Biochemie

Jednoduché organismy

Biochemie je vědecká disciplína na pomezí biologie a chemie. Zabývá se chemickými pochody v živých organismech. Předmětem studia biochemie je struktura a funkce základních stavebních kamenů živé hmoty jako jsou sacharidy, tuky, bílkoviny, nukleové kyseliny a další biomolekuly. Tyto látky tvoří buňky, které jsou jednotkami živých organismů a vykonávají jejich základní životní funkce – dýchání, reakce na podněty, metabolismus a rozmnožování.

Biochemie se snaží na základě znalosti chemické struktury látek a chemických reakcí mezi nimi popsat procesy, které probíhají v buňkách, tkáních a orgánech živých organismů. Pomocí toho pak popsat strukturu a funkci těchto organismů. Biochemie úzce souvisí s molekulární biologií, která studuje molekulární mechanismy biologických procesů.

Předmětem zkoumání biochemie jsou biomolekuly (sacharidů, lipidů, bílkovin, nukleových kyselin), jejich struktury a jejich reakce. Dále je to metabolismus (které látky se ho zúčastňují, jak se přeměňují, jak probíhají příslušné mechanismy a jak jsou kontrolovány). A neméně důležité je studium výměny informací v živých organismech (jak jsou informace uchovávány, získávány a přenášeny, jak jsou různé systémy koordinovány v rámci buňky, mezi různými buňkami a mezi organismy). A mnoho dalších procesů v živých organismech.

Historie biochemie

Počátky biochemie a organické chemie spadají do roku 1828, kdy německý chemik Friedrich Wöhler syntetizoval jednoduchou organickou látku (močovinu) z anorganických látek kyanátu draselného a síranu amonného. Tím dokázal, že živá a neživá příroda jsou tvořeny stejnými prvky, a že lze z anorganických látek připravit stejné látky, jaké se nalézají v živé přírodě. V roce 1833 byl Payenem izolován první enzym amyláza, tj. enzym rozkládající škrob.

Velký rozmach biochemie nastal ve 20. století spolu s rozvojem nových experimentálních technik jako chromatografie, elektroforéza, rentgenová difrakce, NMR spektroskopie, mikroskopie a technik molekulární biologie.

V dnešní době je tak známa většina metabolických pochodů v živých buňkách, víme jak buňka získává energii, z čeho se skládá a jak komunikuje se svým okolím. Máme představu i o tom, v čem se jednotlivé formy života liší a co mají naopak společného.

Milníky v biochemii

19. století

• 1805 – Objev a izolace první aminokyseliny Pierrem Jeanem Robiquetem a Louisem-Nicolasem Vauquelinem
• 1828 – Syntéza organické močoviny z anorganického kyanovodíku amonného Friedrichem Wöhlerem
• 1833 – Objev prvního enzymu (diastázy) Anselme Payen
• 1869 – Objev jádra genetického materiálu Friedrichem Miescherem
• 1896 – Objev fermentace bez buněk Eduardem Buchnerem

20. století

• 1904 – Syntéza hormonu (testosteron) Friedrich Stolz
• 1926 – Objev respirační fermentační cytochromoxidázy Otto Warburgem
• 1927 – Izolace vitaminu C z nadledvin, pomerančového džusu nebo bílého zelí Albertem von Szent-Györgyi Nagyrápoltem
• 1929 – Objasnění mechanismu glykolýzy Gustavem Embdenem a Otto Meyerhofem, jakož i Jakubem Parnasem
• 1932 – Objasnění citrátového cyklu Hanse Adolfa Krebse
• 1953 – Objasnění struktury DNA Jamesem Watsonem, Francisem Crickem a Rosalind Franklinovou

Předmět zkoumání biochemie

Základní chemické prvky živých organismů

Pro živé organismy jsou nezbytné přibližně dvě desítky chemických prvků, ale pouze šest prvků (uhlík, vodík, dusík, kyslík, vápník a fosfor) tvoří téměř 99 % hmotnosti živých buněk. Dalšími nezbytnými prvky jsou draslík, síra, chlor, sodík, hořčík a další. Tyto prvky se nazývají makrobiogenní prvky nebo také makroelementy. V malých množstvích se ve většině živých organismů vyskytují železo, měď, zinek, mangan. V živočišných organismech jsou to navíc jod, fluor, kobalt, vanad a další. V rostlinných organismech jsou to navíc křemík, bor, molybden a další. Tyto prvky se nazývají mikrobiogenní prvky nebo také mikroelementy.

Ze sloučenin převažují kyseliny a jejich soli, především chloridy, uhličitany, fosforečnany a fluoridy.

Základní biomolekuly živých organismů

Základními molekulami živých organismů, v biochemii často nazývané biomolekuly, jsou sacharidy, lipidy, bílkoviny a nukleové kyseliny. Jednoduché molekuly těchto látek nazýváme monomery a složité makromolekuly nazýváme polymery. A právě vytváření polymerů z monomerů je základem vzniku a fungování živých organismů.

