р.

Механизм биосинтеза белков во всех его аспектах исследуют в Институте белка РАН (биологический центр, г. Пущино-на-Оке Московской обл.), биохимические механизмы мутагенеза—в Сибирском отделении РАН (г. Новосибирск), применение ферментов для лечения некоторых видов лейкозов—на кафедре биохимии Университета дружбы народов, использование ферментов для диагностики—в Институте энзимологии Академии медицинских наук, механизм свертывания белков крови и структуру и функции кардиоактивных пептидов—в Кардиоцентре (г. Москва); проблемы биохимии насекомых—на кафедре органической и биологической химии МПГУ им. В. И. Ленина и т. д.

Таким образом, десятки больших и малых научных коллективов решают многие насущные вопросы биохимической науки. Их усилия объединяет Российское биохимическое общество.

Новые направления развития отечественной биохимии. Значительную роль в развитии биохимической науки в нашей стране сыграли научные программы и организационные мероприятия, а также решение ряда материально-технических вопросов, позволившие не только обеспечить существенное продвижение

12

вперед в фундаментальной и прикладной биохимии, но и создать современные, не уступающие зарубежным, а в ряде случаев и превосходящие их технические средства для проведения тончайших биохимических исследований. Этому в немалой степени содействовало создание ряда новых научных организаций, среди которых следует отметить Институт биологии гена РАН и проблемную научно-исследовательскую лабораторию диагностики вирусов растений при МГУ им. Ломоносова. Все они уже внесли существенный вклад в развитие биохимии и тесно соприкасающихся с нею наук. Не меньшее значение имеет организация в этот же период Научно-производственного центра медицинской биотехнологии Минздрава и инженерного центра «Биоинженерия» при Межотраслевом научно-техническом комплексе «Биотехнология», деятельность которых направлена на внедрение достижений биохимии и неразрывно связанной с нею молекулярной биологии в медицину и сельское 'хозяйство.

Участие российских ученых в развитии мировой биохимии. Это предопределило выход отечественной биохимии на передовые рубежи в мировой биохимической науке, где Всесоюзное биохимическое общество занимало прочные позиции в Международном биохимическом союзе, основанном 6 января 1955 г. Признанием большого вклада русских ученых в развитие биохимии явилось избрание президентом Международного биохимического союза на период с 1976 по 1979 г. академика А. А. Баева, являвшегося до своей кончины (1995 г.) вице-президентом этого высшего форума биохимиков всего мира, а президентом Федерации Европейских Биохимических Обществ (ФЕБО) на период 1984—1986 гг.—академика Ю. А. Овчинникова. Состоялось 6 Всесоюзных биохимических съездов (последний в 1991 г. в г. Санкт-Петербурге), 9 симпозиумов по структуре и функции клеточного ядра, 9—по биохимии углеводов, 6—по биохимии циклических нуклеотидов, 10 объединенных симпозиумов биохимических обществ СССР и Франции, 18— СССР и Крмании и 6—СССР и Италии. Со дня основания Международного биохимического союза проведено 16 международных биохимических конгрессов (последний—в 1994 г. в г. Стокгольме, Швеция), а с момента начала работы ФЕБО—23 конференции ФЕБО (последняя—в 1995 г. в г. Базеле, Швейцария). На всех перечисленных как внутрисоюзных, так и международных форумах были широко представлены исследования наших ученых по всем разделам биохимии.

Важнейшая периодика по биохимии. С 1936 г. в нашей стране выходит журнал «Биохимия», издается ряд журналов биохимического профиля—«Молекулярная биология», «Прикладная биохимия и микробиология» и др. Начиная с 1950 г. публикуется ежегодник «Успехи биологической химии» (к 1996 г. вышло в свет 36 томов), с 1966 г.—серия монографий под общим названием «Биологическая химия», где представлены обзоры по важнейшим направлениям современной биохимии (в 1991 г. опубликован 39-й том), а с 1972 г.—серия монографий под названием «Молекулярная биология» (в 1991 г. издан 29-й том).

Методы биохимии. Как и всякая наука, биохимия располагает специфическими методами научного исследования. Общая их черта состоит в том, что при изучении обмена веществ исследуемое химическое соединение или набор определенных соединений вводят в системы, обладающие свойствами живого, и изучают их превращения. В качестве упомянутых систем используют либо целые организмы, либо переживающие органы, тканевые срезы, тканевые и клеточные культуры, тканевые кашицы, экстракты и го-могенаты, а также выделенные из клеточного содержимого специфические субклеточные структуры. Для выяснения судьбы добавленных к той или

13

иной системе соединений биохимия использует разнообразные химические методы анализа и различные физико-химические методы, перечисленные выше. Вместе с тем для изучения структуры и функций биополимеров, особенно в сравнительно биохимическом аспекте, все более внедряются иммунохимические и радиоиммунологические методы, метод адресованных реагентов, метод ДНК-ДНК-, ДНК-белок- и ДНК-РНК^гибридизации, метод кинетики реаесоциации нуклеиновых кислот, метод нейтронного рассеяния, специфические методы исследования кинетики действия ферментов и многие другие. Некоторые из названных методических подходов будут рассмотрены ниже в соответствующих главах учебника.

