|
|
Биологическая химия (биохимия)
— составная часть биологии, ее называют также физиологической химией, или
наукой о химии живого. Она изучает химический состав растений, животных и
микроорганизмов, происходящие в живых' организмах биохимические процессы,
связь между жизнедеятельностью организмов и протекающими в них биохимическими
процессами.
В задачу биохимии входит также изучение физиологической
роли отдельных веществ в жизни организмов, процессов биосинтеза сложных
органических веществ из * неорганических соединений. Совокупность химических
превращений, отражающих постоянную взаимосвязь организма с внешней средой,
составляет биологический обмен веществ. Обмен веществ лежит в основе наиболее
сложной формы движения материи, называемой жизнью. Нередко вместо слов «обмен
веществ» применяют термин «метаболизм». Вещества, возникающие в организме в
результате обмена веществ, называют продуктами обмена, или метаболитами.
Биохимия по своему содержанию и методам тесно связана с
физиологией — наукой о природе живых организмов, о функциях и процессах,
протекающих в живом организме и его частях (органах, тканях, клетках).
Физиология растений изучает общие закономерности жизнедеятельности
растительных организмов и разрабатывает пути управления ими. Задача
физиологии состоит в изучении процессов роста и развития, цветения и
плодоношения растений, почвенного и воздушного питания, синтеза и накопления
пластических веществ, т. е. совокупности всех тех процессов, которые
определяют способность роста и воспроизводства растений.
Биохимия развивалась в борьбе с господствовавшим в
биологии в XVIII в. и в первой четверти XIX в. идеалистическим учением —
витализмом, согласно которому организмы строят свои вещества с обязательным
участием непознаваемой жизненной силы, не подчиняющейся законам сохранения
материи и энергии.
Достижения органической и биологической химии в XIX... XX
вв. показали полную несостоятельность витализма. Немецкий химик Ф/ Ведер в 1828 г. осуществил превращение торга - иического . циановокислого аммония в хорошо известное
органическое вещество мочевину, русский ученый А. М. Бутле- ров в 1861 г. получил из формальдегида сахаристые вещества,, французский химик М. Бертло выполнил синтез
ряда органических соединений. В изучении липидов важную роль сыграли работы
французского химика-органика М. Шеврёля, показавшего, что жиры состоят из
остатков жирных кислот и глицерина. Многие исследования, касающиеся структуры
углеводов, аминокислот и белков, связаны с именем немецкого химика-органика
Э. Фишера, доказавшего; что аминокислоты связываются между собой посредством
карбоксильных и аминогрупп, и обосновавшего полипептидную теорию строения
белков.
Крупный вклад в органический синтеа внес русский химик А.
М. Бутлеров, разработавший в 1861 г. теорию строения органических веществ. На
основе этой теории во второй половине XIX в. и в XX в. синтезировано
множество соединений, начиная от простейших спиртов, кислот и эфиров, до
углеводов, витаминов, дубильных веществ и др. Многие крупные химики изучали
процесс брожения. Французский ученый Л. Пастер ввел в науку представление об
анаэробных микроорганизмах и раскрыл природу .процессов брожения. Немецкий
химик и биолог Э. Бухнер в 1897 г. установил, что экстракт из дрожжевых
клеток способен сбраживать сахар. Основы учения о фотосинтезе были заложены
швейцарским ученым Н. Соссюром в 1804 г. Знания о природе фотосинтеза, а также о физике и химик хлорофилла были значительно расширены исследованиями
русского ученого К. А. Тимирязева.
Подлинный расцвет биохимии наступил в XX в. Важные
открытия следовали одно за другим. Русский ученый Н. И. Лунин положил начало
учению о витаминах — веществах органической природы, без незначительных
количеств которых наряду с белками, углеводами, жирами и минеральными солями
невозможны нормальный рост и развитие живых организмов. Выдающийся английский
биохимик Ф. Гопкинс открыл трипептид глютатион, содержащийся во всех живых
клетках, в том числе в зерне пшеницы (особенно много его в зародыше и в
дрожжах). Глютатион влияет на активность многих ферментов, особенно тех,
действие которых связано с превращениями белков и клейковины.
