Введение

Биологическая химия —это наука о молекулярной сущности жизни. Она изучает химическую природу веществ, входящих в состав живых организ­мов, их превращения, а также связь этих превращений с деятельностью клеток, органов и тканей и организма в целом. Из этого определения вытекает, что биохимия занимается выяснением химических основ важней­ших биологических процессов и общих путей и принципов превращений веществ и энергии, лежащих в основе разнообразных проявлений жизни. Таким образом, главной задачей биохимии является установление связи между молекулярной структурой и биологической функцией химических компонентов живых организмов.

В зависимости от объекта исследования биохимию условно подразде­ляют на биохимию человека и животных, биохимию растений и биохимию микроорганизмов. Несмотря на биохимическое единство всего живого, существуют и коренные различия как химического состава, так и обмена веществ в животных и растительных организмах. Обмен веществ, или метаболизм,—это совокупность всех химических реакций, протекающих в организме и направленных на сохранение и самовоспроизведение живых систем. Известно, что растения строят сложные органические вещества (углеводы, жиры, белки) из таких простых, как вода, углекислый газ и минеральные вещества, причем энергия, необходимая для этой синтетиче­ской деятельности, образуется за счет поглощения солнечных лучей в про­цессе фотосинтеза. Животные организмы, напротив, нуждаются в пище, состоящей не только из воды и минеральных компонентов, но содержащей сложные вещества органической природы: белки, жиры, углеводы. У живот­ных проявления жизнедеятельности и синтез веществ, входящих в состав тела, обеспечиваются за счет химической энергии, освобождающейся при распаде (окислении) сложных органических соединений.

Растения, не использующие для своей жизнедеятельности вещества органической природы, называются аутотрофными организмами; живот­ные являются гетеротрофными организмами. Среди микроорганизмов встречаются как аутотрофы, так и гетеротрофы. Кроме того, для микро­организмов характерным признаком считается наличие специфических хи­мических веществ и реакций, не встречающихся в клетках животных и растений.

Современная биохимия как самостоятельная наука сложилась на рубеже XIX и XX вв. До этого времени вопросы, рассматриваемые биохимией, входили в органическую химию и физиологию. Накопление фактического материала о составе наиболее сложных природных соединений началось с развитием в Европе в средние века алхимии. Однако фактические данные, полученные алхимиками, трудно отделить от неправильных обобщений и представлений, господствовавших в науке в то время. В XVI—XVII вв. воззрения алхимиков получили дальнейшее развитие в трудах ятрохимиков (от греч. iatros—врач). Одним из виднейших представителей ятрохимии был немецкий врач и естествоиспытатель Т. Парацельс, который выдвинул

15

весьма прогрессивное положение о тесной связи химии с медициной. Он считал, что в основе жизнедеятельности человека лежат химические процес­сы и причинной основой любого заболевания является нарушение «хода» химических процессов в организме. В связи с этим, по мнению Т. Парацель-са, для лечения следует использовать химические средства. К данному периоду относится и смелая для того времени идея И. Ван-Гельмонта о наличии в «соках» живого тела особых веществ —«ферментов», участ­вующих в разнообразных химических превращениях.

В целом познание закономерностей химических и ферментативных процессов, лежащих в основе жизнедеятельности, оказалось для ятрохи-миков непосильной задачей. Это объясняется прежде всего отсутствием в то время знаний основных законов физики и химии, неразработанностью методов элементарного анализа органических соединений. Кроме того, ятрохимики, так же как и алхимики, по своему мировоззрению были метафизиками и придерживались виталистических взглядов.

В XVII—XVIII вв. широкое признание среди ученых получила теория горючего начала—флогистона, сформулированная немецким химиком и врачом Г. Шталем. Несмотря на ошибочность основных положений, теория флогистона (объяснявшая процессы горения выделением из горящего тела особого невесомого вещества) сыграла в истории науки положительную роль, так как способствовала развитию экспериментального направления в химии. Опровержение этой теории связано с работами М. В. Ломоносова и А. Лавуазье, открывших в науке основные законы сохранения энергии и вещества, справедливые и для биологических объектов. Кроме того, А. Лавуазье показал, что при дыхании, как и при горении органических веществ, поглощается кислород и выделяется углекислый газ.

