Þ.². Ãóáñüêèé Á²ÎËÎò×ÍÀ ղ̲ß
 ï³äðó÷íèêó âèêëàäåíèé êóðñ á³îëîã³÷ íî ¿
õ³ì³¿ â³äïîâ³äíî äî ïðîãðàìè äëÿ ñòóäåíò³â
âèùèõ ìåäè÷íèõ íàâ÷àëüíèõ çàêëàä³â:
ðîçãëÿíóò³ ñòðóêòóðà òà ôåðìåíòàòèâí³
ðåàêö³¿ ïåðåòâîðåííÿ îñíîâíèõ êëàñ³â
á³îìîëåêóë — á³ëê³â, àì³íîêèñëîò,
âóãëåâîä³â, ë³ï³ä³â, â³òàì³í³â, íóêëåîòèä³â,
³íôîðìàö³éíèõ íóêëå¿íîâèõ êèñëîò.
Âèñâ³òëåí³ ïèòàííÿ ìîëåêóëÿðíî¿ á³îëî㳿
òà ãåíåòèêè, á³îõ³ì³÷í³ îñíîâè ô³ç³îëîã³÷íèõ
ôóíêö³é îðãàí³çìó ëþäèíè òà ¿õ íåé-
ðîãîðìîíàëüíî¿ ðåãóëÿö³¿, ìîëåêóëÿðí³
ìåõàí³çìè âèíèêíåííÿ íàéá³ëüø ïîøè-
ðåíèõ ïàòîëîã³÷íèõ ïðîöåñ³â (àòåðî-
ñêëåðîçó, öóêðîâîãî ä³àáåòó, îæèð³ííÿ) òà
ñïàäêîâèõ åíçèìîïàò³é. Çíà÷íó óâàãó
ïðèä³ëåíî ìîëåêóëÿðíèì ìåõàí³çìàì
ôóíêö³îíóâàííÿ êë³òèí êðîâ³, ïå÷³íêè,
ì’ÿç³â, ³ìóííî¿, íåðâîâî¿ ñèñòåìè, åíçèìî-
ä³àãíîñòèö³ òà á³îõ³ì³÷íèì çàñàäàì
ôàðìàêîòåðàﳿ ïîðóøåíü îáì³íó ðå÷îâèí.
ϳäðó÷íèê ìîæå áóòè òàêîæ âèêî ðèñòàíèé
àñï³ðàíòàìè, ñïåö³àë³ñòàìè òà íàóêîâöÿìè,
ùî ïðàöþþòü â ãàëóç³ çàãàëüíî¿ ³ ìåäè÷-
íî¿ á³îõ³ì³¿, ôàð ìàêîëî㳿, ì³êðîá³îëî㳿 òà
³íøèõ á³î ìåäè÷íèõ íàóê.
1
Ю.І. ГУБСЬКИЙ
Б І О Л О Г І Ч Н А
Х І М І Я
Допущено Міністерством
охорони здоров’я України
як підручник для студентів вищих
медичних навчальних закладів освіти
III-IV рівнів акредитації
Êè¿â-Òåðíîï³ëü
«Óêðìåäêíèãà»
2 0 0 0
2 Á³îëîã³÷íà õ³ì³ÿ
ББК 28072Я73
Г93
УДК 612.015(075.8)+577.1(075.8)
Губський Ю.І. — д.м.н., професор, член-кореспондент АМН України,
заслужений діяч науки і техніки України, завідувач кафедри біоорганічної,
біологічної та фармацевтичної хімії Національного медичного університету
ім. О.О.Богомольця.
Рецензенти: член-кор. НАН України, д.б.н., проф., лауреат Державної премії України
М.Є.Кучеренко (Київський університет ім. Т.Г.Шевченка);
д.м.н., проф., лауреат премії ім. О.В.Паладіна Ю.В.Хмелевський
(Національний медичний університет ім. О.О.Богомольця);
д.б.н., проф., лауреат Державної премії України М.Д.Курський (Інститут
біохімії НАН України).
Допущено Міністерством охорони здоров’я України як підручник для студентів вищих медичних
навчальних закладів освіти III-IV рівнів акредитації (лист МОЗ України № 1.01/5 від 11.02.2000).
Губський Ю.І.
Г93 Біологічна хімія: Підручник.– Київ-Тернопіль: Укрмедкнига, 2000. –508 с.
ISBN 966-7364-41-0
В підручнику викладений курс біологічної хімії відповідно до програми для студентів
вищих медичних навчальних закладів: розглянуті структура та ферментативні реакції
перетворення основних класів біомолекул — білків, амінокислот, вуглеводів, ліпідів, вітамінів,
нуклеотидів, інформаційних нуклеїнових кислот. Висвітлені питання молекулярної біології та
генетики, біохімічні основи фізіологічних функцій організму людини та їх нейрогормональної
регуляції, молекулярні механізми виникнення найбільш поширених патологічних процесів
(атеросклерозу, цукрового діабету, ожиріння) та спадкових ензимопатій. Значну увагу приділено
молекулярним механізмам функціонування клітин крові, печінки, м’язів, імунної, нервової
системи, ензимодіагностиці та біохімічним засадам фармакотерапії порушень обміну речовин.
Підручник може бути також використаний аспірантами, спеціалістами та науковцями, що
працюють в галузі загальної і медичної біохімії, фармакології, мікробіології та інших біомедичних
наук.