Большие успехи достигнуты в изучении состава, структуры и
функций белка и нуклеиновых кислот. Расшифрована структура многих нуклеиновых
кислот и белков. Полипептидная теория стр9ения белка, обоснованная Э.
Фишером, составной частью входит в современную теорию строения белковой
молекулы, исходящей из того, что белки имеют четыре последовательно
возникающих уровня пространственной организация с использованием пептидных,
водородных, диеульфидных, солевых, сложноэфцрных связей, а также сил
ван-дер-ваадьсова взаимодействия, электростатического, гидрофобного
взаимодействий и др.
Расшифровано строение полипептидных цепей многих белков,
среди них инсулина — гормона белковой природы, выделяемого поджелудочной
железой, ферментов рибонуклеазы, лизо- цима, химотрипсина, растительного
фермента папаина, белков, входящих в состав цитохромов — катализаторов,
участвующих в процессе дыхания.
Что представляет собой жизнь с точки зрения ее
материальной сущности? Ответ на этот вопрос с гениальной четкостью дал Ф.
Энгельс: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом
которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой,
причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит
к разложению белка» . Он также говорил: «Из обмена веществ посредством
питания и выделения — обмена, составляющего существенную функцию белка, — и
из свойственной белку пластичности вытекают все прочие простейшие факторы
жизни» . Из определения Энгельса следуют два важных принципиальных положения:
материальную основу жизни составляют белки — сложные органические вещества,
обладающие колоссальным многообразием химических функций, в результате
которых они взаимодействуют со всеми соединениями, входящими в состав
организма; жизнь есть результат взаимодействия организма и среды, результат
обмена веществ.
Материалистическое понимание жизни, сформулированное
Энгельсом, в своей философской сущности остается незыблемым. В свете новейших
достижений естествознания оно детализируется, углубляется, приобретая большую
масштабность и логическую завершенность. Исследуется клетка, ее мельчайшие
внутренние структуры, элементарные биохимические реакции, отдельные
гигантские молекулы биополимеров (белков, нуклеиновых кислот).
В 1970 г. американский ученый Г. Корана с сотрудниками
впервые синтезировал ген носителя наследственной информации дрожжевого
грибка. В 1971 г. английские исследователи Р. Диксон и Дж. Постгэйт сообщили
о пересадке гена ассимиляции молекулярного азота воздуха из клеток бактерий,
способных осуществлять этот процесс, в клетки, бактерий, лишенных такой
способности.
Английские ученые Д. Уотсон и Ф. Крик в 1953 г. предложили модели строения молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) — носительницы
наследственности — в виде двойной завитой спирали, соединенной в одно целое
водородными связями. С этого бремени начинается создание новой науки —
-молекулярной биологии, совместившей дотижения современной "генетики,
биохимии, биофизики; кристаллографии, математики. В становлении молекулярной
биологии, связанной с биохимией, сыграли большую роль идеи и методы классической
генетики, микробиологии, вирусологии, физики и химии полимеров, теории
информации. Большое будущее принадлежит генной инженерии — технологии
направленного конструирования биологических объектов с новыми свойствами.
Важны исследбвания по расшифровке и пересадке генов
азотфиксации. Этой способностью обладают только некоторые микроорганизмы,
свободно живущие в почве или обитающие в клубеньках бобовых растений.
Усиление процесса азотфиксации или наделение ими других, не обладающих
подобной особенностью растений, позволит повысить урожайность
сельскохозяйственных культур, не прибегая к азотсодержащим удобрениям.
Генная инженерия открывает новые возможности в области
борьбы с вредителями сельского хозяйства, так как применение химических
препаратов иногда наносит существенный вред природной среде. Не нарушая
природного баланса, при помощи генной инженерии можно добиться нужных
результатов направленным изменением наследственного аппарата вредителей, в
результате чего количество вредителей уменьшится.
