生化学の歴史

生化学の歴史は、生命の構成と過程に興味を持っていた古代ギリシャ人から始まったと言えますが、特定の科学分野としての生化学は19世紀初頭頃に始まりました。^[1]生化学の始まりは、1833年にアンセルム・パヤンが最初の酵素であるジアスターゼ（現在はアミラーゼと呼ばれています）を発見したことだと主張する人もいれば、^[2]エドゥアルト・ブフナーが細胞抽出物中の複雑な生化学プロセスであるアルコール発酵を初めて実証したことが生化学の誕生だと考える人もいます。^[3]^[4]また、 1842年のユストゥス・フォン・リービッヒの影響力のある著作『動物化学、あるいは生理学と病理学への有機化学の応用』で代謝の化学理論を提示したことや、^[1]さらに18世紀以前のアントワーヌ・ラボアジエによる発酵と呼吸に関する研究を指摘する人もいます。^[5]^[6]

生化学という用語自体は、「生命」を意味するbio-とchemistry を組み合わせた形に由来しています。この単語が英語で初めて記録されたのは 1848 年です。^[7]一方、1877 年には、フェリックス・ホッペ・ザイラーが、生理化学ジャーナル Zeitschrift für Physiologische Chemie (生理化学ジャーナル)の創刊号の序文で、この用語 (ドイツ語ではBiochemie ) を生理化学の同義語として使用し、その研究を専門とする研究所の設立を主張しました。^[8]^[9]しかしながら、いくつかの資料では、ドイツの化学者カール・ノイベルクが 1903 年にこの新しい分野を表す用語を造語したとしており、^[10]^{[11] 、}フランツ・ホフマイスターが造語したとする人もいます。^[12]

生化学の研究対象は生体内の化学反応であり、その歴史には生命の複雑な構成要素の発見と理解、生化学反応の経路の解明が含まれています。生化学の多くは、タンパク質、炭水化物、脂質、核酸、その他の生体分子などの細胞構成要素の構造と機能、それらの代謝経路と代謝による化学エネルギーの流れ、生体分子が生体細胞内で発生するプロセスを引き起こす仕組みを扱っています。また、生化学シグナル伝達による情報の流れの制御に関与する生化学反応、およびそれらが生体全体の機能とどのように関係するかにも焦点を当てています。過去 40 年間^{[現在? ]}にわたり、この分野は生体プロセスの説明に成功しており、現在では植物学から医学まで生命科学のほぼすべての領域で生化学研究が行われています。

膨大な数の異なる生体分子の中には、類似のサブユニット（モノマー）の繰り返しで構成された複雑で大きな分子（ポリマー）が多数あります。ポリマー生体分子の各クラスには、異なるサブユニットタイプのセットがあります。たとえば、タンパク質は、サブユニットが20個以上のアミノ酸のセットから選択されたポリマーであり、炭水化物は単糖類、オリゴ糖、多糖類と呼ばれる糖から形成され、脂質は脂肪酸とグリセロールから形成され、核酸はヌクレオチドから形成されます。生化学は、タンパク質などの重要な生体分子の化学的性質、特に酵素触媒反応の化学を研究します。細胞代謝と内分泌系の生化学は広範囲に説明されています。生化学の他の領域には、遺伝コード（DNA、RNA）、タンパク質合成、細胞膜輸送、およびシグナル伝達が含まれます。

原生化学

4 つの体液。この図では、それぞれの種類の食物は異なる生理学的結果をもたらします。たとえば、冷たく乾燥した食物は黒胆汁を生成します。

ある意味では、生化学の研究は古代に始まったと考えることができる。例えば、生物学が初めて社会の関心を集め始めた頃、古代中国では陰陽と五行に基づく医学体系が開発されたが、これは錬金術と生物学への関心から生まれたものである^[13]。古代インド文化における生化学の研究の始まりは医学への関心と結びついており、彼らはギリシャ人の四体液に似た三体液の概念を開発した（体液論を参照）。彼らはまた、体が組織で構成されているという関心も深く掘り下げた。古代ギリシャ人の生化学の概念は、物質と病気に関する考えと結びついており、健康は人体の四元素と四体液のバランスから生まれると考えられていた。 ^{[14]初期の科学の大部分と同様に、イスラム世界は初期の生物学の進歩だけでなく錬金術の進歩にも大きく貢献した。特に、}アヴィセンナの『医学大典』で提示された臨床試験と臨床薬理学の導入によって貢献した。^[15]化学の面では、初期の進歩は錬金術への興味の探求に大きく起因していましたが、冶金学、科学的方法、初期の原子論も含まれていました。より最近では、化学の研究はメンデレーエフの周期表、ドルトンの原子モデル、質量保存則の開発などのマイルストーンによって特徴づけられました。この最後の言及は、この法則が化学と熱力学を交互に絡み合わせているという事実により、3つの中で最も重要です。

