ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Предмет биохимии из "Основы биохимии в 3-х томах Т 1" До тех пор, пока не были установлены основные законы физики и химии, действующие в неживом мире, невозможно было сформулировать проблемы, затрагивающие более глубокое понимание природы жизни. Эти вопросы, которые мы вкратце рассмотрим, были поставлены только в первой четверти XX в. Между тем успешно развивались неорганическая, органическая и физическая химия, были сформулированы законы термодинамики и оказалось возможным детально исследовать, подчиняются ли живые системы законам физики и химии. Получила признание доктрина эволюции, Грегором Менделем были сформулированы генетические принципы наследственности, непрерывно увеличивалось число соединений, выделенных из живых организмов. Была выявлена связующая роль нервной системы. Клод Бернар показал, что гликоген является запасной формой глюкозы в печени и мышцах он установил также постоянство внутренней среды организма. Была сформулирована теория инфекционной природы болезней и начала систематически развиваться микробиология. [c.12] На рубеже столетий Эмиль Фишер выяснил структуру многих углеводов, разработал способы выделения аминокислот из белковых гидролизатов установив оптические конфигурации углеводов и аминокислот и продемонстрировав специфичность действия ферментов, он положил начало ряду современных биохимических направлений. Введя концепцию ключа и замка в ферментативном катализе (гл. 9), Фишер начал изучение взаимосвязи между топографией макромолекул и феноменом жизни. Эти работы Фишера, а также исследования Гардена и Йонга, которые использовали случайное наблюдение братьев Бухнеров, показавших, что бескле-точный дрожжевой экстракт может сбраживать глюкозу с образованием спирта (гл. 14), послужили началом современной биохимии. Термин биохимия был введен Карлом Нейбергом в 1903 г. [c.12] Биохимические исследования были направлены на решение ряда главных вопросов, каждый из которых продолжает привлекать внимание ученых и в настояш ее время. Эти вопросы кратко рассмотрены ниже. [c.13] Из каких химических соединений состоят живые существа Перечень таких соединений является sine qua non для понимания химических основ жизни. Вместе с тем постоянно открываются все новые соединения — как в ходе исследований, направленных на расшифровку последовательностей реакций метаболизма, начинающихся с хорошо известных химических веществ, так и в результате выделения природных соединений, ответственных за определенные физиологические эффекты. Универсальное распространение многих из этих соединений определяет значительное сходство качественного состава большинства живых организмов при этом различия между организмами, а также различия между тканями и органами одного и того же организма являются главным образом количественными. Эти количественные различия обычно обусловливают различия в функциях н в относительных скоростях осуществления сходных функций, процессов или реакций. [c.13] Изучение структуры таких макромолекул успешно развивается, создавая основу для более глубокого понимания механизма действия ферментов, структурных основ генетических эффектов и тонкого строения живых клеток. Рассмотрение этих проблем составляет главную задачу настоящей книги. [c.14] Каким образом ферменты осуш,ествляют свою каталитическую функцию В XIX в. было установлено, что расщепление белков, крахмала и жиров на их составные части происходит в пищеварительном тракте под действием ферментов. То, что брожение также является результатом ферментативного катализа, было позже показано братьями Бухнер. Двадцатью годами раньше Кюне ввел термин энзим (от греч. еп гуте в дрожжах ) для обозначения неорганизованных ферментов , чтобы отличать их от бактерий, которых также называли ферментами. Вслед за работами Фишера по специфичности ферментов, Михаэлис и другие исследователи сформулировали элементарные закономерности ферментативного катализа, а Самнер выделил в 1926 г. фермент уреазу в кристаллическом виде. С тех пор выделены сотни ферментов, каждый из-которых является более или менее специфичным в отношении определенной химической реакции многие получены в кристаллическом состоянии. Доказано, что каждый фермент представляет собой уникальный, индивидуальный белок. [c.14] Вопрос о том, каким образом эти белки функционируют как катализаторы, является одним из центральных в биохимии он в то же время один из самых старых. Вероятно, впервые он был сформулирован в 1800 г., когда Академия Первой французской республики предложила премию (1 кг золота) за удовлетворительный ответ на вопрос В чем состоит различие между ферментами и веществами, которые они сбраживают Премия осталась непри-сужденной, но те, кто поставил этот вопрос, с удовольствием присудили бы ее столетие спустя Эмилю Фишеру, который, однако, полагал, что его представления носят самый общий характер. В дальнейшем