Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Часть серии по
Биохимия
Myoglobin.png
Ключевые компоненты
История биохимии
Глоссарии
Порталы: Биохимия

Историю биохимии можно сказать, началась с древними греками , которые были заинтересованы в композиции и процессах жизни, хотя биохимия как специфическая научная дисциплина имеет свое начало примерно в начале 19 - го века. [1] Некоторые утверждают , что начало биохимии , возможно, было открытие первого фермента , диастаза (сегодня называется амилазы ), в 1833 году Пайен , [2] в то время как другие считали Бухнер «s первая демонстрация сложного биохимического процесса спиртовое брожение в бесклеточных экстрактах должно стать рождением биохимии.[3] [4] Некоторые могут также указать на влиятельную работу Юстуса фон Либиха 1842 года «Химия животных» или «Органическая химия в ее приложениях к физиологии и патологии» , которая представила химическую теорию метаболизма [1] или даже раньше. к исследованиям 18 века Антуана Лавуазье по ферментации и дыханию. [5] [6]

Сам термин « биохимия » происходит от сочетания био- , означающего «жизнь», и химии . Это слово впервые было записано на английском языке в 1848 году [7], а в 1877 году Феликс Хоппе-Зейлер использовал термин ( Biochemie на немецком языке) в предисловии к первому выпуску Zeitschrift für Physiologische Chemie (Журнал физиологической химии) в качестве синонима. для физиологической химии и выступал за создание институтов, посвященных ее исследованиям. [8] [9] Тем не менее, несколько источников цитируют немецкого химика Карла Нойберга.как введение термина для новой дисциплины в 1903 году [10] [11], и некоторые приписывают его Францу Хофмайстеру . [12]

Предметом изучения биохимии являются химические процессы в живых организмах, и ее история включает открытие и понимание сложных компонентов жизни и выяснение путей биохимических процессов. Большая часть биохимии имеет дело со структурами и функциями клеточных компонентов, таких как белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты и другие биомолекулы; их метаболические пути и поток химической энергии через метаболизм; как биологические молекулы вызывают процессы, происходящие в живых клетках; он также фокусируется на биохимических процессах, участвующих в контроле информационного потока посредством биохимической передачи сигналов, и на их связи с функционированием целых организмов.За последние 40 лет эта область добилась успеха в объяснении жизненных процессов, так 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 одинаковых повторяющихся субъединиц (называемых мономерами). Каждый класс полимерных биомолекул имеет свой набор типов субъединиц. Например, белок - это полимер, субъединицы которого выбраны из набора из двадцати или более аминокислот, углеводы образуются из сахаров, известных как моносахариды, олигосахариды и полисахариды, липиды образуются из жирных кислот и глицеринов, а образуются нуклеиновые кислоты. 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 включаютгенетический код (ДНК, РНК), синтез белка , транспорт через клеточную мембрану и передачу сигналов .

Протобиохимия [ править ]

Четыре юмора. На этой диаграмме каждый вид пищи приводит к разному физиологическому результату. Например, холодная и сухая пища будет производить черную желчь.

В некотором смысле, изучение биохимии можно считать, что начало в древности, например , когда биология первый начал интерес общества, как древние китайцы разработали систему медицины , основанной на инь и ян , а также пять этапов , [ 13], которые возникли в результате интересов алхимии и биологии. Его зарождение в древнеиндийской культуре было связано с интересом к медицине, поскольку они разработали концепцию трех юморов, которые были похожи на четыре юмора у греков (см. Юморизм ). Они также интересовались тем, что тела состоят из тканей.. Концепция «биохимии» древних греков была связана с их идеями о материи и болезнях, где считалось, что хорошее здоровье достигается за счет баланса четырех элементов и четырех юморов в человеческом теле. [14] Как и в большинстве ранних наук, исламский мир внес значительный вклад в ранние биологические и алхимические достижения; особенно с введением клинических испытаний и клинической фармакологии, представленных в " Каноне медицины " Авиценны . [15] Что касается химии, ранние достижения в значительной степени были связаны с исследованием алхимических интересов, но также включали:металлургия , научный метод и ранние теории атомизма . В последнее время изучение химии ознаменовалось такими вехами, как разработка периодической таблицы Менделеева , атомной модели Дальтона и сохранения теории массы . Это последнее упоминание является наиболее важным из трех, поскольку этот закон переплетается между химией и термодинамикой .

