Биохимия-наука о превращениях веществ

Растения и животные

Биохимия-наука о превращениях веществ

На всем протяжении жизни любого из орга­низмов, населяющих нашу планету, в его органах и тканях осуществляется бесконечно сложная и разнообразная цепь химических превращений. Ни один организм не может существовать без тесного взаимодействия с окружающей его внешней средой, из которой он получает необходимые питательные веще­ства, перерабатывает их и выделяет те, кото­рые ему больше не нужны.

Не остаются постоянными и вещества, вхо­дящие в состав тела организма. В каждой клет­ке организма непрестанно происходит сложный комплекс химических процессов, именуемый обменом веществ. Воспринимаемые организмом из окружающей среды вещества подвергаются внутри его клеток сложным изме­нениям, в результате которых они превраща­ются в вещества самого организма. Эта группа процессов называется ассимиляцией. Одновременно в организме непрерывно осуществляются процессы разложения веществ, вхо­дящих в состав его клеток. Эти процессы име­нуются диссимиляцией.

Несмотря на то что две названные группы процессов прямо противоположны по своему характеру и кажутся направленными в разные стороны, каждый организм в течение жизни сохраняет достаточно постоянными присущие ему форму, химический состав и свойства. Такое постоянство достигается тем, что процес­сы синтеза и распада протекают не хаотически, а в определенной, строго отрегулированной по­следовательности: на смену каждой распав­шейся составной части клетки приходит новая частица, выполняющая ту же роль, ту же функцию.

Вся эта сложная сумма превращений, про­текающих в тканях живого организма, и лежит в основе процессов его жизнедеятельности, таких, как питание, рост, развитие, размножение, движение, поглощение и выделение ве­ществ, дыхание и брожение. Сущность пере­численных выше процессов изучает наука, ко­торая называется биологической хи­мией или, как часто говорят, биохи­мией.

Происходящие в живом организме процес­сы характеризуются не только необыкновенной сложностью, но и чрезвычайно большой скоростью. Эта скорость во много раз больше той, с которой те же превращения совершаются вне живой среды, в лабораторной пробирке или стакане. Например, при дыхании в тканях ра­стений происходит интенсивное разложение сахара, окисление его до степени образования углекислого газа и воды. Этот процесс проис­ходит в каждой клеточке растения и не прек­ращается даже при 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.

Такая громадная разница обусловлена тем, что превращениям веществ в живом организме способствуют особые вещества, вырабатывае­мые протоплазмой живых клеток,— ферменты. Эти вещества обладают замечательной спо­собностью: находясь в клетке в ничтожно ма­лых количествах, они увеличивают скорость определенных биохимических реакций в десят­ки миллионов раз. В отсутствие ферментов эти реакции шли бы настолько медленно, что не могли бы обеспечить бурное течение про­цессов жизнедеятельности организма.

Коренным образом изменяется картина жизни организма, если деятельность находящихся в его клетках ферментов 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 увлажнения активность фер­ментов и дыхание увеличиваются в сотни и тысячи раз.

Как уже говорилось, процесс дыхания ра­стений заключается в окислении сахара или других сложных органических веществ кисло­родом воздуха до воды и углекислого газа. Но это только внешняя сторона очень слож­ного процесса, состоящего из большого числа отдельных реакций, происходящих при уча­стии многих различных ферментов. Сложное органическое вещество распадается на более простые неорганические соединения, выделяю­щиеся в атмосферу.

Зачем же нужен этот процесс растению? Биохимики показали, что для нормального роста и развития растению, как и всякому дру­гому организму, 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 в воздухе. 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 химически выделяется лишь небольшое коли­чество энергии, которую клетка тотчас же запасает, чаще всего в виде особых соединений, содержащих фосфорную кислоту. Наиболее рас­пространенным из них является аденозинтрифосфорная кислота.

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, она двигатель веществ по растению 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 протоплаз­му, заменяет отработанные части, создает ма­териалы для построения новых клеток и ор­ганов.

За счет какой же энергии образуются слож­ные органические вещества, используемые ор­ганизмами в качестве источника пищи? 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 Тимирязева, существова­ние всего органического мира с Солнцем. Процесс этот носит название фотосинтеза (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 листа. Нет сомнений, что эта задача будет разрешена.

Из сказанного выше ясно, что улучшение свойств растения, его способность использовать питательные вещества, солнечную энер­гию и другие факторы роста, способность на­капливать определенные количества различ­ных веществ в тканях теснейшим образом свя­заны с деятельностью ферментов.

Повышение продуктивности, подъем урожайности растения во многом зависят от совершенствования его ферментной системы. Ученые установили, что степень богатства углеводами запасных орга­нов растений — корнеплодов, луковиц, клуб­ней — 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.

Зимостойкость и засухоустойчивость расте­ния зависят от обмена веществ в условиях сильного обезвоживания ткани или сильного охлаждения. У растений устойчивых форм фер­менты сохраняют способность ускорять синте­тические процессы даже в неблагоприятных усло­виях. У неустойчивых форм работа ферментов и весь обмен веществ резко нарушаются даже при слабом, незначительном воздействии на ткани.

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 сахара только 3—4%. Иссле­дования биохимиков показали, что это результат вполне определенных изменений в обмене ве­ществ у дикорастущих растений, от которых произошли современные культурные формы. Изучив эти процессы, ученые могут направлен­но изменять свойства растений. Советским уче­ным, например, удалось создать сорта подсол­нечника, содержащие до 60% масла, сорта табака, устойчивые к заражению вирусом та­бачной мозаики и корневой гнили, сорта пше­ницы, которые не поражаются ржавчиной и другими болезнями.

