Кіріспе

Биохимия немесе биологиялық химия – тірі организмдердегі және олармен байланысты химиялық процестерді зерттейтін ғылым. Химия мен биологияның саласы болып табылатын биохимияны үш негізгі салаға бөлуге болады: құрылымдық биология, ферменттану және метаболизм. 20-шы ғасырдың соңғы онжылдықтарында биохимия осы үш сала арқылы тіршілік процестерін түсіндіруде үлкен жетістіктерге қол жеткізді. Қазіргі таңдағы өмір ғылымдарының көптеген салалары биохимиялық әдістемелер мен зерттеулердің арқасында ашылып, дамып келеді. Биохимия биологиялық молекулалардың тірі жасушалар мен жасушалар арасындағы процестерге қалай қатысатынының химиялық негізін түсінуге бағытталған, бұл өз кезегінде тіндер мен органдардың, сондай-ақ организмнің құрылымы мен функциясын түсінуге көмектеседі. Биохимия молекулалық биологиямен тығыз байланысты, ол биологиялық құбылыстардың молекулалық механизмдерін зерттейді. Биохимияның көп бөлігі ақуыздар, нуклеин қышқылдары, көмірсулар және липидтер сияқты биологиялық макромолекулалардың құрылымымен, байланысымен, функцияларымен және өзара әрекеттесуімен айналысады. Олар жасушалардың құрылымын құрайды және тіршілікке байланысты көптеген функцияларды атқарады. Жасушаның химиясы кішкентай молекулалар мен иондардың реакцияларына да байланысты. Бұл молекулалар бейорганикалық (мысалы, су және металл иондары) немесе органикалық (мысалы, ақуыздарды синтездеу үшін қолданылатын аминқышқылдары) болуы мүмкін. Жасушалардың химиялық реакциялар арқылы қоршаған ортадан энергия алу механизмдері метаболизм деп аталады. Биохимияның нәтижелері негізінен медицина, тамақтану және ауыл шаруашылығы салаларында қолданылады. Медицинада биохимиктер аурулардың себептерін және оларды емдеу жолдарын зерттейді. Тамақтану денсаулықты сақтау және дұрыс тамақтанудың әсерін зерттейді. Ал ауыл шаруашылығында биохимиктер егін өнімділігін арттыру, егінді сақтау және зиянкестермен күресу мақсатында топырақ пен тыңайтқыштарды зерттейді. Соңғы онжылдықтарда биохимиялық принциптер мен әдістерді инженерлік тәсілдермен үйлестіру арқылы тірі жүйелерді басқаруға және ғылыми зерттеулер, өндірістік процестер, ауруларды диагностикалау және емдеу үшін пайдалы құралдар жасауға қол жеткізілді – бұл биотехнология саласының дамуына ықпал етті.

