История возникновения и основные этапы развития биохимии

     В конце XIX в. на базе достижений в области  исследования структуры органических соединений биологического происхождения появилась возможность изучения специфичности ферментов. В это время Э. Фишером было выдвинуто знаменитое положение о необходимости стерического соответствия между ферментом и субстратом; по его образному выражению, «субстрат подходит к ферменту, как ключ к замку». В начале нашего века были заложены основы исследования кинетики действия ферментов. 

     История открытия белков 

     Важной  вехой в истории биохимической науки было открытие и изучение состава белков.

Свое  название белки получили от яичного  белка, который с незапамятных времен использовался человеком как  составная часть пищи. Согласно описаниям  Плиния Старшего, уже в Древнем  Риме яичный белок применялся и как лечебное средство. Однако подлинная история белковых веществ начинается тогда, когда появляются первые сведения о свойствах белков как химических соединений (свертываемость при нагревании, разложение кислотами и крепкими щелочами и т. п.). Среди белков животного происхождения, вслед за яичным белком, были охарактеризованы белки крови. Образование сгустков крови при ее свертывании описано еще основателем учения о кровообращении У. Гарвеем; позднее на этот факт обратил внимание и Р. Бойль. Среди растительных белков пальма первенства принадлежит нерастворимой в воде клейковине из пшеничной муки, которую впервые получил Я. Беккари. В своих работах, опубликованных в «Комментариях Болонского института наук и искусств» в 1728 г., он отметил сходство клейковины с веществами животной природы, почему и называл ее Gluten vegetabile. [3]

    Впервые термин белковый (albumineise) применительно  ко всем жидкостям животного организма  использовал, по аналогии с яичным белком, французский физиолог Ф. Кене в 1747 г., и именно в таком толковании термин вошел в 1751 г. в «Энциклопедию» Д. Дидро и Ж. Д'Аламбера.

    С этого периода исследования, связанные  с получением белков, приобретают  систематический характер. В 1759 г. А. Кессель-Майер, а несколько позднее  И. Руэль описали выделение клейковины из различных растений и охарактеризовали ее свойства. В 1762 г. А. Халлер исследовал процесс образования и свертывания казеина, а в 1777 г. А. Тувенель, работавший тогда в Петербурге, называет творог белковой частью молока (partie glutineuse). Важнейший этап в изучении белков связан с работами французского химика А. Фуркруа, который рассматривал белки как индивидуальные вещества и доказал единую природу белковых веществ, выделенных из растительных и животных источников. Для трех главных белковых компонентов крови он предложил названия альбумин, желатин и фибрин. В 1780 г. Ф. Вассерберг относит к телам белковой природы хрусталик глаза.

    К началу XIX столетия появляются первые работы по химическому изучению белков. Уже в 1803 г. Дж. Дальтон дает первые формулы белков - альбумина и желатина - как веществ, содержащих азот. В 1810 г. Ж. Гей-Люссак проводит химические анализы белков - фибрина крови, казеина и отмечает сходство их элементного состава. Решающее значение для понимания химической природы белков имело выделение при их гидролизе аминокислот. Вероятно, первым это сделал А. Браконно в 1820 г., когда, действуя на белки серной кислотой, при кипячении он получил «клеевой сахар», или гликокол (глицин), при гидролизе фибрина из мяса - лейцин и при разложении шерсти - также лейцин и смесь других продуктов гидролиза. Первой открытой аминокислотой был, видимо, аспарагин, выделенный Л. Вокленом из сока спаржи Asparagus (1806). В это же время Ж. Пруст получил лейцин при разложении сыра и творога. Затем из продуктов гидролиза белка были выделены многие другие аминокислоты .

     Первая  концепция строения белков принадлежит  голландскому химику Г. Мульдеру (1836). Основываясь  на теории радикалов, он сформулировал  понятие о минимальной структурной единице, входящей в состав всех белков. Эту единицу, которой приписывался состав 2C₈H₁₂N₂, Г. Мульдер назвал протеином (Рг), а свою концепцию - теорией протеина. Позднее состав протеина был уточнен - C₄₀H₆₂N₁₀O₁₂; дополнительно к протеинным единицам некоторые белки содержали серу и фосфор.

     Г. Мульдер пользовался структурными формулами и для обозначения  ряда физиологических процессов. В  своем учебнике физиологической  химии (1844) он рассматривал дыхание  как окисление протеина, пищеварение - как перестройку белка с изменением содержания S, Р, Са и т. п.

     Работы  Г. Мульдера способствовали широкому распространению  взглядов о единстве всех белков, их фундаментальном значении в мире живой природы.

     В ходе проверки «теории протеина»  были резко расширены химические исследования белков, и в этом приняли участие выдающиеся химики того времени Ю. Либих и Ж. Дюма. Ю. Либих, поддерживавший в принципе идею протеиновой единицы, уточнил формулу протеина C₄₈H₇₂N₁₂O₁₄, Ж. Дюма предложил свой вариант C₄₈H₇₄N₁₂О₁₅, однако Г. Мульдер отстаивал правильность составленной им формулы. Его поддерживал И. Берцелиус, изложивший теорию протеина в качестве единственной теории строения белка в знаменитом учебнике химии (1840), что означало полное признание и торжество концепции Г. Мульдера.

