Біологія 10 клас


Розділ 2 Молекулярний рівень організації живої природи


Тема. 3 Елементний склад  біологічних систем


§ 9. ІСТОРІЯ РОЗВИТКУ ХІМІЧНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ ЖИВОГО


Терміни та поняття: біологічна хімія (біохімія), молекулярна біологія, генна інженерія, генетично модифіковані організми, ятрохімія, поліпептидна теорія будови білків.

Біохімія як наука. Біологічна хімія, або біохімія — наука про хімічний склад живих організмів і хімічні процеси, що забезпечують їх життєдіяльність. У сучасній біології це одна з найрозвинутіших наук, яка нараховує близько сотні дисциплін: загальну біохімію, що вивчає закономірності молекулярної будови й протікання хімічних реакцій у живому; біохімію тварин, рослин, мікробів і вірусів, завданнями яких є виявлення особливостей хімічного складу й реакцій, що відбуваються у клітинах, тканинах і тілах саме цих груп живих організмів; медичну біохімію, яка займається питаннями біохімії людини, розробкою діагностики захворювань, контролем за перебігом хвороби та інші. Актуальними в останні десятиліття стали дослідження з радіаційної біохімії, що вивчає вплив іонізуючого випромінювання на структуру і властивості сполук живих систем.

Прогрес у біохімічних дослідженнях тісно пов’язаний з досягненнями у суміжних науках: неорганічній, органічній, фізичній хіміях, фізіології, біофізиці, клітинній біології, генетиці, еволюційній біології. На стиках цих наук з біохімією отримують дуже цікаві результати, саме тут формуються сучасні наукові напрями, серед яких і молекулярна біологія — наука про будову, функції й перетворення біологічних макромолекул, зокрема білків і нуклеїнових кислот. Ця наука використовує підходи й методи біохімії, а вирішує, головним чином, генетичні завдання — з’ясування механізмів реалізації спадкової інформації. Роль молекулярної біології у пізнанні життя важко переоцінити, адже специфічність біологічній матерії надають саме нуклеїнові кислоти і білки, а тому, вивчаючи особливості будови й функціонування біологічних макромолекул, можна впритул наблизитись до розкриття таємниць життя. Саме з молекулярної біології бере початок один із найбільш перспективних біотехнологічних напрямів — генна інженерія, що ставить перед собою завдання створення генетично модифікованих організмів, у клітинах яких продукуються речовини, не властиві даному виду організмів, але які надають йому характеристики, корисні для людини. Останнім часом поширюється інформація про генетично модифіковану картоплю, отруйну для колорадського жука і, як вважають багато вчених, зовсім безпечну не тільки для інших комах, але навіть для людини. Вдалося таке «диво» отримати, «вмонтувавши» у генетичний апарат картоплі ген бактерії, який виробляє особливий білок, згуб ний лише для колорадського жука.

Історія й формування біохімії як сучасної науки. Певні знання про біохімічні процеси люди мали ще в прадавні часи. Оскільки вже тоді були створені технологічні процеси, пов’язані з використанням хімічних перетворень: хлібопечення, сироваріння, виноробство й інші. Використання рослин у їжу, для виготовлення фарб і тканин, а особливо лікування хвороб спонукали природодослідників до вивчення властивостей речовин. Невипадково перші речовини, описані середньовічним перським філософом і лікарем Авіценною (мал. 74) (980-1037), належали до ліків.

Наприкінці Середніх віків ( XVI-XVIII ст.) сформувався такий напрямок наукових досліджень, як ятрохімія (від грец. ятрос — лікар і хімія), представники якого прагнули поставити хімію на службу медицині. Ятрохіміки розглядали процеси, що відбуваються в організмі, як хімічні явища, а хвороби вважали результатом порушення хімічної рівноваги, яке слід усувати за допомогою специфічних речовин. Основоположником ятрохімії вважають відомого німецького алхіміка Ф. Парацельса (мал. 75) (1493-1541). Саме в нього виникла думка про те, що хвороби — це порушення хімічного складу організму. Ятрохіміки розрізняли кислотні й лужні захворювання, як лікувальні препарати використовуючи сурму, ртуть, залізо тощо.


Мал. 74. Авіценна

Мал. 75. Парацельс


Ф. Парацельс вважав, що організм складається із ртуті, сірки й кухонної солі, тому виразка й лихоманка виникають від надлишку сірки; пронос — від надлишку солі, а параліч — від над лиш ку ртуті.

Інший представник цього напрямку Я.Б. ван Гельмонт (мал. 76) (1579-1644) зробив на той час дуже несподіване відкриття: навіть у сухій речовині рослини обов’язково присутня вода. Саме він описав процеси травлення й утворення сечі, сформулював думку про те, що хвороба — це, насамперед, порушення хімічної рівноваги між організмом і зовнішнім середовищем.

Нині погляди ятрохіміків дивують своєю наївністю навіть людей дуже далеких від біології, але омани середньовічних учених мають історичну цінність. Звичайно, людство, розвиваючись, все більше покладається на перевірений науковий досвід, але як знати, можливо через тисячу років наші нащадки теж будуть дивуватися поглядам і дослідженням сучасних учених.

Переломною в дослідженні хімічних основ життя, безсумнівно, виявилася середина XVIII ст., коли серед учених сформувалася думка про дихання як повільне горіння. Особливе значення для розвитку науки мали дослідження життя й живлення рослин, результати яких засвідчили, що три речовини — СО2, NH3 і О2 — забезпечують життєдіяльність рослинного організму.