ББК 28072Я73
УДК 612.015(075.8)+577.1(075.8)
ISBN 966-7364-41-0 © Ю.І.Губський, 2000
3
Çì³ñò
ЗМІСТ
ПЕРЕРЕДМОВА .................................................................................................................................. 7
ВСТУП. БІОХІМІЯ ЯК НАУКА ........................................................................................................ 9
РОЗДІЛ I. БІОМОЛЕКУЛИ ТА КЛІТИННІ СТРУКТУРИ ........................................................ 12
ГЛАВА 1. БІОХІМІЧНІ КОМПОНЕНТИ КЛІТИН ...................................................................... 12
ГЛАВА 2. БІЛКИ І ПЕПТИДИ ......................................................................................................... 18
2.1. Біологічні функції білків і пептидів ...................................................................................... 18
2.2. Будова й амінокислотний склад білків і пептидів ................................................................ 19
2.3. Рівні структурної організації білкових молекул ................................................................. 26
2.4. Фізико-хімічні властивості білків .......................................................................................... 33
2.5. Методи виділення та аналізу білків і пептидів .................................................................... 36
ГЛАВА 3. НУКЛЕЇНОВІ КИСЛОТИ. НУКЛЕОТИДИ ................................................................. 41
3.1. Нуклеотиди: структура, біохімічні функції ........................................................................ 41
3.2. Нуклеїнові кислоти: структура, властивості ...................................................................... 44
3.3. Будова, властивості та біологічні функції ДНК .................................................................. 45
3.4. Будова, властивості й біологічні функції РНК .................................................................... 52
3.5. Молекулярна організація ядерного хроматину і рибосом ................................................ 55
ГЛАВА 4. ВУГЛЕВОДИ ТА ЇХ ПОХІДНІ ....................................................................................... 57
4.1. Моносахариди та їх похідні ................................................................................................... 57
4.2. Складні вуглеводи. Олігосахариди. Гомополісахариди ...................................................... 61
4.3. Гетерополісахариди. Протеоглікани. Глікопротеїни ............................................................ 65
4.4. Пептидоглікани клітинної стінки мікроорганізмів .............................................................. 69
ГЛАВА 5. ЛІПІДИ. БІОМЕМБРАНИ .............................................................................................. 72
5.1. Загальна характеристика ліпідів. Жирні кислоти ................................................................ 72
5.2. Структура та функції ліпідів ................................................................................................ 73
5.3. Біологічні мембрани .............................................................................................................. 78
РОЗДІЛ II. ЗАГАЛЬНІ ЗАКОНОМІРНОСТІ МЕТАБОЛІЗМУ .................................................. 86
ГЛАВА 6. ФЕРМЕНТИ. I. СТРУКТУРА, ВЛАСТИВОСТІ .......................................................... 86
6.1. Властивості ферментів як біологічних каталізаторів .......................................................... 86
6.2. Номенклатура та класифікація ферментів ........................................................................... 88
6.3. Хімічна структура ферментів. Коферменти ........................................................................ 89
ГЛАВА 7. ФЕРМЕНТИ. II. МЕХАНІЗМИ КАТАЛІЗУ. КІНЕТИКА. РЕГУЛЯЦІЯ ................ 98
7.1. Механізми дії ферментів ........................................................................................................ 98
7.2. Кінетика ферментативних реакцій. Інгібітори ферментів ................................................. 103
7.3. Регуляція ферментативних процесів. Ензимопатії ............................................................. 108
ГЛАВА 8. ОБМІН РЕЧОВИН: КАТАБОЛІЗМ, АНАБОЛІЗМ ................................................... 115
8.1.Загальні закономірності обміну речовин ............................................................................ 115
8.2. Методи вивчення обміну речовин ..................................................................................... 118
8.3. Стадії катаболізму біомолекул ............................................................................................ 120
ГЛАВА 9. БІОЕНЕРГЕТИЧНІ ПРОЦЕСИ: ТРАНСПОРТ ЕЛЕКТРОНІВ;
OКИСНЕ ФОСФОРИЛЮВАННЯ В МІТОХОНДРІЯХ ........................................... 122
9.1. Реакції біологічного окислення ........................................................................................... 122
9.2. Ферменти біологічного окислення ...................................................................................... 125
9.3. Молекулярна організація ланцюга біологічного окислення в мітохондріях .................. 127
9.4. Окисне фосфорилювання та АТФ-синтетаза мітохондрій ................................................ 130
9.5. Інгібітори електронного транспорту та окисного фосфорилювання в мітохондріях .... 134
4 Á³îëîã³÷íà õ³ì³ÿ
ГЛАВА 10. ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВИХ КИСЛОТ ...................................................................... 137
10.1. Загальна характеристика циклу трикарбонових кислот ................................................. 137
10.2. Ферментативні реакції циклу трикарбонових кислот ..................................................... 138
10.3. Енергетичний баланс циклу трикарбонових кислот ....................................................... 140
10.4. Анаплеротичні й амфіболічні реакції ............................................................................... 142