Ферменты [ править ]

Эдуард Бюхнер

Еще в конце 18 - начале 19 века были известны переваривание мяса с помощью желудочного секрета [16] и превращение крахмала в сахара с помощью растительных экстрактов и слюны . Однако механизм, с помощью которого это произошло, не установлен. [17]

В 19 веке, изучая ферментацию сахара в спирт дрожжами , Луи Пастер пришел к выводу, что это брожение катализируется жизненной силой, содержащейся в дрожжевых клетках, называемой ферментами , которые, по его мнению, функционируют только в живых организмах. Он писал, что «алкогольное брожение - это действие, связанное с жизнью и организацией дрожжевых клеток, а не со смертью или гниением клеток». [18]

В 1833 году Пайен открыл первый фермент , диастаза , [19] , а в 1878 г. немецкий физиолог Вильгельм Кюне (1837-1900) ввел термин фермент , который приходит от греческого ενζυμον «в закваски», чтобы описать этот процесс. 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 ферментировался даже тогда, когда в смеси не было живых дрожжевых клеток. [20] Он назвал фермент, вызывающий ферментацию сахарозы, « зимазой ». [21] В 1907 году он получил Нобелевскую премию по химии «за свои биохимические исследования и открытие бесклеточной ферментации». Следуя примеру Бюхнера; Ферменты обычно называют в соответствии с той реакцией, которую они проводят. Обычно суффикс -ase добавляется к названию субстрата( например , лактаза - это фермент, расщепляющий лактозу ) или тип реакции ( например , ДНК-полимераза образует ДНК-полимеры).

Выше показана эндонуклеаза рестрикции EcoR1 в ее трехмерной компьютерной форме.

После того, как было показано, что ферменты могут функционировать вне живой клетки, следующим шагом было определение их биохимической природы. Многие первые исследователи отмечали, что ферментативная активность связана с белками, но некоторые ученые (например, лауреат Нобелевской премии Ричард Вильштеттер ) утверждали, что белки были просто носителями истинных 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 поступил так же с ферментом каталазой в 1937 году. Вывод о том, что чистые белки могут быть ферментами, был окончательно доказан Нортропом и Стэнли., который работал над пищеварительными ферментами пепсином (1930), трипсином и химотрипсином. Эти трое ученых были удостоены Нобелевской премии по химии 1946 года. [22]

Это открытие, что ферменты могут кристаллизоваться, означало, что ученые в конечном итоге смогли решить их структуру с помощью рентгеновской кристаллографии . Впервые это было сделано для лизоцима , фермента, обнаруженного в слезах, слюне и яичных белках, который переваривает оболочку некоторых бактерий; структура была решена группой под руководством Дэвида Чилтона Филлипса и опубликована в 1965 году. [23] Эта структура лизоцима с высоким разрешением знаменовала собой начало области структурной биологии и попытки понять, как ферменты работают на атомарном уровне детализации. .

Метаболизм [ править ]

Ранний метаболический интерес [ править ]

Санторио Санторио на своих безальных весах, из Ars de statica medecina , впервые опубликовано в 1614 году.

Термин « метаболизм» происходит от греческого Μεταβολισμός - «метаболизм», что означает «изменение» или «ниспровержение». [24] История научных исследований метаболизма насчитывает 800 лет. Самые ранние из всех метаболических исследований начались в начале тринадцатого века (1213–1288) мусульманским ученым из Дамаска по имени Ибн ан-Нафис. ан-Нафис заявил в своем самом известном труде Theologus Autodidactus, что «это тело и все его части находятся в непрерывном состоянии растворения и питания, поэтому они неизбежно претерпевают постоянные изменения». [25] Хотя ан-Нафис был первым задокументированным врачом, проявившим интерес к биохимическим концепциям, первые контролируемые эксперименты по метаболизму человека были опубликованыСанторио Санторио в 1614 году в своей книге Ars de statica medecina . [26] В этой книге описывается, как он взвешивался до и после еды, сна, работы, секса, голодания, питья и выделения. Он обнаружил, что большая часть еды, которую он принимал, терялась из-за того, что он назвал « нечувствительным потом ».

