Вступ

Первісні етапи історії біохімії збігаються з історією органічної хімії. До середини XIX ст. органічною хімією називали науку, що вивчала речовини, що входять до складу тваринних і рослинних організмів, тобто речовини живого ("органічного") світу. Пізніше, у зв'язку з розвитком синтетичної хімії сполук карбону, зміст терміну «органічна хімія» змінився — так тепер називають хімію сполук карбону, а науку, що вивчає хімічний склад живих організмів і хімічні процеси, що протікають у них, стали називати фізіологічною, а потім біологічною хімією! Біологічна хімія вивчає не тільки органічні, але і неорганічні (мінеральні) сполуки, що містяться в організмах. Зрозуміло, і після цієї диференціації органічної і біологічної хімії їхній розвиток відбувається в тісній взаємодії, поєднуваній безліччю загальних методів і загальних задач.

Історію біохімії (і органічної хімії) прийнято відраховувати з кінця XVIII ст., коли вперше були виділені з організмів у чистому виді деякі сполуки — сечовина, лимонна кислота, яблучна кислота й ін. У той час ще не було представлень про будову цих речовин. Тривалий період розвитку біохімії — аж до середини XX ст. — заповнений відкриттям нових речовин у живій природі, дослідженням їхньої структури і хімічних перетворень в організмах. Найважливішими досягненнями цього періоду є встановлення загального плану будови головних біополімерів — білків і нуклеїнових кислот та основних шляхів хімічних перетворень речовин в організмах (метаболізм). У цей же період відбулася подальша диференціація біохімії: у ній стали виділяти статичну біохімію, що вивчає хімічний склад організмів; динамічну біохімію, що вивчає метаболізм; функціональну біохімію, що вивчає зв'язок хімічних процесів з фізіологічними (біологічними) функціями.

Середина минулого століття є переломним етапом в історії біохімії. Розвиток молекулярного рівня досліджень за останні 30—40 років призвів до перебудови структури не тільки біохімії, але і всієї біології — її методів, емпіричної основи, теоретичних елементів, форм практичного використання, класифікації розділів біології.

Характерною ознакою біохімії цього періоду є перехід до широкого вивчення структури і властивостей індивідуальних представників білків і нуклеїнових кислот, до з'ясування функції кожного індивідуального білка і нуклеїнової кислоти в живій клітині. Передумовою для цього послужив стрімкий розвиток методів поділу речовин і вивчення їхньої структури, а також специфічних для біохімії методів виділення і дослідження надмолекулярних структур — клітинних органел. Якщо в попередній період функціональна біохімія тільки зароджувалася, то тепер вона стає ведучим напрямком у біохімії. Як і раніше зберігаються і підсилюються зв'язки з органічною хімією, але одночасно різко зростає значення зв'язків біохімії з іншими біологічними науками — цитологією, фізіологією, генетикою. Найбільш яскравим вираженням цього є розкриття молекулярних механізмів таких фундаментальних властивостей життя, як спадковість і мінливість.

У 50—60-х роках минулого століття, коли була встановлена структура ДНК, що дозволила пояснити механізм реплікації генів, виникла нова назва для позначення цього напрямку досліджень — молекулярна біологія. Спочатку молекулярною біологією називали область біохімії, що вивчає молекулярні основи загальнобіологічних явищ — спадковості, мінливості, біологічної еволюції. Однак дуже швидко значення терміну змінилося і його стали застосовувати в більш широкому змісті, аж до того, що деякі біохіміки вважають терміни "молекулярна біологія" і "біохімія" синонімами.

До середини XX ст. у біохімії переважало дослідження хімічних перетворень речовин в організмі, що супроводжуються зміною ковалентної структури сполук (метаболізм). Однак згодом з'ясувалося, що не менше значення в обміні речовин і функціонуванні організму мають фізико-хімічні процеси, не пов'язані зі зміною ковалентної структури сполук. Область біохімії, що вивчає фізико-хімічні і молекулярно-фізичні основи життєдіяльності, називають «фізико-хімічною біологією».

