образом клетки делятся, производя идентичные дочерние клетки? Что представляет собой химия наследственности? Что-такое ген и как он функционирует? В истории науки ни один из ее разделов не развивался так быстро и не возбуждал такого всеобщего интереса, как исследования, направленные на выяснение этих вопросов. Немногие разделы науки имеют более глубокое и существенное значение для нашего будущего. Эти проблемы рассматриваются в гл. 25—28.

Форма, организация и функции клетки, т. е. ее жизнь, определяются ее белковым составом и активностью индивидуальных белков. Отсюда следует, что генетические «инструкции» должны содержать информацию, необходимую для точного синтеза набора белков, характерных для данной клетки. Эта информация закодирована в структуре очень больших молекул дезоксирибонуклеино-вой кислоты. При делении клетки необходимо точное воспроизведение этих молекул с последующим равным распределением информации между дочерними клетками. Эта информация должна быть передана от ядра к белковым фабрикам — рибосомам. Изменения химической структуры дезоксирибонуклеиновой кислоты выявляются в виде мутаций в последующих поколениях. Наибольший-вклад в расшифровку механизмов наследственности внесли работы, проведенные на непатогенной кишечной бактерии Escherichia coli и на бактериофагах (бактериальных вирусах); последние обладают лишь ограниченным количеством генетической информации, содержащейся в нуклеиновой кислоте, которая окружена специфической белковой оболочкой; они способны к самовоспроизведению только путем использования синтетического аппарата жи-

2—1148

18

1. ПРЕДМЕТ БИОХИМИИ

вой клетки-хозяина. Полученная в этих исследованиях информация позволила понять законы генетики, природу наследственных болезней и биохимические аспекты эволюции.

Если бы концепция эволюции не возникла раньше на основе других наук, она безусловно оказалась бы очевидной для биохимика. Хотя даже невооруженным глазом обнаруживается широкое разнообразие жизненных форм, для всех них справедливы качественно одинаковые ответы на поставленные выше вопросы. Впечатляющее единство основных аспектов различных форм жизни сочетается с удивительным разнообразием этих форм, возникающим благодаря небольшим вариациям генетического аппарата.

В живой клетке протекают тысячи различных химических реакций, каждая из которых катализируется специфическим ферментом. Каким же образом достигается их гармоническая синхронизация? Очевидно, что клетке выгодно осуществлять реакции, поставляющие энергию, со скоростями, соответствующими ее энергетическим потребностям, и вырабатывать мономер«ые единицы (аминокислоты, нуклеотиды, сахара) со скоростями, соответствующими потребностям в этих соединениях для синтеза биополимеров {белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов). Механизмы, благодаря которым осуществляется такая регуляция, стали предметом исследования биохимиков относительно недавно. Хотя некоторые детали остаются невыясненными, удалось установить общие принципы регуляторных механизмов; примеры регуляции скорости ферментативных превращений можно найти в разных разделах этой книги. Сюда относятся механизмы, подобные системам положительной и отрицательной обратной связи в инженерной электронике; они реализуются при функционировании ряда ферментов, участвующих в процессах биосинтеза; при этом обеспечивается постоянный поток, но не избыток необходимых промежуточных продуктов. В других случаях регуляция осуществляется путем репрессии или дерепрессии процесса образования ферментов биосинтеза.

В сложном организме позвоночного животного должна быть обеспечена не только синхронизация различных путей метаболизма каждой клетки, но и согласованная гармоничная работа разных органов — мышц, печени, мозга и др. Например, в случае необходимости информация о метаболическом состоянии мышцы должна быть передана в печень. В большинстве случаев такая взаимосвязь осуществляется с помощью эндокринной системы. Железы внутренней секреции в ответ на изменения химического состава крови, который в свою очередь отражает изменения, происходящие в отдельных тканях или органах, синтезируют и выделяют гормоны, переносимые током крови к органам-мишеням. Там они оказывают влияние на специфические метаболические процессы.

1. ПРЕДЛ1ЕТ БИОХИМИИ

19

Информация может передаваться и с помощью соединений, которые не являются продуктами эндокринных желез. Нейроме-диаторы осуществляют передачу нервного импульса от одной нервной клетки к другой или от нервной клетки к мышечной;, простагландины, синтезируемые во многих органах и тканях, модулируют активность различных типов клеток; синтез 1,25-диокси-холекальциферола, активной формы витамина D, ускоряющего всасывание Са2+ слизистой кишечника, осуществляется в результате последовательных реакций, по крайней мере в двух органах. Циклическая адениловая кислота, имеющаяся, по-видимому, во> всех живых клетках, образуется из аденозинтрифосфата под действием связанного с мембраной фермента — аденилатциклазы — в ответ на поступление сигнала из окружающей клетку среды, например появление пептидного гормона или изменение содержания питательных веществ. Характер вызываемой циклической адени-ловой кислотой ответной реакции клетки зависит от типа клетки, а также от природы сигнала, вызвавшего синтез эффектора. Рассмотрение регуляторных процессов составляет основное содержание части пятой; об этих процессах часто речь идет и в других разделах.

