Биологическая химия - часть 3

теория была недостаточно разработана, имела умозрительный характер

и не полностью объясняла ряд экспериментально установленных фактов.

Важное значение имело получение строгих доказательств возможности

брожения, не связанного с жизнедеятельностью клеток. Ясность была

внесена, когда русский врач М.М. Манассеина (1871) и особенно четко

немецкий ученый Э. Бухнер (1897) доказали способность бесклеточного

дрожжевого сока вызывать алкогольное брожение.

Накопленные сведения о химическом составе растительных и животных

организмов и химических процессах, протекающих в них, были впервые

систематизированы в учебниках И. Зимона (1842) и Ю. Либиха (1847).

В России первый учебник физиологической химии был издан А.И. Ходне-

вым (1847).

Во второй половине XIX в. на медицинских факультетах многих русских

и зарубежных университетов были учреждены специальные кафедры меди-

цинской, или физиологической, химии. В России первые кафедры меди-

цинской химии были организованы в 1863 г. в Казанском университете

А.Я. Данилевским и в Московском университете А.Д. Булыгинским.

В 1892 г. начала функционировать кафедра физиологической химии в Воен-

но-медицинской (Медико-хирургической) академии в Петербурге. Эту ка-

федру возглавлял А.Я. Данилевский. Создание кафедр физиологической

химии в высших учебных заведениях было обусловлено тем, что во второй

половине XIX в. биологическая химия стала выделяться в самостоятельную

науку, имеющую свой предмет и методы исследования.

Подлинный расцвет биологической химии относится к XX в., когда

важные открытия во многих ее областях следовали одно за другим.

Биохимия открыла новые пути поиска с целью познания сущности биологи-

ческих процессов, помогла человеку получить множество фактов о самом

себе и условиях своего существования.

Последние годы характеризуются развитием методологических принци-

пов и методических приемов исследования живой природы и накоплением

фактических данных, позволивших изучать и объяснять метаболические

процессы в биологии на молекулярном уровне.

Традиционный термин «биохимия», кажется, уже не в полной мере

отражает профессиональную активность современных исследователей-био-

химиков. Несмотря на то что один из выдающихся биохимиков недавнего

прошлого С. Очоа полагал, что  м о л е к у л я р н а я биология – это в сущ-

ности «биохимия без лицензии», многие в наши дни считают оба термина

синонимами. Более того, созданы совместные национальные и международ-

ные научные общества, объединяющие биохимиков и молекулярных биоло-

гов. В ряде случаев кафедры называются кафедрами биохимии и молеку-

лярной биологии. Все это имеет не только чисто академический, но

и политический смысл, препятствующий возможности организации других

кафедр и имеющий бесспорные преимущества при получении грантов.

Помимо старых терминов «физиологическая химия», «физико-химическая

биология», появилось много новых: в частности, «медицинская химия»,

изучающая химическую природу веществ, используемых с лечебной целью;

«медицинская биохимия», основной целью которой является изучение

структуры и обмена индивидуальных биомолекул в норме и при болезнях

человека. Имеют права «гражданства» и такие названия, как «клиническая

химия», «клиническая биохимия» и «химическая патология» (или «патобио-

химия»), скорее всего, являющиеся синонимами и изучающие химические

компоненты организма для использования их в клинической медицине.

Наконец, появился совсем новый термин  « м о л е к у л я р н а я медицина»

17

(даже в названиях учебников), цели и задачи которой остаются неясными.

Надо ли в корне менять наши современные представления о структуре

и функции биомолекул, сложившиеся в процессе изучения их в курсе

биохимии и молекулярной биологии?

Наиболее важными и приоритетными фундаментальными направления-

ми научных исследований в биохимии и молекулярной биологии являются

генетическая инженерия и биотехнология, которым придается исключитель-

ное значение. Усилия ученых сосредоточены на создании и производстве

препаратов для медицины (гормоны, ферменты, моноклональные антитела,

биоактивные пептиды, вакцины, интерферон, простагландины и др.), сель-

ского хозяйства (регуляторы роста растений, феромоны для борьбы с вре-

дителями растений), промышленности (пищевые и вкусовые добавки). Эта

новая технология может решать ряд важных проблем в медицине (прена-

тальная диагностика болезней, генотерапия и др.).

