Історія біохімії
в 1828 році Фрідріх Велер опублікував роботу про синтез сечовини, здійснений в лабораторних умовах, довівши, що органічні сполуки можуть бути створені штучно. Це відкриття завдало серйозної поразки вченим-віталістам, що заперечували таку можливість.На той час вже існував фактичний матеріал для первинних біохімічних узагальнень, котрий нагромаджувався в зв'язку з практичною діяльністю людей, спрямованою на виготовлення їжі та вина, одержання пряжі з рослин, очистку шкіри від шерсті за допомогою мікробів, на вивчення складу і властивостей сечі та інших виділень здорової і хворої людини. Після робіт Велера поступово почали встановлюватися такі наукові поняття, як дихання, бродіння, ферментація, фотосинтез. Вивчення хімічного складу і властивостей сполук, виділених з тварин і рослин, стає предметом органічної хімії (хімії органічних сполук).Початок біохімії також ознаменувався відкриттям першого ферменту, діастази (зараз відомого як амілаза) в 1833 році Ансельмом Паєном. Труднощі, пов'язані з одержанням ферментів з тканин і клітин, використовувались прихильниками віталізму для твердження про неможливість вивчення клітинних ферментів поза живими істотами. Це твердження було спростоване російським лікаркою М. Манассеїною (1871 — 1872), яка запропонувала можливість спостерігати спиртове бродіння в екстрактах розтертих (тобто позбавлених структурної цілісності) дріжджів. У 1896 році ця можливість була підтверджена німецьким вченим Едуардом Бухнером, який зумів експериментально спостерігати цей процес.Сам термін «біохімія» був вперше запропонований в 1882 році, проте, вважається, широкого використання він набув після робіт німецького хіміка Карла Нойберга в 1903 році. До того часу ця галузь досліджень була відома як фізіологічна хімія. Після цього часу біохімія швидко розвивалася, особливо починаючи з середини 20 століття, перш за все завдяки розробці нових методів, таких як хроматографія, рентгеноструктурний аналіз, ЯМР-спектроскопія, радіоізотопне мічення, електронна та оптична мікроскопія та, нарешті, молекулярна динаміка й інші методи обчислювальної біології. Ці методи дозволили відкриття і детальний аналіз багатьох молекул і метаболічних шляхів клітини, таких як гліколіз і цикл Кребса.Іншою важливою історичною подією в розвитку біохімії стало відкриття генів та їх роль в передачі інформації в клітині. Це відкриття заклало можливість виникнення на тільки генетики, але й її міждисциплінарої галузі з біохімією, молекулярної біології .
Перший підручник з біохімії був написаний доцентом Харківського університету О. І. Ходнєвим (1847). Для розвитку біохімії наприкінці 19 і у 20 століть велике значення внесли зокрема у українські вчені, такі як К. А. Тімірязєв, В. І. Палладій, С. М. Виноградський, О. М. Бах, Д. М. Прянишников, М. Г. Холодний, І. П. Павлов, М. Г. Ненцький, О. Я. Данилевський, В. С. Гулевич та інші.Дослідження в галузі біохімії в Україна продовжувались й після Жовтневого перевороту. У 1920 О. М. Бахом було засновано перший Інститут біохімії, у 1935 він же організував Інститут біохімії АН СРСР, який тепер вивчає біохімію рослин. У 1945 відкрито Інститут біологічної та медичної хімії АМН СРСР. У Харкові 1925 за ініціативою О. В. Палладіна засновано Інститут біохімії; згодом переведений до Києва, він увійшов до складу АН УРСР. Під керівництвом акад. О. В. Палладіна тут створилася велика українська біохімічна школа. Інститут опрацьовує питання біохемії нервової системи, м'язової діяльності, білків, ферментів та вітамінів. З 1926 інститут видає «Український біохімічний журнал». В Москві почали виходити інші радянські біохімічні журнали — «Биохимия» (з 1936) та «Вопросы медицинской химии» (з 1955).
