Биохи́мия (биологи́ческая, или физиологи́ческая хи́мия, хими́ческая биоло́гия) — наука о химическом составе живых клеток и организмов, а также о лежащих в основе их жизнедеятельности химических процессах. Термин «биохимия» эпизодически употреблялся с середины XIX века, в классическом смысле он был предложен и введён в научную среду в 1903 году немецким химиком Карлом Нейбергом.
Биохимия — сравнительно молодая наука, которая находится на стыке биологии и химии.
История развития
Как самостоятельная наука биохимия сформировалась примерно 100 лет назад, однако биохимические процессы люди использовали ещё в глубокой древности, не подозревая, разумеется, об их истинной сущности. В самые отдалённые времена уже была известна технология таких основанных на биохимических процессах производств, как хлебопечение, сыроварение, виноделие, выделка кож. Необходимость борьбы с болезнями заставляла задумываться о превращениях веществ в организме, искать объяснения целебным свойствам лекарственных растений. Использование растений в пищу, для изготовления красок и тканей также приводило к попыткам понять свойства веществ растительного происхождения. Древние мыслители рассуждали о том, какую роль играют воздух и пища в жизнеобеспечении живых существ, о том что вызывает процесс броженияЗубаиров Д. М. Вехи истории первой кафедры медицинской химии и физики в России (2007) .
Персидский учёный и врач X века Авиценна в своей книге «Канон врачебной науки» подробно описал многие лекарственные веществаАвиценна «Канон врачебной науки» .
В XVII веке ван Гельмонт ввёл в обиход термин фермент для обозначения химического реагента участвующего в процессе пищеварения.
XVIII век ознаменовался трудами М. В. Ломоносова и А. Л. Лавуазье. На основе открытого ими закона сохранения массы веществ и накопленных к концу столетия экспериментальных данных, была объяснена сущность дыхания и исключительная роль в этом процессе кислорода.
Изучение химии жизни уже в 1827 г. привело к принятому до сих пор разделению биологических молекул на белки, жиры и углеводы. Автором этой классификации был английский химик и врач Уильям ПраутWilliam Prout. В 1828 году немецкий химик Ф. Вёлер синтезировал мочевину: сначала — из циановой кислоты и аммиака (выпариванием раствора образующегося цианата аммония), а позже в этом же году — из углекислого газа и аммиака. Тем самым впервые было доказано, что химические вещества живого организма могут быть синтезированы искусственно, вне организма. Работы Вёлера нанесли первый удар по теориям представителей школы виталистов, предполагавших присутствие во всех органических соединениях некой «жизненной силы». Последующими мощными толчками в этом направлении химии явились лабораторные синтезы липидов (в 1854 году — М. Бертло, Франция) и углеводов из формальдегида (1861 — А. М. Бутлеров, Россия). Бутлеровым была также разработана теория строения органических соединений.
Новый толчок развитию биологической химии дали работы по изучению брожения, инициированные Луи Пастером. В 1897 г. Эдуард Бухнер доказал, что ферментация сахара может происходить в присутствии бесклеточного дрожжевого экстракта, и это процесс не столько биологический, сколько химический. На рубеже XIX и XX веков немецкий биохимик Э. Фишер сформулировал основные положения пептидной теории строения белков, установил структуру и свойства почти всех входящих в их состав аминокислот. Но лишь в 1926 г. Джеймсу Самнеру удалось получить первый чистый фермент, уреазу, и доказать, что фермент — это белок.
Биохимия стала первой биологической дисциплиной с развитым математическим аппаратом благодаря работам Холдейна, Михаэлиса, Ментен и других биохимиков, создавших ферментативную кинетику, основным законом которой является уравнение Михаэлиса-Ментен.
В 1928 г Фредерик Гриффит впервые показал, что экстракт убитых нагреванием болезнетворных бактерий может передавать признак патогенности не опасным бактериям. Исследование трансформации бактерий в дальнейшем привело к очистке болезнетворного агента, которым, вопреки ожиданиям, оказался не белок, а нуклеиновая кислота. Сама по себе нуклеиновая кислота не опасна, она лишь переносит гены, определяющие патогенность и другие свойства микроорганизма. В 1953 году американский биолог Дж. Уотсон и английский физик Ф. Крик опираясь на работы М. Уилкинса и Р. Франклин описали структуру ДНК — ключ к пониманию принципов передачи наследственной информации. Это открытие означало рождение нового направления науки — молекулярной биологии.