РОЗДІЛ III. МЕТАБОЛІЗМ ОСНОВНИХ КЛАСІВ БІОМОЛЕКУЛ ....................................... 143
ГЛАВА 11. МЕТАБОЛІЗМ ВУГЛЕВОДІВ. I. АЕРОБНЕ ТА АНАЕРОБНЕ
ОКИСЛЕННЯ ГЛЮКОЗИ ........................................................................................... 143
11.1. Шляхи внутрішньоклітинного катаболізму моносахаридів ........................................... 143
11.2. Аеробне окислення глюкози ............................................................................................. 144
11.3. Гліколіз: реакції, енергетика, регуляція ........................................................................... 146
11.4. Енергетика гліколізу й аеробного окислення глюкози .................................................... 154
ГЛАВА 12. МЕТАБОЛІЗМ ВУГЛЕВОДІВ. II. АЛЬТЕРНАТИВНІ ШЛЯХИ
ОБМІНУ МОНОСАХАРИДІВ. РЕГУЛЯЦІЯ ОБМІНУ ГЛЮКОЗИ ................... 156
12.1. Пентозофосфатний шлях метаболізму глюкози ............................................................... 156
12.2. Метаболізм фруктози та галактози .................................................................................. 163
12.3. Біосинтез глюкози та його регуляція ................................................................................ 166
12.4. Регуляція обміну глюкози. Цукровий діабет .................................................................. 172
ГЛАВА 13. МЕТАБОЛІЗМ ВУГЛЕВОДІВ. III. ОБМІН ГЛІКОГЕНУ ТА ГЛІКОКОН’ЮГАТІВ . 176
13.1. Біосинтез та розщеплення глікогену ................................................................................ 176
13.2. Регуляція глікогенолізу та глікогенезу ............................................................................. 179
13.3. Генетичні порушення метаболізму глікогену .................................................................. 184
13.4. Метаболізм вуглеводних компонентів глікокон’югатів ................................................... 185
13.5. Глікозидози. Генетичні порушення метаболізму глікозамінгліканів ............................... 188
ГЛАВА 14. МЕТАБОЛІЗМ ЛІПІДІВ. I. КАТАБОЛІЗМ ТРИАЦИЛГЛІЦЕРОЛІВ
ТА ЖИРНИХ КИСЛОТ ............................................................................................. 190
14.1. Шляхи метаболізму ліпідів ................................................................................................ 190
14.2. Катаболізм триацилгліцеролів .......................................................................................... 190
14.3. Окислення жирних кислот та гліцеролу ........................................................................... 194
14.4. Біосинтез та катаболізм кетонових тіл .............................................................................. 197
ГЛАВА 15. МЕТАБОЛІЗМ ЛІПІДІВ. II. БІОСИНТЕЗ ТРИАЦИЛГЛІЦЕРОЛІВ
І СКЛАДНИХ ЛІПІДІВ.............................................................................................. 201
15.1. Біосинтез вищих жирних кислот ....................................................................................... 201
15.2. Біосинтез триацилгліцеролів ............................................................................................. 209
15.3. Біосинтез фосфогліцеридів ................................................................................................ 211
15.4. Метаболізм сфінголіпідів. Сфінголіпідози ...................................................................... 213
ГЛАВА 16. МЕТАБОЛІЗМ ЛІПІДІВ. III. ОБМІН ХОЛЕСТЕРИНУ. ТРАНСПОРТ ЛІПІДІВ ...... 217
16.1. Біосинтез холестерину ....................................................................................................... 217
16.2. Біотрансформація холестерину ........................................................................................ 220
16.3. Транспорт та депонування ліпідів. Ліпопротеїни плазми. Гіперліпопротеїнемії ......... 224
16.4. Патологія ліпідного обміну: атеросклероз, ожиріння, цукровий діабет ....................... 230
ГЛАВА 17. МЕТАБОЛІЗМ АМІНОКИСЛОТ. I. ЗАГАЛЬНІ ШЛЯХИ ПЕРЕТВОРЕННЯ ..... 234
17.1. Шляхи перетворення амінокислот у тканинах ................................................................. 234
17.2. Трансамінування амінокислот .......................................................................................... 236
17.3. Дезамінування амінокислот ............................................................................................... 239
17.3. Декарбоксилювання амінокислот ..................................................................................... 240
17.4. Обмін аміаку. Біосинтез сечовини ..................................................................................... 242
5
Çì³ñò
ГЛАВА 18. МЕТАБОЛІЗМ АМІНОКИСЛОТ. II. СПЕЦІАЛІЗОВАНІ ШЛЯХИ ОБМІНУ ... 248
18.1. Шляхи метаболізму безазотистого скелета амінокислот. Глюкогенні
та кетогенні амінокислоти ................................................................................................. 248
18.2. Спеціалізовані шляхи обміну ациклічних амінокислот .................................................... 250
18.3. Спеціалізовані шляхи обміну циклічних амінокислот ..................................................... 260
18.4. Метаболізм порфіринів ..................................................................................................... 263
РОЗДІЛ IV. МОЛЕКУЛЯРНІ МЕХАНІЗМИ СПАДКОВОСТІ ТА РЕАЛІЗАЦІЇ
ГЕНЕТИЧНОЇ ІНФОРМАЦІЇ .................................................................................... 270
ГЛАВА 19. БІОСИНТЕЗ НУКЛЕОТИДІВ .................................................................................... 270
19.1. Біосинтез пуринових нуклеотидів .................................................................................... 270
19.2. Біосинтез піримідинових нуклеотидів .............................................................................. 275
19.3. Біосинтез дезоксирибонуклеотидів .................................................................................. 277
