ми кислотами, полисахаридами и сложными липидами. Развитие биохимии в немалой степени зависело от разработки методов выделения и очистки этих соединений. С помощью новых физико-химических методов удалось установить, что их молекулярные массы характеризуются величинами от 10 000 до 100 000 000 и более. В течение долгого времени кажущаяся поистине геркулесовой работа по установлению полной структуры таких молекул представлялась экспериментально вообще неосуществимой. Однако создание ряда новых физических приборов: ультрацентрифуг, электрофоретиче-ских аппаратов, регистрирующих спектрофотометров, спектропо-ляриметров и аминокислотных анализаторов — позволило определить основные структурные характеристики этих молекул. Усовершенствованная техника анализа и, в частности, хроматографиче-скне методы сделали возможным разделение сложных смесей веществ и определение их микроколичеств, что является необходимой предпосылкой для установления ковалентных структур «строительных блоков» различных макромолекул. Благодаря развитию рентгеноструктурных методов оказалось возможным построить детальные трехмерные модели многих относительно небольших

14

1. ПРЕДМЕТ БИОХИМИИ

белков и нуклеиновых кислот. Быстро развиваются представления о характере сил, в результате действия которых эти молекулы, представляющие собой длинные тонкие нити, сворачиваются в высокоспецифичные компактные образования. Способность этих молекул осуществлять биологические функции полностью определяется их трехмерной структурой.

Изучение структуры таких макромолекул успешно развивается, создавая основу для более глубокого понимания механизма действия ферментов, структурных основ генетических эффектов и тонкого строения живых клеток. Рассмотрение этих проблем составляет главную задачу настоящей книги.

Каким образом ферменты осуществляют свою каталитическую функцию? В XIX в. было установлено, что расщепление белков, крахмала и жиров на их составные части происходит в пищеварительном тракте под действием ферментов. То, что брожение также является результатом ферментативного катализа, было позже показано братьями Бухнер. Двадцатью годами раньше Кюне ввел термин энзим (от греч. en zyme «в дрожжах») для обозначения неорганизованных «ферментов», чтобы отличать их от бактерий, которых также называли ферментами. Вслед за работами Фишера по специфичности ферментов, Михаэлис и другие исследователи сформулировали элементарные закономерности ферментативного катализа, а Самнер выделил в 1926 г. фермент* уреазу в кристаллическом виде. С тех пор выделены сотни ферментов, каждый из-которых является более или менее специфичным в отношении определенной химической реакции; многие получены в кристаллическом состоянии. Доказано, что каждый фермент представляет собой уникальный, индивидуальный белок.

Вопрос о том, каким образом эти белки функционируют как катализаторы, является одним из центральных в биохимии; он в то же время один из самых старых. Вероятно, впервые он был сформулирован в 1800 г., когда Академия Первой французской республики предложила премию (1 кг золота) за удовлетворительный ответ на вопрос: «В чем состоит различие между «ферментами» и-веществами, которые они сбраживают?» Премия осталась непри-сужденной, но те, кто поставил этот вопрос, с удовольствием присудили бы ее столетие спустя Эмилю Фишеру, который, однако, полагал, что его представления носят самый общий характер. В дальнейшем явления, происходящие в ходе ферментативного катализа, и их обусловленность структурой белка-фермента были весьма детально изучены. Этот увлекательный аспект науки, который во многих отношениях можно считать сердцем биохимии, рассмотрен в части второй.

* В научной литературе на русском языке обычно употребляют термин «фермент:», а не «энзим». — Прим. перев.

1. ПРЕДМЕТ БИОХИМИИ

15

Какие вещества необходимы для удовлетворения потребностей человека и других организмов в пище и какова физиологическая роль этих соединений? Перечень таких веществ приведен в части шестой; вещества, необходимые для человеческого организма, по-видимому, уже полностью известны. Эти сведения вполне достаточны для организации правильного питания человека; причина неполноценности питания большей части населения земного шара заключена не в недостатке необходимых сведений, а в низком уровне производства и непропорциональном распределении пищевых продуктов.

При изучении потребностей бактерий в питательных веществах разработаны эффективные экспериментальные подходы, оказавшие влияние на все аспекты биохимических исследований. Возможность количественной оценки бактериального роста положена в основу некоторых аналитических методов. То обстоятельство, что определенное соединение может являться незаменимым компонентом пищи, так как организм не способен его синтезировать, но нуждается в нем для нормального метаболизма, использовано как для расшифровки метаболических путей, так и для выяснения генетических механизмов.

