Biochemija

Biochemijos mokslo istorija:

Pasaulinė Skiriami trys pasaulinės biochemijos vystymosi etapai:

I. Priešaušris

Organinės chemijos vystymosi etapas, vystosi statinė biochemija, naudojami tokie metodai kaip medžiagų išskyrimas, gryninimas, jų struktūrų nustatymas).

Jatrochemikai teigė, kad organinės medžiagos negali atsirasti iš neorganinių medžiagų, tam reikalinga specifinė “vitalinė” (gyvybinė) jėga.

Susintetinus šlapalą buvo panaikintos jatrochemikų vitalistinės pažiūros.

XIX a. Žymus struktūrų tyrimais.

1. Mulder’is nurodė, kad baltymuose yra azoto, ir pavadino juos proteinais.2. E. Fischer’is irgi tyrė baltymus ir nurodė, kad peptidai sudaryti iš amino rūgščių sujungtų

peptidiniais ryšiais, tyrė fermentus ir padarė išvadą, kad fermentai yra komplemetarūs savo substratams. (1902m. pirma Nobelio premija med/fiz srityje)

3. 1700 m. tyrinėjant maisto virškinimą skrandyje pirmą kartą aprašyta biologinė katalizė. 1850 m. L. Pasteras išreiškė mintį, kad fermentai yra aktyvūs tik gyvoje ląstelėje. (sulaukė gana nemažai prieštaravimų, ir jie buvo išspręsti tik 1897(?) brolių Biuchnerių, įrodyta, kad ne- fermentai yra aktyvūs ir mielių ekstraktuose)

4. 1868 m. F. Miecher iš lašišos spermos ląstelių išskyrė branduoli, atskyrus baltymą, liko medžiaga turinti fosforo rūgšties liekaną, tą medžiagą pavadino nukleorūgštimi.

5. 1880 m. N. Lunin, įrodė buvimą gyvybiškai svarbių, biologiškai aktyvių medžiagų, kurias pavadino vitaminais.

6. 1903 m. C. Neuberg’as pavartojo terminą “biochemija”.

II. Fermentų era – dinaminės, funkcinės biochemijos etapas

1. Atrandami ir naudojami nauji tyrimo metodai, tokie kaip ultra centrifugavimas, įvairios chromatografijos rūšys, elektroforezė, spektroskopija, imami naudoti izotopai.

2. 1926 m. J. Sumner iš sojos sėklų išskyrė kristalinį baltymą, kuris pasirodė esantis fermentas ureazė (identiškas fermentui ureazei). Tuo jis įrodė, kad fermentai yra baltymai (ilgai tai buvo nepripažinta). Samneris Nobelio premiją gavo 1946 m.

3. 1929 m. du mokslininkai Notrthrop ir Kunitz iš virškinimo sulčių išskyrė profermentus pepsinogeną ir tripsinogeną, o 1930-31 m. išskyrė ir aktyvius fermentus – pepsiną, tripsiną ir kitus, išskyrė juos kristalinėje formoje. Tik po to Samnerio atradimas buvo pripažintas.

4. 1932-1937 metais prasidėjo Krebso darbai, po kurio atsirado Krebso ciklas (pabaigtas tirti 1937 m.) – tai svarbiausias biocheminis procesas vykstantis kiekvienoje ląstelėje. Už tai jis gavo Nobelio premiją.

III. Molekulinės biologijos era

1. 1953 m. Watson, Crick ir Wilkins išaiškino DNR antrinę struktūrą. 1962 Nobelio premija. – tai buvo įžengimas į molekulinį lygį, nuo kurio prasidėjo molekulinės biologijos era, pradėjo vystytis šiuolaikinė biochemija, rentgeno struktūrinė analizė, spektroskopija, genų inžinerija, fermentų imobilizavimas, sekvionatoriai (nukleorūgščių ir baltymų pirminei ir antrinei struktūrai tirti).

2. 1953 m. Senger sukurė metodą, kuriuo išaiškino baltymo insulino pirminę struktūrą. 1977 m. sukūrė metodą, DNR nukleotidų sekos tyrimui, gavo antrąją Nobelio premiją.

3. 1962 m. Perutz ir Kendreč naudodami rentgenostruktūrinės analizės metodus ėmė tirti erdvines baltymų struktūras. Tais pačias metais jie baigė tirti hemoglobino ir mioglobino erdvines struktūras.

4. 1965 m. R. Holley nustatė tRNR antrinę struktūrą. 5. 1970 H. Khorana susintetino geną, koduojantį alanino transportinę RNR6. 1981 m. atrasti ribozimai – šitoje srityje daug nuveikė Aftmann ir Pace7. 1983 m. nustatyta, kad AIDS sukelia retrovirusas, kuris buvo identifikuotas 8. 1985 m. Miulis atrado polimerazinę grandininę reakciją (PGR). Atsirado galimybė

sukurti neribotą skaičių trumpų DNR fragmentų. 9. 1990 m. išaiškinta molekulinė vėžio prigimtis10. 2002 m. Amerikiečių mokslininkai paskelbė, kad nustatė visą žmogaus genomą. 11. 2003 m. Baigtas tirti žmogaus genomas.

Biochemija Lietuvoje

Trys etapai

I etapas (Nuo XVII a. Iki 1842 m.) 1. XVII a. J. Markvartas prie biochemijos prisidėjo parodęs psichinių procesų materialią kilmę.2. 1781m. Įkurtas medicinos fakultetas, kur Bizis dėsto virškinimo pagrindus.3. 1784 m. Įkurta Chemijos katedra (medicinos fakultete)

Sartorijus dėsto farmacinę chemiją 4. 1797 m. Vilniaus vyriausioji mokykla – organinę chemiją pradeda dėstyti A. Sniadeckis.

1808 m. atrado naują mineralinį elementą, kurį pavadino Vesčiu, tačiau tas atradimas nebuvo pripažintas, vėliau buvo perrastas Kazanėje ir pavadintas Rūteniu.

5. 1805 m. Įkūrus Vilniaus medicinos draugiją, tapo jos pirmininku. Parašė chemijos vadovėlį (2 tomų). 1804 m. išleido monografiją “Organinių būtybių teorija” I tomą, 1811 m. – II tomą.

6. 1842 m. uždaromos paskutinės aukštosios mokyklos Lietuvoje

II etapas – tarpukaris

1. 1918 m. bandomas atkurti universitetas, priimamas statutas2. 1932 m. V. Lašas Fiziologijos ir koloidų chemijos kursus dėsto, išleido vadovėlį

“Fiziologinė chemija analizėms”3. 1943 m. Vu uždaromas

III etapas – nuo 1944 metų

1. 1947 m. Įkurta biologinės chemijios katedra. 2. nuo 1987 m. Kučinskienė vadovavo3. 1962 m. gamtos fakultete įkurta Biochemijos ir biofizikos katedra (vedėjas doc.

Malachovskis, ilgą laiką vadovavo B. Juodka).4. 1967 įkurtas Mokslo akademijos Biochemijos institutas5. 1975 . įkurtas taikomosios enzimologijos institutas6. perorganizutoas į “Fermentą”7. Po 1990 metų “fermentas” reorganizuotas...

Biochemija ir medicina

Biochemija ir medicina tai tarpusavyje glaudžiai susiję mokslai. Biochemija naudodamasi organinės ir fizikinės chemijos bei molekulinės fizikos metodais tiria biologines struktūras, o biochemijos atradimai yra pritaikomi kitose srityse, tuo tarpu ir medicinoje:

1) biochemikai tyrė ląstelių paviršiaus medžiagų kontaktą su membranų receptoriais, taip padėjo išsiaiškinti vėžio išsivystymo mechanizmą. (vėžys – grupė ligų, kurioms būdingas nekontroliuojamas ląstelių dauginimasis). Aplinkos veiksnio poveikis turi būti perduotas į branduolį ir į ten esančią DNR, tai yra sudėtingas procesas, kurio bent vieną grandį padėjo išsiaiškinti biochemikai.

2) Biocheminis fermentų aktyvių centrų ištyrimas atskleidė naujas galimybes vaistų gamyboje.

3) Fermentų imobilizavimas – biochemikai sugebėjo fermentus pritvirtinti prie nešėjo. Tai buvo panaudojama įvairių ligų gydymui. Fermentus panaudojo kaip vaistus – Imobilizavimas užtikrino ilgesnį fermentų veikimą reikiamoje vietoje. Streptokinazė naudojama trombų tirpinimui. Įmobilizuota į dirbtinį inkstą ureazė skaido šlapalą – fermentai buvo panaudoti kaip vaistai. Fermentus galima imobilizuoti ne į biologines struktūras, o į aparatus - tai praplėtė diagnostikos galimybes (Eksan – skirtas gliukozės kiekiui kraujyje nustatyti, jo platinos elektrode įmobilizuotas fermentas...)