19.4. Катаболізм нуклеотидів ..................................................................................................... 281
ГЛАВА 20. МОЛЕКУЛЯРНІ МЕХАНІЗМИ РЕПЛІКАЦІЇ ДНК ТА ТРАНСКРИПЦІЇ РНК . 284
20.1. Біологічне значення реплікацїї ДНК. Напівконсервативний механізм реплікації ......... 284
20.2. Ферменти реплікації ДНК у прокаріотів та еукаріотів .................................................. 286
20.3. Молекулярні механізми реплікації ДНК .......................................................................... 289
20.4. Ферменти та механізми транскрипції РНК ....................................................................... 292
ГЛАВА 21. БІОСИНТЕЗ БІЛКІВ У РИБОСОМАХ .................................................................... 300
21.1. Генетичний код та його властивості .................................................................................. 300
21.2. Рибосомальна білоксинтезуюча система .......................................................................... 302
21.3. Етапи та механізми трансляції ........................................................................................... 304
21.4. Регуляція трансляції. Антибіотики — інгібітори трансляції .......................................... 307
ГЛАВА 22. РЕГУЛЯЦІЯ ЕКСПРЕСІЇ ГЕНІВ. ГЕНЕТИЧНІ РЕКОМБІНАЦІЇ ........................ 310
22.1. Регуляція експресії генів у прокаріотів ........................................................................... 310
22.2. Особливості молекулярної організації та експресії геному в еукаріотів ...................... 313
22.3. Молекулярні механізми мутацій. Репарація ДНК ........................................................... 322
22.4. Генна інженерія. Рекомбінантні ДНК ................................................................................ 326
РОЗДІЛ V. ГОРМОНИ В СИСТЕМІ МІЖКЛІТИННОЇ ІНТЕГРАЦІЇ ФУНКЦІЙ ОРГАНІЗМУ 330
ГЛАВА 23. ГОРМОНАЛЬНА РЕГУЛЯЦІЯ МЕТАБОЛІЗМУ ТА БІОЛОГІЧНИХ
ФУНКЦІЙ КЛІТИНИ. I. БІОХІМІЧНІ СИСТЕМИ
ВНУТРІШНЬОКЛІТИННОЇ ТРАНСДУКЦІЇ ГОРМОНАЛЬНИХ СИГНАЛІВ . 330
23.1. Гормони та біорегулятори: визначення, класифікація .................................................... 330
23.2. Молекулярно-клітинні механізми дії пептидних гормонів та біогенних амінів ............. 332
23.3. Молекулярно-клітинні механізми дії стероїдних та тиреоїдних гормонів ..................... 341
ГЛАВА 24. ГОРМОНАЛЬНА РЕГУЛЯЦІЯ МЕТАБОЛІЗМУ ТА БІОЛОГІЧНИХ
ФУНКЦІЙ КЛІТИНИ. II. ГОРМОНИ — ПОХІДНІ ПЕПТИДІВ
ТА АМІНОКИСЛОТ .................................................................................................. 345
24.1. Гіпоталамо-гіпофізарна система ........................................................................................ 345
24.2. Гормони підшлункової залози та шлунково-кишкового тракту .................................... 353
24.3. Тиреоїдні гормони ............................................................................................................. 360
24.4. Катехоламіни та інші біогенні аміни .................................................................................. 363
ГЛАВА 25. ГОРМОНАЛЬНА РЕГУЛЯЦІЯ МЕТАБОЛІЗМУ ТА БІОЛОГІЧНИХ ФУНКЦІЙ
КЛІТИНИ. III. ГОРМОНИ ТА ІНШІ БІОРЕГУЛЯТОРИ
ЛІПІДНОГО ПОХОДЖЕННЯ ..................................................................................... 367
25.1. Загальна характеристика стероїдних гормонів ................................................................ 367
25.2. Стероїдні гормони кори наднирникових залоз ................................................................ 368
6
Á³îëîã³÷íà õ³ì³ÿ
25.3. Стероїдні гормони статевих залоз .................................................................................... 373
25.4. Гормони — регулятори гомеостазу кальцію .................................................................. 376
25.5. Фізіологічно активні ейкозаноїди ...................................................................................... 381
РОЗДІЛ VI. БIОХIМIЯ ФIЗIОЛОГIЧНИХ ФУНКЦIЙ ТА СПЕЦIАЛIЗОВАНИХ ТКАНИН ... 386
ГЛАВА 26. БIОХІМІЯ ХАРЧУВАННЯ ЛЮДИНИ. I. КОМПОНЕНТИ ХАРЧУВАННЯ.
ТРАВЛЕННЯ ПОЖИВНИХ РЕЧОВИН .................................................................. 386
26.1. Компоненти нормального харчування людини ................................................................ 386
26.2. Потреби організму людини в поживних сполуках .......................................................... 387
26.3. Механізми перетворення поживних речовин у травному тракті .................................. 392
ГЛАВА 27. БІОХІМІЯ ХАРЧУВАННЯ ЛЮДИНИ. II. ВІТАМІНИ ЯК КОМПОНЕНТИ
ХАРЧУВАННЯ ........................................................................................................... 399
27.1. Вітаміни як компоненти харчування людини; хвороби вітамінної недостатності .......... 399
27.2. Коферментні вітаміни. Аскорбінова кислота та біофлавоноїди ...................................... 400
27.3. Жиророзчинні вітаміни. Біоантиоксиданти ...................................................................... 411
ГЛАВА 28. БІОХІМІЯ І ПАТОБІОХІМІЯ КРОВІ ....................................................................... 418
28.1. Фізіологічні та біохімічні функції крові ........................................................................... 418
28.2. Дихальна функція еритроцитів. Біохімія та патобіохімія гемоглобіну ........................... 419
28.3. Кислотно-основний стан. Буферні системи крові ........................................................... 423
28.4. Біохімічний склад крові в нормі та патології ................................................................... 425
ГЛАВА 29. БІОХІМІЯ ЗГОРТАЛЬНОЇ І ФІБРИНОЛІТИЧНОЇ СИСТЕМ КРОВІ ................. 432
29.1. Функціональні та біохімічні властивості системи гемостазу ........................................... 432
29.2. Згортальна система крові: компоненти, механізми активації .......................................... 433
