Том Джексон - Взламывая биологию

Ферменты, или энзимы, – это биологические катализаторы, которые обеспечивают химические реакции и ускоряют их. Они жизненно необходимы животным и растениям.

В 1833 г. французские химики Ансельм Пайя и Жан-Франсуа Персо получили из солодового экстракта химическое вещество, ускоряющее превращение крахмала в сахара́. Они назвали ускоритель диастазой. Это был первый энзим, полученный в концентрированной форме, хотя само это слово (нем. Enzym ) немецкий физиолог Вили Кюне придумал только в 1878 г. Названия всех открытых с тех пор ферментов имеют суффикс «аз». Известно, что ферменты ускоряют более 5000 биохимических реакций. Они действют при оптимальных температурах и уровнях кислотности. Если слишком холодно, реакции замедляются; слишком жарко – фермент меняет форму и становится менее эффективным. Как правило, ферменты – это белки, которые соединяются в сложные структуры, позволяющие разместить другие молекулы, или субстраты, и затем объединяют или расщепляют их для создания новых молекул, или продуктов. Таким образом, некоторые ферменты ускоряют биохимические реакции в тысячи раз. Почти все процессы обмена веществ внутри клеток нуждаются в ферментах – реакции должны проходить с должной скоростью для поддержания жизни.

В одной из реакций клеточного дыхания фермент гексокиназа смыкается над двумя субстратами, АТФ и ксилозой, чтобы ускорить их объединение. Участки, отмеченные голубым, – это место соединения фермента с другими молекулами.

Некоторые из наиболее важных реакций обмена веществ происходят в крошечной митохондрии внутри клетки: ферменты способствуют превращению глюкозы и кислорода в углекислый газ, воду и энергию, а энергия нужна для поддержания жизни. Другой важный набор ферментов находится в кишечнике. Ферменты особого рода существуют для всех видов питательных веществ: жиров, белков и углеводов.

Например, крахмал расщепляется на молекулы глюкозы, которые попадают через стенки кишечника в кровь и служат источником энергии для клеток организма. Ферменты амилазы ускоряют эту реакцию. Альфа-амилазу, или птиалин, производят слюнные железы, и когда слюна смешивается во рту с пищей, птиалин ускоряет гидролиз (расщепление соединения при помощи дополнительной молекулы воды) углеводов и их превращение в глюкозу. Птиалин продолжает воздействовать на углеводы в желудке до тех пор, пока высококислотные желудочные соки не разрушат птиалин или не изменят его форму.

Кроме открытия диастаза, Ансельм Пайя разработал процессы рафинирования сахара и синтеза буры из соды и борной кислоты. Он также выделил волокнистый карбогидрат и назвал его целлюлозой.

Осмос – это прохождение жидкости через полупроницаемую мембрану со стороны, где концентрация раствора ниже, на сторону, где концентрация раствора выше. Осмос – это основа водного обмена в живых существах.

Осмос был открыт в 1748 г. французским священником и физиком Жаном-Антуаном Нолле, который в качестве грубой мембраны использовал для своих демонстраций мочевой пузырь свиньи. Осмос – это разновидность диффузии, процесса, при котором вещества в жидкости или газе естественным образом равномерно распределяются по раствору. При осмосе мембрана останавливает более крупные молекулы, но вода легко проходит сквозь нее. Вода выравнивает концентрацию веществ в растворе – она перетекает из области с низкой концентрацией вещества к области с более высокой концентрацией. Действие осмоса прекращается, когда концентрация по обе стороны мембраны выравнивается, то есть с одной из сторон становится больше влаги.

Транспирация – это, по сути, встроенный в растения водяной насос. В ходе этого процесса жидкость проходит через растение от корней до мелких пор на нижней стороне листьев, там она испаряется и попадает в воздух в виде водяного пара. По мере испарения воды в верхней части растения в результате осмоса от корней поднимается дополнительная влага – по системе трубок, состоящих из рядов специальных клеток – ксилем. Транспирация совершается быстрее в теплых и ветреных условиях.

Срезанные цветы помещают в гипотоническую воду (свежая чистая вода подойдет), чтобы в ходе осмоса их стебли наполнились влагой. Свежий вид цветов поддерживается дольше – но в конечном итоге мертвые растения подвергнутся естественному процессу разложения. Живое растение увядает, когда ему не хватает воды, и с помощью воды его можно возродить.

Биологические мембраны полупроницаемы: например, молекулы белка слишком крупные, чтобы пройти сквозь нее. Мембраны также остановят заряженные ионы. В диффузии участвуют маленькие молекулы, в том числе молекулы кислорода, углекислого газа, азота и окиси азота. Осмос – главный способ транспортировки воды в клетки и из них. В биологических системах вода с концентрацией растворенных веществ меньше нормы называется гипотонической; больше нормы – гипертонической. Когда клетка попадает в гипотонический раствор, осмос притягивает воду, и клетка разбухает. Это происходит, например, когда клетку помещают в чистую воду. В гипертоническом растворе, таком как соленая вода, молекулы воды покидают клетку, и она сжимается. С помощью осмоса растения забирают воду из почвы. В клетках корней содержатся растворенные вещества, поэтому молекулы воды поступают внутрь, повышая внутреннее давление и делая клетки упругими. Если растение долгое время лишено воды, давление падает, клетки сжимаются, и растение увядает.

Клеточная теория – это фундамент современной биологии. Она исходит из того, что клетки – базовые единицы всех живых организмов, которые могут рождаться только из уже существующих клеток.

Основы клеточной биологии как научной дисциплины заложило развитие микроскопии в XVII в. Все последующие столетия ученые наблюдали клетки растений и животных под все большим увеличением. Биологи довольно рано пришли к согласию в том, что живые организмы состоят из базовых единиц, но никто не связывал клетки, увиденные под микроскопом, и клетки, которые составляли тела животных и растений. Французский физиолог Рене Дютроше в конце концов узрел эту связь: в 1824 г. он признал значение отдельных клеток в функционировании живого организма, заявив, что «клетка – это фундаментальный элемент организации».