ГЛАВА I

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ОРГАНИЗМОВ

Общий химический состав. По современным данным, биомасса единовременно живущих на Земле организмов (а их насчитывается около 2 млн. видов) составляет 1,8х1012-2,4х1012т в пересчете на сухое вещество, причем ежегодно ими продуцируется около 10 т сухого вещества. В организмах, составляющих биомассу Земли, обнаружено свыше 60 химических элементов. Среди них условно выделяют группу элементов, встречающихся в составе любого организма, независимо от видовой принадлежности и уровня организации последнего. К их числу относят С, N, Н, О, S, Р, Na, К, Са, Mg, Zn, Fe, Mn, Си, Co, Mo, В, V, I и Cl< Первым шести элементам приписывают исключительную роль в биосистемах, так как из них построены важнейшие соединения, составляющие основу живой материи,— белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды и др.; последующие десять называют «металлами жизни»—они крайне важны для поддержания структуры и функциональной активности биополимеров; бор и ванадий весьма существенны для растительных и животных объектов соответственно, а хлор образует наиболее распространенный анион. Остальные элементы, обнаруженные в биомассе, встречаются в живой природе не столь систематически, а биологическое значение их во многих случаях еще не выяснено.

По количественному содержанию в живом веществе элементы делят на три категории: макроэлементы, концентрация которых превышает 0,001% (О, С, Н, Са, N, Р, S, Mg, Na, CI, Fe), микроэлементы, доля которых составляет от 0,001 до 0,000001% (Mn, Zn, Си, В, Мо, Со и многие другие) и ультрамикроэлементы, содержание которых не превышает 0,000001% (Hg, Au, U, Ra и др.).

Из макроэлементов в наибольшем количестве в биомассе содержатся О, С, , Н, N и Са. Из них только О и Са широко представлены в земной коре. Многие элементы, содержащиеся в литосфере в значительном количестве (Si, Al, Fe и др.), в органическом мире встречаются сравнительно в невысоких концентрациях. Аналогичная картина свойственна, по данным академика А. П. Виноградова, количественным соотношениям элементов в гидросфере и живых существах, ее населяющих, хотя качественный состав первой и второй почти совпадает. Таким образом, прямой зависимости между распространением химических элементов в неорганической и органической природе нет, однако это не означает, что между первой и второй отсутствует какая-либо связь. Наоборот, установлено, что между организмом и средой существует тонкая взаимозависимость. Так, например, те элементы, которые легко образуют растворимые и газообразные соединения, составляют основную массу биосферы (С, N, Р, S), хотя в земной коре их содержание относительно невелико. Элементы, которые не дают водорастворимых соединений, широко распространены в неорганической природе, а в составе организмов встречаются

15

в ничтожных количествах (Si, Fe, А1). Таким образом, доступность элементов для биосферы играет решающую роль в построении живого вещества.

Отмечена определенная зависимость между биологической ролью элементов и их местом в периодической системе Менделеева. Органический мир построен главным образом из легких элементов. В подавляющем большинстве случаев при переходе от легких к тяжелым элементам в пределах одной и той же подгруппы возрастает токсичность элементов и параллельно этому падает содержание их в биомассе (Zn, Cd, Hg). Элементы некоторых подгрупп взаимозаменяют друг друга в биологических объектах (Са, Sr, Ва). Функциональное значение элементов ряда подгрупп своеобразно; например, элементы восьмой подгруппы (Fe, Со, Ni) являются преимущественно компонентами биоактивных соединений. В последнее время активно обсуждается вопрос о биологическом значении Se, F, Si, Sn, As, Cr, Pb, W и других элементов.

Полагают, что Н, О, С, N и Р, составляющие вместе более 99% живого вещества, играют выдающуюся роль в явлениях жизни благодаря наличию у них комплекса особых качеств. Первое из них состоит в способности образовывать кратные связи. Вследствие этого С, например, превосходит Si в отношении числа и разнообразия возможных соединений, обладающих уникальными свойствами. Второе качество заключается в том, что атомы упомянутых элементов, отличаясь малыми размерами, образуют относительно плотные молекулы с минимальными межатомными расстояниями. Такие молекулы более устойчивы к действию тех или иных химических агентов. И наконец, третье качество присуще в основном Р и S и лишь в небольшой мере N. Оно сводится к возникновению на базе указанных элементов некоторых специфических соединений, при расщеплении которых выделяется повышенное количество энергии, используемой для процессов жизнедеятельности.

