WIADOMOŚCI WSTĘPNE

WIADOMOŚCI WSTĘPNE
Biochemia jest nauką o związkach, które tworzą żywą materię, opisuje skład jakościowy i ilościowy oraz przekształcenia zachodzące podczas procesów życiowych.
Jako samodzielna dziedzina nauki biochemia powstała w drugiej połowie XIX
wieku. Przyczyną jej wyodrębnienia były znaczne sukcesy chemii organicznej
w badaniu związków naturalnych, oraz fizjologii w zakresie badań procesów zachodzących w organizmach roślin i zwierząt. Dlatego też biochemia początkowo
była traktowana jako chemia fizjologiczna. W tym czasie na szeregu uniwersytetach powstały katedry biochemii, zaczęto wydać podręczniki i czasopisma naukowe, a przedmiot ten jako obowiązkowy został umieszczony w programach studiów
biologii i medycyny. Rozwój biochemii był także ściśle związany z potrzebami
praktycznymi, wynikającymi z potrzeb rozwijających się: medycyny, farmacji,
rolnictwa oraz przemysłu.
Szybkiemu rozwojowi biochemii sprzyjało przede wszystkim wprowadzenie
w badaniach nowych metod fizyko-chemicznych. Szczególną rolę w powiększeniu
możliwości rozwoju tej nauki odegrało wdrożenie analizy rentgenowskiej, mikroskopii elektronowej, chromatografii gazowej, cieczowej, żelowej oraz kapilarnej,
metody znakowanych izotopami atomów, spektroskopii ultrafioletowej oraz
w podczerwieni, analizy fluorescencyjnej i polarograficznej, elektroforezy, metody
sit molekularnych, spektroskopii masowej, metody dyspersji magnetooptycznej
ruchu obrotowego, magnetycznego dichroizmu kołowego, elektronowego rezonansu magnetycznego (EPR) oraz jądrowego rezonansu magnetycznego (NMR).
Wdrożenie nowych metod badań naukowych pozwoliło na szybki rozwój biochemii w kierunku wyjaśnienia prawidłowości, na których oparte są procesy życiowe
w organizmach żywych; na przeprowadzenie szczegółowych badań na poziomie
molekularnym. Charakterystyczną cechą rozwoju współczesnej biochemii jest zastosowanie metod analizy w połączeniu z kontrolą automatyczną. W znacznej mierze
przyspieszyło to realizację programów naukowych. Obecnie całkowicie zostały
zautomatyzowane: jakościowe oznaczanie poziomu szeregu związków – aminokwasów w hydrolizatach białkowych, mono- i disacharydów w płynach biologicznych
(krew, mocz), ustalenie struktury pierwszorzędowej peptydów, białek i kwasów nukleinowych; przeprowadzenie badań kinetycznych procesów katalitycznych z udziałem enzymów; analiza elementarna związków naturalnych; synteza peptydów, oligonukleidów oraz białek; procedura chromatograficznego frakcjonowania oraz metoda
filtracji żelowej związków naturalnych, dokonywanie densytometrii chromatogra-
8
Podstawy biochemii
ficznej, elektroforegram oraz autoradiogram z podłączeniem do systemów komputerowych; przeprowadzenie badań w celu ustalenia poziomu włączenia pierwiastków
promieniotwórczych do związków będących metabolitami. W Polsce szeroko zostały
wdrożone do badań biochemicznych metody chromatografii gazowej i cieczowej,
spektrometry masowe oraz dyfraktometry rentgenowskie wysokiej klasy. Ponadto
powszechnie wykorzystywane są komputery do sterowania automatycznymi systemami analizy oraz obróbki otrzymanych wyników.
Współczesna biochemia jest nauką, która pozwala ustalić za pomocą chemicznych i biologicznych metod badań prawidłowości funkcjonowania organizmu na
poziomie molekularnym, badając cząsteczki subkomórkowe, komórki, organizm,
jako cały ekosystem biologiczny, oraz całą biosferę. Stąd jej ogromna rola w rozwoju i rozwiązaniu wielu problemów nowoczesnej biologii, medycyny, hodowli
zwierząt, uprawy roślin, przemyśle syntezy mikrobiologicznej, przemyśle spożywczym itp.
