История и современные тенденции развития биохимических исследований

Само название дисциплины «биохимия» говорит о соединении двух начал — биологии и химии. Каждая из этих наук имеет глубокие корни. Из дошедших до пас документов известно имя Алкмеона, который в VI в. до н. э. описал развитие цыпленка внутри яйца, нервы глаза и тонкие трубочки, соединяющие среднее ухо с глоткой. Следующие поколения анатомов упустили из виду эту информацию и заново открывали ее через две тысячи лет.

Гораздо большую известность получило имя Гиппократа, жившего спустя полтора века после Алкмеона. Основанная Гиппократом медицинская школа пережила его на столетия. В представлении Гиппократа организм сам имеет корректирующие устройства, позволяющие ему работать. Главное — не навреди. Содержи тело в чистоте, питайся простой и здоровой пищей, избегай излишеств.

Одним из самых знаменитых анатомов нашей эры стал Леонардо да Винчи (1452—1519), который делал рассечения животных и человека и, самое главное, умел их художественно иллюстрировать.

После открытия книгопечатания, в 1543 г. была опубликована книга бельгийского анатома Андреаса Везалия «О структуре человеческого тела». Она была проиллюстрирована учеником Тициана Яном Стивенсоном Ванкалкаром. Хотя многие авторитеты того времени восприняли этот труд как еретический, книга демонстрировала не воображаемые, а реальные формы и устройство органов.

Примерно в то же время итальянский анатом Бартоломео Еустахио (1500—1574) вновь открыл узкие трубочки, ведущие от уха к горлу, описанные Алкмеоном, но известные теперь как евстахиевы трубы.

Многие термины, которыми мы пользуемся сейчас, имеют корни в анатомических исследованиях. В том, что сердце — насос, качающий кровь, греческие врачи были правы. Но поскольку в трупах артерии обычно пусты, эти сосуды были названы воздуховодами, что на греческий переводится как артерия.

И все-таки было доказано, что артерии, как и вены, проводят кровь. Английский врач Уильям Гарвей (1578—1657) провел уникальный эксперимент.

Зная, что кровь выходит из сердца через артерии и не может возвращаться обратно из-за сети односторонних клапанов, он перевязал артерию, и ее сторона, направленная к сердцу, переполнялась кровыо. Если перевязывал вену, то кровью переполнялась сторона, направленная от сердца. Из этого следовал вывод, что поток крови не прекращается и движется в одном направлении. Далее он рассчитал количество крови, перекачиваемое сердцем, за единицу времени. Это было революционное исследование для того периода. Во-первых, Гарвей не ограничился только анатомическими подробностями в описании сосудов, связанных с сердцем, а использовал экспериментальный метод. Во-вторых, применил математические знания в области биологии. И в-третьих, сделал абсолютно грамотный вывод по результатам своего эксперимента, а в 1628 г. опубликовал книгу «О движениях сердца и крови».

Именно в эти годы итальянец Галилео Галилей (1564—1642) призывал к внедрению экспериментальных методов в науку. В развитии науки начался новый период. До того времени прогресс в области биологии и химии существовал, но находился, пожалуй, ближе к состоянию анабиоза.

Первый эксперимент на границе биологии и химии проведен фламандским химиком Яном Батистом ван Хельмонтом (1577—1644). Он взвесил почву и стал выращивать на ней дерево, которое поливал. За пять лет масса растения увеличилась на 74 кг, а масса почвы уменьшилась только на 60 г. На основании этого ван Хельмонт сделал вывод о том, что основным веществом для увеличения организма растения служила вода. Ирония судьбы заключалась в том, что именно ван Хельмонт открыл газ, который назвал «духом дерева». Как выяснилось позднее, этот газ — диоксид углерода, являлся основным веществом для синтеза различных структур растительных организмов. Но, несмотря на ошибочный вывод, эксперимент ван Хельмонта положил начало химии живых организмов, т. е. биохимии.

Большой вклад в развитие биохимии внесла физика, например эксперименты Галилея, которые он проводил с телескопом. Подобные приборы — микроскопы (от греч. «видеть малое») были разработаны для рассмотрения невидимого глазом.

Теперь удалось рассмотреть сосуды, которые, как предполагал Гарвей, соединяют артерии и вены. Эти сосуды назвали капиллярами (от лат. «волосоподобный»). Английский ученый Роберт Гук (1635—1703) рассматривал в микроскоп растительные объекты. В 1665 г. он опубликовал книгу «Микрография» с собственными иллюстрациями. Именно Р. Гук впервые ввел термин «клетка».

