Biokemia

Biokemia on eliöiden kemiallista rakennetta ja niissä tapahtuvia kemiallisia muutoksia tutkiva luonnontieteen haara. Biokemian perimmäisenä tavoitteena on ymmärtää ja selittää kemiallisin termein elävien solujen ja eliöiden kaikki kemialliset prosessit. Biokemialla on paljon yhteistä solubiologian, molekyylibiologian ja molekyyligenetiikan kanssa. Tyypillisiä biokemiallisia tutkimuskohteita ovat muun muassa proteiinien, hiilihydraattien, lipidien, nukleiinihappojen ja muiden soluissa esiintyvien biomolekyylien rakenne ja toiminta.
Biokemia ja lääketiede tukevat toisiaan vastavuoroisesti, koska esimerkiksi lääkkeiden vaikutus perustuu ihmisen tai muiden eliöiden biokemiaan. Biokemialliset tutkimukset kehittävät lääketiedettä, ja vastaavasti kehittyvä lääketiede tuottaa uusia biokemiallisia aloja ja tutkimuskohteita. Biokemia rationalisoi lääketiedettä ja luo sille tieteellisen perustan: esimerkiksi molekyylilääketiede hyödyntää biokemian menetelmiä.
Biokemian kehitys.
1770-luvulla ruotsalainen kemisti Torbern Bergman esitti "orgaanisen" ja "epäorgaanisen aineen" käsitteen. Eliöiden aineiden eli orgaanisten aineiden tiedettiin poikkeavan mineraaleista eristetyistä aineista eli epäorgaanisista aineista. Orgaanisia aineita oli vaikea eristää ja puhdistaa laboratoriokäyttöön.
1800-luvun puoleenväliin asti useimmat luonnontieteilijät uskoivat orgaanisissa aineissa olevan "elämänvoimaa", joka selittäisi niiden erityiset ominaisuudet. Tämä ns. vitalistinen ajattelu elollista luontoa koskien oli ollut käytössä Aristoteleen aloittamasta biologisesta tutkimuksesta lähtien. 1816 Michel Chevreul onnistui kuitenkin todistamaan, että saippua oli jaettavissa orgaanisiin aineisiin – glyseriiniin ja rasvahappoihin. Lopullisen pohjan vitalismiteorioilta vei Friedrich Wöhlerin vuonna 1828 kehittämä tapa syntetisoida epäorgaanisesta ammoniumsyanaatista orgaanista ureaa. Orgaanisiin aineisiin todettiin pätevän samat lainalaisuudet kuin epäorgaanisiinkin. Vuonna 1833 Anselme Payen löysi ensimmäisen entsyymin, diastaasin.
Koska eliöt sisältävät runsaasti hiiltä, orgaaninen kemia käsitteenä laajentui yleisesti hiiliyhdisteiden kemiaksi. Epäorgaaninen kemia vastaavasti muotoutui muiden kuin hiiliyhdisteiden kemiaksi. Luonnossa esiintymättömien orgaanisten yhdisteiden, kuten muovien, syntetisoimisen myötä biokemia muotoutui tarkoittamaan eliöiden kemiaa – orgaanista ja epäorgaanista. Sillä tavoin biokemia tarkoittaa 2000-luvulla samaa, mitä orgaaninen kemia tarkoitti 1800-luvun alussa.
Biokemiaa on sovellettu kauan ilman sen kunnollista ymmärtämistä. Yksi vanhimpia biokemiallisia sovelluksia on 5 000 vuotta sitten keksitty tapa valmistaa leipää hiivan avulla.
Solu.
Solut ovat eliöiden rakenteellisia ja toiminnallisia yksiköitä. Yleisimmät eläin- ja kasvisolut ovat halkaisijaltaan 5–100 μm. Teoreettisen ylärajan solun koolle muodostaa sen diffuusiollinen hapenottokyky solua ympäröivän solukalvon läpi. Pienimmät eliöt koostuvat yhdestä solusta. Solut eroavat toisistaan kokonsa lisäksi myös rakenteeltaan, muodoltaan ja toiminnaltaan. Solukalvon rajaaman tilan sisäpuolella soluelimet ovat solulimassa eli sytoplasmassa. Solulima koostuu pääosin sytosolista. Sytosoliin on liuenneena lukuisia erilaisia pieniä orgaanisia molekyylejä. Kaikilla soluilla on ainakin jossain kehityksensä vaiheessa solulimassa perimän sisältävä tuma tai nukleoidi. Esitumaisilla bakteerisoluilla ei ole tumakoteloa, mutta kehittyneemmillä aitotumaisilla on.
Solun sisäinen kokohierarkia suuresta pienimpään:
Kemiallinen perusta.