Какие химические процессы обеспечивают превращение пищевых компонентов в соединения, характерные для клеток данного вида? Еще и сегодня не ослабло внимание к изучению многочисленных реакций метаболизма, находившихся до последнего времени в центре внимания биохимиков. Ежедневно организм человека потребляет довольно значительные количества веществ, представляющих собой лишь небольшую группу органических соединений. В организме растущего ребенка часть из них удерживается в виде соединений, существенно отличающихся от поступивших с пищей. Растения же «поглощают» только воду, минеральные соли и С02, но накапливают удивительный набор различных соединений. Большая часть углерода, входящего в соединения пищи, потребленной ребенком, освобождается с выдыхаемым воздухом, а азот выводится с мочой в виде мочевины. Об удивительно тонкой регуляции обменных процессов наглядно свидетельствует способность взрослого организма сохранять постоянную массу и состав, перерабатывая ежедневно ~400 г пищи.

При изучении этих процессов мы не имеем возможности провести обычный анализ реакционной смеси; каким же образом установить пути превращения потребленных пищевых продуктов? Выход был найден с помощью применения радиоактивных изотопов, особенно 14С, и приборов, позволяющих измерять их количества. С помощью этого метода, мощных хроматографических методов, а также благодаря возросшему мастерству при работе с тканевыми препаратами in vitro удалось достаточно быстро расшифровать

16

I. ПРЕДМЕТ БИОХИМИИ

сложную переплетающуюся сеть метаболических путей. Эта работа продолжается и сейчас, хотя, как это будет видно из третьей части книги, основные процессы метаболизма уже можно считать выясненными.

Каким образом потенциальная энергия, освобождающаяся при окислении веществ, содержащихся в пище, используется для реализации множества процессов, протекающих в живой клетке с потреблением энергии? Среди таких процессов назовем только синтез сотен новых видов молекул, накопление в клетке неорганических ионов и органических соединений (против градиентов концентрации) и осуществление механической работы. Простая аналогия между «сжигающими» пищу животными и тепловыми машинами, сжигающими топливо, оказывается неприемлемой, так как тепловая энергия не может быть использована для полезной работы при постоянной температуре. Выяснение биологического пути решения этой проблемы, заключающегося в сопряжении окисления углеводов и жиров с синтезом одного соединения, аденозинтрифосфата (гл. 10, 12 и 13), и в последующем использовании энергии этого соединения практически для всех эндергонических процессов, является кардинально важным для понимания функционирования живых клеток.

Значительное внимание по праву привлекал важный вопрос — выяснение механизма включения С02 в состав углеводов при поглощении энергии света (гл. 16). В последние годы значительно расширились и углубились представления о природе первичных реакций фотосинтеза и последующих превращений, приводящих к накоплению углеводов.

Какова структура живой клетки и каким образом она организована для выполнения характерных для нее химических функций? Общие черты клеточной топографии — наружная мембрана, ядро и многочисленные тельца меньшего размера — были уже давно выявлены с помощью светового микроскопа. Электронная микроскопия позволила получить гораздо более подробную объемную картину тонкой структуры клетки: сеть микроканалов; эндоплаз-матический ретикулум, который начинается от ядра и проходит через цитоплазму иногда вплоть до поверхности клетки; большие сложные тельца, митохондрии; многочисленные плотные тельца меньших размеров, часто присоединенные к ретикулуму; система микротрубочек, выполняющая различные функции; необычная организация нитей в веретене делящейся клетки и двухслойная структура клеточной мембраны (гл. 11). Выделение концентрированных препаратов каждой из этих субструктур, освобожденных от остальных клеточных компонентов, позволило выявить разделение функций внутри клетки: ядро как место генетического контро-

1. ПРЕДМЕТ БИОХИМИИ

17

ля и клеточной дупликации; рибосомы как места белкового синтеза; митохондрии как мембранные структуры, в которых окислительный метаболизм обеспечивает образование аденозинтрифос-фата; мембраны эндоплазматического ретикулума как место метаболических превращений некоторых неполярных молекул, таких, как стероиды. В клеточной мембране функционируют векториаль-но организованные механизмы, регулирующие электролитный состав цитоплазмы и обеспечивающие доставку необходимых питательных веществ (гл. 11 и 34). Мембрана обладает многочисленными специализированными рецепторами, которые принимают химические сигналы от других клеток и от внешнего окружения. Внутриклеточные сократительные волокна специфичны для клеток, определенного типа; цитоплазма представляет собой раствор сотен: индивидуальных ферментов, определенным образом направляющих многочисленные метаболические реакции, благодаря которым питательные вещества превращаются в клеточные компоненты. Сумма всех этих химических процессов и составляет «жизнь» клетки.

Каким