Тут названі основні напрямки біохімії, що мають загальнобіологічне значення. Крім того, у залежності від конкретних об'єктів і завдань дослідження виділяють і інші розділи біохімії, наприклад біохімія вірусів, біохімія рослин, біохімія тварин.

До середини XX ст. теоретичну основу медицини складали головним чином морфологічні і фізіологічні дисципліни. Тепер до них додалася і біохімія, точніше медична біохімія (біохімія людини). Вона містить у собі всі загальнобіохімічні напрямки, але в тій їхній частині, що має відношення до здоров'я і хвороб людини. Отже, медична біохімія вивчає молекулярні основи розвитку і функціонування здорового людського організму, молекулярні механізми хвороб, біохімічні методи діагностики і лікування (клінічна біохімія), біохімічну екологію людини.

Таким чином, біохімія в цілому вивчає хімічні і фізико-хімічні процеси, результатом яких є розвиток та функціонування живих систем усіх рівнів організації. Як бачимо, сучасна біохімія являє собою розгалужену галузь знань, розділи якої тісно пов'язані один з одним і не можуть бути чітко розмежовані.

Зміст цього підручника в значній частині близький до того, що називають функціональною біохімією і медичною біохімією.

Предмет і завдання біохімії

Біологічна хімія - наука, що вивчає склад і структуру хімічних речовин живої матерії та їх перетворення, які лежать в основі життєдіяльності. В.І. Вернадський, перший президент АН України, вважав, що біохімія — це наука про структуру і поведінку живої речовини. Під живою речовиною він розумів сукупність усіх живих організмів, здатних захоплювати з навколишнього середовища певні хімічні елементи і складні речовини, видозмінювати їх і виділяти кінцеві продукти перетворення в навколишнє середовище.

Біохімія вивчає хімічні та фізико-хімічні прояви життя. Це означає, що такі риси живого організму, як рух, розмноження, обмін речовин та інші явища життя, значною мірою можна пояснити на основі понять хімії та фізичної хімії.

Найбільш загальною рисою живого організму є його зв’язок із навколишнім середовищем, поза цим зв’язком життя не існує. Інакше кажучи, живі організми належать до відкритих термодинамічних систем і підпорядковуються основним їх законам.

Організм одержує з навколишнього середовища потрібні йому речовини і, перетворюючи їх, використовує утворені компоненти для побудови тканин власного тіла. З продуктами харчування надходить енергія, що кумульована в хімічних зв’язках і використовується для всіх потреб організму. Кінцеві продукти обміну виводяться органами виділення.

У процесі еволюції в живих системах виробились спеціальні біологічні каталізатори - ферменти, які здійснюють перетворення всіх хімічних речовин, що забезпечує життєдіяльність організму. Кількість ферментів та їх дія регулюються на генетичному рівні й зумовлюються практичними потребами організму.

Кожна біохімічна реакція в процесі життєдіяльності перебуває під контролем певного гена. Зміна гена (мутація) супроводжується зміною або нестачею відповідного ферменту і порушенням певних метаболічних реакцій. Носієм генетичної інформації є ДНК, в окремих ділянках якої записана за допомогою нуклеотидів інформація про структуру ферментів та інших білків.

Живі організми характеризуються вищим ступенем упорядкованості й унікальною структурною організацією, яка забезпечує його ознаки та різноманітні біологічні функції. У цій структурно-функціональній єдності організмів важливу роль відіграють білки.

Жива природа характеризується рядом властивостей, які відрізняють її від неживої, майже всі ці властивості пов'язані з білками. Життя немислиме без обміну речовин, тобто без процесів анаболізму й катаболізму, в основі яких лежить діяльність каталітично активних білків-ферментів. Без білків, зокрема ферментів, ДНК не може самовідтворюватися, тобто втрачає здатність передавати генетичну інформацію.

