n1

ПЕРЕДМОВА

Пропонований підручник написано відповідно до програми з біологічної хімії для студентів вищих фармацевтичних навчальних закладів і факультетів. У ньому викладено основні уявлення сучасної біохімії і молекулярної біології.

Перебуваючи у тісному зв'язку з хімією і біологією, біохімія має безпосереднє відношення до різноманітних галузей медицини і фар- мації. Біохімія як одна з важливих теоретичних дисциплін, що вивча- ються у фармацевтичних навчальних закладах, дає знання про мета- болічні механізми життєдіяльності людини і тим самим дозволяє вдосконалювати методи лабораторної діагностики, профілактики і лікування різних захворювань. Розуміння механізму дії лікарських ре- човин, яке лежить в основі фармакології, ґрунтується в першу чергу на біохімічних знаннях про їх вплив на процеси обміну речовин.

Велика увага в підручнику приділяється питанням перенесення генетичної інформації і біосинтезу білка в клітинах. У сучасній біотех- нології провідне місце належить генетичній інженерії (технології ре- комбінантних ДНК), яка надає виключно цінну можливість змінювати генетичну програму бактеріальних, рослинних і тваринних клітин, що є надзвичайно важливим для створення нових лікарських препаратів.

Враховуючи призначення підручника, у розділі «Фармацевтична біохімія» викладено основні шляхи метаболізму лікарських засобів і показано значення для медицини і фармації цілеспрямованого синтезу нових фармпрепаратів, їхнього біофармацевтичного аналізу. Це важ- ливо для професійної діяльності провізора і клінічного провізора як коректорів лікарської терапії й інформаторів щодо фармпрепаратів.

В усіх розділах підручника наведено приклади, які ілюстру- ють практичне значення досягнень біохімії для вирішення зав- дань фармації.

Підручник складається з 16 глав, ілюстрованих таблицями, рису- нками, частково запозиченими з інших джерел. Деякі з рисунків були перероблені або спрощені авторами, що значно полегшує засвоєння матеріалу.

Підручник відображає результати багаторічної праці авторів з ви- кладання біохімії в Національній фармацевтичній академії України.

3

ВСТУП

Біологічна хімія – це наука, яка вивчає молекулярні процеси, що лежать в основі розвитку і функціонування організмів. Особливість біохімії відображена в її назві, котра вказує на хімічну сутність цієї науки і одночасно на вагомість для неї біологічних функцій, які ґрун- туються на хімічних процесах. Таким чином, біохімія використовує методи «молекулярних наук» – органічної хімії, фізичної хімії, моле- кулярної фізики – і в цьому відношенні сама є молекулярною наукою. Проте головні кінцеві завдання біохімії лежать у галузі біології: вона вивчає закономірності біологічної, а не хімічної форми руху матерії.

Варте уваги те, що «молекулярні винаходи» природи, відкриті біохіміками, сьогодні знаходять застосування в небіологічних галузях знання і в промисловості (молекулярна біоніка, біотехнологія). У цих галузях біохімія виступає в ролі методу, а предметом досліджень і розробок є проблеми, що виходять за межі біології.

Біохімія – порівняно молода наука, що виникла на межі ХVIII і XIX століть. Однак її коріння сягає глибокої давнини. Природне прагнення людей зрозуміти причину хвороб і знайти проти них ліки викликало зацікавленість тими процесами, які відбуваються в жи- вих організмах.

Початкові етапи становлення біохімії збігаються з розвитком органічної хімії. До середини XIX століття органічною хімією на- зивали науку, яка вивчала речовини рослинного і тваринного похо- дження, тобто речовини «органічного» світу. Пізніше, у зв'язку з розвитком синтетичної хімії сполук вуглецю, зміст терміну «орга- нічна хімія» набув свого сучасного значення, як хімії сполук вугле- цю, а науку, яка вивчає хімічний склад живих організмів і хімічні процеси, що відбуваються в них, почали називати фізіологічною, а потім біологічною хімією. Біохімія вивчає не тільки органічні, але й мінеральні сполуки, що містяться в організмах, а також з'ясовує їх роль у біологічних процесах.

