Биохемија

Биохемија или биолошка хемија је хемија живота, мост између биологије и хемије који проучава како комплексне хемијске реакције стварају живот. Биохемија је хибридни део хемије који проучава хемијске процесе у живим организмима. Како сви облици живота имају заједничко порекло, они имају и сличне биохемије, као што су генетички код и стереохемија многих биомолекула. Конторлом протока информација путем биохемијске сигнализације и протока хемијске енергије путем метаболизма, биохемијски процеси омогућавају постојање комплексности живота. Током задњих деценија двадестог века, биохемија је постала у тој мери успешна у објашњавању процеса живих бића да су у данашње време скоро све области науке о животу од ботанике до медицине до генетике учествују у биохемијским истраживањима. Данашњи главни фокус чисте биохемије је на разумевању начина на који биолошки молекули производе процесе који се одвијају у живим ћелијама, што је блиско повезано са изучавањем и разумевањем ткива, органа, и целих организама — другим речима, целокупне биологије.

Биохемија проучава структуру и фукнцију целуларних компоненти, као што су протеини, угљени хидрати, липиди, нуклеинске киселине и остали биомолекули. Иако постоји огроман број различитих биомолекула, они се често састоје од истих јединица које се понављају мономера, али који се понављају у различитим секвенцима. Недавно, биохемија је почела да се фокусира на проучавање реакција у којима су катализатори ензими, и на проучавање особина протеина.

Биохемија метаболизма ћелије и биохемија ендокриног система су два домена која су интензивно студирана. Друге области које спадају под појам биохемије су генетички код (ДНК, РНК), синтеза протеина, транспорт кроз ћелијску мембрану и трансдукција сигнала.

Развој биохемије

Анимација структуре једног дела ДНК

Фридрих Велер

У почетку се веровало да на живе материје закони науке делују другачије од тзв. неживих материја. Веровало се да само жива бића могу да произведу молекуле живота (од претходно постојећих живих молекула). Међутим 1828 Фридрих Велер је објавио стручни рад који је за тему имао синтезу уреје, притом доказавши да органска једињења могу бити створена вештачким путем. Синтеза урее, односно карбамида из амонијум-цијанида била је прва лабораторијска синтеза неког органског једињења.

Почетком биохемије се најчешће узима за тренутак када је пронађен први ензим, диастаза, 1833. од стране Анселма Пајена. Верује се да је 1903. немачки научник Карл Нојбер дао науци данашње име биохемија. Од тада биохемија је навелико напредовала, нарочито током средине 20-ог века, са открићем и развојем метода као што су хроматографија, рентгентска дифракција, нуклеарна магнетна резонанција (НМР), радиоизотопско обележавање, електронска микроскопија и симулација молекуларне динамике. Захваљујући овим методима научници су открили и детаљно анализирали многе молекуле као и активности у самим ћелијама на молекуларном нивоу као што су путеви метаболизма у ћелије, тј гликолиза и Кребцов циклус (такозвани циклус лимунске киселине).

Данас, открића у области биохемије се користе у многим стручним областима, од генетике и молекуларне биологије до пољопривреде и медицине. Прва употреба биохемије је највероватније била пре 5000 година прављењем хлеба користећи квасац.

Угљени хидрати

Глукоза

Функције угљених хидрата су складиште енергије и структура. Шећери су угљени хидрати, међутим постоје и угљени хидрати који нису шећери. На Земљи угљени хидрати су најраспрострањенији биомолекули. Најједноставнији угљени хидрат је моносахарид, који се између осталог састоји од угљеника, водоника, и кисеоника, у односу 1:2:1 са генералном формулом CnH₂nO где је n најмање 3. Глукоза, један од најбитнијих угљених хидрата, је пример моносахарида. Као и фруктоза, шећер који даје воћу сладак укус.

