Biochemie ( biologická nebo fyziologická chemie ) je věda o chemickém složení živých buněk a organismů , stejně jako o chemických procesech , které jsou základem jejich životně důležité činnosti . Termín „biochemie“ se sporadicky používá od poloviny 19. století , v klasickém smyslu jej navrhl a do vědecké komunity zavedl v roce 1903 německý chemik Karl Neuberg [1] .
Biochemie je relativně mladá věda, která se nachází na průsečíku biologie a chemie [2] .
Biochemie jako nezávislá věda vznikla asi před 100 lety, ale lidé používali biochemické procesy v dávných dobách, aniž by si samozřejmě uvědomovali jejich skutečnou podstatu. Již v nejvzdálenějších dobách byla známa technologie takových výrob založených na biochemických procesech, jako je pečení chleba , sýraření , vinařství , úprava kůže . Potřeba bojovat s nemocemi nás nutila přemýšlet o proměnách látek v těle, hledat vysvětlení pro léčivé vlastnosti léčivých rostlin . Využití rostlin k výrobě potravin , barviv a tkanin také vedlo k pokusům pochopit vlastnosti rostlinných látek . Starověcí myslitelé hovořili o roli, kterou hraje vzduch a potrava v podpoře života živých bytostí, o tom, co způsobuje proces fermentace [3] .
Perský vědec a lékař 10. století Avicenna ve své knize „The Canon of Medicine “ podrobně popsal mnoho léčivých látek [4] .
V 17. století van Helmont zavedl termín enzym pro označení chemického činidla účastnícího se procesu trávení [5] .
18. století bylo ve znamení prací M. V. Lomonosova a A. L. Lavoisiera . Na základě jimi objeveného zákona zachování hmotnosti látek a experimentálních dat nashromážděných do konce století byla vysvětlena podstata dýchání a výjimečná role kyslíku v tomto procesu [6] .
Studium chemie života již v roce 1827 vedlo k dosud uznávanému dělení biologických molekul na bílkoviny , tuky a sacharidy . Autorem této klasifikace byl anglický chemik a lékař William Prout [7] . V roce 1828 německý chemik F. Wöhler syntetizoval močovinu : nejprve z kyseliny kyanové a čpavku (odpařením roztoku vzniklého kyanátu amonného) a později ve stejném roce z oxidu uhličitého a čpavku . Tak bylo poprvé prokázáno, že chemické látky živého organismu lze syntetizovat uměle, mimo tělo. Wöhlerovo dílo zasadilo první ránu teoriím představitelů vitalistické školy, kteří předpokládali přítomnost určité „životní síly“ ve všech organických sloučeninách [6] . Následnými silnými impulsy v tomto směru chemie byla laboratorní syntéza lipidů (v roce 1854 - M. Berthelot , Francie ) a sacharidů z formaldehydu ( 1861 - A. M. Butlerov , Rusko ). Butlerov také vypracoval teorii struktury organických sloučenin [8] .
Nový impuls k rozvoji biologické chemie daly práce na studiu fermentace zahájené Louisem Pasteurem . V roce 1897 Eduard Buchner dokázal, že kvašení cukru může probíhat za přítomnosti bezbuněčného kvasnicového extraktu a tento proces není ani tak biologický jako chemický [9] . Na přelomu 19. a 20. století pracoval německý biochemik E. Fischer . Formuloval hlavní ustanovení peptidové teorie struktury proteinů , stanovil strukturu a vlastnosti téměř všech aminokyselin, které je tvoří . Ale teprve v roce 1926 se Jamesi Sumnerovi podařilo získat první čistý enzym, ureázu , a dokázat, že enzym je protein [10] .
Biochemie se stala první biologickou disciplínou s rozvinutým matematickým aparátem díky práci Haldanea , Michaelise , Mentena a dalších biochemiků, kteří vytvořili enzymatickou kinetiku , jejímž základním zákonem je Michaelis-Mentenova rovnice [11] .
V roce 1928 Frederick Griffith jako první ukázal, že extrakt z teplem usmrcených bakterií způsobujících onemocnění může přenést rys patogenity na benigní bakterie . Studium bakteriální transformace dále vedlo k purifikaci původce onemocnění, kterým se oproti očekávání nejednalo o protein, ale o nukleovou kyselinu . Samotná nukleová kyselina není nebezpečná, pouze nese geny , které určují patogenitu a další vlastnosti mikroorganismu . V roce 1953 popsali americký biolog J. Watson a anglický fyzik F. Crick na základě prací M. Wilkinse a R. Franklina strukturu DNA – klíč k pochopení principů přenosu dědičné informace . Tento objev znamenal zrod nového směru vědy – molekulární biologie [12] .