Sacharidy

Sacharidy mají v živých organismech dvě hlavních funkce – skladování energie a vytváření struktury. Jedněmi z nejdůležitějších sacharidů pro organismy jsou glukóza, fruktóza, ribóza nebo deoxyribóza. Na Zemi je více sacharidů než jakýchkoliv jiný známých biomolekul. Používají se k ukládání energie a genetické informace, hrají důležitou roli v interakcích a komunikaci mezi buňkami.

Lipidy

Lipidy mají v živých organismech dvě hlavní funkce – zásobárna energie a ochrana orgánů. Patří sem především tuky, oleje, vosky, některé vitamíny a hormony. Mohou být v kapalném nebo pevném skupenství.

Chemicky jsou to převážně estery vyšších mastných kyselin a alkoholů. Přesněji řečeno se jedná o deriváty mastných kyselin jednosytného nebo trojsytného alkoholu. Mastné kyseliny jsou vyšší karboxylové kyseliny nasycené nebo nenasycené.

Bílkoviny

Molekula myoglobinu, první bílkovina, jejíž struktura byla objasněna.

Bílkoviny (proteiny) jsou podstatou živých organismů, kde plní různé funkce:

• stavební (kolagen, elastin, keratin)
• transportní a skladovací (hemoglobin, transferin)
• zajišťující pohyb (aktin, myosin)
• katalytické, řídící a regulační (enzymy, hormony, receptory, …)
• ochranné a obranné (imunoglobulin, fibrin, fibrinogen)

Jsou to makromolekuly složené z aminokyselin spojených peptidovou vazbou mezi karboxylem jedné aminokyseliny a aminoskupinou následující aminokyseliny.

Nukleové kyseliny RNA a DNA, jedny z nejsložitějších makromolekul živých organismů.

Nukleové kyseliny

Nukleové kyseliny řídí syntézu bílkovin a určují program činnosti buňky a tím i celého organizmu.

Nejběžnějšími nukleovými kyselinami jsou kyselina ribonukleová (RNA – RiboNucleic Acid) a kyselina deoxyribonukleová (DNA – DeoxyriboNucleic Acid). V RNA i v DNA jsou vždy čtyři druhy nukleotidů. Jejich různým pořadím v řetězci lze dosáhnout obrovského počtu kombinací. Právě sekvence jednotlivých druhů nukleotidů, která tvoří primární strukturou makromolekuly, v sobě uchovává genetickou informaci. Molekuly DNA jsou pravděpodobně největšími jednotlivými známými makromolekulami.

Nukleové kyseliny jsou makromolekuly tvořené polynukleotidovým řetězcem, který je z chemického hlediska polymerem nukleotidů. Nukleotidy jsou monomery složené ze tří složek: kyselina fosforečná, pěti uhlíkový monosacharid a dusíkatá báze.

Metody biochemie

V biochemii se používají různé metody z různých oborů. Klasická biochemie využívá především analytickou chemii, organickou chemii, fyzikální chemii a fyziku. Důležité techniky jsou centrifugace, ultrazvukové trávení, elektroforéza gelu SDS, chromatografie, spektroskopie, radioaktivní značení, nukleární medicína, izotopové techniky, krystalizace, rozpad buněčné stěny chlazením a Amesův test. Dále to jsou potenciometrické, elektrometrické, polarografické a manometrické techniky. V současnosti přibyly k molekulárně biologickým metodám i metody z oblasti informatiky a matematiky. Kvantitativní hodnocení výsledků se bez matematických metod a tvorby formálních teorií pomocí matematiky neobejde.

Význam biochemie

Bouřlivý rozvoj biochemie a molekulární biologie má velký význam pro medicínu (klinická biochemie), zemědělství, průmysl, ochranu životního prostředí a další obory lidské činnosti.

V medicíně biochemici zkoumají příčiny a léčbu onemocnění. Zabývají se i studie výživy, nutričními potravinami – jejich nedostatkem nebo přebytkem. V zemědělství biochemici zkoumají půdu, hnojiva, zlepšení pěstování plodin, skladování plodin a kontrolu škůdců.

Studium biochemie

V České republice lze studovat biochemii jakožto obor na těchto fakultách:

• Přírodovědecká fakulta Univerzity Karlovy
• Vysoká škola chemicko-technologická v Praze
• Přírodovědecká fakulta Univerzity Palackého v Olomouci
• Přírodovědecká fakulta Masarykovy univerzity v Brně.

Odkazy

Reference

V tomto článku byly použity překlady textů z článků Biochemie na německé Wikipedii a Biochemistry na anglické Wikipedii.

Literatura

• KODÍČEK, Milan. Biochemické pojmy - výkladový slovník, verze 2.0 [online]. VŠCHT v Praze, 2007. Dostupné online. ISBN 978-80-7080-669-2. 

Související články

• Klinická biochemie
• Molekulární biologie
• Strukturní biologie

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu biochemie na Wikimedia Commons
• Slovníkové heslo biochemie ve Wikislovníku
• Biochemie a její podobory (cz)

Autoritní data	NKC: ph114149 PSH: 6185 BNE: XX525252 GND: 4006777-4 HDS: 044243 LCCN: sh85014171 NARA: 10638831 NDL: 00570312 NLI: 987007282564405171

Portály: Chemie | Biologie