Большая роль принадлежит генной инженерии в промышленной
микробиологии, в генноинженерном конструировании промышленных
микроорганизмов, продуцирующих такие важные соединения, как ферменты,
аминокислоты, антибиотики, витамины и пищевые белки, биологические средства
защиты растений, пептидные гормоны животных и человека и т. д. Во Всесоюзном
научно-исследовательском институте генетики и селекции врQmmmmmkt
микроорганизм^ выделены клены^ мутантных генов, кодирующих синтез а
ммокисдега треоннйй. Получен штамм , но ряду параметров превосходящий все
используемые в мировой практике в настоящее время продуценты L-треонина.
Проводят работы по введению в пекарские дрожж» генов,,
кодирующих птцевые белки овальбумина (основного белк» куриного белка) и
миозина (белка мышц).
Исследуют дрожжевые штаммы, использующие дешевые субстраты
— этанол и метанол.
КПД фотосинтетического использования энергии активной
солнечной радиации (ФАР) у большинства растений невелик и составляет менее
1%, лишь у отдельных сельскохозяйственных культур достигает 1...2%.
Интенсивность фотосинтеза можно повысить до 3...5% направленным изменением
наследственности зеленых пластид хлоропластов, улавливающих энергию солнца,
используемую для усвоения углекислоты воздуха. Подсчитано, что в зависимости
от географической широты и особенностей природной зоны можно будет получать
урожаи зерна на уровне 100... 150 ц/га.
В последнее время повышается внимание к фитонцидам —
веществам, продуцируемым растениями и обладающим бактерицидными фунгицидными,
протистоцидными свойствами . Фитонциды играют важную роль в иммунитете
растений и во взаимоотношениях организмов в биоценозах.
Методы биохимии имеют большое практическое значение для
медицины, сельского хозяйства, отраслей промышленности, перерабатывающих
растительное сырье. Биохимия дает знания, необходимые для решения задач
управления развитием растительных организмов, изучения закономерностей и
регулирования синтеза веществ в растениях, создания новых форм организмов,
селекции новых форм организмов, селекции новых сортов. Биохимия составляет
научную основу хранения запасов зерна, плодов и овощей, выращиваемых в
сельском хозяйстве и поступающих в распоряжение государства.
Биохимия зерна изучает химический состав ремян и зерна,
муки, крупы и хлеба; биохимические процессы, происходящие при созревании и
прорастании семян и зерна; биохимические процессы при хранении зерна и
продуктов его переработки* а также пути борьбы с потерями при хранении;
биохимические процессы* происходящие в зерне при его переработке; разработку
научной основы мероприятий по улучшению качества муки, крупы и других
продуктов из зерна и для системы производственного технологического контроля;
биохимические процессы в, продуктах переработки зерна при их хранении;
пищевую ценность зерна и продуктов его переработки.
Итальянский ученый Беккари в 1745 г. опубликовал доклад о выделении им из пшеничного теста отмыванием водой от крахмала и отрубей
связной эластичной и упругой массы (клейковины). Обширные исследования
клейковины (1768) выполнил член Петербургской академии наук Модель. В 1814 г. член той же академии К. С. Кирхгоф обнаружил в зерне ячменя вещество, осахаривающее крахмал
(амилазу).
Развитие науки о зерне в нашей стране тесно связано с
йменем Д. И. Менделеева, исследовавшего клейковину, ее свойства и значение
для хлебопечения. Сведения о химическом составе зерна пшеницы и зависимости
содержания в нем белковых веществ от климатических и почвенных условий дал
профессор Московского университета Н. Э. Лясковский в 1865 г. - На рубеже XIX и XX вв. американский биохимик Т. Б. Ос- <борн изучил состав белков зерна
(наиболее полно зерно пше- ницы). Исследования химического состава зерна
пшеницы, ржи и ячменя в начале XX в. проводили П. П. Петров и Я. Я.
Никитинский, выдающийся русский и советский агрохимик акадешik Д. Н.
Прянишников, который прославился и, кт биохимик. Им выполнены ставшие
классическими работы ио азотистому питанию и химизму превращения белков в
растительном организме.
