1. fejezet - Általános bevezető

Tartalom

1.1. A biokémia fő témakörei
1.1.1. Szerkezeti biokémia
1.1.2. Bioenergetika és enzimológia
1.1.3. Molekuláris biológia
1.2. Az élővilág egysége, az élőlények felépítésének, működésének közös vonásai, alapelvei
1.2.1. A sejt, mint működési alapegység
1.2.2. Az élőlények alacsony entrópiájú állapotot tartanak fent
1.2.3. Az élőlények elemi kémiai összetétele hasonló
1.2.4. Az élőlények alapvető molekuláris összetétele
1.2.5. Az élőlényekre legjellemzőbb makromolekulák: a kombinatorikus építkezés alapelve
1.2.6. Specifikus, dinamikus molekuláris felismerések másodlagos kötésekkel
1.2.7. Az élőlényekben a kémiai reakciókat enzimek katalizálják
1.2.8. A sejtek molekuláris felépítése hierarchikus
1.2.9. Az örökletes információ tárolásának és kifejezésének közös alapelve
1.2.10. Önreprodukció és változatosságteremtés
1.2.11. A makromolekuláris önszerveződés alapelve
1.2.12. Az ATP, mint energiavaluta
1.2.13. Molekuláris motorok és molekuláris gépek
1.3. Dimenziók a biokémiában
1.3.1. A fizikai kiterjedés mérettartománya
1.3.2. Időtartamok skálája
1.3.3. A biokémia területére jellemző energiatartományok
1.3.4. A biokémia területére eső tömegértékek
1.3.5. Az élőlények genomjának információtartalma

(szerző: Pál Gábor)

1.1. A biokémia fő témakörei

A biokémia szerteágazó tudományterület, vizsgálati köre mégis felosztható bizonyos fő, bár élesen nem elkülönülő területekre. Nevéhez híven a biokémia igyekszik a kémia oldaláról vizsgálni és megérteni a biológiai rendszerek felépítését, ezek működését, a biológiai folyamatok molekuláris hátterét.

1.1.1. Szerkezeti biokémia

A biokémia egyik fő célja az, hogy azonosítsa az egyes életfolyamatokban résztvevő összes molekulát, feltárja ezek szerkezetét, és azt, hogy mi a funkciójuk. A biokémiai kutatások egyik fontos vezérelve, ami egyébként messze túlmutat a biokémián, hogy a szerkezet meghatározza a funkciót. Az anatómia, az élettan, a mérnöki tudományok, hogy csak néhányat említsünk, természetesen ugyanilyen értelemben központi fontosságúnak tekintik a szerkezet-funkció kapcsolatát.

A biokémia területén a szerkezet-funkció vizsgálatokra koncentráló tudományterületet manapság szerkezeti biokémiának, vagy szerkezeti biológiának nevezik. A szerkezeti biokémia fő célja, hogy atomi részletességgel tárja fel az egyes folyamatokban résztvevő makromolekulák térszerkezetét, ebből kiindulva leírja, hogy az egyes molekulák milyen kölcsönhatásokba lépnek egymással, és végül megmagyarázza, hogy mindez hogyan vezet az adott életjelenséghez. A kölcsönhatások egy tetemes része nem kovalens átalakulásokat, tehát nem kémiai reakciókat jelent, hanem egyes molekulák másodlagos kötőerőkön keresztül történő specifikus összekapcsolódását. Ez az összekapcsolódás lehet tartós, de lehet nagyon rövid idejű, dinamikus is. A szerkezetek feltárása, az egyes működési modellek kidolgozása természetesen számos tudományterület, fizika, kémia, biofizika stb. szoros együttműködését igényli. A makromolekulák atomi felbontású szerkezetét például fizikai módszerekkel, röntgenkrisztallográfiával illetve mágneses magrezonancia (NMR) spektroszkópiával tárják fel (lásd 5.1.3. fejezet).

A megértést leghatékonyabban megalapozó szerkezet-funkció vizsgálatok túllépnek a természetben található szerkezetek vizsgálatán. Ezekben a kísérletekben célzottan megváltoztatják az eredeti szerkezetet, majd ezek után megvizsgálják a szerkezeti változás pontos funkcionális hatását, és ebből következtetnek az eredeti funkcióra. Mivel az élőlények szinte minden folyamatában fehérjék játsszák a főszerepet, a fehérjéket pedig nukleinsavak kódolják, a szerkezeti biokémiai vizsgálatok fő alanyai is a fehérjék és a nukleinsavak.

A szerkezet-funkció vizsgálatoknak mintegy 30 évvel ezelőtt hatalmas lökést adott, hogy a géntechnológia segítségével lehetővé vált a fehérjék szerkezetének célzott, szisztematikus megváltoztatása. A fehérjét kódoló gén irányított mutagenezisével lehetővé vált, hogy egy fehérje bármely aminosavát bármely más aminosavval helyettesítsük. Ez a lehetőség indította útjára a szerkezeti biokémia egyik kiemelten sikeres ágát, amit manapság fehérjemérnökségnek neveznek (lásd Géntechnológia és fehérjemérnökség e-könyv).

1.1.2. Bioenergetika és enzimológia

A biokémia egy másik nagy területe az élő szervezetekben zajló kémiai átalakulásokra koncentrál. Itt tehát olyan kölcsönhatásokról van szó, amelyek kovalens kötések felszakadásához, újak kialakulásához, tehát kémiai átalakuláshoz vezetnek. A biokémiai reakciókkal két tudományterület, a bioenergetika és az enzimológia foglalkozik.