явления, происходящие в ходе ферментативного катализа, и их обусловленность структурой белка-фермента были весьма детально изучены. Этот увлекательный аспект науки, который во многих отношениях можно считать сердцем биохимии, рассмотрен в части второй. [c.14] Какие вещества необходимы для удовлетворения потребностей человека и других организмов в пище и какова физиологическая роль этих соединений Перечень таких веществ приведен в части шестой вещества, необходимые для человеческого организма, по-видимому, уже полностью известны. Эти сведения вполне достаточны для организации правильного питания человека причина неполноценности питания большей части населения земного шара заключена не в недостатке необходимых сведений, а в низком уровне производства и непропорциональном распределении пищевых продуктов. [c.15] При изучении потребностей бактерий в питательных веществах разработаны эффективные экспериментальные подходы, оказавшие влияние на все аспекты биохимических исследований. Возможность количественной оценки бактериального роста положена в основу некоторых аналитических методов. То обстоятельство, что определенное соединение может являться незаменимым компонентом пищи, так как организм не способен его синтезировать, но нуждается в нем для нормального метаболизма, использовано как для расшифровки метаболических путей, так и для выяснения генетических механизмов. [c.15] Какие химические процессы обеспечивают превращение пищевых компонентов в соединения, характерные для клеток данного вида Еще и сегодня не ослабло внимание к изучению многочисленных реакций метаболизма, находившихся до последнего времени в центре внимания биохимиков. Ежедневно организм человека потребляет довольно значительные количества веществ, представляющих собой лишь небольшую группу органических соединений. В организме растущего ребенка часть из них удерживается в виде соединений, существенно отличающихся от поступивших с пищей. Растения же поглощают только воду, минеральные соли и СО2, но накапливают удивительный набор различных соединений. Большая часть углерода, входящего в соединения пищи, потребленной ребенком, освобождается с выдыхаемым воздухом, а азот выводится с мочой в виде мочевины. Об удивительно тонкой регуляции обменных процессов наглядно свидетельствует способность взрослого организма сохранять постоянную массу и состав, перерабатывая ежедневно 400 г пищи. [c.15] Каким образом потенциальная энергия, освобождающаяся при окислении веществ, содержащихся в пище, используется для реализации множества процессов, протекающих в живой клетке с потреблением энергии Среди таких процессов назовем только синтез сотен новых видов молекул, накопление в клетке неорганических ионов и органических соединений (против градиентов концентрации) и осуществление механической работы. Простая аналогия между сжигающими пищу животными и тепловыми машинами, сжигающими топливо, оказывается неприемлемой, так как тепловая энергия не может быть использована для полезной работы при постоянной температуре. Выяснение биологического пути решения этой проблемы, заключающегося в сопряжении окисления углеводов и жиров с синтезом одного соединения, аденозин-трифосфата (гл. 10, 12 и 13), и в последующем использовании энергии этого соединения практически для всех эндергонических процессов, является кардинально важным для понимания функционирования живых клеток. [c.16] Значительное внимание по праву привлекал важный вопрос — выяснение механизма включения СОа в состав углеводов при поглощении энергии света (гл. 16). В последние годы значительно расширились и углубились представления о природе первичных реакций фотосинтеза и последующих превращений, приводящих к накоплению углеводов. [c.16] ЛЯ И клеточной дупликации рибосомы как места белкового синтеза митохондрии как мембранные структуры, в которых окислительный метаболизм обеспечивает образование аденозинтрифос-фата мембраны эндоплазматического ретикулума как место метаболических превращений некоторых неполярных молекул, таких как стероиды. В клеточной мембране функционируют векториаль-но организованные механизмы, регулирующие электролитный состав цитоплазмы и обеспечивающие доставку необходимых питательных веществ (гл. 11 и 34). Мембрана обладает многочисленными специализированными рецепторами, которые принимают химические сигналы от других клеток и от внешнего окружения. Внутриклеточные сократительные волокна специфичны для клеток определенного типа цитоплазма представляет собой раствор сотен индивидуальных ферментов, определенным образом направляющих многочисленные метаболические реакции, благодаря которым-питательные вещества превращаются в клеточные компоненты. Сумма всех этих химических процессов и составляет жизнь клетки. [c.17] Каким образом клетки делятся, производя идентичные дочерние клетки Что представляет собой химия наследственности Что-такое ген и как он функционирует