Тарих

Биохимияны ең толық анықтамасы бойынша, тірі организмдердің құрамдас бөліктері мен олардың құрамы, сондай-ақ олардың өмірге қалай бірігіп, оны құрайтыны туралы ғылым деп қарастыруға болады. Осы тұрғыдан алғанда, биохимия тарихы ежелгі гректерге дейін соқпауы мүмкін. Дегенмен, биохимия жеке ғылыми сала ретінде 19 ғасырда немесе одан сәл ертерек, биохимияның қай аспектісіне назар аударылғанына байланысты қалыптаса бастады. Кейбір ғалымдар биохимияның бастауы 1833 жылы Ансельме Пайеннің алғашқы фермент – диастазаны (қазір амилаза деп аталады) ашқан кез болуы мүмкін деп санайды, ал басқалары Эдуард Бюхнердің 1897 жылы жасушасыз сыртқы ортада алкогольді ашыту процесін алғаш рет көрсеткенін биохимияның тууы деп есептейді. Сондай-ақ, кейбіреулер 1842 жылы Юстус фон Либигтің жариялаған ықпалды еңбегін, «Жануарлар химиясы немесе физиология мен патологияға қолданбалы органикалық химия», оның ішінде метаболизмнің химиялық теориясы ұсынылғанын, биохимияның бастауы ретінде қарастырады. Биохимияның күрделіліктерінің қабаттарын ашуға көмектескен осы саланың көптеген пионерлері қазіргі биохимияның негізін қалаушылар деп танылды. Протеиндер химиясын зерттеген Эмил Фишер және ферменттер мен биохимияның динамикалық сипатын зерттеген Ф. Гоуленд Хопкинс – ертедегі биохимиктердің екі мысалы. «Биохимия» термині алғаш рет 1858 жылы Венада басылған Винценц Клетзинскийдің (1826–1882) «Compendium der Biochemie» атты еңбегінде қолданылды. Ол биология мен химияның үйлесімінен туындады. 1877 жылы Феликс Хоппе-Зейлер бұл терминді (неміс тілінде биохимия) «Физиологиялық химия журналы» (Zeitschrift für Physiologische Chemie) журналының бірінші санының кіріспесінде физиологиялық химияның синонимі ретінде пайдаланды, сонымен қатар осы зерттеу саласына арналған институттар құру қажеттігін атап өтті. Неміс химигі Карл Нойбергтің 1903 жылы осы сөзді жасағандығы жиі айтылады, бірақ кейбіреулер оны Франц Хофмайстерге жатқызады. Бұрын өмір мен оның құрамында тірі емес материядан ерекшеленетін белгілі бір қасиет немесе зат (көбінесе «өмірлік принцип» деп аталады) бар деп сендірілді, және тіршілік молекулаларын тек тірі организмдер ғана өндіре алады деп есептелді. 1828 жылы Фридрих Вёлер калий цианаты мен аммоний сульфатынан сешнея синтезі туралы мақала жариялады; кейбіреулер оны витализмді тікелей жою және органикалық химияны құру деп қарады. Алайда, Вёлер синтезі дау тудырды, өйткені кейбіреулер витализмнің оның арқасында жойылғанын жоққа шығарды. Содан бері биохимия, әсіресе 20 ғасырдың ортасынан бастап, хроматография, рентгендік дифракция, қос поляризациялық интерферометрия, ЯМР спектроскопиясы, радиоизотоптық белгілеу, электрондық микроскопия және молекулалық динамика симуляциялары сияқты жаңа әдістердің дамуымен үлкен жетістіктерге қол жеткізді. Бұл әдістер клетканың көптеген молекулаларын және метаболикалық жолдарын, мысалы, гликолиз бен Кребс циклын (цитрин қышқылы циклы) ашуға және егжей-тегжейлі талдауға мүмкіндік берді, соның нәтижесінде биохимия молекулалық деңгейде түсіндірілді. Биохимиядағы тағы бір маңызды тарихи оқиға – геннің ашылуы және оның жасушадағы ақпаратты тасымалдаудағы рөлі. 1950 жылдары Джеймс Д. Уотсон, Фрэнсис Крик, Розалинд Франклин және Морис Уилкинс ДНК құрылымын анықтауда және оның генетикалық ақпаратты тасымалдауымен байланысын көрсетуде маңызды рөл атқарды. 1958 жылы Джордж Бидл мен Эдвард Татум бір ген бір ферментті шығаратынын көрсеткен саңырауқұлақтардағы жұмысы үшін Нобель сыйлығын алды. 1988 жылы Колин Питчфорк ДНК дәлелімен адам өлтіргені үшін сотталған алғашқы адам болды, бұл сот-медицина ғылымының дамуына ықпал етті. Соңғы кезде Эндрю З. Файр мен Крейг С. Мелло 2006 жылы гендік экспрессияны үркітудегі РНК араласуының (РНКi) рөлін ашқаны үшін Нобель сыйлығын алды.

Бастапқы материалдар: өмірдің химиялық элементтері

Шамамен екі ондағандай химиялық элемент биологиялық өмірдің түрлі нысандары үшін қажет. Жердегі сирек элементтердің көпшілігі тіршілікке қажет емес (селен мен йодтан басқа), ал кейбір көп таралғандары (алюминий мен титан) қолданылмайды. Көптеген организмдер элементтерге деген қажеттіліктерін ортақ бөліседі, бірақ өсімдіктер мен жануарлар арасында кейбір айырмашылықтар бар. Мысалы, мұхит балдырлары бромды пайдаланады, ал құрлықтағы өсімдіктер мен жануарларға ол қажет болмайды. Барлық жануарларға натрий қажет, бірақ өсімдіктер үшін ол маңызды элемент емес. Өсімдіктерге бор мен кремний қажет, ал жануарларға қажет болмауы мүмкін (немесе өте шағын мөлшерде қажет болуы мүмкін). Көміртек, сутек, азот, оттегі, кальций және фосфор – осы алты элемент ғана тірі жасушалардың, соның ішінде адам денесіндегі жасушалардың массасының шамамен 99%-ын құрайды (толық тізім үшін адам денесінің құрамын қараңыз). Адам денесінің көп бөлігін құрайтын алты негізгі элементтен басқа, адамға тағы шамамен 18 элемент аз мөлшерде қажет болуы мүмкін.

