ІСТОРІЯ СТАНОВЛЕННЯ БІОХІМІЇ ТА БІОХІМІЇ ЗЕРНА
Коротка історія становлення біохімії як науки
В давнині і середньовічні відомості про склад організмів та про процеси, що в них відбуваються були доволі обмежені. У середні віки починається застосування хімічних методів до вивчення рослин, тварин та людини. У цьому напрямку багато було зроблено в VIII-X ст., зокрема арабами, які започаткували алхімію, яка в свою чергу була першопочатковою формою хімії. Особливо велике значення мали праці великого філософа, дослідника природи та лікаря Абу Алі Ібн-Сіни (лат. Авіценна).
Однак більш глибоке наукове дослідження природи почалось з другої половини XV ст., з епохи Відродження, коли церква послабляє контроль над наукою. В цю епоху на основі розвитку експериментальної хімії починається вивчення хімічного складу організмів і перетворень речовин, які в них відбуваються. Необхідність створення загальної теорії хімічних перетворень призводить до виникнення теорії флогистона. Згідно із цією теорією, що панувала в XVII і XVIII ст., процес горіння обумовлюється наявністю в тілах особливої невагомої речовини флогістону. Флогістонна теорія сприяла розвитку експериментальних досліджень в області хімії і її звільненню від фантастичних вигадництв алхіміків. Хоча звичайно флогістонна теорія, не відбиваючи реальної дійсності, була різновидом ідеалізму.
Істотний внесок у просуванні наукової думки був зроблений у XVIII століття. У цей період починають впроваджуватися точні кількісні методи, зокрема, в хімію й фізіологію. На основі закону збереження речовини й значного експериментального матеріалу, що нагромадився до кінця XVIII ст. Лавуазьє кількісно досліджував і пояснив процеси горіння й дихання. Застосування кількісних хімічних методів дозволило встановити основні закономірності харчування рослин, зокрема такого найважливішого процесу, яким є фотосинтез. У розвитку наукових уявлень про хімізм харчування рослин важливу роль зіграли роботи Т. Соссюра, Ж.-Б. Буссенго і Ю. Лібіха. Хімія усе ширше й глибше стала впроваджуватися у вивчення явищ життя.
Подальше впровадження, розвиток хімії в біології призвело наприкінці XIX ст. до відокремлення біологічної хімії як самостійної наукової дисципліни. Вона розвивалася на основі успіхів органічної хімії, розширення кола досліджуваних нею природних речовин. Однак уже сама назва – біологічна або фізіологічна хімія – відбиває специфіку цієї науки.
Історія розвитку біохімії зерна
Історія розвитку біохімії зерна і продуктів його переробки тісно пов'язана з розвитком мукомельно-круп'яної промисловості і елеваторно-складського господарства. Більшість робіт про хімічний склад зерна, а також процеси, що відбуваються при його зберіганні і переробці, були продиктовані практичними запитами зернового господарства, мукомельно-круп'яної і хлібопекарської промисловості.
Основні етапи розвитку біохімії зерна і продуктів його переробки наступні.
Першим в області біохімії зерна є опубліковане в 1745 р. дослідження італійського вченого Беккарі, який відмив з пшеничної муки білкову речовину, що тепер називається клейковиною. Робота Беккарі є як би початковою віхою в історії розвитку біохімії зерна. Проте це дослідження було виконано в середині XVIII сторіччя, в період, коли власне хімія як точна наука ще не існувала. Вона склалася тільки в кінці XVIII і початку XIX століття, після того, як А. Л. Лавуазье були відкриті основні принципи і кількісні закони хімічних перетворень, хімічних реакцій. Тому розвиток біохімії зерна як науки почався лише в XIX сторіччі.
Початкові етапи розвитку біохімії зерна і продуктів його переробки, перш за все, пов'язані з дослідженнями крупного французького хіміка середини XIX століття Ж.Б. Буссенго (1802-1887) (він був одним з вчителів нашого чудового фізіолога К.А. Тімірязєва). Хімічному складу зерна різних культур присвячені роботи Ж.Б. Буссенго, проведені на основі розроблених на той час точних хімічних методів. Він вивчав вплив різних добрив, грунтово-кліматичних умов і склоподібності на хімічний склад зерна пшениці, на вміст в ній клейковини; він вперше провів дослідження хімічного єства процесу черствого хліба.
В середині XIX сторіччя дослідженням хімічного складу зерна, муки і хліба і їх харчової цінності займався відомий німецький хімік Юстус Лібіх (1803-1873), особливо багато уваги він приділив вивченню мінеральних речовин, що містяться в муці, зерні і хлібі. В лабораторії Лібіха його учень О. Демпвольф провів опубліковані в 1869 р. дослідження зерна і борошна різних сортів. Особливо детально він вивчив склад золи різних видів зерна і муки.