Голландский торговец Антони ван Левенгук (1632—1723), для которого микроскопия была только увлечением, увидел в застойной воде из канавы мельчайшие существа, обладающие признаками жизни животных. За что они получили название простейшие, или protozoa (от греч. «первые животные»). А в 1663 г., благодаря усовершенствованию линз в своем микроскопе, Левенгук увидел существа еще более мелкие, чем простейшие. Эти объекты назвали бактериями.

На протяжении XIX в. с помощью микроскопа были сделаны многие исследования в разных областях естественных наук. Они открыли огромные неизведанные ранее пласты информации в биологии и химии. Микроскоп, который есть теперь в каждом классе биологии обычной школы, позволил за короткий промежуток времени сделать качественно новый прорыв в научном познании по сравнению с предыдущей эрой, длившейся тысячелетия. Но вопросы возникновения жизни, обмена веществ и энергии, передачи наследственных свойств и многие другие оставались открытыми.

Поразительно, как иногда научная мысль может соединить, казалось бы, несовместимые понятия. Например, интенсивное изучение разных газов приоткрыло тайну обмена веществ и энергии в живом организме.

Английский ботаник и химик Стефан Хейлз (1677—1761) в экспериментах с растениями установил, что С0₉ вносит основной вклад в их питание. Почти столетие спустя другой английский химик Джозеф Пристли (1733— 1804) открыл 0₂, которым, как оказалось, легко дышится.

За этим было установлено, что растения увеличивают концентрацию 0₂ в воздухе. А голландский физиолог Жан Ингенхуз (1730—1799) доказал, что растения поглощают С0₂ и выделяют 0₂ только на свету.

Изучая состав воздуха, Антуан Лоран Лавуазье (1743—1794) обнаружил в нем два основных газа, 0₂ и N₂, и выяснил, что 0₂ поддерживает горение. Горящую свечу он поместил под купол и наблюдал, что со временем пламя гаснет, а под куполом обнаруживается новый газ, С0₇.

Практически такой же результат происходит с животным организмом. Мышь, помещенная иод купол, вдыхает 0₉ и выделяет С0₂. Когда содержание 0₂ становится минимальным, животное погибает.

Сопоставив эти эксперименты, Лавуазье сделал два важных вывода. Вопервых, дыхание — это своеобразная форма горения. И во-вторых, потребление кислорода сопровождается выделением тепла.

Тепло может совершать работу (вращать колесо, поднимать груз), и поэтому в 1807 г. английский физик Томас Янг (1773—1829) предложил для обозначения таких явлений использовать термин «энергия» (от греч. «работа, совершаемая изнутри»).

К вопросам образования энергии при окислении органических веществ вернулись лишь столетие спустя, когда стали известны структуры многих органических соединений. А вплотную к вопросам окисления веществ в живых организмах подошли только тогда, когда открыли катализаторы этих процессов — ферменты. На это еще ушло почти столетие.

В этот период в лабораторных условиях синтезированы многие органические вещества. Начало было положено немецким химиком Фридрихом Веллером (1800—1882). В 1828 г., исследуя различные цианиды, и в частности, нагревая цианат аммония, неожиданно для себя Веллер обнаружил мочевину — вещество органической природы.

Этот успех подтолкнул и других органиков. Французский химик Пьер Марселей Бертло (1827—1907) синтезировал ацетилен, бензол, метан, метанол, этанол из неорганических соединений. К середине XIX в. органический синтез активно развивался. Многие из полученных соединений были окрашенными и положили начало индустрии органических красителей.

Как это часто бывало, случайно выяснилось, что попадая на биологическую ткань, органические красители окрашивают ее неравномерно. Немецкий цитолог Вальтер Флеминг (1843—1905) обнаружил, что внутри ядра клетки есть участки, которые хорошо адсорбируют краситель и поэтому ярко выделяются на общем фоне. Он назвал этот материал хроматином.

Продолжая свои исследования, Флеминг заметил, что в процессе деления клетки из хроматина образовались короткие нитевидные тельца. Поэтому их и назвали хромосомами (от греч. «окрашенные тела»).

Так органическая химия проникла в ядро клетки. А вскоре стала известна химия важнейших биологических молекул — нуклеиновых кислот, и это один из приоритетных объектов исследования биохимии.

Как самостоятельная дисциплина биохимия оформилась к середине XIX в., после издания в 1842—1846 гг. первых учебников. В этот период биохимия отделяется от физиологии и органической химии в отдельную науку, которая дифференцируется в зависимости от объекта и цели исследования. Разрабатываются новые методы биохимического анализа, и химический состав живой материи изучается на уровне организма, органов, тканей и клеток. Параллельно исследуются закономерности синтеза и распада соединений в живых организмах при разных условиях.