Биомолекулалар

Биохимиядағы молекулалардың негізгі 4 класы (көбінесе биомолекулалар деп аталады) – көмірсулар, липидтер, ақуыздар және нуклеин қышқылдары. Көптеген биологиялық молекулалар полимерлер болып табылады: осы терминологияда мономерлер салыстырмалы түрде кіші макромолекулалар болып табылады, олар бірігіп, полимерлер деп аталатын ірі макромолекулаларды құрайды. Мономерлер биологиялық полимерді синтездеу үшін біріктірілгенде, олар сусыздандыру синтезі деп аталатын процеске түседі. Әр түрлі макромолекулалар ірі кешендерге бірігуі мүмкін, бұл көбінесе биологиялық активтілік үшін қажет.

Көмірсулар

Көмірсулардың екі негізгі функциясы – энергияны сақтау және құрылымдық қолдау көрсету. Глюкоза сияқты кейбір қанттар көмірсулар болып табылады, бірақ барлық көмірсулар қант емес. Жер бетінде басқа белгілі биомолекулаларға қарағанда көмірсулар көптеп таралған; олар энергияны және генетикалық ақпаратты сақтау үшін, сондай-ақ жасушалар арасындағы өзара әрекеттесулер мен байланыстарда маңызды рөл атқарады. Көмірсулардың ең қарапайым түрі – моносахаридтер, олар көміртек, сутек және оттегіден тұрады, көбінесе 1:2:1 қатынасында (жалпы формуласы CnH2nOn, мұнда n кемінде 3). Глюкоза (C6H12O6) – ең маңызды көмірсулардың бірі; басқаларына фруктоза (C6H12O6) – жемістердің тәтті дәмімен байланысты қант, және ДНК құрамындағы дезоксирибоза (C5H10O4) жатады. Моносахарид ациклді (ашық тізбекті) және циклді формалардың арасында ауыса алады. Ашық тізбекті форманы бір шетінен карбонил тобымен және екінші шетінен гидроксил тобымен байланысқан көміртек атомдарының сақинасына айналдыруға болады. Циклді молекула, сызықтық форма альдоза немесе кетоза болған жағдайда, гемиацеталь немесе гемикеталь тобын қамтиды. Бұл циклді формаларда сақинада әдетте 5 немесе 6 атом болады. Бұл формалар тиісінше фураноза және пираноза деп аталады – олардың құрамындағы көміртек-оттек сақинасы бар ең қарапайым фуран және пиран қосылыстарымен салыстырылады (бірақ оларда осы екі молекуланың көміртек-көміртек екі байланыстары жоқ). Мысалы, альдогексоза глюкоза 1-көміртектегі гидроксил және 4-көміртектегі оттек арасында гемиацетальдық байланыс құрып, 5 мүшелі сақиналы молекула – глюкофуранозаны түзе алады. 1 және 5 көміртектері арасында да сондай реакция жүріп, 6 мүшелі сақиналы молекула – глюкопираноза пайда болады. 7 атомды сақиналы циклді формалар сирек кездеседі. Екі моносахарид гликозидтік немесе эфирлік байланыс арқылы сусыздану реакциясы нәтижесінде дисахаридті құрауы мүмкін, осы кезде су молекуласы бөлінеді. Дисахаридтің гликозидтік байланысын екі моносахаридке бөлетін кері реакция гидролиз деп аталады. Ең танымал дисахарид – сахароза немесе қарапайым қант, ол глюкоза және фруктоза молекулаларынан тұрады. Тағы бір маңызды дисахарид – сүттегі лактоза, ол глюкоза және галактоза молекулаларынан тұрады. Лактоза лактаза ферментімен гидролизденеді, ал осы ферменттің жетіспеушілігі лактозаға төзбеушілікке алып келеді. Шамамен үштен алтыға дейін моносахаридтер біріккенде ол олигосахарид (олиго – «аз» деген мағынаны білдіреді) деп аталады. Бұл молекулалар маркерлер мен сигналдар ретінде, сондай-ақ басқа да мақсаттарда қолданылады. Көптеген моносахаридтер бірігіп полисахаридті құрайды. Олар бір ұзын тізбектей бірігуі немесе тармақталған болуы мүмкін. Ең көп таралған полисахаридтердің екеуі – целлюлоза және гликоген, олардың екеуі де қайталама глюкоза мономерлерінен тұрады. Целлюлоза – өсімдік жасуша қабырғаларының маңызды құрылымдық компоненті, ал гликоген – жануарларда энергияны сақтаудың бір түрі. Қанттарды редукциялық немесе редукцияланбаған ұштары бойынша сипаттауға болады. Көмірсудың редукциялық ұшы – ашық тізбекті альдегид (альдоза) немесе кето (кетоза) формасымен тепе-теңдікте болатын көміртек атомы. Егер мономерлер осындай көміртек атомында қосылса, пираноза немесе фураноза формасының бос гидрокси тобы басқа қанттың ОН тобымен алмастырылып, толық ацеталь түзіледі. Бұл тізбектің альдегид немесе кето формасына ашылуына кедерес келтіреді және модификацияланған қалдықты редукцияланбас етеді. Лактозаның глюкоза бөлігінде редукциялық ұш бар, ал галактоза бөлігі глюкозаның C4 OH тобымен толық ацеталь құрайды. Сахарозада редукциялық ұш жоқ, себебі глюкозаның альдегидтік көміртегісі (С1) мен фруктозаның кето көміртегісі (С2) арасында толық ацеталь түзіледі.

