βιοχημεία

Επιστήμη που μελετά όλα τα στοιχεία και τις ουσίες που συνθέτουν συνολικά τους ζώντες οργανισμούς και διερευνά τα χημικά και φυσικοχημικά φαινόμενα που εκδηλώνονται σε αυτούς, με σκοπό να καθορίσει μια συσχέτιση μεταξύ των φαινομένων αυτών και των ζωικών εκδηλώσεων. Εκτός από μερικές διαφωτιστικές φυσικοχημικές ερμηνείες των βιολογικών φαινομένων, που διατυπώθηκαν τον 15o και τον 16ο αι., μπορούν να αναφερθούν η άποψη του Παράκελσου –που θεωρούσε ότι ο ανθρώπινος οργανισμός αποτελείται από χημικές ουσίες σε ισορροπία– και οι άλλες μηχανιστικές θεωρίες της εποχής του. Μόνο στο τέλος του 18ου αι. εδραιώθηκαν οι πρώτες επιστημονικές γνώσεις και οι αρχές που έδωσαν υπόσταση στη β. Ο Γιόζεφ Πρίστλεϊ (1733-1804) και ο Λαβουαζιέ (1743-1794) απέδειξαν ότι η αναπνοή είναι ένα φαινόμενο καύσης, o Σπαλαντσάνι (1729-1799) επεξέτεινε την άποψη αυτή από τα ζώα στους ιστούς τους, δηλαδή σε κάθε κύτταρο· την ίδια περίοδο, ο Γιαν Ίνγκενχοους (1730-1799) διαπίστωσε ότι τα φυτά καταναλώνουν διοξείδιο του άνθρακα. Η αρχή ότι μερικοί χημικοί και φυσικοί νόμοι ισχύουν και στα βιολογικά φαινόμενα καθιερώθηκε κατά το πρώτο μισό του 19ου αι. και αρκετοί μελετητές αφοσιώθηκαν στην έρευνα των συσχετισμών μεταξύ των νέων επιστημονικών κατακτήσεων και του κόσμου των ζώντων οργανισμών: το 1826, ο Χούνεφελντ (1799-1882) επινόησε τον όρο βιολογική χημεία. Θεμελιώδεις σταθμοί πρέπει να θεωρηθούν η σύνθεση της ουρίας από τον Φρίντριχ Βέλερ (1800-1882) και η επέκταση στα βιολογικά φαινόμενα του γενικού νόμου της διατήρησης της ενέργειας, που διατύπωσε ο Χέρμαν Λούντβιχ φον Χέλμχολτς το 1847. Η σύνθεση της ουρίας απέδειξε εσφαλμένη την άποψη ότι οι οργανικές ενώσεις μπορούν να συντεθούνμόνο από ζώντες οργανισμούς και έδωσε ώθηση σε εκτεταμένη σειρά ερευνών, που μας έφεραν κοντά στην αναγνώριση και στη σύνθεση πολυάριθμων ουσιών του ζωικού και του φυτικού κόσμου. Από το άλλο μέρος, ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας του φον Χέλμχολτς είχε ως συνέπεια την επέκταση των φυσικοχημικών τεχνικών μεθόδων στις μελέτες των οργανικών φαινομένων. Στο πεδίο της ιατρικής, ενώ η παθολογική ανατομική κατεχόταν ακόμα από τη μορφολογική κατεύθυνση, που αναπτύχθηκε τον 19ο αι. με αναμφισβήτητα αποτελέσματα, η φυσιολογία αποδέχτηκε πρώτη τις νέες ιδέες και μεθόδους. Μόνο το 1850 περίπου η β. αξιώθηκε της τιμής να θεωρείται αυτόνομος κλάδος της επιστήμης, και αυτό πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο που διηύθυνε ο φον Λίμπιχ. Σε αυτό τον μεγάλο χημικό οφείλεται η ανάλυση και η σύνθεση πολλών οργανικών ενώσεων, η ανακάλυψη του χλωροφορμίου, της μυρμηκικής αλδεΰδης και