Biologia, badając istotę życia, procesy sterowania funkcjonowaniem organizmów człowieka, zwierząt, roślin oraz mikroorganizmów, nie może wnioskować
bez badań biochemicznych, badań struktury i właściwości związków chemicznych,
z których utworzona jest materia żywa, oraz prawidłowości ich przekształceń
w procesach życiowych.
Z połączenia biochemii, biologii, chemii i fizyki, matematyki i cybernetyki powstała biologia molekularna, zajmująca się badaniami struktury oraz właściwości
cząsteczek związków zapełniających istnienie biologicznej formy przemiany materii.
Rozwój tej młodej nauki jest bardzo szybki, odnotowano już konkretne osiągnięcia,
jak zbadanie podstaw mechanizmu katalizy biologicznej (oznacza to możliwość sterowania procesami funkcjonowania organizmu), ustalenie prawidłowości specyficznej podczas biosyntezy makrocząsteczek i duże sukcesy inżynierii genetycznej.
Sukcesy osiągnięte w badaniach nad strukturą białek oraz kwasów nukleinowych, pozwoliły stworzyć podstawy systematyki biochemicznej, ewolucji molekularnej oraz genetyki biologicznej. Powstały nowe nauki biochemiczne: biochemia ekologiczna, zoologia chemiczna i ekologia fitochemiczna. Badanie
wzrostu, rozwoju oraz zróżnicowania roślin i zwierząt nie jest już możliwe bez
wiedzy o podstawach molekularnych tych procesów.
W medycynie sukcesy biochemii stwarzają podstawy syntezy nowych leków, są
źródłem tworzenia nowych metod diagnostycznych oraz podstawą do nowych odkryć i wyjaśnienia przyczyn istnienia patologicznych zmian w organizmie. Okazało
się, że wiele chorób dziedzicznych powstaje w wyniku naruszenia wymiany białek,
węglowodanów, lipidów, kwasów nukleinowych, hormonów itd. Stało się to powodem wyodrębnienia z medycyny nauki o molekularnych podstawach patologii,
w szczególności o enzymopatii, tzn. zakłóceniach funkcji enzymów, które doprowadzą do rozwoju choroby. Rozwój biochemii wirusów, wyjaśnienie ich struktury
oraz warunków samoregulacji, poznanie mechanizmu oddziaływania wirusowego
i komórkowego, jak również wzajemnego uwarunkowania metabolizmu cząstek
8
Wiadomości wstępne
9
wirusowych oraz struktury subkomórkowej komórki-gospodarza pozwoliły opracować kilka metod walki z chorobami wirusowymi.
Odkrycie w ostatnich latach nowej klasy biologicznie aktywnych peptydów –
endorfin oraz enlefolin – pozwoliło na prowadzenie na wyższym poziomie badań
dotyczących jednego z problemów psychoterapii – sterowania reakcją zwierząt
i człowieka na różne bodźce. Interesujące badania mające na celu wyjaśnienie
pierwszorzędowej struktury DNA genomu człowieka (który zawiera 3 miliardy
resztek nukleotydów) mogą doprowadzić do prawidłowej rewolucji w sprawie
eliminowania chorób dziedzicznych.
Zastosowanie dużej ilości różnorodnych związków chemicznych w hodowli
zwierząt oraz uprawach rolnych, wykorzystując wyniki badań biochemicznych,
pozwala zwiększyć wydajność produkcji tych działów rolnictwa. Szczególnie ważne jest zaspokojenie zapotrzebowania rolnictwa na mikropierwiastki, witaminy,
dodatki białkowe (w postaci drożdży paszowych oraz koncentratów białkowowitaminowych), syntetyzowane aminokwasy (treonina, tryptofan, lizyna) oraz antybiotyki paszowe, jak również skuteczne, ekologicznie bezpieczne środki osłony
roślin, w tym insektycydy czwartej generacji, powstałe w wyniku badań regulatorów wzrostu owadów – hormonów (ekdyzon i hormony juwenilne) oraz antyhormonów.