Первыми советскими исследователями по биохимии растений и
технической биохимии были академики А. Н. Бах и А. И. Опарин, основавшие в 1935 г. в Москве Институт биохимии Академии наук СССР, носящий в настоящее время имя
A. Н. Баха и превратившийся в центр
научно-исследовательских работ по биохимии. Из обширного круга вопросов, над
кото- рыми работали эти ученые, необходимо выделить исследования по
ферментам, значительно расширившим представления о. биохимических процессах в
зерне и при производстве хлеба.
В начале 40-х годов академик В. А. Эйгельгардт внес
замечательный вклад в мировую науку, открыв дыхательное фос- форилирование —
основу биоэнергетики. Советский ученый
B. А. Белицер и ряд других ученых установили, что
энергия,, освобождающаяся при окислительных процессах дыхания,
трансформируется (запасается) в высокоэнергетических фосфатных связях
аденозинтрифосфорной кислоты (АТР). Энергия этих; фосфатных связей приводит в
действие механизм всего разнообразия биологических функций.
Профессор Ленинградского института растениеводства* Н. Н.
Иванов выполнил большую работу по биохимической характеристике важнейших
видов и сортов культурных растений:, Профессор Московского университета А. Р.
Кизель исследовал ферменты зернй, связь влажности зерна и зерновой массы с
физиологическими и биохимическими процессами. Сотрудник Ленинградского
института растениеводства К. М. Чинго-Чингас составил первую сводку
мукомольных и хлебопекарных особенностей сортов советской пшеницы в 1922 и
1931 гг. Работы члена АМН СССР Б. И. Збарского показали роль белков в питании
человека и необходимость изучения аминокислотного» состава всего комплекса
белков для характеристики биологической ценности пищевых продуктов.
Важный вклад в развитие биохимии зерна внесли профессора
В. Л. Кретович, Н. П. Козьмина, Н. И. Соседов, Н. В. Ромен- ский, А. В.
Благовещенский, Н. И. Проскуряков, М. И. Княгини- чев, Л. Я. Ауэрман, А. Б.
Вакар, Е. Д. Казаков, В. Ф. Голенков,, В. Г. Щербаков и др.
В начале 80-х годов нашего столетия в научный обиход вошло
новое понятие — биотехнология. Это прикладное использование биологических
агентов и процессов в промышленности, сельском хозяйстве и медицине. Таким
образом, когда говорят о биотехнологии в изготовлении каких-либо продуктов и
веществ, имеют в виду применение методов и процессов, заимст-
Вованных из областей науки, связанных е живыми организмами
{биохимии, молекулярной биологии, микробиологии, биофизики; биоорганической
хймии, физиологии и т. д.), и использование сельскохозяйственного и другого
сырья со свойствами живых организмов.
Биотехнологию используют применительно к производству (или
переработке) конкретного сырья или получаемого продукта из него:
биотехнология зерна, биотехнология хлеба, биотехнология пива, биотехнология
микробиологических продуктов и т.д.
В Основных направлениях экономического и социального
развития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года подчеркнута
необходимость более активного внедрения в практику научно-технических
достижений в области биотехнологии и генной инженерии.
К работающим основным центрам по биохимии зерна, кроме
института биохимии АН СССР, относятся Московский ордена Трудового Красного
Знамени технологический институт пищевой промышленности, Всесоюзный ордена
Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт зерна и
продуктов его переработки (ВНИИЗ), Одесский технологический институт пищевой
промышленности им. М. В. Ломоносова (ОТИПП), Всесоюзный ордена Ленина и
ордена Дружбы Народов институт растениеводства им. Н. И. Вавилова, институт
молекулярной биологии и биохимии АН Казахской ССР.
Контрольные вопросы.
1. Что составляет материальную основу жизни по определению
Ф. Энгельса? 2. Что изучает молекулярная биология? 3. Каково практическое
значение молекулярной биологии? 4. Что такое генная инженерия и каково ее
значение? 5. Что изучает биохимия? 6. Что понимают под биотехнологией?
|