η τεράστιας σημασίας απόδειξη ότι τα φυτά τρέφονται με απλές ανόργανες ενώσεις, όπως το διοξείδιο του άνθρακα και τα αμμωνιακά παράγωγα. Η τελευταία αυτή ανακάλυψη απέδειξε την ορθότητα της νέας επιστημονικής άποψης, από την οποία προκύπτει η πρακτική αρχή της χρήσης ανόργανων λιπασμάτων στη γεωργία, επακόλουθο της οποίας ήταν οι πρώτες βιομηχανικές εφαρμογές της νέας επιστήμης. Την ίδια περίοδο άλλοι μελετητές τελειοποίησαν τις έρευνες και αποπειράθηκαν τις πρώτες ποσοτικές αναλύσεις. Εξακριβώθηκαν οι γενικές αντιδράσεις των λευκωμάτων (Γιόχαν Χέλερ το 1844, Ογκίστ Μιλόν το 1849), της χολής (Μαξ Γιόζεφ φον Πέτενκοφερ, 1844), του σακχάρου (Χέρμαν φον Φέλινγκ, 1848) και παράλληλα, στο θεωρητικό πεδίο, προέκυψαν οι έννοιες του ισοζυγίου και του μεταβολισμού. Το ισοζύγιο του αζώτου διευκρινίστηκε από τον Καρλ φον Βόιτ (1831-1908) το 1857· ο ίδιος επιστήμονας, μαζί με τον Πέτενκοφερ, διατύπωσε την έννοια της θερμίδας, ενδιαφέρθηκε για τα προβλήματα του μεταβολισμού και υπέδειξε ότι η κύρια έδρα των φαινομένων είναι το κύτταρο και όχι το αίμα, όπως πίστευαν μέχρι τότε. Η τεχνική του Ρόμπερτ Βίλχελμ φον Μπούνσεν (1811-1899) για τη φασματική ανάλυση και τις αναλύσεις των αερίων έδωσε τη δυνατότητα για τις πρώτες έρευνες στα αέρια του αίματος (Καρλ Φρίντριχ Σέτσενοφ), ενώ ο Έντουαρντ Πφλίγκερ (1829-1910) κατόρθωσε να προσδιορίσει τον συντελεστή της αναπνοής. Στο δεύτερο μισό του 19ου αι. τα κέντρα έρευνας αυξήθηκαν, δημιουργήθηκαν οι μεγάλες σχολές και επιτεύχθηκαν τεράστιες πρόοδοι, ιδιαίτερα στο πεδίο του μεταβολισμού. Το 1861, ο Παστέρ πρότεινε τη διάκριση μεταξύ αερόβιας και αναερόβιας ανταλλαγής της ύλης· τον ίδιο χρόνο ο Κλοντ Μπερνάρ ανακάλυψε τη γλυκογενετική λειτουργία του ήπατος και ενδιαφέρθηκε για τα προβλήματα της ζωικής θερμότητας, ενώ o Γκιμπς (1839-1903) για τα προβλήματα ενεργητικής στο βιολογικό πεδίο με τη νέα έννοια του δυναμικού. Αλλά και σε άλλους τομείς οι έρευνες συσσώρευσαν επιτυχίες: ο Βίλχελμ Κίνε (1837-1900) εμβάθυνε στη φυσιολογία του μυός και του νεύρου, μελέτησε την αιμοσφαιρίνη και απομόνωσε τη θρυψίνη (1876). Παράλληλα, μελετήθηκαν συστηματικά τα φαινόμενα της ζύμωσης· o Τράουμπε Μόριτς (1826-1894) επινόησε τον όρο ένζυμο και ο Έντουαρντ Μπούχνερ (1860-1917) απέδειξε ότι οι οργανικοποιημένες ζύμες δρουν και χωρίς την παρουσία ζώντων κυττάρων και ότι είναι καθορισμένες χημικές ουσίες· ο Εμίλ Φίσερ (1851-1919) άρχισε τις έρευνές του στους υδατάνθρακες, στις πουρίνες και στις πρωτεΐνες, ανέλυσε τη χημική δομή τους και κατόρθωσε έτσι, εκτός των άλλων, να αποδείξει τη δυνατότητα της σύνθεσής τους in vitro. Από τη φυσιολογία, οι φυσικοχημικές