Введение

Биохимия или биологическая химия – это изучение химических процессов, происходящих в живых организмах и связанных с ними. Являясь поддисциплиной как химии, так и биологии, биохимия подразделяется на три области: структурная биология, энзимология и метаболизм. В последние десятилетия XX века биохимия добилась значительных успехов в объяснении жизненных процессов посредством этих трех дисциплин. Почти все области наук о жизни исследуются и развиваются с использованием биохимических методологий и исследований. Биохимия фокусируется на понимании химических основ, позволяющих биологическим молекулам обуславливать процессы, происходящие внутри живых клеток и между ними, что тесно связано с пониманием структуры и функций тканей, органов, а также организма в целом. Биохимия тесно связана с молекулярной биологией, изучающей молекулярные механизмы биологических явлений. Значительная часть биохимии посвящена изучению структуры, связей, функций и взаимодействий биологических макромолекул, таких как белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды. Они формируют структуру клеток и выполняют многие функции, необходимые для жизни. Химия клетки также зависит от реакций малых молекул и ионов, которые могут быть неорганическими (например, вода и ионы металлов) или органическими (например, аминокислоты, используемые для синтеза белков). Механизмы, используемые клетками для получения энергии из окружающей среды посредством химических реакций, известны как метаболизм. Результаты биохимических исследований применяются прежде всего в медицине, диетологии и сельском хозяйстве. В медицине биохимики изучают причины и методы лечения заболеваний. Диетология изучает поддержание здоровья и благополучия, а также последствия дефицита питательных веществ. В сельском хозяйстве биохимики исследуют почву и удобрения с целью улучшения выращивания, хранения сельскохозяйственных культур и борьбы с вредителями. В последние десятилетия биохимические принципы и методы были объединены с инженерными подходами к решению проблем для манипулирования живыми системами с целью создания полезных инструментов для исследований, промышленных процессов, диагностики и контроля заболеваний – в рамках дисциплины биотехнологии.

История

В своем самом широком понимании биохимию можно рассматривать как изучение компонентов и состава живых организмов и того, как они объединяются, образуя жизнь. В этом смысле история биохимии может уходить корнями в древнюю Грецию. Однако биохимия как самостоятельная научная дисциплина начала формироваться в XIX веке или немного раньше, в зависимости от того, на каком аспекте биохимии делается акцент. Некоторые считают, что началом биохимии следует считать открытие первого фермента, диастазы (ныне известного как амилаза), в 1833 году Ансельмом Пейеном, в то время как другие полагают, что рождением биохимии стала первая демонстрация Эдуардом Бухнером сложного биохимического процесса – спиртового брожения в безклеточных экстрактах – в 1897 году. Также можно отметить влиятельную работу Юстуса фон Либига 1842 года «Химия животных, или Органическая химия в ее применении к физиологии и патологии», в которой была представлена химическая теория метаболизма. Многие другие пионеры в этой области, внесшие вклад в раскрытие сложной структуры биохимии, были признаны основателями современной биохимии. Эмиль Фишер, изучавший химию белков, и Ф. Гоуленд Хопкинс, исследовавший ферменты и динамическую природу биохимии, являются примерами ранних биохимиков. Термин «биохимия» впервые был использован, когда Винценц Клетзинский (1826–1882) опубликовал свой «Compendium der Biochemie» в Вене в 1858 году; он образован от сочетания слов «биология» и «химия». В 1877 году Феликс Хоппе-Зейлер использовал этот термин (biochemie на немецком языке) как синоним физиологической химии в предисловии к первому выпуску журнала «Zeitschrift für Physiologische Chemie» (Журнал физиологической химии), где он выступал за создание институтов, специализирующихся в этой области исследований. Однако немецкий химик Карл Нойберг часто упоминается как автор этого термина в 1903 году, хотя некоторые приписывают его Францу Хофмайстеру. Ранее широко распространено было убеждение, что жизнь и ее составляющие обладают неким особым свойством или субстанцией (часто называемой «жизненным принципом»), отличным от всего, что встречается в неживой материи, и считалось, что только живые организмы способны производить молекулы жизни. В 1828 году Фридрих Вёлер опубликовал статью о случайном синтезе мочевины из цианата калия и сульфата аммония; некоторые рассматривали это как прямое опровержение витализма и основание органической химии. Однако синтез Вёлера вызвал споры, поскольку некоторые не согласны с тем, что витализм был окончательно побежден. С тех пор биохимия значительно продвинулась вперед, особенно со второй половины XX века, благодаря разработке новых методов, таких как хроматография, рентгеноструктурный анализ, интерферометрия двойной поляризации, ЯМР-спектроскопия, радиоизотопная маркировка, электронная микроскопия и молекулярное динамическое моделирование. Эти методы позволили обнаружить и детально проанализировать многие молекулы и метаболические пути клетки, такие как гликолиз и цикл Кребса (цитрусовая кислота), и привели к пониманию биохимии на молекулярном уровне. Другим важным историческим событием в биохимии стало открытие гена и его роли в передаче информации в клетке. В 1950-х годах Джеймс Д. Уотсон, Фрэнсис Крик, Розалинд Франклин и Морис Уилкинс сыграли ключевую роль в установлении структуры ДНК и определении ее связи с генетической передачей информации. В 1958 году Джордж Бидл и Эдвард Татум получили Нобелевскую премию за работы над грибами, показавшие, что один ген кодирует один фермент. В 1988 году Колин Питчфорк стал первым человеком, осужденным за убийство на основании ДНК-доказательств, что способствовало развитию судебной экспертизы. В последнее время Эндрю З. Файр и Крейг С. Мелло получили Нобелевскую премию 2006 года за открытие роли интерференции РНК (РНКi) в подавлении экспрессии генов.

