Биохемија

Из Википедије, слободне енциклопедије

Биохемија или биолошка хемија је хемија живота, мост између биологије и хемије који проучава како комплексне хемијске реакције стварају живот.[1] 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.[2] Данашњи главни фокус чисте биохемије је на разумевању начина на који биолошки молекули производе процесе који се одвијају у живим ћелијама,[3] што је блиско повезано са изучавањем и разумевањем ткива, органа, и целих организама[4] — другим речима, целокупне биологије.

Биохемија је блиско сродна са молекуларном биологијом, изучавањем молекуларних механизама којима генетичка информација кодирана у ДНК доводи до процеса живота.[5] У зависности од дефиниције термина, молекуларна биологија се може сматрати граном биохемије, или биохемија оруђем којим се истражује и студира молекуларна биологија.

Биохемија се бави структурама, фукнцијама и интеракцијама целуларних компоненти, као што су протеини, угљени хидрати, липиди, нуклеинске киселине и остали биомолекули, који производе ћелијску структуру и изводе многобројене функције везане за живот.[6] Иако постоји огроман број различитих биомолекула, они се често састоје од истих јединица које се понављају, мономера који се понављају у различитим секвенцима. Хемија ћелија исто тако зависи од реакција малих молекула и јона. Они могу да буду неоргански, на пример вода и јони метала, или органски, као што су аминокиселине, које се користе за синтезу протеина.[7] Биохемијске студије су превасходно изучавају малу групу елемената: угљеник, водоник, азот, кисеоник, фосфор, и сумпор; који се често називају CHNOPS. Низ других елемената учествује у биохемиским процесима, али у знатно нижим концентрацијама. Механизми којима ћелије конвертују енергију и свог окружења путем хемијских реакција су познати као метаболизам. Биохемија метаболизма ћелије и биохемија ендокриног система су два домена која су интензивно студирана.

Друге области обухваћене појмом биохемије су генетички код (ДНК, РНК), синтеза протеина, транспорт кроз ћелијску мембрану и трансдукција сигнала. Резултати биохемијских истраживања налазе примену у медицини, исхрани, и пољопривреди. У медицини, биохемичари истражују узроке и лекове болести.[8] У пољу исхране, се изучава начин одржавања здравља и ефекти нутрионе дефицијенције.[9] У пољопривреди предмет истраживања су земљиште и ђубрива, и ради се на повољшању култивације усева, њиховог складиштења и контроле штеточина.

Развој биохемије[уреди]

Герти Кори и Карл Кори су зајеноцо награђени Нобеловом наградом 1947. године за њихово откриће Коријевог циклуса

У почетку се веровало да на живе материје закони науке делују другачије од неживих материја. Веровало се да само жива бића могу да произведу молекуле живота (од претходно постојећих живих молекула). Међутим Фридрих Велер је 1828. објавио стручни рад који је за тему имао синтезу урее, 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.

У својој најширој дефиницији, биохемија се може сматрати студијом компоненти и композиције живих организама и начина на који оне формирају интеракције стварајући живот, и стога се може сматрати да историја биохемије започиње са античком Грчком.[10] Међутим, биохемија као специфична научна дисциплина има свој почетак током 19-тог века, или мало раније, у зависнод од тога на којем аспекту биохемије је фокус. Неки извори заузимају становиште де почетак биохемије кореспондира открићу првог ензима, диастазе (који се данас назива амилазом), 1833. од стране Анселма Пајена,[11] док други сматрају Бухнерову прву демонстрацију комплексног биохемијског процеса алкохолне ферментације у бесћелијским екстратима 1897. године рођењем биохемије.[12][11] Исто тако се може сматрати почетком биохемије објављивање 1842. године утицајног рада Јустуса фон Либига, Животињска хемија, или, органска хемија у њеној примени на физиологију и патологију, који је представио хемијску теорију метаболизма,[10] или чак раније студије из 18-тог века о ферментацији и респирацији Антоана Лавоазјеа.[13][14] Многи други пионири поља који су помогли да се открију слојеви комплексности биохемије су били прокламисани оснивачима модерне биохемије, на пример Емил Фишер због његовог рада на хемији протеина,[15] и Ф. Гоуланд Хопкинс због рада на ензимима и динамичкој природи биохемије.[16]

