История развития биохимии

Материал из Dr. Igor N Posokhov
Перейти к: навигация, поиск

История биохимии — это раздел истории, описывающий развитие биологической химии в историческом аспекте, начиная с рубежа XIX и XX веков, когда данная наука стала самостоятельной. До этого времени вопросы, рассматриваемые биохимией, входили в органическую химию и физиологию. В истории развития органической химии и биохимии можно выделить несколько периодов (эмпирический, аналитический, структурный, современный).

Эмпирический период (середина XVII — конец XVIII в.)

История биохимии:спиртовое брожение
Виноград и ячмень являются источниками сахара и натуральных ароматов, которые метаболизируются живыми дрожжевыми клетками, с получением вина и пива, соответственно.[1]

Этот период можно назвать химией растительных и животных веществ. За это время произошло накопление фактического материала, но еще не возникло теоретических, обобщающих представлений. Основной причиной, побуждающей к изучению органических веществ, являлась необходимость в их практическом использовании. Действительно, поиски лекарственных начал в природном сырье в данный период привели к открытию эфирных масел; древесного уксуса, получаемого при сухой перегонке древесины; неочищенной виннокаменной кислоты из осадка, выпадающего при хранении виноградного сока.

Одним из первых изученных человеком биохимических процессов, было брожение: превращение гниющих фруктов или зерна в раствор спирта. Египтяне знали еще в 2000 году до н.э., что брожение дает как опьяняющее вещество (этанол), так и уксусную кислоту. Греки использовали «zyme» (дрожжи) для пористости в хлебе (из-за углекислого газа) и превращения винограда в вино.

Алхимия

Алхимия, развившаяся в Европе в средние века, положила начало накоплению фактического материала о составе наиболее сложных природных соединений. Хотя в европейской алхимии возникли медицинская и фармацевтические отрасли, в то время в науке господствовали неверные представления (герметизм, кабала и т.п.), и это стало препятствием для возможности выделить какие-либо фактические данные.[2]

Ятрохимия

Ятрохимия — это дальнейшее развитие воззрений алхимиков в эпоху позднего Возрождения (XVI—XVII вв). Одним из виднейших представителей ятрохимии был известный немецкий философ и врач Парацельс (Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенхайм), учение которого впервые предполагало тесную связь химии с медициной. Он считал, что именно химические процессы лежат в основе жизнедеятельности организма, а причиной заболеваний является нарушение химических реакций. Поэтому и для лечения, соответственно, следует использовать химические вещества. Парацельс также развил представление о дозировке лекарственных веществ.[3] Ятрохимия способствовала сближению химии и медицины.

Кроме этого, в средневековье возникло и учение Жана Батиста ван Гельмонта о наличии в «соках» живого тела особых веществ – «ферментов», участвующих в разнообразных химических превращениях. Rom Harré предполагает, что таким образом идея ван Гельмонта была «очень близка к нашей современной концепции фермента».[4]

Однако, все-таки, ятрохимия не смогла правильно объяснить химических процессов, которые обуславливают жизнедеятельность, ведь в то время не было еще даже сформулирвано основных законов физики и химии, анализ органических соединений не был разработан.

Теория флогистона

Теория флогистона — горючего начала — развита немецким врачом и химиком Георгом Эрнстом Шталем уже в Новое время (XVII—XVIII вв). Теория получила широкое признание среди ученых, развивающих экспериментальное направление в химии, хотя и была ошибочной. Нужно отдать должное этой попытке обобщить множество реакций, так как в принципе, это была первая теория в химии. Флогистон представляли как некую «сверхтонкую материю», «огненную субстанцию», то есть невесомый флюид, улетучивавшийся из вещества при сжигании.[5] Позже эту теорию опроверг французский естествоиспытатель Антуан Лоран Лавуазье, который считается основателем современной химии. Он показал, что что при дыхании, как и при горении органических веществ, поглощается кислород и выделяется углекислый газ (кислородная теория горения).

Аналитический период (конец XVIII — середина XIX в.)

Новое время характеризуется открытием и изучением новых органических веществ. Аналитический период ознаменован исследованиями по установлению состава веществ. Именно в этот период было установлено, что все органические соединения содержат углерод. На основании работ М. В. Ломоносова и А. Лавуазье, открывших закон сохранения массы, в химии получили развитие количественные методы химического анализа.