В истории науки ни один из ее разделов не развивался так быстро и не возбуждал такого всеобщего интереса, как исследования, направленные на выяснение этих вопросов. Немногие разделы науки имеют более глубокое и существенное значение для нашего будущего. Эти проблемы рассматриваются в гл. 25—28. [c.17] Если бы концепция эволюции не возникла раньше на основе других наук, она безусловно оказалась бы очевидной для биохимика. Хотя даже невооруженным глазом обнаруживается широкое разнообразие жизненных форм, для всех них справедливы качественно одинаковые ответы на поставленные выше вопросы. Впечатляющее единство основных аспектов различных форм жизни сочетается с удивительным разнообразием этих форм, возии-кающим благодаря небольшим вариациям генетического аппарата. [c.18] В живой клетке протекают тысячи различных химических реакций. каждая из которых катализируется специфическим ферментом. Каким же образом достигается их гармоническая синхронизация Очевидно, что клетке выгодно осуществлять реакции, поставляющие энергию, со скоростями, соответствующими ее энергетическим потребностям, и вырабатывать мономериые единицы (аминокислоты, нуклеотиды, сахара) со скоростями, соответствующими потребностям в этих соединениях для синтеза биополимеров белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов). Механизмы, благодаря которым осуществляется такая регуляция, стали предметом исследования биохимиков относительно недавно. Хотя некоторые детали остаются невыясненными, удалось установить общие принципы регуляторных механизмов примеры регуляции скорости ферментативных превращений можно найти в разных разделах этой книги. Сюда относятся механизмы, подобные системам положительной и отрицательной обратной связи в инженерной электронике они реализуются при функционировании ряда ферментов, участвующих в процессах биосинтеза при этом обеспечивается постоянный поток, но не избыток необходимых промежуточных продуктов. В других случаях регуляция осуществляется путем репрессии или дерепрессии процесса образования ферментов биосинтеза. [c.18] В сложном организме позвоночного животного должна быть обеспечена не только синхронизация различных путей метаболизма каждой клетки, но и согласованная гармоничная работа разных органов — мышц, печени, мозга и др. Например, в случае необходимости информация о метаболическом состоянии мышцы должна быть передана в печень. В большинстве случаев такая взаимосвязь осуществляется с помощью эндокринной системы. Железы внутренней секреции в ответ на изменения химического состава крови, который в свою очередь отражает изменения, происходящие в отдельных тканях или органах, синтезируют и выделяют гормоны, переносимые током крови к органам-мишеням. Там они оказывают влияние на специфические метаболические процессы. [c.18] Информация может передаваться и с помощью соединений, которые не являются продуктами эндокринных желез. Нейромедиаторы осуществляют передачу нервного импульса от одной нервной клетки к другой или от нервной клетки к мышечной , простагландины, синтезируемые во многих органах и тканях, модулируют активность различных типов клеток синтез 1,25-диокси-холекальциферола, активной формы витамина О, ускоряющего всасывание Са + слизистой кишечника, осуществляется в результате последовательных реакций, по крайней мере в двух органах. Циклическая адениловая кислота, имеющаяся, по-видимому, во всех живых клетках, образуется из аденозинтрифосфата под действием связанного с мембраной фермента — аденилатциклазы—-в ответ на поступление сигнала из окружающей клетку среды, например появление пептидного гормона или изменение содержания питательных веществ. Характер вызываемой циклической адени-ловой кислотой ответной реакции клетки зависит от типа клетки, а также от природы сигнала, вызвавшего синтез эффектора. Рассмотрение регуляторных процессов составляет основное содержание части пятой об этих процессах часто речь идет и в других разделах. [c.19] Каким образом специализированные клетки тканей и органов вносят специфический вклад в функционирование организма животного Остеобласты образуют костную ткань, мышечные клетки сокращаются, нервные клетки проводят сигналы, клетки почек участвуют в образовании мочи, клетки эндокринных желез синтезируют гормоны во всех случаях это осуществляется с помошьк механизмов, специфичных для данного типа клеток. Поскольку системы, общие для всех клеток, обычно более доступны для исследования, они изучены биохимиками лучше, чем специфические системы специализированных клеток. В последнее время на основе ранее установленных закономерностей общего характера изучение таких специфических систем развивается весьма успешно. Биохимия специализированных клеток детально рассмотрена в части четвертой, а также в других частях. Дальнейшее развитие исследований в данном направлении является одной из важных задач биохимии. [c.19] Вернуться к основной статье