Методы исследования обмена веществ

Для изучения обмена веществ в биохимии применяют два подхода: исследования на целом организме и исследования на изолированных частях организма, так называемые дезинтегрирующие методы. Классическим примером исследований на целом организме являются эксперименты Ф. Кноопа по изучению биологического окисления жирных кислот. На основании этих результатов Ф. Кнооп сделал вывод, что распад жирных кислот в организме происходит путем последовательного отщепления двухуглеродных фрагментов, начиная с атома углерода, у которого находится карбоксильная группа. Позднее этот вывод был подтвержден и другими методами. По существу в данных исследованиях Ф. Кнооп применил метод мечения молекул: он использовал в качестве метки фенильный радикал, не подвергающийся химическим превращениям в организме.

Начиная примерно с 40-х годов XX в. нашли широкое распространение в химии и применение в биохимических исследованиях методы радиоактивного мечения молекул. Например, путем скармливания лабораторным животным различных соединений, содержащих радиоактивный углерод 14С, было установлено, что 338 холестерин синтезируется из уксусной кислоты, поскольку все атомы углерода, входящие в его молекулу, происходят из углеродных атомов ацетата. Этим же методом было доказано участие лимонной кислоты в реакциях цикла Кребса: мечением атома углерода одной из карбоксильных групп лимонной кислоты с помощью 14С было установлено, что данный изотоп участвует в образовании СО2, который получается в результате декарбоксилирования 2-оксоглутаровой кислоты.

В настоящее время с помощью радиоизотопного метода изучают время жизни белков и других структурно-функциональных компонентов клеток, т.е. скорость обновления тканей организма. В исследованиях на целом организме изучают его потребности в пищевых веществах: если отсутствие в пище какого-либо вещества приводит к нарушению физиологических функций организма, то это свидетельствует о том, что данное вещество является незаменимым пищевым фактором. Сходным образом определяются и необходимые количества пищевых веществ. При использовании дезинтегрирующих методов объектами исследования являются изолированные части организма – отдельные органы, ткани, субклеточные фракции, вплоть до очень простых биохимических систем, например таких, как система, содержащая индивидуальный фермент и его субстрат, или система, состоящая из фермента, субстрата и ингибитора. Разумеется, эти методы имеют ценность только как этап, необходимый для достижения конечной цели – понимания функционирования организма в целом. Особого пояснения требует тот факт, что результаты биохимических исследований, проведенных на животных, во многих случаях могут быть перенесены и на организм человека. В молекулярных механизмах, обеспечивающих жизнь разных организмов, населяющих Землю, имеется много схожего.

Такие фундаментальные процессы, как матричные биосинтезы, механизмы трансформации энергии, основные пути метаболических превращений и т.д. примерно одинаковы у всех организмов: от бактерий до высших животных. Поэтому многие результаты исследований, проведенных с такой, казалось бы, элементарной клеточной культурой, как E. coli, оказываются применимыми и к человеку. Подавляющую часть знаний в области биохимии человека ученые получают следующим образом: исходя из известных биохимических процессов у животных, строят гипотезу о наиболее вероятном механизме данного процесса в организме человека, а затем проверяют эту гипотезу прямыми исследованиями клеток и тканей организма. Такой подход позволяет проводить исследования на небольшом количестве биологического материала, что является одним из самых главных требований. Чаще всего в гуманных целях и с точки зрения экономичности используют ткани, удаляемые при хирургических операциях, клетки крови (эритроциты и лейкоциты), а также клетки тканей человека, выращиваемые в культуре. Развитие методов клинической биохимии для диагностики различных заболеваний и контроля за их течением также способствует более глубокому исследованию обмена веществ и позволяет открывать новые биохимические реакции. Например, изучение наследственных нарушений, в частности врожденного дефекта фермента, позволяет открывать новые ферменты и реакции, имеющие жизненно важное значение для организма.