αρχές άρχισαν να διαδίδονται ακόμα και στην παθολογία: οι μελέτες του Τόμας Άντισον (1793-1860) και του Μπράουν-Σεκάρ (1817-94) επί των επινεφριδίων αντιπροσωπεύουν τις πρώτες εφαρμογές βιολογικής χημείας στην παθολογική φυσιολογία. Ως άμεσο αποτέλεσμα των βιοχημικών κατακτήσεων αναπτύχθηκε και η πειραματική φαρμακολογία. Στις αρχές του 20ού αι., οι βιολόγοι υποχρεώθηκαν να επεκτείνουν τις έρευνες, που είχαν ήδη αρχίσει, με κύριο στόχο τις πρωτεΐνες, οι οποίες έπρεπε να εξεταστούν σε βάθος, λόγω της σημασίας που έχουν στις ανοσολογικές, αναπνευστικές, οσμωτικές και μεταβολικές επεξεργασίες. Συγχρόνως, ενισχύθηκε η έννοια του ενδογενούς μεταβολισμού, ο οποίος συνδέεται με τη διατήρηση σταθερού εσωτερικού περιβάλλοντος μέσω μιας δυναμικής ισορροπίας· ο οργανισμός μπορεί να θεωρηθεί ένα σύστημα που παραμένει στατικό χάρη μόνο σε έναν συνεχή εσωτερικό ανασχηματισμό. Την ίδια εποχή εδραιώθηκαν επίσης μερικές βασικές έννοιες της σύγχρονης φυσιολογίας. Ο Τόμας Β. Όσμπορν (1859-1929) και ο Μέντελ απέδειξαν ότι μερικοί οργανισμοί δεν είναι σε θέση να συνθέσουν ορισμένες ουσίες απαραίτητες για τη ζωή τους. Ο Φρίντριχ Χόπκινς (1861-1947) διαπίστωσε (μεταξύ 1906 και 1912) ότι μια παρόμοια αρχή ισχύει ακόμα και για μερικές μη ενεργειακές ενώσεις που δρουν σε εξαιρετικά μικρές ποσότητες. Φτάνουμε έτσι στην έννοια της βιταμίνης (βλ. λ.), όρο που χρησιμοποίησε ο Καζιμιέρζ Φουνκ, μεταξύ 1910-13, όταν μελετούσε τις ουσίες που ήταν ικανές να προλάβουν τη νόσο μπέρι-μπέρι. Την ίδια περίοδο επιτεύχθηκε η απομόνωση (Στολτς, 1904) και η σύνθεση (Τακαμίνε και Άλντριχ, 1901) της αδρεναλίνης και έτσι αναγνωρίστηκε η πρώτη ορμόνη. Η μεγάλη ανάπτυξη της βιταμινολογίας και της ορμονολογίας, που ουσιαστικά αποτελούν από τότε δύο αυτόνομους κλάδους της β., μπορεί να δώσει μια ιδέα της προόδου που πραγματοποιήθηκε τον 20ό αι., προόδου τόσο ταχείας και πολλαπλής ώστε είναι δύσκολο να καθοριστούν και αυτοί ακόμα οι ουσιαστικοί σταθμοί. Για να καταδειχθεί εξάλλου η επίδραση της β. στις άλλες βιολογικές ή καθαρά φυσικοχημικές επιστήμες, αρκεί να αναφερθούν μερικές τεχνικές, που με το να εμβαθύνουν στα βιοχημικά προβλήματα συνέβαλαν στην ανάπτυξη της ανόργανης χημείας, της φυσικής, της φαρμακολογίας και εφαρμόστηκαν στη βιομηχανική τεχνική πολλών κλάδων. Πρέπει επίσης να αναφερθούν οι μικρομέθοδοι χημικής ανάλυσης, που μελέτησε και εφάρμοσε ο Κρίστιαν Μπανγκ (1869-1919), η τελειοποίηση της υπερφυγοκέντρου από τον Τέοντορ Σβέντμπεργκ κατά τα έτη 1926-40, η εισαγωγή της ηλεκτροφόρτισης στη μελέτη των πρωτεϊνών από τον Άρνε Τιζέλιους μεταξύ 1930-40, η βελτίωση των μανομετρικών μεθόδων από τον Ντόναλντ Βαν Σλάικ και οι βιολογικές αναλυτικές δοκιμασίες, που αποδείχτηκαν πολλές φορές πιο ευαίσθητες από τις χημικές. Μετά το 1945 εφαρμόστηκε η ιχνηθέτηση των χημικών ενώσεων με τα ραδιενεργά ισότοπα, τεχνική που πραγματοποίησε μία από τις μεγαλύτερες επιδιώξεις της β., δηλαδή τη δυνατότητα να παρακολουθηθεί ένα στοιχείο ελεύθερο ή ενωμένο με μια ουσία κατά τη διάρκεια της διαδρομής του στον οργανισμό. Οι εφαρμογές των ισοτόπων επεκτάθηκαν κυρίως στις έρευνες των διαφόρων μεταβολισμών και, εκτός του ότι συνέτειναν στην αναθεώρηση ή επιβεβαίωση των γνώσεων που είχαν αποκτηθεί μέχρι τότε, επέτρεψαν να εξακριβωθούν πολλές αντιδράσεις στο εσωτερικό του ανθρώπινου σώματος και άλλων οργανισμών και απέδειξαν επίσης ότι μπορεί να συντεθούν πολύπλοκες και χαρακτηριστικές ουσίες από ενώσεις πολύ απλές. Οι σημαντικότερες κατευθύνσεις της έρευνας περιστράφηκαν κατόπιν γύρω από την ανοσοχημεία, τη χημεία των νουκλεϊκών οξέων, τη δομή των ορμονών ως ρυθμιστών του μεταβολισμού, τα ένζυμα και την ανταλλαγή ενέργειας. Η τελευταία αυτή αποτέλεσε ένα από τα κύρια προβλήματα για τη χημεία της φυσιολογίας και της παθολογίας, επειδή περιλαμβάνει όλες τις εκδηλώσεις της ζωής, οι οποίες, εκτός από τα ψυχικά φαινόμενα, πρέπει να θεωρηθούν ενεργειακές εκδηλώσεις. Η ανταλλαγή ενέργειας περιλαμβάνει πρακτικώς όλες τις μετατροπές της διατροφικής χημικής ενέργειας, η οποία αποτελεί τη μοναδική πηγή ενέργειας για όλους τους οργανισμούς, μαζί με τους φυτικούς, στους οποίους η χλωροφύλλη μετατρέπει αμέσως την ακτινοβόλο ηλιακή ενέργεια σε χημική. Έτσι επιβεβαιώθηκε ότι οι ουσιώδεις τρόποι ανταλλαγής ενέργειας είναι όμοιοι για όλους τους ζώντες οργανισμούς. Ένας από τους αντικειμενικούς σκοπούς που πέτυχαν αργότερα Αμερικανοί επιστήμονες, με επικεφαλής τον Ντάνιελ Άρνον, στο πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, ήταν η αναπαραγωγή της χλωροφυλλικής φωτοσύνθεσης έξω από το ζωντανό κύτταρο, η οποία πραγματοποιήθηκε με απομόνωση των χλωροπλαστών. Το βήμα αυτό είχε ιδιαίτερη σημασία για την παραγωγή τροφής με τεχνητή φωτοσύνθεση. Έγιναν επίσης γνωστές οι λειτουργίες των φωσφορικών δεσμών σε μερικές ουσίες (αδενοσινοφωσφορικά, ουριδινοφωσφορικά) και η τιμή των δυναμικών της οξειδοαναγωγής. Το ενδιαφέρον για τα νουκλεϊκά οξέα, που μελετήθηκαν για πρώτη φορά από τον Κουσέλ (1855-1927), υπήρξε δικαιολογημένο, γιατί εκτός του ότι αποτελούν το κύριο συστατικό της δομής των ιών, έχουν άμεση σχέση με την κυτταρική αναπαραγωγή και με τη μετάδοση των κληρονομικών χαρακτήρων. Η ανοσοχημεία, τα θεμέλια της οποίας έθεσε ο Πάουλ Έρλιχ (1854-1915) στο τέλος του 19ου αι. με τη θεωρία των πλευρικών