Після диференціації органічної і біологічної хімії їх розвиток відбувався в тісній взаємодії, оскільки вони мали багато спільних методів і завдань. Отже, біохімія своїм становленням зобов'язана ряду суміжних наук і зберігає з ними тісний зв'язок у вивченні живої природи. Разом з тим біохімія є оригінальною і самостійною нау- кою, завдання якої – дослідження взаємозв'язку будови речовин і їх функцій, перетворень хімічних сполук у живому організмі, способу перетворення енергії в живих системах, механізмів регуляції хіміч- них перетворень і фізико-хімічних процесів у клітинах, тканинах і органах, молекулярних механізмів перенесення генетичної інфор- мації в живих організмах і т.ін.

Історію біохімії прийнято відлічувати з кінця ХVIII століття, коли вперше були виділені з організмів у чистому вигляді сечовина, лимонна кислота, яблучна кислота та ін. На той час ще не склалося уявлення про будову цих речовин. Тривалий період розвитку біохі-

4

мії – аж до середини XX століття характеризувався відкриттям усе нових речовин у живій природі, дослідженням їхньої структури і хі- мічних перетворень в організмах. Найважливішим досягненням цього періоду стало встановлення загального принципу будови го- ловних біополімерів – білків і нуклеїнових кислот, а також з'ясуван- ня основних шляхів хімічних перетворень речовин в організмі (ме- таболізм). У цей же період продовжувалася подальша диференціа- ція біохімії, при цьому, в залежності від підходу до вивчення, в ній стали виділяти статичну біохімію, яка вивчає хімічний склад орга- нізмів, динамічну біохімію, яка досліджує метаболічні процеси, і фу- нкціональну біохімію, яка вивчає зв'язок хімічних процесів з фізіоло- гічними (біологічними) функціями.

Середина ХХ століття виявилася переломним етапом в історії біохімії. За останні 30-40 років розвиток молекулярного рівня дослі- джень спричинив кардинальні зміни не тільки структури біохімії, але і всієї біології – її методів, теоретичних підходів, форм практичного використання, класифікації розділів біології тощо.

Характерною рисою біохімії цього періоду став перехід до ши- рокого вивчення структури і властивостей окремих представників бі- лків і нуклеїнових кислот, до з'ясування функції кожного індивідуаль- ного білка і нуклеїнової кислоти в живій клітині. Цьому сприяв стрі- мкий розвиток методів розподілу речовин і вивчення їхньої структу- ри, а також специфічних для біохімії методів виділення і досліджен- ня надмолекулярних структур.

Для кількісного вивчення, визначення структури і фізико- хімічних властивостей виділених речовин використовують різні фізи- чні, фізико-хімічні, хімічні методи аналізу, а також квантово-меха- нічні розрахунки електронної структури виділених сполук. Поряд з методами хімії, фізичної хімії (включаючи використання методів ра- діоіндикації), математики, фізіології, що використовуються для ви- вчення структури, метаболізму і функцій біоструктур, біохімія має свій власний специфічний метод дослідження – метод ферментатив- ного аналізу. Він широко застосовується в різних галузях біологічної науки, в практичній медицині, фармації, біотехнології.

Якщо в попередній період функціональна біохімія тільки заро- джувалася, то зараз вона стає провідним напрямком у біохімії. На даний час зростає значення зв'язку біохімії з іншими біологічними науками – фізіологією, цитологією, генетикою. Результатом такої взаємодії стало розкриття молекулярних механізмів таких фундаме- нтальних властивостей живого, як спадковість і мінливість.

У 50-60-х роках ХХ століття, коли було з'ясовано структуру ДНК, що дозволило зрозуміти механізм функціонування генів, ви- ник новий напрямок досліджень – молекулярна біологія.

До середини XX століття в біохімії домінувало дослідження хімічних перетворень речовин в організмі, які супроводжувалися зміною ковалентної структури сполук (метаболізм). Проте з часом виявилось, що не менше значення в обміні речовин і функціонуван-

5

ні організму мають фізико-хімічні процеси, не пов'язані зі зміною ковалентної структури сполук. Галузь біохімії, що вивчає фізико- хімічні і молекулярно-фізичні основи життєдіяльності, називають «фізико-хімічною біологією».