     Однако  вскоре наступают трудные времена  для теории протеина. В 1846 г. Н. Э. Лясковский, работавший в лаборатории Ю. Либиха, доказал неточность многих приведенных  Г. Мульдером анализов. Свои сомнения в правильности теории публично высказал Ю. Либих, он планировал начать широкие исследования структуры белков и даже изучил продукты распада белковых веществ. Понимая весомость аргументов оппонентов, Г. Мульдер пытался корректировать формулу протеина (C₃₆H₅₀N₈O₁₀), но, в конце концов, уступил под натиском новых фактов и открытий. Теория протеина стала достоянием истории, однако ее значение непреходяще, ибо она стимулировала химические исследования белков, сделала белки одним из главных объектов бурно развивающейся химии природных веществ.

     Для формирования современных представлений о структуре белка существенное значение имели работы по расщеплению белковых веществ протеолитическими ферментами. Одним из первых их использует Г. Мейснер. В 1850 г. К. Леман предлагает называть пептонами продукты разложения белков пепсином. Изучая этот процесс, Ф. Хоппе-Зайлер и Ш. Вюрц в 70-х годах прошлого столетия пришли к важному выводу, что пептоны образуются в результате гидролиза белков ферментом. Они были весьма близки к правильному толкованию таких экспериментов с позиций структурной химии, но, к сожалению, последнего шага на пути к теории строения белка сделать не сумели. Очень близок к истине был и А. Я. Данилевский, который справедливо утверждал, что белки построены из аминокислот и имеют полимерную природу; главной же структурной единицей он ошибочно считал биуретовую группировку RNHCONHCOR'.

     Дальнейшие  структурные исследования белка, а  также основополагающие работы Т. Курциуса по синтезу пептидов привели в  конце концов к формулированию (1902) пептидной гипотезы, согласно которой белки построены из аминокислот, соединенных пептидными связями -СО-NH-. Пептидная теория (Э. Фишер и В. Гофмейстер) получила полное подтверждение в дальнейших исследованиях. Изучение строения белков было поставлено на прочную научную основу. [1] 
 
 
 
 

Биохимия  в ХХ веке 

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. В это время 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.

     Важным историческим событием в развитии биохимии стало открытие генов и их роль в передаче информации в клетке. Это открытие заложило возможность возникновения на только генетики, но и ее междисциплинарной отрасли с биохимией, молекулярной биологии.

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 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. Также в 1950-х годах Джордж отлей и Эдвард Татум доказали, что один ген отвечает за синтез одного белка. С разработкой методов анализа ДНК, таких как генетический фингерпринтинг, в 1988 году Колин Питчфорк стал первым человеком, обвиненной в убийстве с помощью свидетельства на основе ДНК, что стало первым крупным успехом биохимической судмедэкспертизы. В 2000-х годах Андрю Файр и Крег Мелло показали роль РНК-интерференции (RNAi), в подавлении экспрессии генов.

     Достигнуты  успехи в расшифровке структуры  липидов: фосфолипидов, цереброзидов, ганглеозидов. Создается теория β-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.

Век биохимии.

     Успехи  биохимии менее впечатляют, по сравнению  с успехами квантовой механики и теории относительности — не было эффектов, похожих на взрывы атомных бомб. Но значение этих успехов не меньше. Ученые выяснили молекулярную природу основных физиологических процессов, узнали, из чего состоят живые существа, описали назначение всех основных химических процессов, установили как преобразуется энергия в биологических процессах, как синтезируются все основные вещества в организме, изучили молекулярные механизмы наследственности и изменчивости, исследовали химические основы эмоций и нервной деятельности. И это все биохимия. Это XX век.

     Биохимия, в сущности, принадлежит лишь XX веку. К концу века, биохимия разделилась на дочерние науки — молекулярную биологию, биоэнергетику, иммунологию, энзимологию, молекулярную биофизику.

     Развитие  биохимии крайне драматично. Накал  страстей был здесь не меньше, чем в эти же годы в физике

     Сейчас, направление биохимических исследований протекают в трех направлениях, сформулированных Майклом Шугар. Биохимия растений исследует биохимию преимущественно автотрофных организмов и исследует такие процессы как фотосинтез и другие. Общая биохимия включает исследование как растений, так и животных и человека, тогда как медицинская биохимия фокусируется преимущественно на биохимии человека и отклонениях биохимических процессов от нормы, в частности в результате болезней. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  литературы.

1. Анисимов А. А. «Основы биохимии». М. Высшая школа. 1997 г.
2. Большая медицинская энциклопедия. М. Медицина. 1986 г.
3. Диксон М., Уэбб Э. «Ферменты». М. 19 92г. Том 1.
4. Кольман Я., Рем К.-Г., Вирт Ю. «Наглядная биохимия» М. 2006 г.
5. Северин Е. С. «Биохимия». М. 2003 г.
6. Шамин А. Н. «История биологической химии». Москва. Наука.1993 г.