29.3. Антизгортальна система крові .......................................................................................... 437
29.4. Фібринолітична система крові .......................................................................................... 438
ГЛАВА 30. БІОХІМІЯ ІМУННИХ ПРОЦЕСІВ ........................................................................... 440
30.1. Клітинна і біохімічна організація імунної системи ........................................................... 440
30.2. Імуноглобуліни: структура, біологічні функції .............................................................. 441
30.3. Медіатори і гормони імунної системи .............................................................................. 443
30.4. Біохімічні компоненти системи комплементу .................................................................... 445
30.5. Біохімічні механізми імунодефіцитних станів ................................................................... 447
ГЛАВА 31. БІОХІМІЧНІ ФУНКЦІЇ ПЕЧІНКИ. ПРОЦЕСИ ДЕТОКСИКАЦІЇ ....................... 449
31.1. Структурно-функціональна організація печінки. Біохімічні функції гепатоцитів ....... 449
31.2. Біотрансформація ксенобіотиків та ендогенних токсинів. Мікросомальне окислення ....... 455
31.3. Обмін жовчних пігментів. Біохімія жовтяниць ................................................................ 462
ГЛАВА 32. БІОХІМІЯ М’ЯЗІВ І М’ЯЗОВОГО СКОРОЧЕННЯ ............................................... 468
32.1. Ультраструктура і хімічний склад м’язів ........................................................................ 468
32.2. Молекулярні механізми м’язового скорочення .............................................................. 472
32.3. Біоенергетика м’язової тканини ........................................................................................ 476
ГЛАВА 33. БІОХІМІЯ НЕРВОВОЇ СИСТЕМИ. МОЛЕКУЛЯРНА ПСИХОБІОЛОГІЯ ........ 478
33.1. Особливості хімічного складу та метаболізму нервової системи ................................... 478
33.2. Нейромедіатори. Рецептори для нейромедіаторів і фізіологічно активних сполук ..... 480
33.3. Нейрохімічні механізми дії психотропних засобів ............................................................ 488
ЛІТЕРАТУРА .................................................................................................................................... 491
ПРЕДМЕТНИЙ ПОКАЖЧИК ...................................................................................................... 492
7
Ïåðåäìîâà
ПЕРЕДМОВА
Біологічна хімія, або біохімія — фундаментальна біомедична наука та навчальна дисципліна,
що вивчає хімічний склад живих організмів та хімічні перетворення, яким підлягають молекули,
що входять до їх складу.
Розвиток усього комплексу наук про живу природу протягом ХХ сторіччя відзначався
зростанням значення молекулярного рівня мислення, концептуальних підходів та методів
дослідження. Стає все більш зрозумілим, що тільки шляхом розкриття хімічних, фізико-хімічних,
молекулярних та субмолекулярних закономірностей функціонування живих систем можливе
опанування внутрішніми механізмами патогенезу найважливіших хвороб людини —
онкологічних, серцево-судинних, вірусних, генетичних, нейропсихічних захворювань,
імунодефіцитів, розшифровка механізмів старіння, що визначають тривалість життя Homo sapiens
як біологічного виду. Відповідно до цього фундаментального твердження, сучасна біохімія та її
відгалуження — молекулярна біологія та біотехнологія — все в більшій мірі стають основою
теоретичної медицини, впливаючи на напрямки розвитку й інших медико-біологічних наук,
зокрема фізіології, морфології, імунології, мікробіології, вірусології, екології тощо.
У вищих медичних навчальних закладах України біохімія традиційно викладається протягом
третього-четвертого семестрів і складає, поряд з іншими медико-біологічними дисциплінами,
підвалини для подальшого вивчення загальної патології та клінічних предметів, формування
наукового світогляду лікаря. У зв’язку з цим, курс біохімії, який вивчається студентами медичних
університетів або відповідних факультетів загальноосвітніх університетів, повинен містити наукові
відомості, що стосуються насамперед біохімічних процесів, які відбуваються в організмі здорової
та хворої людини, і засвоєння яких є необхідною передумовою для оволодіння знаннями про
молекулярні механізми як фізіологічних функцій, так і розвитку патологічних процесів. Крім
того, значення глибокого розуміння закономірностей перебігу біохімічних процесів в організмі
людини постійно зростає у зв’язку з тією обставиною, що біохімічні, молекулярно-біологічні
підходи та методи посідають все важливіше місце в діагностичному процесі, контролі за перебігом
хвороби та ефективністю лікування.
Вивчення в курсі біохімії молекулярної організації клітини, зокрема біологічних мембран,
ядерного генетичного апарату, рибосомальної системи білкового синтезу, механізмів регуляції
біохімічних реакцій, які лежать у підгрунті фізіологічних функцій організму людини і вищих
тварин в нормі та за умов патології, має принципове значення також для розробки засобів та
методів фармакологічної корекції порушених метаболічних процесів. Визначним досягненням
біохімічної фармакології стало створення високоефективних кардіотропних, нейротропних,
протизапальних, протипухлинних, протиінфекційних засобів. Так, наприклад, розв’язання
молекулярних і клітинних основ впливу нейромедіаторів і фізіологічно активних сполук з
8 Á³îëîã³÷íà õ³ì³ÿ
психоактивними властивостями на біохімічні процеси в нейронах головного мозку, дослідження
молекулярної біології мембранних рецепторів для біогенних амінів та нейропептидів створило
наукові засади для можливостей спрямованого синтезу психотропних препаратів. Виходячи із
зазначеного, вивчення біологічної хімії є особливо важливим для подальшого засвоєння
студентами загальної та клінічної фармакології (медичні факультети), фармацевтичної хімії,
фармакотерапії та клінічної фармації (фармацевтичні факультети).
