Bioķīmija

Bioķīmija^[1] jeb bioloģiskā ķīmija^[2] ir starpdisciplināra zinātnes nozare, kas pēta dzīvo organismu ķīmisko sastāvu un tajos norisošos ķīmiskos un fizikālķīmiskos procesus. Tā analizē bioloģiskās makromolekulas, piemēram, olbaltumvielas, nukleīnskābes, lipīdus un ogļhidrātus, kā arī to funkcijas, mijiedarbību un metabolismu. Bioķīmiskie procesi ir dzīvības pamatā, un tie nosaka bioloģisko sistēmu sarežģītību un funkcionalitāti.^[3] Lai pētītu dzīvības molekulāro pamatu, bioķīmija apvieno bioloģijas un ķīmijas zināšanas. Tā ir cieši saistīta ar fizioloģiju,^[4] tāpēc tiek dēvēta arī par fizioloģisko ķīmiju.^[5] Bioķīmija ir būtiska medicīnā, jo palīdz izprast slimību mehānismus, un tai ir liela nozīme farmācijā, biotehnoloģijās, lauksaimniecībā un ģenētikā.^[6][7] Tā ir cieši saistīta ar molekulāro bioloģiju, kas pēta, kā gēnos iekodētā informācija tiek izmantota organisma funkciju nodrošināšanai, ietverot tādus procesus kā replikāciju, transkripciju un translāciju.

Mioglobīna — saliktas olbaltumvielas, kas muskuļos nodrošina īslaicīgu skābekļa rezervi, — 3D struktūra

Mūsdienās bioķīmija ir būtiska gan fundamentālajos pētījumos, gan praktiskajā pielietojumā, piemēram, gēnu inženierijā, bioenerģētikā un pārtikas tehnoloģijās. Tās attīstība veicina jaunus atklājumus par dzīvības procesiem un piedāvā risinājumus dažādām globālām problēmām, tostarp veselības aprūpē un vides aizsardzībā.

Vēsture

Bioķīmija kā zinātne izveidojās pakāpeniski, attīstoties ķīmijai, bioloģijai un medicīnai. Tās pirmsākumi meklējami 18. un 19. gadsimtā, kad zinātnieki sāka pētīt dzīvības ķīmiskos procesus. Viens no bioķīmijas aizsācējiem bija Antuāns Lavuazjē, kurš 18. gadsimta beigās pētīja elpošanu un pierādīja, ka tā ir līdzīga degšanas procesam, jo skābeklis tiek patērēts un rodas oglekļa dioksīds un ūdens.^[8][9][10] Bioķīmijas kā zinātnes attīstība sākās 1828. gadā, kad vācu ķīmiķis Frīdrihs Vēlers pirmo reizi sintezēja karbamīdu (urīnvielu), pierādot, ka organiskas vielas var tikt mākslīgi sintezētas, tādējādi apstrīdot vitālismu.^[11][10]

19. gadsimtā būtisku ieguldījumu bioķīmijā deva Luijs Pastērs, kurš pētīja rūgšanu un mikroorganismu lomu tajā. Viņš atklāja, ka rūgšanu izraisa dzīvi organismi, tādējādi noraidot iepriekšējo uzskatu, ka šis process ir tikai ķīmiska reakcija. Pastēra darbi bija pamats mikrobioloģijas un bioķīmijas attīstībai. 19. gadsimta beigās un 20. gadsimta sākumā Hermanis Emils Fišers veica nozīmīgus pētījumus par ogļhidrātiem un olbaltumvielām. Viņš izstrādāja enzīmu modeli, kas palīdzēja izprast to specifiskumu un darbības mehānismus.