Сам термин „биохемија“ је изведен из комбинације речи биологија и хемија. Године 1877, Феликс Хопе-Сејлер је користио овај термин (biochemie у Немачком) као синоним за физиолошку хемију у предговору првог издања Zeitschrift für Physiologische Chemie (Часописа за физилошку хемију), где је он залагао за успостављање институција посвећених том пољу истраживања.[17][18] Немачки хемичар Карл Нојберг се међутим често наводи у литератури као особа која је сковала реч биохемија 1903. године,[19][20][21] док неки извори наводе Франц Хофмајстера као творца речи.[18]

Анимација структуре једног дела ДНК (1D65)[22]

Некад је преовладавало мишљење да живит и његови материјали имају нека есенцијална својства или супстанце (што је често називано "виталним принципом") која се различита од оних која су присутна у неживој материји, и постојало је веровање да само живи организми могу да произведу молекуле живота.[23] Године 1828, Фридрих Велер је објавио чланак о синтези уреје, чије је доказао да органска једињења могу да буду креирана вештачким путем.[24] Од тада биохемија је навелико напредовала, нарочито током средине 20. века, са открићем и развојем метода као што су хроматографија, рендгентска 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 ћелијама, тј гликолиза и Кребсов циклус (циклус лимунске киселине).

Још један значајни историјски догађај у биохемији је откриће гена и његове улоге у трансферу информација у ћелији. Тај део биохемије се обично назива молекуларном биологијом.[25] Током 1950-тих, Џејмс Д. Вотсон, Франсис Крик, Росалинд Франклин, и Морис Вилкинс су решили ДНК структуру и објаснили њену релацију са генетичим трансфером информација.[25] Године 1958, Џорџ Бидл и Едвард Тејтум су награђени Нобеловом нагадом за рад на гљивама којим су показали да један ген производи један ензим.[26] Године 1988, Колин Пичфорк је био прва особа која је осуђена за убиство на бази ДНК доказа, чему је следио знатан развој форензике.[27] У ближој прошлости су Ендру Фајер и Крејг Мело награђени Нобеловом наградом 2006 за откриће улоге РНК интерференције (РНКи), у онемогућавању експресије гена.[28]

Почетни материјали: хемијски елементи живота[уреди]

Главни елементи од којих је сачињено људско тело су приказани од најзаступљенијег (по маси) до најмање заступљеног.

Око 20-30 елемената од 92 елемента који се јављају у природи су есенцијални за разне врсте биолошког живота. Већина ретких елемената на Земљи нису неопходни за живот (изузеци су селен и јод). Исто тако неколико распрострањених елемената (алуминијум и титанијум) се не користи. Већина организама има истоветне потребе за елементима. Постоје извесне разлике између биљака и животиња. На пример, океанске алге користе бром, док не постоје индикације да је тај елемент неопходан копненим биљкама и животињама. Свим животињама је неопходан натријум, што није случај с биљкама. Биљкама је неопходан бор и силицијум, док они нису неопходни животињама (или су потребни у ултра-малим количинама).

Само шест елементата: угљеник, водоник, азот, кисеоник, калцијум, и фосфор сачињавају скоро 99% масе живих ћелија, укључујући оне у људском телу. Осим тих шест главних елемената који сачињавају већину људског тела, људима су неопходне мале количине 18 других елемената.[29]

Биомолекули[уреди]

Четири главне класе молекула у биохемији (које се често називају биомолекулима) су угљени хидрати, липиди, протеини, и нуклеинске киселине.[30] Многи биолошки молекули су полимери: у тој терминологији, мономери су релативно мали микромолекули који се повезују и тиме се креирају велики макромолекули познати као полимери. Кад се мономери повезују при синтези биолошког полимера, они подлежу процесу дехидрационе синтезе. Различити макромолекули могу да формирају веће комплексе, који су често потребни за биолошку активност.

