Біохімія

Біохі́мія, біологічна хімія (від біо… та єгип. kēme — Земля) — наука, яка вивчає хімічний склад живих істот, пов’язані з їхньою життєдіяльністю хімічні процеси і закономірності, яким вони підлягають. Досліджуючи обмін речовин та енергії організмів, біохімія розробляє засоби цілеспрямованого керування цими процесами.

Історична довідка

Біохімія як наука почала формуватися з 18 століття, коли вивчення хімічного складу й властивостей сполук, виділених із тварин і рослин, стало предметом вивчення хімії органічної. Як самостійна наука біохімія сформувалася в другій половині 19 сторіччя. К. Нейберг (1877–1956; Німеччина) 1903 запропонував і ввів у науковий обіг термін «біохімія».

Визначні досягнення біохімії: одержання на початку 19 сторіччя Ф. Велером із мінеральних речовин кислоти щавлевої (1824) й сечовини (1828), дослідження Е. Бюхнера бродіння (1897), виявлення каталітичного характеру біохімічних перетворень (див. Біокаталіз) хіміком К. С. Кірхгофом і можливість не тільки гідролізувати органічні речовини за допомогою ферментних екстрактів, а й вивчати такі складні процеси, як бродіння спиртове, за допомогою безклітинних екстрактів із дріжджів.

Від другої половини 19 сторіччя до 1950-х відбулося збільшення інтенсивності біохімічних досліджень та обсягу одержуваної інформації. Досягнення біохімії використовують у промисловості, медицині, сільському господарстві. У цей період зроблено відкриття:

Г. Ф. Кнооп (1875; Китай — 1946; Німеччина) відкрив механізм β-окиснення вищих кислот жирних (1905);

Дж. Самнер виділив у кристалічному вигляді ферментуреазу, започаткувавши ензимологію (1926);

В. Енгельгардт відкрив процес фосфорилювання окисного (1930);

Л. К. Полінг успішно дослідив вторинну структуру білка (1930);

Г. А. Кребс детально вивчив орнітиновий цикл утворення сечовини (1933), відкрив цикл трикарбонових кислот (1937);

Д. Кейлін (1887; тепер Росія — 1963; тепер Велика Британія) виділив цитохром С і відтворив процес перенесення електронів дихальним ланцюгом на прикладі серцевого м’яза (1933);

О. Браунштейн (1902; тепер Україна — 1986; тепер Росія) і М. Кріцман (1905–1971; тепер Росія) уперше описали реакції трансамінування, які є ключовими в азотистому обміні (1937).

Від 1950-х відбувається широке використання у біохімічних дослідженнях фізичних, фізико-хімічних і математичних методів, активне та успішне вивчення основних біологічних процесів (біосинтезу білків і нуклеїнових кислот) на молекулярному та надмолекулярному рівнях. Основні відкриття у біохімії цього періоду:

1953 Дж. Вотсон і Ф. Крік запропонували просторову модель молекули дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) ;
Ф. Сенгер 1953 установив амінокислотну послідовність білка інсуліну;
1961 М. Ніренберг розшифрував генетичний код;
П. Мітчелл 1966 сформулював хеміосмотичну теорію спряження процесів дихання та окисного фосфорилювання;
1967 А. Корнберг синтезував ДНК вipycа «у склі» (лат. in vitro).

2006 Е. Фаєр і К. К. Мелло удостоєні Нобелівської премії з фізіології та медицини за «відкриття РНК інтерференції — пригнічення експресії генів дволанцюгового РНК». 2013 її отримали Р. В. Шекман, Дж. Ротман і Т. Зюдгоф за відкриття механізму регулювання руху везикул — найбільшої транспортної системи наших клітин.

Об’єкт дослідження біохімії

Об’єктами вивчення біохімії є живі організми на різних етапах еволюційного розвитку: віруси, бактерії, рослини, тварини, організм людини як біологічний об’єкт.

За об’єктом дослідження розрізняють біохімію тварин і людини, рослин (фітобіохімію) та мікроорганізмів.

Предмет вивчення та завдання біохімії

Біохімія вивчає:

білки, вуглеводи, ліпіди, нуклеїнові кислоти та інших біомолекули — хімічний склад живих організмів, структури й функції клітинних компонентів;

хімічні реакції обміну речовин у живих організмах;

хімічні основи життя, закони перетворення хімічних реакцій у живих організмах у фізіологічні функції;

розкладення органічних речовин, що пов’язано з виникненням ґрунтів, мулу, осадових гірських порід, покладів вугілля, нафти і горючих газів.