С середины XVIII в. начинается период открытия и выделения большо­го числа новых органических веществ растительного и животного проис­хождения. Крупным событием второй половины XVIII в. стали иссле­дования Л. Спалланцани по физиологии пищеварения, которые положили начало изучению ферментов пищеварительных соков. Русский химик К.С.Кирхгоф в 1814г. описал ферментативный процесс осахаривания крахмала под влиянием вытяжки из проросших семян ячменя. К середине XIX в. были найдены и другие ферменты: амилаза слюны, пепсин желудоч­ного сока, трипсин сока поджелудочной железы. Й. Берцелиус ввел в химию понятие о катализе и катализаторах, к числу последних были отнесены все известные в то время ферменты. В 1839 г. Ю. Либих выяснил, что в состав пищи входят белки, жиры и углеводы, являющиеся главными составными частями животных и растительных организмов.

Сокрушительный удар по витализму был впервые нанесен работами Ф. Велера, которому в 1828 г. удалось получить химическим путем мочеви­ну- один из конечных продуктов азотистого обмена у человека и животных. В письме к своему учителю Й. Берцелиусу Ф. Вёлер писал: «Я должен Вам заявить, что могу делать мочевину, не нуждаясь при этом в почках и вообще в животных, будь это человек или собака». Вскоре последовал и ряд других блестящих работ: синтез уксусной кислоты, осуществленный А. Кольбе (1845), жиров —М. Бертло (1854), углеводов—A.M. Бутлеровым (1861). Эти работы неопровержимо продемонстрировали ошибочность и необоснованность виталистических представлений.

В борьбе с витализмом очень важную роль сыграли исследования о природе брожения. Л. Пастер ошибочно считал брожение биологическим процессом, в котором обязательно участвуют живые дрожжевые клетки. Автором чисто химической теории брожения был Ю. Либих, однако его

16

теория была недостаточно разработана, имела умозрительный характер и не полностью объясняла ряд экспериментально установленных фактов. Важное значение имело получение строгих доказательств возможности брожения, не связанного с жизнедеятельностью клеток. Ясность была внесена, когда русский врач М.М. Манассеина (1871) и особенно четко немецкий ученый Э. Бухнер (1897) доказали способность бесклеточного дрожжевого сока вызывать алкогольное брожение.

Накопленные сведения о химическом составе растительных и животных организмов и химических процессах, протекающих в них, были впервые систематизированы в учебниках И. Зимона (1842) и Ю. Либиха (1847). В России первый учебник физиологической химии был издан А. И. Ходне-вым (1847).

Во второй половине XIX в. на медицинских факультетах многих русских и зарубежных университетов были учреждены специальные кафедры меди­цинской, или физиологической, химии. В России первые кафедры меди­цинской химии были организованы в 1863 г. в Казанском университете А.Я. Данилевским и в Московском университете А.Д. Булыгинским. В 1892 г. начала функционировать кафедра физиологической химии в Воен­но-медицинской (Медико-хирургической) академии в Петербурге. Эту ка­федру возглавлял А. Я. Данилевский. Создание кафедр физиологической химии в высших учебных заведениях было обусловлено тем, что во второй половине XIX в. биологическая химия стала выделяться в самостоятельную науку, имеющую свой предмет и методы исследования.

Подлинный расцвет биологической химии относится к XX в., когда важные открытия во многих ее областях следовали одно за другим. Биохимия открыла новые пути поиска с целью познания сущности биологи­ческих процессов, помогла человеку получить множество фактов о самом себе и условиях своего существования.

Последние годы характеризуются развитием методологических принци­пов и методических приемов исследования живой природы и накоплением фактических данных, позволивших изучать и объяснять метаболические процессы в биологии на молекулярном уровне.