Угљени хидрати[уреди]

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.[31][a]

Моносахарид може да пређе из ацикличне форме отвореног ланца у цикличну форму, путем реакције нуклеофилне адиције између карбонилне групе и једне од хидроксилних група истог молекула. Реакција формира прстен од атома угљеника који је затворен кисеоничним мостом. Резултирајући молекул садржи хемиацеталну или хемикеталну групу, у зависности од тога да ли је линеарна форма била алдоза или кетоза. Ово је повратна реакција, те су постоји равнотежа између цикличне и отворене форме молекула.[32]

Конверзија између фуранозне, ацикличне, и пиранозне форме D-глукозе.

У цикличним формама, прстен обично има 5 или 6 атома. Те форме се називају фуранозама и пиранозама, респективно — по аналогији са фураном и пираном, најједноставнијим једињењима са истим угљенично-кисеоничним прстеном (мада њима недостају двоструке везе та два молекула). На пример, алдохексоза глукоза може да формира хемиацеталну везу између хидроксила на угљенику 1 и кисеоника на угљенику 4, чиме настаје молекул са петочланим прстеном, који се назива глукофураноза. Иста реакција може да одвије између угљеника 1 и 5 чиме се формира молекул са шесточланим прстеном, који се назива глукопираноза. Цикличне форме са седмочланим прстеном (попут оксепана), се ретко срећу, а називају се хептозама.

Два моносахарида могу бити спојена помоћу дехидрације, реакције у којој се на свака два спојена моносахарида добија један молекул воде. У тој реакцији са једног моносахарида се одваја један атом водоника, а са другог моносахарида се одваја 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 олигосахарид (олиго значи више). Ови молекули се често користе као маркери и сигнали, али имају и друге улоге.

Дужи моносахаридни ланци се називају полисахаридима. Они се могу јавити у виду једног дугог линеарног ланца, или у облику разгранатог система. Два најзаступљенија полисахарида су целулоза и гликоген, оба се састоје од понављајућих мономера глукозе. Биљке стварају целулозу која је важна структурна конпонента ћелијског зида. Људска бића не могу да произведу целулозу, а исто тако не 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 ATP-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, NAD; конвертовањем пиривата у лактат (код човека на пример) или у етанол (код гљива).

У аеробним ћелијама са довољно кисеоника, као што су многе људске ћелије, пируват подлеже метаболизму при чему се неповратно трансформише у ацетил-КоА, уз отпуштање једног атома угљеника у виду нуспродуката, угљен-диоксида. Притом се ствара један молекул АТП-а и редукује један NAD молекул (NAD у NADH). Два молекула ацетил-КоА (настала из 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 ATP-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.

Липиди[уреди]

Структура неколико широко заступљених липида. На врху су холестерол и олеинска киселина.[33] Структура у средини је триглицерид који се састоји од олеоилног, стеароилног, и палмитоилног ланца везаног за глицеролну основу. На дну је фосфолипид, фосфатидилхолин.[34]

Липиди сачињавају разноврстну групу молекула и у извесној мери се тај термин односи на сва једињења биолошког порекла која су релативно нерастворна у води или неполарна, укључујући воскове, масне киселине, из масних киселина изведене фосфолипиде, сфинголипиде, гликолипиде, и терпеноиде (e.g., ретиноиде и стероиде). Неки липиди су линеарни алифатични молекули, док други имају структуре прстена. Део липида су ароматична једињења, док преостали нису. Неки су флексибилни, док су други крути.[35]

Липиди се обично састоје од једног молекула глицерола и комбинације других молекула. У триглицеридима, који су најзаступљенија група липида, је присутан један молекул глицерола и три масне киселине. Масне киселине се сматрају мономером у овом случају, и могу да буду засићене (без двоструких веза у угљоводоничном ланцу) или незасићени (с једном или више двоструких веза на угљоводоничном ланцу).[32]