В кінці XIX сторіччя велике значення для розвитку біохімії зерна мали праці французького вченого Еме Жірара (1830-1898) і угорського дослідника Т. Кожутані (1848-1915). Жірар провів дуже ретельні хімічні аналізи окремих частин зерна і написав керівництво, що набуло широке поширення, по пшениці і технології її помелу. Кожутані протягом ряду років систематично займався вивченням хімічного складу пшениці і розробив оригінальні прилади для випробування фізичних властивостей клейковини. Результати своїх досліджень він підсумував в об’ємній монографії про угорську пшеницю.
На рубежі XIX і XX століття класичні дослідження по вивченню білків зерна, особливо пшеничного, і харчовій цінності білків пшеничної муки провів видатний американський біохімік Т. Б. Осборн (1859-1929).
В розвитку біохімії зерна і продуктів його переробки в США і Канаді важливу роль грав і грає американська асоціація хіміків-зернознавців, що видає з 1924 р. спеціальний журнал «Хімія зерна» («Cereal chemistry»).
Серед відомих учених, що займалися вивченням хімічного складу зерна і хімічних процесів, що відбуваються в ньому, потрібно відзначити ім'я дійсного члена петербурзької Академії Наук К.С. Кірхгофа, що відкрив в 1814 р. дію ферментів. Він встановив, що в борошні міститься речовина (тепер ми називаємо її амілазою) — фермент, що каталізує (прискорює) розщеплення крохмалю з утворенням цукру.
На самому початку XIX століття уряд доручив ученим розробити спосіб виробництва замінників цукру. Кірхгофу вдалося вирішити цю задачу: він знайшов спосіб отримання патоки шляхом кислотного гідролізу крохмалю; разом з тим він відкрив амілазу - фермент, що каталізує перетворення крохмалю в цукор.
В середині XIX століття в московському університеті працював професор Н.E. Ляськовський, вивчаючий хімічний склад пшеничного зерна. В опублікованій в 1865 р. роботі «Про хімічний склад пшеничного зерна» він приходить до висновку, який потім був підтверджений рядом досліджень. Він показав, що у міру просування із заходу на схід, південний схід, отже, в більш сонячні і менш вологі райони, пшеничне зерно містить все більше білка.
Таким чином, Ляськовській встановив залежність хімічного складу зерна від географічного і кліматичного чинників. Ця робота Ляськовського зіграла істотну роль в історії розвитку біохімії зерна.
В кінці XIX і початку XX сторіччя дуже важливі дослідження харчової цінності зерна, муки і хлібу провели професор московського університету Ф.Ф. Ерісман і професор Військово-медичної академії у Петербургу А.П. Доброславін.
Ф.Ф. Ерісман займався цим питанням, зокрема, у зв'язку з тим, що в царській Росії селянство часто в результаті неврожаїв страждало від голоду, і селяни, наприклад в Поволжі, вимушені були їсти хліб з різних сурогатів.
А.П. Доброславін досліджував питання про харчову цінність хліба за завданням Генерального штабу російської армії, який був зацікавлений в розробці методів підвищення харчової цінності так званого солдатського хліба.
Вже в XX столітті важливі дослідження по фізіології і біохімії зернових культур провів видатний радянський учений, академік Д.Н. Прянішников, професор московської сільськогосподарської академії імені К.А. Тімірязева. Д. Н. Прянішников, зокрема, багато займався питанням про вплив зрошування на якість зерна пшениці і вміст в ньому білка.
Після революції 1917 року біохімія зерна у нас в країні продовжувала розвивалася. Був створений ряд спеціальних науково-дослідних інститутів і вищих учбових закладів, наприклад, таких, як Інститут біохімії Академії наук СРСР, Всесоюзний інститут зерна Міністерства заготівок СРСР, Всесоюзний інститут хлібопекарської промисловості, Московський технологічний інститут харчової промисловості і Одеський технологічний інститут.
Значний матеріал по хімічній характеристиці нашого зерна, особливо пшениці і ячменю, був накопичений в 20-е і 30-е роки Біохімічною лабораторією Всесоюзного інституту рослинництва, організованою і керованою протягом ряду років відомим радянським біохіміком Н. Н. Івановим (1884-1940).
Значну роль в розвитку біохімії зерна у нас в країні зіграли роботи академіків А. Н. Баха, А. И. Опаріна і їх учнів. А. И. Опарін ряд своїх робіт присвятив вивченню ферментів зерна і ферментативних процесів, що відбуваються під час переробки зерна і приготування хліба.
Інститут біохімії Академії наук СРСР, який носить ім'я А. Н. Баха, видає спеціальні збірки «Біохімія зерна» і «Біохімія хлібопечення», в яких публікуються результати наукових та практичних досліджень.
Предмет вивчення біохімії
Оскільки в основі всіх проявів життєдіяльності, усіх функцій організму лежить обмін речовин, біохімія – один з найважливіших розділів науки про життя – біології.
Як по своєму історичному розвитку, так і по суті свого змісту й застосовуваних методів біологічна хімія найтіснішим чином пов'язана з фізіологією - наукою, що вивчає закономірності явищ життя.