Головне завдання біохімії — вивчення обміну білків (див. Білковий обмін), нуклеїнових кислот і амінокислот, вуглеводів (див. Вуглеводний обмін), жирів (див. Жировий обмін), гормонів, вітамінів, біогенних елементів і специфічних органічних сполук (телергони, антибіотики, фітонциди).

Розділи біохімії

Відповідно до завдань дослідження розрізняють розділи біохімії.

Статична біохімія вивчає хімічну природу, фізико-хімічні властивості, розподіл органічних речовин і мінеральних сполук, що входять до складу організмів. Сучасна статична біохімія за своїми об’єктами дослідження та методологією близька до хімії біоорганічної. Динамічна біохімія досліджує шляхи й умови перетворювання речовин в організмах. Біоенергетика — розділ динамічної біохімії, що вивчає закономірності вивільнення, акумуляції та споживання енергії в біологічних системах. Розуміння структури й діяльності живих клітин неможливе без молекулярної біології та молекулярної генетики — розділів біохімії і клітинної біології.

Функціональна біохімія з’ясовує біохімічні процеси, що становлять життєдіяльність організмів, їхніх органів і тканин, а також клітин та субклітинних утворень (живлення, дихання, бродіння, асиміляцію, дисиміляцію, рухливість, подразливість, розмноження, спадковість) та засоби взаємодії внутрішніх чинників організму. Функціональна біохімія близька до молекулярної фізіології.

Важливими розділами біохімії є вітамінологія, що вивчає хімічну природу вітамінів і їхні перетворення на біохімічно активні форми (зокрема коферменти).

Біохімія гормонів вивчає їхню природу, обмін і механізм дії.

Ферментологія вивчає ферменти.

Еволюційна та порівняльна біохімії вивчають закономірності біохімічної еволюції органічного світу.

Медична біохімія (біохімія людини) вивчає закономірності обміну речовин та їх порушення, що виникають унаслідок захворювань, а також вплив різних лікувальних засобів на процеси нормалізації обміну. Підрозділом медичної біохімії є клінічна біохімія, що вивчає біохімічні процеси, які відбуваються в організмі хворої людини. Важливим розділом клінічної біохімії є клінічна (медична) ензимологія, що вивчає перебіг ферментних реакцій в організмі людини за умов різних захворювань шляхом визначення активності окремих ферментів, ізоферментів та ферментних констеляцій у біологічних рідинах і біоптатах та використання набутої інформації в діагностичному та лікувальному процесах.

Зусилля технічної та промислової біохімії спрямовані на задоволення потреб народного господарства — сільськогосподарського виробництва та харчової промисловості.

Взаємозв’язок з іншими науками

Біоорганічна хімія — пов’язана з хімією та біологією міждисциплінарна галузь, що вивчає будову та біологічні функції найважливіших компонентів живої матерії, насамперед біополімерів і низькомолекулярних біорегуляторів, акцентуючи увагу на з’ясуванні закономірностей взаємозв’язку між структурою та біологічною дією.

На базі її фундаментальних досліджень створюють технології одержання практично важливих препаратів для медицини, сільського господарства, різних галузей промисловості.

Методи біохімії

Сучасна біохімія вивчає процеси життєдіяльності на молекулярному рівні. У біохімії широко застосовують найновіші й найдосконаліші методи досліджень — різні види хроматографії, електрофорез, електронну та люмінесцентну мікроскопію, диференціальне ультрацентрифугування, рентгеноструктурний і кристалографічний аналіз, полярографію, інфрачервону та ультрафіолетову фотометрію, методи мічених атомів і ядерного та електронного парамагнітного резонансів.

Біохімія в Україні

Біохімія в Україні бере початок від середини 19 століття. У Харківському університеті (тепер Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна) видано підручники «Класифікація рослин і тварин за їх хімічним складом» (франц. «Classification des substances végétales et animales selon leurs propriétés chimiques»; 1810) Й. Е. Ф. Гізе та «Курс фізіологічної хімії» (рос. «Курсъ физіологической химіи»; 1847) О. Ходнєва.