Luonnossa esiintyvistä noin 90 alkuaineesta noin 30 on eliöille elintärkeitä. Vety, happi, typpi ja hiili muodostavat yli 99% useimpien solujen massasta. Ne ovat myös keveimpiä kovalenttisia sidoksia muodostavia alkuaineita.
Biomolekyylit.
Biomolekyylit ovat hiiliyhdisteitä, joissa on erilaisia funktionaalisia ryhmiä. Hiiliatomit muodostavat kukin neljä yksinkertaista kovalenttista sidosta. Hiilen sidos toiseen hiileen, happeen tai typpeen voi olla myös kaksoissidos. Kovalenttiset kolmoissidokset ovat biomolekyyleissä harvinaisia. Yksinkertaisia sidoksia muodostavan hiilen sidoskulmat ovat tetraedrisesti 109,5°, ja sidokset ovat keskimäärin 0,154 nm:n pituisia. Yksinkertainen sidos mahdollistaa kiertymisen internuklisen akselin suhteen. Kaksoissidos on lyhyempi, 0,134 nm, sekä jäykkä eikä siten salli kiertymistä.
Biomolekyyleissä kovalenttisesti sitoutuneet hiiliatomit voivat muodostaa suoria, haaroittuneita tai syklisiä rakenteita. Useimmat biomolekyylit ovat hiilivetyjen johdannaisia, joissa vetyatomi on korvautunut jollain funktionaalisella ryhmällä. Funktionaalinen ryhmä on atomiryhmä, jonka johdosta molekyylillä on jokin erityinen kemiallinen ominaisuus. Esimerkiksi aminoryhmä -NH2 ja hydroksyyliryhmä -OH ovat funktionaalisia ryhmiä.
Hiilihydraatit.
Hiilihydraateilla tarkoitetaan polyhydroksyylisiä aldehydejä ja ketoneja eli puhekielessä yleisimmin sokereita. Kaikissa eliöissä on hiilihydraatteja. Hiilihydraatit syntyvät fotosynteesissä eli viherkasvien muuttaessa hiilidioksidia ja vettä auringonvalon avulla glukoosiksi ja hapeksi. Useat glukoosimolekyylit yhdistyvät kemiallisesti tärkkelykseksi tai selluloosaksi. Yli 50% maapallon biomassan kuivapainosta on arvioitu olevan glukoosin polymeerejä. Ihmiset eivät useimpien nisäkkäiden tapaan pysty hyödyntämään selluloosaa ravinnossaan siihen tarvittavien pilkkojaentsyymien puutteen vuoksi.
Hiilihydraatit jaetaan yksinkertaisiin monosakkarideihin, disakkarideihin ja kompleksisempiin polysakkarideihin. Monosakkaridit jaetaan edelleen aldooseihin ja ketooseihin karbonyyliryhmän luonteen mukaan.
Proteiinit.
Proteiineja esiintyy kaikissa eliöissä monissa erilaisissa muodoissa suorittamassa erilaisia biologisia funktioita. Esimerkiksi ihoa ja kynsiä muodostava keratiini on proteiini. Useimmat kemiallisia reaktioita soluissa katalysoivat entsyymit ovat myös proteiineja. Kaikki proteiinit koostuvat pitkäksi ketjuksi yhteenliittyneistä aminohapoista. Aminohapot sisältävät kaksi funktionaalista ryhmää – aminoryhmän –NH2 ja karboksyyliryhmän –COOH. Aminohapot muodostavat amidisidoksia amino- ja karboksyyliryhmien välille. Toisiinsa näin liittyneitä aminohappoja kutsutaan peptideiksi.
Lipidit.
Lipidit ovat solujen ja kudosten poolittomia aineita, jotka liukenevat orgaanisiin liuottimiin. Lipidit määritellään siis fysikaalisen ominaisuuden, liukoisuuden, eikä rakenteen mukaan. Lipidit jaetaan estereitä sisältäviin ja estereitä sisältämättömiin yhdisteisiin. Estereitä sisältävät lipidit, kuten vahat ja rasvat, voidaan hajottaa hydrolyysillä. Estereitä sisältämättömiä lipidejä, kuten kolesterolia ja muita steroideja, ei voida hydrolysoida.
Vahat ovat pitkäketjuisten karboksyylihappojen esterien ja pitkäketjuisten alkoholien seoksia. Karboksyylihapoissa on tällöin yleensä parillinen määrä (16 ... 36) hiiliatomeja kuten alkoholeissakin (24 ... 36).
Rasvat ja öljyt, kuten eläinrasva ja kasviöljy, ovat rakenteeltaan triasyyliglyseroleja ("TAG, triglyseridi") eli glyserolin triestereitä, joihin on liittyneenä pitkäketjuisia karboksyylihappoja. Rasvoihin varattu energia on pitkäaikaisempaa kuin hiilihydraatteihin varattu, sillä rasvat eivät hapetu niin helposti.