Липидтер

Липидтер молекулалардың әртүрлі топтарын қамтиды және белгілі бір дәрежеде биологиялық текті, суда нашар еритін немесе полярлы емес қосылыстардың жиынтығы болып табылады, оларға балауыздар, май қышқылдары, май қышқылынан туындаған фосфолипидтер, сфинголипидтер, гликолипидтер және терпеноидтар (мысалы, ретиноидтар мен стероидтер) жатады. Кейбір липидтер тікелей, ашық тізбекті алифалық молекулалар, ал басқаларында сақиналық құрылымдар болады. Кейбіреулері ароматты (циклдік [сақиналы] және жазық [жатық] құрылымды), ал басқалары жоқ. Кейбіреулері икемді, ал басқалары берік. Липидтер әдетте глицериннің бір молекуласымен және басқа молекулалармен бірігіп түзіледі. Триглицеридтерде, немесе көлемді липидтердің басты тобында, глицериннің бір молекуласы мен үш май қышқылы болады. Бұл жағдайда май қышқылдары мономер болып саналады және олар қаныққан (көміртегі тізбегінде екі байланыс жоқ) немесе қанықпаған (көміртегі тізбегінде бір немесе бірнеше екі байланыс) болуы мүмкін. Көптеген липидтер белгілі бір полярлық қасиетке ие және көбінесе полярлы емес. Жалпы, олардың құрылымының көп бөлігі полярлы емес немесе гидрофобты ("судан қашады"), яғни су сияқты полярлы еріткіштермен жақсы әрекеттеспейді. Олардың құрылымының тағы бір бөлігі полярлы немесе гидрофильді ("суды жақсы көреді") және су сияқты полярлы еріткіштермен байланысуға бейім. Бұл оларды амфифильді молекулалар (гидрофобты және гидрофильді бөліктері бар) етеді. Холестерин жағдайында полярлық топ тек –OH (гидроксил немесе спирт) болып табылады. Фосфолипидтерде полярлық топтар айтарлықтай үлкен және полярлы, төменде сипатталғандай. Липидтер біздің күнделікті диетамыздың маңызды бөлігі болып табылады. Біз тамақ дайындау және жеу үшін қолданатын көптеген майлар мен сүт өнімдері, мысалы, май, ірімшік, қымыз және т.б. майлардан тұрады. Өсімдік майлары әртүрлі полиқанықпаған май қышқылдарына (ПҚМҚ) бай. Липидтерді қамтитын тағамдар организмде қорытылып, май қышқылдары мен глицеринге ажыратылады, бұл майлар мен липидтердің соңғы ыдырау өнімдері. Липидтер, әсіресе фосфолипидтер, сондай-ақ түрлі фармацевтикалық өнімдерде қолданылады, әрі еріткіш ретінде (мысалы, парентеральдық инфузияларда), әрі дәрілік заттарды тасымалдаушы компоненттері ретінде (мысалы, липосомалар немесе трансферсомаларда).