Традиционный термин «биохимия», кажется, уже не в полной мере отражает профессиональную активность современных исследователей-био­химиков. Несмотря на то что один из выдающихся биохимиков недавнего прошлого С. Очоа полагал, что молекулярная биология—это в сущ­ности «биохимия без лицензии», многие в наши дни считают оба термина синонимами. Более того, созданы совместные национальные и международ­ные научные общества, объединяющие биохимиков и молекулярных биоло­гов. В ряде случаев кафедры называются кафедрами биохимии и молеку­лярной биологии. Все это имеет не только чисто академический, но и политический смысл, препятствующий возможности организации других кафедр и имеющий бесспорные преимущества при получении грантов. Помимо старых терминов «физиологическая химия», «физико-химическая биология», появилось много новых: в частности, «медицинская химия», изучающая химическую природу веществ, используемых с лечебной целью; «медицинская биохимия», основной целью которой является изучение структуры и обмена индивидуальных биомолекул в норме и при болезнях человека. Имеют права «гражданства» и такие названия, как «клиническая химия», «клиническая биохимия» и «химическая патология» (или «патобио-химия»), скорее всего, являющиеся синонимами и изучающие химические компоненты организма для использования их в клинической медицине. Наконец, появился совсем новый термин «молекулярная медицина»

17

(даже в названиях учебников), цели и задачи которой остаются неясными. Надо ли в корне менять наши современные представления о структуре и функции биомолекул, сложившиеся в процессе изучения их в курсе биохимии и молекулярной биологии?

Наиболее важными и приоритетными фундаментальными направления­ми научных исследований в биохимии и молекулярной биологии являются генетическая инженерия и биотехнология, которым придается исключитель­ное значение. Усилия ученых сосредоточены на создании и производстве препаратов для медицины (гормоны, ферменты, моноклональные антитела, биоактивные пептиды, вакцины, интерферон, простагландины и др.), сель­ского хозяйства (регуляторы роста растений, феромоны для борьбы с вре­дителями растений), промышленности (пищевые и вкусовые добавки). Эта новая технология может решать ряд важных проблем в медицине (прена-тальная диагностика болезней, генотерапия и др.).

В настоящее время перед биологической наукой поставлена задача — обеспечить преимущественное развитие научных исследований по следую­щим основным направлениям: разработка методов генетической и клеточ­ной инженерии, создание на их основе новых процессов для биотехноло­гических производств с целью получения принципиально новых пород животных, форм растений с ценными признаками; разработка новых методов и средств диагностики, лечения и профилактики наследственных заболеваний; разработка научных основ инженерной энзимологии; разра­ботка и внедрение новых биокатализаторов (в том числе иммобилизован­ных) и оптимизация с их помощью биотехнологических процессов получе­ния химических и пищевых продуктов; исследования структуры и функции биомолекул клетки; изучение молекулярных и клеточных основ иммуноло­гии, а также генетики микроорганизмов и вирусов, вызывающих заболева­ния человека и животных, создание методов и средств диагностики, лечения и профилактики этих заболеваний; исследования молекулярно-биологиче-ских механизмов канцерогенеза, природы онкогенов и онкобелков, их роли в малигнизации клеток и создание на этой основе методов диагностики и лечения опухолевых заболеваний человека; исследования проблем био­энергетики, питания, психики и молекулярных основ памяти и деятельности мозга. Таким образом, можно наметить следующие главные направления развития исследований в области биологической химии на ближайшую и отдаленную перспективу, так называемые горизонты биохимии:

1. Дифференцировка клеток высших организмов (эукариот).

2. Организация и механизм функционирования генома.

3. Регуляция действия ферментов и теория энзиматического катализа.

4. Процессы узнавания на молекулярном уровне.

1. Молекулярные основы соматических и наследственных заболеваний человека.

5. Молекулярные основы злокачественного роста.

7. Молекулярные основы иммунитета.

8. Рациональное питание.

9. Молекулярные механизмы памяти.

10. Биосинтез белка.

11. Биологические мембраны и биоэнергетика.

Основное назначение биологической химии сводится к тому, чтобы решать на молекулярном уровне задачи фундаментальные, общебиологиче­ские, включая проблему зависимости человека от экосистемы, которую необходимо не только понимать, но защищать и научиться разумно ею пользоваться.

18