Современноечеловеческое общество живет и продолжает развиваться, активно используядостижения науки и техники, и практически немыслимо остановиться на этом путиили вернуться назад, отказавшись от использования знаний об окружающем мире,которыми человечество уже обладает. Накоплением этих знаний, поискомзакономерностей в них и их применением на практике занимается наука. Человекукак объекту познания свойственно разделять и классифицировать предмет своегопознания (вероятно, для простоты исследования) на множество категорий и групп;так и наука в свое время была поделена на несколько больших классов:естественные науки, точные науки, общественные науки, науки о человеке и пр.Каждый из этих классов делится, в свою очередь, на подклассы и т.д. и т.п.
Носреди этого многообразия наук есть науки «лидеры» и науки«отстающие». Одними из современных наук «лидеров» иявляются биология 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 тайнжизнедеятельности и на этой основе сделать решительный шаг в использованииновейших биологических открытий.»(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, аименно биологии. Большая часть современной естественнонаучной литературы в тойили иной мере посвящена исследованию именно живой природы. Биологическимипроблемами занимаются сейчас десятки наук. Очень продуктивными оказываются инауки, связанные с претворением новейших биологических открытий в жизнь.
Можнобез преувеличения сказать, что одной из таких отраслей приложения биологиимногие из 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, которыепозволяют воздействовать на болезнь в самом ее начале, а то и до начала! Этостало возможным в связи с исследованием молекулярных механизмов развитиямножества заболеваний и коррекцией нарушений не привычным методом введения ворганизм недостающих веществ, а путем воздействия на естественные процессыбиорегуляции (с помощью специальных биорегуляторов или на генетическом уровне).Решение множества ключевых проблем современности, таких как производствопродуктов питания, многих лекарств и других веществ связано с активнымвнедрением 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 решениибиологических проблем тесно переплетаются идеи и методы биологии, химии,физики, математики и других областей знания. Именно проблема взаимодействияхимии с биологическими дисциплинами и их приложениями в медицине и будет насинтересовать.
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), 21премия (больше половины! а ведь отраслей химии очень много) была получена зарешение химико-биологических проблем .
Этои неудивительно, ведь живая клетка это настоящее царство больших и малыхмолекул, которые непрерывно взаимодействуют, образуются и распадаются… Ворганизме человека реализуется около 100 000 процессов, причем каждый из нихпредставляет собой совокупность различных химических превращений. В однойклетке организма может происходить примерно 2000 реакций. Все эти процессыосуществляются при помощи сравнительно небольшого числа органических инеорганических соединений. Современная химия характеризуется переходом кизучению сложных элементорганических соединений, состоящих из неорганических иорганических остатков. Неорганические части представлены водой и ионамиразличных металлов, галогенов и фосфора (в основном), органические частипредставлены белками, нуклеиновыми кислотами, углеводами, липидами и достаточнообширной группой низкомолекулярных 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 можно встретить атомыводорода, кислорода, азота, углерода, фосфора и серы в составе органическихсоединений и атомы галогенов и бора как в виде ионов, так и в составеорганических частиц. Отклонение в содержании большинства из этих элементов вживых организмах часто приводит к достаточно тяжелым нарушениям метаболизма.
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, еслинарушается какое-то звено, то вся цепь в результате часто перестает выполнятьсвою передаточную функцию; останавливается нормальная работа клетки по синтезунеобходимых веществ.
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.) имономеры (гормоны, антибиотики, витамины и многие другие в-ва) .
Дляхимии особенно важно установление связи между строением вещества и егосвойствами, в частности, 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)химию природных соединений (биоорганическая и бионеорганическая химияbioorganic chemistry and inorganic biochemistry соответственно);
б)биохимию;
в)биофизику;
г)молекулярную биологию;
д)молекулярную генетику;
е)фармакологию и молекулярную фармакологию
имножество смежных дисциплин. В большей части современных биологическихисследований активно используются химические и физико-химические методы. Прогрессв таких разделах биологии, как цитология, иммунология и гистология, былнапрямую связан с развитием химических методов выделения и анализа веществ.Даже такая классическая «чисто биологическая» наука, как физиология,все более активно использует достижения химии и биохимии. В США НациональныеИнституты Здоровья (National Instituts of Health USA) в настоящее времяфинансируют 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, вчастности, иммуноферментный анализ, с помощью которого удается определятьналичие таких болезней, как СПИД и гепатит; применение новых методов химии иповышение чувствительности старых методов позволяет теперь определять множествоважных веществ не нарушая целостности кожного покрова пациента, по капле слюны,пота или другой биологической жидкости.