Белсенділер

Ақуыздар – аминқышқылдары деп аталатын мономерлерден тұратын өте үлкен молекулалар – макробиополимерлер. Аминқышқыл амино тобына –NH2, карбоксил тобына –COOH (бірақ физиологиялық жағдайларда –NH3+ және –COO− түрінде болады) қосылған α-көміртек атомынан, сондай-ақ жай сутек атомынан және әдетте “–R” деп белгіленетін бүйір тізбектен тұрады. “R” жақтау тізбегі әрбір аминқышқыл үшін әртүрлі, олардың ішінде 20 стандартты аминқышқылы бар. Осы “R” тобы әрбір аминқышқылды ерекшелендіреді, ал бүйір тізбектердің қасиеттері ақуыздың жалпы үш өлшемді құрылымына зор әсер етеді. Кейбір аминқышқылдар өздерінің немесе өзгертілген түрінде белгілі функцияларды атқарады; мысалы, глутамат маңызды нейротрансмиттер ретінде жұмыс істейді. Аминқышқылдар пептидтік байланыс арқылы біріге алады. Бұл сусыздану синтезінде су молекуласы алынып тасталады және пептидтік байланыс бір аминқышқылдың амино тобының азотын екіншісінің карбоксил тобының көміртегіне қосады. Нәтижесінде пайда болған молекула дипептид деп аталады, ал аминқышқылдардың қысқа тізбектері (әдетте, отыздан кем) пептидтер немесе полипептидтер деп аталады. Ұзақ тізбектер ақуыз аталымын алады. Мысалы, маңызды қан сарысуы ақуызы – альбуминнің құрамында 585 аминқышқыл қалдығы бар. Ақуыздар құрылымдық және/немесе функционалдық рөлдерді атқара алады. Мысалы, актин мен миозин ақуыздарының қозғалысы қаңқа бұлшық еттерінің жиырылуына жауапты. Көптеген ақуыздардың бір қасиеті – олар белгілі бір молекулаға немесе молекулалар класына ерекше байланысады. Олар байланысатын нәрсеге өте селективті болуы мүмкін. Антителолар – бұл белгілі бір молекулаға қосылатын ақуыздардың мысалы. Антитело ауыр және жеңіл тізбектерден тұрады. Екі ауыр тізбек екі жеңіл тізбекке олардың аминқышқылдары арасындағы дисульфидтік байланыстар арқылы қосылады. Антителолар N-терминалды домендегі айырмашылықтарға негізделген өзгеріске байланысты ерекшеленеді. Антителоларды қолданатын ферментпен байланысты иммуносорбенттік талдау (ELISA) – қазіргі медицинада әр түрлі биомолекулаларды анықтау үшін қолданылатын ең сезімтал тесттердің бірі. Бірақ ең маңыздысы – ферменттер. Тірі жасушадағы барлық реакцияға реакцияның белсендіру энергиясын төмендету үшін фермент қажет. Бұл молекулалар субстраттар деп аталатын реакция құрайтын молекулаларды таниды; содан кейін олар олардың арасындағы реакцияны катализдейді. Белсендіру энергиясын төмендету арқылы фермент реакцияны 1011 немесе одан да көп есе жылдамдатады; әдетте 3000 жылдан астам уақытқа созылатын реакция ферментпен бір секундтан кем уақытқа созылуы мүмкін. Ферменттің өзі процесте тұтынылмайды және жаңа субстраттар жиынтығымен бірдей реакцияны катализдей алуға болады. Әр түрлі модификаторларды қолдану арқылы ферменттің белсенділігін реттеуге болады, бұл жасушаның биохимиясын тұтастай бақылауға мүмкіндік береді. Ақуыздардың құрылымы дәстүрлі түрде төрт деңгейлі иерархияда сипатталады. Ақуыздың біріншілік құрылымы оның аминқышқылдарының сызықтық тізбегінен тұрады; мысалы, “аланин глицин триптофан серин глутамат аспарагин глицин лизин”. Екіншілік құрылым жергілікті морфологиямен байланысты (морфология – құрылымды зерттеу). Аминқышқылдардың кейбір комбинациялары α-спираль деп аталатын катушкаға немесе β-парақ деп аталатын параққа бүгіледі; кейбір α-спиральдарды жоғарыдағы гемоглобин схемасында көруге болады. Үшіншілік құрылым – бұл ақуыздың үш өлшемді пішіні. Бұл пішін аминқышқылдарының тізбегімен анықталады. Шындығында, бір ғана өзгеріс бүкіл құрылымды өзгерте алады. Гемоглобиннің α-тізбегі 146 аминқышқыл қалдығын қамтиды; 6-орындағы глутамат қалдығын валин қалдығымен ауыстыру гемоглобиннің мінез-құлқын соншалықты өзгертеді, одан серпалы жасуша ауруы пайда болады. Соңында, төртіншілік құрылым гемоглобиннің төрт суббұрышы сияқты бірнеше пептидтік суббұрыштары бар ақуыздың құрылымына қатысты. Барлық ақуыздарда бірден артық суббұрыш болмайды. Ішкен ақуыздар әдетте кіші ішекте жеке аминқышқылдарына немесе дипептидтерге бөлініп, содан кейін сіңіріледі. Одан кейін олар бірігіп жаңа ақуыздарды құрайды. Гликолиздің, лимон қышқылы циклының және пентоза фосфат жолының аралық өнімдері барлық жиырма аминқышқылын құру үшін пайдаланылуы мүмкін, ал бактериялар мен өсімдіктердің көпшілігі оларды синтездеу үшін барлық қажетті ферменттерге ие. Алайда адамдар мен басқа сүтқоректілер олардың жартысын ғана синтездеуге қабілетті. Олар изолейцин, лейцин, лизин, метионин, фенилаланин, треонин, триптофан және валин синтездеуге қабілетсіз. Оларды міндетті түрде тамақпен қабылдау керек болғандықтан, олар маңызды аминқышқылдар деп аталады. Сүтқоректілер аланин, аспарагин, аспартат, цистеин, глутамат, глутамин, глицин, пролин, серин және тирозинді синтездеуге қабілетті, бұл маңызды емес аминқышқылдар. Аргинин мен гистидин синтездеуге қабілетті болғанымен, олар оны жас, өсіп келе жатқан жануарлар үшін жеткілікті мөлшерде өндіре алмайды, сондықтан олар көбінесе маңызды аминқышқылдар деп есептеледі. Егер амин тобы аминқышқылдан алынса, ол α-кетоқышқыл деп аталатын көміртектік қаңқаны қалдырады. Трансаминазалар деп аталатын ферменттер амин тобын бір аминқышқылдан (оны α-кетоқышқылға айналдырады) басқа α-кетоқышқылға (оны аминқышқылға айналдырады) оңай ауыстыра алады. Бұл аминқышқылдарының биосинтезінде маңызды, өйткені көптеген жолдарда басқа биохимиялық жолдардан алынған аралық өнімдер α-кетоқышқыл қаңқасына айналады, содан кейін амин тобы қосылады, көбінесе трансаминация арқылы. Содан кейін аминқышқылдар бірігіп ақуызды құрайды. Ақуыздарды ыдырату үшін ұқсас процесс қолданылады. Ол бастапқыда құрамына кіретін аминқышқылдарына гидролизденеді. Қанда NH4+ ионы түрінде болатын еркін аммиак (NH3) тірі организмдер үшін улы. Сондықтан оны шығаруға қабілетті әдіс болуы керек. Әр түрлі жануарларда олардың қажеттіліктеріне байланысты әр түрлі тактикалар пайда болған. Бір жасушалы организмдер аммиакты қоршаған ортаға шығарады. Сүйек балықтары да аммиакты суға шығара алады, онда ол тез сіңіріледі. Әдетте, сүтқоректілер аммиакты несеп қышқылы циклі арқылы мочевинаға айналдырады. Екі ақуыздың байланысты екенін анықтау үшін, яғни олар гомологты ма, жоқ па, ғалымдар тізбек салыстыру әдістерін қолданады. Тізбектерді салыстыру және құрылымдық салыстыру сияқты әдістер ғалымдарға байланысты молекулалар арасындағы гомологияны анықтауға көмектесетін қуатты құралдар болып табылады. Ақуыздар арасында гомологияны табудың маңыздылығы ақуыз отбасының эволюциялық үлгісін құрудан асып түседі. Екі ақуыз тізбегінің қаншалықты ұқсас екенін анықтау арқылы біз олардың құрылымы және демек, функциясы туралы білімге ие боламыз.

