I. INTRODUCERE

Biochimia este studiul vieţii la nivel molecular. Unul din obiectivele fundamentale ale biochimiei este cunoaşterea compoziţiei chimice al organismului uman şi clasele de molecule care sunt implicate în procesele vieţii, biochimia, este, de fapt, un studiu al bazelor moleculare ale vieţii. Biochimia este, de asemenea, interesată de producţia şi utilizarea moleculelor combustibil (aceea furnizată de organismul viu) şi energia chimică necesară pentru menţinerea statutului de organizare superioară. Bazele chimice ale mai multor procese sunt deja înţelese. Biochimia fiind o ştiinţă a secolului XX, în concepţia modernă, este o disciplină de graniţă între biologie şi chimie, fără a se putea trage o linie netă de separaţie.

Începuturile biochimiei sunt îndepărtate. Le găsim sub formă de cunoştinţe empirice (casnice sau meşteşugăreşti) de panificaţie, vinificaţie, pielărie, medicină etc. La popoarele preistorice şi antice; ca metode experimentale preparative – extractive la alchimiştii evului mediu (sec. IV – XV) aplicate de aceştia la izolarea alcoolului etilic, a acidului acetic de fermentaţie etc.; ca încercări de a introduce chemoterapia, la iatrochimiştii renaşterii, fondatorii chimiei medicale (sec. XVI – XVII); ca cercetări asupra unor importanţi produşi biologici, cum a fost ureea (Rounelle, 1773), acidul uric (Scheele, 1779) etc., în perioada flogistică din istoria chimiei (sec. XVIII). Acumularea unui număr mare de cunoştinţe a permis apoi efectuarea experienţei prin care A. L. Lavoisier (1777) a dovedit că în organismul omului substanţele organice sunt arse cu oxigenul molecular, această oxidare reprezentând sursa de căldură animală a corpului omenesc.

Primele cercetări în biochimie au început în urmă cu mai bine de 200 de ani, dar datorită complexităţii structurale ale biomoleculelor şi a aspectelor metabolice extrem de sofisticate rezultatele au întârziat să apară. Pionierul cercetării biochimice este chimistul suedez Karl Scheele (1742 -

5

1786) care a studiat compoziţia chimică a plantelor şi a ţesuturilor animale. El reuşeşte să izoleze o serie de substanţe naturale dintre care amintim acizii tartric, lactic, uric, oxalic, citric şi malic, alături de glicerină, diferiţi esteri şi cazeină. Chimia a putut veni în ajutorul medicinii datorită progresului realizat încă în secolul al XIX-lea. La începutul secolului XIX Jöns Berzelius şi Justus Liebig au dovedit că substanţele descoperite de Scheele conţin carbon. Eşecurile privind sinteza acestor substanţe în laborator l-au determinat pe Berzelius să facă o distincţie dintre substanţele chimice de origine minerală, de care se ocupă chimia anorganică şi substanţele provenite din regnul vegetal şi animal, de care se ocupă chimia organică (în mod obligatoriu să conţină atomi de carbon). După Berzelius substanţele organice nu pot fi obţinute în laborator, decât numai de către plante şi animale sub acţiunea forţei vitale (vis vitalis) şi aceste substanţe nu se supun aceloraşi legi care guvernează în chimia anorganică. Cercetările ulterioare efectuate de către Friedrich Wöhler (1800 - 1882) au infirmat teoria vitalistă prin realizarea transformării izocianatului de amoniu (considerată substanţă anorganică) în uree (substanţă de origine animală). Lucrarea lui Wöhler a fost urmată de sinteza acidului acetic de către Adolf Kolbe în 1844 şi sinteza de diferiţi compuşi acizi de către Marcellin Berthelot în 1850.

Structura grăsimilor a fost în atenţia cercetătorilor din secolul XIX prin lucrările lui Michel Chevreul (1786 - 1889). El a demonstrat prin studiile asupra reacţiilor de saponificare că produsul de hidroliză conţine glicerină şi diferiţi acizi. Diferite alte lucrări au contribuit în această perioadă la determinarea structurii biochimice, dintre care cele mai spectaculoase rezultate s-au obţinut în Germania, în laboratorul lui Emil Fischer (1852 - 1919). Pe parcursul acestor studii s-au făcut progrese remarcabile în ce priveşte structura hidraţilor de carbon, aminoacizilor şi grăsimilor.

În secolul al XIX-lea s-au iniţiat, de asemenea, lucrări privind izolarea şi caracterizarea substanţelor macromoleculare provenite din materia organică. O notă distinctă o constituie lucrările lui Mulder, Liebig şi Schützenberger şi alţii care au izolat aminoacizii din proteine hidrolizate urmate de deducţiile lui Ficher care a dovedit modul în care aceşti aminoacizi sunt legaţi în structura proteică. În anul 1868 F. Miescher descoperă acizii nucleici din nucleul celulei şi a iniţiat o serie de cercetări privind proprietăţile acestora.