Сахароза

Два моносахарида могу бити спојена заједно помоћу дехидрације, реакције у којој се на свака два спојена моносахарида добија један молекул воде. У тој реакцији са једног моносахарида се откида један атом водоника, а са другог моносахарида се откида хидроксилна група (-ОН ) и таква два моносахарида се споје, док се њиховим спајањем добија један молекул воде H—OH тј. H2O. Новонастали молекул од сва моносахарида се сада назива дисахарид. Обрнути процес, стварање два моносахарида од једног дисахарида се назива хидролиза када молекул воде нападне везу између два спојена шећера. Напознатији дисахарид је сахароза, обични шећер, који се у научном контексту зове кухињски шећер како би се разликовао од осталих шећера. Сахароза се састоји од молекула глукозе и молекула фруктозе. Други важан дисахарид је лактоза, који се састоји од спојених молекула глукозе и галактозе. Већина људи са годинама смањује производњу ензима лактазе који помоћу реакције хидролизе раздваја лактозу у моносахариде, глукозу и галактозу. Резултат смањивања броја лактазе у организму доводи до нетолеранције лактозе, односно у тој старосној групи људи са смањеним бројем ензима не могу да пију млеко и млечне производе.

Реакција хидролизе

Када се неколико, 3 до 6, моносахарида споје, тај ланац молекула се зове олигосахариди (олиго значи више). Ови молекули се често користе као маркери и сигнали, али имају и друге улоге.

Многи моносахариди спојени заједно називају се полисахаридима. Они могу бити спојени заједно у једном дугом линеарном ланцу, или могу бити разгранати. Два најчешћа полисахарида су целулоза и гликоген, оба се састоје од понављајућих мономера глукозе. Биљке стварају целулозу која је важна структурна конпонента ћелијског зида. Људска бића нити могу да произведу целулозу нити могу да је варе. Гликоген је угљени хидрат који људи и животиње користе као складиште енергије.

Глукоза је важан извор енергије у већини облика живота. Велики број катаболичких процеса (видети катаболизам) је могућ захваљујући глукози. Глукоза се употребљава у једном веома важном процесу -гликолиза, у којем је циљ да се од једног молекула глукозе добију два молекула пирувата, из чега следи продукција два молекула АТП-а, енергија ћелије, заједно са два редуктована екивалента у форми NAD-а који се претвара у NADH. Овај процес не захтева кисеоник. Ако кисеоник није доступан NADH се пребаци у првобитан облик, НАД; конвертовањем пиривата у лактат (код човека на пример) или у етанол (код гљива).

У аеробним ћелијама са довољно кисеоника, као многе људске ћелије, пируват даље може бити предмет процеса метаболизма. Пириват се може променити (међутим ова реакција није повратна) у ацетил-СоА, дајући притом један угљеников атом као нус продукат угљен-диоксида, притом стварајући још један молекул АТП-а и редукујући још један NAD (NAD у NADH). Два молекула ацетил-СоА (добијених од једног молекула глукозе) се затим укључују у Кребсов циклус, притом стварајући још два молекула АТП-а, 6 молекула NADA и два молекула FADH2. Укупан број молекула АТП-а који се добија овим путем је 32. Јасно се види из овога да комплетна оксидација глукозе омогућава организам са много енергије, и из тога следи да се комплексан живот на Земљи појавио тек онда кад је атмосфера у себи имала велике количине кисеоника.

Код кичмењака, нпр. људи, контрактовањем мишића, на пример током трчања, дизања тегова, брзог хода, организам не добија довољно кисеоника како би одржао ниво енергије како би ове радње биле уопште и могуће. Када дође то тог случаја онда се ћелије пребацују са аеробног метаболизма (кад је кисеоник доступан) у анаеробни метаболизам (кад кисеоник није доступан) и претвајару глукозу у лактат, лактичку киселину. Јетра може да регенерише глукозу, процесом глуконеогенезе.

Протеини

Главни чланак: Протеин

Као и горе наведени угљени хидрати, неки протеини имају искључиво структурну улогу. На пример, кретање протеина као што су актин и мијозин омогућавају контрактовање мишића. Једна од битних особина протеина је њихова специфичност, што значи да се везују само на одређене молекуле и једињења. Таква врста протеина су антитела. Антитела се везују само за одређене молекуле. Ова специфичност протеина је веома корисна у дијагностици, ако не и једини начин дијагностике. Тест ЕЛИСА је један од тестова коришћен како би се детектовало присуство ХИВ вируса, вируса одговорног за сиду. Како су антитела специфична, она се везују само за биомолекуле који се појављују у телу када је пацијент већ оболео од вируса сиде. Када се врши тестирање са тестом ЕЛИСА, ако се утврди присутност одређених антитела која се везују за биомолекуле ХИВ вируса, онда са сигурношћу можемо да кажемо да особа има ХИВ вирус.

