Biochemia - nauka o składnikach chemicznych organizmów żywych i procesach, którym podlegają. Zajmuje się budową organizmów i ich funkcjami w kategoriach molekularnych. Podstawowe pytania, na jakie stara się odpowiedzieć są związane z następującymi zagadnieniami:

• struktura chemiczna składników materii ożywionej

• ich wzajemne oddziaływanie (np. w obrębie błonbiologicznych)

• pozyskiwanie energii niezbędnej do podtrzymania procesów życiowych

• komunikowanie się komórki z otoczeniem - z innymi komórkami, organizmami i otoczeniem zewnętrznym

• procesy chemiczne towarzyszące wzrostowi, reprodukcji, starzeniu się i śmierci komórki

• integracja i regulacja procesów biochemicznych

Krótka historia biochemii

Początki biochemii sięgają końca XVIII w. Dwoma głównymi jej korzeniami były: 1) powstająca w tym czasie chemia organiczna; 2) rozwijająca się w związku z rozwojem medycyny od XVII w. tzw. chemia fChemia organiczna W tym czasie chemia organiczna utożsamiana była z chemią związków naturalnych. Dopiero w 1828 r. niemiecki chemik F. Wohler zsyntetyzował pierwszą substancję organiczną: mocznik (z amoniaku i cyjanku ołowiu).

NH₄NCO → H₂N-CO-NH₂

Nadal uważano jednak, że w komórkach żywych związki organiczne wytwarzane są przy udziale specyficznej ,,siły życiowej". Dopiero w 1897 r. H. I E. Wichnerowie wykazali, że nie tylko drożdże są w stanie przeprowadzać fermentacje alkoholową, ale może zachodzić ona także w bezkomórkowych ekstraktach z drożdży (zawierających enzymy odpowiedzialne za ten proces). Pierwszy enzym wyodrębniony został w 1926 r. przez Sanberga, który otrzymał krystaliczną ureazę (enzym rozszczepiający mocznik do amoniaku i \ce{CO2}) z nasion fasoli. Wykazał on jednocześnie, że jest ona białkiem; do tej pory sądzono, że co prawda w skład enzymów wchodzą białka, ale stanowią tylko nieaktywną matrycę, a rzeczywistą funkcje biokatalityczną pełnią substancje drobnocząsteczkowe rozmieszczone na tej białkowej matrycy.

Chemia fizjologiczna Dosyć wcześnie stwierdzono, że skład chemiczny płynów ustrojowych (ślina, osocze krwi, mocz, pot) zmienia się w związku z różnymi procesami chorobowymi. Znalazło to zastosowanie w diagnostyce wielu chorób, np. obecność cukru w moczu świadczy o cukrzycy. W ostatnim czasie nastąpił szczególny postęp w tej dziedzinie (np. oznaczanie enzymów, wykrywanie wirusowego DNA, markery molekularne chorób nowotworowych).

Termin biochemia

Po raz pierwszy terminu biochemia użył Neuberg w 1903 r., a upowszechnił się on w latach 30 XX w.. W początkowych latach (do lat 40. lub połowy 50. XX w.) biochemia rozwijała się w związku z chemią - katedry biochemii (chemii biologicznej) funkcjonowały na wydziałach chemicznych. Przez długi czas biologowie negowali bowiem znaczenie biochemii w naukach biologicznych, zarzucając biochemikom zbyt analityczne podejście.

Watson i Crick Przełom nastąpił w 1953 r., kiedy Watson i Crick przedstawił model struktury DNA. Pozwoliło to w ciągu następnych 10 lat (do połowy lat 60. XX w.) przedstawić i zweryfikować eksperymentalnie kolejne hipotezy dot. przechowywania i przekazywania informacji genetycznej (kod genetyczny, replikacja DNA, ekspresja informacji genetycznej).

Największe osiągnięcia biochemii

• Wyjaśnienie molekularnych mechanizmów patogenezy, pozwalające na opracowanie skutecznych leków i nowych metod leczenia (świadome dobieranie odpowiedniej substancji, a nie stosowana wcześniej w farmakologii metoda prób i błędów) np. statyny - leki stosowane w leczeniu miażdżycy

Miażdżyca jest choroba cywilizacyjną i stanowi drugą po nowotworach najczęstszą przyczynę zgonów. Jednym z głównych czynników ryzyka miażdżycy jest zbyt wysoki poziom cholesterolu we krwi (hipercholesterolemia). Istnieją dwa źródła cholesterolu we krwi: pochodzi on z pożywienia i jest syntetyzowany endogennie w wątrobie. U osób zdrowych egzo- i endogenny cholesterol pozostają w homeostazie, u chorych równowaga ta jest zaburzona. Stosuje się wtedy odpowiednia dietę, ograniczenie spożycia tłuszczów zwierzęcych, jednak to nie wystarcza ze względu na syntezę cholesterolu w organizmie. Kluczowym enzymem przeprowadzającym syntezę cholesterolu jest reduktaza 3-hydroksy-3metylobutyrylu CoA. Pewne substraty grzybowe - statyny - dzięki podobieństwu do substratu i produktu tego enzymu są bardzo silnymi, selektywnymi inhibitorami tego enzymu.