Кінець XX сторіччя позначився новою хвилею інфекційних хвороб, особливо вірусного
походження. За оцінками багатьох вчених, справжньою загрозою існуванню людини стало
розповсюдження вірусу СНІДу, що поставило принципово нові наукові проблеми перед
біохімією мікроорганізмів, медичною мікробіологією. Вивчення молекулярної біології і генетики
мікроорганізмів, особливостей будови та біосинтезу вірусних та бактеріальних ДНК та РНК,
розробки в галузі технології рекомбінантних ДНК стають все більш актуальними завданнями
біохімічної науки, що повинно знайти своє відображення у відповідних навчальних програмах.
Таким чином, викладання біохімії у вищих навчальних закладах медичного профілю потребує
ретельного відбору із загального великого обсягу сучасної наукової інформації про біохімічні
закономірності в живих організмах різного еволюційного рівня саме тих відомостей, що
становлять предмет медичної біохімії. Разом з тим, автор вважає, що, незважаючи на професійну
спрямованість та певну профілізацію навчального матеріалу, що викладається, курс біохімії в
системі вищих медичних закладів повинен обов’язково зберігати характер фундаментальної
біологічної дисципліни, яка забезпечує базову університетську освіту майбутнього фахівця.
Тому основа структури підручника — викладення сучасного стану питань, що стосуються
будови, біологічних функцій та біосинтезу основних класів біомакромолекул — білків та
нуклеїнових кислот, основ ензимології, біоенергетики, мембранології, молекулярної генетики,
механізмів та взаємозв’язку обміну різних класів біомолекул, закономірностей їх регуляції
фізіологічно активними сполуками — внутрішньоклітинними месенджерами та гормонами,
багато з яких застосовуються в сучасній клінічній практиці як ефективні лікарські засоби нового
покоління ( інсуліни, стероїди, інтерферони, імуномодулятори тощо).
Біохімія разом із молекулярною біологією є однією з найбільш розвинених природничих
наук сучасності і тому вирішення зазначеного двоєдиного дидактичного завдання можливе
лише за умов ретельного критичного відбору та логічного структурування навчального
матеріалу. Сприяє викладанню основних теоретичних закономірностей біохімії протягом двох
семестрів, що відводяться на цей курс у вищих навчальних закладах, вивчення біохімічної статики
та сучасних уявлень про структуру біомолекул в курсі біоорганічної хімії, який у більшості
медичних університетів передує вивченню біохімії та закінчується контрольним іспитом у
другому навчальному семестрі (див.: Біоорганічна хімія: Навчальний посібник/ Ю.І.Губський
та співавт.– К.: Вища школа, 1997). Розвиток елементів патобіохімії, шо включені в матеріал
підручника, доцільно повторно та на більш високому науковому і методичному рівнях
здійснювати в окремому навчальному курсі — клінічної біохімії, яку на медичних факультетах
доцільно викладати на п’ятому-шостому курсах, тобто після завершення вивчення основних
клінічних дисциплін терапевтичного та хірургічного циклів.
В основу підручника, що пропонується, покладено багаторічний досвід викладання на
кафедрі біоорганічної та біологічної хімії Національного медичного університету ім. О.О. Бого-
мольця. Пропонується принципово новий тип підручника для вищих медичних навчальних
закладів, і всі зауваження та пропозиціїї для його удосконалення будуть сприйняті з вдячністю.
Автор висловлює глибоку подяку педагогічному колективу кафедри за участь в обговоренні та
формулюванні концептуальних засад викладання біохімії в системі вищої медичної освіти.
9Âñòóï. Á³îõ³ì³ÿ ÿê íàóêà
Das Sein ist ewig: denn Gesetze
Bewahren die Lebend’gen Schatze,
Aus welchen sich das All geschmuckt.
Johann-Wolfgang Goethe
Буття є вічним, тому що існують
Закони, що оберігають скарби Життя,
якими прикрашає себе Всесвіт.
Йоган-Вольфганг Гете
ВСТУП. БІОХІМІЯ ЯК НАУКА
Біологічна хімія (біохімія) — наука, предметом вивчення якої є хімічний склад
організмів людини, тварин, рослин, мікроорганізмів, вірусів та хімічні (біохімічні) реакції,
в які вступають біоорганічні (переважно) і біонеорганічні сполуки (біомолекули), що
входять до складу цих організмів.
Структура біомолекул, тобто хімічна будова і просторове розміщення окремих
атомів — конфігурація та конформація — є передумовою їх взаємодії та перетворень
у біохімічних реакціях, що складають “молекулярну логіку живого” (А. Ленінджер,
1982). Ці біохімічні перетворення становлять сутність обміну речовин (метаболізму).
Оскільки переважаюча більшість реакцій метаболізму здійснюється за участю білкових
каталізаторів — ферментів, основним завданням біохімії є вивчення перебігу
ферментативних реакцій, їх механізмів та регуляції.
Окрім суто хімічних перетворень, що супроводжуються змінами ковалентної
структури біомолекул, визначальну роль в біологічних процесах мають фізико-хімічні
закономірності, які становлять основу численних взаємодїй між комплементарними
сполуками — білками, нуклеїновими кислотами, оліго- та полісахаридами і низько-
молекулярними лігандами, в тому числі неорганічними речовинами. Такі нековалентні
(водневі, йонні, диполь-дипольні, гідрофобні) взаємодії беруть участь в утворенні
надмолекулярних комплексів та біоструктур, ферментативному каталізі, зв’язуванні
гормонів та медіаторів з рецепторами, імуноглобулінів (антитіл) з відповідними
структурами на поверхні лімфоцитів та макрофагів, міжклітинному “пізнаванні” тощо.
