.