Ще одним сучасним напрямком біохімії, який вивчає поведінку молекул в організмі, виходячи із законів хімічної і фізичної форм руху матерії, є біоорганічна хімія. Біоорганічна хімія межує з органічною хімією, на відміну від якої вивчає, перш за все, ті властивості сполук, які безпосередньо пов'язані з їх функцією в організмі. Для фармації має значення те, що біоорганічна хімія, виходячи з функцій окремих сполук в організмі і механізму їхньої дії, розробляє принципи ство- рення синтетичних біологічно активних сполук, здатних цілеспрямо- вано змінювати функції організму, тобто ліків, інсектицидів та інших вибірково діючих сполук.

Такими є основні напрямки біохімії, що мають загальнобіологі- чне значення. Крім того, в залежності від конкретних об'єктів і за- вдань дослідження сучасна біохімія включає цілу низку інших розді- лів: біохімія рослин, біохімія тварин, біохімія вірусів, біохімія мікро- організмів, порівняльна, або еволюційна біохімія, радіаційна, космі- чна, технологічна біохімія та ін.

Найбільше значення для медико-біологічної підготовки провізо- ра, поряд із загальною біохімією, яка вивчає закономірності, спільні для всіх живих об'єктів, має медична біохімія (біохімія людини). Вона включає в себе всі загальнобіологічні напрямки, але в тих межах, які стосуються здоров'я і хвороб людини. Медична біохімія вивчає моле- кулярні основи розвитку і функціонування організму людини, моле- кулярні механізми хвороб, біохімічні методи їхньої діагностики і лі- кування (клінічна біохімія).

Таким чином, біохімія в цілому вивчає хімічні і фізико-хімічні процеси, результатом яких є розвиток і функціонування живих сис- тем усіх рівнів організації. Сучасна біохімія – галузь знань, розділи якої тісно пов'язані між собою і не завжди можуть бути чітко розме- жовані. Біохімія – базова медико-біологічна дисципліна в системі підготовки провізорів.

6

ГЛАВА 1. СТРУКТУРА І ФУНКЦІЇ БІЛКІВ

Білки, або протеїни (у перекладі з грецької рrotos – пер- ший) – найважливіший клас біологічно активних речовин. Вони, як основа всього живого на Землі, здавна перебували в центрі уваги дослідників. Протягом двох століть, що налічує наука про білки, змінилося декілька концепцій про будову білків, які мало відповідали дійсності. В основному це було пов'язано з дуже ни- зьким рівнем техніки експерименту в XIX і на початку XX сто- літь. У наступні роки, у зв'язку з розробкою і застосуванням но- вих методів дослідження і обчислювальної техніки, це питання було практично вирішене. Вивчення структури великої кількості індивідуальних білків у зв'язку з їхньою біологічною функцією продовжується і сьогодні.

Загальна характеристика білків

Білки виконують першорядну роль у побудові живих організмів та у забезпеченні процесів життєдіяльності. Вони зустрічаються скрізь, де є життя.

Ще в ХІХ столітті при вивченні хімічного складу різноманіт- них тварин і рослин вченими були виділені речовини, які нагаду- вали за деякими властивостями яєчний білок. Так, при нагріванні вони згорталися і набували білого кольору. Назва «білок» похо- дить від німецького слова «Eiweiβ», що означає яєчний білок або білок взагалі. У 1838 р. голландський хімік і лікар О.Мульдер пе- ршим спробував дати наукове обґрунтування білкам, визначив у них вміст азоту і дав їм назву «протеїни», як обов'язковому ком- поненту живих організмів.

Білки є основними структурними компонентами живих організмів і в кількісному відношенні посідають перше місце серед усіх макромо- лекул, які містяться в живій клітині. В організмі тварин білків міс- титься від 40 до 50% і більше від сухої маси, менше у рослин – до 20– 30%. У тканинах ссавців білки складають – 18–20%, тоді як нуклеїнові кислоти, вуглеводи, ліпіди – 1–15%. Суха маса організму людини скла- дається на 45-50% із білків, при цьому їх вміст досягає: у м'язах – 80%, у серці – 60%, печінці – 72%, легенях – 82%, нирках – 72%, селезінці –

84%, у кістках – 28%.