Исходные материалы: химические элементы жизни

Около двух десятков химических элементов необходимы для различных форм жизни. Большинство редких элементов на Земле не требуются для жизни (за исключением селена и йода), в то время как некоторые распространенные (алюминий и титан) не используются. Большинство организмов имеют схожие потребности в элементах, но существуют некоторые различия между растениями и животными. Например, океанические водоросли используют бром, но наземные растения и животные, по-видимому, в нем не нуждаются. Всем животным необходим натрий, но он не является жизненно важным элементом для растений. Растениям необходимы бор и кремний, а животным, возможно, не требуются (или требуются в сверхмалых количествах). Всего шесть элементов – углерод, водород, азот, кислород, кальций и фосфор – составляют почти 99% массы живых клеток, включая клетки человеческого тела (подробное описание смотрите в разделе "Состав человеческого тела"). Помимо шести основных элементов, составляющих большую часть человеческого тела, человеку требуется меньшее количество, возможно, еще 18 элементов.

Биомолекулы

Четыре основных класса молекул в биохимии (часто называемых биомолекулами) — это углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты. Многие биологические молекулы являются полимерами: в этой терминологии мономеры — это относительно небольшие макромолекулы, соединенные друг с другом для образования крупных макромолекул, известных как полимеры. При соединении мономеров для синтеза биологического полимера происходит процесс, называемый дегидратационным синтезом. Различные макромолекулы могут объединяться в более крупные комплексы, которые часто необходимы для биологической активности.