Bioķīmijas attīstībā nozīmīgi bija Hansa Ādolfa Krebsa atklājumi. 1937. gadā viņš atklāja trikarbonskābju ciklu (Krebsa ciklu), kas bija būtisks solis šūnu elpošanas un enerģijas ražošanas procesu skaidrošanā.^[10] 20. gadsimtā jaunu pētījumu metožu un tehnoloģiju dēļ bioķīmija ļoti strauji attīstījās. Džeimss Votsons un Frānsiss Kriks 1953. gadā atklāja DNS dubultspirāles struktūru, kas pavēra jaunas iespējas molekulārajā bioloģijā un ģenētikā.^[10] 20. gadsimta otrajā pusē attīstījās arī bioķīmiskās analīzes metodes, piemēram, hromatogrāfija, spektroskopija un elektroforēze, kas palīdzēja labāk izprast biomolekulu uzbūvi un funkcijas.

Pamatprincipi

Bioķīmija pēta dzīvības procesus molekulārā līmenī, analizējot šūnās notiekošās ķīmiskās reakcijas un enerģijas plūsmas. Dzīvie organismi ir atvērtas sistēmas, kas nepārtraukti mijiedarbojas ar apkārtējo vidi, uzņemot vielas un enerģiju, lai uzturētu homeostāzi un nodrošinātu organisma augšanu, attīstību un vairošanos. Šo pamatprincipu izpēte ir būtiska, lai izprastu šūnu darbību, vielmaiņas slimības un attīstītu jaunas medicīniskās un biotehnoloģiskās metodes.

Šūnu dzīvības procesi ir balstīti uz sarežģītiem bioķīmiskiem mehānismiem, kas nodrošina to augšanu, attīstību un pielāgošanos apkārtējai videi. Viens no būtiskākajiem procesiem ir vielmaiņa (metabolisms), kas ietver ķīmisko reakciju kopumu, kas atbild par enerģijas ražošanu un biomolekulu sintēzi. Vielmaiņa tiek iedalīta katabolismā, kurā notiek vielu noārdīšana un enerģijas atbrīvošana, un anabolismā, kas nodrošina jaunu biomolekulu sintēzi, izmantojot iegūto enerģiju. Šūnu bioķīmiskie procesi lielā mērā ir atkarīgi no enzīmu reakcijām. Enzīmi darbojas kā bioloģiskie katalizatori, paātrinot ķīmiskās reakcijas bez gala produktu izmainīšanas. Tie nodrošina vielmaiņas reakciju efektivitāti un precizitāti. Lai uzturētu harmonisku darbību, šūnām ir nepieciešama signālu pārraide, kas ļauj tām saņemt un apstrādāt informāciju no apkārtējās vides. Šis process tiek īstenots ar receptoru un signālpārneses ceļu palīdzību, kas regulē šūnu atbildes reakcijas, piemēram, vielmaiņas intensitāti vai gēnu ekspresiju. Savukārt gēnu ekspresija ir mehānisms, kas nosaka šūnas spēju sintezēt olbaltumvielas, kas ir būtiskas tās struktūrai un funkcijām. Šis process ietver transkripciju, kurā DNS informācija tiek pārrakstīta RNS molekulā, un translāciju, kas notiek ribosomās un nodrošina olbaltumvielu sintēzi.

Dzīvības procesi norit saskaņā ar termodinamikas likumiem, kas nosaka enerģijas plūsmas un pārvērtības dzīvajos organismos. Pirmais termodinamikas likums nosaka, ka enerģiju nevar ne radīt, ne iznīcināt — tā var tikai pāriet no vienas formas citā. Dzīvie organismi šo principu izmanto, pārvēršot ķīmisko enerģiju, kas uzkrāta barības vielās, adenozīntrifosforskābes (ATF) molekulās.^[10] ATF kalpo kā galvenais enerģijas nesējs un tiek izmantots dažādu bioķīmisko procesu nodrošināšanai, piemēram, muskuļu kontrakcijām, aktīvajai vielu transportēšanai un biosintēzes reakcijām. Savukārt otrais termodinamikas likums nosaka, ka visi dabiskie procesi norit entropijas (nekārtības) pieauguma virzienā. Dzīvajām sistēmām, lai saglabātu organizētību un veiktu sarežģītas funkcijas, nepārtraukti jāuzņem enerģija no apkārtējās vides un jāpārveido to šūnu darbībai nepieciešamajā veidā. Šo enerģijas apmaiņu nodrošina dažādi vielmaiņas procesi, piemēram, glikolīze, Krebsa cikls un oksidatīvā fosforilēšana, kas efektīvi pārveido ķīmisko enerģiju bioloģiski izmantojamā formā.^[10]

