Історія розвитку біохімії
Біохімія, як наука, сформувалась на межі ХІХ-ХХ століття. Термін „біохімія” має у своїй основі два грецькі слова: біос і хем. „Біос” означає життя, слово „хем” бере свій початок від назви провінції в гирлі Нілу, що біля Александрії в Єгипті. Тут на врожайних землях здавна оселялися люди і розвивали різні види діяльності. У них було розвинуто виробництво хліба, вина, оцту, дублення шкіри, виготовлення барвників, тобто вони користувалися біохімічними технологіями.
Араби, завоювавши в першому тисячолітті Єгипет, не знищили науки, що розвивалася тут, а, навпаки, доповнили та видозмінили їх іншими напрямками. Саме завдяки арабському префіксу „ал” з’явилися такі слова, як алхімія, алгебра, алгоритм тощо. Алхіміки прагнули перетворити прості метали на золото і срібло за допомогою фантастичного „філософського каменя”. Ідеї алхімії зародилися у Китаї, Єгипті, Індії. Вони були дуже поширені в Західній Європі в ХП-ХV ст. Найвидатнішими алхіміками були Р. Бекон, Ф.А.Парацельс (XVI ст.), Йоган Фрідріх Гельвеціус (XVII ст.).
Алхіміки нагромадили великий експериментальний матеріал, відкрили ряд хімічних елементів, описали хімічні властивості та реакції, що перебігають із цими елементами, багато працювали з біологічними рідинами. Так, у 1600 р. один з алхіміків, досліджуючи сечу (кип’ятив її з метою одержання золота), помітив, що осад сечі в темряві світиться. Так було відкрито фосфор - елемент життя і мислення, який потрібний усім живим істотам.
Алхімік і лікар Ф.А. Парацельс (XVI ст.) вперше заклав основи ятрохімії (медичної хімії). Назва науки походить від грецького слова „ятрос”, що означає лікар. Він вважав, що хімія повинна служити здоров’ю. Ф.А. Парацельс вперше почав лікувати мінеральними водами, запропонував компреси, препарати ртуті й сірки для лікування венеричних захворювань, які в середні віки були дуже поширеними.
Інший ятрохімік XVII ст. Ян Батіст Ван-Гельмонт вперше висунув думку, що в „соках” живого тіла є особливі речовини - „ферменти”, які беруть участь у різних хімічних перетвореннях.
У Київській Русі внучка Володимира Мономаха Євпраксія Мстиславівна випустила трактат „Мазі” - своєрідну енциклопедію лікарських знань про хімічні речовини, лікарські трави та процедури для лікування хворих.
Значний поступ у розвитку природничих наук, зокрема біохімії, спостерігали в XVIII ст. Цьому сприяли такі дослідники: Дж. Прістлі відкрив кисень, довів, що він поглинається тваринами і виділяється рослинами; К.В. Шеєлe вивчав хімічний склад рослинних і тваринних тканин, виділив молочну, винну, яблучну, лимонну і сечову кислоти, гліцерин і білок казеїн; Інген-Хуз довів, що для виділення кисню зеленими рослинами необхідне світло (початок вивчення фотосинтезу); А. Лавуазьє довів, що тваринам необхідний кисень, а дихання - це окиснення, відкрив І принцип термодинаміки та вперше виміряв поглинання кисню в організмі людини.
Заслуговують уваги досліди італійського вченого Л. Спалланцані, який досліджував вплив шлункового соку на травлення м’яса у хижих птахів і показав, що травлення їжі в шлунку являє собою хімічний процес; Ю. Лібіх вивчав методи кількісного хімічного аналізу і застосував їх для дослідження біологічних об’єктів; К. Бернар, виділивши з печінки глікоген, довів, що він є джерелом глюкози в організмі, яка переноситься кров’ю.
Завдяки праці цих та інших дослідників у кінці XIX ст. біохімія виділилась як окрема наука. Розвиток методів органічної хімії у ХІХ ст. суттєво прискорив розвиток біохімії. У 1828 р. німецький хімік Ф. Велер синтезував сечовину, нанісши тим самим значний удар по віталізму, і цей рік можна вважати роком заснування біохімії як науки.