酵素

18世紀後半から19世紀初頭には、胃液による肉の消化^[16]や、植物抽出物や唾液によるデンプンの糖への変換が知られていました。しかし、それがどのように起こるのかというメカニズムは特定されていませんでした。^[17]

19世紀、ルイ・パスツールは酵母による糖のアルコール発酵を研究し、この発酵は酵母細胞に含まれるファーメントと呼ばれる生命力によって触媒され、それが生物内でのみ機能すると結論付けた。彼は「アルコール発酵は酵母細胞の生命と組織化に関連する行為であり、細胞の死や腐敗とは関連がない」と記している。^[18]

1833年にアンセルム・パイエンが最初の酵素であるジアスターゼを発見し^[19]、1878年にドイツの生理学者ヴィルヘルム・キューネ（1837年 - 1900年）がこの過程を説明するためにギリシャ語のενζυμον（酵母）に由来する酵素という造語を作った。酵素という言葉は後にペプシンなどの無生物を指すために使われ、発酵という言葉は生物によって生成される化学反応を指すために使われた。

1897年、エドゥアルト・ブフナーは、生きた酵母細胞がなくても酵母エキスが糖を発酵する能力を研究し始めた。ベルリン大学での一連の実験で、混合物に生きた酵母細胞がなくても糖が発酵することを発見した。^[20]彼はスクロースの発酵を引き起こす酵素をジマーゼと名付けた。^[21] 1907年、彼は「生化学研究と無細胞発酵の発見」によりノーベル化学賞を受賞した。ブフナーの例に倣い、酵素は通常、実行する反応に従って命名される。通常、基質の名前（例：ラクターゼはラクトースを分解する酵素）または反応の種類（例：DNAポリメラーゼはDNAポリマーを形成する）に接尾辞-aseが付加される。

酵素が生きた細胞の外で機能できることが示されたので、次のステップは酵素の生化学的性質を決定することだった。多くの初期の研究者は、酵素活性はタンパク質と関連していると指摘したが、何人かの科学者（ノーベル賞受賞者のリチャード・ウィルステッターなど）は、タンパク質は真の酵素の運搬体にすぎず、タンパク質自体は触媒作用を及ぼすことができないと主張した。しかし、1926年にジェームズ・B・サムナーはウレアーゼ酵素が純粋なタンパク質であることを示し、それを結晶化した。サムナーは1937年にカタラーゼ酵素についても同様のことをした。純粋なタンパク質が酵素になり得るという結論は、消化酵素ペプシン（1930年）、トリプシン、キモトリプシンを研究していたノースロップとスタンレーによって決定的に証明された。この3人の科学者は1946年のノーベル化学賞を受賞した。^[22]

酵素が結晶化できるというこの発見は、科学者が最終的にX線結晶構造解析によって酵素の構造を解明できることを意味しました。これは、涙、唾液、卵白に含まれ、一部の細菌の被膜を消化する酵素であるリゾチームで初めて行われました。その構造は、デビッド・チルトン・フィリップス率いるグループによって解明され、1965年に発表されました。^{[23]このリゾチームの高解像度構造は、}構造生物学の分野と、酵素がどのように機能するかを原子レベルの詳細で理解する取り組みの始まりを示しました。

代謝

初期の代謝への関心

サントリオ・サントリオが鉄製の天秤にまたがっている。*『Ars de statica medecina』*より。1614年に初版が出版された。

代謝という用語は、ギリシャ語の Μεταβολισμός – Metabolismosに由来し、「変化」または「打倒」を意味します。^[24]代謝の科学的研究の歴史は800年に及びます。代謝に関する最も古い研究は、13世紀初頭 (1213–1288) に、ダマスカス出身のイスラム学者イブン・アル＝ナフィスによって始まりました。アル＝ナフィスは、最も有名な著書「神学独習書」で、「身体とそのすべての部分は絶え間ない分解と栄養の状態にあり、必然的に永久的な変化を起こしている」と述べています。 ^[25]アル＝ナフィスは生化学的概念に興味を示した最初の医師として記録されていますが、人間の代謝に関する最初の制御された実験は、1614年にサントリオ・サントリオによって著書「医学の静的理論」で発表されました。^[26]この本には、食事、睡眠、仕事、性行為、断食、飲酒、排泄の前後に体重を測った方法が記されている。彼は摂取した食物のほとんどが「不感蒸泄」によって失われていることを発見した。

