БІОХІМІЯ - Підручник - Остапченко Л. І. - 2012
ВСТУП
Біологічна хімія вивчає хімічний склад живого, структуру молекул, з яких побудовані всі організми, безперервні послідовні хімічні реакції, завдяки яким клітини діляться, ростуть, диференціюються й забезпечують специфічні прояви живого. Безліч хімічних реакцій, які відбуваються одночасно в такому маленькому об'ємі, як клітина, каталізуються «своїми» ферментами й проходять у «своєму» мембранному компартменті, пов'язані між собою в складні послідовності й залежні від мембранного транспорту субстратів і продуктів. Така сукупність безперервних хімічних перетворень та фізико-хімічних процесів називається метаболізмом, обміном речовин.
На Землі існують мільйони видів організмів, які характеризуються специфікою своєї життєдіяльності. Проте в біохімії живого є й багато спільного:
✵ білки цих організмів побудовані з 20 амінокислот;
✵ утворення молочної кислоти у бактерій, м'язах людини і тварин забезпечується одними ферментами;
✵ білкові фактори елонгації синтезу білків (ФЕ-ТU у прокаріотів і ФЕ-1 в еукаріотів) виконують однакову функцію;
✵ генетичний код є універсальним для всіх організмів.
Проте така спільність не виключає, а підкреслює їхнє розмаїття. Це забезпечується генетичними відмінностями, що приводить до різновидів первинної структури білків, у тому числі ферментів, які каталізують специфічні хімічні перетворення. Якщо видові відмінності стосуються й активного центру ферментів, то це вже зумовлює певні зміни в процесах метаболізму. Наслідком цього і є специфічні прояви життєдіяльності.
Метаболізм клітини забезпечується одночасним функціонуванням сотень ферментів, у тому числі й тих, які беруть участь у енергетичних перетвореннях. Енергія в живій системі зберігається та передається у вигляді хімічної енергії, що локалізована в ковалентних зв'язках, в основному молекул аденозинтрифосфату (АТФ). Це означає, що АТФ є елементом спряження між двома складними й
розгалуженими системами ферментативних реакцій. Одна з них зберігає хімічну енергію, яка надходить із довкілля, шляхом фосфорилювання АДФ з утворенням АТФ, а інша використовує енергію АТФ шляхом її дефосфорилювання для біосинтезу клітинних компонентів і виконання клітиною (організмом) роботи.
Біохімічні ферментативні реакції клітини ідеально відрегульовані й продукують стільки простих молекул, скільки потрібно для синтезу полімерних молекул, у тому числі самих ферментів, або молекул-біорегуляторів. Така здатність до саморегуляції забезпечує стаціонарний стан клітинам навіть в умовах істотних змін навколишнього середовища, тобто завдяки ферментам метаболізму клітина є саморегульованою системою, налагодженою на роботу в режимі максимальної економії речовини та енергії.
Аналогічні ферментативні процеси забезпечують збереження й перенесення генетичної інформації в таких саморегулюючих системах. Ця інформація забезпечується самовідновною системою лінійного кодування з чотирьох типів нуклеотидів - мономерів ДНК. «Одновимірна» інформація в молекулі ДНК трансформується у «тривимірну» шляхом трансляції (за участю РНК) структури ДНК у різноманітні структури білків.
Отже, термін «біохімія» базується на важливих організуючих принципах живого, до яких належать:
✵ специфічність макромолекул;
✵ ізоферментні саморегулюючі системи;
✵ обмін речовин і енергії з навколишнім середовищем;
✵ самовідтворення живого шляхом трансформації одновимірної інформації ДНК у тривимірну структуру білка;
✵ мембранна компартменталізація клітини як важлива складова просторово-часової організації живого.
Ці організуючі принципи свідчать, що біохімію слід розглядати не лише як науку про перетворення індивідуальних біомоле- кул, а й науку про біохімічні механізми процесів, які відбуваються на складнішому рівні - на рівні нуклеопротеїнів, мультиферментних комплексів, клітинних мембран і органел.
Біохімія як самостійна наука склалася на межі ХІХ-ХХ ст. (що пов'язано з досягненнями органічної хімії, фізіології та медицини), хоч вивчення окремих проблем біохімічного характеру розпочалося в кінці ХУІІІ ст. Так, створення теорії горіння дозволило А. Лавуазьє і П. Лапласу підійти до проблеми енергетики обміну речовин (1789). У 1820 р. було синтезовано сечовину (Ф. Веллер). У 1869 р. Ф. Мішер відкрив нуклеїнові кислоти (термін уведено в 1889 р. Р. Альтманом), їхній основний хімічний склад установлено в 1891 р. А. Кесселем (Нобелівська премія, 1910), генетичну функцію визначено Ф. Гріффітом (1928), а пізніше (1944) - О. Евері. Отримані Е. Чаргаффом дані про склад ДНК (1949-1951) стали основою відкриття просторової будови молекули ДНК Дж. Уотсоном і Ф. Кріком (1953). К. Мак-Леод і М. Мак-Карті переконливо довели, що генетичні функції притаманні ДНК, а не білку. Закладення основи хімії жирів (М. Шеврель, 1823) і перша теорія окисних процесів (Х. Шенбайн, 1845) стала підґрунтям для створення пероксидної теорії біологічного окиснення (О. Бах, 1897). Ще в позаминулому сторіччі при виділенні оксидази (Х. Йосіда, 1833; Г. Бертран, 1895) установлено, що гліцерин є спиртом, а ліпіди - складними ефірами жирних кислот (М. Бертло, 1854), досліджено основні властивості й синтез цукрів (Т. Соссюр, 1804; Ж. Бусенго, 1858; О. Бутлеров, О. Львов, 1882-1889).