Структура протеина хемоглобин

Један од најважнијих врста протеина су ензими. Ензими су природни катализатори, и имају велику улогу у кинетици биолошких реакција, тј према потреби могу да убрзају или успоре реакцију. Веома су специфични, и везују се за само унапред одређене биомолекуле.

Протеин је ланац направљен од амино киселина. Амино киселина се састоји од угљениковог атома који је повезан за четири групе. Једна група је Амино група, —NH2, друга група је карбоксилна киселина, —COOH, трећа група је једноставан водоников атом, -H, и четврта група се обележава са -R и по тој групи се амино киселине разликују једна од друге. Амино киселине су повезане пептидним везама.

Липиди

Главни чланак: Липиди

Липиди су једињења која имају различите улоге и особине, а једна од битнијих особина је да су неполарни, мада има и велики број поларних липида. Под поларним се подразумева да имају афинитет ка води, тј да су хидрофилни, док неполарни липиди значе да немају афинитет према води и да су хидрофобни. Познати липиди су восак, фосфолипиди, гликолипиди, терпеноиди и стероиди. Могу бити циркуларног или линеарног облика, као и флексибилни или ригидни.

Нуклеинска киселина

Главни чланак: Нуклеинска киселина

Нуклеинска киселина је комплекс биохемијских макромолекула високе молекуларне масе који се састоји од нуклеотидних ланаца који преносе генетичке информације. Најпознатије две нуклеинске киселине су Дезоксирибонуклеинска киселина ДНК и Рибонуклеинска киселина РНК. Нуклеинске киселине се налазе у свим живим ћелијама и вирусима.

Напомене

a. ^{^} Фруктоза није једини шећер присутан у воћу. Глукоза и сахароза су исто тако присутне у варирајућим количинама у разном воћу, и у немим случајевима количински надамашују присутну фруктозу. На пример, 32% јестиве порције порције датуле је глукоза, у поређењу са 23.70% фруктозе и 8.20% сахарозе. Брескве садрже више сахарозе (6.66%) него фруктозе (0.93%) или глукозе (1.47%).

Литература

• Молекуларна Генетика, Џејмс Д. Вотсон. 2005. ISBN 0-8053-4642-2.
• Amsler, Mark (1986). The Languages of Creativity: Models, Problem-solving, Discourse. University of Delaware Press. ISBN 978-0874132809. 
• Astbury, W.T. (1961). „Molecular Biology or Ultrastructural Biology?” (PDF). Nature. 190 (4781): 1124. PMID 13684868. doi:10.1038/1901124a0. Приступљено 2016-01-04. 