З участю ферментативного каталізу проходить реалізація таких життєвих процесів, як передача спадкової інформації, біоенергетика, синтез, розпад біомолекул тощо. Живі організми мають здатність зберігати постійність гомеостазу за допомогою механізмів саморегуляції, в координації яких важлива роль належить гормонам. У людей і тварин гормональна регуляція обміну речовин тісно пов'язана з діяльністю нервової системи.

Для протікання всіх біохімічних процесів необхідна енергія, яка утворюється в процесі біологічного окиснення, є спряжена з окисним фосфорилуванням. В анаеробних умовах організм забезпечується енергією за рахунок процесів гліколізу. Зворотнім процесом до гліколізу є глюконеогенез - синтез глюкози з невуглеводних продуктів. Регуляція рівня глюкози в крові здійснюється нервовою системою за участю ендокринних залоз.

Біохімія тісно пов’язана з фізіологією, від якої вона відокремилася і стала самостійною наукою. Власне, ці дві науки доповнюють одна одну: фізіологія вивчає функції здорового організму, а біохімія, спираючись на свої специфічні методи, відкриває ті хімічні компоненти та процеси, що лежать в основі цих функцій.

Для медицини біохімія стала базовою фундаментальною дисципліною, що на молекулярному рівні пояснює біологічні процеси в нормі й при захворюваннях. Біохімічні процеси лежать в основі сучасної діагностики, лікування хворих та прогнозу перебігу захворювання. Завдяки біохімії було розкрито причини і механізми таких захворювань, як цукровий і нецукровий діабети, серпоподібна клітинна анемія, глікогенози, колагенози тощо.

Біохімія не тільки допомагає зрозуміти молекулярні основи і механізми фізіологічних та патологічних процесів, але і сприяє формуванню клінічного мислення, виробленню наукового світогляду, демонструючи на конкретних прикладах, що в основі біологічних процесів здорового і хворого організмів лежать зміни молекулярних структур або хімічних чи енергетичних перетворень.

Низка речовин, що беруть участь у біохімічних процесах та синтезуються в організмі, застосовують у медицині в якості фармпрепаратів.

У медицині широко використовують препарати білкової та пептидної природи (ферменти, гормони, вакцини, сироватки, білкові препарати крові, тканин та інші); гідролізати тканинних білків; суміші індивідуальних амінокислот для парентерального харчування (амікін, амінокровін, гідролізат казеїну, поліамін, фібриносол, церебролізин тощо); амінокислоти (цистеїн, гістидин, глутамінова кислота, метіонін тощо); похідні амінокислот (ацетилцистеїн, цистамін тощо); продукти обміну амінокислот: γ-аміномасляну кислоту (аміналон, гамалон), серотонін, адреналін, норадреналін, дофамін тощо.

Біохімія широко використовує хімічні та фізичні, фізико-хімічні та біологічні методи дослідження проте має і свої, наприклад, ферментативні, які в свою чергу широко використовують в інших галузях науки, в промисловості і аграрному секторах економіки, медицині та фармації.

В організмі людини, як і в живій природі взагалі, не існує окремого обміну білків, жирів, вуглеводів і нуклеїнових кислот. Ці перетворення об’єднані в єдиний процес метаболізму, що підлягає закономірностям взаємозалежності та взаємозумовленості. Швидкість розпаду одних речовин і біосинтез інших, перш за все, визначається фізіологічним станом і потребами організму в енергії та метаболітах. Будь-які порушення цього динамічного статусу організму супроводжуються розвитком патології, важкість і тривалість якої визначається ступенем пошкодження структури і функцій клітин.

Об’єктом біохімії стало широке коло питань, що стосуються різних проявів життя. Тому розрізняють біохімію людини, тварин, рослин, вірусів, мікроорганізмів, технічну, радіаційну тощо. У сучасній біохімії виділяють три розділи (етапи):

1. Статична біохімія.

2. Динамічна біохімія.

3. Функціональна біохімія.