У 1890 р. Е. Фішер, використовуючи відкритий ним фенілгідразин, розробив метод перетворення альдогексоз у кетогексози (наприклад, глюкоза → фруктоза), відкрив D- і L-фруктозу та провів інші дослідження, за що отримав Нобелівську премію (1902). У 1870 р. М. Любавін висловив думку, що білки складаються з амінокислот (дев'ять із яких були відкриті з 1806 по 1890 рр.), і це стало підґрунтям ідеї про те, що білки побудовані з амінокислотних залишків (О. Данилевський, П. Шютценберже, А. Кессель; Нобелівська премія, 1910). А перший пептид (гліцил-гліцин) у 1901 р. синтезували Е. Фішер і Е. Фурно. Останній у 1919 р. встановив, що типом зв'язку амінокислотних залишків у молекулі білка є амідний зв'язок між аміногрупою однієї амінокислоти і карбоксилом другої.
Вивчаючи будову цукрів з 1894 р., Е. Фішер відкрив явище специфічності ферментів, він висловив ідею, що фермент підходить до субстрату, як ключ до замка, а його учень Е. Армстронг (1904) і А. Браун (1902) виступили з гіпотезою про утворення ферментосубстратних комплексів. Останнє дало змогу дослідити кінетику ферментативних процесів (В. Анрі, 1903) і розробити першу кінетичну теорію дії ферментів (Л. Міхаеліс, М. Ментен, 1913).
Одночасно із загальними проблемами на межі ХІХ і ХХ ст. вивчались і конкретні питання, особливо біохімія харчування. У 1880 р. М. Лунін і в 1896 р. К. Ейкман виявили в молоці й рисі, крім жирів, білків і вуглеводів, «додаткові» речовини, необхідні для підтримання життя. Подальші роботи К. Ейкмана, Г. Осборна, Л. Менделя, Ф. Гопкінса і К. Функа привели до відкриття вітамінів (термін уведений К. Функом у 1912 р.), за що К. Ейкман і Ф. Гопкінс у 1929 р. отримали Нобелівські премії.
Питання енергетики та взаємоперетворень речовин в організмі в першій половині ХХ ст. інтенсивно вивчали видатні біохіміки В. Палладін, С. Костичев, О. Варбург, Г. Віланд, О. Мейєргоф, Г. Ембден та ін. У 1922 р. Нобелівську премію було присуджено за першу обґрунтовану схему анаеробного розщеплення вуглеводів (Г. Ембден і О. Мейєргоф), яку значно розширив і доповнив Я. Парнас. Ця схема залишається загальновизнаною й дотепер. У 20-40 роки було доведено аналогію між коферментами та вітамінами. За дослідження коферментів Г. Ейлер і А. Гарден (1929) та за синтез вітамінів і каротиноїдів П. Каррер (1937) отримали Нобелівські премії.
Тривалий час вважалося, що бродіння й дихання є незалежними процесами. У 1907-1911 рр. С. Костичев довів, що початкові фази аеробного дихання є спряженими з кінцевими фазами анаеробного розщеплення вуглеводів. У 30-х роках ХХ ст. А. Сцент-Дьорді (Нобелівська премія, 1937) показав, що інтенсивність поглинання О2 гомогенатом м'язів відновлюється додаванням бурштинової, фумарової, яблучної та щавлевооцтової кислот. У подальших дослідженнях Г. Кребс установив, що ефект Сцент-Дьорді спостерігається і в присутності кетоглутарової, піровиноградної, глутамінової та аспарагінової кислот, і в 1937 р. запропонував цикл трикарбонових кислот, який зв'язав процеси поетапного окиснення органічних речовин і поступового виділення енергії в організмі (Нобелівська премія, 1953). Нобелівської премії (1947) удостоєно й подружжя К. і Г. Корі за дослідження процесів розпаду та синтезу глікогену у м'язах і синтезу глікогену із глюкози in vitro (з лат. - у склі, що означає дослідження поза організмом, у ті часи - у скляному посуді).
У 1949 р. А. Ленінджер установив, що процеси окисного фосфорилювання (відкритого В. Енгельгардтом у 1930 р.) локалізовані в мітохондріях, а процеси фосфорилювання (відкритого в 1954 р. Д. Арноном у хлоропластах і А. Френкелем у бактеріях) - у фотосинтетичних системах-тилакоїдах хлоропластів і хроматофорах бактерій. Усі ці відкриття стали підґрунтям для створення хеміосмотичної теорії окисного фосфорилювання (П. Мітчел, 1961-1966), за якою хімічна енергія процесів окиснення в мітохондріях перетворюється спочатку в електричну (мембранний потенціал на внутрішній мітохондріальній мембрані), а потім знову переходить у хімічну форму: використовується для фосфорилювання АДФ неорганічним фосфатом до АТФ.
Ще ранні роботи, присвячені біохімії різних організмів, привели до виникнення порівняльної та еволюційної біохімії. У цій дисципліні розглядаються проблеми сутності еволюції, причини виникнення нових ознак, мінливості, спадковості, існування хімічних відмінностей між видами. Розвиток класичної еволюційної біохімії не створює конфлікту з еволюційною біохімією. Дж. Холдейн (1935) в один ряд із порівняльною анатомією та ембріологією поставив біохімію як науку, котра дає можливість установлювати родинні відношення організмів і визначати напрямок їхньої еволюції. А Дж. Бернал (1964) висловив думку, що еволюційна біохімія викликає інтерес не тільки через її значення для життя та здоров'я людини, але і як істотна частина космічної історії.