Метаболизм: 20 век - настоящее время [ править ]

Одним из самых плодовитых современных биохимиков был Ганс Кребс , внесший огромный вклад в изучение метаболизма. [27] Кребс был учеником чрезвычайно важного Отто Варбурга и написал биографию Варбурга под этим названием, в которой он представляет Варбурга как человека, получившего образование в области биологической химии так, как Фишер сделал для органической химии. Что он и сделал. Кребс открыл цикл мочевины, а позже, работая с Гансом Корнбергом , цикл лимонной кислоты и цикл глиоксилата. [28] [29] [30] Эти открытия привели к тому, что Кребс был удостоен Нобелевской премии по физиологии в 1953 г. [31], которая была разделена с немецким биохимиком Фрицем Альбертом Липманном.который также codiscovered существенного кофактора кофермент А .

Поглощение глюкозы [ править ]

В 1960 году биохимик Роберт К. Крейн раскрыл свое открытие котранспорта натрия и глюкозы как механизма всасывания глюкозы в кишечнике. [32] Это было самое первое предложение о связи между потоками иона и субстрата, которое было замечено как начало революции в биологии. Это открытие, однако, было бы невозможным, если бы не открытие структуры и химического состава молекулы глюкозы . Эти открытия в значительной степени приписываются немецкому химику Эмилю Фишеру , получившему Нобелевскую премию по химии почти 60 лет назад. [33]

Гликолиз [ править ]

Здесь показано пошаговое описание гликолиза вместе с необходимыми ферментами.

Поскольку метаболизм направлен на разрушение (катаболические процессы) молекул и создание более крупных молекул из этих частиц (анаболические процессы), использование глюкозы и ее участие в образовании аденозинтрифосфата (АТФ) является фундаментальным для этого понимания. Наиболее частый тип гликолиза, обнаруживаемый в организме, - это тип, который следует по Пути Эмбден-Мейерхоф-Парнас (EMP), который был открыт Густавом Эмбденом , Отто Мейерхоф и Якобом Каролем Парнасом.. Эти трое мужчин обнаружили, что гликолиз в значительной степени определяет эффективность и производство человеческого тела. Значение пути, показанного на соседнем изображении, заключается в том, что, идентифицируя отдельные этапы этого процесса, врачи и исследователи могут точно определить участки метаболических нарушений, таких как дефицит пируваткиназы, которые могут привести к тяжелой анемии. Это наиболее важно, потому что клетки и, следовательно, организмы не способны выжить без надлежащего функционирования метаболических путей.

Инструментальные достижения (20 век) [ править ]

Это пример очень большого прибора ЯМР, известного как HWB-ЯМР, с магнитом 21,2 Тл .

С тех пор биохимия продвинулась вперед, особенно с середины 20-го века, с развитием новых методов, таких как хроматография , дифракция рентгеновских лучей , ЯМР-спектроскопия , радиоизотопное мечение , электронная микроскопия и моделирование молекулярной динамики . Эти методы позволили открытия и детального анализа многих молекул и метаболических путей в клетке , такие как гликолиза и цикла Кребса (цикл лимонной кислоты). Пример прибора ЯМР показывает, что некоторые из этих приборов, такие как HWB-ЯМР, может быть очень большого размера и стоить от нескольких сотен до миллионов долларов (16 миллионов долларов за показанный здесь).

Полимеразная цепная реакция [ править ]

Выше показана модель термоциклера, который в настоящее время используется в полимеразной цепной реакции .

Полимеразная цепная реакция (ПЦР) - это метод амплификации первичных генов, который произвел революцию в современной биохимии. Полимеразная цепная реакция была разработана Кэри Муллис в 1983 г. [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 иллюстративными 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, который хочет работать с бактериями и экспрессией генов. ПЦР используется не только для исследования экспрессии генов, но также может помочь лабораториям в диагностике определенных заболеваний, таких как лимфомы , некоторые типы лейкемии и другие злокачественные новообразования.болезни, которые иногда могут озадачить врачей. Без развития полимеразной цепной реакции есть много достижений в области изучения бактерий и экспрессии белков, которые не были бы реализованы. [35] Развитие теории и процесса полимеразной цепной реакции имеет важное значение, но изобретение термоциклера не менее важно, потому что процесс был бы невозможен без этого инструмента. Это еще одно свидетельство того факта, что развитие технологий столь же важно для таких наук, как биохимия, как и кропотливые исследования, ведущие к развитию теоретических концепций.

