или органа); в некоторых случаях он может вызывать аутоиммунные заболевания. Достижения биохимии в этой области рассмотрены в гл. 30 и 47.

Можно ли описать формы поведения на языке химии? С появлением в процессе эволюции нервных клеток и последующим развитием примитивной нервной системы, а затем высокоорганизованного мозга у Homo sapiens формировались все более сложные формы поведения. Ответы на возбуждающие стимулы, осуществляемые у большинства видов при участии нервных клеток, являются предопределенными и видоспецифическими, например плетение паутины, брачные танцы птиц. Очевидно, что познавательные способности присущи только ограниченному числу видов. Вместе с тем можно сформулировать ряд фундаментальных вопросов, относящихся к функционированию нервных клеток всех видов. Какие химические процессы лежат в основе проведения импульса по нервному аксону, обеспечивают передачу стимулирующих или тормозящих сигналов между нервными клетками и между нервными и мышечными клетками? Если данная нервная клетка образует с другими клетками многочисленные контакты, по которым поступают как стимулирующие, так и тормозящие импульсы, то каким образом получаемая «информация» суммируется для формирования окончательного «решения»? Сумма рассмотренных выше простейших элементов активности нервной системы формирует «поведение». Современные представления об этих процессах суммированы в гл. 37. Представления о химических основах преобразования такой активности в наблюдаемое поведение, процесс познания и т. д. весьма фрагментарны. Пока еще очень мало данных, позволяющих понять природу процессов, интегрирующих функции нервной и эндокринной систем; значительные усилия экспериментаторов направлены на выявление возможных химических основ памяти. Хотя биохимики признают, что «разум» и «личность» — это выражение особенностей химической структуры и метаболизма мозга, понимание этих феноменов представляется делом отдаленного будущего.

22

I. ПРЕДМЕТ БИОХИМИИ

Можно ли описать заболевание на молекулярном уровне? Большим триумфом в этой области было выяснение молекулярных основ этиологии и патогенеза болезней, вызванных витаминной недостаточностью (часть шестая) и гормональными нарушениями (часть пятая). Это позволило предотвратить гибель многих миллионов людей от неполноценного питания и сделало возможным успешное лечение сотен тысяч больных с эндокринными расстройствами. Более того, современное развитие науки позволило синтезировать лекарства, которые облегчают течение ряда болезней., Так, например, ингибиторы карбоангидразы эффективны при лечении глаукомы и уремии, ингибитор ксантиноксидазы — при подагре, ингибиторы синтеза нуклеиновых кислот при лейкемии, предшественник определенного нейромедиатора — при паркинсонизме и т. д. В последнее время в результате детальных исследований удалось выявить у человека около 1500 нарушений метаболизма, имеющих генетическую природу. Более трети нз них возникает из-за мутаций в определенном специфическом гене. Имеющиеся данные позволяют считать, что каждый из нас является носителем не менее чем полудюжины дефектных генов. Эта обширнейшая область человеческого самопознания начала развиваться лишь в последнее время.

Ежегодно открываются буквально дюжины все новых нарушений метаболизма, имеющих генетическую природу (гл. 27). Лишь в немногих случаях, однако, эти открытия способствовали успеху терапевтического лечения. Тем не менее сочетание данных генетического анализа и исследования клеток плода, полученных из амниотической жидкости, позволяет сделать все более реальным предсказание возможных нарушений и обоснованно рекомендовать прервать беременность, которая могла бы закончиться рождением физически или умственно отсталого ребенка. Можно надеяться, что развитие фундаментальных исследований создаст предпосылки для успешного выяснения таких вопросов, как причины возникновения атеросклероза, природа опухолевого перерождения первоначально нормальных клеток, происхождение многих неврологических заболеваний и даже, может быть, некоторых из наиболее важных психических расстройств.

Частичные ответы на перечисленные выше основные вопросы, стоящие перед биохимией, получены главным образом в течение нескольких последних десятилетий. Эффективность исследований в значительной степени определялась появлением новых более совершенных методов анализа. "Для иллюстрации приведем только один пример. Наиболее важная установленная лишь недавно биологическая закономерность, заключающаяся в том, что в генетическом аппарате закодирована информация о точной аминокислотной последовательности полипептидной цепи белка, была выявлена после того, как удалось показать, что у больных серповидно-