代謝：20世紀～現在

こうした現代の生化学者の中で最も多作な人物の一人が、代謝の研究に多大な貢献をしたハンス・クレブスである。 ^{[27]クレブスは非常に重要な人物である}オットー・ワールブルクの弟子であり、同じ題名のワールブルクの伝記を著し、ワールブルクはフィッシャーが有機化学で成し遂げたことを生化学で成し遂げるよう教育を受けたと述べている。そして実際にその通りになった。クレブスは尿素回路を発見し、後にハンス・コルンベルクと協力してクエン酸回路とグリオキシル酸回路を発見した。^[28]^[29]^[30]これらの発見により、クレブスは1953年にノーベル生理学賞を受賞し、^[31]必須の補酵素コエンザイムAも共同発見したドイツの生化学者フリッツ・アルベルト・リップマンと共同受賞した。

グルコースの吸収

1960年、生化学者ロバート・K・クレインは、腸管でのグルコース吸収のメカニズムとして、ナトリウム-グルコース共輸送を発見しました。 ^[32]これは、イオンと基質のフラックス間のカップリングに関する最初の提案であり、生物学に革命を巻き起こしたと考えられています。しかし、この発見は、グルコース分子の構造と化学組成の発見がなければ不可能でした。これらの発見は、約60年前にノーベル化学賞を受賞したドイツの化学者エミール・フィッシャーに大きく貢献しました。 ^[33]

解糖

代謝は分子の分解（異化プロセス）とこれらの粒子からのより大きな分子の構築（同化プロセス）に焦点を当てているため、グルコースの使用とアデノシン三リン酸（ATP）の形成へのグルコースの関与は、この理解の基本となります。体内で最も頻繁に見られる解糖系は、グスタフ・エンブデン、オットー・マイヤーホフ、ヤコブ・カロル・パルナスによって発見されたエンブデン・マイヤーホフ・パルナス（EMP）経路に従うタイプです。この3人は、解糖系が人体の効率と生産性を強く決定するプロセスであることを発見しました。隣の画像に示されている経路の重要性は、このプロセスの個々のステップを特定することにより、医師や研究者が、重度の貧血につながる可能性があるピルビン酸キナーゼ欠乏などの代謝機能不全の場所を正確に特定できることです。これは、細胞、ひいては生物が、適切に機能する代謝経路なしでは生存できないため、最も重要です。

楽器の進歩（20世紀）

それ以来、特に20世紀半ば以降、クロマトグラフィー、X線回折、NMR分光法、放射性同位元素標識、電子顕微鏡法、分子動力学シミュレーションなどの新しい技術の開発により、生化学は進歩してきました。これらの技術により、解糖系やクレブス回路（クエン酸回路）など、細胞の多くの分子や代謝経路の発見と詳細な分析が可能になりました。NMR機器の例を見ると、HWB-NMRなどの一部のNMR機器は非常に大型で、数千ドルから数百万ドル（ここに示した機器は1,600万ドル）の費用がかかることがわかります。

ポリメラーゼ連鎖反応

ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）は、現代の生化学に革命をもたらした主要な遺伝子増幅技術です。ポリメラーゼ連鎖反応は、1983年にKary Mullisによって開発されました。 ^[34]適切なポリメラーゼ連鎖反応には、1）変性、2）伸長、3）挿入（発現させる遺伝子の）、そして最後に4）挿入した遺伝子の増幅という4つのステップがあります。これらのステップと、このプロセスの簡単な説明例は、このセクションの下と右側の図に示されています。この技術により、1つの遺伝子のコピーを数百、さらには数百万のコピーに増幅することができ、細菌や遺伝子発現を扱おうとする生化学者のプロトコルの基礎となっています。PCRは遺伝子発現の研究に使用されるだけでなく、リンパ腫、一部の種類の白血病、および医師を困惑させることがある他の悪性疾患など、特定の疾患の診断にも役立ちます。ポリメラーゼ連鎖反応の開発がなければ、細菌研究やタンパク質発現研究の分野では多くの進歩が実現しなかったでしょう。^[35]ポリメラーゼ連鎖反応の理論とプロセスの開発は不可欠ですが、サーマルサイクラーの発明も同様に重要です。なぜなら、この機器がなければプロセスは不可能だったからです。これは、生化学などの科学にとって、理論的概念の開発につながる骨の折れる研究と同じくらい、技術の進歩が重要であるという事実のもう一つの証です。

参照

参考文献

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さらに読む

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