З історії розвитку біохімії

Біологічна хімія, або біохімія, – це наука про хімічний склад живих організмів і хімічні процеси, що забезпечують їх існування. Слово „біохімія” походить від двох грецьких слів: bios – життя і chemia – наука про склад, внутрішню будову, властивості і взаємні перетворення речовин. Таким чином, можна сказати, що біохімія – це наука про хімію життя, про хімічні явища, що протікають в живій природі.

Залежно від об'єкту вивчення розрізняють біохімію людини (медичну біохімію), тварин, рослин, мікробів і вірусів. За напрямом вивчення організмів біохімію ділять на статичну (про хімічну природу і властивості речовин, що входять в досліджуваний об'єкт), динамічну (перетворення речовин від моменту надходження в організм і закінчуючи виділенням кінцевих продуктів обміну) і функціональну (про хімічні основи фізіологічної діяльності організму в цілому, органу, тканини, клітини і інтрацелюлярних структур). Зрозуміло, що такий розподіл умовний, оскільки при біохімічному дослідженні важко розмежувати ці три напрями, які доповнюють один одного. Проте в результаті можна отримати різносторонню характеристику об'єкту.

Багато закономірностей, які встановлені біохімічними методами, є загальними для всіх живих організмів, тому вони вивчаються в загальній біохімії. Біохімічні особливості окремих систем, органів, тканин і клітин розглядаються спеціальною біохімією.

Результати багатьох біохімічних досліджень мають прикладне значення. Так, в самостійну галузь була виділена клінічна біохімія. За допомогою її методів уточнюється і ставиться діагноз, призначається і контролюється лікування, намічаються і проводяться заходи щодо профілактики різних хвороб людини і тварин. Велике народногосподарське значення має технічна біохімія – теоретична основа виробництва багатьох видів харчової промисловості (хлібопечення, консервації плодів, овочів, продуктів тваринництва, виноробства, чаю та ін.), отримання лікарських речовин, кормових добавок для тваринництва, ряду органічних сполук (етанолу, лимонної і молочної кислот і т. д.).

Останніми роками розвиваються нові напрями біохімії, зокрема еволюційна біохімія, яка вивчає питання походження життя на Землі і шляхи ускладнення обміну речовин в процесі розвитку органічного світу. Особливої уваги заслуговує радіаційна біохімія, що розглядає зміни хімічного складу організмів і обміну речовин в них під впливом радіації та розробляє методи біохімічного захисту від радіації, а також шляхи виведення нових високоврожайних сортів культурних рослин і видів корисних мікроорганізмів під впливом іонізуючого випромінювання. Інтенсивно розвивається космічна біохімія, яка досліджує біохімічні проблеми, пов'язані з освоєнням космічного простору.

Розвиток біохімії нерозривно пов'язаний з іншими суміжними теоретичними дисциплінами – загальною біологією, гістологією, цитологією, генетикою, фізикою, біофізикою, неорганічною, аналітичною, органічною, фізичною, колоїдною і біофізичною хіміями, молекулярною біологією і фізіологією. Знання, отримані при вивченні біохімії, служать теоретичною базою для освоєння прикладних наук – годування і розведення сільськогосподарських тварин, зоогігієни, скотарства, патологічної фізіології, фармакології, технологічних та всіх клінічних дисциплін.

Формування біохімії як науки у XVI–XIX ст. Перші біохімічні відомості відомі людині з глибокої старовини. Людина знала і використовувала біохімічні процеси в хлібопеченні, виготовленні вин, лікарських засобів, дубленні шкір, оцту та ін. Проте ці знання були емпіричними.

Велика кількість даних, які надалі зіграли важливу роль при формуванні біохімії як науки, накопичено в епоху Відродження. Геніальний учений і художник Леонардо да Вінчі (1452 – 1519) встановлює, що всі життєві процеси протікають за наявності кисню. В цей час розвивається новий напрямок, який називається ятрохімією. Основоположником ятрохімії був Ф. Парацельс (1493 – 1541). Ятрохіміки почали розглядати хворобу як наслідок порушення в організмі людини і тварин обміну речовин. Вони ввели в лікувальну практику препарати сурми, ртуті, заліза та ін. Я.Б. ван Гельмонт (1579 – 1644) встановив, що в утворенні сухої речовини рослини беруть участь елементи води. Він вперше отримав в чистому вигляді вуглекислий газ, описав процеси травлення, сечовиділення, визначив густину сечі при різних хворобах людини і прийшов до висновку, що хвороба це перш за все порушення хімічної рівноваги між організмом і зовнішнім середовищем.

