Современное человеческоеобщество живет и продолжает развиваться, активно используя достижения науки итехники, и практически немыслимо остановиться на этом пути или вернуться назад,отказавшись от использования знаний об окружающем мире, которыми человечествоуже обладает. Накоплением этих знаний, поиском закономерностей в них и ихприменением на практике занимается наука. Человеку как объекту познаниясвойственно разделять и классифицировать предмет своего познания (вероятно, дляпростоты исследования) на множество категорий и групп; так и наука в свое времябыла поделена на несколько больших классов: естественные науки, точные науки,общественные науки, науки о человеке и пр. Каждый из этих классов делится, всвою очередь, на подклассы и т.д. и т.п.
Но средиэтого многообразия наук есть науки «лидеры» и науки«отстающие». Одними из современных наук «лидеров» и являютсябиология и медицина.
«Втораяполовина нашего столетия отмечена стремительным прогрессом биологических знанийи их приложений в разнообразных сферах жизни современного общества. В сущности,интерес человека к живой природе никогда не угасал, но лишь последниедесятилетия позволили приблизиться к пониманию удивительных тайн жизнедеятельностии на этой основе сделать решительный шаг в использовании новейших биологическихоткрытий.»(вице-президент АН СССР Ю.А.Овчинников,1987)
Пятидесятыегоды стали временем начала ренессанса биологии, которая «сумела заглянутьвнутрь клетки и разобраться в молекулярных механизмах рождения и развитияорганизмов» .
Существуетмнение, что XXI век станет веком биологии, а все остальные науки отойдут навторой план. Сбылось предсказание великого физика современности Н.Бора,который в 50х годах неоднократно заявлял, что в ближайшем будущем наиболееинтенсивное проникновение в тайны природы станет прерогативой не физики, а именнобиологии. Большая часть современной естественнонаучной литературы в той илииной мере посвящена исследованию именно живой природы. Биологическимипроблемами занимаются сейчас десятки наук. Очень продуктивными оказываются инауки, связанные с претворением новейших биологических открытий в жизнь.
Можно безпреувеличения сказать, что одной из таких отраслей приложения биологии многиеиз нас обязаны здоровьем и даже жизнью. Речь идет о медицине, которая внастоящие годы переходит не только к использованию лекарств нового поколения иприменению в практике новых материалов, но к таким методам лечения, которые позволяютвоздействовать на болезнь в самом ее начале, а то и до начала! Это сталовозможным в связи с исследованием молекулярных механизмов развития множествазаболеваний и коррекцией нарушений не привычным методом введения в организмнедостающих веществ, а путем воздействия на естественные процессы биорегуляции (с помощью специальных биорегуляторовили на генетическом уровне). Решение множества ключевых проблем современности,таких как производство продуктов питания, многих лекарств и других веществсвязано с активным внедрением в жизнь биотехнологий.
Стольощутимый прогресс биологии был бы невозможен без ее активного взаимодействия сдругими науками. Но парадокс современного состояния науки состоит в том, чтомножество исследований оказывается «на стыке наук», для продуктивногорешения проблемы приходится привлекать ученых различных специальностей; болеетого, многие ученые в настоящее время, в век узкой специализации, вынужденыовладевать смежными специальностями, и множество современных исследований струдом можно отнести к какой-нибудь одной отрасли науки. При решении биологическихпроблем тесно переплетаются идеи и методы биологии, химии, физики, математики идругих областей знания. Именно проблема взаимодействия химии с биологическимидисциплинами и их приложениями в медицине и будет нас интересовать.
Химикивторой половины XX века очень активно занимались исследованиями живой природы.В пользу этого тезиса может свидетельствовать хотя бы тот факт, что из 39Нобелевских премий по химии, врученных за последние 20 лет (1977-1996), 21 премия(больше половины! а ведь отраслей химии очень много) была получена за решениехимико-биологических проблем .