Об’єктами вивчення біохімії є живі організми на різних етапах еволюційного
розвитку: віруси, бактерії, рослини, тварини, організм людини як біологічний об’єкт.
Основні розділи біохімії:
1. Статична біохімія.
2. Динамічна біохімія.
3. Функціональна біохімія.
10 Á³îëîã³÷íà õ³ì³ÿ
Статична біохімія вивчає хімічний склад живих організмів та структуру
біоорганічних молекул — біомолекул, що входять до їх складу: білків, амінокислот,
нуклеїнових кислот, нуклеотидів, вуглеводів та їх похідних, вітамінів, гормонів тощо).
Сучасна статична біохімія за своїми об’єктами дослідження та методологією
близька до біоорганічної хімії. На відміну від біоорганічної хімії, біохімія приділяє
основну увагу значенню певних біомолекул в утворенні клітиних та тканинних
структур, реалізації фізіологічних функцій організму.
Динамічна біохімія вивчає хімічні (біохімічні) реакції, що складають у своїй
сукупності обмін речовин, або метаболізм живих організмів. Головними своїми
завданнями динамічна біохімія має вивчення перебігу та механізмів реакцій обміну
речовин, зокрема перетворень в живих організмах таких основних біомолекул, як
вуглеводи, ліпіди, білки, нуклеїнові кислоти. Прості біоорганічні молекули, які
утворюються в процесі метаболізму (моносахариди, жирні кислоти, амінокислоти,
низькомолекулярні карбонові кислоти та їх похідні, нуклеотиди тощо) носять назву
метаболітів.
Біоенергетика — розділ динамічної біохімії, що вивчає закономірності
вивільнення, акумуляцїї та споживання енергії в біологічних системах.
Розуміння структури та діяльності живих клітин неможливе без молекулярної
біології та молекулярної генетики — розділів біохімії та клітинної біології, що
розкривають закономірності збереження та реалізації генетичної інформації шляхом
вивчення будови та функціонування інформаційних макромолекул — нуклеїнових
кислот ДНК та РНК.
Розвиток молекулярної біології та молекулярної генетики сприяв виникненню
принципово нового етапу клітинної біології — генної інженерії, або біотехнології,
які вивчають можливості направлених змін ядерного генетичного апарату;
особливого значення набуває використання технології рекомбінантних ДНК для
синтезу фізіологічно активних сполук — антибіотиків, гормонів, ферментів.
Функціональна біохімія — розділ біохімії, що вивчає біохімічні реакції, які лежать
в основі певних фізіологічних функцій. Функціональна біохімія близька за своєю
сутністю до молекулярної фізіології.
Функціональна біохімія, зокрема, вивчає: біохімічні основи травлення поживних
речовин (білків, вуглеводів, ліпідів) в шлунково-кишковому тракті; біохімічні
механізми, що лежать в основі таких фізіологічних процесів, як м’язове скорочення,
генерація, проведення нервового імпульсу та вищі інтегративні функції нервової
системи, дихальна функція крові, регуляція кислотно-основного стану в організмі,
екзо- та ендокринна секреція, детоксикаційна функція печінки, видільна функція нирок,
захисна функція імунної системи тощо.
Головним об’єктом дослідження та вивчення в медичній біохімії є організм
людини. Біохімія людини, або медична біохімія — це розділ біохімії, який вивчає
закономірності обміну речовин та їх порушення в умовах як нормального
функціонування людського організму, так і виникнення патологічних процесів різного
11Âñòóï. Á³îõ³ì³ÿ ÿê íàóêà
генезу, зокрема спричинених дією на організм ушкоджуючих факторів біологічного,
хімічного, фізичного походження. З метою розв’язання біохімічних механізмів
виникнення хвороб в медичній біохімії широко використовується метод моделювання
певних патологічних процесів на експериментальних тваринах.
Клінічна біохімія є підрозділом (науково-практичною галуззю) медичної біохімії,
що вивчає біохімічні процеси, які відбуваються в організмі хворої людини, притаманні
окремим захворюванням, пов’язані з патогенезом хвороб, і дослідження яких може
бути використаним у діагностиці ураження певних органів, тканин, клітинних
структур. Важливим розділом клінічної біохімії є клінічна (медична) ензимологія.
Об’єктом вивчення цього розділу клінічної біохімії є перебіг ферментних реакцій в
організмі людини за умов різних захворювань шляхом визначення активності окремих
ферментів, ізоферментів та ферментних констеляцій в біологічних рідинах і біоптатах
та використання набутої інформації в діагностичному та лікувальному процесі.
12 Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
Розділ I. БІОМОЛЕКУЛИ ТА КЛІТИННІ СТРУКТУРИ
ГЛАВА 1. БІОХІМІЧНІ КОМПОНЕНТИ КЛІТИН
Біохімічний склад живих організмів суттєво відрізняється від хімічного складу
компонентів неживої природи на Землі та відомих космічних об’єктах.
Особливості хімічного складу живих організмів
У живих організмах в складі біоорганічних сполук та у вільному стані виявлено
більше 40 різних хімічних елементів, що знаходяться також у складі літосфери та
атмосфери.
Разом з тим, кількісний склад та розподіл хімічних елементів у живих
організмах та в земній корі суттєво відрізняються, тобто виникнення
життя в умовах Землі було пов’язане з
відбором хімічних елементів.