• Ben-Menahem, Ari (2009). Historical Encyclopedia of Natural and Mathematical Sciences. Springer. стр. 2982. ISBN 978-3-540-68831-0. 
• Burton, Feldman (2001). The Nobel Prize: A History of Genius, Controversy, and Prestige. Arcade Publishing. ISBN 978-1559705929. 
• Butler, John M. (2009). Fundamentals of Forensic DNA Typing. Academic Press. ISBN 978-0-08-096176-7. 
• Chandan, Sen K.; Sashwati Roy (2007). „miRNA: Licensed to kill the messenger”. DNA Cell Biology. 26 (4). PMID 17465885. doi:10.1089/dna.2006.0567. 
• Clarence, Peter Berg (1980). „The University of Iowa and Biochemistry from Their Beginnings”. ISBN 9780874140149. 
• Edwards K.J.; Brown D.G.; Spink, N.; Skelly J.V.; Neidle S. (1992). „Molecular structure of the B-DNA dodecamer d(CGCAAATTTGCG)2. An examination of propeller twist and minor-groove water structure at 2.2 A resolution”. J.Mol.Biol. 226: 1161—1173. PMID 1518049. 
• Eldra P. Solomon; Linda R. Berg; Diana W. Martin (2007). Biology, 8th Edition, International Student Edition. Thomson Brooks/Cole. ISBN 978-0495317142. 
• Fariselli, Piero; Rossi, Ivan; Capriotti, Emidio; Casadio, Rita (2007). „The WWWH of remote homolog detection: the state of the art”. Briefings in Bioinformatics. 8 (2). PMID 17003074. doi:10.1093/bib/bbl032. 
• Fiske, John (1890). Outlines of Cosmic Philosophy Based on the Doctrines of Evolution, with Criticisms on the Positive Philosophy, Volume 1. Boston and New York: Houghton, Mifflin. Приступљено 16. 2. 2015. 
• Finkel, Richard; Cubeddu, Luigi; Clark, Michelle (2009). Lippencott's Illustrated Reviews: Pharmacology (4th изд.). Lippencott Williams & Wilkins. ISBN 978-0-7817-7155-9. 
• Krebs, Jocelyn E.; Goldstein, Elliott S.; Lewin, Benjamin; Kilpatrick, Stephen T. (2012). Essential Genes. Jones & Bartlett Publishers. ISBN 978-1-4496-1265-8. 
• Fromm, Herbert J.; Hargrove, Mark (2012). Essentials of Biochemistry. Springer. ISBN 978-3-642-19623-2. 
• Hamblin, Jacob Darwin (2005). Science in the Early Twentieth Century: An Encyclopedia. ABC-CLIO. ISBN 978-1-85109-665-7. 
• Helvoort, Ton van (2000). Arne Hessenbruch, ур. Reader's Guide to the History of Science. Fitzroy Dearborn Publishing. ISBN 188496429X. 
• Holmes, Frederic Lawrence (1987). Lavoisier and the Chemistry of Life: An Exploration of Scientific Creativity. University of Wisconsin Press. ISBN 978-0299099848. 
• Horton, Derek, ур. (28. 11. 2013). Advances in Carbohydrate Chemistry and Biochemistry, Volume 70. Academic Press. ASIN B00H7E78BG. 
• Hunter, Graeme K. (2000). Vital Forces: The Discovery of the Molecular Basis of Life. Academic Press. ISBN 978-0-12-361811-5. 
• Karp, Gerald (19. 10. 2009). Cell and Molecular Biology: Concepts and Experiments. John Wiley & Sons. ISBN 9780470483374. 
• Kauffman, G.B.; Chooljian, S.H. (2001). „Friedrich Wöhler (1800–1882), on the bicentennial of his birth”. The Chemical Educator. 6 (2). doi:10.1007/s00897010444a. 
• Kleinkauf, Horst; Döhren, Hans von; Jaenicke Lothar (1988). The Roots of Modern Biochemistry: Fritz Lippmann's Squiggle and its Consequences. Walter de Gruyter & Co. стр. 116. ISBN 9783110852455. 
• Knowles JR (1980). „Enzyme-catalyzed phosphoryl transfer reactions”. Annu. Rev. Biochem. 49: 877—919. PMID 6250450. doi:10.1146/annurev.bi.49.070180.004305. 
• Metzler, David Everett; Metzler, Carol M. (2001). Biochemistry: The Chemical Reactions of Living Cells. 1. Academic Press. ISBN 978-0-12-492540-3. 
• Miller G; Spoolman Scott (2012). Environmental Science - Biodiversity Is a Crucial Part of the Earth's Natural Capital. Cengage Learning. ISBN 1-133-70787-4. Приступљено 2016-01-04. 