У боротьбі з віталізмом дуже важливу роль зіграли дослідження про природу бродіння. Вивчаючи бродіння, Л. Пастер прийшов до помилкового висновку, що бродіння – біологічний процес, в якому обов’язково беруть участь живі клітини. Російський лікар М.М. Манассеїна (1871) і німецький вчений Е. Бухнер (1897) довели здатність безклітинного дріжджового соку викликати спиртове бродіння.
Наш співвітчизник, виходець із Харківщини, О.Я. Данилевський, досліджуючи будову білків, сформулював положення про їх структуру. Ще один український учений - академік І.Я. Горбачевський - вперше виділив амінокислоти з білків і висунув думку про те, що вони є будівельним матеріалом для останніх, синтезував сечову кислоту, відкрив фермент ксантиноксидазу. У цей період було відкрито фосфор - елемент, який потрібний усім живим істотам.
Російський учений І.М. Сеченов вивчав фізіологію і біохімію дихання. І.П. Павлов досліджував склад травних соків і процеси ферментативного травлення їжі в шлунку і кишечнику.
Офіційне визнання біологічна, або медична хімія, як самостійна дисципліна отримала пізніше. В Росії у 1863 р. було введено викладання медичної хімії. Перші кафедри були створені на медичних факультетах Московського (завідуючий кафедрою О.Д. Булигінський), Казанського (О.Я. Данилевський), Харківського (Ф.І. Тихонович) і Київського (О.А. Шефер) університетів. За кордоном подібна кафедра була організована в Німеччині (1866 р.), її очолив відомий біохімік Ернст Фелікс Хоппе- Зейлер. Були створені перші підручники та посібники з біологічної хімії в Німеччині І. Зимоном (1842 р) і на Україні професором Харківського університету А. І. Ходневим (1847 р).
У XIX ст. було започатковано головні напрямки розвитку біохімії, відкрито основні класи сполук, які є в живому організмі. Вивчення продуктів гідролізу білків призвело до відкриття амінокислот. У проведенні цих досліджень велику роль зіграли вчені М. Е. Лясковський, О.Я. Данилевський, С.С. Салазкін, П.М. Любавін, М.В. Ненцький.
У 1869 р. було відкрито ДНК швейцарським вченим Ф. Мішером. Молекулярна біологія, як новітній етап розвитку біологічної хімії, народилася майже через 100 років після відкриття Ф. Мішером нуклеїнових кислот у результаті фундаментального відкриття Дж. Уотсона та Ф. Кріка (1953 р.), які встановили для молекули ДНК структуру типу „ подвійної спіралі”, що дало можливість пояснити причину збереження і передачі генетичної інформації. Були поставлені перші досліди, що підтверджували взаємоперетворення білків, жирів і вуглеводів (Ю. Лібіх, Макс Фон Петтенкофер, Карл Фойт, В.Р. Гофманн).
Виникає вчення про незамінні компоненти їжі - вітаміни, початок якому поклали роботи російського вченого М.І. Луніна (1880), продовжені пізніше К. Сосіним, В. Пашутіним та зарубіжними – К. Ейкманом, К. Функом, Ф. Гопкінсом.
Зусиллями французьких учених – К. Бернара, Шварца Бертольда, Шарль Едуард Броун- Секара зароджується новий напрямок – біохімія гормонів, що дало можливість застосувати їх, як лікарські засоби.
Намагання проникнути у таємницю хімічних перетворень у живому організмі призвело до розвитку дослідження ферментів. Й Берцеліус і К.Ф. Шенбейн довели подібність дії ферментів та неорганічних каталізаторів. Подальші дослідження російських вчених О.Я. Данилевського, М.М. Манассеїної, І.П. Павлова та німецьких вчених Е Бухнера і Г. Бухнера, Ю. Лібіха сприяли становленню нового напрямку в біохімії - ферментології, що дало розуміння механізмів хімічних перетворень.