В настоящее время перед биологической наукой поставлена задача –

обеспечить преимущественное развитие научных исследований по следую-

щим основным направлениям: разработка методов генетической и клеточ-

ной инженерии, создание на их основе новых процессов для биотехноло-

гических производств с целью получения принципиально новых пород

животных, форм растений с ценными признаками; разработка новых

методов и средств диагностики, лечения и профилактики наследственных

заболеваний; разработка научных основ инженерной энзимологии; разра-

ботка и внедрение новых биокатализаторов (в том числе иммобилизован-

ных) и оптимизация с их помощью биотехнологических процессов получе-

ния химических и пищевых продуктов; исследования структуры и функции

биомолекул клетки; изучение молекулярных и клеточных основ иммуноло-

гии, а также генетики микроорганизмов и вирусов, вызывающих заболева-

ния человека и животных, создание методов и средств диагностики, лечения

и профилактики этих заболеваний; исследования молекулярно-биологиче-

ских механизмов канцерогенеза, природы онкогенов и онкобелков, их роли

в малигнизации клеток и создание на этой основе методов диагностики

и лечения опухолевых заболеваний человека; исследования проблем био-

энергетики, питания, психики и молекулярных основ памяти и деятельности

мозга. Таким образом, можно наметить следующие главные направления

развития исследований в области биологической химии на ближайшую

и отдаленную перспективу, так называемые  г о р и з о н т ы  б и о х и м и и :

1. Дифференцировка клеток высших организмов (эукариот).

2. Организация и механизм функционирования генома.

3. Регуляция действия ферментов и теория энзиматического катализа.

4. Процессы узнавания на молекулярном уровне.

5. Молекулярные основы соматических и наследственных заболеваний

человека.

6. Молекулярные основы злокачественного роста.

7. Молекулярные основы иммунитета.

8. Рациональное питание.

9. Молекулярные механизмы памяти.

10. Биосинтез белка.

11. Биологические мембраны и биоэнергетика.

Основное назначение биологической химии сводится к тому, чтобы

решать на молекулярном уровне задачи фундаментальные, общебиологиче-

ские, включая проблему зависимости человека от экосистемы, которую

необходимо не только понимать, но защищать и научиться разумно ею

пользоваться.

18

Глава 1

ХИМИЯ БЕЛКОВ

Мир самого сложного – жизнь.

Н.Н. Семенов

Живой организм характеризуется высшей степенью упорядоченности со-

ставляющих его ингредиентов и уникальной структурной организацией,

обеспечивающей как его фенотипические признаки, так и многообразие

биологических функций. В этом структурно-функциональном единстве

организмов, составляющем сущность жизни, белки (белковые тела) иг-

рают важнейшую роль, не заменяемую другими органическими соеди-

нениями.

Белки – это высокомолекулярные азотсодержащие органические веще-

ства, молекулы которых построены из остатков аминокислот. Название

«протеины» (от греч. protos – первый, важнейший), по-видимому, более

точно отражает первостепенное биологическое значение этого класса ве-

ществ. Принятые в отечественной литературе термины «белки» и «белковые

вещества» связаны с обнаружением в тканях животных и растений веществ,

имеющих сходство с белком куриного яйца. В наше время, когда абсолютно

достоверно установлено, что наследственная информация сосредоточена

в молекуле ДНК клеток любых живых организмов, не вызывает сомнения,

что только белки являются теми молекулярными инструментами, при

помощи которых реализуется генетическая информация. Без белков, в част-

ности ферментов, ДНК не может реплицироваться, не может самовоспро-

изводиться, т.е. лишена способности передавать генетическую информа-

цию.

