Биохимии

Биохимии


Глава 1. Биохимия и медицина

Роберт Марри

ВВЕДЕНИЕ

Биохимия — это наука, занимающаяся изучением различных молекул, химических реакций и процессов, протекающих в живых клетках и организмах. Основательное знание биохимии совершенно необходимо для успешного развития двух главных направлений биомедицинских наук: 1) решение проблем сохранения здоровья человека; 2) выяснение причин различных болезней и изыскание путей их эффективного лечения.

БИОХИМИЯ И ЗДОРОВЬЕ

Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) определяет здоровье как состояние «полного физического, духовного и социального благополучия, которое не сводится к простому отсутствию болезней и недомоганий». Со строго биохимической точки зрения организм можно считать здоровым, если многие тысячи реакций, протекающих внутри клеток и во внеклеточной среде, идут в таких условиях и с такими скоростями, которые обеспечивают максимальную жизнеспособность организма и поддерживают физиологически нормальное (не патологическое) состояние.

БИОХИМИЯ, ПИТАНИЕ, ПРОФИЛАКТИКА И ЛЕЧЕНИЕ

Одной из главных предпосылок сохранения здоровья является оптимальная диета, содержащая ряд химических веществ; главными из них являются витамины, некоторые аминокислоты, некоторые жирные кислоты, различные минеральные вещества и вода. Все эти вещества представляют тот или иной интерес как для биохимии, так и для науки о рациональном питании. Следовательно, между этими двумя науками существует тесная связь. Кроме того, можно полагать, что на фоне усилий, прилагаемых к тому, чтобы сдержать рост цен на медицинское обслуживание, все большее внимание будет уделяться сохранению здоровья и предупреждению болезней, т.е. профилактической медицине. Так, например, для предупреждения атеросклероза и рака со временем, вероятно, все большее значение будет придаваться рациональному питанию. В то же время концепция рационального питания должна основываться на знании биохимии.

БИОХИМИЯ И БОЛЕЗНИ

Все болезни представляют собой проявление каких-то изменений в свойствах молекул и нарушений хода химических реакций и процессов. Основные факторы, приводящие к развитию болезней у животных и человека, приведены в табл. 1.1. Все они оказывают влияние на одну или несколько ключевых химических реакций или на структуру и свойства функционально важных молекул.

Вклад биохимических исследований в диагностику и лечение заболеваний сводится к следующему.

Таблица 1.1. Основные факторы, приводящие к развитию болезней. Все они оказывают влияние на различные биохимические процессы, протекающие в клетке или целом организме


1. Физические факторы: механическая травма, экстремальная температура, резкие изменения атмосферного давления, радиация, электрический шок

2. Химические агенты и лекарственные препараты: некоторые токсические соединения, терапевтические препараты и т.д.

3. Биологические агенты: вирусы, риккетсии. бактерии, грибы, высшие формы паразитов

4. Кислородное голодание: потеря крови, нарушение кислородпереносящей функции, отравление окислительных ферментов

5. Генетические факторы: врожденные, молекулярные

6. Иммунологические реакции: анафилаксия, аутоиммунные заболевания

7. Нарушения пищевого баланса: недостаточное питание, избыточное питание


Благодаря этим исследованиям можно 1) выявить причину болезни; 2) предложить рациональный и эффективный путь лечения; 3) разработать методики для массового обследования населения с целью ранней диагностики; 4) следить за ходом болезни; 5) контролировать эффективность лечения. В Приложении описаны наиболее важные биохимические анализы, используемые для диагностики различных заболеваний. К этому Приложению будет полезно обращаться всякий раз, когда будет идти речь о биохимической диагностике различных болезней (например, инфаркта миокарда, острого панкреатита и др.).

Возможности биохимии в отношении предупреждения и лечения болезней кратко проиллюстрированы на трех примерах; позднее в этой же главе мы рассмотрим еще несколько примеров.

