Біохімія - наука про склад і перетвореннях речовин

в організмах

Протягом життя будь-якого з організмів, що населяють нашу планету, в його органах і тканинах здійснюється нескінченно складна ланцюг різноманітних хімічних перетворень. Жоден організм не може існувати без тісної взаємодії з навколишньою його зовнішнім середовищем, з якої він отримує необхідні поживні речовини. Організм переробляє ці речовини і виділяє ті, які йому не потрібні. Не залишаються постійними і речовини, що входять до складу тіла рослини, тваринного або мікроорганізму. У кожній його клітині невпинно відбувається складний комплекс хімічних процесів - обмін речовин. Живильні речовини, які сприймаються організмом із зовнішнього середовища, піддаються процесам розпаду (дисиміляції) і в результаті складних змін, що відбуваються всередині клітин, перетворюються в речовини організму, необхідні для життєдіяльності (процеси асиміляції). Одночасно в організмі безперервно здійснюються процеси розкладання (дисиміляції) речовин, що входять до складу його клітин.

Кожен багатоклітинний організм починає своє життя з однією зародкової клітини. Після багаторазових поділів клітин формується доросла особина, яка містить мільярди їх. Природно, що ці мільярди клітин створюються в результаті безперервно йдуть в живих клітинах процесів синтезу нових молекул, їх сполуки у внутрішньоклітинні структури і забезпечення роботи цих структур. Протягом життя клітин відбувається розпад частини цих структур і заміна їх новими.

Процеси синтезу і розпаду протікають не хаотично, а в певній, суворо відрегульованим послідовності: розпад кожної складової частини клітини супроводжується формуванням нової частинки, яка виконує ту ж роль, ту ж функцію. Тому кожен організм протягом життя зберігає властиві йому форми, хімічний склад і властивості.

Ці складні перетворення, які відбуваються в тканинах живого організму, і лежать в основі процесів його життєдіяльності, таких, як харчування, ріст, розвиток, розмноження, рух, поглинання і виділення речовин, дихання і бродіння. Сутність цих процесів вивчає наука, яка називається біологічної хімією або, скорочено, біохімією.

В живому організмі біохімічні процеси протікають виключно швидко, у багато разів швидше, ніж ті ж перетворення відбуваються поза живого середовища, в лабораторній пробірці або склянці. Наприклад, при диханні в тканинах рослин відбувається інтенсивне розкладання цукру, що закінчується утворенням вуглекислого газу і води. Цей процес відбувається в кожній клітині рослини і не припиняється навіть при відносно низькій температурі. Разом з тим добре відомо, як сильно потрібно нагріти той же цукор, щоб змусити його згоріти поза організмом з утворенням тих же кінцевих продуктів реакції.

Справа в тому, що перетворенням речовин в живому організмі сприяють особливі білкові речовини - ферменти, виробляються в клітці. Ці речовини володіють чудовою властивістю: вони збільшують швидкість певних біохімічних реакцій в десятки мільйонів разів. Без ферментів ці реакції йшли б настільки повільно, що не могли б забезпечити інтенсивне перебіг процесів життєдіяльності організму.

Життя організму змінюється докорінно, якщо діяльність ферментів, що знаходяться в його клітинах, утруднена по тій або іншій причині. Наприклад, процес дихання в сухих насінні йде дуже слабо, так як для активної діяльності ферментів тут не вистачає води. У тих же насінні вже через кілька годин після їх зволоження активність ферментів і, отже, дихання посилюються в сотні і тисячі разів.

Як вже говорилося, в процесі дихання рослин цукор або інші складні органічні речовини розпадаються на воду і вуглекислий газ. Ці процеси дуже складні, і складаються вони з великого числа окремих реакцій, що відбуваються за участю багатьох різних ферментів. Складна органічна речовина розпадається на більш прості органічні і неорганічні сполуки, які використовуються клітинами організму для його життєдіяльності. Навіщо ж потрібен цей процес? Біохіміки показали, що для нормального росту і розвитку організмів потрібна велика кількість енергії. Ось ця-то енергія і виділяється в процесі дихання. Число проміжних реакцій в дихальному процесі може бути різним, проте дуже важливо, що воно завжди дуже багато. Це дозволяє клітці «управляти» швидкістю реакцій окислення і краще використовувати виділяється енергію.

Коли ми спалюємо цукор, укладена в ньому енергія виділяється у вигляді теплоти і розсіюється. Якби вся енергія, укладена в дихальному матеріалі, виділилася відразу, в живій клітині стався б свого роду «вибух», який неминуче викликало б загибель клітини. Або, у всякому разі, клітини не змогли б скільки-небудь ефективно використовувати таку велику кількість енергії, що виділилася одночасно. Велика частина її була б безповоротно втрачена. В організмі ж йде поступовий, строго регульований процес. На кожній дільниці складного ланцюга хімічних реакцій виділяється лише невелика кількість енергії, яку клітина негайно ж запасає, найчастіше у вигляді особливих з`єднань, що містять фосфорну кислоту (наприклад, аденозинтрифосфорная кислота - АТФ).

Відео: Біохімія

Ці речовини є своєрідне «пальне», яке клітина потім витрачає, виробляючи різні види «роботи». Наприклад, енергія цього пального використовується при поглинанні води і мінеральних речовин кореневими системами рослин, при всіляких реакціях освіти (синтезу) складних органічних речовин і т. Д.

Велике значення для життєдіяльності організму мають різноманітні проміжні продукти, які утворюються в процесі дихання. Багато з них за допомогою відповідних ферментів стають учасниками різних біохімічних реакцій, в ході яких клітина будує свою цитоплазму, замінює відпрацьовані частини, створює матеріали для побудови нових клітин і органів.

За рахунок якої ж енергії утворюються складні органічні речовини в живих клітинах? Біохімія відповість вам і на це питання. Універсальний, основне джерело енергії, за рахунок якої здійснюється життя, - це Сонце. Посередником між Сонцем і життям усього населення Землі служать зелені рослини. В зеленому листі відбувається процес, що зв`язує, за словами К. А. Тімірязєва, існування всього органічного світу з Сонцем, - фотосинтез (Див. Ст. «Як влаштовано і харчується зелена рослина»).

Вчені прагнуть глибоко проникнути в таємниці фотосинтезу, для того щоб навчитися відтворювати процеси синтезу органічних сполук з неорганічних штучно, в лабораторії, без участі зеленого рослини. Немає сумнівів, що ця дуже складна задача буде в кінці кінців дозволена.

Отже, властивості рослини, його здатність засвоювати поживні речовини, використовуючи сонячну енергію, і накопичувати різні речовини в тканинах найтіснішим чином пов`язані з діяльністю ферментів. Тому підвищення продуктивності, підйом врожайності рослини багато в чому залежать від вдосконалення його ферментної системи. Вчені встановили, що кількість вуглеводів в запасних органах рослин - коренеплодах, цибулинах, бульбах - залежить від властивостей ферментів, керуючих перетвореннями Сахаров. Чим вище здатність ферментів в картоплі прискорювати перетворення простих Сахаров в крохмаль, тим більше накопичиться його в бульбі.

Плоди сучасних культурних сортів столового кавуна містять 8-10% цукру, а плоди дикого предка кавуна - Лише 1%. Буряк, перероблялася на цукрових заводах, має цукристість 18 - 22%, тоді як її прабатько містить в коренях тільки 3-4% цукру. Дослідження показали, що це результат цілком певних змін в обміні речовин у дикорослих рослин, від яких відбулися сучасні культурні форми. Вивчивши ці процеси, вчені можуть змінювати властивості рослин. Радянським ученим, наприклад, вдалося створити сорти соняшнику, що містять понад 50% олії, сорти тютюну, стійкі до зараження вірусом тютюнової мозаїки і кореневої гнилі, сорти пшениці, які не пошкоджуються іржею та іншими хворобами.

Відомо, що, поряд з білками, жирами і вуглеводами, в їжу будь-яких живих організмів повинні входити вітаміни (Див. Ст. «Вітаміни»), Головне джерело вітамінів в їжі людини і тварин - рослини, і в першу чергу різноманітні овочі і плоди. Тому так важливо створити сорти плодів і овочів, найбільш багаті вітамінами, знайти в рослинному світі нові джерела вітамінів. Важливо також розробити такі способи зберігання плодів і овочів, при яких містяться в їх тканинах вітаміни зберігалися б протягом тривалого часу.

Багато що зробила в цьому напрямі радянська біохімія. Дослідження, присвячені з`ясуванню біологічної ролі вітаміну С, дозволили виявити велику вітамінну цінність високогірних рослин. Було встановлено, що дуже багаті цим вітаміном плоди шипшини. Виникла спеціальна галузь харчової промисловості, що переробляє ці плоди.