Углеводы

Две основные функции углеводов – хранение энергии и обеспечение структурной поддержки. Один из распространенных сахаров, известный как глюкоза, является углеводом, но не все углеводы – сахара. На Земле количество углеводов превышает количество любого другого известного типа биомолекул; они используются для хранения энергии и генетической информации, а также играют важную роль во взаимодействиях и коммуникациях между клетками. Самый простой тип углеводов – моносахарид, который, помимо прочих свойств, содержит углерод, водород и кислород, преимущественно в соотношении 1:2:1 (обобщенная формула CnH2nOn, где n – не менее 3). Глюкоза (C6H12O6) – один из важнейших углеводов; другие включают фруктозу (C6H12O6), сахар, обычно ассоциирующийся со сладким вкусом фруктов, и дезоксирибозу (C5H10O4), компонент ДНК. Моносахарид может переключаться между ациклической (открытой цепью) и циклической формой. Ациклическая форма может превращаться в кольцо атомов углерода, соединенных атомом кислорода, образованным из карбонильной группы одного конца и гидроксильной группы другого. Циклическая молекула содержит гемиацетальную или гемикетальную группу, в зависимости от того, является ли линейная форма альдозой или кетозой. В этих циклических формах кольцо обычно состоит из 5 или 6 атомов. Эти формы называются фуранозами и пиранозами соответственно, по аналогии с фураном и пираном – простейшими соединениями с таким же углерод-кислородным кольцом (хотя в них отсутствуют углерод-углеродные двойные связи, характерные для этих двух молекул). Например, альдогексоза глюкоза может образовывать гемиацетальную связь между гидроксилом на углероде 1 и кислородом на углероде 4, образуя молекулу с 5-членным кольцом, называемую глюкофуранозой. Та же реакция может происходить между углеродами 1 и 5, образуя молекулу с 6-членным кольцом, называемую глюкопиранозой. Циклические формы с 7-атомным кольцом, называемые гептозами, встречаются редко. Два моносахарида могут соединяться гликозидной или сложноэфирной связью в дисахарид посредством реакции дегидратации, в ходе которой высвобождается молекула воды. Обратная реакция, при которой гликозидная связь дисахарида расщепляется на два моносахарида, называется гидролизом. Наиболее известный дисахарид – сахароза, или обычный сахар, состоящий из молекулы глюкозы и молекулы фруктозы. Другой важный дисахарид – лактоза, содержащаяся в молоке, состоящая из молекулы глюкозы и молекулы галактозы. Лактоза гидролизуется лактазой, а дефицит этого фермента приводит к непереносимости лактозы. Когда соединено несколько (около трех-шести) моносахаридов, это называется олигосахаридом (олиго означает "несколько"). Эти молекулы обычно используются в качестве маркеров и сигналов, а также имеют другие применения. Соединение многих моносахаридов образует полисахарид. Они могут соединяться в одну длинную линейную цепь или иметь разветвленную структуру. Два наиболее распространенных полисахарида – целлюлоза и гликоген, оба состоящие из повторяющихся мономерных звеньев глюкозы. Целлюлоза является важным структурным компонентом клеточных стенок растений, а гликоген используется в качестве формы хранения энергии у животных. Сахара можно характеризовать наличием редуцирующего или нередуцирующего конца. Редуцирующий конец углевода – это атом углерода, который может находиться в равновесии с альдегидной (альдоза) или кето-формой (кетоза) открытой цепи. Если соединение мономеров происходит на таком атоме углерода, свободная гидроксигруппа пиранозной или фуранозной формы замещается боковой цепью OH другого сахара, образуя полный ацеталь. Это предотвращает раскрытие цепи в альдегидную или кето-форму и делает модифицированный остаток нередуцирующим. Лактоза содержит редуцирующий конец в своей глюкозной части, в то время как галактозная часть образует полный ацеталь с группой C4 OH глюкозы. Сахароза не имеет редуцирующего конца из-за образования полного ацеталя между альдегидным углеродом глюкозы (C1) и кетоуглеродом фруктозы (C2).

