Биохимия — наука о составе и превращениях веществ в организмах

На протяжении жизни любого из организмов, населяющих нашу планету, в его органах и тканях осуществляется бесконечно сложная цепь разнообразных химических превращений. Ни один организм не может существовать без тесного взаимодействия с окружающей его внешней средой, из которой он получает необходимые питательные вещества. Организм перерабатывает эти вещества и выделяет те, которые ему не нужны. Не остаются постоянными и вещества, входящие в состав тела растения, животного или микроорганизма. В каждой его клетке непрестанно происходит сложный комплекс химических процессов — обмен веществ. Питательные вещества, воспринимаемые организмом из внешней среды, подвергаются процессам распада (диссимиляции) и в результате сложных изменений, протекающих внутри клеток, превращаются в вещества организма, необходимые для жизнедеятельности (процессы ассимиляции). Одновременно в организме непрерывно осуществляются процессы разложения (диссимиляции) веществ, входящих в состав его клеток.

Каждый многоклеточный организм начинает свою жизнь с одной зародышевой клетки. После многократных делений клеток формируется взрослая особь, содержащая миллиарды их. Естественно, что эти миллиарды клеток создаются в результате непрерывно идущих в живых клетках процессов синтеза новых молекул, их соединения во внутриклеточные структуры и обеспечения работы этих структур. На протяжении жизни клеток происходит распад части этих структур и замена их новыми.

Процессы синтеза и распада протекают не хаотически, а в определенной, строго отрегулированной последовательности: распад каждой составной части клетки сопровождается формированием новой частицы, выполняющей ту же роль, ту же функцию. Поэтому каждый организм в течение жизни сохраняет присущие ему формы, химический состав и свойства.

Эти сложные превращения, протекающие в тканях живого организма, и лежат в основе процессов его жизнедеятельности, таких, как питание, рост, развитие, размножение, движение, поглощение и выделение веществ, дыхание и брожение. Сущность этих процессов изучает наука, которая называется биологической химией или, сокращенно, биохимией.

В живом организме биохимические процессы протекают исключительно быстро, во много раз быстрее, чем те же превращения совершаются вне живой среды, в лабораторной пробирке или стакане. Например, при дыхании в тканях растений происходит интенсивное разложение сахара, заканчивающееся образованием углекислого газа и воды. Этот процесс происходит в каждой клетке растения и не прекращается даже при относительно низкой температуре. Вместе с тем хорошо известно, как сильно нужно нагреть тот же сахар, чтобы заставить его сгореть вне организма с образованием тех же конечных продуктов реакции.

Дело в том, что превращениям веществ в живом организме способствуют особые белковые вещества — ферменты, вырабатываемые в клетке. Эти вещества обладают замечательным свойством: они увеличивают скорость определенных биохимических реакций в десятки миллионов раз. Без ферментов эти реакции шли бы настолько медленно, что не могли бы обеспечить интенсивное течение процессов жизнедеятельности организма.

Жизнь организма изменяется коренным образом, если деятельность ферментов, находящихся в его клетках, затруднена по той или иной причине. Например, процесс дыхания в сухих семенах идет очень слабо, так как для активной деятельности ферментов здесь не хватает воды. В тех же семенах уже через несколько часов после их увлажнения активность ферментов и, следовательно, дыхание усиливаются в сотни и тысячи раз.

Как уже говорилось, в процессе дыхания растений сахар или другие сложные органические вещества распадаются на воду и углекислый газ. Эти процессы очень сложные, и состоят они из большого числа отдельных реакций, происходящих при участии многих различных ферментов. Сложное органическое вещество распадается на более простые органические и неорганические соединения, используемые клетками организма для его жизнедеятельности. Зачем же нужен этот процесс? Биохимики показали, что для нормального роста и развития организмов требуется большое количество энергии. Вот эта-то энергия и выделяется в процессе дыхания. Число промежуточных реакций в дыхательном процессе может быть различным, однако очень важно, что оно всегда достаточно велико. Это позволяет клетке «управлять» скоростью реакций окисления и лучше использовать выделяющуюся энергию.