Нуклеин қышқылдары

Нуклеин қышқылдары – жасуша ядроларында кең таралғандықтан, биополимерлер отбасының жалпы атауы. Олар – барлық тірі жасушалар мен вирустардағы генетикалық ақпаратты жеткізе алатын күрделі, жоғары молекулалық биохимиялық макромолекулалар. Ең көп таралған нуклеин қышқылдары – дезоксирибонуклеин қышқылы (ДНК) және рибонуклеин қышқылы (РНК). Фосфат тобы мен әрбір нуклеотидтің қанты бір-бірімен байланысып, нуклеин қышқылының негізгі тізбегін құрайды, ал азотты негіздер тізбегі ақпаратты сақтайды. Ең көп таралған азотты негіздер – аденин, цитозин, гуанин, тимин және урацил. Нуклеин қышқылының әрбір талшығының азотты негіздері, толықтыратын талшықтағы белгілі бір азотты негіздермен сутекті байланыстар арқылы байланысады. Аденин тиминмен және урацилмен, тимин тек аденинмен, ал цитозин мен гуанин бір-бірімен ғана байланысады. Аденин, тимин және урацил екі сутекті байланысқа ие, ал цитозин мен гуанин арасындағы сутекті байланыстар үш. Жасушаның генетикалық материалынан басқа, нуклеин қышқылдары көбінесе екінші хабаршы ретінде қатысады, сондай-ақ барлық тірі организмдерде кездесетін негізгі энергия тасымалдаушы молекула – аденозин трифосфатының (АТФ) құрамына кіреді. Сондай-ақ, екі нуклеин қышқылында болуы мүмкін азотты негіздер әртүрлі: аденин, цитозин және гуанин РНК мен ДНК-да кездеседі, ал тимин тек ДНК-да, ал урацил РНК-да кездеседі.