Већина липида има делом поларни карактер мада су углавном неполарани. Генерлно, највећи део њихове структуре је неполаран или хидрофобан, и стога они избегавају интеракције са поларним растварачима попут воде. Други део њихове структуре је поларан или хидрофилан и има јаку тенденцију асоцирања са поларним растварачима попут воде. Присуство поларног и неполарног сегмента даје липидима амфифилни карактер. У случају холестерола, једина поларна група је -OH (хидроксил или алкохол), док су код фосфолипида, поларне групе знатно веће и поларније, као што је описано испод.[32]

Липиди су интегрални део људске исхране. Већина уља и млечних производа које се користе за кување и јело, попут маслаца, сира, топљеног масла etc., се састоји од масти. Биљна уља су богата разним полинезасићеним масним киселинама (PUFA). Храна која садржи липиде подлеже варењу у телу и бива разложена у масне киселине и глицерол, који су финали продукти деградације масти и липида. Липиди, а посебно фосфолипиди, се исто тако користе у разним фармацеутским производима, било као помоћна средства за побољшање растварања (e.g., у парентералним инфузијама) или као носеће компоненте лекова (e.g., у липозомима или трансферзомима).

Протеини[уреди]

Главни чланци: Протеин и Аминокиселина

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.

Нуклеинске киселине[уреди]

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[уреди]

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%).[36]

Види још[уреди]

Референце[уреди]

  1. „Biochemistry”. acs.org. 
  2. Voet (2005). стр. 55.
  3. Karp (2009). стр. 55.
  4. Miller (2012). стр. 55.
  5. Astbury (1961). стр. 55.
  6. Eldra (2007). стр. 55.
  7. Marks (2012), Chapter 14.
  8. Finkel (2009). стр. 55.
  9. UNICEF (2010). стр. 55.
  10. 10,0 10,1 Helvoort (2000). стр. 55.
  11. 11,0 11,1 Hunter (2000). стр. 55.
  12. Hamblin (2005). стр. 55.
  13. Berg (1980). стр. 55.
  14. Holmes (1987), p. xv
  15. Feldman (2001). стр. 55.
  16. Rayner-Canham (2005). стр. 136.
  17. Ziesak (1999). стр. 55.
  18. 18,0 18,1 Kleinkauf (1988). стр. 55.
  19. Ben-Menahem (2009). стр. 2982.
  20. Amsler (1986) pp. 55.
  21. Horton (2013). стр. 55.
  22. Edwards (1992). стр. 55.
  23. Fiske (1890). стр. 55.
  24. Kauffman (2001). стр. 55.
  25. 25,0 25,1 Tropp (2012). стр. 55.
  26. Krebs (2012). стр. 55.
  27. Butler (2009). стр. 55.
  28. Chandan (2007). стр. 55.
  29. Nielsen (1999). стр. 55.
  30. Slabaugh (2007). стр. 55.
  31. Whiting (1970). стр. 55.
  32. 32,0 32,1 32,2 Voet (2005). стр. 55.
  33. Stryer (2007). стр. 55.
  34. Voet (2005), Ch. 12 Lipids and Membranes
  35. Fromm and Hargrove (2012). стр. 22.–27.
  36. Whiting, G.C. (1970), pp. 5.

Литература[уреди]

  • Keith Roberts, Martin Raff, Bruce Alberts, Peter Walter, Julian Lewis and Alexander Johnson, Molecular Biology of the Cell
  • Fruton, Joseph S (1999). Proteins, Enzymes, Genes: The Interplay of Chemistry and Biology. Yale University Press: New Haven. ISBN 0-300-07608-8. 
  • Kohler, Robert. From Medical Chemistry to Biochemistry: The Making of a Biomedical Discipline. Cambridge University Press, 1982.

Спољашње везе[уреди]