Здесь показаны три этапа ПЦР, следующие за первым этапом денатурации.

Открытия [ править ]

Основная статья: Список открытий в биохимии

См. Также [ править ]

  • Агрохимия # История
  • История биологии
  • История химии
  • История молекулярной биологии
  • История хроматографии
  • История биологии РНК
  • Метаболизм
  • Цикл лимонной кислоты

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Тон ван Хелворт (2000). Арне Хессенбрух (ред.). Справочник по истории науки . Издательство Фицрой Дирборн. п. 81. ISBN 9781134262946.
  2. ^ Хантер (2000), стр. 75.
  3. ^ Джейкоб Дарвин Хэмблин (2005). Наука в начале двадцатого века: энциклопедия . ABC-CLIO. п. 26. ISBN 978-1-85109-665-7.
  4. ↑ Хантер (2000), стр. 96–98.
  5. ^ Кларенс Питер Берг (1980). Университет штата Айова и биохимия с момента их возникновения . Биохимия Айовы. С.  1-2 . ISBN 9780874140149.
  6. ^ Фредерик Лоуренс Холмс (1987). Лавуазье и химия жизни: исследование научного творчества . University of Wisconsin Press. п. XV. ISBN 978-0299099848.
  7. ^ "биохимия, сущ." OED Online . Издательство Оксфордского университета . Проверено 8 апреля 2015 года .
  8. ^ Анн-Катрин Ziesak; Ханс-Роберт Крам (18 октября 1999 г.). Издательство Вальтера де Грюйтера, 1749–1999 . Walter de Gruyter & Co. стр. 169. ISBN. 978-3110167412.
  9. ^ Хорсты Kleinkauf, Ганс фон Döhren, Лотар Яника (1988). Корни современной биохимии: закорючка Фрица Липпмана и ее последствия . Walter de Gruyter & Co. стр. 116. ISBN 9783110852455.CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  10. ^ Марк Амслер (1986). Языки творчества: модели, решение проблем, дискурс . University of Delaware Press. п. 55. ISBN 978-0874132809.
  11. ^ Достижения в химии углеводов и биохимии, том 70 . Академическая пресса. 28 ноября 2013. с. 36. ISBN 9780124081123.
  12. ^ Koscak Maruyama (1988). Хорст Кляйнкауф; Ганс фон Дёрен; Лотар Яникем (ред.). Корни современной биохимии: закорючка Фрица Липпмана и ее последствия . Walter de Gruyter & Co. стр. 43. ISBN 9783110852455.
  13. ^ Магнер. История наук о жизни . п. 4.
  14. ^ WF Bynum; Рой Портер, ред. (20 июня 2013 г.). Сопутствующая энциклопедия истории медицины . Рутледж. ISBN 9781136110443.
  15. ^ Братер, Д. Крейг; Уолтер Дж. Дэйли (2000). «Клиническая фармакология в средние века: принципы, предвещающие 21 век». Клиническая фармакология и терапия . 67 (5): 447–450. DOI : 10.1067 / mcp.2000.106465 . PMID 10824622 . S2CID 45980791 .  
  16. ^ де Реомюр, RAF (1752). «Наблюдения за пищеварением уазов». Histoire de l'académie royale des Sciences . 1752 : 266, 461.
  17. ^ Уильямс, HS (1904) История науки: в пяти томах. Том IV: Современное развитие химических и биологических наук Харпер и братья (Нью-Йорк)
  18. ^ Дюбо Дж (1951). "Луи Пастер: Свободное копье науки, Голланц. Цитируется в Manchester KL (1995) Луи Пастер (1822–1895) - случай и подготовленный ум". Trends Biotechnol . 13 (12): 511–515. DOI : 10.1016 / S0167-7799 (00) 89014-9 . PMID 8595136 . 