Известно, что одной из незаменимых частей пищи наряду с белками, жирами и углево­дами являются витамины. Главный источник витаминов в пище человека и животных — ра­стения, и в первую очередь разнообразные ово­щи и плоды (см. ст. «Витамины»). Поэтому так важно выявить сорт плодов и овощей, наиболее богатых 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. Теоретические исследова­ния, посвященные выяснению биологической роли витамина С, позволили обнаружить боль­шую витаминную ценность высокогорных ра­стений. Было установлено также, что очень бо­гаты этим витамином плоды шиповника, на этой базе возникла специальная отрасль пище­вой промышленности.

Исключительно велика роль биохимии в развитии других отраслей пищевой промыш­ленности, перерабатывающей растительное сырье. Яркие примеры тому — чайное и табач­ное производство. Из зеленого листа табака или чая получаются продукты с новыми свой­ствами, которых не было в исходном сырье. Эти свойства возникают в результате биохими­ческих реакций, в ходе которых вещества листь­ев превращаются в другие вещества, нужные производству. Управляя этими реакциями, можно улучшить свойства вырабатываемых про­дуктов, повысить их качество, например окра­ску и аромат чая.

Виноделие и пивоварение известны чело­веку уже в течение многих тысячелетий. Но лишь недавно стало известно, что они связаны с деятельностью ферментов. В основе процессов старения вина, в результате которого 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. Путем при­бавления препарата фермента пероксидазы в некоторых случаях удается ускорить этот про­цесс с нескольких лет до нескольких месяцев.

Биохимические знания позволяют направ­ленно влиять на процессы обмена веществ у сельскохозяйственных животных, повышать их продуктивность.

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. Биохими­ческий анализ крови отражает течение биохи­мических процессов в органах и тканях, помо­гает правильно установить диагноз, правильно использовать необходимую дозу лекарственных препаратов. После открытия желез внутренней секреции были проведены многочисленные био­химические исследования вырабатываемых эти­ми железами гормонов. Подробно изучены гор­моны надпочечников, щитовидной железы, раз­работаны пути их выделения и широкого ис­пользования в медицине. Гормон поджелудоч­ной железы — инсулин, являющийся един­ственным средством лечения тяжелого заболе­вания сахарной болезни (диабета), не только детально изучен, но и синтезирован искусственно, в лаборатории.

Сейчас все большее значение в медицине приобретают антибиотики — вещества, вырабатываемые определенными видами микро­организмов. Эти вещества, изученные и вы­деленные из микроорганизмов 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»). Поэтому отыскание новых, еще более активных антибиотиков является важной проблемой, стоя­щей перед биохимиками и врачами. Данные биохимии, знание и управление процессами обмена веществ не только помогают распозна­вать природу заболеваний и лечить их, но и открывают пути к созданию надежных мер по предупреждению болезней.

Наиболее важной составной частью прото­плазмы, основой ее химической структуры являются белки. Роль белков в жизни клетки состоит прежде всего в том, что они участвуют в построении молекул всех содержащихся в ней ферментов. Многие ферменты — чистые бел­ки, в других ферментах белки связаны с какими-либо другими химическими соедине­ниями, называемыми коферментами. Все заме­чательные свойства, которыми обладают ферменты, определяются именно природой входящего в состав каждого из этих катализато­ров белка.

Молекула каждого белка построена из ами­нокислот, которых в настоящее время извест­но 20. Различные белки состоят из неодинако­вых аминокислот. Кроме того, резко разли­чаются отдельные белки по общему количеству аминокислот, из которых состоят их молекулы, а также по тому порядку, в котором они распо­ложены в белковой частице. Именно этим и объясняется громадное разнообразие свойств природных белков, размеров их молекул. (Моле­кулы белков очень крупные, их молекулярный вес колеблется от нескольких тысяч до несколь­ких миллионов.)

Исключительно большую и разностороннюю роль в жизни всех организмов играют нуклеи­новые кислоты, которые также представляют собой соединения очень сложной химической природы. Биохимики установили, что нуклеи­новые кислоты сосредоточены в основном в мо­лодых тканях, где идут активные процессы роста и новообразования клеток, синтеза белка и других соединений протоплазмы.

Доказано также, что процессы синтеза бел­ков непосредственно регулируются нуклеино­выми кислотами, содержащимися в клеточном ядре и протоплазме, причем состав аминокис­лот и порядок их расположения в белковой молекуле также зависят от особенностей нук­леиновых кислот. Нуклеиновые кислоты в сочетании с белками участвуют в построении многих очень важных ферментов, которые управляют процессами дыхания клетки (см. статьи «Что такое биофизика» и «В недрах клетки»).

Особенности строения белков и нуклеино­вых кислот обусловливают их чрезвычайно высокую химическую активность, способность вступать в реакции друг с другом и с бесконеч­ным множеством других составных частей про­топлазмы. Благодаря этому в протоплазме бел­ки и нуклеиновые кислоты никогда не встре­чаются в свободном состоянии. Они всегда обра­зуют очень сложные соединения, состоящие из нескольких различных веществ и обладающие высокой биологической активностью. Наличие этих соединений в протоплазме сообщает ей необычайную подвижность. Они основной дви­гатель и регулятор протекающих в живой клетке процессов обмена веществ.