Это инеудивительно, ведь живая клетка это настоящее царство больших и малых молекул,которые непрерывно взаимодействуют, образуются и распадаются… В организмечеловека реализуется около 100 000 процессов, причем каждый из них представляетсобой совокупность различных химических превращений. В одной клетке организмаможет происходить примерно 2000 реакций. Все эти процессы осуществляются припомощи сравнительно небольшого числа органических и неорганических соединений.Современная химия характеризуется переходом к изучению сложныхэлементорганических соединений, состоящих из неорганических и органическихостатков. Неорганические части представлены водой и ионами различных металлов,галогенов и фосфора (в основном), органические части представлены белками,нуклеиновыми кислотами, углеводами, липидами и достаточно обширной группойнизкомолекулярных биорегуляторов, таких как гормоны,витамины, антибиотики, простагландины, алкалоиды,регуляторы роста и т.д.
Известно,что из множества химических элементов в состав живых организмов входят тольконекоторые элементы. Наиболее важными ионами металлов оказываются ионы натрия,калия, магния, кальция, цинка, меди, кобальта, марганца, железа и молибдена. Изнеметаллоидов в живых системах практически всегда можновстретить атомы водорода, кислорода, азота, углерода, фосфора и серы в составеорганических соединений и атомы галогенов и бора как в виде ионов, так и всоставе органических частиц. Отклонение в содержании большинства из этихэлементов в живых организмах часто приводит к достаточно тяжелым нарушениямметаболизма.
Большаячасть болезней обусловлена отклонением концентраций какого-либо вещества отнормы. Это связано с тем, что огромное число химических превращений внутриживой клетки происходит в несколько этапов, и многие вещества важны клетке несами по себе, они являются лишь посредниками в цепи сложных реакций; но, если нарушаетсякакое-то звено, то вся цепь в результате часто перестает выполнять свою передаточнуюфункцию; останавливается нормальная работа клетки по синтезу необходимыхвеществ.
Вподдержании нормальной жизнедеятельности организма очень велика рольорганических молекул. Их можно разделить по принципам, заложенным в ихконструкцию, на три группы: биологические макромолекулы (белки, нуклеиновыекислоты и их комплексы), олигомеры (нуклеотиды, липиды, пептиды и др.) и мономеры (гормоны, антибиотики, витамины имногие другие в-ва) .
Для химииособенно важно установление связи между строением вещества и его свойствами, вчастности, биологическим действием. Для этого используется множествосовременных методов, входящих в арсенал физики, органической химии, математикии биологии.
Всовременной науке на границе химии и биологии возникло множество новых наук,которые отличаются используемыми методами, целями и объектами изучения. Все этинауки принято объединять под термином «физико-химическая биология». Кэтому направлению относят:
а) химиюприродных соединений (биоорганическая и бионеорганическая химия bioorganic chemistry and inorganic biochemistryсоответственно);
б)биохимию;
в)биофизику;
г)молекулярную биологию;
д)молекулярную генетику;
е)фармакологию и молекулярную фармакологию
и множествосмежных дисциплин. В большей части современных биологических исследованийактивно используются химические и физико-химические методы. Прогресс в такихразделах биологии, как цитология, иммунология и гистология, был напрямую связанс развитием химических методов выделения и анализа веществ. Даже такаяклассическая «чисто биологическая» наука, как физиология, все болееактивно использует достижения химии и биохимии. В США Национальные ИнститутыЗдоровья (National Institutsof Health USA) в настоящеевремя финансируют направления медицинской науки, связанные с чисто физиологическимиисследованиями, гораздо меньше, чем биохимические, считая физиологию«неперспективной и отжившей свое» наукой. Возникают такие, кажущиесяна первый взгляд экзотическими науки, как молекулярная физиология, молекулярнаяэпидемиология и др. Появились новые виды медико-биологических анализов, в частности,иммуноферментный анализ, с помощью которого удается определять наличие такихболезней, как СПИД и гепатит; применение новых методов химии и повышениечувствительности старых методов позволяет теперь определять множество важных веществне нарушая целостности кожного покрова пациента, по капле слюны, пота илидругой биологической жидкости.