  19. ^ А. Пайен и Ж.-Ф. Persoz (1833) "Mémoire sur la diastase, les Principaux produits de ses réactions et leurs applications aux arts Industriels" (Воспоминания о диастазе, основных продуктах ее реакций и их применении в промышленном искусстве), Annales de chimie et de Physique , 2-я серия, т. 53, страницы 73–92 .
  20. ^ Биография лауреата Нобелевской премии Эдуарда Бухнера на http://nobelprize.org
  21. ^ Текст Нобелевской лекции Эдуарда Бухнера 1907 г. на http://nobelprize.org
  22. ^ 1946 Нобелевская премия для лауреатов по химии на http://nobelprize.org
  23. Перейти ↑ Blake CC, Koenig DF, Mair GA, North AC, Phillips DC, Sarma VR (1965). «Структура лизоцима куриного яйца-белка. Трехмерный синтез Фурье с разрешением 2 ангстрем». Природа . 206 (4986): 757–761. Bibcode : 1965Natur.206..757B . DOI : 10.1038 / 206757a0 . PMID 5891407 . S2CID 4161467 .  
  24. ^ «Метаболизм» . Электронный этимологический словарь . Проверено 20 февраля 2007 года .
  25. ^ Теолог Самодидактус
  26. ^ Экноян G (1999). "Санторио Санкториус (1561-1636) - отец-основатель исследований метаболического баланса". Am J Nephrol . 19 (2): 226–33. DOI : 10.1159 / 000013455 . PMID 10213823 . S2CID 32900603 .  
  27. ^ Корнберг H (2000). «Кребс и его троица циклов». Nat Rev Mol Cell Biol . 1 (3): 225–8. DOI : 10.1038 / 35043073 . PMID 11252898 . S2CID 28092593 .  
  28. ^ Кребс, HA; Хенселейт, К. (1932). "Untersuchungen über die Harnstoffbildung im tierkorper". Z. Physiol. Chem . 210 (1–2): 33–66. DOI : 10.1515 / bchm2.1932.210.1-2.33 .
  29. Перейти ↑ Krebs H, Johnson W (1 апреля 1937 г.). «Метаболизм кетоновых кислот в тканях животных» . Biochem J . 31 (4): 645–60. DOI : 10.1042 / bj0310645 . PMC 1266984 . PMID 16746382 .  
  30. Перейти ↑ Kornberg H, Krebs H (1957). «Синтез компонентов клетки из C2-звеньев с помощью модифицированного цикла трикарбоновых кислот». Природа . 179 (4568): 988–91. Bibcode : 1957Natur.179..988K . DOI : 10.1038 / 179988a0 . PMID 13430766 . S2CID 40858130 .  
  31. ^ Кребс, Ганс. «Нобелевский фонд» . Проверено 22 ноября 2013 года .
  32. ^ Роберт К. Крейн, Д. Миллер и И. Билер. «Ограничения возможных механизмов кишечного транспорта сахаров». В: Мембранный транспорт и метаболизм. Материалы симпозиума, проходившего в Праге 22–27 августа 1960 г. Под редакцией А. Кляйнцеллера и А. Котыка. Чешская академия наук , Прага, 1961, стр. 439-449.
  33. ^ Фишер, Эмиль. «Нобелевский фонд» . Проверено 2 сентября 2009 года .
  34. Перейти ↑ Bartlett, Stirling (2003). «Краткая история полимеразной цепной реакции». Протоколы ПЦР . Методы молекулярной биологии. 226 . С. 3–6. DOI : 10.1385 / 1-59259-384-4: 3 . ISBN 1-59259-384-4. PMID  12958470 .
  35. ↑ Ямамото, Йошимаса (9 мая 2002 г.). «ПЦР в диагностике инфекции: обнаружение бактерий в спинномозговой жидкости» . Clin Diagn Lab Immunology . 9 (3): 508–14. DOI : 10,1128 / CDLI.9.3.508-514.2002 . PMC 119969 . PMID 11986253 .  

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Фрутон, Джозеф С. Белки, ферменты, гены: взаимодействие химии и биологии . Издательство Йельского университета: Нью-Хейвен, 1999. ISBN 0-300-07608-8 
  • Колер, Роберт. От медицинской химии к биохимии: создание биомедицинской дисциплины . Издательство Кембриджского университета, 1982.