Биохимията е наука за химичния състав, устройството, термодинамиката и обменните процеси в живите организми, които протичат в тях на молекулно и клетъчно равнище. Предмет на биохимията е определянето на състава, строежа и функциите на биомолекулите в организма. Биохимията възниква през 19 век и се свързана с органичната химия, биофизиката, генетиката и молекулярната биология.

История

Историята на биохимията започва през 17 век. Въпреки че терминът „биохимия“ вероятно е използван за пръв път през 1882 г., приема се, че думата „биохимия“ е въведена от немския учен Карл Нойберг през 1903 г. Първоначално се е смятало, че живите организми притежават жизнена сила (), чрез която произвеждат органични молекули. През 1828 г. Фридрих Вьолер публикува статия относно синтеза на уреята, доказвайки, че органични съединения могат да бъдат създавани изкуствено, с което опровергава идеята за жизнената сила.

Важни събития

Връзка с другите биологични науки

В биохимията се използват специфични изследователски техники и методи, присъщи единствено за нея, както и идеи, техники, и методи, специфични за други области на знанието, като биофизика, генетика и молекулярна биология. Трудно може да се постави разделителна линия между тези науки, особено в контекста на изследователските техники и методи. В днешно време термините молекулярна биология и биохимия са до голяма степен взаимозаменяеми. Схемата вдясно интерпретира отношенията на частните биологични науки, които изучават живота на субклетъчно равнище: Биохимията е наука за състава, строежа и функциите на биомолекулите – основните химични компоненти, в жизнените процеси на живите организми. Генетиката е наука за наследствеността и изменчивостта на организмите, която се фокусира върху физическите носители на тези свойства – гените. Генетиката изучава тяхната структура, функции и процесите, в които участват. Молекулярната биология изучава реализацията на генетичната информация, която се осъществята чрез преноса на данни при процесите на репликация, транскрипция и транслация. Тя се фокусира не само върху механизма и ролята на отделните компоненти в него, но и начините за регулация, включително и с терапевтична цел.

Методи В биохимията се прилагат разнообразни методи от различни научни области: аналитична химия, органична химия, физикохимия и физика. С техническо приложение са методи като центрофугиране, хроматография, електрофореза, спектроскопия, изотопни, молекулярни и статистически методи, кристализация, потенциометрични, електрохимични, полярографски и манометрични техники. През последните десетилетия се използват молекулярно-биологични техники, методи от компютърните науки, микробиологията и други науки. В съвременната биохимия винаги се прави и количествена оценка на резултатите с математически методи и създаването на формални теории с помощта на математиката.

Биомолекули Природни мономерни, нискомолекулни органични съединения с важни биологични функции често се наричат биомолекули. Универсални за всички организми са три групи биомолекули: въглехидрати, аминокиселини и нуклеотиди. От тях чрез поликондензация се получават биополимери: нуклеинови киселини, белтъци и полизахариди. Други органични съединения с биологична роля са тетрапироловите съединения, липидите, изопреноидите и алкалоидите. Някои нискомолекулни съединения, които не участват в биополимерите, също са предмет на биохимията. Те участват в регулацията на метаболизма. Повечето са кофактори на ензими (НАД, ФАД, НАДФ, АТФ и коензимите), докато други са молекули на междуклетъчната сигнализация (ГТФ, цАМФ, NO).

Мономери

Въглехидратите са карбонилни производни на поливалентни алкохоли. Тяхното разграждане чрез гликолиза е основен енергиен източник за организма. Те имат също структурна, предпазна и транспортна функция. Изградени са от монозахариди. Най-разпространеният монозахарид в природата е глюкозата. Тя се среща рядко в свободна форма. Разпространена е под формата на дизахариди (захароза, лактоза, малтоза) и полизахариди (нишесте, целулоза и гликоген). Други важни монозахариди са фруктозата (C6H12O6), галактозата (C6H12O6), дезоксирибозата (C5H10O4) и рибозата.

Аминокиселините (по-точно, техните α-форми) са мономерите на белтъците. Те изграждат всички клетъчни органели и структури освен мембраната. За всички организми са общи 20 аминокиселини.

Нуклеотидите са азотни хетероциклични съединения, мономери на нуклеиновите киселини. В състава на ДНК участват четирите нуклеотида аденин, цитозин, гуанин и тимин, а при РНК вместо тимин се среща урацил. Нуклеиновите киселини играят ключова роля в съхраняването на наследствената информация (ДНК при повечето организми или РНК при някои вируси), както и в процесите на нейната реализация (РНК) до функционално активни белтъци.

Други съединения Белтъците (протеините) са огромни биополимери, изградени от аминокиселини (мономери на белтъците). В живите организми се срещат двайсет аминокиселини, като всяка има карбонилна група, аминогрупа и страничен радикал, който се бележи с „R“. Именно страничният радикал прави аминокиселините различни една от друга и им придава специфична роля при изграждането на полипептидните вериги и тримерната структура на белтъците. Аминокиселините се свързват при кондензация, формирайки пептидна връзка. Образуването на белтъците се управлява от наследствената информация в ДНК (или РНК) посредством процес, известен като транскрипция.

Липидите са разнороден клас органични съединения, неразтворими във вода. Делят се на прости липиди (мазнини и восъци) и сложни липиди (фосфолипиди, сфинголипиди, ганглозиди и гликозиди). Отделна група образуват липоидите (стероидите и каротиноидите).

Изопреноидите, наричани и терпентени, са клас ароматни или производни на ароматните органични съединения, разпространени в растенията.

Алкалоидите са азотсъдържащи органични вещества, вторични метаболити при растенията; поразяват нервната система на бозайниците.

Някои нискомолекулни съединения, които не участват в изграждането на биополимерите, също са предмет на биохимията поради голямата си значимост в регулацията на метаболизма. Повечето са кофактори в реакциите, катализирани от ензими: НАД, ФАД, НАДФ, АМФ, коензим А и много други. Има молекули, участващи в междуклетъчната сигнализация, както и вторични посредници при провеждането на сигналите (фосфатидилинозитол-3,4-бифосфат, ГТФ, цАМФ, NO).

Метаболизъм

Метаболизмът е обмяната на веществата в организма. Представлява съвкупност от химични реакции, които протичат в клетките на организмите, за да ги поддържат живи. Тези процеси позволяват растеж, развитие, обновяване на структурите и отговаряне на промени в околната среда. Метаболитните процеси се поделят на две категории: катаболизъм – разграждане (окисление) с цел получаване на енергия чрез клетъчно дишане; анаболизъм – изграждане на собствени съединения с помощта на енергията, освободена при катаболизма.

Бележки

Цитирани източници