Біохімія вивчає окремі етапи процесів обміну речовин, їхній взаємозв'язок і взаємозумовленість, вивчає фізіологічну роль окремих речовин у житті організмів, процес біосинтезу складної органічної речовини з найпростіших речовин, а також біогеохімічні перетворення рослинних і тваринних залишків (утворення мулу, торфу, мінералізацію органічних залишків).
Найбільшою проблемою сучасної біохімії є питання про зв'язок процесів обміну речовин з тими або іншими фізіологічними функціями організму. Дослідження біохімічних перетворень в організмі повинне бути нерозривно пов'язане із з'ясуванням умов, при яких виникає й розвивається та або інша фізіологічна функція. Цей найважливіший напрямок у сучасній біохімії одержав назву функціональної біохімії.
Розвиток органічного світу, спадковість, мінливість, утворення нових видів – усі ці основні проблеми біологічної науки можуть бути вивчені й підлеглі волі людини тільки на основі глибоких біохімічних досліджень, на основі з'ясування закономірностей обміну речовин і зрушень, що відбуваються в ньому під впливом внутрішніх умов і умов зовнішнього середовища.
Важлива галузь сучасної біохімії – це еволюційна біохімія, що вивчає еволюцію біохімічних функцій у процесі розвитку живої природи. Тут необхідно згадати матеріалістичну теорію виникнення життя на Землі висунуту академіком А. І. Опаріним. І дотепер триває боротьба між матеріалістичним і ідеалістичним тлумаченням сутності життя. На цьому питанні можна було б не зупинятися, якби не відродження церкви.
Ідеалізм у біології, що одержав у свій час назву віталізму, затверджує, що життя є результатом дії якихось сил, що не підкоряються законам збереження речовини й енергії, не пізнаваних людським розумом і наукою. Таким чином, ідеалісти заздалегідь прирікають на невдачу усі спроби пізнати сутність життєвих явищ із метою керування ними.
У процесі розвитку науки віталізм незмінно відступав під натиском експериментальної біохімії. Надзвичайно гостра боротьба розгорталася у свій час навколо питання про можливість синтезу різних органічних сполук чисто хімічними методами. Віталісти затверджували, що подібні з'єднання можуть бути синтезовані тільки в організмах тварин і рослин. Однак після того як Ф. Велер штучно з неорганічних речовин одержав сечовину, а А.М. Бутлеров і Є. Фішер – цукру й М. Бертло – жири, хіміками були синтезовано поза організмом багато з'єднань, що грають важливу роль в обміні речовин. Основою для синтезів подібного роду послужила теорія будови органічних сполук, створена А.М. Бутлеровим. На цій основі була синтезована множина найрізноманітніших з'єднань, починаючи з найпростіших спиртів, кислот, ефірів і т.п. і кінчаючи такими, як вуглеводи, вітаміни, дубильні речовини й ін. У цей час хіміки-органіки й біохіміки здійснили повний хімічний синтез одного з найпростіших білків – інсуліну – гормону, виділюваного підшлунковою залозою людину й тварин, а також ферменту рибонуклеази й нуклеїнових кислот.
Чудові успіхи були досягнуті й у розшифровці структури нуклеїнових кислот і ролі дезоксорибонуклеїнової кислоти (ДНК) як "речовини спадковості". Було встановлено, що певні ділянки молекули ДНК містять гени, у яких "записана" (закодована) програма для синтезу в організмі тих або інших білків і нуклеїнових кислот. Слідом за американським хіміком Г. Корану зі співробітниками, які вперше синтезували гени, що кодують біосинтез деяких рибонуклеїнових кислот, були здійснені синтези різних генів. Так, наприклад, зроблений хімічний синтез гена, що кодує біосинтез такого важливого білка, як інтерферон – білка, що захищає людину від вірусних інфекцій і деяких форм раку. У результаті всіх цих досліджень відкриваються виняткові перспективи для розшифровки молекулярних механізмів спадковості й застосування результатів фундаментальних досліджень у медицині, сільському господарстві й різних галузях промисловості. (Трансгенні культури).
Тривалою й дуже напруженою дискусією супроводжувалося дослідження хімізму спиртового шумування. Учені-віталісти вважали, що спиртове шумування може викликатися тільки лише живими дріжджовими клітинами, і думали, що позаклітинне шумування неможливе. Однак біохімікам у результаті тривалих робіт удалося виділити із дріжджових клітин препарати, що викликають спиртове шумування.
Незважаючи на успіхи науки в пізнанні закономірностей життєвих явищ, і в наш час деякі натуралісти дотримуються ідеалістичних, а іноді відверто містичних уявлень про сутність життя.
Сучасна матеріалістична біологія виходить із того, що в організмі немає якихось непізнаваних сил або процесів і що встановлення хімічної будови білків і нуклеїнових кислот і з'ясування сутності процесів обміну речовин дозволять не тільки вирішити одну з найбільших проблем науки - створити штучним шляхом живу речовину, але й управляти організмами в бажаному для людини напрямку. (Стовбурові ембріональні клітини).