Початок XIX ст. відзнаменувався відкриттям органічних сполук, які були виділені з природної сировини. У такий спосіб було отримано гліцерин, молочну, лимонну, яблучну й щавлеву кислоти, із цукрового буряка — сахарозу, з жовчі — холестерин, а із фруктових соків — глюкозу й фруктозу. У результаті було описано близько 80 сполук, які зустрічалися в живих організмах, за що й отримали красномовну назву — органічні речовини. У той час вважалося, що органічні сполуки можуть утворювати - ся тільки в живому, а із простих неорганічних сполук, а тим більше із хімічних елементів їх отримати неможливо. Це давало підстави вважати, що жива речовина утворюється під впливом певної «життєвої сили» і побудована зовсім інакше, ніж нежива. Уперше синтезувати органічну сполуку з неорганічних речовин вдалося у 1828 р., коли Ф. Вьолер (мал. 77) (1800-1882) із амоній ціаніду синтезував сечовину. Згодом вченому шляхом синтезу вдалось отримати величезну кількість сполук, раніше виявлених лише в живих істотах.

До середини XIX ст. нагромадилася велика кількість відомостей про будову й різноманітність органічних речовин. У цей час Ю. Лібіхом (мал. 78) (1803-1873) створюється теорія мінерального живлення рослин. Саме він першим характеризує основні речовини тканин живих організмів — білки, вуглеводи, ліпіди. І. Берцеліус (1779-1848) обґрунтовує основи вчення про каталіз, дає характеристику відомим на той час ферментам і пояснює природу бродіння. Розвиваються й удосконалюються методи хімічного аналізу, які тепер дозволяють не тільки вивчати окремі речовини у складі клітини, але й зрозуміти правила перетворення, кругообігу речовин у природі й організмі. Створюються перші підручники з біохімії. Відтоді біохімія — це самостійна біологічна наука, а не розділ хімії.



Мал. 76. Я.Б. ван Гельмонт

Мал. 77. Ф. Вьолер

Мал. 78. Ю. Лібіх


Основні досягнення біохімії кінця XIX і XX ст. пов’язані з дослідженнями структури, функції й перетворень біологічних макромолекул — білків і нуклеїнових кислот. У 1868 р. швейцарський біохімік Ф. Мішер (1844-1895) відкриває нуклеїнові кислоти. Російський вчений О.Я. Данилевський (1838-1928) вивчає склад, будову і властивості багатьох білків, на основі чого розробляє основні положення поліпептидної теорії будови молекули білка, здійснює синтез поліпептиду. Значний внесок у розвиток біохімії зробив німецький вчений Е. Фішер (мал. 79) (1852-1919). На основі численних дослідів він встановив, що білки складаються з амінокислот, сполучених пептидним зв’язком. Згодом це стало одним із положень сформульованої Фішером поліпептидної теорії білків.

Ці та багато інших вчених, перш за все лауреати Нобелівської премії Л. Полінг, Дж. Вотсон, Ф. Крік, Ф. Сенгер, а також наукові колективи, в яких вони працювали, внесли істот ний вклад у вивчення структури нуклеїнових кислот і білків, відкриття їх просторової будови.

Завдяки результатам досліджень цих вчених у середині XX ст. виникає молекулярна біологія, основними напрямами розвитку якої є молекулярна генетика, протеоміка — наука, що вивчає будову і функції білків, генна інженерія, геноміка, біоінформатика та інші напрями.

Біохімічні дослідження в Україні. Найбільшим науковим центром біохімічних досліджень в Україні є Інститут біохімії Національної академії наук України ім. О.В. Палладіна (мал. 80). Інститут біохімії — одна із найстаріших науково-дослідних установ України. Інститут засновано у 1925 р., а першим директором став академік О.В. Палладін (1885-1972). Основними напрямами діяльності Інституту є дослідження структури, влас ти вос тей і функцій склад них білко вих сис тем, вив - чення молекулярної організації метаболічних процесів, розробка нових біотехнологій.

Флаг ма ном досліджень в об ласті мо ле ку ляр ної біології на сьогодні є Інститут молекулярної біології і генетики Національної академії наук України (мал. 81), першим директором якого став академік С.М. Гершензон. Зараз в інституті проводяться дослідження з усіх головних напрямів молекулярної біології.


Мал. 79. Е. Фішер

 

Мал. 80. Інститут біохімії НАН України ім. О.В. Палладіна

 

Мал. 81. Інститут молекулярної біології і генетики НАН України


Дослідження хімічних основ життя проводяться в кожному науково-дослідному інституті біологічного профілю Національної академії наук. В усіх національних університетах України обов’язково є кафедри біохімії. Найбільш відомою є кафедра біохімії Київського національного університету ім. Тараса Шевченка, яка була заснована в 1934 р. Тут працювали і викладали видатні вчені-біохіміки України В.О. Беліцер, Р.В. Чаговець, Д.Л. Фердман, Є.Ф. Сопін, М.Є. Кучеренко.

Біохімія — наука про будову й перетворення речовин живого організму — почала формуватися ще в епоху Середньовіччя, а як самостійна біологічна наука сформувалася в середині ХГХ ст. Зараз це одна із найпотужніших біологічних наук, що включає близько сотні дисциплін. Результатом її розвитку стала молекулярна біологія, яка вив чає структуру, функції й перетворення білків і нуклеїнових кислот.





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити