Предмет и задачи биохимии. История развития биохимии.

Биологическая химия – наука, которая изучает химический состав и химические процессы, лежащие в основе жизнедеятельности организма. Биохимия изучает молекулярные основы жизни. Основные достижения науки начинаются с 50-х годов ХХ века и продолжаются до настоящего времени. Эти достижения заключаются в следующем:

Ø выяснены химические основы ряда важнейших биологических процессов;

Ø установлены функции важных биологических молекул;

Ø определены общие пути превращения молекул и общие принципы, лежащие в основе разнообразных проявлений жизни;

Ø выяснены многие аспекты регуляции метаболизма;

Ø выделены главные органеллы живых клеток и установлены их функции;

Ø получен в чистом виде ряд ферментов и изучен механизм их действия;

Ø накоплено значительное количество данных о механизме действия гормонов;

Ø установлены механизмы образования и использования энергии в клетке;

Ø выяснены особенности строения и функции мембран;

Ø установлены биохимические основы значительного числа болезней;

Ø расшифрованы многие механизмы функционирования клеточного генома, нашедшие применение в практическом здравоохранении.

Биохимия связана с физикой, химией, механикой, математикой, кибернетикой и другими науками, которые снабжают биохимию необходимыми высокоочищенными реактивами и препаратами, рекомендуя новые физико-химические методы исследования, необходимые приборы для их выполнения. Развитие физиологии и гигиены основано на достижениях биохимии. С учетом биохимических данных решаются проблемы сельского хозяйства: повышение урожайности с/х культур, увеличение производства продуктов животноводства, вопросы использования удобрений и средств защиты растений от вредителей. Знания биохимии необходимы для развития пищевой, кожевенной, текстильной промышленности. Основными задачами являются:

1. изучение химического состава живых организмов;

2. изучение химических процессов, процессов обмена веществ, лежащих в основе жизнедеятельности организма;

3. изучение структуры питательных веществ, их переваривания и всасывание в организме.

Полное понимание на молекулярном уровне всех химических процессов связанных с жизнедеятельностью клетки можно решить, если выделить из клетки соединение, определить его структуру и установить функцию.

В истории биохимии можно выделить 4 периода. С древних времен и до эпохи Возрождения (ХVв.) длился I период истории биохимии. В то время человек использовал биохимические процессы (изготовление сыра, пива, вина, табака, хлеба и т.д.).

Во II периоде (до середины ХIХ века) шло накопление знаний по химии живой материи. Немецкий врач Парацельс более 400 лет назад высказал точку зрения, актуальную и сегодня. Он полагал, что в основе жизнедеятельности организма лежат химические процессы и для лечения болезней необходимо использовать химические средства. В 1814 году в России К. Кирхгоф описал ферментативный процесс расщепления крахмала, а в 1828 году немецкий химик Вёлер получил химическим путем мочевину – вещество, которое содержится в крови и моче человека и животных.

III период завершается в 40-50-х годах ХХ века. Биохимия сформировалась как наука. В 60-е годы XIX создаются кафедры медицинской, а затем биологической химии. В 1869 году врач Мишер открывает нуклеиновые кислоты, в 1880 году Лунин Н.И. получает первые данные о витаминах. Благодаря исследованиям А.Я. Данилевского, М.М. Монассеиной, И.П. Павлова в России, братьев Бюхнеров и Либиха в Германии получает новое направление учение о ферментах. В 1902 году Фишер в Германии впервые искусственно синтезировал пептиды и разработал пептидную теорию строения белков. К середине ХХ века установлены основные пути превращения белков, углеводов и липидов в живой клетке, появилось новое направление в биохимии – биоэнергетика. В 1937 году Браунштейн и Крицман в России открыли ферментативный процесс переаминирования аминокислот, в 1939-1942 годах Н.А. Энгельгардт и М.Н. Любимова изучили АТФ-азную активность актина и миозина – главных сократительных белков мышц

IV период – период важнейших открытий в биологии. Использование физико-химических и математических методов позволило выявить молекулярные основы хранения и передачи генетической информации, механизмов биосинтеза белка, изучить структуру и функцию мембран, гормонов и др. Величайшее открытие американскими учеными Уотсоном и Криком пространственной структуры ДНК позволило понять функцию этой молекулы, а на основе этого возникла новая наука – молекулярная биология. В 1967 году синтезируется ДНК вируса, в 1970 г – искусственный ген, в 1966 г – химиоосмотическая теория окислительного фосфорилирования и др.

В настоящее время биохимические исследования широко проводятся в лабораториях развитых стран мира. Остается еще много проблем, которые предстоит решить биохимии в ближайшее время. (Мало известны механизмы развития и дифференцировки клеток; примитивны знания в области механизмов деления клеток; практически неизвестны химические основы психической деятельности человека, механизмы секреции и т.д.)

Биохимики пользуются большим арсеналом методов исследования. Элементарной ячейкой жизни является клетка. Она главный объект исследований и материал для исследования. К изучению клетки как материала для исследования биохимия пришла не сразу. В начале объектом исследования служили интактные животные. Такой метод позволил открыть ряд важнейших соединений – витаминов, аминокислот, липидов – незаменимых в питании организмов соединений. Удаление отдельных органов и наблюдения за изменениями в целом организме позволили выяснить роль этих органов. После разработки методов и искусственного хранения удалось изучить особенности отдельных процессов, специфичных для этих органов. Этому способствовало внедрение методов, использующих тонкие срезы органов и культивирование клеток (метод клеточных культур).

