Химия живого: от молекул к организму
Биохимия объясняет жизнь на молекулярном уровне. Каждую секунду в одной клетке тела происходят миллионы химических реакций: расщепление глюкозы (гликолиз), синтез белков, копирование ДНК, передача сигналов. Всё это управляется ферментами — белковыми катализаторами, которые ускоряют реакции в миллионы раз.
Биохимия возникла на стыке химии и биологии. Эдуард Бюхнер (1897) доказал, что брожение — химический процесс, не требующий живых клеток: он извлёк из дрожжей бесклеточный экстракт, который сбраживал сахар. Нобелевская премия 1907 года.
Четыре класса биомолекул
Белки — рабочие лошадки клетки. Цепочки из 20 типов аминокислот, свёрнутые в 3D-структуры. Выполняют всё: катализ (ферменты), транспорт (гемоглобин переносит O₂), защита (антитела), движение (актин и миозин в мышцах). Человеческий организм содержит ~20 000 разных белков.
Нуклеиновые кислоты — хранители информации. ДНК хранит генетический код (3,2 млрд пар оснований у человека), РНК переносит информацию и участвует в синтезе белков. Уотсон и Крик (1953) расшифровали двойную спираль ДНК — одно из главных открытий XX века.
Углеводы — топливо и структура. Глюкоза (C₆H₁₂O₆) — основной источник энергии для мозга. Гликоген — запас энергии в печени и мышцах. Целлюлоза — структурный полимер растений (самое распространённое органическое вещество на Земле).
Липиды — жиры и мембраны. Клеточная мембрана — двойной слой фосфолипидов, разделяющий внутреннее и внешнее. Жиры хранят энергию (1 г жира = 9 ккал vs. 4 ккал у углеводов). Стероиды (холестерин, гормоны) — тоже липиды.
Метаболизм: энергетика клетки
Гликолиз (открыт Эмбденом и Мейергофом, 1920-е) — расщепление глюкозы до пирувата, 2 молекулы ATP. Цикл Кребса (Ханс Кребс, 1937, Нобелевская 1953) — окисление в митохондриях, производит NADH и FADH₂. Окислительное фосфорилирование — электронно-транспортная цепь превращает NADH в ~34 ATP. Итого: одна молекула глюкозы даёт ~36 ATP — «энергетическая валюта» клетки.
Питер Митчелл (1961) предложил хемиосмотическую гипотезу: ATP синтезируется благодаря градиенту протонов через мембрану митохондрий. Поначалу идею отвергли, но через 17 лет — Нобелевская премия (1978).
Ферменты: молекулярные машины
Ферменты — белковые катализаторы с поразительной специфичностью. Модель «ключ-замок» (Эмиль Фишер, 1894): фермент узнаёт только «свой» субстрат. Современная модель — «индуцированное соответствие» (Дэниел Кошланд, 1958): фермент подстраивает форму под субстрат.
Скорости: уреаза расщепляет мочевину в 10¹⁴ раз быстрее, чем без катализатора. Без ферментов простое переваривание пищи заняло бы 50 лет вместо нескольких часов.
Современная биохимия: геномика и протеомика
Проект «Геном человека» (1990–2003, $3 млрд) расшифровал все 3,2 млрд пар оснований. Сегодня секвенирование генома стоит ~$200 и занимает сутки. CRISPR-Cas9 (Дженнифер Дудна и Эмманюэль Шарпантье, Нобелевская 2020) позволяет редактировать гены с точностью до одной буквы. Протеомика — изучение всех белков организма. AlphaFold (DeepMind, 2020) предсказал 3D-структуры 200+ млн белков — задачу, над которой биохимики бились 50 лет.