Итак,чем же занимаются все вышеперечисленные науки, являющиеся различными ветвямифизико-химической биологии?
Основойхимии природных соединений явилась традиционная органическая химия, котораяпервоначально рассматривалась как химия веществ, встречающихся в живой природе.Современная же органическая химия занимается всеми соединениями, имеющимиуглеродные (или замещенные гетероаналогами углерода) цепочки, а биоорганическаяхимия, исследующая природные соединения, выделилась в отдельную отрасль науки.Химия природных соединений возникла в середине XIX века, когда былисинтезированы некоторые жиры, сахара и аминокислоты (это связано с работамиМ.Бертло, Ф.Велера, А.Бутлерова, Ф.Кекуле и др.). Первые подобные белкамполипептиды были созданы в начале нашего века, тогда же Э.Фишер вместе сдругими исследователями внес свой вклад в исследование сахаров. Развитиеисследований по химии природных веществ продолжалось нарастающими темпамивплоть до середины XX века. Вслед за алкалоидами, терпенами и витаминами этанаука стала изучать стероиды, ростовые вещества, антибиотики, простагландины идругие низкомолекулярные биорегуляторы. Наряду с ними химия природныхсоединений изучает биополимеры и биоолигомеры (нуклеиновые кислоты, белки,нуклеопротеиды, гликопротеины, липопротеины, гликолипиды и др.). Основнойарсенал методов исследования составляют методы органической химии, однако длярешения структурно-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 магнитного резонанса, электронногопарамагнитного резонанса, дисперсии оптического вращения 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,выяснения связи строения и биологической функции, получения препаратов, ценныхдля практического использования;
г)биологическое тестирование полученных соединений.
Крупнейшимидостижениями химии природных соединений явились расшифровка строения и синтезбиологически важных алкалоидов, стероидов и витаминов, полный химическийсинтез 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 с открытием явления ферментативного катализа исамих биологических катализаторов ферментов, первые из которых былиидентифицированы и выделены в кристаллическом состоянии в 20х годах нашегостолетия. Биохимия изучает химические процессы, происходящие непосредственно вживых организмах и использует химические методы в исследовании биологическихпроцессов. Крупнейшими событиями в биохимии явились установление центральнойроли АТФ в энергетическом обмене, выяснение химических механизмов фотосинтеза,дыхания и мышечного сокращения, открытие трансаминирования, установлениемеханизма транспорта веществ через биологические мембраны и т.п.
Молекулярнаябиология возникла в начале 50х годов, когда Дж.Уотсон и Ф.Крик расшифровалиструктуру ДНК, что позволило начать изучение путей хранения и реализациинаследственной информации. Крупнейшие достижения молекулярной биологии открытиегенетического кода, механизма биосинтеза белков в рибосомах, основыфункционирования переносчика кислорода гемоглобина.