Так, зокрема, якщо в складі земної кори більше 1/3 її кількості займають Al та Si,
то вони практично відсутні в біологічних системах або зустрічаються у слідових
кількостях. З іншого боку, вуглець (С), азот (N), водень (Н) та фосфор (Р) скон-
центровані в живих організмах у кількостях, що в 20-200 разів перевищують їх вміст
у об’єктах неживої природи (табл. 1.1):
Т а б л и ц я 1.1. Вміст хімічних елементів (%) в земній корі та в організмі людини
Найбільшу кількість (більше 99 % елементного складу) в живих організмах
складають такі елементи, як вуглець (С), кисень (О), водень (Н), азот (N),
фосфор (P), сірка (S).
Ці елементи входять до складу всіх біоорганічних сполук живих організмів
(біомолекул) і отримали назву біоелементів, або органогенів.
Елемент Земна кора Тіло людини
Кисень (O) 50,0 63,0
Кремній (Si) 28,0 сліди
Алюміній (Al) 9,0 –
Залізо (Fe) 5,0 0,004
Водень (H) 0,9 10,0
Вуглець (C) 0,09 20,0
Фосфор (P) 0,08 1,0
Азот (N) 0,03 3,0
Сірка (S) 0,05 2,0
13Ãëàâà 1. Á³îõ³ì³÷í³ êîìïîíåíòè êë³òèí
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 біомолекул 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 хімічну сутність
життя в умовах Землі. Білки є біополімерами, що
складаються з двадцяти L-амінокислот, які утворилися
в умовах хімічної еволюції на етапі “переджиття”
(П.Тейяр де Шарден) і становлять разом з нуклеотидами
молекулярну абетку будь-якої живої клітини. Головний
внесок у становлення уявлень про пептидну будову
білкових молекул зроблено видатним німецьким хіміком-
органіком та біохіміком Е.Фішером.
Нуклеїнові кислоти та нуклеотиди. Нуклеїнові
кислоти — дезоксирибонуклеїнові (ДНК) та рибонук-
леїнові (РНК) — біополімери (біомакромолекули), що
складаються з п’яти основних нуклеотидів пуринового
та піримідинового ряду, є носіями генетичної інформації у всіх живих організмах,
починаючи від найпростіших вірусів до організму людини. Лінійна послідовність певних
мононуклеотидів у складі генетичних молекул нуклеїнових кислот детермінує
послідовність амінокислотних залишків у відповідному білку (пептиді). Сутність
генетичного (біологічного) коду полягає в тому, що послідовність із трьох нуклеотидів
(триплет, або кодон) у молекулі ДНК або РНК відповідає одній з 20 L-амінокислот,
що включається на певне місце пептидного ланцюга, який синтезується.
Рис. 1.1. Фішер (Fischer) Еміль
Герман (1852-1919).
Наукові розробки з хімії
пептидів, вуглеводів,
пуринів. Нобелівська
премія (1902).
14 Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
Відкриття нуклеїнових кислот — хімічних сполук,
вивчення структури та властивостей яких принципово
змінило обличчя сучасних біології та медицини, —
людство зобов’язане швейцарському лікарю та біохі-
міку Ф.Мішеру (1869 р.), який вперше виявив у клітин-
них ядрах (nucleus) фосфатовмісні сполуки кислого
характеру.
Сучасна молекулярна біологія народилася майже
через 100 років після відкриття Ф.Мішером нуклеїнових
кислот в результаті фундаментального дослідження
Дж.Уотсона (J.Watson) та Фр.Кріка (Fr.Crick) (1953 р.).
Дж.Уотсон та Фр.Крік постулювали для молекули
ДНК структуру типу “подвійної спіралі”, що стало пе-
редумовою розкриття основних закономірностей її
подвоєння — реплікації та пояснило фундаментальну
загадку життя — можливість консерватизму спад-
ковості шляхом копіювання спадкових ознак у прийдеш-
ніх поколіннях. Подальша розшифровка генетичного
коду, тобто відповідності послідовностей триплетів нуклеотидів в молекулах генетичних
нуклеїнових кислот послідовностям амінокислот в білкових молекулах, та з’ясування
біологічних функцій різних класів РНК дозволило сформулювати основні закономірності
молекулярної біології, які визначають напрямки перенесення біологічної інформації у
всіх живих системах:
Вуглеводи та їх похідні — клас біомолекул, що складається з моносахаридів,
гомо- та гетерополісахаридів. В організмі людини та тварин моносахариди (глюкоза,
фруктоза, галактоза) та гомополісахарид глікоген виконують енергетичні функції;
гетерополісахариди (до складу яких як мономери входять переважно аміноцукри-
гексозаміни та їх N-ацетильовані похідні) беруть участь в утворенні біологічних
структур (мембран, глікокаліксу, сполучної тканини).
Ліпіди та їх похідні — біомолекули різноманітної хімічної будови, головною
особливістю яких є їх гідрофобний характер. Ліпіди виконують численні біологічні
функції, виступаючи як енергетичний матеріал (триацилгліцероли, або нейтральні жири),
основа структури біомембран (фосфоліпіди, гліколіпіди), фізіологічно активні сполуки
з регуляторною дією (стероїдні гормони, жиророзчинні вітаміни, ейкозаноїди).
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. Вітаміни повинні постійно надходити
в організм у складі продуктів харчування, переважно рослинного (більшість
водорозчинних вітамінів) або тваринного (деякі жиророзчинні вітаміни) походження.
Гормони — біомолекули, що є передавачами хімічних сигналів у системі
ендокринної регуляції. Завдяки регуляторній дії гормонів, медіаторів нервової системи
та наявності локалізованих на клітинах-мішенях біохімічних структур, що специфічним
ДНК РНК
білок
Рис. 1.2. Мішер (Miescher) Іоган
Фрідріх (1844-1895).
Першовідкривач нуклеї-
нових кислот.