4) Biocheminių rodiklių nustatymui. Labai svarbus dalykas įvairių ligų diagnostikai ir gydymo kontrolei (alfa- amilazė, kai jos aktyvumas kraujyje padidėja, galima diagnozuoti ūminį pankreatitą, jei gliukozės kiekis padidėja kraujyje, nustatoma cukraligė, iš bilirubino pokyčių galima diagnozuoti geltas).

5) PGR atradimas leido greitai ir dideliais kiekiais pagausinti norimą DNR arba RNR fragmentą. Šita reakcija yra pritaikoma prenatalinei (išankstinei) genetinių ligų diagnostikai (ieškoma genetinių taškinių mutacijų).

6) Genų inžinerijos (genų technologijos) metodai naudojami gydymui reikalingų baltymų sintetinimui (insulinas, stomatostatinas, somatotropinis hormonas).

7) Baltymų inžinerija, taikoma medicinoje, irgi būtų labai perspektyvi – leistų gaminti modifikuotus baltymus.

Biomolekulės jų kilmė ir hierarchija

Gyvi organizmai pagal savo cheminių elementų sudėtį labai skiriasi nuo atmosferos ir tai leidžia teigti, kad vieni cheminiai elementai daugiau negu kiti įeina į gyvų organizmų sudėtį.

Gyvų organizmų ląstelėse daugiausia C H O N , kai kuriose ląstelėse jie sudaro net 90 proc. ląstelės elementų. Šie elementai lengvai sudaro kovalentinius ryšius poruojantis elektronams. Jie yra patys lengviausi iš elementų sudarančių kovalentinius ryšius. Kovalentinio ryšio stiprumas yra atvirkščiai proporcingas elementų molio masei.

Ypatingas dėmesys tenka anglies atomams – jie būdami keturvalenčiais lengvai jungiasi su kitais atomais ir sudaro daugelio organinių junginių karkasą. Be to, anglis lengvai jungiasi ir su kitais elementais, įjungdama tuos elemetus kaip funkcines grupes. Daugelis ankstyvųjų gyvybės kilmės teorijų kaip anglies šaltinį įvardina ne pačią anglį, bet metaną, bet naujesni geologiniai tyrimai įrodė, kad žemės atmosferoje prieš daug milijardų metų buvo CO2.

Kadangi atmosferoje daug deguonies, visos organinės biomolekulės yra kilę iš bendrų labai paprastų mažamolekulinių pirmtakų – CO2, H2O ir N2. Evoliucijos eigoje iš šių elementų dujų naudojant natūralius energijos šaltinius palaipsniui susiformavo mažos organinės molekulės, kurias mes pavadinome tarpiniais junginiais.

Iš šių tarpinių junginių susidarė daug mažų biomolekulių (monomerų/ struktūrinių darinių) - kiek didesnės molio masės nuo 100 Daltonų dydžio. Iš jų polimerizacijos metu susidarė įvairios makromolekulės (stambesnės). Kitame etape makromolekulės suformuoja kompleksus (makromolekulių). Molio masė 106-109 daltonų. Šito etapo bruožas – kompleksai nesudaro kovalentinių ryšių. Juos palaiko daugiau joninė sąveika, hidrofobinė sąveika, Van der Valso jėgos. Ta sąveika nors ir nestipri, bet stabili, nes atskiri komplekso elementai yra komplementarūs. Dar aukštesniame organizacijos lygmenyje sudaromi organoidai, o iš jų jau susiformuoja ląstelės.

Organinių junginių susidarymas abiogeniniu (savaiminiu) keliu

Dabartiniu metu visatos kilmė yra aiškinama laikantis didžiojo sprogimo teorijos. Po didžiulio sprogimo visata įkaito tada susidarė H, He ir šiek tiek Li. Visatai vėstant formavosi žvaigždės ir planetos (pirmos kartos žvaigždės). Jose vykstančios termabranduolinės reakcijose, sprogimuose, kosminių spindulių poveikyje susidarė ir kiti neorganiniai elementai. Pirmosios kartos žvaigždės suardytos sprogimų metu buvo pavadintos supernovomis, o iš jų žvaigždinės medžiagos (tarpžvaigždinių dujų, dulkių) susiformavo antros kartos žvaigždės, tarp kurių ir mūsų saulės sistema.

Visos saulės sistemos, kartu ir Žemės amžius siekia 4,6 mlrd m. Pirmykštės žemės atmosfera labai skyrės nuo tos, kurioje mes dabar gyvename:

Joje visai nebuvo, arba buvo labai mažai laisvo deguonies. Ji neturėjo apsauginio ozono sluoksnio, todėl buvo švitinama ultravioletiniais saulės spinduliais Joje vyko vulkanų išsiveržimai, ją veikė jonizacija ir dideli elektros išlydžiai.

