ОСНОВЫ БИОХИМИИ И МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ - Н. Н. Скворцова - 2016

Часть I. Химические компоненты клетки

Введение

Дисциплина «Основы биохимии и молекулярной биологии» относится к циклу естественно-научных дисциплин направления подготовки бакалавриата 19.03.01 Биотехнология.

Содержание дисциплины охватывает круг вопросов, связанных со строением, биохимическими свойствами и метаболическими путями превращения основных классов биомолекул живой клетки. Изучаются основы биоэнергетики и процессов трансформации энергии в живых организмах, а также взаимосвязь и регуляция процессов метаболизма в организме. Рассмотрены механизмы действия ферментов и их роль в обменных процессах; реакции обмена веществ в тканях человека, животных и растений, механизмов регуляции обмена веществ и клеточного гомеостаза; процессы трансформации энергии в живых организмах; механизмы передачи наследственной информации.

В результате освоения дисциплины необходимо иметь представления о химическом составе биологических тканей; строении и закономерностях метаболизма биомолекул; об основных методах биохимических исследований белков, липидов, углеводов, витаминов, нуклеиновых кислот; понимать механизмы регуляции обмена веществ и клеточного гомеостаза, особенности строения генов прокариот и эукариот, основные этапы экспрессии генов, генетический код. Основой для изучения профессиональных дисциплин является активное владение знаниями о строении, классификации, механизме действия ферментов и их роли в обменных процессах, а также о процессах трансформации энергии и веществ в живых организмах.

Биологическая химия (биохимия) - наука о химическом составе живых клеток и организмов и о химических процессах, лежащих в основе их жизнедеятельности. Термин «биохимия» был предложен в 1903 году немецким химиком Карлом Нейбергом (Carl Neuberg). Биохимия достигла огромных успехов в изучении природы химических процессов, происходящих как в целостном организме, так и на клеточном, субклеточном и молекулярном уровне.

Как самостоятельная наука биохимия сформировалась примерно в конце XIX века, однако биохимические процессы люди использовали ещё в глубокой древности. Возникновению биохимии как науки о химии жизни предшествовало бурное развитие органической химии.

Биохимия в отличие от органической химии исследует только вещества живых организмов и химические реакции, происходящие в живой клетке. 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 известный английский химик и врач Уильям Праут (William Prout).

Новым импульсом развитию биологической химии послужили работы Луи Пастера (Louis Pasteur) по изучению процесса брожения. 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 крупнейший немецкий биохимик Э. Фишер (Hermann Emil Fischer) 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 (James Batcheller Sumner) удалось получить первый чистый фермент, уреазу, и доказать, что фермент - это белок.

Биохимия стала первой биологической дисциплиной с развитым математическим аппаратом благодаря работам Дж. Холдейна (Haldane, John Scott), Л. Михаэлиса (Leonor Michaelis), М. Ментен (MaudLeonora Menten) 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 завершенную до сих пор. Важнейшими событиями в этой области стали открытия витаминов, гликолиза и цикла трикарбоновых кислот.

Во второй половине ХХ века произошло выделение молекулярной биологии в особую науку. Молекулярные биологи преимущественно работают с нуклеиновыми кислотами, изучая их структуру и функции, в то время как биохимики сосредоточились на изучении остальных компонентов клетки. Размежевание между биохимией и молекулярной биологией сформировалось, в основном, как методологическое и по предмету исследования.

До недавнего времени технические возможности позволяли ученым изучать только небольшую часть компонентов биологических систем. Новейшие аналитические методы позволили перейти к более системному пониманию проблем биологии. Возможность увидеть более подробную картину биологической системы предоставляют геномика, протеомика, метаболомика.

Геномика - раздел молекулярной генетики, посвященный изучению генома и генов живых организмов. Эта методология позволяет биохимикам изучать функции белков, являющихся продуктами уже известных генов, в то время как ранее наука шла по пути определения структуры генов, кодирующих уже известные белки.

Геномика сформировалась как особое направление в 1980 - 1990-х гг. вместе с возникновением первых проектов по секвенированию геномов некоторых видов живых организмов. В 2001 г. появился первый черновой вариант генома человека, в 2003 г. проект «Геном человека» был завершен. Развитие геномики стало возможным не только благодаря совершенствованию биохимических методик, но наряду с этим способствовало появлению более мощной вычислительной техники, которая позволила работать с огромными массивами данных. Получение полных последовательностей геномов позволило понять степень различий между геномами разных живых организмов.

Протеомика - наука, основным предметом изучения которой являются белки и их взаимодействия в живых организмах. Набор белков клетки называется ее протеомом, а наука протеомика занимается изучением структуры, функций, локализации и взаимодействия белков внутри клетки и между клетками. После определения структуры геномной ДНК человека и ряда других организмов у исследователей белков появились новые методы, с которыми и связывают появление нового термина. Ученые, работающие в области протеомики, исследуют биосинтез белков, их модификацию, а также декомпозицию и замену белков организма.

В этой быстро развивающейся области основной целью является понимание механизма взаимодействия в живом организме около 300 тысяч белков. Объем работ, которые необходимо выполнить, требует использования методов и приборов с высокой производительностью, информативностью и чувствительностью.

Метаболомика - это систематическое изучение низкомолекулярных метаболитов биологических систем. Метаболом представляет собой совокупность всех метаболитов, являющихся конечным продуктом обмена веществ в клетке, ткани, органе или организме. Метаболомика позволяет определить химический профиль клеточного метаболизма в беспрецедентном разрешении. Знание этого профиля обеспечивает глубокое проникновение в динамические процессы, протекающие в любых тканях организма.

Метаболические профили могут дать мгновенный снимок физиологических процессов в клетке. На сегодняшний день метаболо- мика все еще остается новой областью исследований. Дальнейший прогресс в этой области зависит от многих факторов, в том числе от развития технической базы аналитических методов, прежде всего масс-спектрометрических методов и спектроскопии ЯМР.

Одна из современных задач системной биологии - интегрирование данных протеомики, геномики и метаболомики для получения более целостного представления о живых организмах.

В зависимости от подхода к изучению живой материи биохимию делят на статическую, динамическую и функциональную.

Статическая биохимия изучает химический состав организмов - состав, строение, количественное содержание в тех или иных биологических объектах.

Динамическая биохимия изучает превращения химических соединений и взаимосвязанные с ними трансформации энергии в процессе жизнедеятельности живых организмов.

Функциональная биохимия выясняет взаимосвязь между строением химических соединений и процессами их превращений, с одной стороны, и функцией субклеточных структур, специализированных клеток, тканей или органов, включающих в свой состав упомянутые вещества, - с другой.

Деление это в значительной мере условно, и три раздела тесно переплетаются друг с другом. Учебное пособие, следуя этому делению, состоит из трех частей. В предлагаемой первой части учебного пособия рассмотрены биомолекулы живой клетки и их производные, получившие широкое использование в пищевых технологиях. Теоретический материал разделов сопровождается вопросами для самопроверки усвоения основных положений темы и заданиями для самостоятельной работы, выполняемыми по вариантам студентами заочного отделения в контрольной работе. Методические указания к выполнению контрольной работы приведены в заключительном разделе учебного пособия.