Osnovy_biokhimii_Uayt_tom_1 (1123309), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Развитие биохимии в немалой степени зависело от разработки методов выделения н очистки этих соединений. С помощью новых физико-химических методов удалось установить, что их молекулярные массы характеризуются величинами от 10000 до 100000000 и более. В течение долгого времени кажущаяся поистине геркулесовой работа по установлению полной структуры таких молекул представлялась экспериментально вообще неосуществимой. Однако создание ряда новых физических приборов: ультрацентрифуг, электрофоретическнх аппаратов, регистрирующих спектрофотометров, спектрополярииетров и аминокислотных анализаторов — позволило определить основные структурные характеристики этих молекул. Усовершенствованная техника анализа и, в частности, хроматографическпе методы сделали возможным разделение сложных смесей веществ и определение пх мпкроколичеств, что является необходимой предпосылкой для установления ковалентных структур «строительных блоков» различных макромолекул.
Благодаря развитию рентгеноструктурных методов оказалось возможным построить детальные трехмерные модели многих относительно небольших 14 ь пеедмвт ипохпмпп белков и нуклеиновых кислот. Быстро развиваются представления о характере сил, в результате действия которых эти молекулы, представляющие собой длинные тонкие нити, сворачиваются в высокоспецифичные компактные образования. Способность этих молекул осуществлять биологические функции полностью определяется их трехмерной структурой. 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. Каким образом ферменты осуществляют свою каталитическую функцию? В Х1Х в.
было установлено, что расщепление белков, крахмала и жиров на нх 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 Кюпе ввел термин энзим 1от греч. еп гугпе «в дрожжах») для обозначения неорганизованных «ферментов», чтобы отличать их от бактерий, которых также называлн 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. 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 оп был сформулирован в 1800 г., когда Лкадемия Первой французской республики предложила премию (1 кг золота) за удовлетворительный ответ на вопрос: «В чем состоит различие между «ферментами» и вешествамн, которые онн сбраживают?» Премия осталась неприсужденной, но те, кто поставил этот вопрос, с удовольствием присудили бы ее столетие спустя Эмилю Фишеру, который, однако, полагал, что его представления носят самый обший характер. В па.чьнсйшем 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 сердпем биохимии, рассмотрен в части второй. «В научной литературе на русском языке обычно употребляют термин «фермент», а не «энзим». †Пр. пирее. Ь ПРЕДМЕТ БИОХИМИИ 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 ие в недостатке необходимых сведений, а в низком уровне производства н непропорциональном распределении пищевых продуктов. При изучении потребностей бактерий в питательных веществах разработаны эффективные экспериментальные подходы, оказав1пие влияние па 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 ие способен его синтезировать, но нуждается в нем для нормального метаболизма, использовано как для расшифровки метаболических путей, так и для выяснения генетических механизмов. 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 расту1цего ребенка часть из них удерживается в виде соединений, существеш<о отличающихся от поступивших с пищей. Растения же кпоглощают» только воду, минеральные соли и СО,, но накапливают удивительный набор различных соедияений, Большая часть углерода, входящего в соединения пищи, потребленной ребенком, освобождается с выдыхаемым воздухом, а азот выводится с мочой в виде мочсвины. Об удивительно тонкой регуляции обменных процессов наглядно свидетельствует способность взрослого организма сохранять постоянную массу и состав, перерабатывая ежедневно -400 г пищи.
При изучении этих процессов мы не имеем возможности пронести обычный анализ реакционной смеси; каким же образом установить пути превращения потребленных пищевых продуктов? Выход был найден с помощью применения радиоактивных изотопов, особенно "С, и приборов, позволяющих измерять их количества. С помощью этого метода, мощных хроматографических методов, а также благодаря возросшему мастерству при работе с тканевымн препаратами 1П чВго удалось достаточно быстро расшифровать 1. пгедмет БиОхимии 1б сложную переплетающуюся сеть метаболических путей. Эта работа продолжается и сейчас, хотя, как это будет видно нз третьей части книги„основные процессы метаболизма уже можно считать выисненными.