Faktiškai tai ir buvo tie energijos šaltiniai, kurie vykdė chemines reakcijas. Šių reakcijų metu okeano paviršiuje susidarė organinės molekulės (biomolekulės).

XX a. Trečiajame dešimtmetyje mokslininkas Oparinas, pateikė hipotezę: kad pirmykštėje žemėje iš neorganinių dujų (iš H2O H2 ir CH4 NH3 molekulių) vykstant cheminiams procesams savaime (abiotiškai) galėjo susidaryti paprastos organinės molekulės.

Tai galėjo vykti trim etapais:

1) Dujos atyvavosi energijos poveikyje, jos reagavo tarpusavyje ir susidarė paprasčiausios organinės medžiagos – organinės rūgštys, iš jų jau galėjo gamintis amino rūgštys.

2) Tos organinės medžiagos kondesavosi, tirpo pirmykščiame okeane, o tas pirmykštis okeanas turtėjo organinėmis medžiagomis (tame tarpe peptidais).

3) Iš koncentruoto tirpalo savaime susidarė ląstelės.

Ši teorija vadinosi konservacijos teorija ir ląstelių susidarymą aiškino taip – koncentruotame tirpale susidaro didesnė medžiagų koncentracija, o kitame mažesnė, ji leido susidaryti lašeliams, kurie ėmė iš aplinkos medžiagas ir jas naudojo, šie lašeliai augo ir okeano dūžio metu suskilo į daug ląstelių. Šita teorija pripažino fermentų kaip katalizatorių pirmenybę prieš nukleorūgštis, kurios koduoja informaciją.

Kažkuriais metais Mileris Oparino teoriją patvirtino bandymais. Į uždarą stiklinę įleido H2O H2 ir CH4, NH3, o kaitinant vandenį, atsirado vandens garai, bla bla, elektros išlydis, įmitavo žaibą, uždara sistema veikė apie savaitę, tada dujos kondesavosi, ėjo per šaldytuvą, po savaitės išleistame skystyje rado organinį mišinį.

1929 metais buvo paskelbta Milerio genų teorija, kurioje teikė pirmenybę nukleorūgštims kaip informaciją koduojančiai medžiaigai prieš baltymus kaip fermentus. Teigia, kad ląstelės pradėjo formuotis susiformavus nukleorūgštims. Kontraargumentas – kad nukleorūgštis daug greičiau susiformuoja negu nukleotidai. Ribozimai – ribonukleorūgštys turinčios katalizuojančių savybių. Paplito pasaulinė RNR teorija. Pagal kurią pagr. vaidmuo buvo skiriamas RNR formoms, galinčioms replikuoti savo dauginimąsi ir kartu katalizuoti, ir tik vėliau susiformuoja specialūs katalizatoriai fermentai, ir tik tada DNR..

Bet kuriuo atveju išlieka Oparino teorijos teiginiai, kad gyvybė atsirado abiotiškai.

Autotrofai ir heterotrofai

Pagal tai kokia forma ląstelės gauna iš aplinkos anglį, jos yra skirstomos į autotrofus ir heterotrofus. Autotrofai yra pačios save maitinančios ląstelės, jų anglies šaltinis yra CO2. Iš CO2 ir H2O naudodami saulės energiją jie sugeba gaminti visas anglies turinčias medžiagas, pvz. gliukozę ir išskiria deguonį – jie vykdo redukcijos reakcijas.

Autotrofams priklauso visos fotosintezuojančios ląstelės – augalų, melsvadumblių ir kai kurių bakterijų ląstelės. Negalima sakyti, kad visi augalai (visos augalo ląstelės) yra autotrofai: šaknys yra heterotrofai, lapai – šviesoje autotrofai, tamsoje – heterotrofai.

Heterotrofai – ląstelės besimaitinančios kitų sąskaita – jos anglį gauna jau pagamintą, pvz, gliukozę. Jos naudoja deguonį ir išskiria CO2. Heterotrofmas priklauso aukštesniųjų gyvūnų, daugumos mikroorganizmų ir kai kurių bakterijų ląstelės.