Итак, чемже занимаются все вышеперечисленные науки, являющиеся различными ветвямифизико-химической биологии?
Основой химии природных соединений явиласьтрадиционная органическая химия, которая первоначально рассматривалась какхимия веществ, встречающихся в живой природе. Современная же органическая химиязанимается всеми соединениями, имеющими углеродные (или замещенные гетероаналогами углерода) цепочки, а биоорганическая химия,исследующая природные соединения, выделилась в отдельную отрасль науки. Химияприродных соединений возникла в середине XIX века, когда были синтезированынекоторые жиры, сахара и аминокислоты (это связано с работами М.Бертло, Ф.Велера, А.Бутлерова, Ф.Кекуле и др.).Первые подобные белкам полипептиды были созданы вначале нашего века, тогда же Э.Фишер вместе с другимиисследователями внес свой вклад в исследование сахаров. Развитие исследованийпо химии природных веществ продолжалось нарастающими темпами вплоть до серединыXX века. Вслед за алкалоидами, терпенами и витаминами эта наука стала изучать стероиды, ростовые вещества, антибиотики, простагландины и другие низкомолекулярные биорегуляторы. Наряду с ними химия природных соединенийизучает биополимеры и биоолигомеры(нуклеиновые кислоты, белки, нуклеопротеиды, гликопротеины, липопротеины,гликолипиды и др.). Основной арсенал методовисследования составляют методы органической химии, однако для решенияструктурно-функциональных задач активно привлекаются и разнообразныефизические, физико-химические, математические и биологические методы. Основнымизадачами, решаемыми химией природных соединений, являются :
а)выделение в индивидуальном состоянии изучаемых соединений с помощьюкристаллизации, перегонки, различных видов хроматографии,электрофореза, ультрафильтрации, ультрацентрифугирования,противоточного распределения и т.п.;
б)установление структуры, включая пространственное строение, на основе подходоворганической и физической органической химии с применением масс-спектроскопии,различных видов оптической спектроскопии (ИК, УФ, лазерной и др.), рентгеноструктурного анализа, ядерного магнитногорезонанса, электронного парамагнитного резонанса, дисперсии оптическоговращения и кругового дихроизма, методов быстрой кинетики и др.;
в)химический синтез и химическая модификация изучаемых соединений, включая полныйсинтез, синтез аналогов и производных, с целью подтверждения структуры, выяснениясвязи строения и биологической функции, получения препаратов, ценных дляпрактического использования;
г)биологическое тестирование полученных соединений .
Крупнейшимидостижениями химии природных соединений явились расшифровка строения и синтезбиологически важных алкалоидов, стероидов ивитаминов, полный химический синтез некоторых пептидов,простагландинов, пенициллинов, витаминов, хлорофиллаи др. соединений; установлены структуры множества белков, нуклеотидныепоследовательности множества генов и т.д. и т.п.
Появлениенауки биохимии обычно связывают соткрытием явления ферментативного катализа и самих биологических катализаторовферментов, первые из которых были идентифицированы и выделены в кристаллическомсостоянии в 20х годах нашего столетия. Биохимия изучает химические процессы,происходящие непосредственно в живых организмах и использует химические методыв исследовании биологических процессов. Крупнейшими событиями в биохимииявились установление центральной роли АТФ в энергетическом обмене, выяснениехимических механизмов фотосинтеза, дыхания и мышечного сокращения, открытие трансаминирования, установление механизма транспортавеществ через биологические мембраны и т.п.
Молекулярная биологиявозникла в начале 50хгодов, когда Дж.Уотсон и Ф.Крикрасшифровали структуру ДНК, что позволило начать изучение путей хранения иреализации наследственной информации. Крупнейшие достижения молекулярной биологииоткрытие генетического кода, механизма биосинтеза белков в рибосомах,основы функционирования переносчика кислорода гемоглобина.
