Historien om biokjemi

Studiet av reaksjonene som utgjør livsprosessene inngår i biokjemien, og molekylene som inngår i reaksjonene studeres i molekylærbiologien. Det er ikke noe skarpt skille mellom disse disiplinene. I motsetning til den holistiske økologien er biokjemien reduksjonistisk. Plantefysiologi ble et resultat av celleteorien til Schleiden, Schwann og Virchow hvor sete for de fysiologiske reaksjonene var cellen. Rundt 1860 ble plantefysiologi en egen faglig disiplin. William Irvine fant i 1785 at ekstrakt fra spirende bygg kan bløtgjøre stivelse. A. Payn og J.F. Persoz undersøkte løsninger av stivelse, og kalte stoffet diastase. Diastase var et katalytisk stoff isolert fra bygg fordi det atskilte dekstriner fra stivelseskorn. Diastase var det første enzymet som ble oppdaget, selv om det ikke hadde fått navn enda på den tiden.

 Den svenske kjemikeren Jöns Jakob Berzelius (1779-1848) beskrev i 1835 katalyse som økte hastigheten på kjemiske reaksjoner. Berzelius tok i bruk kjemiske symboler for grunnstoffene. . I 1836 foreslo Berzelius at kjemiske reaksjoner i levende systemer var katalytiske.  På det 4. nordiske naturforskermøte i Christiania i 1844 ledet av Professor Christopher Hansteen var bl.a. H.C. Ørsted, J.J. Berzelius, og geologene sir Robert Murchinson og Leopold von Buch, sammen med andre av Christianias celebriteter. J.S. Welhaven skrev diktet: Afskedssang ved naturforskermødet i Christiania (1844). Den tyske kjemikeren Eduard Buchner (1860-1917) oppdaget zymase, kalt ferment, ved å knuse gjærceller, og viste at det var mulig å fermentere sukker i et cellefritt system med ekstrakt fra gjærceller. Buchner og Franz Hofmeister (1850-1922) mente at enzymer er proteiner, og de så på cellecytoplasma og organeller som strukturelle kompartementer.  Fra 1890-1925 gjaldt det å forstå hva ferment var for noe, det vi i dag kaller enzymer. Den etterfølgende perioden bestod i å undersøke enzymene. Enzymer er katalytiske proteiner som kontrollerer og øker hastigheten til kjemiske reaksjoner, uten selv å bli brukt opp.  Enzymene kan felles ut med etanol eller aceton. Ordet enzym betyr i gjær eller surdeig, et begrep innført av fysiologen W. Kuhne i 1878.

   Schwann hadde vist i 1837 at alkoholgjæring er avhengig av gjær, og at kokt druesaft ikke gjærer. Det var imidlertid Pasteur som viste at mikroorganismer var nødvendig for fermentering. På den tiden visste man lite om mikroorganismer, og ingenting om deres indre egenskaper og stoffskifte. Pasteur mente at all gjæring og forråtnelse skyldes mikroorganismer. I 1857 publiserte Pasteur arbeidet Mémoires sur la fermentation applée lactique, etterfulgt av et arbeid om etanolgjæring. Liebig mente at gjæring var spalting av sukker via en ukjent katalysator, og Wöhler og Liebig skrev en satirisk artikkel i Annalen der Chemie (1840), som viste en gjærcelle som et destillasjonsapparat. Den tyske biokjemikeren Otto Heinrich Warburg (1883-1970) var inspirert av Sachs og Loeb, og gjorde viktige oppdagelser i studiet av respirasjon, fotosyntese og oksidasjon-reduksjon i generell metabolisme.  Warburg arbeidet som student hos Emil Fischer (1852-1919) med syntese av polypeptider. Fischer mente at proteiner er satt sammen av atomer, på samme måte som andre molekyler. Fischer fant ut at esterifisering av spaltingsprodukter kan gjøre dem stabile, og studerte peptidbinding og polypeptider. Warburg utviklet en teori om  Atmungsferment, en type proteiner som kan utføre fermentering in vitro, men bedre in vivo. I forrige århundre trodde man at fermentering var en kjemisk prosess. Warburg utviklet en manometermetode (Warburg-apparatet) som ble brukt til å måle opptaket av oksygen i biologisk materiale.  For måling av  absorbsjonsspekteret av et respiratorisk hemenzym fikk Warburg nobelprisen i 1931. 

    Den tyske fysiologen Otto Meyerhof (1883-1951) var assistent hos Warburg, og arbeidet med oksidasjon av tartarsyre (vinsyre) og sitronsyre, og fant at jern er nødvendig i oksidasjonsprosessen. Warburg konstruerte et respirometer  kunne måle oksygenopptaket. Med et manometer festet til glassbeholdere som hadde kalilut i indre rom som absorberte karbondioksid (CO₂) kunne han utføre gassutvekslingsstudier. Spektroskopi, hvor et stoff absorberer bestemte bølgelengder av lyset, var også en nødvendig teknikk. Meyerhof fant i 1918 at druesukker kan delvis brytes ned i muskler uten oksygen, en anaerob glykolyse, sukkernedbrytning uten luft.   Det er mulig å forstå hvordan en bil er konstruert ved å se på delene. Biokjemien utviklet seg etter dette prinsippet.

   Hans Adolf  Krebs (1900-1981) var en tysk-engelsk biokjemiker som i 1937 oppdaget en syklisk sekvens av reaksjoner i mitokondriene kalt trikarboksylsyresyklus (sitronsyresyklus, Krebssyklus). En trinnvis serie med biokjemiske reaksjoner oksiderer druesukker til karbondioksid, vann og energi.  Flere enzymer deltar, vanligvis et spesifikt enzym for hvert trinn, og Krebssyklus er viktigst når det gjelder å  skaffe organismene kjemisk energi og reduksjonskraft. Fra 1926-1930 hadde Krebs arbeidet under Otto Warburg ved Kaiser Wilhelm Institute i Berlin, men i 1933 måtte han pga Hitler og nazistene forlate universitetet i Freiburg. Krebs dro til England til universitetet i Cambridge. I samarbeid med Warburg hadde Krebs arbeidet med nedbrytning av aminosyrer hvor nitrogen laget ved deaminering ble utskilt som urea. I 1932 hadde Krebs funnet de viktigste trinnene i ureasyklus, også kalt Krebs-Henseleit syklus. Krebs delte nobelprisen i fysiologi og medisin i 1953 for denne oppdagelsen sammen med den amerikanske biokjemikeren Fritz Albert Lipmann (1899-1986), som fikk prisen for oppdagelsen av koenzym A. Krebs-syklus friga ikke bare CO₂, men elektroner og protoner ble fraktet til en akseptor - oksygen, slik at produktet ble vann. Energien blir lagret som fosfatforbindelser. Elektrontransportmolekyler er  flaviner (FAD og FMN) og cytokromer. Dehydrogenaser kan katalysere oksidasjon ved å fjerne hydrogenatomer. Den britiske biokjemikeren Peter Dennis Mitchell (1920-1992) fikk nobelprisen i kjemi i 1978 for den kjemiosmotiske teorien. Teorien forklarer hvordan kjemisk energi, i form av ATP, kan lages ved hjelp av en protongradient over membranene i mitokondrier og kloroplaster. Paul Boyer og John Walker kunne vise at når protoner ble fraktet fra den ene siden av membran til den andre og hydroksylioner kom fra fosforsyre og H⁺ fra ADP ble ADP omdannet til ATP og vann, så roterte det indre av ATPasen i membranen.

   Under sultkatastrofen i Frankrike på 1870-tallet hvor den franske kjemikeren Jean Baptise  Dumas laget en kunstig melk av emulgert fett i søt albumin, men det var noe som manglet i denne kunstige melken. Dumas skrev et essay om levende veseners kjemiske statik: Essai de statique chimique des êtres organisés (1841).  Allerede hollenderen og ernæringsfysiologen Pekelharing fant ved foring av mus med kunstige dietter at det fantes små mengder stoffer i melk som var nyttige. Det var imidlertid Casimir Funk i 1912 som tok i bruk ordet vitamine. Funk oppdaget et stoff som kan hindre beri-beri, en sykdom med navnet "jeg kan ikke". Funk oppdaget at gjær kan kurere beri-beri. Funk isolerte niacin (nikotinsyre) og thiamin. Funk mente at også pellagra, engelsk syke og skjørbuk skyldes vitaminmangel.

  Den hollandske legen Christiaan Eijkman (1858-1930)i Øst-India foret fugl på kokt polert ris, og de fikk en mangelsykdom som fugl som ble foret på billigere upolert ris ikke fikk. Han trodde imidlertid at det var en gift i den polerte risen som skallet hindret virkningen av.   En annen berømt biokjemiker var Fredrick Gowland Hopkins (1861-1947). Sammen med Cole klarte han å krystallisere aminosyren tryptofan. Hopkins fant at rotter som fikk mat uten tryptofan ble syke, men tryptofan var ikke et vitamin, men en nødvendig aminosyre. I 1916 oppdaget Goldberger (    -1929) at sykdommen pellagra skyldes vitaminmangel, noe Funk hadde foreslått, og det skulle vise seg at vitaminstoffet var nikotinsyre. Det var McCollum som oppdaget vitamin A i 1913 og betydningen det har for synet, og i 1922 vitamin D som virker mot engelsk syke. Vitamin C i citrus og frukter hindrer skjørbuk.

Betydningen av fosfat

 I 1769 oppdaget apotekeren og kjemikeren Carl Wilhelm Scheele (1742-1786) at fosfat er en viktig bestanddel i bein hos vertebrater. I 1905 studerte de to engelske kjemikerne Arthur Harden (1865-1940) og W. J. Young hvordan gjærceller bryter ned glukose til alkohol og CO₂ ved fermentering. Harden og Young fant at fosfat er en viktig del av karbonsyklus. De tilførte uorganisk fosfat under gjæringen. Da økte gjæringen og samtidig forsvant noe fosfat. De fant fruktose-difosfat, eller Harden-Young ester. Harden fikk nobelprisen i kjemi i 1929 for dette arbeidet. Høyenergifosfater lagrer energi og er viktige intermediater i metabolismen.  Den mest kjente av høyenergifosfatene ATP, isolert fra muskel, ble oppdaget i 1929  av den tyske biokjemikeren K. Lohmann. Lohmann fant at spalting av sukker ikke skjedde uten tilstedeværelsen av en ustabil forbindelse, adenosintrifosfat,  ATP. Otto Heinrich Warburg fant i1939  at syntese av ATP skjer i en nedoverbakkereaksjon. Høyenergifosfater er energipakker, noe som ble klart ved arbeidet fra den tysk-amerikanske biokjemikeren Fritz Albert Lipmann i 1941.