Biokjemi, biokjemi (enzymstruktur) (bilde)
studiet av kjemiske strukturer og kjemiske prosesser i levende organismer.
Stoffanalyse og cellestruktur
De vel tusen forskjellige småmolekyler som en gjennomsnittlig celle inneholder er man stort sett ferdig med å kartlegge, men for kjempemolekyler som proteiner og nukleinsyrer kjenner man bare i relativt få tilfeller strukturen i detalj.
Naturstoffenes kjemiske strukturer representerer bare et øyeblikksbilde av cellen, hvor alt i virkeligheten undergår stadig forandring. Cellen er et spill av tusener av kjemiske prosesser, hvor naturstoffene bygges opp og brytes ned.
Man er kommet langt med kartleggingen av de enkelte kjemiske omsetningstrinn i cellen og i utforskningen av de metaboliske reaksjonsveier, hvor stoffene trinnvis bygges opp, som på samlebånd, eller brytes ned, som på et samlebånd i revers. Hundrevis av de enzymer som påskynder disse reaksjonene er etter hvert renfremstilt, og deres egenskaper klarlagt. Man studerer i særlig grad hvordan enzymene klarer å utrette det de gjør, hva den detaljerte mekanisme ved denne katalysen er. For å løse disse problemene må man kjenne enzymproteinenes detaljerte kjemiske struktur. Naturstoffbiokjemikeren og den dynamisk interesserte biokjemikeren møtes derfor på dette punktet.
Reguleringsmekanismer
En tredje hovedgren av biokjemien studerer i videste forstand cellens styrings- og reguleringsmekanismer; hva det er som forhindrer at alle de tusener av kjemiske reaksjoner som finner sted i en celle, blir et eneste kaos, og hva det er som gjør at denne orden og dette styringssystem overføres på dattercellene når en celle vokser og deler seg?
Her berøres selve livets mysterium. For når en celle dør, medfører det nettopp at dette reaksjonskaos slippes løs. Det skal energi til for å opprettholde orden. Det gjelder både i vår daglige verden og i cellenes verden. Får en levende celle energi tilført, klarer den å kvitte seg med den uorden som oppstår. Det er det som skjer når cellene avgir avfallsprodukter og varme til omgivelsene. Men forutsetningen for at cellene skal klare dette, er at styrings- og reguleringsordningen funksjonerer. Den sentrale, ordnende instans i cellen ligger i arvestoffet, deoksyribonukleinsyren (DNA). Reguleringsmekanismene har vært studert intenst de siste årtier. Man har oppdaget hvordan DNA i kromosomene, via et mellomledd, i detalj styrer oppbyggingen av enzymer og andre proteiner. Man begynner å forstå hvordan mengden enzymer avpasses etter cellens behov til enhver tid, og hvordan DNA-molekylet fordobles og kromosomene deler seg før cellen deles i to.
Evolusjon
Den hensiktsmessige styringen av de kjemiske prosesser vi kan iaktta er et resultat av evolusjonen, utviklingen. Dupliseringen av arvestoffet er ikke alltid helt nøyaktig, det oppstår mutasjoner. Noen av disse har gitt organismen nye muligheter og arten større evne til å tilpasse seg omgivelsene. Hensiktsmessigheten er altså gradvis blitt bygd inn i DNA-molekylene, som gjennom genetiske forandringer har vokst fra en sped begynnelse til det kompliserte program som svarer til mennesket. Den levende cellen er materie som på denne særegne måte er formet av historien, av en 3–4 milliarder år lang naturhistorie.
Celledifferensiering og funksjon
I det ovenstående er den levende celle omtalt som om det bare eksisterte én type celler, mens det finnes hundretusener av arter av høyere organismer, hver art igjen med et stort antall forskjellige celletyper. Biokjemiens suksess ligger imidlertid for en stor del nettopp i dette at denne mangfoldighet i ytre fremtoning ikke tilsvares av en like stor frihet på det biokjemiske plan. I alle celler hos alle arter er det fundamentale biokjemiske maskineriet det samme. Når en levercelle eller en bakteriecelle bryter ned sukker til karbondioksid og vann, er det de samme 20–30 reaksjonene som forløper i den samme rekkefølge. Dette fundamentale biokjemiske maskineri har kanskje vært utviklet allerede for ca. 3 milliarder år siden i den encellete, fotosyntetiserende mikroorganisme. (Se også karbohydrater.)
Mennesket og høyerestående dyr trenger vitaminer og aminosyrer som mikroorganismene selv lager. Våre celler trenger energi i form av sukker eller fett, mens fotobakteriene klarer seg med sollys. I mangt og meget er vi imidlertid like, de fleste av de opprinnelige egenskaper har vi beholdt. Det er bakgrunnen for at så mye av den grunnleggende biokjemiske forskning kan gjøres med bakterier. Den store fordel med mikroorganismene ligger i at de er lette å produsere fordi de formerer seg raskt. Siden de formerer seg raskt, er de også vel egnet til genetiske undersøkelser som ofte går hånd i hånd med de kjemiske undersøkelser av arveprosessen og reguleringsmekanismene.
Virus kan angripe alle celler, også bakterier. Når et virus kommer inn i en celle, overtar det oftest kontrollen av hva som skal skje i cellen, derfor gir dette oss muligheter til nettopp å studere kontrollmekanismene i cellen.