Энергия көзі ретінде көмірсулар

Глюкоза – көптеген тірі организмдер үшін энергия көзі. Мысалы, полисахаридтер ферменттердің әсерімен мономерлерге ыдырайды (гликоген фосфорилаза гликогеннен – полисахаридтен – глюкоза қалдықтарын алып тастайды). Лактоза немесе сахароза сияқты дисахаридтер екі құраушы моносахаридке ажыратылады.

Гликолиз (аэробикалық)

Глюкоза негізінен гликолиз деп аталатын өте маңызды он қадамдық жолмен метаболизденеді, оның таза нәтижесі глюкозаның бір молекуласын екі пируват молекуласына ыдырату болып табылады. Бұл процесте жасушалардың энергия валютасы болып табылатын екі АТФ молекуласы және NAD+ (никотинамид аденоин динуклеотиді: тотыққан түрі) NADH (никотинамид аденоин динуклеотиді: тотыққан түрінен азайтқыш түріне) айналудың екі эквиваленті де пайда болады. Бұл үшін оттегі қажет емес; егер оттегі жеткіліксіз болса (немесе жасуша оттекті пайдалана алмаса), NAD пируватты лактатқа (сүт қышқылына) (мысалы, адамдарда) немесе этанол мен көмірқышқыл газына (мысалы, ашытқыларда) айналдыру арқылы қайта жаңартылады. Галактоза және фруктоза сияқты басқа моносахаридтер гликолиттік жолдың аралық өнімдеріне айналуы мүмкін.

Аэробикалық

Көптеген адам жасушаларында сияқты, жеткілікті оттегі бар аэробты жасушаларда пируват одан әрі метаболизмге ұшырайды. Ол қайтымсыз түрде ацетил-КоА-ға айналады, бір көміртек атомын қалдық өнім ретінде көмірқышқыл газы түрінде бөліп шығарады, және NADH ретінде тағы бір тотығу эквивалентін жасайды. Екі ацетил-КоА молекуласы (глюкозаның бір молекуласынан) лимон қышқылы циклына еніп, екі АТФ молекуласын, тағы алты НАДН молекуласын және екі тотығуға ұшыраған (убихинон) (ФАДН2 арқылы ферментке байланысқан кофактор ретінде) шығарады, сондай-ақ қалған көміртек атомдарын көмірқышқыл газы түрінде бөліп шығарады. Содан кейін пайда болған НАДН және хинол молекулалары тыныс алу тізбегінің ферменттік кешендеріне, электрондық тасымалдау жүйесіне түседі, электронды соңымен оттегіге жеткізеді және босатылған энергияны мембранадағы (эукариоттарда ішкі митохондриялық мембрана) протондық градиент түрінде сақтайды. Осылайша, оттегі суға тотығады және бастапқы электрон қабылдағыштар НАД+ және хинон қалпына келтіріледі. Сондықтан адамдар оттегіні тыныс алып, көмірқышқыл газын шығарады. НАДН және хинолдағы жоғары энергиялық күйдегі электрондарды беруден босатылған энергия алдымен протондық градиент түрінде сақталады, содан кейін АТФ-синтаза арқылы АТФ-ке айналады. Бұл қосымша 28 АТФ молекуласын (8 НАДН-нан 24 және 2 хинолдан 4) құрайды, барлығы тотыққан глюкоза үшін сақталған 32 АТФ молекуласын береді (гликолизден екі және лимон қышқылы циклынан екі). Глюкозаны толығымен тотықтыру үшін оттегі пайдалану, кез келген оттегіге тәуелсіз метаболизмге қарағанда организмге әлдеқайда көп энергия беретіні анық, және осы себепті күрделі өмір Жер атмосферасында көп мөлшерде оттегі жиналғаннан кейін ғана пайда болды деп есептеледі.