Каким образом потенциальная энергия, освобождающаяся при окислении веществ, содержаи1ихся в ггииге, используется д.гя реализации лгножества процессов, протекающих в живой клетке с потреблением энергии? Среди таких процессов назовем только сннтез сотен новых видов молекул, накопление в клетке неорганических ионов и органических соединений (против градиентов концентрации) и осуществление механической работы. Простая аналогия между «сжгггаюпгимиэ пищу животными и тепловыми машинами, сжигающими топливо, оказывается неприемлемой, так как тепловая энергии 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, аденозинтрнфосфата (гл.
!О, 12 н 13), и в последующем использовании энергии этого соединения практически для всех зндергоническнх процессов, является кардинально важным для понимания функционирования живых клеток. Значительное внимание по праву привлекал важный вопрос— выяснение механизма включения СОг в состав углеводов прп 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. Какова структура живой клетки и каким образолг она организована для выполнения характерных д~гя нее химических функций? Общие черты клеточной топографии — наружная мембрана, ядро и многочисленные тельца меньшего размера — были уже давно выявлены с помощью светового микроскопа. Электронная микроскопия позволила получить гораздо более подробную объемную картину тонкой структуры клетки: сеть микроканалов; эидоплазматический ретикулум, который начинается от ядра и проходит через цитоплазму иногда вплоть до поверхности клетки; большие сложные тельца, митохондрии; многочисленные плотныс тельца меньших размеров, часто присоединенные к рстикулуму; система микротрубочек, выполняющая различные функции; необычная организация нитей в веретене делящейся клетки н двухслойная структура клеточной мембраны (гл.
11). Выделение концентрированных препаратов каждой из этих субструктур, освобожденных от остальных клеточных компонентов, позволило выявить разделение функций внутри клетки: ядро как место генетического контро- 1. ПРЕДМЕТ БПОХЪУП1И ля и клеточной дупликацип; рибосомы как места белкового синтеза; митохондрии как мембранные структуры, в которых окислительный метаболизм обеспечивает образование аденозинтрифосфата; мембраны зпдоплазматического ретикулума как место метаболических превращений некоторых неполярных молекул, таких„ как стероиды. В клеточной мембране функционируют векториально организоваяные механизмы, регулирующие злектролитный 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. Каким образом клетки делятся, производя идентичные дочерние клетки7 Что представляет собой химия наследственности7 Что такое ген и как он функционирует7 В истории науки ни один из ее разделов не развивался так быстро и пе возбуждал такого всеобщего интереса, как исследования, направленные па выяснение этих вопросов.
Немногие разделы науки имеют более глубокое и существенное значение для нашего будущего. Эти проблемы рассматриваются в гл. 25 — 28. Форма, организация и функции плетки, т. е. ее жизнь, определиются ее белковым составом и активностью индивидуальных белков. Отсюда следует, что генетические «инструкции» должны содержать информацию, необходимую для точного синтеза набора белков, характерных для данной клетки. Эта информация закодирована в структуре очень больших молекул дезоксирнбонуклеинов(1й кислоты. Прн делении клетки необходимо точное воспроизведение этих молекул с последующим равным распределением информации между дочерними клетками.
Эта информация должна быть передана от ндра к белковым фабрикам — рибосомам. Изменения химической структуры дезоксирибонуклеиновой кислоты выявляются в виде мутаций в последующих поколениях. Наибольший вклад в расшифровку механизмов наследственности внесли работы, проведенные на непатогенпой кишечной бактерин Езсйет(сй1а сой и на бактериофагах (бактериальных вирусах); последние об.чадают лишь ограниченным количеством генетической информации, содержащейся в нуклеиновой кислоте, которая окружена специфической белковой оболочкой; они способны к самовоспронзведению только путем использования синтетического аппарата жп- 18 Ь ПРЕДМЕТ БИОХИМИИ вой клетки-хозяина. Полученная в этих исследованиях информация позволила понять законы генетики, природу наследственных болезней и биохимические аспекты эволюции. Если бы концепции 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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
