biokjemi

De vel tusen forskjellige småmolekylene som en gjennomsnittlig celle inneholder er stort sett kartlagt, 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 stadig forandres. 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 omsetningstrinnene i cellen og i utforskningen av de metaboliske reaksjonsveiene, hvor stoffene trinnvis bygges opp eller brytes ned. Hundrevis av de enzymer som påskynder disse reaksjonene er etter hvert renfremstilt, og deres egenskaper klarlagt. Man studerer i særlig grad hvordan enzymene virker, altså hva den detaljerte mekanismen ved denne katalysen er. For å løse disse problemene må man kjenne enzymenes detaljerte kjemiske struktur.

En tredje hovedgren av biokjemien studerer i videste forstand cellens styrings- og reguleringsmekanismer; altså 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.

For når en celle dør, medfører det nettopp at dette reaksjonskaoset 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 reguleringsordningene fungerer. Den sentrale, ordnende instans i cellen ligger i arvestoffet, DNA. 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.

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 maskineriet har kanskje vært utviklet allerede for 3 milliarder år siden i den encellete, fotosyntetiserende mikroorganisme.

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.

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.

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.

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.

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, 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 framstilt kunstig. 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 1800–1900. 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. Dette livløse celle-ekstraktet fikk navnet enzymer og viste seg å være av proteiner.

• biologi
• bioteknologi
• organisk kjemi

• Hauge, Jens G. m.fl.: Biokjemi: en grunnbok, 4. utg., 2001