Однак найбільшого розвитку біохімія зазнала в XX ст., коли вчені відкрили ряд речовин, біохімічних процесів та механізми їх регуляції. Зокрема, було запропоновано теорію будови білків, розроблено методи синтезу пептидів. У 1902 р. Е. Фішер здійснив штучний синтез пептидів; одержано білок у кристалічному стані (Дж. Самнер і Дж. Нортроп), у 1861 р О. Бутлеров здійснив синтез (поза організмом) вуглеводів із формальдегіду; вивчено основні шляхи перетворення в організмі білків, вуглеводів, ліпідів, окиснення і синтезу жирних кислот та інших ліпідів (Ф. Кнооп, Феодор Фелікс Конрад Лінен, Ф. Ліпман, Мері Рамфо Кеннеді, А. Ленінджер). У цей час створюються схеми шляхів перетворення вуглеводів і утворення при цьому носія енергії — АТФ (Г. Ембден, О.Ф. Мейєргоф, Ф. Діккенс, Г. Кребс, О. Варбург). Важливу роль в обґрунтуванні механізмів перетворення вуглеводів зіграли роботи біохіміків В. Енгельгардта, Я. Парнаса, Л. Іванова.
Було виділено в кристалічному стані велике число ферментів, встановлено механізми ферментативних реакцій та їх регуляція (О. Браунштейн, С. Северин, В. Орехович, С. Дебов, Б. Коровкін, Джеймс Б. Самнер, Л. Міхаеліс, Д. Кошленд,Ф.К. Лінен). Завдяки застосуванню рентгеноструктурного аналізу і створенню амінокислотного аналізатора, була розшифрована первинна структура інсуліну (Ф. Сенджер , 1953 р.), гормонів вазопресину та окситоцину (Віньо, 1953 р), трьохмірна структура міоглобіну (Дж. Кендрю, 1960 р), розшифрована конформація гемоглобіну (Дж. Кендрю і М. Перутц, Нобелівська премія, 1962 р.). Значний вклад у сучасне уявлення про місце, фактори і механізм синтезу білка внесли дослідження Т. Касперсона, М. Хогланда, П. Берга, О. Баєва, О. Білозерського, О. Спіріна та ін.
На початку ХХ ст. формується новий напрямок у біохімії – біоенергетика. Ще в 1897 р. вчений О. Бах висунув теорію перекисного окиснення речовин молекулярним киснем, що дало поштовх до вивчення біологічного окиснення. Академік В. Палладін обґрунтував значення дегідрування субстратів у тканинному диханні. У 1961 р. англійський біохімік П. Мітчелл висунув гіпотезу хеміосмотичного спряження в біоенергетиці (Нобелівська премія 1978 р.).
Розвиток біохімії у XX ст. ознаменувався подальшими відкриттями та розробками. Ф. Кнооп (1904 р.) запропонував теорію β-окиснення жирних кислот, О. Варбург - теорію біологічного окиснення, відкрив дихальний фермент цитохромоксидазу; Т. Сведберг сконструював ультрацентрифугу і запропонував застосовувати її для седиментації білків; А. Сент - Дьорді виділив аскорбінову кислоту; Г. Кребс відкрив цикли сечовини та трикарбонових кислот (Нобелівська премія, 1953 р.); Г. Ембден, О.Ф. Мейєргоф, Я.О. Парнас виявили найбільш важливі проміжні продукти процесів гліколізу та бродіння; Я.О. Парнас, Г. Корі дослідили шляхи дії глікогенфосфорилази; В. Енгельгардт і М. Любимова відкрили АТФазну активність міозину; Е.Чаргафф (народився в м.Чернівці) виявив, що в ДНК сума пуринових і піримідинових основ є рівною (1949 р.); Дж Уотсон і Ф. Крік (1953 р.) запропонували модель подвійної спіралі ДНК, що дозволило зрозуміти принципи передачі спадкової інформації. В. Беліцер вперше вивчив окисне фосфорилування; М. Ніренберг, С. Очоа та X. Корана (1961р.) відкрили генетичний код, а Ф. Жакоб і Ж. Моно – механізм регуляції синтезу білків у бактерій; А. Корнберг вперше здійснив синтез ДНК вірусу; X. Корана (1970 р.) синтезував штучний ген. Так, у 70-х роках молекулярна біологія дала початок генній інженерії.