1. Хорошо известно, что для поддержания своего здоровья человек должен получать определенные сложные органические соединения — витамины. В организме витамины превращаются в более сложные молекулы (коферменты), которые играют ключевую роль во многих протекающих в клетках реакциях. Недостаток в диете какого-либо из витаминов может привести к развитию различных заболеваний, например цинги при недостатке витамина С или рахита при недостатке витамина D. Выяснение ключевой роли витаминов или их биологически активных производных стало одной из главных задач, которые решали биохимики и диетологи с начала нынешнего столетия.

2. Патологическое состояние, известное под названием фенилкетонурия (ФКУ), в отсутствие лечения может привести к тяжелой форме умственной отсталости. Биохимическая природа ФКУ известна уже около 30 лет: заболевание обусловлено недостатком или полным отсутствием активности фермента, который катализирует превращение аминокислоты фенилаланина в другую аминокислоту, тирозин. Недостаточная активность этого фермента приводит к тому, что в тканях накапливается избыток фенилаланина и некоторых его метаболитов, в частности кетонов, что неблагоприятно сказывается на развитии центральной нервной системы. После того как были выяснены биохимические основы ФКУ, удалось найти рациональный способ лечения: больным детям назначают диету с пониженным содержанием фенилаланина. Массовое обследование новорожденных на ФКУ позволяет в случае надобности начать лечение незамедлительно.

3. Кистозный фиброз — наследуемая болезнь экзокринных, и в частности потовых, желез. Причина болезни неизвестна. Кистозный фиброз является одной из наиболее распространенных генетических болезней в Северной Америке. Он характеризуется аномально вязкими секретами, которые закупоривают секреторные протоки поджелудочной железы и бронхиолы. Страдающие этой болезнью чаще всего погибают в раннем возрасте от легочной инфекции. Поскольку молекулярная основа болезни неизвестна, возможно только симптоматическое лечение. Впрочем, можно надеяться, что в недалеком будущем с помощью технологии рекомбинантных ДНК удастся выяснить молекулярную природу заболевания, что позволит найти более эффективный способ лечения.

ФОРМАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ БИОХИМИИ

Биохимия, как следует из названия (от греческого bios-жизнь), — это химия жизни, или, более строго, наука о химических основах процессов жизнедеятельности.

Структурной единицей живых систем является клетка, поэтому можно дать и другое определение: биохимия как наука изучает химические компоненты живых клеток, а также реакции и процессы, в которых они участвуют. Согласно этому определению, биохимия охватывает широкие области клеточной биологии и всю молекулярную биологию.

ЗАДАЧИ БИОХИМИИ

Главная задача биохимии состоит в том, чтобы достичь полного понимания на молекулярном уровне природы всех химических процессов, связанных с жизнедеятельностью клеток.

Для решения этой задачи необходимо выделить из клеток многочисленные соединения, которые там находятся, определить их структуру и установить их функции. В качестве примера можно указать на многочисленные исследования, направленные на выяснение молекулярных основ мышечного сокращения и ряда сходных процессов. В результате были выделены в очищенном виде многие соединения различной степени сложности и проведены детальные структурно-функциональные исследования. В итоге удалось выяснить ряд аспектов молекулярных основ мышечного сокращения.

Еще одна задача биохимии заключается в выяснении вопроса о происхождении жизни. Наши представления об этом захватывающем процессе далеки от исчерпывающих.

ОБЛАСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Сфера биохимии столь же широка, как и сама жизнь. Всюду, где существует жизнь, протекают различные химические процессы. Биохимия занимается изучением химических реакций, протекающих в микроорганизмах, растениях, насекомых, рыбах, птицах, низших и высших млекопитающих, и в частности в организме человека. Для студентов, изучающих биомедицинские науки, особый интерес представляют

два последних раздела. Однако было бы недальновидно совсем не иметь представления о биохимических особенностях некоторых других форм жизни: нередко эти особенности существенны для понимания разного рода ситуаций, имеющих прямое отношение к человеку.

БИОХИМИЯ И МЕДИЦИНА

Между биохимией и медициной имеется широкая двусторонняя связь. Благодаря биохимическим исследованиям удалось ответить на многие вопросы, связанные с развитием заболеваний, а изучение причин и хода развития некоторых заболеваний привело к созданию новых областей биохимии.