Проте уявлення ятрохіміків про складні процеси, що протікають в живому організмі, нерідко були наївні і навіть шкідливі. Так, Ф. Парацельс стверджував, що організм складається з трьох речовин – ртуть, сірки і солі, які знаходяться між собою в певних кількісних співвідношеннях. Наприклад, тоді вважали, що виразка і лихоманка виникають від надлишку в організмі сірки, понос і водянка – від надлишку солі, параліч і меланхолія – від надлишку ртуті.

Історія біохімії – це історія боротьби двох світоглядів; матеріалістичного і ідеалістичного. На самому початку свого розвитку біохімія зіткнулася з помилковою хімічною теорією флогістону – „вогненної матерії” з негативною масою, яка міститься у всіх горючих речовинах. Першим ученим, що заклав основи матеріалістичних поглядів на існування живої матерії, був M.В. Ломоносов (1711 – 1765), який довів, що ніякого флогістона в природі немає і бути не може. Ним був відкритий загальний закон природи про збереження матерії і руху. Висновки M.В. Ломоносова незабаром підтверджує А.Л. Лавуазье (1743 – 1794). В ці роки вивчається хімічний склад повітря і води. Створюються уявлення про процеси дихання живих організмів як повільному горінні.

Формуються основи теорії фотосинтезу. Д. Прістлі (1733 – 1804) і К. Шеєле (1742 – 1786) встановлюють, що CO₂, NH₃ і O₂ пов'язані з процесами, які забезпечують існування рослин. Виявилося, що рослини поглинають з повітря CO₂ і виділяють O₂. Я. Інгенхауз приходить до висновку, що ці реакції здійснюються тільки в зелених частинах рослин на сонячному світлу. Ж. Сенебье (1742 – 1809) встановлює, що CO₂ використовується рослинами як сировина для синтезу органічних речовин. Вивчається круговорот речовин в природі і закономірності азотного обміну (Ж.Б. Буссенго, 1802 – 1887). Ю. Лібіх (1803 – 1873) створює теорію мінерального живлення рослин.

Розробляються нові методи хімічного аналізу. Великі заслуги в цьому належать Ю. Лібіху, який пропагував застосування результатів хімічних досліджень в медицині, тваринництві і рослинництві. Він удосконалює методику визначення водню і вуглецю в органічних сполуках, з'ясовує елементарний склад багатьох харчових речовин, які надалі стали називати білками, ліпідами і вуглеводами. В цей же час розробляються методи визначення азоту в білках. За вмістом азоту в сечі починають судити про стан білкового обміну в організмі клінічно здорової або хворої людини. Хімічні методи використовуються при вивченні хімії живих істот.

До першої четверті XIX ст. біохімія входила в загальну хімію. Після виникнення органічної хімії вона злилася з нею, утворюючи основу майбутнього статичного і динамічного напряму в біохімії. В цей час К. Шеєле з природних продуктів виділяє гліцерин, лимонну, молочну, яблучну, щавлеву і сечову кислоти. І. Руель в сечі людини відкриває сечовину, Ю. Лібіх – гіпурову і А. Маркграф – фосфорну кислоти. В тонких зрізах коренів цукрового буряка А. Маргграф виявляє сахарозу. У складі жовчі виявляється холестерин, рослинних соків – глюкоза і фруктоза. В 1822 р. Л. Гмелін у своїй книзі „Керівництво по теоретичній хімії” приводить перші 80 органічних сполук.

Всі ці факти сприяють затвердженню матеріалістичного уявлення про будову живої матерії і реакції обміну речовин. В кінці XVIII і на початку XIX ст. біохімія, що розвивається, зіткнулася з ідеалістичною теорією в біології – теорією віталізму (лат. vita – життя). Віталізм стверджував, що між живою і неорганічною матерією існує різка грань, що органічні речовини синтезуються в організмі під впливом так званої „життєвої сили”.

Нищівний удар по віталізму наніс Ф. Велер (1800 – 1882), який синтезував в 1828 р. з ціаніду амонія сечовину.