Minden élőlényben folyamatosan kémiai reakciók ezrei zajlanak. A reakciók nagy része a sejtanyagcsere körébe sorolható. A sejtanyagcsere (metabolizmus) egymással összefüggő kémiai reakciók összetett hálózata. Ezek révén a sejt folyamatosan felépíti, fenntartja és működteti rendkívül összetett szervezetét. Az anyagcserét két fő, egymással összefüggő, ellentétes irányú folyamat dominálja. A lebontó folyamatok (katabolizmus) során összetettebb molekulák kisebb molekulákra bomlanak. A lebontó folyamatok oxidációs lépései energiát szabadítanak fel, amelynek egy része redukált koenzimek és ATP formájában tárolódik. Az ATP az összes létező sejt univerzális „energiavalutája”. Az ellentétes irányú felépítő folyamatokban (anabolizmus) egyszerűbb molekulákból építi fel a sejt a rá jellemző összetettebb molekulákat, és ehhez a lebontó folyamatokban keletkező ATP-t és a redukált koenzimeket használja fel. A két folyamat tehát szorosan összefügg, egymást feltételezi.

A bioenergetika, az anyagcsere kutatás fő célja az, hogy feltárja az adott élőlényben lejátszódó kémiai reakciókat, az ezek egymásutánjából szerveződő útvonalakat, megállapítsa ezek funkcióját és a szabályozásuk mikéntjét. Szintén a bioenergetika foglalkozik a biokémiai reakciók termodinamikai hátterével. A biokémikus arra kíváncsi, hogy milyen reakciók és folyamatok mennek végbe az élő rendszerekben spontán, mihez szükséges külső energiaforrás, és hogyan, milyen átalakulások során teremti elő a sejt a biokémiai folyamatokhoz hasznosítható energiát.

A kémiai átalakulások vizsgálatával kapcsolatos másik tudományterület, az enzimológia ezzel szemben mindig egy-egy konkrét reakcióra, vagy reakció típusra fókuszál. Ezek időbeni lefutását az enzimológia részterülete, az enzimkinetika vizsgálja. Mint említettük, minden sejtben egyidejűleg kémiai reakciók százai, ezrei játszódnak le. Ezek a reakciók a kémikus szemszögéből nézve alacsony hőmérséklet ellenére nagy sebességgel játszódnak le, ráadásul precízen szabályozottak. Amikor éppen szükség van rájuk, akkor végbemennek, amikor nincs rájuk szükség, esetleg éppenséggel kárt okoznának, akkor szünetelnek. A nagy reakciósebesség és a szabályozhatóság közös okra vezethető vissza. A sejtekben zajló kémiai reakciókat enzimek, döntő többségében fehérjék, néhány esetben RNS molekulák katalizálják. Az enzimológia fő célja az, hogy feltárja, az egyes enzimek milyen mechanizmussal gyorsítják az általuk katalizált kémiai reakciót. Ugyancsak fontos enzimológiai kérdés, hogy az egyes enzimek hogyan szabályozódnak. Mint látható, az enzimológia és a bioenergetika szorosan összefüggő területek, hiszen a bioenergetika által feltárandó kémiai reakciók mindegyikét, sőt, a biológiai folyamatok mindegyikét enzimek katalizálják.

1.1.3. Molekuláris biológia

Szintén a biokémia klasszikus vizsgálati területének számít annak molekuláris szintű megértése, hogy az örökletes biológiai információ miként tárolódik, hogyan adódik át generációról generációra, és milyen mechanizmusokon keresztül jut érvényre.

A kifejezetten az örökletes információ tárolására, kódolására, kifejeződésére vonatkozó vizsgálatok olyan koherens gondolatkört jelentettek, hogy emiatt érdemesnek bizonyult „molekuláris biológia” néven ezt a témakört külön tudományterületként definiálni. Bár nehéz, és talán nem is célszerű pontos definíciót adni a molekuláris biológia mibenlétére, talán jól jellemezhető ez a terület azzal, hogy egyfajta határtudomány, a biokémián kívül a genetikával és a sejtbiológiával is átfed. Anekdotaként érdemes megjegyezni, hogy a világhírű Francis Crick a molekuláris biológia definiálása körüli meddő vitát a maga részéről azzal zárta le, hogy: "a molekuláris biológia az, amivel a molekuláris biológusok foglalkoznak".

Azt azért leszögezhetjük, hogy a klasszikus értelemben vett molekuláris biológia a biológiai információ áramlásával foglalkozik, amelynek a lényegét szintén Francis Crick fogalmazta meg 1958-ban, az ún. centrális dogma kifejezés bevezetésével (ami egyébként, mint azt később Crick is elismerte, kissé szerencsétlen megfogalmazás, hiszen semmi köze nincs a teológia megkérdőjelezhetetlen állításaihoz). A centrális dogmáról, illetve a biológiai információáramlás folyamatairól (replikáció, transzkripció, transzláció) későbbi fejezetekben (lásd 1.2.9., 13. , 14. és 16. fejezetek) részletesen lesz szó, itt csak annyit említünk meg róla, hogy az eredeti állítás arra vonatkozott, hogy a DNS szekvenciában tárolt információ kizárólag a fehérje szekvencia irányába áramolhat, fehérje szekvenciából visszafelé nem.