I. ПРЕДМЕТ БИОХИМИИ

23

клеточной анемией (врожденное рецессивное заболевание) имеет место замена одной из аминокислот в ?-цепи гемоглобина (гл. 26). Это исследование оказалось возможным лишь после того, как с помощью электрофоретического анализа были обнаружены различия в заряде гемоглобина нормальных людей и больных серповид-ноклеточной анемией. Далее, природу аминокислотной замены было невозможно установить до тех пор, пока не стали доступны аналитические методы, позволяющие расшифровывать аминокислотную последовательность белков. Эти методы в свою очередь разработаны на основе колоночной и бумажной хроматографии (гл. 5) и т. д. Чтобы понять, каким образом единственная аминокислотная замена оказывает такое значительное влияние на физические свойства гемоглобина, потребовалось знание трехмерной структуры данного белка. Такая информация может быть получена с помощью реитгеноструктурного анализа. Однако необходимой предпосылкой является получение крупных кристаллов натив-ного белка и изоморфных кристаллов комплексов белка со специфически связанными ионами тяжелых металлов (гл. 6). Кроме того, анализ громадного объема информации, получаемой при рентгеноструктурных исследованиях, оказался возможным лишь после появления счетно-решающих устройств высокой эффективности. Только тогда удалось обнаружить и оценить последствия точечной мутации в структуре ДНК, которая приводит к серпо-видноклеточной анемии. Независимо от специфики изучаемой проблемы для проведения современного биохимического исследования практически всегда необходим набор оборудования, включающий высокоскоростные центрифуги с охлаждением, регистрирующие спектрофотометры, сцинтилляционные счетчики, аминокислотные анализаторы и т. д. Поэтому можно предвидеть, что дальнейшее принципиальное усовершенствование лабораторного оборудования и методических приемов приведет к новому скачку в развитии биохимии.

Биохимия — это не изолированная область знаний; она стала языком биологии, основой для понимания различных аспектов биологических и медицинских наук. Еще со времен Аристотеля изучавшие биологию стремились установить корреляцию между структурой и функцией. Эти попытки продолжаются; выяснение взаимосвязи биологической функции и молекулярной структуры и является главной задачей биохимии.

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ

ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ КЛЕТКИ

Глава 2 УГЛЕВОДЫ

Углеводы, многие из которых называются просто сахарами, встречаются во всех растениях и животных и имеют самые разнообразные функции. Одни используются как источники энергии в процессах метаболизма, другие являются компонентами ряда классов веществ клетки, включая нуклеиновые кислоты и витаминсодержащие кофакторы. Многие сложные углеводы играют важную структурную роль как компоненты клеточных стенок растений и бактерий. Часто в тканях животных углеводы находятся в комбинации с белками (гликопротеины).

Центральным вопросом биохимии является рассмотрение функций химических компонентов живого на молекулярном уровне.

Таким образом, чтобы понять функцию углеводов, обсуждаемую в последующих главах, необходимо ознакомиться с молекулярными структурами и основными химическими свойствами углеводов.

2.1. Классификация

Углеводы являются либо полиоксиальдегидами, либо полиок-сикетонами, либо производными и тех и других. Они имеют молекулярную массу от <С 100 до 1 000 000 и более и представляют собой белые твердые вещества, незначительно растворимые в органических растворителях, но, за исключением некоторых

2. углеводы

25

высокомолекулярных полисахаридов, хорошо растворимые в воде.

Углеводы могут быть разделены на четыре группы: моносахариды, производные моносахаридов, олигосахариды и полисахариды. Моносахариды имеют низкую молекулярную массу, и, согласно их названию — «углеводы», — могут считаться гидратами углерода с общей формулой (СНОН) п, где ? принимает значения от 3 до 9. Производные моносахаридов содержат вместо карбонильных и гидроксидных групп (или в дополнение к ним) другие функциональные группировки. Олигосахариды и полисахариды, являющиеся продуктами конденсации остатков моносахаридов друг с другом с образованием ацетальных связей, представлены большим числом соединений. Самый простой олигосахарид образуется из двух моносахаридов и называется дисахаридом. Олигосахариды, полученные из трех, четырех или пяти моносахаридов, называются три-, тетра- и пентасахаридами соответственно. Полисахариды являются полимерами с высокой молекулярной массой и образуются конденсацией большого числа моносахаридных остатков либо одного типа (гомополисахариды), либо нескольких типов (гетеропо-лисахариды).

2.2. Моносахариды

Глицериновый альдегид и диоксиацетон — единственно возможные моносахариды, содержащие три атома углерода, — называются триозами. Примечательным является наличие у глицеринового альдегида одного асимметрического центра и, следовательно, двух форм с различными конфигурациями — энантиомеров: d-гли-церинового и l -глицеринового альдегидов:

СНО СНО сн,он

I I I

неон носн с=о

I I I

СН2ОН СН2ОН ^ СН2ОН

D-глицериновый L-глицериновый В'.'счсиацетон

альЭегиЭ алъЭегиЭ

Моносахариды, содержащие свободную альдегидную группу, называются альдозами. Если в состав молекулы входит кетогруппа, то моносахарид носит название кетозы. Глицериновый альдегид ( d или l) — альдотриоза, диоксиацетон — кетотриоза. Эти термины хар