Каким образом специализированные клетки тканей и органов вносят специфический вклад в функционирование организма животного? Остеобласты образуют костную ткань, мышечные клетюг сокращаются, нервные клетки проводят сигналы, клетки почек участвуют в образовании мочи, клетки эндокринных желез синтезируют гормоны; во всех случаях это осуществляется с помошью механизмов, специфичных для данного типа клеток. Поскольку системы, общие для всех клеток, обычно более доступны для исследования, они изучены биохимиками лучше, чем специфические системы специализированных клеток. В последнее время на основе ранее установленных закономерностей общего характера изучение таких специфических систем развивается весьма успешно. Биохимия специализированных клеток детально рассмотрена в части четвертой, а также в других частях. Дальнейшее развитие исследований в данном направлении является одной из важных задач биохимии.

Каким образом животное регулирует объем и состав жидких сред, окружающих клетки, и крови, обеспечивающей связь между ними? Большой объем иинформации, накопленной в этой области, оказался чрезвычайно полезным для рационального лечения ряда заболеваний человека н способствовал развитию современной хирургии. Физиологические механизмы регуляции необычайно чувствительны и, подобно хорошим техническим системам, часто обладают необходимым «запасом прочности». Они достигли у чело-

2·

20

1. ПРЕДМЕТ БИОХИМИИ

века высокой степени совершенства, позволяя ему жить в разных климатических условиях — от экватора до полюса, спускаться в глубины океана и подниматься на горные вершины; они позволяют человеку выживать в условиях значительных колебаний состава и количества потребляемой пищи и жидкости. Эти регуляторные механизмы рассматриваются в части четвертой.

С регуляцией жизнедеятельности позвоночных тесно связаны физиологические процессы, протекающие в эритроцитах (гл. 32), а также функционирование гемоглобина, который относится к группе наиболее глубоко и обстоятельно изученных белков и служит удобным объектом для выявления взаимосвязи структуры и физиологической функции белка (гл. 31).

Каким образом совокупность генетической информации, заложенной в оплодотворенном яйце, используется для направления развития дифференцирующегося организма? Серьезная постановка этой проблемы оказалась возможной уже несколько десятилетий назад; информация, касающаяся химических аспектов развития эмбрионов кур, морских ежей и других видов, накапливалась в течение многих лет. Но лишь в настоящее время благодаря более глубокому пониманию молекулярно-генетических механизмов созданы предпосылки для успешной разработки данной проблемы. Все возрастает объем работ, в которых рассматриваются различные механизмы, обеспечивающие определенные изменения в ходе развития простых организмов, например споруляцию или образование ресничек у бактерий, происходящее на свету образование фотосинтетического аппарата у Euglena и др. Однако этот удивительный процесс изучен пока еще недостаточно. Объем имеющейся информации невелик, и проблема в целом представляет собой обширное поле для будущих исследований.

Вторжение микроорганизмов или чужеродных макромолекул в организм взрослого животного вызывает «иммунный ответ», благодаря которому внедряющийся агент обезвреживается. Каким образом организм распознает чужеродный характер таких агентов и делает их безвредными? Этот процесс, приводящий к образованию антител, оказался удивительно сложным, требующим участия клеток разных типов; его природа успешно расшифровывается. Основные данные по этой проблеме приведены в гл. 30.

С помощью каких механизмов клетки «узнают» друг друга? В процессе развития возникают многочисленные ситуации, при которых клетки определенного типа должны узнавать друг друга и объединяться. В некоторых случаях это необходимо для образования определенного паренхиматозного органа, например печени; в других — специфическая нервная клетка должна образовать си-

I. ПРЕДМЕТ БИОХИМИИ

21

напс только с определенной другой нервной клеткой, чтобы сформировался путь, ведущий от периферических участков тела в одну из областей центральной нервной системы. В ^настоящее время интенсивно исследуются основы такой способности клеток узнавать друг друга. С механизмами, обеспечивающими клеткам возможность узнавать «своих», тесно связана их способность распознавать «чужые» клетки. Реализуемая при участии клеток способность 'к иммунному ответу лежит в основе ограничения роста клеток злокачественных опухолей; с ним связана способность или неспособность хозяина «переносить» присутствие трансплантатов чужой ткани (