Липиды

Липиды включают в себя разнообразный спектр молекул и в некоторой степени являются собирательным понятием для относительно нерастворимых в воде или неполярных соединений биологического происхождения, включая воски, жирные кислоты, фосфолипиды, производные от жирных кислот, сфинголипиды, гликолипиды и терпеноиды (например, ретиноиды и стероиды). Некоторые липиды представляют собой линейные, открытоцепные алифатические молекулы, в то время как другие имеют кольцевую структуру. Некоторые из них ароматичны (обладают циклической [кольцевой] и плоской структурой), а другие – нет. Некоторые липиды гибкие, другие – жесткие. Липиды обычно состоят из одной молекулы глицерина, соединенной с другими молекулами. В триглицеридах, основной группе объемных липидов, содержится одна молекула глицерина и три жирные кислоты. В этом случае жирные кислоты рассматриваются как мономеры и могут быть насыщенными (не содержащими двойных связей в углеродной цепи) или ненасыщенными (содержащими одну или несколько двойных связей в углеродной цепи). Большинство липидов обладают некоторым полярным характером и в основном неполярны. В целом, основная часть их структуры неполярна или гидрофобна ("боящаяся воды"), то есть плохо взаимодействует с полярными растворителями, такими как вода. Другая часть их структуры является полярной или гидрофильной ("любящей воду") и склонна ассоциироваться с полярными растворителями, такими как вода. Это делает их амфифильными молекулами (обладающими как гидрофобными, так и гидрофильными участками). В случае холестерина полярная группа – это всего лишь –OH (гидроксильная или спиртовая группа). В случае фосфолипидов полярные группы значительно больше и более полярны, как описано ниже. Липиды являются неотъемлемой частью нашего ежедневного рациона. Большинство масел и молочных продуктов, которые мы используем для приготовления пищи, таких как масло, сыр, топленое масло и т.д., состоят из жиров. Растительные масла богаты различными полиненасыщенными жирными кислотами (ПНЖК). Пища, содержащая липиды, подвергается перевариванию в организме и расщепляется на жирные кислоты и глицерин – конечные продукты распада жиров и липидов. Липиды, особенно фосфолипиды, также используются в различных фармацевтических продуктах, либо в качестве ко-растворителей (например, в парентеральных инфузиях), либо в качестве компонентов для доставки лекарственных средств (например, в липосомах или трансферсомах).