Когда мы сжигаем сахар, заключенная в нем энергия выделяется в виде теплоты и рассеивается. Если бы вся энергия, заключенная в дыхательном материале, выделилась сразу, в живой клетке произошел бы своего рода «взрыв», который неминуемо вызвал бы гибель клетки. Или, во всяком случае, клетки не смогли бы сколько-нибудь эффективно использовать такое большое количество энергии, выделившейся одновременно. Большая часть ее была бы безвозвратно потеряна. В организме же идет постепенный, строго регулируемый процесс. На каждом участке сложной цепи химических реакций выделяется лишь небольшое количество энергии, которую клетка тотчас же запасает, чаще всего в виде особых соединений, содержащих фосфорную кислоту (например, аденозинтрифосфорная кислота — АТФ).

Эти вещества представляют собой своеобразное «горючее», которое клетка затем расходует, производя различные виды «работы». Например, энергия этого горючего используется при поглощении воды и минеральных веществ корневыми системами растений, при всевозможных реакциях образования (синтеза) сложных органических веществ и т. д.

Большое значение для жизнедеятельности организма имеют разнообразные промежуточные продукты, которые образуются в процессе дыхания. Многие из них при помощи соответствующих ферментов становятся участниками различных биохимических реакций, в ходе которых клетка строит свою цитоплазму, заменяет отработанные части, создает материалы для построения новых клеток и органов.

За счет какой же энергии образуются сложные органические вещества в живых клетках? Биохимия ответит вам и на этот вопрос. Универсальный, основной источник энергии, за счет которой осуществляется жизнь, — это Солнце. Посредником между Солнцем и жизнью всего населения Земли служат зеленые растения. В зеленом листе совершается процесс, связывающий, по словам К. А. Тимирязева, существование всего органического мира с Солнцем, — фотосинтез (см. ст. «Как устроено и питается зеленое растение»).

Ученые стремятся глубоко проникнуть в тайны фотосинтеза, для того чтобы научиться воспроизводить процессы образования органического вещества из неорганических искусственно, в лаборатории, без участия зеленого растения. Нет сомнений, что эта очень сложная задача будет в конце концов разрешена.

Итак, свойства растения, его способность усваивать питательные вещества, используя солнечную энергию, и накапливать различные вещества в тканях теснейшим образом связаны с деятельностью ферментов. Поэтому повышение продуктивности, подъем урожайности растения во многом зависят от совершенствования его ферментной системы. Ученые установили, что количество углеводов в запасных органах растений — корнеплодах, луковицах, клубнях — зависит от свойств ферментов, управляющих превращениями Сахаров. Чем выше способность ферментов в картофеле ускорять превращение простых Сахаров в крахмал, тем больше накопится его в клубне.

Плоды современных культурных сортов столового арбуза содержат 8—10% сахара, а плоды дикого предка арбуза — Лишь 1 %. Свекла, перерабатываемая на сахарных заводах, имеет сахаристость 18 — 22%, тогда как ее прародитель содержит в корнях только 3—4% сахара. Исследования показали, что это результат вполне определенных изменений в обмене веществ у дикорастущих растений, от которых произошли современные культурные формы. Изучив эти процессы, ученые могут изменять свойства растений. Советским ученым, например, удалось создать сорта подсолнечника, содержащие свыше 50% масла, сорта табака, устойчивые к заражению вирусом табачной мозаики и корневой гнили, сорта пшеницы, которые не поражаются ржавчиной и другими болезнями.

Известно, что, наряду с белками, жирами и углеводами, в пищу любых живых организмов должны входить витамины (см. ст. «Витамины»), Главный источник витаминов в пище человека и животных — растения, и в первую очередь разнообразные овощи и плоды. Поэтому так важно создать сорта плодов и овощей, наиболее богатые витаминами, найти в растительном мире новые источники витаминов. Важно также разработать такие способы хранения плодов и овощей, при которых содержащиеся в их тканях витамины сохранялись бы в течение длительного времени.

Многое сделала в этом направлении советская биохимия. Исследования, посвященные выяснению биологической роли витамина С, позволили обнаружить большую витаминную ценность высокогорных растений. Было установлено, что очень богаты этим витамином плоды шиповника. Возникла специальная отрасль пищевой промышленности, перерабатывающая эти плоды.