Heterotrofai yra skirstomi į aerobinius, kurių elektronų akceptorius yra deguonis ir anaerobinius, kuriuose elektronai perduodami kitai medžiagai – ne deguoniui. Dabar laikomasi nuomonės, kad evoliucijos eigoje pirmiausia atsirado anaerobiniai heterotrofai, jie naudojo pirminiame okeane susidariusias medžiagas, vėliau atsirado autotrofai, kurie sudarė sąlygas atsirasti aerobiniams heterotrofams.

Pagal ląstelių struktūrą (pagal tai, ar ląstelė turi membrana apribotą branduolį ar jo neturi) yra skiriamos dvi didelės organizmų klasės – prokariotai ir eukariotai. Pirmosios ląstelės atsiradusios evoliucijos eigoje buvo labai paprastos, turinčios minimalias struktūras, būtinas jų gyvybiniams procesams. Tokias ląsteles dabar primena prokariotai, jie atsirado prieš 3,5 mlrd metų. Jų pavadinimas reiškia “prieš branduolį”. Tai smulkūs nuo 1 iki 3 μm vienaląsčiai organizmai neturintys membrana apriboto branduolio. Jų genetinė medžiaga yra viena, žiedinė DNR molekulė. Ji nėra susijungusi su baltymais, o yra sukoncentruota citoplazmos branduolinėje srityje ir prisitvirtinusi prie ląstelės membranos. Tokios ląstelės turi daug ribosomų, nes jose vyksta baltymų sintezė, tačiau jos neturi mitochondrijų ir jų oksidacijos fermentai randami plazminėje membranoje. Plazminė membrana paprastai būna sudaryta iš lipidų ir baltymų, o iš išorės ją gaubia ląstelės sienelė sudaryta iš polisacharidų. Prokariotams yra priskiriamos eubakterijos (tikrosios bakterijos), melsvadumbliai ir kai kurie virusai. Šitos bakterijos gyvena paprastai dirvožemyje, vandens paviršiuje, gyvų ir irstančių organizmų audiniuose. Joms priklauso maždaug 3000 bakterijų rūšių, tarp kurių yra ir E. Coli. Nes tai vienas labiausiai paplitusių biocheminių modelių, kuriame daromi bandymai. E. Coli randama virškinamaje trakte, nepavojinga, lengvai dauginasi.

Eukariotai yra žymiai sudėtingesni organizmai. Jie išsivystė prieš 1,5 mlrd metų iš prokariotų. Eukariotams priskiriami dumbliai (išskyrus melsvadumblius), grybai, aukštesnieji augalai ir gyvūnai. Eukariotai gali būti vienaląsčiai (kaip mielės, kai kurie dubliai (Euglena – mažiausias su branduoliu dumblis)) ir daugialąsčiai. Eukariotų ląstelių dydis siekia nuo 10 iki 100 μm. Jie jau turi membrana apribotą branduolį, kuriame yra DNR dažniausiai susijungusi su baltymais ir sudaranti chromatiną. Branduolyje būna branduolėlis, o citozolyje daug organoidų (mitochondrijos, ribosomos, ET, Goldžio aparatas, lizosomos, chloroplastai).

Biochemija

Biochemija tai mokslas, kuris nagrinėja gyvus organizmus sudarančias medžiagas, jų kitimus ir tų kitimų ryšį su audinių ir organų veikla. Biochemijos tyrimo objektai yra mikroorganizmai, augalai ir gyvūnai. Visus šituos objektus jungia du bendri bruožai: 1) Jų visų ląstelės yra sudarytos iš tų pačių medžiagų. 2) Medžiagų apykaitos procesai vykstantys juose yra katalizuojami fermentų.

Istorijos eigoje biochemijos mokslas vystėsi keliomis kryptimis, todėl susiformavo atskiri biochemijos skyriai:

Statinė (aprašomoji) biochemija, kuri daugiau nagrinėjo organizmus sudarančių medžiagų struktūras.

Toliau vystėsi dinaminė biochemija, kuri nagrinėjo tų medžiagų apykaitą. Vėliau buvo pereita prie funkcinės biochemijos, kuri nagrinėjo organizmų medžiagų kitimus

įvairių fiziologinių būvių metu (dirbant, miegant, valgant). Galiausiai išsivystė molekulinė biologija, kuri jau nagrinėja ne tik biocheminius, bet ir visus

biologinius procesus ląstelėje. Šiuo metu vystosi vadinamoji sistemų biologija, viena perspektyviausių šiuolaikinės biologijos

krypčių nanodimensijų lygmenyje. Biologija, kuri naudoja nanobiotechnologijas (tai tas kelias, kuris veda į procesų vykstančių ląstelėje valdymą, o kartu valdoma ir pačių ląstelių veikla).