V roce 1958 obdrželi George Beadle a Edward Tatham Nobelovu cenu za práci na houbách, která vyústila v hypotézu jeden gen-jeden-enzym [13] . V roce 1988 se Colin Pitchfork stal první osobou, která byla odsouzena za vraždu na základě DNA otisků prstů důkazu a prvním zločincem, který byl chycen v důsledku hromadného snímání otisků prstů [14] . Z posledních milníků ve vývoji biochemie je třeba poznamenat, že Andrew Fire a Craig Mello obdrželi Nobelovu cenu za fyziologii a medicínu za „objev interference RNA – účinek zhášení aktivity určitých genů “ [15] [ 16] .
Biochemie, která vznikla jako věda o chemii života na konci 19. století [2] , které předcházel prudký rozvoj organické chemie , se liší od organické chemie tím, že studuje pouze ty látky a chemické reakce, které probíhají v živé organismy, především v živé buňce. Podle této definice pokrývá biochemie také mnoho oblastí buněčné biologie a zahrnuje molekulární biologii [17] . Po vyčlenění posledně jmenované jako samostatné disciplíny se vytvořila především hranice mezi biochemií a molekulární biologií jako metodologickým a předmětem výzkumu. Molekulární biologové primárně pracují s nukleovými kyselinami , studují jejich strukturu a funkci, zatímco biochemici se zaměřili na proteiny , zejména enzymy , které katalyzují biochemické reakce. V posledních letech se termíny „biochemie“ a „molekulární biologie“ často používají zaměnitelně [9] .
Biochemická metodika je založena na frakcionaci, analýze, studiu struktury a vlastností jednotlivých složek živé hmoty. Metody biochemie vznikly převážně ve 20. století; nejběžnější jsou chromatografie , kterou vynalezl M. S. Tsvet v roce 1903 [49] , centrifugace ( T. Svedberg , 1923, Nobelova cena za chemii 1926) a elektroforéza ( A. Tiselius , 1937, Nobelova cena za chemii 1948) [50] [51 ] ] .
Od konce 20. stol v biochemii se stále více používají metody molekulární a buněčné biologie , zejména umělá exprese a knockout genů v modelových buňkách a celých organismech (viz genetické inženýrství , biotechnologie ). Stanovení struktury veškeré lidské genomové DNA odhalilo přibližně tolik dříve neznámých genů a jejich neprobádaných produktů, kolik jich bylo známo již na počátku 21. století díky půlstoletí úsilí vědecké komunity. Ukázalo se, že tradiční chemická analýza a čištění enzymů z biomasy umožňuje získat pouze ty proteiny, které jsou v živé hmotě přítomny v relativně velkém množství. Není náhodou, že většinu enzymů objevili biochemici v polovině 20. století a na konci století se rozšířil názor, že všechny enzymy již byly objeveny. Data genomiky tyto představy vyvrátila, ale další rozvoj biochemie si vyžádal změnu metodiky. Umělá exprese dříve neznámých genů poskytla biochemikům nový materiál pro výzkum, často nedostupný tradičními metodami. V důsledku toho se objevil nový přístup k plánování biochemického výzkumu, který se nazývá reverzní genetika nebo funkční genomika [52] . V posledních desetiletích došlo v oblasti počítačové simulace k velkému rozvoji . Tato technika umožňuje studovat vlastnosti biomolekul tam, kde je nemožné (nebo velmi obtížné) provést přímý experiment. Technika je založena na počítačových programech, které umožňují vizualizaci struktury biomolekul, nastavení jejich očekávaných vlastností a sledování výsledných interakcí mezi molekulami, jako je enzym - substrát , enzym - koenzym , enzym - inhibitor [51] .
Z 90 chemických prvků, které se přirozeně vyskytují v přírodě, je k udržení života potřeba něco málo přes čtvrtinu. Většina vzácných prvků není nezbytná pro udržení života (výjimky jsou selen a jód ). Většina živých organismů také nepoužívá dva běžné prvky, hliník a titan . Seznamy prvků nezbytných pro živé organismy se na úrovni vyšších taxonů liší. Všechna zvířata potřebují sodík a některé rostliny se bez něj obejdou. Rostliny potřebují bór a křemík , ale zvířata ne (nebo je potřebují v ultramikroskopickém množství). Pouze šest prvků (tzv. makronutrienty neboli organogenní prvky ) tvoří až 99 % hmotnosti lidského těla. Jedná se o uhlík , vodík , dusík , kyslík , vápník a fosfor . Kromě těchto šesti základních prvků potřebuje člověk v malých nebo mikroskopických množstvích dalších 19 prvků: sodík , chlor , draslík , hořčík , síra , železo , fluor , zinek , křemík , měď , jód , bór , selen , nikl , chrom , mangan , molybden , kobalt [53] a, jak bylo uvedeno v roce 2014, brom [54] .