Исключительно велика роль биохимии в развитии других отраслей пищевой промышленности, перерабатывающих растительное сырье. Яркие примеры тому — чайное и табачное производство. Из зеленого листа табака или чая получаются продукты с новыми свойствами, которых не было у исходного сырья. В результате биохимических реакций вещества листьев этих растений превращаются в другие вещества, нужные человеку. Управляя этими реакциями, можно улучшить свойства вырабатываемых продуктов, например цвет, аромат и все вкусовые качества чая.

Виноделие и пивоварение известны человеку уже в течение многих тысячелетий. Но лишь недавно стало известно, какую роль здесь играют ферменты. В основе процессов старения вина, в результате которых напиток приобретает особый вкус, цвет и аромат, лежат главным образом окислительные превращения дубильных веществ. Окислительные ферменты в ягодах винограда малоактивны, поэтому старение вина протекает медленно, несколько лет. Путем прибавления препаратов некоторых ферментов удается значительно ускорить этот процесс (до нескольких месяцев) и одновременно повысить качество вина.

Многообразна роль биохимии в области медицины. Болезненные нарушения в организме всегда или вызываются, или сопровождаются значительными изменениями в обмене веществ и сказываются на составе и свойствах крови, желчи и других секретов организма. Биохимическое исследование свойств крови позволяет получить представление о ходе биохимических процессов в органах и тканях, помогает установить диагноз, правильно подобрать вид и дозу лекарственных препаратов. Были проведены многочисленные биохимические исследования гормонов, вырабатываемых железами внутренней секреции. Подробно изучены гормоны надпочечников, щитовидной железы, разработаны методы получения их препаратов, а также искусственного синтеза некоторых из них, разработаны и пути использования в медицине этих физиологически активных веществ. Гормон поджелудочной железы инсулин, являющийся наиболее эффективным средством лечения тяжелого заболевания — сахарной болезни (диабета), не только детально изучен, но и синтезирован.

Большое значение в медицине приобрели антибиотики — вещества, вырабатываемые в процессе жизнедеятельности определенными видами микроорганизмов. Эти вещества, выделенные из микроскопических грибов и бактерий или полученные синтетически, принадлежат к числу наиболее могучих и эффективных средств борьбы с заразными (инфекционными) заболеваниями, вызываемыми вирусами и болезнетворными бактериями (см. статьи «Микробы» и «Вирусы»). Биохимики и врачи ищут новые, еще более активные физиологические вещества. Данные биохимии, знание процессов обмена веществ и управление ими не только помогают распознавать природу заболеваний и лечить их, но и открывают пути к созданию надежных мер по предупреждению болезней.

Наиболее важная составная часть цитоплазмы, основа ее химической структуры — белки. Белки участвуют в построении молекул всех содержащихся в клетке ферментов. Многие ферменты — чистые белки, в других ферментах белки связаны с какими-либо иными химическими соединениями, называемыми активными группами или коферментами.

Молекула каждого белка построена из аминокислот, которых в настоящее время известно 20. Различные белки состоят из неодинаковых аминокислот. Кроме того, отдельные белки резко различаются по составу и количеству аминокислот, из которых состоят их молекулы, а также последовательностью их расположения в белковой частице. Именно этим и объясняется громадное разнообразие свойств природных белков, размеров их молекул.

Исключительно большую и разностороннюю роль в жизни всех организмов играют нуклеиновые кислоты, которые также представляют собой очень сложные химические соединения. В составе клеток живых организмов обнаружено два типа нуклеиновых кислот — дезоксирибонуклеиновые, сосредоточенные в основном в ядрах клеток в хромосомах (см. ст. «Наследственность»), и рибонуклеиновые, встречающиеся и в ядрах и во всех составных частях цитоплазмы.

Доказано, что процессы синтеза белков непосредственно регулируются соответствующими ферментами и нуклеиновыми кислотами, содержащимися в клеточном ядре и цитоплазме, причем состав аминокислот и порядок их расположения в белковой молекуле целиком определяются особенностями строения нуклеиновых кислот. Нуклеиновые кислоты в сочетании с белками участвуют в построении многих очень важных ферментов, которые управляют процессами дыхания клетки.

Особенности строения белков и нуклеиновых кислот обусловливают их чрезвычайно высокую химическую активность. Они являются основными двигателями и регуляторами протекающих в живой клетке процессов обмена веществ.