Biochemia stała teoretyczną podstawą rolnictwa. Na podstawie testów biochemicznych opracowuje się prognozy wydajności zwierząt domowych, dane genetyczne w celu doboru par do krzyżowania podczas hodowli nowych gatunków
roślin i zwierząt. Wyniki badań biochemicznych ciągle wzbogacają wiedzę o regulacji wzrostu i rozwoju roślin i zwierząt na drodze celowej zmiany ich genotypów.
Powstają perspektywy kształtowania, za pośrednictwem inżynierii genetycznej,
nowych organizmów, posiadających unikalne, zaplanowane wcześniej własności.
Jednym z przykładów takich badań są prace dotyczące przeniesienia do komórek
roślin wyższych genów, za pomocą, których zachodzi wiązanie przez mikroorganizmy azotu cząsteczkowego.
Wszechstronne badania biochemiczne mikroorganizmów oraz perspektywy
praktycznego wykorzystania ich wyników doprowadziły do powstania przemysłu
syntezy mikrobiologicznej. Jego produkcja to białka paszowe (w przyszłości –
białka jadalne), aminokwasy, antybiotyki (paszowe i medyczne), wiele witamin
oraz praktycznie wszystkie hormony i enzymy. W najbliższym czasie będzie
zwiększony popyt, a w związku z tym wzrośnie produkcja złożonych związków
chemicznych, otrzymanych na drodze syntezy mikrobiologicznej. Wykorzystanie
metody inżynierii genetycznej do modyfikacji mikroorganizmów pozwoliło otrzymać szczepy zdolne do wytwarzania produktu uwalnianego do medium, np.: Bacillus subtilis, Escherichia coli oraz Brevibacterium flavum, które gromadzą w 1 litrze środowiska kulturowego do 10 g tryptofanu, 20 g treoniny i 80 g lizyny.
W wielu branżach przemysłowych szeroko wykorzystywane są osiągnięcia biochemii technologicznej, przede wszystkim w przemyśle spożywczym (piekarnic-
9
10
Podstawy biochemii
two, serowarstwo, winiarstwo, konserwacja produktów, produkcja herbaty, tłuszczy i olejów, przeróbka mleka, mięsa itp.), który ciągle doskonali się w wyniku
wprowadzenia nowych biochemicznych procesów technologicznych. W przemyśle
garbarskim, włókienniczym, krochmalniczym oraz mięsnym szeroko stosowane są
preparaty enzymatyczne.
Można podać jeszcze wiele przykładów potwierdzających znaczenie biochemii.
Stosowanie przemian chemicznych charakterystycznych dla procesów naturalnych,
takich jak: kataliza biologiczna, biosynteza matrycowa, zjawiska mechanochemiczne, pochłanianie energii światła podczas fotosyntezy, zachowanie oraz przekazywanie informacji w układach biologicznych, utlenianie biologiczne, zmienia
przemysł chemiczny
W wyniku tych procesów powstała nowa, mająca przed sobą perspektywy rozwoju branża przemysłu – biotechnologia, która opracowuje podstawy naukowe
procesów z wykorzystaniem zasad przemian chemicznych, charakterystycznych
dla obiektów biologicznych. Podstawą dla niej są: biochemia techniczna, mikrobiologia, inżynieria genetyczna, wykorzystanie kultur komórek roślinnych i zwierzęcych, jak również enzymów immobilizowanych. Za pośrednictwem technologii
biochemicznych produkuje się już insulinę, hormony wzrostu, interferon, prostaglandyny, syropy cukrowe (z celulozy i skrobi), białka roślinne jako namiastki
białek zwierzęcych itp., oraz w zwiększonej ilości egzogenne enzymy, niezbędne
aminokwasy, dodatki odżywcze do pasz itp.