Čtyři hlavní typy molekul studovaných biochemií jsou sacharidy , lipidy , proteiny a nukleové kyseliny , stejně jako jejich hybridy , proteoglykany , glykoproteiny , lipoproteiny atd. Mnoho biomolekul jsou polymery ( makromolekuly ), jejichž stavebními kameny jsou jednodušší biomolekuly . Například polysacharidy jsou tvořeny jednoduchými cukry, zatímco bílkoviny jsou tvořeny aminokyselinami . Biologické polymery často tvoří komplexy, jejichž struktura je dána jejich biologickou funkcí [55] . V hierarchii chemické složitosti živých systémů jsou makromolekuly výše než chemické prvky, funkční skupiny a jednoduché biomolekuly a na dalších stupních této hierarchie jsou metabolické dráhy , buňky , mnohobuněčné organismy a ekosystémy [56] .
Sacharidy se skládají z monomerů nazývaných monosacharidy , jako je glukóza (C 6 H 12 O 6 ), fruktóza (C 6 H 12 O 6 ) [57] a deoxyribóza (C 5 H 10 O 4 ). Při syntéze molekuly disacharidu se ze dvou molekul monosacharidu vytvoří molekula vody. Polysacharidy slouží k akumulaci energie ( v rostlinách škrob , u živočichů glykogen ) a jako strukturotvorné molekuly (např. hlavní složkou rostlinných buněčných stěn je polysacharid celulózy a chitin je strukturní polysacharid nižších rostlin, hub a bezobratlých (především rohovky členovců – hmyzu a korýšů) [58] .
Lipidy (tuky) jsou zpravidla složeny z molekuly glycerolu , ke které je esterovou vazbou připojena jedna ( monoglyceridy ) až tři ( triglyceridy ) mastné kyseliny . Mastné kyseliny se dělí do skupin podle délky uhlovodíkového řetězce a podle stupně nasycení (přítomnost a počet dvojných vazeb v řetězci). Lipidy jsou hlavními molekulami, které spotřebovávají energii u zvířat. Kromě toho mají různé funkce související s buněčnou signalizací a transportem lipofilních molekul [59] .
Proteiny jsou obvykle velké molekuly – makrobiopolymery. Jejich monomery jsou aminokyseliny. Většina organismů syntetizuje proteiny z 20 různých typů aminokyselin. Aminokyseliny se od sebe liší tzv. R-skupinou, jejíž struktura má velký význam při skládání proteinu do trojrozměrné struktury. Aminokyseliny mezi sebou tvoří peptidové vazby , přičemž vytvářejí řetězec – polypeptid. Porovnání aminokyselinové sekvence v proteinech umožňuje biochemikům určit stupeň homologie dvou (nebo více) proteinů [60] .
Funkce proteinů v buňkách živých organismů jsou rozmanitější než funkce jiných biopolymerů - polysacharidů a nukleových kyselin . Enzymové proteiny tedy katalyzují průběh biochemických reakcí a hrají důležitou roli v metabolismu. Některé proteiny mají strukturální nebo mechanickou funkci, tvoří cytoskelet , který udržuje tvar buněk. Proteiny také hrají klíčovou roli v buněčných signalizačních systémech , v imunitní odpovědi a v buněčném cyklu . Mnoho proteinů, enzymů i strukturních proteinů, tvoří komplexy s neproteinovými biomolekulami. Komplexy s oligosacharidy se nazývají (v závislosti na relativním zastoupení proteinu a polysacharidu v komplexu) glykoproteiny nebo proteoglykany. Komplexy s lipidy se nazývají lipoproteiny [61] .
Nukleová kyselina je komplex makromolekul skládající se z polynukleotidových řetězců. Hlavní funkcí nukleových kyselin je ukládání a kódování genetické informace. Nukleová kyselina je syntetizována z makroergických mononukleosidtrifosfátů (ATP, GTP, TTP, CTP, UTP), jedním z nich je adenosintrifosfát (ATP), a je také hlavní energeticky náročnou molekulou všech živých organismů. Nejběžnějšími nukleovými kyselinami jsou deoxyribonukleová kyselina (DNA) a ribonukleová kyselina (RNA). Nukleové kyseliny lze nalézt ve všech živých buňkách od archaea po eukaryota , stejně jako ve virech [62] .
Název "nukleové kyseliny" byl dán této skupině biopolymerů kvůli jejich primárnímu umístění v buněčném jádře. Monomery těchto molekul se nazývají nukleotidy . Nukleotidy se skládají ze tří složek: dusíkaté báze ( purin nebo pyrimidin ), monosacharid pentózového typu a fosfátová skupina. DNA a RNA se liší typem pentózy (v DNA je to 2 - deoxyribóza a v RNA je to ribóza ) a také možným složením dusíkatých bází (zatímco adenin , guanin a cytosin jsou přítomny v DNA i RNA, thymin je přítomen výhradně v DNA a uracil - výhradně v RNA) [63] .
![]() |
| |||
---|---|---|---|---|
|
biochemických molekul | Hlavní skupiny|
---|---|