αλυσίδων, προσπάθησε να ερμηνεύσει με βιοχημικό τρόπο τη γένεση και τον μηχανισμό των φαινομένων της ανοσίας και γενικά της αντίδρασης του οργανισμού σε κάθε ξένη ουσία. Την πολύπλευρη ανάπτυξη της β. ακολούθησαν οι πρακτικές εφαρμογές των νέων γνώσεων, πραγματικές κατακτήσεις της β. για τηγενική πρόοδο της ανθρωπότητας. Σχεδόν όλες οι γνωστές ορμόνες και βιταμίνες απομονώθηκαν και συντέθηκαν έτσι ώστε να είναι δυνατή η χρήση τους στη διάγνωση και στη θεραπεία· από τις μελέτες πάνω στην οξεο-βασική ισορροπία προέκυψαν σημαντικές πρόοδοι στη θεραπεία του σοκ, μερικών παθήσεων των ενδοκρινών αδένων, των νεφρών και του ήπατος· οι γνώσεις για τη λειτουργία των νεφρών έκαναν δυνατή την κατασκευή του τεχνητού νεφρού· η μελέτη των μικροβίων και των μυκήτων έδωσε σημαντικές χημειοθεραπευτικές κατευθύνσεις και θεμελιώδεις κατακτήσεις στη φαρμακολογία, όπως ήταν η ανακάλυψη των αντιβιοτικών· διαμορφώθηκαν μέθοδοι εργαστηριακής διάγνωσης πολλών νόσων· διευκρινίστηκε η παθογένεση πολλών νόσων· η παθολογική ανατομία ολοκληρώθηκε, ξεπέρασε τα στατικά μορφολογικά όρια και κατευθύνθηκε προς τις φυσικοχημικές έρευνες· η έννοια της βιοχημικής βλάβης των ιστών αποτέλεσε τη νέα κατάκτηση της παθολογικής ανατομικής. Το 2001 σημειώθηκε το μεγαλύτερο επίτευγμα με την αποκρυπτογράφηση του γενετικού χάρτη (αλληλουχία των αζωτούχων βάσεων στο DNA) του ανθρώπου. Οι τελευταίες πρόοδοι μας επιτρέπουν να αναφέρουμε ότι όλες οι βιολογικές επιστήμες αναπτύσσονται πλέον με μια βιοχημική κατεύθυνση. Τα τελευταία χρόνια αναφάνηκαν η συγκριτική β. και η χημική εμβρυολογία. Αλλά και στη βιομηχανία, αυτή η υπερσύγχρονη επιστήμη, η β., προσέφερε βασικές μεθόδους για την παραγωγή μερικών προϊόντων ευρείας χρήσης (αλκοόλη, ακετόνη) ή βασικές ιδέες για την παραγωγή νέων ουσιών, όπως για παράδειγμα από τον πολυμερισμό μερικών οργανικών ουσιών προέκυψε το μεγαλύτερο μέρος των σύγχρονων πλαστικών υλών. Βιοχημικό εργαστήριο για την έρευνα υδατανθράκων και πολυσακχαριτών (φωτ. CNRS). Ο Λαβουαζιέ, εξετάζοντας τα αέρια που εκλύονται κατά την εκπνοή, απέδειξε ότι η αναπνοή αποτελεί ένα φαινόμενο καύσης, θέτοντας τις πρώτες επιστημονικές βάσεις για την ανάπτυξη της βιοχημείας (σχέδιο της συζύγου του Λαβουαζιέ). Ο Παράκελσος θεωρείται πρωτοπόρος της βιοχημείας? πίστευε ότι ο ανθρώπινος οργανισμός αποτελείται από χημικές ουσίες που βρίσκονται σε ισορροπία. Η υπερφυγόκεντρος χρησιμοποείται στη βιοχημεία για ανάλυση μειγμάτων οργανικών ουσιών. Με αυτήν μπορεί να πραγματοποιηθούν επιταχύνσεις ένα εκατομμύριο φορές μεγαλύτερες από τη γήινη βαρύτητα. ΒΙΟΨΙΑ ΗΠΑΤΟΣ

* * *

η

επιστήμη που ερευνά τα χημικά φαινόμενα της ζωής.