• Nielsen, Forrest H. (1999). Maurice E. Shils, ур. Ultratrace minerals; Modern nutrition in health and disease. Baltimore: Williams & Wilkins. стр. 283—303. 
• Peet, Alisa (2012). Marks, Allan; Lieberman Michael A., ур. Marks' Basic Medical Biochemistry (Lieberman, Marks's Basic Medical Biochemistry) (4th изд.). ISBN 160831572X. 
• Rayner-Canham, Marelene F.; Rayner-Canham, Marelene; Rayner-Canham, Geoffrey (2005). Women in Chemistry: Their Changing Roles from Alchemical Times to the Mid-Twentieth Century. Chemical Heritage Foundation. ISBN 978-0941901277. 
• Rojas-Ruiz, Fernando A; Vargas-Méndez, Leonor; Kouznetsov, Vladimir V (2011). „Challenges and Perspectives of Chemical Biology, a Successful Multidisciplinary Field of Natural Sciences”. Molecules. 16: 2672—2687. ISSN 1420-3049. doi:10.3390/molecules16032672. Архивирано из оригинала 5. 12. 2015. г. 
• Saenger, Wolfram (1984). Principles of Nucleic Acid Structure. New York: Springer-Verlag. ISBN 0-387-90762-9. 
• Slabaugh, Michael R.; Seager, Spencer L. (2013). Organic and Biochemistry for Today (6th изд.). Pacific Grove: Brooks Cole. ISBN 1133605141. 
• Sherwood, Lauralee; Klandorf, Hillar; Yancey, Paul H. (2012). Animal Physiology: From Genes to Organisms. Cengage Learning. ISBN 978-0-8400-6865-1. 
• Stryer L, Berg JM, Tymoczko JL (2007). Biochemistry (6th изд.). San Francisco: W.H. Freeman. ISBN 978-0-7167-8724-2. 
• Tropp, Burton E. (2012). Molecular Biology (4th изд.). Jones & Bartlett Learning. ISBN 978-1-4496-0091-4. 
• UNICEF (2010). Facts for life (PDF) (4th изд.). New York: United Nations Children's Fund. ISBN 978-92-806-4466-1. 
• Ulveling, Damien; Francastel, Claire; Hubé, Florent (2011). „When one is better than two: RNA with dual functions”. Biochimie. 93 (4). PMID 21111023. doi:10.1016/j.biochi.2010.11.004. 
• Varki A, Cummings R, Esko J, Jessica F, Hart G, Marth J (1999). Essentials of glycobiology. Essentials of glycobiology. Cold Spring Harbor Laboratory Press. ISBN 0-87969-560-9. 
• Voet, D; Voet, JG (2005). Biochemistry (3th изд.). Hoboken, NJ: John Wiley & Sons Inc. ISBN 9780471193500. Архивирано из оригинала 11. 9. 2007. г. 
• Whiting, G.C (1970). „Sugars”. Ур.: A.C. Hulme. The Biochemistry of Fruits and their Products. Volume 1. London & New York: Academic Press. ISBN 0123612012. 
• Ziesak, Anne-Katrin; Cram Hans-Robert (18. 10. 1999). Walter de Gruyter Publishers, 1749-1999. Walter de Gruyter & Co. ISBN 978-3110167412. 

• Keith Roberts, Martin Raff, Bruce Alberts, Peter Walter, Julian Lewis and Alexander Johnson, Molecular Biology of the Cell
  • 4th Edition, Routledge, March, 2002, hardcover, 1616 pages, 7.6 pounds, ISBN 0-8153-3218-1
  • 3rd Edition, Garland, 1994, ISBN 0-8153-1620-8
  • 2nd Edition, Garland, 1989, ISBN 0-8240-3695-6
• Fruton, Joseph S. Proteins, Enzymes, Genes: The Interplay of Chemistry and Biology. Yale University Press: New Haven, 1999. ISBN 0-300-07608-8
• Kohler, Robert. From Medical Chemistry to Biochemistry: The Making of a Biomedical Discipline. Cambridge University Press, 1982.

Спољашње везе

• [Виртуелна библиотека Биохемије]
• Америчко хемијско друштво
• Европско Друштво Биохемичара
• „Biochemical Society”. 
• The Virtual Library of Biochemistry and Cell Biology
• Biochemistry, 5th ed. Full text of Berg, Tymoczko, and Stryer, courtesy of NCBI.
• SystemsX.ch - The Swiss Initiative in Systems Biology
• Full text of Biochemistry by Kevin and Indira, an introductory biochemistry textbook.