5. Біохімічні компоненти клітини Біомолекули — біоорганічні сполуки, що входять до складу живих організмів та спеціалізовані для утворення клітинних структур і участі в біохімічних реакціях, які становлять сутність обміну речовин та фізіологічних функцій живих клітин. Функції біамолекул у живих організмах'. а) участь у біохімічних реакціях обміну речовин в ролі субстратів та проміжних продуктів (метаболітів). Прикладами є моносахариди та їх фосфорні ефіри, жирні кислоти та продукти їх окислення, амінокислоти, кетокислоти, дикарбонові кислоти, пуринові та піримідинові основи тощо; б) участь в утворенні інших, більш складних молекул — білків, нуклеїнових кислот, полісахаридів, ліпідів (наприклад, амінокислоти, нуклеотиди, вищі жирні кислоти тощо), або біологічних структур (мембран, рибосом, ядерного хрома¬тину тощо); в) участь у регуляції біохімічних процесів та фізіологічних функцій окремих клітин та цілісного організму. Біомолекулами-регуляторами є вітаміни, гормони та гормоноподібні сполуки, внутрішньоклітинні регулятори—циклічні нуклеотиди цАМФ, цГМФ тощо. Головні класи біомолекул, що складають основу структури та функції живих організмів. Білки та амінокислоти. Білки (протеїни) — найважливіший клас біомолекул, з наявністю яких, а також нуклеїнових кислот, пов’язують саму хімічнусутність життя в умовах Землі. Вуглеводи та їх похідні — клас біомолекул, що складається з моносахаридів, гомо- та гетерополісахаридів. Вітаміни — сполуки, що не синтезуються в тваринних організмах, але необхідні для життєдіяльності, зокрема є компонентами метаболізму, за участю яких функ¬ціонують певні найважливіші ферментні системи. Гормони — біомолекули, що є передавачами хімічних сигналів у системі ендокринної регуляції. Походження біомолекул Неорганічні молекули ^ . _. . Первинні біомолекули первісної атмосфери ► (амінокислоти, нуклеотиди) ► Протоклпини та океану (метан, аміак, вода) Вирішальним етапом у розвитку проблеми походження біомолекул в умовах первісної земної кори стали дослідження з абіогенного синтезу біоорганічних сполук, що входять до складу живих організмів. Визначним досягненням в експериментальному доведенні можливостей хімічної еволюції стало класичне дослідження С.Міллера (S. Miller, 1951), який вперше показав можливість утворення карбонових кислот та а-амінокислот, що використовуються для синтезу природних білків, за умов дії електричних розрядів на газову суміш метану, аміаку, водню та водяної пари.
6. Ферменти (ензими) — біологічні каталізатори білкової природи, які синте¬зуються в клітинах живих організмів та забезпечують необхідні швидкість і координацію біохімічних реакцій, що становлять обмін речовин (метаболізм). Розділ біохімії, що вивчає структуру, властивості та механізми дії ферментів, називається ензимологією. Прийняті в ензимології позначення: E — фермент, ензим (“enzyme”; англ.) — біологічний каталізатор; S — субстрат (“substrate”; англ.) — хімічна речовина, сполука, перетворення якої каталізує фермент; P—продукт (“product”; англ.) — сполука, що утворилася в результаті фермен¬тативної реакції. Властивості ферментів 1,3- ферменти значно підвищують швидкість перебігу біохі¬мічних реакцій, але не входять до складу кінцевих продуктів реакції; 1,4- ферменти забезпечують перебіг лише тих біохімічних реакцій, які можливі, виходячи із законів термодинаміки; 1,5- ферменти прискорюють швидкість як прямої, так і зво¬ротної реакції перетворення субстрату, не змінюючи конс-танти рівноваги (К ) реакції та зменшуючи термін часу до досягнення стану рівноваги (або стаціонарного стану у від-критій метаболічній системі); 1,6- протягом реакції фермент певним чином взаємодіє із субстратом, що перетворюється, але до складу кінцевих продуктів реакції не входить. Під час перебігу біохімічної реакції, що каталізується, відбувається циклічний процес, в ході якого фермент та субстрат підлягають ступеневому перетворенню з утворенням продукту реакції та регене¬рацією ферменту; 1,7- ферменти є високоспецифічними каталізаторами, тобто діють, як правило, на структурно близькі субстра¬ти, що мають певний хімічний зв’язок, структурно подібні радикали або функціональні групи. Проявом високої специфічності ферментів є їх стереоспецифічність, тобто