Alle biokjemiske problemer løses imidlertid ikke ved å utforske hvordan en typisk celle fungerer. Man finner betydelige biokjemiske forskjeller mellom cellevevene i en høyere organisme. En muskelcelle inneholder stoffer og strukturer som leverceller ikke har. Dessuten finner man utviklet et komplisert nerve- og hormonsystem for samordning av de forskjellige cellegruppenes virksomhet slik at de tjener helheten. Biokjemikerens første mål her var å klarlegge hormonenes struktur, og hvordan de dannes og nedbrytes. Langt vanskeligere er det å klarlegge hormonenes virkning på det molekylære plan. Problemene omkring spesialisering av celler og hvordan hormonene virker hører til de mest sentrale oppgaver i biokjemien.
Analyseteknikker
Det viktigste arbeidsutstyret er for biokjemikeren som for andre kjemikere reagensglasset, kolben og pipetten. Den nyere utviklingen henger imidlertid nøye sammen med utviklingen av nye atskillelsesmetoder og nye måleinstrumenter. Sentrifugalkraften i sentrifuger kan benyttes til å skille molekyler, siden de tyngre molekylene vil slynges hurtigere utover enn de mindre tunge. Molekyler med forskjellig ladning kan skilles i et elektrisk felt (elektroforese). Molekyler kan også skilles på grunnlag av deres forskjellige fordeling mellom et vandig og et organisk løsemiddel, når de beveger seg nedover et vannfuktet, porøst papir (se kromatografi). Det er videre viktig å kunne måle hvor mye en har av et stoff uten å måtte veie det. Da kan en ofte benytte seg av at det absorberer vanlig eller ultrafiolett lys og måle endringene i lysintensiteten med et fotometer. En annen måte å bestemme mengder på som har fått stor betydning, er bruken av stoffer som inneholder et radioaktivt atom (tracerkjemi). En kan finne ut hvor raskt et stoff kommer gjennom en cellemembran ved å gjøre stoffet radioaktivt og måle radioaktiviteten på innsiden etter en tid. Ved å la cellene ta opp radioaktive forbindelser kan en også måle hvor fort de kan bygge opp sine makromolekyler selv om disse dannes i mengder som er langt under det en kan veie. (Se også radioaktivitet, Anvendelse.)
Det vanlige lysmikroskopet har gitt oss mange opplysninger om celler og vev, men først ved utviklingen av elektronmikroskopet har man kunnet se finstrukturene i cellen. Røntgenkrystallografien har gjort det mulig å studere finstrukturen i proteiner og nukleinsyrer.
Tilknytning til andre fag
Biokjemien bygger på kunnskaper fra uorganisk kjemi, organisk kjemi, fysikalsk kjemi og analytisk kjemi. Men biokjemien er også selv et basisfag for en rekke anvendelser og fagområder. Felles for disse fagområdene er det at en forståelse av de kjemiske strukturene og prosessene i den levende organisme er nødvendig for å forstå hvordan organismen fungerer (zoologi, botanikk, bakteriologi, medisin, veterinærmedisin, ernæringslære, odontologi), hvordan medikamenter fungerer (farmasi, farmakologi) og hvilke egenskaper kjøtt, fisk, korn og grønnsaker har (landbruksfag, næringsmiddelteknologi).
Det finnes et stort antall biokjemiske institutter og laboratorier også i Norge, spesielt innen medisin. Mange sykdommer skyldes feil i de kjemiske omsetninger i kroppen, og dette kan igjen bero på en feil i en reguleringsmekanisme eller i et bestemt enzym. Medikamenter er kjemiske substanser som griper inn i det biokjemiske maskineriet.
Sykdommer får gjerne som resultat at konsentrasjonen av ett eller flere stoff i blod eller urin forandrer seg. Måling av slike stoffer er derfor et viktig hjelpemiddel når det gjelder å stille riktig diagnose og i overvåkningen av sykdomsforløpet.
Historikk
Grunnlaget for den biokjemiske vitenskap ble lagt på 1800-tallet med tyskeren Friedrich Wöhlers og senere tyskeren Eduard Buchners viktige oppdagelser. Wöhler viste i 1828 at urea (urinstoff), som produseres i leveren, også kunne lages i laboratoriet, uten medvirkning av spesielle «vitale» krefter. En lang rekke stoffer fra den levende verden har siden den gang fått sin struktur analysert, og mange av dem er etter hvert syntetisert. Undersøkelsen av cellens bestanddeler er den dag i dag et sentralt felt innen biokjemien.
De vitalistiske forestillinger holdt seg på dette området helt til århundreskiftet. Louis Pasteur var blant dem som hevdet at en prosess som alkoholgjæringen var uløselig knyttet til den levende celle. Det avgjørende skudd for baugen fikk denne forestilling da Buchner 1897 fra gjær laget et livløst celle-ekstrakt som var i stand til å utføre hele gjæringsprosessen, omdannelsen av sukker til alkohol. Cellens hemmelighet på de kjemiske omdannelsers område viste seg å være et sett meget effektive katalysatorer, stoffer som påskynder kjemiske reaksjoner uten å forbrukes. De fikk navnet enzymer og viste seg å være av proteinnatur.
Vi mangler ennå mye av den fundamentale biokjemiske kunnskap om hvordan cellene fungerer, og derfor vet vi ikke alltid hvorfor et medikament virker slik det gjør. Bedre kunnskaper på dette området kan ha stor betydning for medisinen. Det er grunnen til at omtrent halvparten av de Nobelpriser som er gitt i medisin og fysiologi etter den annen verdenskrig er blitt gitt for biokjemiske arbeider.