Основоположником отечественной биохимии справедливо считается физиолог Александр Яковлевич Данилевский (1838—1923), создавший первую в России физиолого-химическую школу и организовавший первые кафедры физиологической химии в университетах Казани, Харькова и Военно-медицинской академии Петербурга. Им проведены фундаментальные исследования в области биохимии белков, ферментов и пищеварения. Актуальность этих трудов сохраняется и в наше время. А. Я. Данилевским разработаны основы полинентидной теории строения белков, показана коллоидная природа ферментов, разработаны адсорбционные методы выделения ферментов, которые широко применяются в современной биохимии.

Современная биохимия сформировалась на рубеже XIX—XX вв. Это результат взаимодействия обширной области знаний целого ряда естественных наук: общей биологии, цитологии, гистологии, физиологии, органической, физической, коллоидной химии и др.

Успехи в развитии динамической биохимии связаны с работами известного физиолога Ивана Михайловича Сеченова (1829—1905) по химии дыхания и влиянии на эти процессы различных внешних факторов, включая питание. Он придавал большое значение изучению обмена веществ, о чем образно написал: «Проследить судьбу внешнего вещества при его странствовании по телу — значит описать всю историю жизни».

Исследования отечественного ученого-физиолога Ивана Петровича Павлова (1849—1936) были заслуженно оценены Нобелевским комитетом. В 1904 г. ему присуждена премия по физиологии и медицине «За труды по физиологии пищеварения, расширившие и изменившие понимание жизненно важных аспектов этого вопроса».

Химик и физиолог Марцеллий Вильгельмович Ненцкий (1848—1901) доказал химическое родство хлорофилла и гемоглобина. Большой вклад в развитие биохимии растений и теорию фотосинтеза сделан Клементом Аркадьевичем Тимирязевым (1843—1920). Биохимики Владимир Иванович Палладии (1859—1922) и Алексей Николаевич Бах (1857—1946) входят в число создателей современной теории биологического окисления.

А. Н. Бах совместно с Александром Ивановичем Опариным (1894—1980) являются основателями современной отечественной школы биохимии.

В 1935 г. ими был организован Институт биохимии АН СССР. Крупнейшими биохимиками нашей страны являются А. Н. Бах, Б. И. Збарский, А. В. Палладии, В. А, Энгельгардт, А. Н. Белозерский, А. И. Опарин, С. Е. Северин, А. А. Баев, А. С. Спирин и др.

На существенно новый путь биохимия вступила с реализацией проекта «Геном человека», который осуществляется совместными усилиями нескольких международных научно-исследовательских организаций. В настоящий момент около 99% ДНК человека секвенировано («прочитано»). Остались наиболее сложные участки — центральные и хвостовые фрагменты хромосом и др.

Данный проект — это колоссальный научный опыт исследования генетического материала. На базе этого опыта рождаются новые направления развития биохимии и прикладных областей. К ним относят геномику, биоинформатику, метаболомику и др.

Геномика призвана анализировать геном и выяснять взаимозависимости между экспрессией генов и функционированием клетки. Результаты таких исследований уже находят применение в медицине, а также распространяются на некоторые биотехнологии, в основном в области биотехнологии растений.

Биоинформатика занимается статистической обработкой данных, полученных при секвенировании геномов бактерий, растений и человека. Систематизация и анализ этой информации с применением алгоритмических методов позволит прогнозировать, например, структуры белков, анализировать количественные признаки в популяции и т. д.

Протеомика изучает протеом — совокупность всех белков организма. Гены, на которых синтезируются белки, постоянны и не зависят от типа клетки и ее возраста. Протеом же различен в разных клетках, разных тканях, изменяется с возрастом, зависит от внешних воздействий. Эти изменения изучаются на уровне генома.

Метаболомика ставит задачей выяснение особенностей метаболизма человека во взаимосвязи с его геномом. Это позволит корректировать состояние здоровья, поможет уберечь организм от серьезных заболеваний, корректировать лекарственную терапию.

Нутригеномика исследует уникальные генетические особенности человека с целью создания индивидуальной модели питания, чтобы обеспечить оптимальное состояние здоровья. Эта область новейшей биохимии будет развиваться совместно с пищевыми технологиями, что позволит создавать биологически полноценные, полезные продукты с учетом генотипа человека.

С разработкой новейших методов исследования, таких как рентгеноструктурный анализ, электронная микроскопия, различные виды хроматографии, спектрофотометрии, метод меченых атомов, накоплен огромный банк данных, благодаря чему биохимия сделала невероятный скачок в своем развитии и гигантский прорыв в научном мире вообще.

В последние десятилетия биохимия находится на острие научного познания и служит практической и теоретической базой для биоорганической и бионеорганической химии, биофизики, молекулярной биологии, медицинской биохимии, биотехнологии и других областей науки.