Одновременно с экспериментами на животных проводились обширные исследования с использованием микроорганизмов. Чтобы проследить за превращениями какого-либо соединения в организме в классической постановке эксперимента, исследователь вынужден был вводить большое количество исследуемого вещества из-за недостаточно высокой чувствительности методов выделения промежуточных продуктов его обмена. Количество вводимого вещества обычно намного превышало физиологическую норму, что оказывало влияние на результаты и выводы были недостаточно точны. Эту проблему удалось решить, используя изотопный метод.



Изотопный метод – позволяет изучить обмен отдельных веществ. Различают 2 вида изотопов: стабильные изотопы, которые входят в состав природных соединений в небольшом количестве, и радиоактивные изотопы, получаемые искусственно, на ядерных реакторах. Радиоактивные изотопы используются в радиоавтографии, которая позволяет указать место локализации изотопа в клетке, на хроматограмме и т.д. Для этой цели после введения изотопа и проведения исследования полученный материал накладывают на пленку, покрытую чувствительной фотоэмульсией. Испускаемые при распаде частицы вызывают на пленке почернение, позволяющее обнаружить соединения, меченые изотопом. Например, использование 15N позволило обнаружить высокую скорость обновления белков в тканях, 32Р, 35S – помогло изучить процессы обмена фосфора и серы.

В арсенале методов исследования биохимика особое место занимают физико-химические методы (электронная микроскопия; дифференциальное центрифугирование, позволяющее разделить клетку на её составляющие компоненты; разделение веществ на основе их различной в растворимости в растворителях, адсорбции и т.д.).

Наиболее простой метод – экстракция (вытяжка), ее проводят при низкой температуре, физиологических значениях рН и концентрации солей. Для экстракции липидов обычно используют органические растворители.

Экстракты из отдельных тканей выделяют после предварительного разрушения клеток – гомогенизации, которую ведут вручную или при помощи вращающихся в стеклянных сосудах пестиков. Эту процедуру проводят при низкой температуре (0-4ºС). После такой обработки измельченная ткань превращается в гомогенат, который далее подвергают центрифугированию (простое и ультрацентрифугирование). Классический вариант предполагает 3 этапа центрифугирования со все более высокой скоростью. На каждом этапе соответственно получают ядерную, митохондриальную и микросомальную фракции. Для получения более чистых фракций, помимо обычного центрифугирования, используют и центрифугирование в градиенте плотности каких-либо соединений. Центрифуги – специальные технические устройства, позволяющие вращать пробирки с большой скоростью. Путем простого центрифугирования получают две фракции: осадок на дне пробирки из более плотных частиц и вторая – жидкая, называемая супернатантом. При ультрацентрифугировании в градиенте плотности вначале пробирку заполняют, например, раствором сахарозы (зональное препаративное ультрацентрифугирование), концентрация которого линейно увеличивается от 5% у верхнего края пробирки до 20% у её нижнего края. При центрифугировании частицы оседают с разной скоростью, образуя отдельные полосы вдоль длины пробирки. В пробирке обычно прокалывают дно и собирают вытекающую жидкость при помощи коллектора по каплям.

При равновесном ультрацентрифугировании используют раствор хлорида цезия, образующий при длительном центрифугировании градиент плотности, на который наносят смесь частиц для разделения. Частицы собирают в поперечные зоны по их плотностям. Полученные фракции можно сразу или после предварительной очистки использовать для дальнейших исследований, которые могут включать анализ структуры или изучение обмена и функций биомолекул.

Анализу структуры должны предшествовать методы выделения и очистки фракций от примесей. Для разделения молекул используют хроматографию и электрофорез:

1. Хроматография – используется для разделения молекул, помещенных в подвижную фазу (жидкость, газ) и перемещаемых вдоль неподвижной фазы (твердые вещества или жидкость). При этом происходит разделение на основе разной адсорбции веществ на неподвижной фазе, разных зарядов разделяемых молекул, разных размеров или разной растворимости в неподвижной фазе. Существует большое число методов хроматографии:

- на бумаге,

- ионообменная,

- тонкослойная,

- газожидкостная,

- гельфильтрация и др.

2.Фракционирование с различными концентрациями солей (высаливание белков и др.).

3.Электрофорез – метод основан на том, что в электрическом поле молекулы веществ, обладающие зарядом, передвигаются с различной скоростью. Так разделяют на фракции белки крови. Разновидности электрофореза:

- высоковольтный на бумаге;

- на агарозе;

- на ацетате целлюлозы;

- на полиакриламидном геле.

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Групповые (ролевые) ожидания | Ультрацентрифугирование.


Дата добавления: 2018-03-01; просмотров: 82; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию, введите в поисковое поле ключевые слова и изучайте нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам понравился данный ресурс вы можете рассказать о нем друзьям. Сделать это можно через соц. кнопки выше.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2018 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.006 сек.