Але не тільки кількісні показники свідчать про важливу роль біл- ків. Вони мають низку особливостей, не властивих іншим органічним сполукам, а саме:

-білки – найскладніші органічні сполуки в природі; кількість можливих різновидів білкових молекул може бути нескінченною, що необхідно для реалізації видової, органової й тканинної специ- фічності організмів;

-білкові сполуки, завдяки сукупності великої кількості функціо- нальних груп і безлічі конформаційних станів, забезпечують різно-

7

манітність хімічних та інших перетворень, які лежать в основі біоло- гічних функцій організмів;

-можливість взаємодії один з одним та з іншими сполуками, з утворенням білок-небілкових комплексів і внутрішньоклітинних біологічних структур, дозволяє білкам розпізнавати серед безлічі різних молекул клітини певну молекулу і вибірково сполучатися з нею. Це зумовлює структурну організацію речовини в живій кліти- ні, спрямованість й послідовність хімічних перетворень у процесі метаболізму речовин;

-здатність відповідати на зовнішні і внутрішні впливи закономі- рною зміною конформації молекули, і відновлювати вихідний стан після припинення їх дії;

-наявність біокаталітичних (ферментативних) властивостей та інші якості забезпечують спільно з нуклеїновими кислотами пере- дачу генетичної інформації, біосинтез білків та його регуляцію, ріст, диференціювання клітин і відтворення живих організмів.

Білки виконують різноманітні і надзвичайно важливі функції, наведені нижче.

1. Будівельна (структурна, пластична) функція. Макромолекули білків складають кістяк тканин і органів, утворюють основу прото- плазми будь-якої живої клітини.

2.Каталітична, або ферментативна функція – одна з голо-

вних функцій білкових сполук. Вона полягає у прискоренні хімі- чних перетворень розпаду і синтезу речовин, перенесенні окре- мих груп атомів, електронів, протонів від однієї речовини до іншої тощо. Як біокаталізатори ферменти-білки беруть участь у тисячах взаємопов'язаних і взаємозумовлених перетворень, які відбуваються в живій клітині і складають основу її метаболізму. Ця функція дозволяє вважати білки найважливішим класом біо- регуляторів.

3.Рухова (механічна) функція. Будь-які форми руху в живій при- роді забезпечуються білковими структурами клітин. Білки беруть участь у забезпеченні різних форм механічного руху – у скороченні і розслабленні м'язів, у роботі внутрішніх органів (серця, легенів, шлу- нка та ін.). Ці процеси відбуваються за участю таких білків, як актин, міозин, тропоміозин і ряду інших.

4.Транспортна функція. Окремі групи білків здатні взаємодіяти з різноманітними сполуками і переносити їх. Так транспортуються в організмі нерозчинні у воді речовини (кисень, діоксид вуглецю, іони металів, ліпіди та ін.) і токсичні продукти (білірубін та ін.). Перене- сення багатьох речовин через клітинні мембрани здійснюється за ра- хунок особливих білків-переносників.

5.Захисна функція. Ряд білкових сполук допомагає організму бо- ротися зі збудниками хвороб та деякими патологіями. Процес зсі- дання крові, який захищає організм від надмірної її втрати, прохо- дить за участю багатьох білкових факторів. Внутрішні стінки органів травлення вистелені захисним шаром слизових білків-муцинів. Ос-

8

нову шкіри, що охороняє організм від багатьох зовнішніх впливів, складають білки (колаген).

6.Регуляторна функція. Вона забезпечує регуляцію обміну речо- вин у клітинах та інтеграцію обміну в різних клітинах цілого органі- зму. Ряд гормонів за своєю будовою належать до білків або продук- тів їх перетворення; вони беруть участь у регуляції різноманітних процесів, які протікають в організмі. Регуляторна дія білків не об- межується тільки каталітичною та гормональною. Деякі білки віді- грають роль інгібіторів активності ферментів і таким шляхом регу- люють їх дію. Відома група білків – регуляторів геному. В останні роки виділені і широко вивчаються специфічні білки й пептиди, по- в'язані із процесами пам'яті, знеболювання, сну, поведінки і деякими психічними станами.

7.Рецепторна функція. Багато білкових сполук виконують важ- ливу функцію вибіркового розпізнавання і приєднання окремих речо- вин. На поверхні клітинних мембран, а також усередині клітини роз- ташовуються рецептори – білкові утворення, здатні вибірково взає- модіяти з різноманітними регуляторами (гормонами, медіаторами

йіншими біологічно активними сполуками), зумовлюючи цілу низку специфічних ефектів.