În cercetările biochimice s-au conturat două direcţii principale: biochimia descriptivă (statică), care cercetează compoziţia chimică a

6

materiei vii şi biochimia dinamică, având ca obiectiv de cercetare procesele chimice care au loc în organismele vii. Totalitatea lor constituie metabolismul, care cu cele două laturi opuse ale sale (asimilaţia şi dezasimilaţia

Primele cercetări privind procesele metabolice au fost iniţiate tot în secolul XIX. Cercetările lui Louis Pasteur asupra procesului de fermentaţie sunt lucrări de importanţă majoră. El identifică organisme diferite care duc la produşi diferiţi de fermentaţie. Louis Pasteur introduce pentru prima dată conceptul de organisme aerobe şi anaerobe. Teoriile lui Pasteur au fost revoluţionare pentru medicină şi graţie lor chirurgia practică asepsia şi antisepsia.

Alte lucrări importante din secolul XIX sunt acelea care se referă la procesul de fotosinteză şi de fixarea dioxidului de carbon de către plante (Horace de Saussure), studiile referitoare la procesele de digestie de Lazaro Spallanzani, René de Réaumur, William Beaumont şi Claude Bernard.

Aspectele metabolice ale biochimiei au fost abordate în secolul XX, rezultatele fiind concertate spre aplicaţii în medicină şi agricultură. Din punct de vedere medical înţelegerea cercetărilor nutriţionale sunt de mare importanţă. Recunoaşterea semnificaţiilor factorilor alimentari au fost efectuate de Frederick Hopkins de la Universitatea Cambridge. Tot aici au urmat o serie de experienţe extensive utilizându-se diete sintetice, cei mai importanţi autori au fost Babcoock, McCollum, Osborne, Sherman şi Mendel. O serie de boli cum ar fi pelagra, scorbutul, rahitismul şi beriberi au fost recunoscute a fi carenţe alimentare, care se pot trata prin administrare de vitamine (acest termen a fost introdus de biochimistul polonez Funk). În acest domeniu, o notă aparte o constituie lucrările lui McCollum, Szentgyörgyi, Steenkock şi Elvehjem.

Astăzi chimia biologică ocupă un loc bine definit alături de alte ramuri ale chimiei. Obiectul ei este studiul materiei vii. Biochimia întrebuinţează metodele, ipotezele, teoriile şi legile chimiei în scopul cunoaşterii fenomenului vital. Ea este, indiscutabil, legată şi de alte ştiinţe ale materiei vii ca fiziologia, microbiologia, farmacologia etc.

Se înţelege uşor că şi clinica are un aspect biochimic într-o măsură importantă. Clinica nu se poate limita la observarea semnelor, ea pune sub semnul întrebării problema genezei, amintim, în acest sens, despre diabet, avitaminoze, tulburări endocrine etc. Toate aceste fenomene au cerut cercetarea chimică şi explicarea fenomenelor. Pentru progresul realizat astăzi de biochimie se cuvine să amintim numele chimiştilor Emil Fischer şi

7

Hawarth care au dovedit constituţia glucidelor, apoi Hans Fischer privind structura coloranţilor tetrapirolici şi Windaus în legătură cu steroidele şi acizii biliari. În mai toate domeniile se înşiră nume de medici şi fiziologi cum ar fi Eijkmann, Banting, Best, Alden, Addison, Zondek etc. Munca este divizată. Medicul constată existenţa tulburărilor metabolice, semnele clinice, fiziologul fixează testul farmacologic, iar chimistul face separarea substanţei active din materia primă animală sau vegetală, în fine, chimistul mai efectuează analiza funcţională şi eventual sinteza.

Lucrarea lui Buchner asupra capacităţii celulelor libere de a produce fermentaţia cu foloase energetice a determinat mai multe laboratoare să atace această problemă. Astfel Harden şi Young, Embden şi Meyerhof aduc rezultate în completarea cunoştinţelor despre căile biochimice. Rezultatele lui Warburg, din această perioadă, au elucidat necesitatea prezenţei cofactorilor la procesul de fermentaţie. Lucrările de excepţie ale lui Krebs asupra proceselor oxidative în metabolismul hidraţilor de carbon au fost urmate de importante descoperiri în aria metabolismului intermediar, în mod special de către Green, Lynen, Leloir, Bloch, Kennedy, Krebs, Davis şi Shemin. Considerentele biochimice arată cu energia chimică este necesară în procesele de biosinteză, mecanismelor responsabile pentru transportul celular, efectuarea unui lucru mecanic intracelular şi contracţia musculară.

A suscitat, apoi, interes descoperirea lui Sumner din 1926 privind acţiunea biocatalizatorilor, care sunt de fapt enzime cu structură proteică. Următorul pas a fost izolarea şi purificarea unor proteine cu acţiune catalitică şi a studiilor cinetice asupra catalizei enzimatice. Aceste lucrări au atras atenţia asupra caracterului dinamic a proceselor biochimice, cu ponderea cea mai mare asupra enzimelor.