• Wyjaśnienie związku między strukturą przestrzenną molekuł (np. białek) a ich funkcją biologiczną

• Wyjaśnienie molekularnych mechanizmów regulacji hormonalnej i neurohormonalnej

• Systematyka molekularna

• Biochemia ekologiczna - oddziaływania miedzy osobnikami tego samego gatunku lub różnych gatunków (alleopatia, feromony)

Działy biochemii

• Biochemia strukturalna (statyczna): struktura składników organizmów żywych oraz metodyka oznaczania jakościowego i ilościowego tych substancji

• Biochemia metaboliczna (dynamiczna): procesy biochemiczne, ich energetyka, integracja i regulacja

• Biochemia genetyczna (genetyka molekularna): molekularne mechanizmy przechowywania, przekazywania i ekspresji informacji genetycznej

Biologia molekularna: Termin ,,biologia molekularna" powstał w II poł. lat 60. XX w. Pierwotnie określał te działy biochemii, genetyki i mikrobiologii, które nagle zetknęły się ze sobą. Funkcjonuje jednak również w szerszym zakresie, obejmując wtedy wszelkiego rodzaju badania biologiczne prowadzone na poziomie molekularnym i w tym znaczeniu do biologii molekularnej należy cała biochemia. (W tym też znaczeniu rozumiana jest specjalizacja biologia molekularna Ogólna charakterystyka metabolizmu Metabolizm komórkowy obejmuje reakcje biochemiczne zachodzące w komórce (np. w komórce E.coli znanych jest ok. 1000 reakcji, u eukariotów jeszcze więcej). Reakcje te są połączone w szlaki i cykle metaboliczne. Nie wszystkie szlaki metaboliczne są równie ważne z punktu widzenia przepływu materii i energii. Podstawowe procesy metaboliczne przebiegają we wszystkich komórkach wg bardzo podobnego schematu. (uniwersalność procesów metabolicznych) Procesy metaboliczne możemy podzielić na dwie grupy; niektórzy wyróżniają jeszcze trzecią:

• Procesy kataboliczne - degradacja składników pokarmowych, materiałów zapasowych oraz składników organizmu, które nie są w danym momencie potrzebne - często do prostych związków nieorganicznych (CO₂, H₂O, amoniak, H₂S). Cel:

• pozyskiwanie energii niezbędnej do przeprowadzania procesów życiowych (do syntez, pracy osmotycznej, pracy mechanicznej)

• pozyskiwanie substancji drobnocząsteczkowych stanowiących uniwersalne jednostki budulcowe (np. aldehyd 3-fosfoglicerynowy, acetyloCoA, pirogronian)

• Procesy anaboliczne - procesy syntezy własnych cząsteczek o charakterze strukturalnym, zapasowym, transportowym, enzymatycznym, regulacyjnym, informacyjnym. Wymagają nakładu energii (sumarycznie, poszczególne etapy mogą dostarczać energii).

• Procesy amfiboliczne - to procesy odwracalne. W pewnych warunkach fizjologicznych mogą przebiegać katabolicznie, w innych anabolicznie.

Związki wysokoenergetyczne

Związki wysokoenergetyczne - zawierają rozszczepialne/labilne wiązania, których rozszczepienie/rozpad powoduje wydzielenie energii w ilości do najmniej -30kJ/mol.

• Adenozynotrifosforan

ATP = adenozynotrifosforan = trifosforan adenozyny

Budowa cząsteczki:

• adenina + ryboza + 3 reszty kwasu ortofosforowego: α, β i γ (przyłączone liniowo do grupy -OH przy węglu C5 rybozy)

• 2 wiązania wysokoenergetyczne między terminalnymi grupami fosforanowymi

ATPRozkład ATP następuje na dwa sposoby:

	ATP-azy
ATP + H2O	->	ADP + Pi	Δ G^0'= -30,6 kJ/mol
ATP + H2O	->	AMP + Pii	ΔG^0'= -30,6 kJ/mol

P_ii = nieorganiczny pirofosforan - tez zawiera wiązanie wysokoenergetyczne, np. u roślin może być wykorzystywany do napedzania pomp protonowych ATP ma duży potencjał przenoszenia reszt fosforanowych - chętnie oddaje terminalną resztę fosforanową. Inne nukleozydotrifosforany (NTP):

• GDP - translacja i synteza białek

• CTP - przemiany lipidów

• UTP - metabolizm cukrowców

NTP pozostają w równowadze z ATP, zgodnie z reakcją: NDP + ATP → (kinazy NTP-azowe) NTP + ADP, na przykład GDP + ATP → GTP + ADP .

W każdym momencie życia w ciele człowieka o wadze 70kg znajduje się zaledwie kilka gramów ATP, ale organizm wytwarza ponad 40kg ATP na dobę. Cząsteczki ATP żyją bardzo krótko, ich okres półtrwania wynosi ok. 0,5 min.

• Mieszane bezwodniki, np. 1,3-bisfosfoglicerynian

1,3-bisfosfoglicerynian

• Fosforany enoli, np. fosfoenolopirogronian

Fosfoenolopirogronian

• Fosforany guanidyn, np. fosfokreatyna

Fosfokreatyna

• Trioestry, np. acetyloCoA, ogólniej acyloCoA

• AcetyloCoA

---