Живая природа характеризуется рядом свойств, отличающих ее от

неживой природы, и почти все эти свойства связаны с белками. Прежде

всего для живых организмов характерны широкое разнообразие белковых

структур и их высокая упорядоченность; последняя существует во времени

и пространстве. Удивительная способность живых организмов к воспроиз-

ведению себе подобных также связана с белками. Сократимость, движение –

непременные атрибуты живых систем – имеют прямое отношение к белко-

вым структурам мышечного аппарата. Наконец, жизнь немыслима без

обмена веществ, постоянного обновления составных частей живого орга-

низма, т.е. без процессов анаболизма и катаболизма (этого удивительного

единства противоположностей живого), в основе которых лежит деятель-

ность каталитически активных белков – ферментов.

Таким образом, белки (белковые вещества) составляют основу и струк-

туры, и функции живых организмов. По образному выражению одного из

основоположников молекулярной биологии Ф. Крика, белки важны прежде

всего потому, что они могут выполнять самые разнообразные функции,

причем с необыкновенной легкостью и изяществом. Подсчитано, что

в природе примерно 10

10

–10

12

 различных белков, обеспечивающих суще-

ствование около 10

6

 видов живых организмов различной сложности орга-

низации начиная от вирусов и кончая человеком. Из этого огромного

количества природных белков известны точное строение и структура

19

ничтожно малой части (см. далее). Каждый организм характеризуется

уникальным набором белков. Фенотипические признаки и многообразие

функций обусловлены специфичностью объединения этих белков, во многих

случаях в виде над- и мультимолекулярных структур, в свою очередь

определяющих ультраструктуру клеток и их органелл.

В клетке Е.coli содержится около 3000 различных белков, а в организме

человека насчитывается более 100000 разнообразных белков. Самое удиви-

тельное, что все природные белки состоят из небольшого числа сравни-

тельно простых структурных блоков, представленных мономерными моле-

кулами – аминокислотами, связанными друг с другом в полипептидные

цепи. Природные белки построены из 20 различных аминокислот. Эти

аминокислоты могут объединяться в самой разной последовательности,

поэтому они могут образовывать громадное количество разнообразных

белков. Число изомеров, которое можно получить при всевозможных

перестановках указанного числа аминокислот в полипептиде, исчисляется

огромными величинами. Так, если из 2 аминокислот возможно образование

только двух изомеров, то уже из 4 аминокислот теоретически возможно

образование 24 изомеров, а из 20 аминокислот – 2,4•10

18

 разнообразных

белков.

Нетрудно предвидеть, что при увеличении числа повторяющихся амино-

кислотных остатков в белковой молекуле число возможных изомеров

возрастает до астрономических величин. Ясно, что природа не может

позволить случайных сочетаний аминокислотных последовательностей и

для каждого вида характерен свой специфический набор белков, определя-

емый, как теперь известно, наследственной информацией, закодированной

в молекуле ДНК живых организмов. Именно информация, содержащаяся

в линейной последовательности нуклеотидов ДНК, определяет линейную

последовательность остатков аминокислот в полипептидной цепи синтези-

руемого белка. Образовавшаяся линейная полипептидная цепь сама теперь

оказывается наделенной функциональной информацией, в соответствии

с которой она самопроизвольно преобразуется в определенную стабильную

трехмерную структуру. Таким образом, лабильная полипептидная цепь

складывается, скручивается в пространственную структуру белковой моле-

кулы, причем не хаотично, а в строгом соответствии с информацией,

содержащейся в последовательности аминокислотных остатков. Учитывая

ведущую роль белков в живой природе и тот факт, что белки, составляя

почти половину сухой массы живого организма, наделены удивительным

разнообразием функций, изучение курса биохимии в медицинских высших

учебных заведениях обычно начинают с этого класса органических

веществ.

ФУНКЦИИ БЕЛКОВ

Белки выполняют множество самых разнообразных функций, характерных

для живых организмов, с некоторыми из которых мы познакомимся более

подробно при дальнейшем изучении курса. Ниже рассматриваются главные

и в некотором смысле уникальные биологические функции белков, несвой-

ственные или лишь частично присущие другим классам биополимеров.

Каталитическая функция. К 1995 г. было идентифицировано более

3400 ферментов. Большинство известных в настоящее время ферментов,

20