Незабаром були синтезовані інші органічні сполуки – хлороформ (Ю. Лібіх, 1831), анілін (М.М. Зінін, 1842), оцтова кислота (А. Кольбе, 1845), жир (M. Бертло, 1854), моносахариди (О.M. Бутлеров, 1861) і т.д. Органічна хімія стає синтетичною. Зусилля хіміків-органіків спрямовані на отримання нових органічних речовин, необхідних промисловості, медицині, побуту. Геніальний російський учений О.M. Бутлеров (1828 – 1886) створює теорію будови органічних речовин – основу подальшого розвитку органічної хімії. До кінця XIX ст. було вивчено і зареєстровано близько 100 000 різних органічних речовин. Тепер в задачі органічної хімії не входило дослідження хімічного складу живих об'єктів, тим більше реакцій обміну речовини.

Відомості про будову живої матерії і хімізм реакцій обміну речовин у першій половині XIX ст. носили випадковий характер. Вони були отримані фізіологами, хіміками, технологами, лікарями, морфологами, які в своїй практичній діяльності стикалися з тим або іншим питанням і вивчали його, вносячи, таким чином, внесок в розвиток біохімії.

До 50-х років XIX ст. в біохімії склався комплекс різних методів, розроблених M.В. Ломоносовим, Д. Прістлі, К. Шеєле, А.Л. Лавуазье Д. Дальтоном, Ж.Л. Гей-Люссаком, І. Берцеліусом, Ю. Лібіхом та ін. При поясненні багатьох біохімічних реакцій використовуються фізичні і хімічні закони. Н.Т. Соссюр (1767 – 1845) проводить розрахунок стехіометрії обміну газів у рослинах в процесі фотосинтезу. Ю.Р. Майер (1814 – 1878) формулює перший закон термодинаміки і встановлює його застосовність до живих систем. В ці роки біохімія входить у фізіологію, оскільки біохімічні дослідження пов'язані з фізіологічними (при вивченні хімічної природи окремих функцій живих організмів).

В науці нагромадилася велика кількість відомостей про хімічну природу речовин, з яких складається жива матерія. Ю. Лібіх характеризує основні речовини тканин живих організмів – білки, ліпіди, вуглеводи (1839 р.). M. Шеврель (1786 – 1889) досліджує будову і властивості жирів (1823 р.). Були отримані перші відомості про перетворення цих речовин в процесах асиміляції і дисиміляції. Встановлено багато проміжних і кінцевих продуктів обміну речовин. І. Берцеліус (1779 – 1848) створює основи вчення про каталіз, дає характеристику відомим у той час ферментам і пояснює природу реакцій бродіння.

Роботи хіміків-органіків по синтезу органічних речовин зруйнували раніше існуючу в уявленнях учених грань між живим і неживим. Формуються матеріалістичні погляди на процеси обміну речовин в живих організмах, особливо на біосинтез органічних речовин з неорганічних в реакціях фотосинтезу. К. Бернар (1813 – 1878) виділяє з тканин печінки глікоген, експериментально доводить його розщеплення до глюкози, яка, поступаючи в кровоток, служить джерелом хімічної енергії в організмі. Ним же висувається діалектична теза: стабільність внутрішнього середовища є умовою свободи і незалежності існування організму. Окремі речовини, виявлені в біологічних рідинах організму людини і тварин (шлунковому сокові, жовчі, крові, сечі), зацікавили клініцистів, оскільки відомості про них (якісні і кількісні) стали допомагати лікарям діагностувати хвороби, призначати і контролювати лікування. Біохімія завоювала право на своє існування як самостійна дисципліна. Створюються перші підручники по біохімії (І. Зимон, Ю. Лібіх, А.І. Ходнев).

Формування і розвиток сучасних напрямів біохімії. Після виходу у світ перших підручників по біохімії (1842 – 1846) вона інтенсивно розвивається як наука на всіх напрямках. Детально вивчається хімічний склад живої матерії на рівні організму, органу, тканин і клітин. У зв'язку з інтенсивним розвитком науки і техніки розробляються нові методи біохімічного аналізу. Детально досліджуються закономірності реакцій асиміляції і дисиміляції в живому організмі за самих різних умов. Біохімія відділяється від фізіології і диференціюється на окремі напрями залежно від об'єкту і мети дослідження. Результати біохімічних досліджень широко впроваджуються в технологію, медицину, ветеринарію і тваринництво.

Особливо бурхливо біохімія розвивається в Росії. Зміст, напрям і глибина біохімічних досліджень, виконаних в другій половині XIX ст., визначалися впливом робіт Д.І. Менделєєва, О.М. Бутлерова, І.M. Сеченова, І.П. Павлова, К.А. Тімірязева.