здатність перетворювати тільки певні стереоізо¬мери, наприклад L- або D-амінокислоти, D- або L-мо- носахариди; " E 1,8- відповідно до білкової природи, каталітична активність ферментів дуже чутлива до змін фізико-хімічних властивостей середовища (рН, температури), які можуть впливати на структурну організацію молекул ферментів, спричиняючи в певних умовах їх денатурацію; 1,9- активність ферментів може суттєво змінюватися під впливом певних хімічних сполук, що збільшують (активатори) або зменшують (інгібітори) швидкість реакції, яка каталізується. Властивості ферментів: 1) значно підвищують швидкість перебігу біохімічних реакцій, але не входять до складу кінцевих продуктів реакції; 2) забезпечують перебіг лише тих біохімічних реакцій , які можливі, виходячи із законів термодинаміки; 3) прискорюють швидкість як прямої так і зворотної реакції перетворення субстрату, не змінюючи константи рівноваги реакції та зменшуючи термін часу до досягнення станк рівноваги; 4) протягом реакції фермент певним чином взаємодіє із субстратом, що перетворюється, але до складу кінцевих продуктів реакції не взодить, відбувається його регенерація; 5) фермент є високоспецефічним каталізатором, тобто діють як правило на структурно близькі субстрати, що мають певний хімічний зв язок структурно подібні радикали, або функціональні групи;
7. Номенклатура та класифікація ферментів, що є прийнятими в біохімії, були затверджені Комісією з ферментів Міжнародного біохімічного союзу (1961). А. Номенклатура ферментів. 1,10- Систематична номенклатура. Згідно із систематичною номенклатурою, назва (найменування) ферменту включає в себе: хімічну назву субстрату або субстратів; тип реакції, що каталі¬зується; суфікс -аза. 1. Тривіальна номенклатура. Тривіальні назви ферментів утворюються на основі хімічної назви субстрату з додаванням суфікса -аза. У біохімії існують також загальноприйняті, історично усталені назви ферментів, що не відображають хімічної природи реакції, зокрема, пепсин, трипсин, тромбін, плазмін тощо. Тривіальна назва (або назви) ферменту звичайно вказується в дужках Наприклад: Систематична назва ферменту (Е): карбамідамідогідролаза. Тривіальна назва ферменту: уреаза (urea — сечовина; лат.). Б. Класифікація ферментів. Ферменти поділяють на класи згідно з типом реакції, яку вони каталізують; класи ферментів поділяють на підкласи, а останні — на підпідкласи, в складі яких кожному ферменту відповідає певний номер. 1- й клас. Оксидоредуктази — ферменти, що каталізують окислювально- відновлювальні реакції різних типів. До оксидоредуктаз належать дегідрогенази — ферменти, що каталізують реакції дегідрування, оксидази, що окислюють субстрати шляхом приєднання кисню, цитохроми — переносники електронів тощо. 2- й клас. Трансферази — ферменти, що каталізують реакції міжмолекулярного переносу хімічних груп. Трансферази поділяють на амінотрансферази, метилтрансферази, ацил- трансферази, фосфотрансферази, глікозилтрансферази — ферменти, що переносять амінні, метальні, ацильні, фосфатні, ілікозильні групи, відповідно. До трансфераз належать також кінази, зокрема протеїнкінази — ферменти, що каталізують фосфорилювання субстратів та інших білків за рахунок фосфатного залишку АТФ. 3- й клас. Гідролази — ферменти, що каталізують реакції гідролізу, тобто розщеплення субстратів за участю молекули води. Гідролази здатні розщеплювати складноефірні, пептидні, глікозидні та інші зв’язки — естерази, пептидази та протеази, глікозидази. 4- й клас. Ліази — ферменти, що каталізують реакції розщеплення кова¬лентних зв’язків між атомами С, О, N 8 негідролітичним шляхом. До ліаз належать декарбоксилази — ферменти, що відщеплюють від орга¬нічних кислот карбоксильну групу у вигляді СО2; альдолази, що розщеплюють вуглець-вуглецеві зв’язки з утворенням альдегідів; дегідратази, які відщеп¬люють від субстратів молекулу води з утворенням подвійного зв’язку. 5- й клас. Ізомерази — ферменти, що каталізують реакції ізомеризації субстратів (рацемізації, епімеризації, внутрішньомолекулярної оксидоредукції тощо) — рацемази, епімерази тощо. 6- й клас. Лігази (синтетази) — ферменти, що каталізують реакції синтезу біомолекул, тобто утворення нових хімічних зв’язків за рахунок енергії АТФ.