Глюконеогенез

Омыртқалы жануарларда, қарқынды жиырылатын қаңқа бұлшық еттері (мысалы, ауыр атлетика немесе жүгіру кезінде) энергия қажеттілігін өтеу үшін жеткілікті мөлшерде оттегі алмайды, сондықтан олар анаэробты метаболизмге көшеді, глюкозаны лактатқа айналдырады. Глюкоза құрамына май және белок сияқты көмірсулардан басқа көздерден алынған глюкоза да қосылады. Бұл тек бауырдағы гликоген қорының таусылуы кезінде ғана болады. Бұл жол – пируваттан глюкозаға дейінгі гликолиз процесінің маңызды кері процесі болып табылады және аминқышқылдары, глицерол және Кребс циклы сияқты көптеген көздерді пайдалана алады. Ақуыз бен майдың іріктеліп ыдырауы көбінесе аштыққа ұшыраған немесе белгілі бір эндокриндік бұзылыстары бар адамдарда жүзеге асады. Бауыр глюконеогенез деп аталатын процесс арқылы глюкозаны қайта жасайды. Бұл процесс гликолиз процесіне толыққанды қарсы емес, және гликолизден алынған энергияның үш есе көп энергияны қажет етеді (гликолизде алынған екі АТФ молекуласына қарағанда, алты АТФ молекуласы қолданылады). Жоғарыда аталған реакцияларға ұқсас, түзілген глюкоза энергияға мұқтаж тіндерде гликолизден өтеді, гликоген (немесе өсімдіктердегі крахмал) ретінде сақталады немесе басқа моносахаридтерге айналады немесе ди- немесе олигосахаридтерге біріктіріледі. Жаттығу кезінде гликолиздің, лактаттың қан ағысы арқылы бауырға тасымалдануының, одан кейінгі глюконеогенездің және глюкозаның қан ағысына шығарылуының біріккен жолдары Кори циклы деп аталады.

Басқа "молекулалық масштабтағы" биологиялық ғылымдармен қарым-қатынасы

Биохимия зерттеушілері биохимияға тән ерекше әдістерді қолданады, бірақ оларды генетика, молекулалық биология және биофизика салаларында дамыған әдістермен және идеялармен жиі біріктіреді. Бұл салалар арасында нақты шекара жоқ. Биохимия молекулалардың биологиялық активтілігі үшін қажетті химияны зерттейді, молекулалық биология олардың биологиялық активтілігін, ал генетика – олардың тұқым қуалауын зерттейді, оны олардың геномдары тасымалдайды. Бұл салалар арасындағы қарым-қатынастардың бір мүмкін көзқарасы келесі схемада көрсетілген: Биохимия – тірі организмдерде өтетін химиялық заттар мен өмірлік процестерді зерттеу ғылымы. Биохимиктер биомолекулалардың рөліне, функциясына және құрылымына ерекше назар бөледі. Биологиялық процестердің химиялық негіздерін зерттеу және биологиялық активті молекулаларды синтездеу – биохимияның қолданыс салалары. Биохимия тіршілікті атомдық және молекулалық деңгейде зерттейді. Генетика – организмдердегі генетикалық айырмашылықтардың әсерін зерттейтін ғылым. Бұл көбінесе қалыпты компоненттің (мысалы, бір геннің) жоқтығы арқылы анықталады. «Жабайы тип» немесе қалыпты фенотипке қатысты бір немесе бірнеше функционалдық компоненттерінен айырылған организмдерді – «мутанттарды» зерттеу жүргізіледі. Генетикалық өзара әрекеттесулер (эпистаз) мұндай «нокаут» зерттеулерінің қарапайым түсіндірмелерін жиі қиындатады. Молекулалық биология – молекулалық синтез, модификация, механизмдер мен өзара әрекеттесулерге назар аудара отырып, биологиялық құбылыстардың молекулалық негіздерін зерттейтін ғылым. Молекулалық биологияның орталық догмасы, онда генетикалық материал РНК-ға транскрипцияланады, содан кейін ақуызға аударылады, шамадан тыс қарапайым болғанымен, бұл саланы түсіну үшін жақсы бастама береді. Бұл тұжырым РНК-ның жаңа рөлдерінің пайда болуына байланысты қайта қарастырылды. Химиялық биология – биологиялық жүйелердің функциясы туралы егжей-тегжейлі ақпаратты ұсына отырып, биологиялық жүйелерге минималдық бұзушылық туғызатын шағын молекулаларға негізделген жаңа құралдарды жасауға бағытталған. Сонымен қатар, химиялық биология биологиялық жүйелерді биомолекулалар мен синтетикалық құрылғылар арасындағы табиғи емес гибридтер құру үшін пайдаланады (мысалы, гендік терапияны немесе дәрілік молекулаларды жеткізе алатын бос вирус капсидтері).