Enerģijas ražošana šūnās notiek dažādos bioķīmiskajos veidos, kas nodrošina dzīvībai nepieciešamo ATF sintēzi. Viens no šiem procesiem ir glikolīze, kuras laikā glikoze tiek noārdīta anaerobos apstākļos, veidojot ATF un gala produktus, piemēram, pienskābi vai etanolu. Šis process nodrošina ātru enerģijas iegūšanu, īpaši gadījumos, kad skābekļa pieejamība ir ierobežota. Ja skābeklis ir pieejams, šūnas turpina enerģijas iegūšanu Krebsa ciklā, kas norisinās mitohondrijos. Šajā ciklā organiskās vielas tiek pilnībā oksidētas, un rodas enerģētiski bagātas molekulas — NADH un FADH₂, kas tālāk tiek izmantotas elpošanas ķēdē. Visbeidzot, visefektīvākais enerģijas iegūšanas mehānisms ir oksidatīvā fosforilēšana, kas notiek mitohondriju iekšējā membrānā. Elektronu transporta ķēdes gaitā NADH un FADH₂ atbrīvotie elektroni tiek nodoti elpošanas ķēdei, radot protonu gradientu, kura enerģiju izmanto ATF sintēzei. Šajā procesā tiek saražota lielākā daļa šūnai nepieciešamās ATF, padarot to par centrālo enerģijas ražošanas posmu aerobos organismos.

Bioķīmijas trīs galvenie pētījumu virzieni ir statiskā bioķīmija, dinamiskā bioķīmija un funkcionālā bioķīmija.^[4] Statiskajā bioķīmijā pēta organismu ķīmisko sastāvu.^[4] Liela uzmanība vērsta uz bioloģisko makromolekulu struktūru, funkcijām un savstarpējām pārvērtībām dzīvā šūnā, jo tie rada ķīmiskos un fizikālķīmiskos procesus, kas notiek dzīvās šūnās un starp šūnām, kas savukārt lielā mērā attiecas uz audu, orgānu un organisma struktūras un funkciju izpēti un izpratni. Bioloģiskās makromolekulas ir olbaltumvielas, nukleīnskābes (piemēram, DNS un RNS), ogļhidrāti, lipīdi un to metabolīti. Dinamiskajā bioķīmijā pēta vielmaiņas reakcijas un to regulāciju.^[4] Vielmaiņa nodrošina dzīvības procesus un tās uzturēšanu. Funkcionālajā bioķīmijā pēta, kā vielmaiņas reakcijas pieskaņojas organisma funkcionālajam stāvoklim.^[4] Šajā sfērā nozīmīgs pētījumu lauks ir sporta bioķīmija.

Bioloģiskās makromolekulas

DNS struktūra

Bioloģiskās makromolekulas ir liela izmēra organiskie savienojumi, kas veido dzīvo organismu struktūru un nodrošina būtiskus bioķīmiskos procesus. Tās ietver olbaltumvielas, nukleīnskābes, lipīdus un ogļhidrātus. Šīs makromolekulas kopā nodrošina organisma dzīvības procesus, ne tikai veidojot šūnu struktūru, bet arī uzkrājot enerģiju un nodrošinot informācijas pārnesi.