Белки

Белки — это очень большие молекулы — макробиополимеры, состоящие из мономеров, называемых аминокислотами. Аминокислота состоит из альфа-углеродного атома, к которому присоединены аминогруппа –NH2, карбоксильная группа –COOH (хотя в физиологических условиях они существуют как –NH3+ и –COO−), простой атом водорода и боковая цепь, обычно обозначаемая как “–R”. Боковая цепь “R” различна для каждой аминокислоты, всего существует 20 стандартных. Именно эта группа “R” делает каждую аминокислоту уникальной, а свойства боковых цепей в значительной степени определяют общую трехмерную конформацию белка. Некоторые аминокислоты обладают функциями сами по себе или в модифицированном виде; например, глутамат выполняет роль важного нейромедиатора. Аминокислоты могут соединяться посредством пептидной связи. В ходе этой реакции дегидратации удаляется молекула воды, и пептидная связь соединяет азот аминогруппы одной аминокислоты с углеродом карбоксильной группы другой. Полученная молекула называется дипептидом, а короткие цепочки аминокислот (обычно менее тридцати) — пептидами или полипептидами. Более длинные цепочки называются белками. Например, важный белок сыворотки крови альбумин содержит 585 аминокислотных остатков. Белки могут выполнять структурные и/или функциональные роли. Например, движения белков актина и миозина в конечном итоге отвечают за сокращение скелетных мышц. Многие белки обладают свойством специфически связываться с определенной молекулой или классом молекул — они могут быть чрезвычайно избирательны в отношении связываемых веществ. Антитела — пример белков, которые присоединяются к одному конкретному типу молекулы. Антитела состоят из тяжелых и легких цепей. Две тяжелые цепи связаны с двумя легкими цепями посредством дисульфидных связей между их аминокислотами. Специфичность антител обусловлена вариациями, основанными на различиях в N-концевом домене. Иммуноферментный анализ (ИФА), использующий антитела, является одним из наиболее чувствительных тестов, применяемых в современной медицине для обнаружения различных биомолекул. Однако, пожалуй, наиболее важными белками являются ферменты. Практически для каждой реакции в живой клетке требуется фермент, чтобы снизить энергию активации реакции. Эти молекулы распознают специфические молекулы-реагенты, называемые субстратами, и затем катализируют реакцию между ними. Снижая энергию активации, фермент ускоряет эту реакцию в 1011 раз или более; реакция, которая обычно занимает более 3000 лет для завершения спонтанно, может произойти менее чем за секунду в присутствии фермента. Сам фермент в процессе не расходуется и может катализировать ту же реакцию с новым набором субстратов. Путем использования различных модификаторов можно регулировать активность фермента, что позволяет контролировать биохимию клетки в целом. Структура белков традиционно описывается в иерархии из четырех уровней. Первичная структура белка состоит из его линейной последовательности аминокислот; например, “аланин глицин триптофан серин глутамат аспарагин глицин лизин”. Вторичная структура связана с локальной морфологией (морфология — это изучение структуры). Некоторые комбинации аминокислот имеют тенденцию скручиваться в спираль, называемую альфа-спиралью, или в лист, называемый бета-листом; некоторые альфа-спирали можно увидеть на схеме гемоглобина выше. Третичная структура — это вся трехмерная форма белка. Эта форма определяется последовательностью аминокислот. Фактически, даже одно изменение может изменить всю структуру. Альфа-цепь гемоглобина содержит 146 аминокислотных остатков; замена остатка глутамата в позиции 6 остатком валина настолько изменяет поведение гемоглобина, что приводит к серповидноклеточной анемии. Наконец, четвертичная структура связана со структурой белка, состоящего из нескольких пептидных субъединиц, например, гемоглобина с его четырьмя субъединицами. Не все белки имеют более одной субъединицы. Поглощенные белки обычно расщепляются в тонком кишечнике на отдельные аминокислоты или дипептиды, а затем всасываются. Затем они могут быть соединены для образования новых белков. Промежуточные продукты гликолиза, цикла лимонной кислоты и пентозофосфатного пути могут быть использованы для образования всех двадцати аминокислот, и большинство бактерий и растений обладают всеми необходимыми ферментами для их синтеза. Однако люди и другие млекопитающие могут синтезировать только половину из них. Они не могут синтезировать изолейцин, лейцин, лизин, метионин, фенилаланин, треонин, триптофан и валин. Поскольку они должны поступать с пищей, эти аминокислоты называются незаменимыми. Млекопитающие обладают ферментами для синтеза аланина, аспарагина, аспарагиновой кислоты, цистеина, глутамата, глутамина, глицина, пролина, серина и тирозина — незаменимых аминокислот. Хотя они могут синтезировать аргинин и гистидин, они не могут производить их в достаточном количестве для молодых, растущих животных, поэтому эти аминокислоты часто считаются незаменимыми. Если аминогруппа удаляется из аминокислоты, остается углеродный скелет, называемый альфа-кетокислотой. Ферменты, называемые трансаминазами, могут легко переносить аминогруппу с одной аминокислоты (превращая ее в альфа-кетокислоту) на другую альфа-кетокислоту (превращая ее в аминокислоту). Это важно в биосинтезе аминокислот, поскольку во многих путях промежуточные продукты других биохимических путей превращаются в альфа-кетокислотный скелет, к которому затем присоединяется аминогруппа, часто посредством трансаминирования. Затем аминокислоты могут быть соединены вместе для образования белка. Аналогичный процесс используется для расщепления белков. Сначала они гидролизуются до составляющих их аминокислот. Свободный аммиак (NH3), существующий в крови в виде иона аммония (NH4+), токсичен для живых организмов. Поэтому должен существовать подходящий метод его выведения. Различные тактики эволюционировали у разных животных, в зависимости от их потребностей. Одноклеточные организмы выделяют аммиак в окружающую среду. Точно так же костные рыбы могут выделять аммиак в воду, где он быстро разбавляется. В целом, млекопитающие превращают аммиак в мочевину посредством цикла мочевины. Чтобы определить, связаны ли два белка, или, другими словами, являются ли они гомологичными, ученые используют методы сравнения последовательностей. Методы, такие как выравнивание последовательностей и выравнивание структур, являются мощными инструментами, которые помогают ученым выявлять гомологии между родственными молекулами. Значение выявления гомологий между белками выходит за рамки формирования эволюционной картины семейств белков. Определяя, насколько похожи две последовательности белков, мы получаем знания об их структуре и, следовательно, об их функции.

Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты, так называемые из-за их распространенности в клеточных ядрах, – это общее название семейства биополимеров. Они представляют собой сложные биохимические макромолекулы с высокой молекулярной массой, способные переносить генетическую информацию во всех живых клетках и вирусах. Наиболее распространенными нуклеиновыми кислотами являются дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Фосфатная группа и сахар каждого нуклеотида соединяются друг с другом, формируя основу нуклеиновой кислоты, а последовательность азотистых оснований хранит информацию. Наиболее распространенными азотистыми основаниями являются аденин, цитозин, гуанин, тимин и урацил. Азотистые основания каждой цепи нуклеиновой кислоты образуют водородные связи с определенными другими азотистыми основаниями в комплементарной цепи нуклеиновой кислоты. Аденин связывается с тимином и урацилом, тимин – только с аденином, а цитозин и гуанин могут связываться только друг с другом. Аденин, тимин и урацил образуют две водородные связи, в то время как между цитозином и гуанином формируются три водородные связи. Помимо роли генетического материала клетки, нуклеиновые кислоты часто выступают в качестве вторичных посредников, а также являются базовой молекулой для аденозинтрифосфата (АТФ) – основной молекулы-переносчика энергии, присутствующей во всех живых организмах. Кроме того, состав азотистых оснований в двух нуклеиновых кислотах различается: аденин, цитозин и гуанин встречаются как в РНК, так и в ДНК, тогда как тимин содержится только в ДНК, а урацил – только в РНК.

Углеводы как источник энергии

Глюкоза является источником энергии для большинства живых организмов. Например, полисахариды расщепляются ферментами на свои мономеры (гликогенфосфорилаза удаляет остатки глюкозы из гликогена, являющегося полисахаридом). Дисахариды, такие как лактоза или сахароза, расщепляются на два составляющих моносахарида.

Гликолиз (анаэробный)

Глюкоза в основном метаболизируется посредством очень важного десятиэтапного пути, называемого гликолизом, конечным результатом которого является расщепление одной молекулы глюкозы на две молекулы пирувата. В процессе также образуется два чистых молекулы АТФ, энергетической валюты клеток, и два восстановительных эквивалента при преобразовании NAD+ (никотинамидадениндинуклеотид: окисленная форма) в NADH (никотинамидадениндинуклеотид: восстановленная форма). Для этого не требуется кислород; если кислород отсутствует (или клетка не может его использовать), NAD+ регенерируется путем превращения пирувата в лактат (молочную кислоту) (например, у человека) или в этанол и углекислый газ (например, у дрожжей). Другие моносахариды, такие как галактоза и фруктоза, могут быть преобразованы в промежуточные соединения гликолитического пути.

Аэробный

В аэробных клетках с достаточным количеством кислорода, как и в большинстве клеток человека, пируват подвергается дальнейшему метаболизму. Он необратимо превращается в ацетил-КоА, высвобождая один атом углерода в виде побочного продукта – углекислого газа, и образуя еще один восстановительный эквивалент в виде NADH. Две молекулы ацетил-КоА (из одной молекулы глюкозы) затем поступают в цикл лимонной кислоты (цикл Кребса), производя две молекулы АТФ, еще шесть молекул NADH и два восстановленных (уби)хинона (через FADH2 как фермент-связанный кофактор), и высвобождая оставшиеся атомы углерода в виде углекислого газа. Образующиеся молекулы NADH и хинола затем поступают в ферментные комплексы дыхательной цепи – электрон-транспортную систему, которая в конечном итоге передает электроны кислороду и сохраняет высвобождаемую энергию в виде протонного градиента через мембрану (внутренняя митохондриальная мембрана у эукариот). Таким образом, кислород восстанавливается до воды, а исходные акцепторы электронов NAD+ и хинон регенерируются. Именно поэтому люди вдыхают кислород и выдыхают углекислый газ. Энергия, высвобождаемая при переносе электронов из высокоэнергетических состояний в NADH и хиноле, сначала сохраняется в виде протонного градиента и затем преобразуется в АТФ посредством АТФ-синтазы. Это приводит к образованию дополнительных 28 молекул АТФ (24 из 8 NADH + 4 из 2 хинолов), в общей сложности 32 молекул АТФ, сохраняемых при расщеплении одной молекулы глюкозы (две из гликолиза + две из цикла лимонной кислоты). Очевидно, что использование кислорода для полного окисления глюкозы обеспечивает организм гораздо большим количеством энергии, чем любая метаболическая функция, не зависящая от кислорода, и считается, что именно поэтому сложная жизнь появилась только после накопления значительного количества кислорода в атмосфере Земли.