Виключно велика роль біохімії в розвитку інших галузей харчової промисловості, переробних рослинна сировина. Яскраві приклади тому - чайне і тютюнове виробництво. З зеленого листа тютюну або чаю виходять продукти з новими властивостями, яких не було у вихідної сировини. В результаті біохімічних реакцій речовини листя цих рослин перетворюються в інші речовини, потрібні людині. Керуючи цими реакціями, можна поліпшити властивості вироблюваних продуктів, наприклад колір, аромат і всі смакові якості чаю.

Виноробство і пивоваріння відомі людині вже протягом багатьох тисячоліть. Але лише недавно стало відомо, яку роль тут відіграють ферменти. В основі процесів старіння вина, в результаті яких напій набуває особливого смаку, колір і аромат, лежать головним чином окисні перетворення дубильних речовин. Окислювальні ферменти в ягодах винограду малоактивні, тому старіння вина протікає повільно, кілька років. Шляхом додавання препаратів деяких ферментів вдається значно прискорити цей процес (до декількох місяців) і одночасно підвищити якість вина.

Відео: Біохімія. Білки. Будуємо поліпептидний ланцюг

Різноманітна роль біохімії в області медицини. Хворобливі порушення в організмі завжди або викликаються, або супроводжуються значними змінами в обміні речовин і позначаються на складі і властивостях крові, жовчі та інших секретів організму. Біохімічне дослідження властивостей крові дозволяє отримати уявлення про хід біохімічних процесів в органах і тканинах, допомагає встановити діагноз, правильно підібрати вид і дозу лікарських препаратів. Були проведені численні біохімічні дослідження гормонів, що виробляються залозами внутрішньої секреції. Детально вивчені гормони надниркових залоз, щитовидної залози, розроблені методи отримання їх препаратів, а також штучного синтезу деяких з них, розроблені та шляхи використання в медицині цих фізіологічно активних речовин. Гормон підшлункової залози інсулін, який є найбільш ефективним засобом лікування важкого захворювання - цукрового хвороби (діабету), не тільки детально вивчений, але і синтезований.

Велике значення в медицині набули антибіотики - речовини, що виробляються в процесі життєдіяльності певними видами мікроорганізмів. Ці речовини, виділені з мікроскопічних грибів і бактерій або отримані синтетично, належать до числа найбільш могутніх і ефективних засобів боротьби із заразними (інфекційними) захворюваннями, викликаними вірусами і хвороботворними бактеріями (див. статті «мікроби»І« Віруси »). Біохіміки і лікарі шукають нові, ще більш активні фізіологічні речовини. Дані біохімії, знання процесів обміну речовин і управління ними не тільки допомагають розпізнавати природу захворювань і лікувати їх, а й відкривають шляху до створення надійних заходів щодо попередження хвороб.

Найбільш важлива складова частина цитоплазми, основа її хімічної структури - білки. Білки беруть участь в побудові молекул всіх розміщених в клітці ферментів. Багато ферменти - чисті білки, в інших ферментах білки пов`язані з будь-якими іншими хімічними сполуками, званими активними групами або коферментами.

Молекула кожного білка побудована з амінокислот, яких в даний час відомо 20. Різні білки складаються з неоднакових амінокислот. Крім того, окремі білки суттєво різняться за складом і кількістю амінокислот, з яких складаються їх молекули, а також послідовністю їх розташування в білкової частці. Саме цим і пояснюється величезна різноманітність властивостей природних білків, розмірів їх молекул.

Виключно велику і різнобічну роль в житті всіх організмів відіграють нуклеїнові кислоти, які також представляють собою дуже складні хімічні сполуки. У складі клітин живих організмів виявлено два типи нуклеїнових кислот - дезоксирибонуклеїнової, зосереджені в основному в ядрах клітин в хромосомах (див. Ст. «Спадковість»), і РНК, що зустрічаються і в ядрах і в усіх складових частинах цитоплазми.

Доведено, що процеси синтезу білків безпосередньо регулюються відповідними ферментами і нуклеїновими кислотами, що містяться в клітинному ядрі і цитоплазмі, причому склад амінокислот і порядок їх розташування в білкової молекулі цілком визначаються особливостями будови нуклеїнових кислот. Нуклеїнові кислоти в поєднанні з білками беруть участь в побудові багатьох дуже важливих ферментів, які управляють процесами дихання клітини.

Особливості будови білків і нуклеїнових кислот зумовлюють їх надзвичайно високу хімічну активність. Вони є основними двигунами і регуляторами протікають в живій клітині процесів обміну речовин.