Следующимшагом на этом пути явилось возникновение молекулярной генетики, которая изучаетмеханизмы работы единиц наследственной информации генов, на молекулярномуровне. Одной из актуальнейших проблем молекулярной генетики являетсяустановление путей регуляции экспрессии генов перевод гена из активногосостояния в неактивное и обратно; регуляция процессов транскрипции итрансляции. Практическим приложением молекулярной генетики явилась разработкаметодов 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 ценных соединений, а такженормализовать баланс веществ, нарушившийся во время болезни. Суть геннойинженерии — 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 нуклеотидовнового фрагмента гена, отвечающего за синтез нужного нам вещества, вместе с такназываемыми регуляторами участками ДНК, обеспечивающими активность«своего» гена. Уже сейчас с помощью генной инженерии получают многиелекарственные препараты, преимущественно белковой природы: инсулин,интерферон, соматотропин и др. Фармакология — это наука о лекарственныхсредствах, действии различных химических соединений на живые организмы, оспособах введения лекарств в организмы и о взаимодействии лекарств между собой.Молекулярная фармакология изучает поведение молекул лекарственных веществвнутри клетки, транспорт этих молекул через мембраны и т.д. Человек началприменять лекарственные вещества очень давно, несколько тысяч лет назад.Древняя медицина практически полностью основывалась на лекарственных растениях,и этот подход сохранил свою привлекательность до наших дней. Множествосовременных лекарственных препаратов содержат вещества растительногопроисхождения или химически синтезированные соединения, идентичные тем, которыеможно обнаружить в лекарственных растениях. Один из самых ранних из дошедших донас трактат о лекарственных средствах был написан древнегреческим врачомГиппократом 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.Эрлиха попротивомалярийным средствам и производным мышьяковой кислоты. В настоящее времясинтезированы 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 широкоиспользовавшиеся ранее лекарства вытесняются из сферы применения из-за того,что появляются более эффективные аналоги, которые воздействуют на причинуболезни гораздо селективнее, имеют меньше противопоказаний и побочных эффектов.В 1995 году к применению в России было разрешено свыше 3 тысяч наименованийлекарственных препаратов, содержащих около 2 тысяч разнообразных химическихвеществ синтетического происхождения. Одним из крупных успехов фармакологиивторой половины нашего века явилось создание и внедрение в практикуантибиотиков широкого спектра действия: сульфамидных препаратов, витаминов,средств, влияющих на деятельность центральной нервной системы транквилизаторов,нейролептиков, психотомиметиков и др. Многие из этих лекарств были открыты ивпервые применены в России (фторофур, феназепам, циклодол, витаминные препаратыи мн.др.)
Внастоящее время в мире существует множество научных центров, ведущихразнообразные химико-биологические исследования. Странами-лидерами в этойобласти являются США, 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 центров являются Институтбиоорганической химии им.М.А.Шемякина и Ю.А.Овчинникова, Институт молекулярнойбиологии им.В.А.Энгельгардта, Институт органического синтеза им.Н.Д.Зелинского, Институт физикохимической биологии МГУ им.Белозерского и др. ВСанктПетербурге можно отметить Институт Цитологии РАН, химический и биологическиеф-ты Гос. Университета, Институт экспериментальной медицины РАМН, Институтонкологии 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 том числе определение полнойнуклеотидной последовательности генома человека), направленный транспортвеществ через биологические мембраны; разработка новых лекарств, новыхматериалов для медицинского 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 клонированиясельскохозяйственное животное овцу, которая была выращена из клетки вымениматери-овцы; дочерняя генетическая копия была названа Долли. Этосвидетельствует о том, что клонирование из сферы чисто научных экспериментовпереходит в сферу практики. Необходимо упомянуть и о лечении заболеваний новымметодом генотерапии изменением наследственности. Лечебный эффект достигаетсяпутем переноса «исправленного» гена либо с помощью ретровируса, либовнедрением липосом, содержащих генетические конструкции. Генотерапевтическиеметоды только зарождаются, но именно с их помощью уже была вылечена маленькаядевочка, больная муковисцидозом; особо перспективно применение генотерапии влечении болезней, передающихся по наследству или возникающих под действиемвирусов. Вероятно, с привлечением именно этих методов будут побеждены СПИД,рак, грипп и множество других, менее распространенных болезней.
Крометого, постоянно исследуются механизмы превращений химических веществ ворганизмах и на основе полученных знаний ведется непрекращающийся поисклекарственных веществ. Большое количество разнообразных лекарственных веществ внастоящее время 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 хозяйствеприменяются вещества, способные повысить урожаи (стимуляторы роста, гербициды идр.) или отпугнуть вредителей (феромоны, гормоны насекомых), излечить отболезней растения и животных и многие другие...
Всеэти вышеперечисленные 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.
Список литературы
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта schoolchemistry.by.ru/