Глюконеогенез

У позвоночных энергично сокращающиеся скелетные мышцы (например, при поднятии тяжестей или спринте) не получают достаточного количества кислорода для удовлетворения энергетических потребностей и поэтому переходят к анаэробному метаболизму, преобразуя глюкозу в лактат. Глюкоза при этом образуется из источников, не относящихся к углеводам, таких как жиры и белки. Это происходит только при истощении запасов гликогена в печени. Данный путь представляет собой важнейший обратный процесс гликолиза – от пирувата к глюкозе – и может использовать различные источники, включая аминокислоты, глицерин и цикл Кребса. Масштабный катаболизм белков и жиров обычно наблюдается у людей, страдающих голодом или определенными эндокринными расстройствами. Печень регенерирует глюкозу посредством процесса, называемого глюконеогенезом. Этот процесс не является полным обратным гликолизу и фактически требует в три раза больше энергии, чем генерируется в ходе гликолиза (используется шесть молекул АТФ против двух, получаемых при гликолизе). Подобно описанным реакциям, образовавшаяся глюкоза может затем подвергаться гликолизу в тканях, нуждающихся в энергии, запасаться в виде гликогена (или крахмала у растений) или превращаться в другие моносахариды или объединяться в ди- или олигосахариды. Совокупность процессов гликолиза во время физической нагрузки, транспорта лактата через кровоток в печень, последующего глюконеогенеза и высвобождения глюкозы в кровоток называется циклом Кори.

Связь с другими биологическими науками "молекулярного масштаба"

Исследователи в области биохимии используют специфические методы, присущие биохимии, но все чаще объединяют их с методами и идеями, разработанными в области генетики, молекулярной биологии и биофизики. Четкой границы между этими дисциплинами не существует. Биохимия изучает химию, необходимую для биологической активности молекул, молекулярная биология – их биологическую активность, а генетика – их наследственность, которая закодирована в геноме. Это показано на следующей схеме, представляющей один из возможных взглядов на взаимосвязь между этими областями: Биохимия – это изучение химических веществ и жизненно важных процессов, происходящих в живых организмах. Биохимики уделяют большое внимание роли, функции и структуре биомолекул. Изучение химии, лежащей в основе биологических процессов, и синтез биологически активных молекул – это области применения биохимии. Биохимия изучает жизнь на атомном и молекулярном уровне. Генетика – это наука об эффектах генетических различий в организмах, которые часто можно установить по отсутствию нормального компонента (например, гена). Изучение "мутантов" – организмов, лишенных одного или нескольких функциональных компонентов по отношению к так называемому "дикому типу" или нормальному фенотипу. Генетические взаимодействия (эпистаз) часто затрудняют простую интерпретацию результатов таких "нокаут"-исследований. Молекулярная биология изучает молекулярные основы биологических явлений, фокусируясь на молекулярном синтезе, модификации, механизмах и взаимодействиях. Центральная догма молекулярной биологии, согласно которой генетический материал транскрибируется в РНК, а затем транслируется в белок, несмотря на свою упрощенность, по-прежнему является хорошей отправной точкой для понимания этой области. Эта концепция была пересмотрена в свете обнаружения новых функций РНК. Химическая биология стремится разрабатывать новые инструменты на основе малых молекул, которые позволяют минимально влиять на биологические системы, одновременно предоставляя подробную информацию об их функционировании. Кроме того, химическая биология использует биологические системы для создания неестественных гибридов между биомолекулами и синтетическими устройствами (например, опустошенных вирусных капсидов, способных доставлять гены для генной терапии или лекарственные молекулы).