Основоположником вітчизняної біохімії слід вважати О.Я. Данилевського (1838 – 1923), який створив першу в Росії велику фізіолого-хімічну школу. Вона провела ряд фундаментальних досліджень, актуальність яких не втратила значення і в наші дні. Були детально вивчені склад, будова і властивості багатьох білків тканин людини і тварин. Були створені основи поліпептидної теорії будови білкової молекули. Був здійснений ферментативний синтез білковоподібних речовин. Був розроблений метод отримання і очищення ферментів соку підшлункової залози адсорбцією і елюцією, що дозволило виділити амілазу і трипсин у чистому вигляді. О.Я. Данилевський припустив існування антиферментів і ввів поняття про протоплазму як про складну фізико-хімічну систему живої клітини.

Були досягнуті значні успіхи в розвитку динамічної біохімії. На її розвиток величезний вплив мали роботи І.M. Семенова. (1829 – 1905) – засновника російської фізіологічної школи. Ним і його школою детально була вивчена фізіологія і хімія дихання, вплив на ці процеси складу їжі, функціонального стану організму, навколишньої температури та інших чинників. Великий фізіолог вважав задачею хіміків усестороннє вивчення обміну речовин, починаючи з моменту надходження окремих сполук в організм і закінчуючи виділенням кінцевих продуктів. Подальший розвиток біохімії в Росії був пов'язаний з роботами найбільшого вітчизняного ученого-фізіолога І.П. Павлова (1849 – 1936). У його лабораторії був детально вивчений склад травних соків, проведений комплекс досліджень по травленню, що дало можливість прослідити процеси ферментативного розщеплення харчових мас до простих складових частин (амінокислот, моносахаридів, гліцерину, жирних кислот, мінеральних сполук). Були досліджені різні аспекти всмоктування харчових продуктів, встановлена нейрогуморальна регуляція реакцій обміну речовин і роль зовнішнього середовища в цих процесах, відкриті нові ферменти (ентерокіназа) і введено поняття – проферменти, розшифровано значення печінки в нейтралізації аміаку і утворенні сечовини та ін.

У 1891 р. в Петербурзі M.В. Ненцький (1847 – 1901) створює першу в країні біохімічну лабораторію. Л.П. Мархлевський і M.В. Ненцький встановлюють хімічну спорідненість гемоглобіну і хлорофілу. Вивчається хімічна будова гема, продукти розпаду білків, хімічний склад бактерій та ін. В.Г. Гулевич відкриває в м'язовій тканині карнітин, карнозин та ін. С.С. Салазкін вивчає деталі азотного обміну в організмі тварин (утворення сечовини, сечової кислоти та ін.).

Інтенсивно розвивається біохімія рослин. К.А. Тімірязев і його співробітники вивчають процеси фотосинтезу. В.І. Палладін формулює теорію дихання рослин. О.М. Бах створює перекисну теорію біологічного окислення.

В ці роки проводяться дослідження, що визначили подальший зміст біохімії. У 1880 р. М.І. Лунін відкриває додаткові чинники живлення, які пізніше були названі вітамінами. Р.А. Бунге встановлює значення багатьох макро- і мікроелементів в обміні речовин. В.І. Вернадський закладає основи вчення про біосферу.

Ряд найважливіших робіт виконують зарубіжні учені. Ф. Мішер у 1868 р. відкриває нуклеїнові кислоти. Л. Пастер розшифровує багато реакцій клітинного дихання і бродіння. P. Келлікер в 1857 р. відкриває мітохондрії. В лабораторіях Е. Фішера, А. Косселя і Ф. Гофмейстера створюються основи сучасних уявлень про структуру і властивості білків. Е. Фішер вивчає механізм дії ферментів. К. Нейберг розробляє схему реакцій спиртового бродіння і в 1903 р. замінює термін „фізіологічна хімія” новим – „біохімія”. У. Бейлісс і Е. Старлінг відкривають гормони. В 1911 р. К. Функ з рисових висівок виділяє додатковий чинник живлення і називає його вітаміном. С. Сервісен вводить поняття рН і розробляє методи синтезу амінокислот.

У першій половині XX ст. формуються сучасні напрями біохімії – біохімія людини (медична біохімія), тварин, рослин, мікробів і вірусів. Інтенсивно розвиваються клінічна і технічна біохімія. Відбувається диференціація біохімії на окремі галузі: вітамінологію, ензимологію, біохімію гормонів, гісто- і цитохімію, еволюційну, порівняльну, радіаційну біохімію та ін.