Ряд вчених-біохіміків за визначні досягнення в науковій діяльності стали лауреатами Нобелівської премії: О Мейєргоф (1922) за дослідження процесів гліколізу; А. Сент - Дьорді (1937 р.) за значний внесок у теорію біологічного окиснення, біохімії м’язів, встановлення будови вітаміну С, відкриття вітаміну Р; Л. Полінг (1954 р.) за дослідження природи хімічного зв’язку, вторинної структури білків; Ф. Сенгер відкрив метод визначення первинної структури білків, розшифрував первинну структуру інсуліну. Двічі лауреат Нобелівської премії (1958, 1980 рр.); К. Б. Анфінсен (1972 р.) за роботу по дослідженню рибонуклеази, особливостей взаємозв’язку між амінокислотною послідовністю та її біологічно активними коферментами; М. Сміт (1993 р.) за фундаментальний внесок при вивченні впливу мутагенезу на функціонування білків; Й. Скоу (1997 р.) за відкриття Na +, К+ - АТФази; П. Егр і Р. Маккінон (2003 р.) за вивчення структури і механізму функціонування іонних каналів; Р. Корнберг (2006 р.) за дослідження механізму копіювання клітинами генетичної інформації.
Значний вклад у розвиток сучасної біологічної науки вносять українські вчені. Зокрема, В.О Беліцер, наукові розробки в галузі біохімії окиснювальних реакцій, хімії білків. Один з фундаторів вчення про окисне фосфорилування; академік НАН та АМН України С.В. Комісаренко, розробляє механізми молекулярної імунології; член кор. АМН України Ю.І. Губський, наукові розробки в галузі ксенобіохімії - напрямку досліджень перетворення та молекулярних механізмів фізіологічних ефектів чужорідних речовин, молекулярної фармакології.
Понад 100 років пройшло з часу створення кафедри біологічної хімії Львівського національного медичного університету імені Данила Галицького.
З 1922 по 1941 рік кафедрою біохімії Львівського медичного інституту завідував всесвітньо відомий вчений академік АН СРСР Якуб Оскарович Парнас. Заслуги Я. Парнаса полягають в розробці проблеми анаеробного розпаду вуглеводів, які загальновизнані та позначені в біохімічній літературі як теорія Ембдена-Мейергофа-Парнаса або „схема гліколізу ЕМП”. Я. Парнас один з перших у світі використав радіоізотопний метод в біохімічних дослідженнях. Надзвичайне значення мало встановлення Я. Парнасом того факту, що більш високофосфорильовані похідні аденілової кислоти, у вигляді яких вона знаходиться в м’язових волокнах (і в еритроцитах), а саме АТФ і АДФ, на відміну від самої аденілової кислоти не підлягають в клітинах ферментативному дезамінуванню.
Спостереження за процесом амоніогенезу в м’язовій тканині при різних її станах, кількісне визначення взаємоперетворень аденілової кислоти та її похідних в м’язовій тканині в фізіологічних умовах й при різних експериментальних впливах, зв’язку цих перетворень з актом м’язового скорочення, спряження їх з проміжними реакціями глікогенолізу і перетвореннями креатинфосфату в м’язах. Я. Парнасом і його учнями були вивчені біологічні та хімічні властивості м’язової аденілової кислоти та її похідних, був запропонований біологічний метод їх кількісного визначення.
Я. Парнас був організатором і довший час науковим керівником хіміко-фармацевтичного інституту Львівського університету, а також діючого і зараз Львівського фармацевтичного заводу. На цьому підприємстві під керівництвом Я. Парнаса та його учня і найближчого співробітника, талановитого професора П. Остерна, було організовано виробництво багатьох важливих біохімічних препаратів для лікувального використання і науково-дослідницької роботи: аденозинтрифосфатної та аденілової кислот, гексозофосфатів, жовчних кислот, гістидину тощо.
Я. Парнас був деканом медичного та хіміко-фармацевтичного факультетів, директором Львівського медичного інституту. У Львові він створив великий колектив молодих талановитих учнів, у результаті дослідницької роботи яких, Львівський інститут медичної хімії займав одне з перших місць серед провідних світових центрів біохімії. Колективом було видано понад 300 наукових праць. Я. Парнас є автором близько 170 наукових робіт, в тому числі 5 підручників.
У даний час на кафедрі проводяться роботи по вивченню механізмів регуляції органів травної системи, вивчається вплив стресу на цитопротективні та ульцерогенні механізми слизової оболонки органів травлення, метаболічні та іонно-транспортні процеси, досліджується вплив факторів оточуючого середовища на організм, розглядаються питання ендоекології, проводиться розробка нових методів діагностики та лікування. Колектив кафедри є автором низки посібників і підручників з біологічної хімії.