4. Активні центри ферментів Зниження енергії активації біохімічної реакції і, як результат високої каталітич¬ної ефективності ферментів досягають за рахунок взаємодії субстратів із певними ділянками ферментної молекули (активними, або каталітичними центрами), що супроводжується зближенням та орієнтацією відповідних хімічних груп субст¬ратів і створює стеричні умови, необхідні для реалізації специфічних актів каталізу. Активний центр — ділянка молекули ферментного білка, що взаємо¬діє із субстратом під час ферментативної реакції і необхідна для перетво¬рення субстрату в каталітичному процесі. Він формується з певних ді¬лянок поліпептидного ланцюга, що просторово зближені за раху¬нок унікальної тривимірної кон¬формації ферментного білка. До складу активних центрів різних ферментів входять ради¬кали певних амінокислотних залишків, головним чином ОН- групи серину, треоніну та тиро¬зину, імідазольне кільце гісти¬дину, БН-група цистеїну, СОО- групи дикарбонових аміно¬кислот, КН3+-групи аргініну та лізину (рис. 7.2). В утворенні активних центрів беруть участь також кофактори даного фер¬менту: простетичні групи, іони металів. Структура активного центру є комплементарною до просторової будови субстрату. У структурі активного центру розрізняють: 1- ділянку, що зв язує субстрат(вона містить радикали полярних або неполярних амінокислотних залишків; 2- каталітично активну ділянку ( до складу якої входять хімічні групи , що беруть безпосередню участь у перетворенні субстрату);Алостеричний(регуляторний) центр - додатковий регуляторний центр який містять алостеричні ферменти і з яким взаємодіють алостеричні регулятори, ніколи не взаємодіє з субстратом. МЕХАНІЗМИ ДІЇ ФЕРМЕНТІВ Ферменти збільшують швидкості біохімічних реакцій, які вони каталізують, у 108-1020 разів; при відсутності ферменту будь-яка метаболічна реакція практично не відбувається. Відомо, що константа швидкості хімічної реакції залежить від її енергії активації та температури, що виражається рівнянням Арреніуса в експонен- ційній формі: к = Ае-ДЕ/Кт. Під енергією активації (ДЕ в рівнянні Арреніуса) в хімічній термодинаміці ро¬зуміють додаткову енергію, необхідну для переходу молекул (субстратів Б) у перехідний (активований) стан (Б*), який передує їх перетворенню в продукти реакції. Згідно з цим, експоненційний член рівняння е"ДЕЖГ (фактор Больцмана) — доля молекул у системі, які мають енергію, достатню для хімічного перетворення. Оскільки всі метаболічні процеси в живих організмах перебігають в ізотер¬мічних умовах, каталітична дія ферментів реалізується за рахунок зниження останніми енергії активації (ДЕ) біохімічної реакції, що збільшує фактор Больцмана, і, відповідно, константу швидкості реакції на декілька порядків. Порівняно з хімічними каталізаторами ферменти значно зменшують енергію активації, які вони каталізують.