В 1958 Джордж Бидл и Эдуард Тейтем получили Нобелевскую премию за работу проведённую на грибах, выводом которой стала гипотеза «один ген — один фермент» . В 1988 Колин Питчфорк стал первым человеком, осуждённым за убийство на основе доказательств, полученных в результате ДНК-дактилоскопии доказательств, и первым преступником, пойманным в результате массового применения процедуры дактилоскопии. Из последних вех в развитии биохимии следует отметить получение Эндрю Файером и Крейгом Мелло Нобелевской премии по физиологии и медицине за «открытие РНК-интерференции — эффекта гашения активности определённых генов»Andrew Fire, Siqun Xu, Mary K. Montgomery, Steven A. Kostas, Samuel E. Driver und Craig C. Mello: Potent and specific genetic interference by double-stranded RNA in Caenorhabditis elegans. In: Nature. Band 391, 1998, S. 806—811, PMID 9486653 PDF , а также технология редактирования генома с помощью Crisp/Cas9 метода.
Смежные дисциплины Возникнув как наука о химии жизни в конце XIX века, чему предшествовало бурное развитие органической химии, биохимия отличается от органической химии тем, что исследует только те вещества и химические реакции, которые имеют место в живых организмах, прежде всего в живой клетке. Согласно этому определению, биохимия охватывает также многие области клеточной биологии и включает в себя молекулярную биологиюР. Марри и др. Биохимия человека. Т. 1. — М., 1993. — с. 10.. После выделения последней в особую дисциплину, размежевание между биохимией и молекулярной биологией в основном сформировалось как методологическое и по предмету исследования. Молекулярные биологи преимущественно работают с нуклеиновыми кислотами, изучая их структуру и функции, в то время как биохимики сосредоточились на белках, в особенности на ферментах, катализирующих биохимические реакции. В последние годы термины «биохимия» и «молекулярная биология» часто используются как синонимы.
Разделы биохимии Статическая биохимия (Биоорганическая химия) — наука о химическом составе организмов и структур составляющих их молекул (белков, аминокислот, нуклеиновых кислот, нуклеотидов, углеводов и их производных, липидов, витаминов, гормонов). Её основные объекты — биополимеры, превращения которых составляют химическую сущность биологических процессов, и биорегуляторы, которые химически регулируют обмен веществ. Биохимия аминокислот — наука о химическом составе аминокислотМайстер А. Биохимия аминокислот : [монография] / Под ред. и с предисл.: А. Е. Браунштейн; пер. с англ.: Г. Я. Виленкина — М.: Иностр. лит., 1961 . — 530 с.. Биохимия белков — наука о химическом составе белковСинютина С. Е. Биохимия белков и ферментов. — Тамбов: ТГУ им. Г. Р. Державина, 2010.. Биохимия ферментов — наука о химическом составе ферментовХимия и биохимия ферментов: [Сб. статей]. — К.: Наук. думка, 1981. — 90 с.: ил.; 26 см. — (Биохимия животных и человека : Респ. межвед. сб. / АН УССР, Ин-т биохимии им. А. В. Палладина; Вып. 5).. Биохимия углеводов — наука о химическом составе углеводовХимия и биохимия углеводов: Учеб. пособие. — Владивосток : Изд-во ДВГАЭУ, 1999. — 56 с.. Биохимия нуклеиновых кислот — наука о химическом составе нуклеиновых кислотДэвидсон Дж. Биохимия нуклеиновых кислот / Пер. с англ. к. ф.-м. н. В. В. Борисова; Под ред. и с предисл. А. А. Баева. — М.: Мир, 1976. — 412 с.Терентьева Н. А. Химия и биохимия нуклеиновых кислот: учебное пособие. — Владивосток: Дальнаука, 2011. — 268 с.. Биохимия нуклеотидов — наука о химическом составе нуклеотидовСтепаненко Б.Н. Химия и биохимия углеводов (полисахариды): Учеб. пособие для вузов. — М.: Высш. Школа, 1978. — 256 с.Соболев А. С. Радиационная биохимия циклических нуклеотидов. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 100 с.. Биохимия липидов — наука о действии липидов, их биологических эффектах, биохимических нарушениях при недостатке или избытке в организмеПрепаративная биохимия липидов / [Л. Д. Бергельсон, Э. В. Дятловицкая, Ю. Г. Молотковский и др.; Отв. ред. Л. Д. Бергельсон, Э. В. Дятловицкая]. — М.: Наука, 1981. — 259 с.. Биохимия витаминов — наука о действии витаминов, их биологических эффектах, биохимических нарушениях при недостатке или избытке в организмеИваненко Е. Ф. Биохимия витаминов: [Учеб. пособие для биол. специальностей вузов]. — К.: Вища школа, 1970. — 210 с.Биохимия витаминов : учебно-методическое пособие для студентов / А. И. Конопля, Н. А. Быстрова. Курск: КГМУ, 2012.. Биохимия гормонов — наука о действии гормонов, их биологических эффектах, биохимических нарушениях при недостатке или избытке в организмеБиохимия гормонов и гормональной регуляции: монография / [С. А. Афиногенова, А. А. Булатов, В. Н. Гончарова и др.; Отв. ред. акад. Н. А. Юдаев]. — М.: Наука, 1976. — 379 с.Шушкевич Н. И. Биохимия гормонов : учебное пособие по медицинской биохимии. — Владимир: Изд-во ВлГУ, 2009. — 67 с.. Динамическая биохимия — изучает химические реакции, представляющие обмен веществ (метаболизм), а именно пути превращения молекул и механизмы происходящих между ними реакцийГофман Э. Г. Динамическая биохимия / Пер. с нем. канд. мед. наук А. И. Арчакова и канд. мед. наук В. М. Девиченского; Под ред. и с предисл. д-ра мед. наук проф. Л. Ф. Панченко. — М.: Медицина, 1971. — 311 с.Динамическая биохимия: учебное пособие / [В. Е. Толпекин и др.]. — М.: Изд-во МАИ-Принт, 2011. — 71 с.. Молекулярная биология — наука, ставящая своей задачей познание природы явлений жизнедеятельности путём изучения биологических объектов и систем на уровне, приближающемся к молекулярному, а в ряде случаев и достигающем этого предела. Биоэнергетика — раздел динамической биохимии, который изучает закономерности образования, аккумуляции и потребления энергии в биологических системах. Функциональная биохимия — раздел биохимии, изучающий химические превращения, лежащие в основе функций органов, тканей и организма в целомГомазков О. А. Функциональная биохимия регуляторных пептидов: монография. — М.: Наука, 1992. — 159, с.. Биохимия микроорганизмов (Биохимия бактерий) — наука о составе и превращениях веществ в микроорганизмахНеверова О. А. Биохимия микроорганизмов: учебное пособие: для студентов вузов / О. А. Неверова; Федер. агентство по образованию, Кемер. технол. ин-т пищевой пром-ти. — Кемерово: КемТИПП, 2005. — 83 с.. Биохимия растений — наука о молекулярных процессах, происходящие в растительном организме Клетович В. Л. Биохимия растений: Учебник. 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 1986. — 503 с.. Биохимия животных — наука о молекулярных процессах, протекающих в клетках живых организмовРогожин В. В. Биохимия животных: Учебник. — СПб.: ГИОРД, 2009. — 552 с: ил. ISBN 978-5-98879-074-7. Биохимия человека — это раздел биохимии, который изучает закономерности обмена веществ в человеческом организмеБиохимия человека: [Учеб.]: В 2 тт. / Р. Марри, Д. Греннер, П. Мейес, В. Родуэлл; Пер. с англ. к. ф.-м. н. В. В. Борисова и Е. В. Дайниченко Под ред. д. х. н. Л. М. Гинодмана. — М. : Мир, 2004.. Биохимия крови — наука о закономерностях обмена веществ в крови человекаНаточин Ю. В. Биохимия крови и диагностика / Клинич. б-ца РАМН. — СПб. : Б. и., 1993. — 149 с.Барышева Е. С. Биохимия крови : лабораторный практикум/ Барышева Е. С., Бурова К. М. — Электрон. текстовые данные. — Оренбург: Оренбургский государственный университет, ЭБС АСВ, 2013. — 141 c..