Исследования ферментов

Исследования известного итальянского натуралиста и физика Ладзаро Спалланцани по физиологии пищеварения положили начало изучению ферментов пищеварительных соков.[6] Он впервые интерпретировал процесс пищеварения, как не просто механический процесс растирания и измельчения пищи, но и как химические превращения, имеющие место главным образом в желудке, под действием желудочного сока.

Русский химик Константин Сигизмундович Кирхгоф в 1812 г. описал ферментативный процесс осахаривания крахмала под влиянием вытяжки из проросших семян ячменя.[7] Позднее были описаны и другие ферменты: амилаза слюны, пепсин желудочного сока, трипсин сока поджелудочной железы.

Витализм

Витализм по своей сути являлся метафизическим мировоззрением. В принципе, такое мировоззрение было и у алхимиков, и у ятрохимиокв, и у сторонников теории флогистона. Однако, полноценно сформировался витализм в данный период, и он представлял собой философскую концепцию, сторонники которой, виталисты, предполагали существование в организме особой нематериальной «жизненной силы». Успехи в выделении большого числа органических веществ из растительных и животных организмов они использовали для подтверждения вывода о возникновении этих веществ только при участии «жизненной силы».

Синтез органических веществ

Немецкий химик Фридрих Вёлер в 1828 г. случайно получил химическим путем один из конечных продуктов азотистого обмена у человека и животных, мочевину, и и тем самым нанёс удар по витализму.[8]

Структурный период (вторая половина XIX — начало XX в.)

Синтез органических веществ

Окончательному падению витализма способствовали синтез уксусной кислоты, который осуществил немецкий химик-органик Адольф Вильгельм Герман Кольбе, доказательство возможности синтеза жиров, которое привел французский физико-химик Пьер Эжен Марселен Бертло, синтез углеводов Александром Михайловичем Бутлеровым.[9][10][11] Эти работы неопровержимо продемонстрировали ошибочность и необоснованность виталистических представлений.

Исследования брожения

Многочисленные попытки Луи Пастера и других исследователей подготовить бесклеточные экстракты из дрожжевых грибков терпели неудачу, поэтому они считали, что «жизненная сила» действительно была необходима для брожения. Их оппонентом был автор чисто химической теории брожения, Ю. Либих, однако его теория была недостаточно разработана, имела умозрительный характер и не полностью объясняла ряд экспериментально установленных фактов. Биохимические исследования внеклеточной ферментации доказали возможности брожения, не связанного с грибками. Известны исследования, которые проводились русской женщиной-врачом Марией Михайловной Манасеиной, а немецкий ученый-биохимик Эдуард Бухнер доказав способность бесклеточного дрожжевого сока вызывать алкогольное брожение, получил нобелевскую премию.[12][13] Работа Бюхнера заложила основу для такой области биохимии, как исследования «in vitro», что явилось краеугольным камнем для многочисленных достижений в этой области медицинской науки.

Как это часто бывает в экспериментальной науке, такой как биохимия, несколько произвольно выбранных решений сделали успешными работы Бюхнера. Во-первых, в то время как Пастер использовал стекло для измельчения дрожжей и выделения ферментационных «соков», Бюхнер предпочел использовать кварц, смешанный с диатомовой землей (кизельгуром). Дело оказалось в том, что, во первых, стекло, с которым соприкасались дрожжевые белки, инактивировало их из-за щелочной реакции. Во-вторых, после попытки использования различных консервантов для предотвращения коагуляции Бюхнер решил использовать 40 % раствор сахарозы, не понимая в то время, что это обеспечит необходимую глюкозу для спиртового брожения. Наконец, Бухнер использовал штамм дрожжей Saccharomyces cerevisiae, предоставленный местным пивоваренным заводом в Мюнхене, и этот штамм оказался намного лучше, чем штаммы дрожжей, доступные в Париже, где Пастер проводил свои эксперименты несколько лет назад. Хотя может показаться, что выполнение Бухнером алкогольной ферментации «in vitro» было результатом удачи, его оптимизированный протокол был разработан только после многих неудачных попыток. Систематический подход Бюхнера к решению проблемы неактивных бесклеточных экстрактов является классическим примером экспериментальной биохимии.