Следующимшагом на этом пути явилось возникновениемолекулярной генетики, которая изучает механизмы работы единиц наследственнойинформации генов, на молекулярном уровне. Одной из актуальнейших проблеммолекулярной генетики является установление путей регуляции экспрессии геновперевод гена из активного состояния в неактивное и обратно; регуляция процессовтранскрипции и трансляции. Практическим приложением молекулярной генетики явиласьразработка методов генной инженерии и генотерапии, которые позволяют модифицироватьнаследственную информацию, хранящуюся в живой клетке, таким образом, чтонеобходимые вещества будут синтезироваться внутри самой клетки, что позволяетполучать биотехнологическим путем множество ценныхсоединений, а также нормализовать баланс веществ, нарушившийся во времяболезни. Суть генной инженерии – рассечение молекулы ДНК на отдельные фрагменты, что достигается спомощью ферментов и химических реагентов, с последующим соединением; этаоперация производится с целью вставки в эволюционно отлаженную цепь нуклеотидов нового фрагмента гена, отвечающего за синтезнужного нам вещества, вместе с так называемыми регуляторами участками ДНК,обеспечивающими активность «своего» гена. Уже сейчас с помощью геннойинженерии получают многие лекарственные препараты, преимущественно белковойприроды: инсулин, интерферон, соматотропин и др.
Фармакология — это наука о лекарственных средствах, действииразличных химических соединений на живые организмы, о способах введениялекарств в организмы и о взаимодействии лекарств между собой. Молекулярная фармакология изучаетповедение молекул лекарственных веществ внутри клетки, транспорт этих молекулчерез мембраны и т.д. Человек начал применять лекарственные вещества оченьдавно, несколько тысяч лет назад. Древняя медицина практически полностьюосновывалась на лекарственных растениях, и этот подход сохранил своюпривлекательность до наших дней. Множество современных лекарственных препаратовсодержат вещества растительного происхождения или химически синтезированныесоединения, идентичные тем, которые можно обнаружить в лекарственных растениях.Один из самых ранних из дошедших до нас трактат о лекарственных средствах былнаписан древнегреческим врачом Гиппократом в IV веке до нашей эры.
Зачаткихимии лекарственных веществ появляются в период господства алхимии. Современнаяхимиотерапия ведет свой отсчет с начала XX века от трудов П.Эрлихапо противомалярийным средствам и производным мышьяковой кислоты. В настоящеевремя синтезированы десятки и сотни тысяч лекарственных веществ, и их поискпродолжается. Но число активно применяемых лекарств, конечно, значительноменьше. Не все вещества, синтезированные в качестве потенциального новоголекарственного вещества, находят свое применение на практике. Многие широко использовавшиесяранее лекарства вытесняются из сферы применения из-за того, что появляютсяболее эффективные аналоги, которые воздействуют на причину болезни гораздо селективнее, имеют меньше противопоказаний и побочныхэффектов. В 1995 году к применению в России было разрешено свыше 3 тысячнаименований лекарственных препаратов, содержащих около 2 тысяч разнообразныххимических веществ синтетического происхождения. Одним из крупных успеховфармакологии второй половины нашего века явилось создание и внедрение впрактику антибиотиков широкого спектра действия: сульфамидных препаратов,витаминов, средств, влияющих на деятельность центральной нервной системытранквилизаторов, нейролептиков, психотомиметикови др. Многие из этих лекарств были открыты и впервые применены в России (фторофур, феназепам, циклодол, витаминные препараты и мн.др.)
В настоящеевремя в мире существует множество научных центров, ведущих разнообразныехимико-биологические исследования. Странами-лидерами в этой области являютсяСША, европейские страны: Англия, Франция, Германия, Швеция, Дания, Россия и др. Существует множество научных центров, расположенных вМоскве и Подмосковье (Пущино, Обнинск, Черноголовка),Петербурге, Новосибирске, Красноярске, Владивостоке… Одни из ведущих центровявляются Институт биоорганической химии им.М.А.Шемякинаи Ю.А.Овчинникова, Институт молекулярной биологии им.В.А.Энгельгардта, Институт органического синтеза им.Н.Д.Зелинского, Институт физикохимическойбиологии МГУ им.Белозерского и др. В СанктПетербурге можно отметить Институт Цитологии РАН,химический и биологические ф-ты Гос. Университета,Институт экспериментальной медицины РАМН, Институт онкологии РАМН им. Петрова,Институт особо чистых биопрепаратов МЗиМП и т.п.