În prima parte a secolului XX tema centrală a biochimiei era descoperirea produşilor metabolismului intermediar şi elucidarea căilor de sinteză şi degradare a constituenţilor ţesuturilor vii. Deşi studiile interesante cu intermediarii metabolici continuă să fie importante, acestea nu au dominat mult timp cercetarea în acest domeniu. Descoperirea structurii dublu elicoidale a acidului dezoxiribonucleic (ADN), elucidarea codului genetic, determinarea structurii tridimensionale a numeroaselor proteine şi elucidarea căilor metabolice centrale sunt domeniile de activitate a biochimiei. Organisme diferite ca şi Escherichia coli şi cel uman au unele trăsături comune la nivel molecular. Acestea folosesc aceleaşi structuri macromoleculare. Transferul informaţiei genetice de la AND la acidul ribonucleic (ARN) apoi la proteine este esenţial la ambele specii. Ambele

8

specii utilizează adenozintrifosfatul (ATP) ca şi curent de energie. La ora actuală, cercetarea biochimică este orientată pe următoarele domenii:

1. metabolism intermediar;2. chimia fizică a macromoleculelor biologice (proteine şi acizi

nucleici);3. chimia organică a reacţiilor catalizate enzimatic;4. biosinteza proteinelor şi a acizilor nucleici;5. mecanisme particulare de formare a dezozintrifosfatului în

procese oxidative şi de fosforilare;6. mecanisme de control celular;7. ultrastructura celulei;8. bazele moleculare ale geneticii şi dezvoltarea fenomenului;9. bazele moleculare ale fenomenelor fiziologice, incluzând

transmisiile nervoase, contracţiile musculare, vederea şi transportul membranar.

Vorbind despre viaţă, Szengyörgyi afirmă că trebuie precizat ce înţelegem prin această noţiune, întrucât naturaliştii, filozofii şi poeţii îi atribuie un înţeles diferit. Acestea sunt trei tipuri principale de gândire umană, acelaşi lucru fiind astfel văzut şi altfel abordat de fiecare. Biologia şi specialiştii din acest domeniu nu fac decât să măsoare şi se străduie să aducă rezultatele diferitelor măsurători la un numitor comun. Ei nu iau în considerare ceea ce nu poate fi măsurat cu gramul, metrul sau secunda. Filozofii încearcă să-şi explice constatările în cadrul unui sistem propriu de gândire, în timp ce poeţii spun că unica realitate este trăirea lor lăuntrică. Toate aceste puncte de vedere şi metode sunt deopotrivă de îndreptăţite. În funcţie de persoana şi posibilităţile lui, fiecare individ aparţine uneia dintre aceste categorii, dar hotarele nu sunt distincte, căci adevăraţii oameni de ştiinţă sunt şi puţin filozofi, şi puţin poeţi, şi viceversa. Astfel, vorbind despre viaţă, nici noi nu ne vom limita cu stricteţe la un singur mod de a o considera; important însă, este să nu confundăm lucrurile, să ne dăm bine seama dacă privim prin prisma ştiinţelor naturii, a filozofiei sau a poeziei.

Adiţional adresându-se unor procese fiziologice biochimia joacă un rol importanr în stabilirea patogenezei bolilor. Un studiu complet complet a proceselor patologice se poate stabili numai după descoperirea mecanismelor biochimice. Un rol deosebit a avut biochimia în lămurirea unor activităţi farmacodinamice. Pentru aşi exercita efectul farmacodinamic, un medicament trebuie mai întâi să pătrundă în organism şi apoi să ajungă la organul unde are loc acţiunea respectivă. Acţiunea

9

farmacodinamică este rezultatul interacţiunii dintre medicament şi organism. Consecinţa acestei interacţiuni este stimularea sau inhibarea unor funcţii biochimice şi aducerea la un nivel fiziologic a unor funcţii perturbate. Pentru a ajunge la locul acţiunii, un medicament, ca şi în general compuşii străini organismului, va fi supus acţiunii unor procese biochimice, terminând în final cu eliminarea din organism.

Principiile fundamentale ale biochimiei sunt rezumate după cum urmează:

1. toate formele de viaţă sunt constituit din unităţi fundamentale ale celulelor;

2. celulele ascultă de legile chimiei şi ale fizicii;3. reacţiile biochimice sunt catalizate de enzime;4. enzimele sunt proteine cu caracter de catalizatori (legea lui Sumner),

ribozomii sunt ARN-catalizatori (legea lui Cech);5. soarele este sursa primară de energie pentru viaţă,6. procesele biochimice se desfăşoară cu eliberare de energie liberă;7. ATP este transportorul comun a schimbului de energie în toate

formele de viaţă (legea lui Lipmann)8. calea finală comună a metabolismului oxidativ este ciclul acizilor

tricarboxilici;9. energia cinetică a unui proton furnizează energia necesară pentru

sinteza ATP-ului în: (a) fosforilarea oxidativă la aerobe şi (b) fotofosforilarea în organismele fotosintetizante;

10. energia de hidroliză a ATP este prevăzută pentru gradientul ionic, gradientul ionic prevede energia pentru transportul metaboliţilor;

11. NADH este un transportor de H în cele mai multe procese catabolice, NADPH este transportorul de hidrogen sau de unitate reducătoare în procesele anabolice;

10