Olbaltumvielas ir veidotas no aminoskābēm un savienotas ar peptīdsaitēm, veidojot sarežģītas struktūras. To primārā struktūra nosaka aminoskābju secību, bet sekundārā, terciārā un kvartārā struktūra ietekmē telpisko organizāciju un funkcionalitāti. Šo struktūru sarežģītība ļauj olbaltumvielām pildīt dažādas svarīgas funkcijas organismā. Olbaltumvielas piedalās strukturālo elementu veidošanā, piemēram, kolagēns nodrošina saistaudu izturību, bet keratīns veido ādas, matu un nagu struktūru. Tās ir arī būtiskas transportā, nodrošinot vielu pārvietošanos organismā, piemēram, hemoglobīns asinīs saista un transportē skābekli. Regulējošās funkcijas izpaužas hormonu un receptoru veidā, kas koordinē organisma darbību un nodrošina šūnu signālu pārraidi. Turklāt tās ir svarīgas imūnsistēmā, jo antivielas palīdz cīnīties pret patogēniem un aizsargā organismu no slimībām. Īpašu nozīmi bioķīmiskajos procesos ieņem enzīmi, kas darbojas kā katalizatori un paātrina dažādas ķīmiskās reakcijas bez olbaltumvielas patērēšanas. Tie ļauj organismam efektīvi sintezēt un noārdīt vielas, nodrošinot vielmaiņas reakciju kontroli un norisi atbilstošā ātrumā.

Nukleīnskābes — dezoksiribonukleīnskābe (DNS) un ribonukleīnskābe (RNS) — satur un pārnes ģenētisko informāciju. DNS ir divspirālveida polimērs, kas sastāv no nukleotīdiem un glabā iedzimtības informāciju. DNS gēni kodē olbaltumvielu sintēzei nepieciešamo informāciju, kas tiek realizēta caur transkripciju (DNS pārvēršās RNS) un translāciju (RNS pārvēršas olbaltumvielās).^[10] RNS veic dažādas funkcijas, tostarp ģenētiskās informācijas pārnešanu (mRNS), transportu (tRNS) un ribosomu struktūras veidošanu (rRNS).

Lipīdi nodrošina enerģijas rezerves un veido šūnu membrānas. Tie ir būtiski gan šūnu struktūrai, gan dažādiem fizioloģiskajiem procesiem. Viena no svarīgākajām lipīdu grupām ir fosfolipīdi, kas veido bioloģisko membrānu pamatu. Tie veido divslāņu struktūru, kas nodrošina šūnu barjerfunkciju, regulējot vielu transportu starp šūnas iekšpusi un ārējo vidi. Triglicerīdi, kas ietver taukus un eļļas, ir galvenā organisma enerģijas rezerve, jo tie tiek uzkrāti taukaudos un nepieciešamības gadījumā izmantoti enerģijas iegūšanai. Savukārt steroli, piemēram, holesterīns un tā atvasinājumi, piedalās šūnu membrānu caurlaidības regulācijā un kalpo kā prekursors steroīdo hormonu sintēzei, kas ir būtiski dažādu fizioloģisko funkciju regulācijai.

Ogļhidrāti ir organisma galvenais enerģijas avots un pilda arī nozīmīgas strukturālās funkcijas. Tie sastāv no oglekļa, ūdeņraža un skābekļa atomiem un ir atrodami dažādos bioloģiskos procesos. Atkarībā no to struktūras ogļhidrāti iedalās vairākās grupās. Monosaharīdi, piemēram, glikoze un fruktoze, ir vienkāršākās ogļhidrātu vienības, kas tieši tiek izmantotas enerģijas ražošanai šūnās. Disaharīdi, piemēram, saharoze un laktoze, sastāv no diviem monosaharīdiem un hidrolīzes procesā tiek pārveidoti par vienkāršākām formām, lai nodrošinātu enerģiju organismam. Polisaharīdi, piemēram, ciete augos un glikogēns dzīvniekos, darbojas kā ilgtermiņa enerģijas krātuves, kas tiek izmantotas, kad nepieciešama papildu enerģija. Papildus enerģētiskajai funkcijai daži polisaharīdi veido strukturālus elementus. Celuloze ir augu šūnapvalku galvenā sastāvdaļa, nodrošinot izturību un stabilitāti, savukārt hitīns veido dažu bezmugurkaulnieku, piemēram, kukaiņu un vēžveidīgo, ārējos skeletus.^[10]