Основнымипроблемами, решаемыми в последние годы физико-химической биологией, являютсясинтез белков и нуклеиновых кислот, установление нуклеотиднойпоследовательности генома многих организмов (в томчисле определение полной нуклеотидной последовательностигенома человека), направленный транспорт веществчерез биологические мембраны; разработка новых лекарств, новых материалов длямедицинского использования, например, для биопротезирования.Особое внимание уделяется разработке биотехнологий, которые часто бывают болееэкономически выгодны, эффективны, чем традиционные «технические», неговоря уже об их экологической чистоте. Ведутся активные работы по клонированиюрастений и животных, а также по получению отдельных органов вне организма.Особо примечателен недавний успех швейцарских ученых ( первые сообщения впечати появились в конце февраля 1997 г.), получивших путем клонирования сельскохозяйственноеживотное овцу, которая была выращена из клетки вымени матери-овцы; дочерняягенетическая копия была названа Долли. Это свидетельствует о том, чтоклонирование из сферы чисто научных экспериментов переходит в сферу практики. Необходимоупомянуть и о лечении заболеваний новым методом генотерапииизменением наследственности. Лечебный эффект достигается путем переноса«исправленного» гена либо с помощью ретровируса,либо внедрением липосом, содержащих генетическиеконструкции. Генотерапевтические методы толькозарождаются, но именно с их помощью уже была вылечена маленькая девочка,больная муковисцидозом; особо перспективно применениегенотерапии в лечении болезней, передающихся понаследству или возникающих под действием вирусов. Вероятно, с привлечениемименно этих методов будут побеждены СПИД, рак, грипп и множество других, менеераспространенных болезней.
Кроме того,постоянно исследуются механизмы превращений химических веществ в организмах ина основе полученных знаний ведется непрекращающийся поиск лекарственныхвеществ. Большое количество разнообразных лекарственных веществ в настоящеевремя получают либо биотехнологически (интерферон,инсулин, интерлейкин, рефнолин,соматоген, антибиотики, лекарственные вакцины и пр.),используя микроорганизмы (многие из которых являются продуктом геннойинженерии), либо путем ставшего почти традиционным химического синтеза, либо спомощью физико-химических методов выделения из природного сырья (частейрастений и животных).
Другойбиологической задачей химии является поиск новых материалов, способных заменитьживую ткань, необходимых при протезировании. Химия подарила врачам сотниразнообразных вариантов новых материалов.
Кромемножества лекарств, в повседневной жизни люди сталкиваются с достижениямифизико-химической биологии в различных сферах своей профессиональнойдеятельности и в быту. Появляются новые продукты питания или совершенствуютсятехнологии сохранения уже известных продуктов. Производятся новые косметическиепрепараты, позволяющие человеку быть здоровым и красивым, защищающие его отнеблагоприятного воздействия окружающей среды. В технике находят применениеразличные биодобавки ко многим продуктам оргсинтеза. В сельском хозяйстве применяются вещества, способныеповысить урожаи (стимуляторы роста, гербициды и др.) или отпугнуть вредителей (феромоны, гормоны насекомых), излечить от болезней растенияи животных и многие другие…
Все этивышеперечисленные успехи были достигнуты с применением знаний и методовсовременной химии. В современной биологи и медицине химии принадлежит одна изведущих ролей, и значение химической науки будет только возрастать. «Стыкнаук» химии и биологии оказался на редкость плодотворным.
Химия в биологии, медицине и производстве лекарственныхпрепаратов.
Работа по химии
ученика 11-Бкласса
СивоваСемёна