Многочисленные макро- и микроэлементы, образующие живую материю, присутствуют в последней в виде разнообразных химических соединений. Примерно 75% биомассы составляет вода, хотя ее содержание в организмах различных видов сильно колеблется (от 40—60% у древесных растений до 99% у медузы). Вода играет огромную роль в создании условий для жизнедеятельности. Она образует ту среду, в которой протекают физико-химические процессы, обеспечивающие постоянное возобновление живого вещества, а также участвует в реакциях гидролиза.

Вторым по количественному содержанию в биологических объектах, но, несомненно, первым и главным по значению классом соединений являются белки. В среднем можно принять, что в сухом веществе организмов содержится 40—50% белка. Растительному миру свойственно отклонение от этой средней величины в сторону понижения, а животному—повышения. Микроорганизмы обычно богаче белком (некоторые вирусы являются почти чистыми белками). Таким образом, в среднем можно принять, что 10% биомассы на Земле представлено белком, т. е. его количество измеряется величинами порядка (0,9—1,2) х 1012 т.

В биохимии давно уже утвердилось положение о выдающейся роли белка в осуществлении жизненных функций. Обладая рядом специфических качеств, которые подробно будут рассмотрены ниже, белковые тела являются принципиальной составной частью живых систем. Как выяснено в последние годы, очень важную роль в осуществлении жизненных процессов играют нуклеиновые кислоты (передают информацию о специфическом воспроизведении структуры важнейших биополимеров), высшие углеводы (обеспечивают межклеточные контакты и др.), некоторые виды липидов (участвуют в образовании мембранного аппарата клеток).

Остальные 50% сухого вещества организмов представлены соединениями других классов. Это—нуклеиновые кислоты (их доля в сухом веществе до-

16

вольно стабильна и равна нескольким процентам), углеводы и липиды (их содержание в организмах сильно варьирует, причем в растительном мире преобладают углеводы, а в животном—липиды) и минеральные вещества (составляют в среднем около 10% от сухого вещества биомассы).

Кроме белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов и минеральных веществ в составе организмов найдены в незначительных количествах углеводороды, спирты, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, кетокислоты, аминокислоты, эфиры, амины и разнообразные другие соединения. У некоторых видов животных, растений и микроорганизмов такие вещества накапливаются в значительных количествах и могут служить систематическим признаком (например, некоторые аминокислоты). Многие из упомянутых соединений обладают мощным физиологическим действием и выполняют роль ускорителей или замедлителей жизненных процессов. Их иногда объединяют под названием биологически активных соединений, хотя химически они очень разнообразны. Это—витамины, гормоны, ростовые вещества, биостимуляторы, коэнзимы, антибиотики, фитонциды и т. п. Сюда же относятся вещества, возникающие в качестве промежуточных продуктов при тех или иных химических реакциях в организме. Эти соединения называются метаболитами.

Среди соединений, входящих в состав организмов, принято выделять пластические и энергетические вещества. Пластические вещества служат строительным материалом при формировании внутриклеточных структур, клеток и тканей. Это главным образом белки, нуклеиновые кислоты, некоторые виды липидов и высокомолекулярных.углеводов. Энергетические вещества выполняют роль поставщиков энергии для процессов жизнедеятельности, распадаясь при этом до С02 и воды. К ним относятся низкомолекулярные и некоторые высокомолекулярные (гликоген, крахмал) углеводы и отдельные группы липидов (в основном жиры).

Приведенная классификация носит весьма условный характер. Так, например, многие биоактивные соединения несут в организме пластическую функцию (некоторые ферменты); вместе с тем в определенных условиях пластические соединения могут использоваться как субстрат для окисления, т. е. играют энергетическую роль. Часто трудно провести границу между метаболитами и биоактивными соединениями, так как последние возникают в процессе химических превращений первых. Ни к одной из этих категорий нельзя отнести соединения, вырабатываемые для осуществления специфических функций (яды, пигменты, ароматические вещества, алкалоиды и т. п.). Суммарные данные о химических соединениях в составе биомассы Земли представлены на рис. 2.

Минеральные вещества

Рис. 2. Состав биомассы

17

При оценке химического состава организмов следует иметь в виду, что, видимо, не все элементы, присутствующие в биологических объектах, необходимы для осуществления процессов жизнедеятельности. Изучение потребности животных, растений и микроорганизмов в определенных элементах показало, что всем без исключения организмам абсолютно необходимы С, Н, N, О, Р и S. Все живые существа нуждаются в Mg, Na, К, Са, Fe, Zn, Mn, Си, Со и Мо. Велика роль таких элементов, как Cd, Se, Li, В, CI, Br, I и V. В то же время значение Al, As, Si, Cr, F, Rb и W для жизнедеятельности органических форм выяснено еще недостаточно. С новых позиций рассматривают биологическую роль лантанидов и ряда других элемент