9. Кофактори Багато ферментів потребують для реалізації своєї каталітичної активності наяв¬ності певних низькомолекулярних небілкових сполук — кофакторів. Роль кофак¬торів можуть відігравати біоорганічні сполуки різної хімічної природи або іони металів (Mg2+, Ca2+, Fe3+- Fe2+, Cu2+ - Cu1+ т.і.). Іони металів зв’язані з апоферментом або входять до складу небілкової просте- тичної групи —найчастіше порфіринового кільця гемінових ферментів (цитохромів, пероксидаз, каталази). Ферменти, які міцно зв’язані з іонами ме¬талів і не втрачають цього зв’язку за умов виділення та фракціонування ферменту, назваються метало ферментами. Коферменти (коензими) — біорганічні сполуки небілкової природи, що є необхідними для дії ферменту, тобто перетворення субстрату в каталітичному акті. Коферменти можуть сполучатися з білковою частиною (апоферментом) неко- валентними фізико-хімічними або ковалентними зв’язками (в останньому випад¬ку вони є простетичними групами ферментного білка — флавінові коферменти, піридоксальфосфат, ліпоєва кислота тощо); деколи коферменти утворюють комп¬лекси з апоферментом лише в ході каталітичного процесу (НАД, НАДФ). Структура найбільш поширених коферментів ( Коферменти — похідні вітаміну РР (нікотинаміду) (входять до складу дегідрогеназ): нікотинамідаденіндинуклеотид (НАД+) та нікотинамідаденін- динуклеотидфосфат (НАДФ+). Коферменти — похідні вітаміну В2 (рибофлавіну) (входять до складу де¬гідрогеназ та оксидаз): флавінаденіндинуклеотид (ФАД), флавінмононуклеотид (ФМН).
10. КОФЕРМЕНТИ За типом реакції, яку вони каталізують, коферменти поділяють на: 1- Коферменти, що є переносниками атомів водню та електронів. 2- Коферменти, що є переносниками різних хімічних груп. 3- Коферменти синтезу, ізомеризації та розщеплення вуглець-вуглецевих зв’язків. 1- НАД (нікотинамідаденіндинуклеотид) НАДФ (нікотинамідаденіндинуклеотидфосфат) = Вітамін РР (нікотинова кислота, нікотинамід) = Перенос гідрид-іону (:Н-) ФАД (флавінаденіндинуклеотид) ФМН (флавінмононуклеотид) = Вітамін В2 (рибофлавін) = Перенос атомів водню (2Н+ + 2е ) Коензим Q = Убіхінон = Перенос атомів водню (2Н+ + 2е ) Глутатіон = Трипептид: у-глутамініл- цистеїніл-гліцин Гемінові коферменти = Металопорфірини = Перенос електронів Нуклеозидфосфати: АТФ (аденозинтрифосфат) = Аденозин = Перенос фосфатних, пірофосфатних, аденозильних радикалів АДФ(аденозиндифосфат) = Уридин = Перенос моносахаридних радикалів та ін..
11. Вітамін В1 (тіамін)
За хім. будовою є продуктом конденсації двох гетероциклічних сполук – похідного піримідину та тіазолу. Біологічна активність полягає в участі венергетичному зокрема вуглеводному обміні. Біохімічний механізм дії зумовлений його коферментною формою – тіаміндифосфатом (ТДФ), який утворюється в результаті фосфорилювання вільного тіаміну за участю ферменту тіамінфосфокінази: тіамін + АТФ = тіаміндифосфат + АМФ Каталізує такі біохімічні реакції : 1. Окислювальне декарбоксилювання пірувату; 2. Окислювальне декарбоксилювання А-кетоглутарату в циклі Кребса; 3. Транскетолазні реакції пентоз фосфатного шляху окислення глюкозиКласична форма авітамінозу – захворювання бери- бері. Добова потреба – 1.5 – 2.0 мг. Джерела – житній хліб, гречана крупа, вівсяна крупа, пивні дріжді.