Другие значимые исследования

Шведский химик и минералог Йёнс Якоб Берцелиус ввел в химию термины "полимер", "изомер", "аллотропный", понятие о катализе и катализаторах, к числу последних были отнесены все известные в то время ферменты.[14] Немецкий учёный Юстус фон Либих внёс значительный вклад в развитие органической химии и выяснил, что в состав пищи входят белки, жиры и углеводы, являющиеся главными составными частями животных и растительных организмов.[15]

Теория строения органических соединений

Основоположником теория строения органических соединений явился русский ученый А. М. Бутлеров, который ввел понятие о химическом строении как последовательности межатомных связей в молекуле. В основе его теории лежит положение о зависимости свойств соединений от их химического строения. В этой теории также заложена идея о взаимном влиянии как соседних, так и не связанных атомов в молекуле. Опираясь на положения теории строения, А. М. Бутлеров дал объяснение явлению изомерии, предсказал существование изомеров и впервые получил некоторые из них. Теория Бутлерова явилась научным фундаментом органической химии и способствовала быстрому ее развитию. В конце XIX — начале XX в. органическая химия стала основой многих отраслей промышленности — анилинокрасочной, коксохимической, производства взрывчатых веществ, медикаментов.[11]

История развития биохимии в России

В России первый учебник физиологической химии был издан А.И. Ходневым (1847). Во второй половине XIX в. на медицинских факультетах многих русских и зарубежных университетов были учреждены специальные кафедры медицинской, или физиологической, химии. В России первые кафедры медицинской химии были организованы в 1863 г. в Казанском университете А.Я. Данилевским и в Московском университете А.Д. Булыгинским. В 1892 г. начала функционировать кафедра физиологической химии в Военно-медицинской (Медико-хирургической) академии в Петербурге. Эту кафедру возглавлял А.Я. Данилевский. Создание кафедр физиологической химии в высших учебных заведениях было обусловлено тем, что во второй половине XIX в. биологическая химия стала выделяться в самостоятельную науку, имеющую свой предмет и методы исследования.[16]

Современный период (с начала XX в.)

Этот период прежде всего характеризуется активным внедрением в биохимию физико-химических методов, что привело не только к резкому ускорению исследований, но главным образом к получению качественно новой информации, углубляющей представления о строении и свойствах веществ. Следуя примеру Бухнера, биохимики на протяжении большей части XX века сосредоточились на систематическом разборе каждой из химических реакции, необходимой для жизни клетки. «Ранние» биохимики выяснили многие метаболические пути — функционально связанные химические реакции в клетках.

Изучение ДНК

До 40-х годов XX века большинство биохимиков считали, что белки, а не ДНК, являются ключевыми биомолекулами, которые кодируют генетическую информацию о жизни, передавая ее от одного поколения к другому. Это обосновывалось тем, что белки более химически сложны, чем нуклеиновые кислоты: они состоят из 20 различных аминокислот по сравнению с четырьмя различными нуклеотидными основаниями в ДНК. Однако в 1940-х и 1950-х годах эксперименты с использованием бактерий и бактериальных вирусов показали, что одной ДНК достаточно для передачи генетической информации.

Примерно в это же время был разработан метод, основанный на дифракции рентгеновских лучей, который позволил биохимикам собирать данные, которые можно было бы использовать для построения молекулярных моделей, отражающих расположение атомов. Несколько лабораторий начали собирать данные дифракции с использованием очищенной ДНК.

История биохимии:ДНК
Рентгеновский снимок ДНК Р. Франклин

Одни из лучших рентгеновских снимков были собраны Розалинд Франклин, химиком Королевского колледжа в Лондоне (Англия), которая использовала ДНК тимуса теленка, готовя очень тонкие волокна ДНК.

В 1952 году опубликована информация, что одной ДНК из бактериального вируса достаточно для стимулирования репликации вируса в инфицированных клетках. После этого началось интенсивное изучение структуры ДНК; основными конкурентами были известный американский биохимик Линус Полинг и биохимики Кембриджского университета в Англии. Понимая, что рентгеновские снимки ДНК Франклин может помочь в решении этой проблемы, Морис Уилкинс, сотрудник Франклин, поделился этими данными с Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком в Кембридже. Уотсон и Крик использовали данные Франклин, а также другую информацию о химических свойствах ДНК (содержание воды в волокнах ДНК, соотношения нуклеотидных оснований), чтобы построить проволочную модель двойной спирали ДНК. 28 февраля 1953 года они поняли, что нуклеотидные основания позиционируются вдоль двойной спирали ДНК (Полинг предлагал тройную спираль ДНК), и это может объяснить, как генетическая информация копируется клеточным аппаратом и передаётся дочерним клеткам.