Статична біохімія вивчає склад і хімічну структуру тканин та органів. Це найнижчий ступінь пізнання живого на молекулярному рівні. Біохімія приділяє основну увагу значенню певних біомолекул в утворенні клітинних та тканинних структур, реалізації фізіологічних функцій організму.

Динамічна біохімія вивчає хімічні реакції, що складають в сукупності обмін речовин, або метаболізм живих організмів. Своїм завданням динамічна біохімія має вивчення перебігу та механізмів реакцій обміну вуглеводів, білків, ліпідів, нуклеїнових кислот.

Функціональна біохімія на підставі даних статичної і динамічної біохімії вивчає біохімічні процеси, які лежать в основі функціональної діяльності різних органів і систем.

Функціональна біохімія, зокрема, вивчає: біохімічні основи травлення речовин у травному тракті; біохімічні механізми м’язового скорочення; генерацію та проведення нервового імпульсу; дихальну функцію крові; регуляцію кислотно-основного стану в організмі; детоксикаційну функцію печінки; видільну функцію нирок; захисну функцію імунної системи тощо.

На ранніх стадіях розвитку біохімії вивчали тільки хімічний склад тканин і органів. Перетворення речовин та зміни їх залежно від функцій організму (сон, травлення, м’язове скорочення, збудження тощо) досліджували на наступних етапах.

Впродовж останніх років інтенсивно вивчають зміни біохімічних компонентів і процесів за умов різних патологічних станів та розробляють способи ліквідації цих порушень за допомогою різних чинників. Ці питання розробляє біохімія людини, або медична біохімія, яка вивчає закономірності обміну речовин та їх порушення в умовах як нормального функціонування людського організму, так і виникнення патологічних процесів. Біохімічні підходи все ширше використовують для розкриття сутності різних видів патології.

З метою вивчення біохімічних механізмів виникнення різних патологічних станів та захворювань у медичній біохімії широко використовується метод моделювання певних патологічних процесів на експериментальних тваринах.

Підрозділом медичної біохімії є клінічна біохімія, що вивчає біохімічні процеси, які відбуваються в організмі хворої людини, при певних захворюваннях, дослідження яких може бути використаним у діагностиці ураження певних органів, тканин, клітинних структур.

У галузі біохімії основними предметами досліджень на найближчу та віддалену перспективу є: біосинтез білка та його регуляція; біологічні мембрани та біоенергетика, диференціація клітин вищих організмів (еукаріотів); організація і механізм функціонування геному; процеси „розпізнавання” на молекулярному рівні; молекулярні основи захворювань людини, їх профілактика та лікування; молекулярні основи пухлинного росту та імунітету; теорія ферментативного каталізу; регуляція дії ферментів; молекулярні механізми пам’яті; обґрунтування молекулярних основ соматичних та спадкових захворювань людини та розробка способів їх лікування; розробка нових способів і засобів, основаних на принципах генної інженерії, для попередження серцево-судинних, злоякісних, алергічних та імунних захворювань, зокрема СНІДу; на основі сучасних біохімічних технологій розробити методи виготовлення лікарських речовин і препаратів, а також харчових продуктів із нетрадиційної сировини (рослинної, тваринної, мікробної), на основі комплексного дослідження біологічних рідин та біоптатів покращити діагностику захворювань на ранніх стадіях, а також оцінку ефективності та прогнозу захворювань.

Основне значення біологічної хімії зводиться до того, щоб розв’язувати на молекулярному рівні фундаментальні, загально-біологічні завдання, що включають проблеми взаємовідношення людини і екосистеми, яку необхідно не тільки зрозуміти, але й навчитися раціонально нею користуватися.

На сьогодні діють кафедри біохімії при університетах, медичних, педагогічних і сільськогосподарських академіях та інститутах, у біохімічних лабораторіях та спеціалізованих закладах, де опрацьовують сучасні біотехнології. Видаються біохімічні журнали, працюють біохімічні товариства та об'єднання, зокрема Міжнародна біохімічна асоціація, Європейське біохімічне об'єднання, які керують розвитком біохімії в країнах, організовують конференції, конгреси тощо.