Rys historyczny rozwoju biochemii. W czasie, gdy powstawała biochemia wśród
uczonych popularna była teoria vis vitalis, wg której związki naturalne mogły być
wytwarzane tylko przy udziale organizmów żywych, dysponujących szczególnego
rodzaju „siłą życiową”. Dopiero przeprowadzenie przez Wohlera (1828) syntezy
mocznika, a następnie przez Kolbego (1845) kwasu octowego dokonało przełomu,
natomiast prace Berthelota nad syntezą wielu naturalnych związków zweryfikowały
tę teorię ostatecznie. W tym samym okresie, dzięki teoretycznym pracom chemików
organików (Coopera, Kekulégo i Butlerowa), badania nad związkami naturalnymi
nabrały tempa, co pozwoliło stworzyć podstawy chemii lipidów (Chevreul), sacharydów (Pasteur, Tollens, E. Fischer) i białek (Danilewski, Kühne, Hofmeister,
E. Fischer). Na przełomie XIX i XX wieku do badań wprowadzono nowe metody
fizyczne (Sörensen, Svedberg, Tiselius, bracia Bragg), które znacznie przyspieszyły
rozwój badań wyżej wymienionych podstawowych grup związków oraz kwasów
nukleinowych (Miescher), barwników krwi i roślin (Hoppe-Seyler, Nencki, Marchlewski, Willastter) sterydów oraz alkaloidów.
Badania nad hormonami zostały zapoczątkowane w 1897 roku przez Cybulskiego odkryciem hormonu nadnercza – adrenaliny. W krótkim czasie zbadano
wiele innych związków tej grupy oraz opracowano ich syntezę i metody produkcji
przemysłowej. Medycyna otrzymała dzieki temu skuteczną broń do zwalczania
schorzeń i nieprawidłowości przemiany materii. Badania nad witaminami zostały
zapoczątkowane również przy udziale polskiego uczonego Funka, który wspólnie
10
Wiadomości wstępne
11
z Eijkmannem i Hopkinsem stworzył podstawy tej ważnej gałęzi biochemii i nauki
o żywności.
Żywiołowy rozwój biochemii był możliwy dzięki wprowadzeniu do badań nowych metod badawczych, co doprowadziło do poznania mechanizmu i energetyki
takich procesów, jak: fermentacja alkoholowa i glikoliza (Harden, Young, Meyerhoff, Parnas, Embiden), cykl kwasów trikarboksylowych (Krebs), łańcuch oddechowy (Wieland, Warburg, Keilin), fotosynteza (Calvin, Arnon), a ostatnio mechanizm biosyntezy białka (Zamecnik, Moldave, Crik).
Najważniejsze jednostki biochemiczne. Obecnie w Polsce jest wiele zespołów
naukowo-badawczych i dydaktycznych, które prowadzą badania biochemiczne.
Przede wszystkim należy wymienić Instytut Biochemii i Biofizyki PAN. W Instytucie tym badania są prowadzone są na poziomie molekularnym w zakresie organizacji genów, poznania struktury i funkcji genów, mechanizmu mutagenezy, naprawy i replikacji DNA, budowy i biosyntezy kwasów nukleinowych i białek, badane
są molekularne i biochemiczne struktury enzymów i in. W Polsko-Francuskim
Centrum Biotechnologii Roślin, które funkcjonuje w ramach Instytutu, opracowane
zostały nowoczesne biotechnologie.
Drugim zespołem jest Instytut Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego
PAN, gdzie badane są biochemiczne i molekularne mechanizmy działania mózgu
i jego plastyczności, struktura i funkcjonalne właściwości białek układów kurczliwych i błon komórkowych, bioenergetyka przemian wewnątrzkomórkowych, regulacje metaboliczne, molekularno-genetyczne mechanizmy pobudzenia komórek itp.
Fundamentalne badania prowadzone są w Instytucie Chemii Bioorganicznej
PAN (synteza i chemia modyfikowanych nukleozydów i nukleotydów o aktywności przeciwwirusowej; analiza korelacji między strukturą i aktywnością biologiczną; chemia i biologia kwasów rybonukleinowych; proces symbiotycznego wiązania azotu; biologia molekularna onkogenów i in.); w Zakładzie Genetyki Człowieka PAN (molekularny mechanizm indukcji komórek nowotworowych; analiza
DNA w chorobach genetycznych; charakterystyka i funkcja kwasów nukleinowych; mutageneza i testowanie mutagenów; analiza patologicznych białek i in.)
oraz innych instytutach PAN oraz katedrach uniwersyteckich wydziałów biologii.
11