Проволочная модель ДНК
Проволочная модель ДНК Джеймса Уотсона и Фрэнсиса Крика (Музей науки, Лондон)

Биохимия стремительно развивалась 1970-х годах, когда были разработаны методы влияния на дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) на основе экспериментального подхода, которые стали известны как технологии рекомбинантной ДНК. Эта достижение привело к созданию в 1977 году первой биотехнологической компании, которая позже продолжила использовать технологию рекомбинантной ДНК для производства человеческого инсулина в бактериях.

Следующие 20 лет были взрывным временем для биохимических исследований и разработки более сложных биохимических инструментов. Ученые достигли огромных успехов в очистке белков и в определении их структуры в результате новой измерительной аппаратуры и вычислительных мощностей.

Настоящее время

В настоящее время в биохимии для объяснения ряда сложных явлений используются квантово-механические представления; химический эксперимент все больше сочетается с использованием физических методов; возросла роль различных расчетных методов. Фундаментальными направлениями научных исследований в биохимии и молекулярной биологии в современный период являются генетическая инженерия и биотехнология. Научный поиск ставит своей целью создание и производство лекарственных средств (гормонов, ферментов, антител, пептидов, и др.), а также решение ряда важных проблем, таких как пренатальная диагностика болезней, исследование молекулярно-биологических механизмов канцерогенеза, разработка и внедрение новых биокатализаторов, генотерапия.

Горизонты биохимии

Можно наметить следующие главные направления развития исследований в области биохимии на ближайшую и отдаленную перспективу:

  • Организация и механизм функционирования генома;
  • Регуляция действия ферментов и теория энзиматического катализа;
  • Процессы узнавания на молекулярном уровне;
  • Молекулярные основы соматических и наследственных заболеваний человека;
  • Молекулярные основы злокачественного роста;
  • Молекулярные основы иммунитета;
  • Молекулярные механизмы памяти;
  • Биосинтез белка;
  • Дифференцировка клеток высших организмов (эукариот);
  • Биологические мембраны и биоэнергетика.

Примечания

  1. Roger L. Miesfeld, Megan M. McEvoy. Biochemistry. W W NORTON & Company Incorporated, 2017 - 1344P
  2. Nicholas Goodrick-Clarke. The Western Esoteric Traditions: A Historical Introduction. Oxford University Press. 2008 p.60
  3. Webster, Charles. Paracelsus: Medicine, Magic and Mission at the End of Time. New Haven: Yale UP, 2008. Print.
  4. Harré, Rom (1983). Great Scientific Experiments. Oxford: Oxford University Press. pp. 33–35. ISBN 0192860364.
  5. James Bryan Conant, ed. The Overthrow of Phlogiston Theory: The Chemical Revolution of 1775—1789. Cambridge: Harvard University Press (1950), 14
  6. Spallanzani, Lazzaro. Dissertazioni di fisica animale e vegetabile. presso la Società tipografica, 1780 AD. [Available in the BEIC digital library]
  7. Кирхгоф, К. С. О приготовлении сахара из крахмала. Технологический журнал, 1812, 9 (1) : 3–26.
  8. Wöhler, Friedrich. Ueber künstliche Bildung des Harnstoffs. Annalen der Physik und Chemie, 1828, 88 (2): 253–256. doi:10.1002/andp.18280880206
  9. Hermann Kolbe. Ueber Synthese der Salicylsäure. Annalen der Chemie und Pharmacie, 1860, 113 (1): 125–127. doi:10.1002/jlac.18601130120
  10. Graebe, O. Marcelin Berthelot. Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 1908. 41: 4805. doi:10.1002/cber.190804103193
  11. 11,0 11,1 Орлов Н.А. А. М. Бутлеров и его значение в современной химии. Природа — 1928. — № 12.
  12. Marie von Manassein. Zur Frage von der alkoholischen Gährung ohne lebende Hefezellen Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft, 1897, 30(3), 3061-3062.
  13. Buchner’s Nobel Lecture Cell Free Fermentation
  14. Храмов Ю. А. Берцелиус Йенс Якоб // Физики: Биографический справочник / Под ред. А. И. Ахиезера. — Изд. 2-е, испр. и дополн. — М.: Наука, 1983. — С. 31. — 400 с
  15. Royal Society of London. [Obituary Notices of Fellows Deceased] Proceedings of the Royal Society of London (1854–1905), January 1, 1875, vol 24, p xxvii-xxxvii
  16. Березов Т. Т., Коровкин Б. Ф. Биологическая химия: Учебник.– 3-е изд., перераб. и доп.– М.: Медицина, 1998.– 704 с.: ил. ISBN 5-225-02709-1

См. также