Биохимические исследования, направленные на выявление причин заболеваний

В дополнение к указанным выше мы приведем еще четыре примера, иллюстрирующих широту диапазона возможных применений биохимии. 1. Анализ механизма действия токсина, продуцируемого возбудителем холеры, позволил выяснить важные моменты в отношении клинических симптомов болезни (диарея, обезвоживание). 2. У многих африканских растений содержание одной или нескольких незаменимых аминокислот весьма незначительно. Выявление этого факта позволило понять, почему те люди, для которых именно эти растения являются основным источником белка, страдают от белковой недостаточности. 3. Обнаружено, что у комаров — переносчиков возбудителей малярии — могут формироваться биохимические системы, наделяющие их невосприимчивостью к инсектицидам; это важно учитывать при разработке мер по борьбе с малярией. 4. Гренландские эскимосы в больших количествах потребляют рыбий жир, богатый некоторыми полиненасыщенными жирными кислотами; в то же время известно, что для них характерно пониженное содержание холестерола в крови, и поэтому у них гораздо реже развивается атеросклероз. Эти наблюдения навели на мысль о возможности применения полиненасыщенных жирных кислот для снижения содержания холестерола в плазме крови.

Изучение болезней способствует развитию биохимии

Наблюдения английского врача сэра Арчибальда Гаррода еще в начале 1900-х гг. за небольшой группой пациентов, страдавших врожденными нарушениями метаболизма, стимулировали исследование биохимических путей, нарушение которых происходит при такого рода состояниях. Попытки понять природу генетического заболевания под названием семейная гиперхолестеролемия, приводящего к развитию тяжелого атеросклероза в раннем возрасте, способствовали быстрому накоплению сведений о клеточных рецепторах и о механизмах поглощения холестерола клетками. Интенсивное изучение онкогенов в раковых клетках привлекло внимание к молекулярным механизмам контроля роста клеток.

Изучение низших организмов и вирусов

Ценная информация, которая оказалась весьма полезной для проведения биохимических исследований в клинике, была получена при изучении некоторых низших организмов и вирусов. Например, современные теории регуляции активности генов и ферментов сформировались на базе пионерских исследований, выполненных на плесневых грибах и на бактериях. Технология рекомбинантных ДНК зародилась в ходе исследований, проведенных на бактериях и бактериальных вирусах. Главным достоинством бактерий и вирусов как объектов биохимических исследований является высокая скорость их размножения; это существенно облегчает проведение генетического анализа и генетических манипуляций. Сведения, полученные при изучении вирусных генов, ответственных за развитие некоторых форм рака у животных (вирусных онкогенов), позволили лучше понять механизм трансформации нормальных клеток человека в раковые.

БИОХИМИЯ И ДРУГИЕ БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ

Биохимия нуклеиновых кислот лежит в самой основе генетики; в свою очередь использование генетических подходов оказалось плодотворным для многих областей биохимии. Физиология, наука о функционировании организма, очень сильно перекрывается с биохимией. В иммунологии находит применение большое число биохимических методов, и в свою очередь многие иммунологические подходы широко используются биохимиками. Фармакология и фармация базируются на биохимии и физиологии; метаболизм большинства лекарств осуществляется в результате соответствующих ферментативных реакций. Яды влияют на биохимические реакции или процессы; эти вопросы составляют предмет токсикологии. Как мы уже говорили, в основе разных видов патологии лежит нарушение ряда химических процессов. Это обусловливает все более широкое использование биохимических подходов для изучения различных видов патологии (например, воспалительные процессы, повреждения клеток и рак). Многие из тех, кто занимается зоологией и ботаникой, широко используют в своей работе биохимические подходы. Эти взаимосвязи не удивительны, поскольку, как мы знаем, жизнь во всех своих проявлениях зависит от разнообразных биохимических реакций и процессов. Барьеры, существовавшие ранее между биологическими науками, фактически разрушены, и биохимия все в большей степени становится их общим языком.



Источник: scask.ru


Добавить комментарий