8.Поживна функція. Цю функцію виконують так звані резервні, запасні білки, які є джерелом живлення плоду, клітин, які розвива- ються. Білки – найважливіша складова частина їжі людини і корму тварин. Білку та його компонентам відводиться центральне місце і в проблемі створення синтетичної їжі, над розв'язанням якої працю- ють багато лабораторій світу.

9.Знешкоджувальна функція. Завдяки різноманітним функціона- льним групам білки можуть зв'язувати різні токсичні сполуки (важкі метали, алкалоїди, токсини та ін.) і знешкоджувати їх. На цьому за- сноване їхнє застосування як антидотів.

10.Енергетична функція. При повному розпаді одного грама біл- ка виділяється 17,1 кДж енергії, що вказує на здатність білків брати участь у забезпеченні організму енергією. Але використання білків із цією метою відбувається тільки у випадку нестачі основних джерел енергії – вуглеводів і ліпідів.

11.Когенетична функція (префікс «ко» в перекладі з латин- ської означає сумісність дії). Ця функція виконується складними білками – нуклеопротеїнами. Самі білки – це негенетичний (не- спадковий) матеріал, але вони допомагають нуклеїновим кис- лотам реалізувати здатність до перенесення генетичної інфор- мації і відтворення.

Поряд із наведеними, білки виконують ще й інші функції: енерготрансформуючу – беруть участь у трансформації електрич- ної й осмотичної енергії в хімічну (АТФ); енергоосмотичну – за- безпечують утворення різниці електричних зарядів і градіента концентрації іонів на мембрані; створюють онкотичний тиск;

9

входять до складу буферних систем організму, впливаючи на кис- лотно-основну рівновагу крові, на рН.

На сьогодні досягнуто значних успіхів у розкритті структури великої кількості білків, у вивченні взаємозв'язку структури і функції білків, механізму їх участі у найважливіших процесах життєдіяльності організму, у розумінні основ патогенезу бага- тьох хвороб. Білки, пептиди, амінокислоти та їх похідні, які ви- являють біологічну активність, знайшли застосування у фарма- ції в якості лікарських засобів. Білки мають велике народно- господарське значення. Вони є найважливішими компонентами їжі людини і сільськогосподарських тварин. Хронічна нестача білків призводить до різноманітних захворювань, зменшуючи тим самим середню тривалість життя.

Елементарний склад білків

Дослідження елементарного складу білків почалося ще на по- чатку XIX ст., а перші дані з'явилися в 1809 р. на основі досліджень Ф.Грена. У результаті хімічного аналізу білків були визначені їх ва- жливі складові елементи, а також кількісне співвідношення остан- ніх. Було встановлено, що до складу білків (в % від сухої маси) вхо-

дять: вуглець – 50–55%, кисень – 21–23%, водень – 6,6–7,3%, азот –

15–17%, сірка – 0,3–2,5%. У складі окремих білкових сполук були виявлені фосфор, йод, залізо, мідь та інші елементи. У складі різ- них білків вміст азоту характеризується найбільшою сталістю, тому за його кількістю почали визначати вміст білків у тканинах органі- зму, препаратах тощо. Для цього одержану в результаті аналізу концентрацію азоту помножують на коефіцієнт перерахування 6,25, вважаючи, що 1 г азоту міститься в 6,25 г білка (100 : 16 = 6,25). Але для деяких білків ця ознака не є типовою. Наприклад, у білках протамінах (див. далі) вміст азоту досягає 30%.

Хімічна будова пептидів і білків

Білки – це високомолекулярні органічні азотовмісні сполуки, по- будовані з великої кількості амінокислот, сполучених між собою кис- лотно-амідним (пептидним) зв'язком у поліпептидний ланцюг або ланцюги, які мають складну просторову організацію (конформацію) і виконують різноманітні функції живих організмів.

Амінокислоти – структурні мономери білків

Під час повного кислотного, лужного або ферментативного гід- ролізу білків звільняються вільні амінокислоти.

Амінокислоти є похідними органічних карбонових кислот, у яких один або декілька атомів водню у вуглеводневому радикалі замі- щені на аміногрупу. Залежно від розташування NН2-групи розріз- няють α-, β-, γ- та інші амінокислоти. У живих організмах вони зу- стрічаються у вільному або зв'язаному стані в складі деяких біоло- гічно активних речовин, але до складу білків входять лише α-L- амінокислоти, у яких NН2-група приєднується до α-вуглецевого

10