Розвиток біохімії в СРСР. Засновником школи радянських біохіміків є О.М. Бах. У 1921 р. він організував Біохімічний інститут Народного комісаріату охорони здоров'я, а в 1935 р. спільно з О.І. Опаріним – Інститут біохімії АН СРСР.

Розвиток біохімії тварин починається з 1922 р., коли акад. О.М. Бах створив при Державному інституті експериментальної ветеринарії (ДІЕ-В) біохімічне відділення. У відділенні, яке було перетворено в лабораторію біохімії, розробляються різні питання теоретичної і практичної ветеринарної біохімії, готуються кадри вищої кваліфікації для вузів, науково-дослідних інститутів і ветеринарних лабораторій країни. В різні роки тут працювали відомі фахівці в області біохімії – Б.І. Збарський, В.О. Енгельгардт, Д.О. Цуверкалов, H.M. Клімов, І.І. Кучеренко, M.А. Бабіч, В.M. Красов, О.Р. Малахов, В.Ф. Поляков, Р.Ф. Коромислов та ін. У медичних, ветеринарних і сільськогосподарських вузах створюються кафедри біохімії, в республіканських і обласних ветеринарних лабораторіях – біохімічні відділи, вирішальні питання практичної ветеринарії. Результати біохімічних досліджень широко впроваджуються в різні галузі народного господарства, медицину, ветеринарію, тваринництво.

На Україні перший інститут біохімії був організований у 1925 р. О.В. Палладіним у м. Харкові. З 1934 р. цей інститут був переведений до м. Києва. Нині Інститут біохімії імені О.В. Палладіна НАН України є одним з найбільших наукових центрів, в якому всесторонньо розробляються актуальні питання біохімії.

Найвидатніші біохіміки нашої країни – О.М. Бах, Б.І. Збарський, О.В. Палладін, В.О. Енгельгардт, О.М. Белозерський, О.І. Опарін, Я.В. Пейве, С.E. Северин, В.В. Ковальський, О.О. Баєв, О.С. Спірин та ін.

Значний внесок в розвиток біохімії тварин внесли П.П. Астанін, С.І. Афонський, С.С. Гжіцький, Р.В. Камалян, E.С. Савронь, Ф.Я. Беренштейн, О.Т. Апасьев, С.І. Трусов та ін. Успішно вирішують багато проблем сучасної біохімії тварин лабораторії М.О. Шманенкова, M.Ф. Гулого, H.Р. Григорьева, І.Д. Головацького, А.Р. Малахова, М.M. Клімова, Я.А. Бабіна, Ф.Ю. Палфія, О.В. Чечеткіна, X.Ш. Казакова, M.T. Таранова, К.Р. Сухомлин, С.І. Кусеня та їх численних учнів.

Членами Академії наук СРСР було багато видатних біохіміків США, Англії, Франції і інших країн. Зокрема, X.Г. Корана – автор досліджень по синтезу нуклеотидів, коферментів, гена; С. Очоа – виконав комплекс робіт по синтезу РHK і вивченню структури ферментів; Л.К. Полінг – автор робіт про природу хімічного зв'язку в комплексних сполук; А. Сент-Дьердьї – відкрив вітамін С і отримав його синтетично, автор багатьох робіт по клітинному диханню, м'язовому скороченню; В. Пролог – автор робіт по стереохімії, який розробив сучасні методи дослідження в біохімії.

У багатьох країнах світу існують наукові біохімічні товариства, які діють і зараз. В СРСР у 1958 р. було створено Всесоюзне біохімічне товариство (ВБТ) з республіканськими і міськими відділеннями, об'єднує близько 10000 біохіміків різних напрямів. Воно є колективним членом Міжнародного біохімічного союзу і Європейської федерації біохіміків. ВБТ координує біохімічні дослідження в різних галузях біохімії, організовує наукові конгреси, з'їзди, конференції і симпозіуми, здійснює наукові контакти з іншими науковими товариствами країни і за рубежем, видає щорічник „Успіхи біологічної хімії”.

Через кожні п'ять років проводяться Всесоюзні біохімічні з'їзди, на яких підводяться підсумки роботи біохіміків різних напрямів, визначаються шляхи впровадження результатів досліджень і намічаються перспективи подальшої роботи.