До 1917 дослідження у галузі біохімії в Україні проводили в Університеті святого Володимира у м. Києві (тепер Київський національний університет імені Тараса Шевченка; 1833–1918), Харківському та Новоросійському (тепер Одеський національний університет імені І. І. Мечникова) університетах. Першим професором із медичної хімії Університету святого Володимира став О. Шеффер (1831–1897; тепер Росія), який вивчав проміжні продукти гідролітичного розпаду білків.

Засновником вітчизняної біохімії вважають О. Данилевського. Учений звернув увагу, що в білковій молекулі присутні пептидні зв’язки, розробив методи виділення білків (міозину, міостроміну) із м’язової тканини. Проблему синтезу білкових сполук досліджували Д. Кураєв (1869–1908; Україна), В. Зав’ялов (1873–1930). Фундаментальні роботи в галузі обміну азоту і його сполук у м’язових тканинах започаткував В. Гулевич.

Засновниками біохімії у західному регіоні України вважають Я. Парнаса та С. Ґжицького, І. Горбачевського (започаткував дослідження обміну нуклеїнових кислот).

Наприкінці 1920 з ініціативи О. Баха створено Біохімічний інститут Наркомздоров’я з медичним ухилом. 1925 О. Палладін створив у м. Харкові Український біохімічний інститут (тепер Біохімії інститут ім. О. В. Палладіна НАН України). 1930–1970 О. Палладін з учнями та послідовниками сформував в Інституті біохімії основні напрями наукових досліджень: нейрохімія (біохімія нервової системи); біохімія м’язів; біохімія вітамінів; біохімія обміну речовин; біохімія білків. Д. Фердман, А. Утевський (1904–1988), М. Гулий та інші досліджували проміжні продукти гліколізу в м’язах і роль кислоти фосфатної.

Основи біохімії вітамінів заклали О. Палладін, С. Винокуров [(1899–1955), Р. Чаговець, А. Халмурадов (1939–1997), Г. Шавловський (1925–1996), В. Вендт (1906–1993), Г. Донченко та інші]. Дослідження структури білків проводили В. Беліцер, С. Серебряний (1912–2001), К. Веремєєнко, Т. Варецька та інші). Технологію препаратів із білків крові людини створили [[[Комісаренко, Сергій Васильович|С. Комісаренко]], Г. Волков (нар. 1951; тепер Україна), Т. Варецька]. Працювали над питаннями біосинтезу і регуляції біосинтезу білка, структури та властивостей нуклеїнових кислот (М. Гулий, Г. Мацука), структури і механізмів діяння вітамінів (Р. Чаговець) і гормонів ([[Комісаренко, Василь Павлович|В. Комісаренко, А. Утевський) та над дослідженням молекулярних механізмів збудливості нервової клітини (П. Костюк, В. Лішко).

В Україні дослідження з біохімії проводять у багатьох науково-дослідних інститутах, провідними з яких є Інститут біохімії ім. О. В. Палладіна НАН України, Молекулярної біології і генетики інститут НАН України, Експериментальної патології, онкології і радіобіології інститут імені Р. Є. Кавецького НАН України, Клітинної біології та генетичної інженерії інститут НАН України (1969–2001 — Львівське відділення Інституту біохімії НАН України), Фізіології інститут ім. О. О. Богомольця НАН України, Інститут ендокринології та обміну речовин імені В. П. Комісаренка Національної академії медичних наук України та інші.

Значення

Винаходи біохімії застосовують у медицині, харчовій промисловості і сільському господарстві.

Досягнення біохімії створюють фундамент для розвитку профілактичної і лікувальної медицини, фармакології, для підвищення врожайності сільськогосподарських культур, зберігання врожаю, боротьби зі шкідниками і продуктивності тваринництва, поліпшення продукції харчової промисловості, сприяють створенню нової мікробіологічної промисловості.

Узагальнення біохімії допомагають висвітлити еволюцію органічного світу й розв’язати проблему виникнення життя на Землі.

Література

Палладін О. В. Біохемія. Київ : Держмедвидав, 1938. 484 c.
Біохімія і біотехнологія — сучасній медицині / Гол. ред. С. В. Комісаренко. Київ : Москаленко О. М., 2013. 702 с.
Tymoczko J., Gatto Gr., Stryer L. Biochemistry. 9th ed. New York : W. H. Freeman, 2019. 1296 p.
Cox M., Hoskins A., Nelson C. Lehninger Principles of Biochemistry. 8th ed. New York : Macmillan International Higher Education, 2022. 1239 p.