Ю.А.Овчинников

БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

МОСКВА

«ПРОСВЕЩЕНИЕ 1987

ББК 28.072 0-35

Рецензенты:

директор Новосибирского института биоорганнческой химии Сибирского отделения АН СССР академик Д. Г. Кнорре;

директор Института иммунологии МЗ СССР академик К В- Петров

Овчинников Ю. А.

0-35 Биоорганическая химия.— М.: Просвещение, 1987.— 815 с: ил.

Книга охватывает практически все разделы биоорганической химии и весь к мплек вопросов нахо яшихсн на стыке ее молекулярн й биологией главным из которых является структурно-функциональное изучение важнейших компонентов живой материи. Б книге отражены современные научные достижении этой области, даны справочные сведения об исследователях, внесших существенный вклад в биоорганическую химию.

103(03)—87

С Издательство «Просвещенно, 1987

Моим учителям

ПРЕДИСЛОВИЕ

Юрий Анатолье ич Овчинников

(р. 1934), академик, вице-президент Академии наук СССР, председатель Секции химико-технологическим и биологических наук Президиума АН СССР. С 1970 г.— директор Институте биоорганической химии им. М. М Шемякина АН СССР, с 1972 г.— заведующий кафедрой биоор ген и ческой химии МГУ.

Ю. А. Овчинников — крупный ученый в области биоорганической химии и молекулярной биологии, химии и физико-химии белково-пептидных веществ. Автор более 500 работ, в том числе — известной монографии Мембрано-ак тивные комплексоны». Ю. А. Овчинников, Герой Социалистического Труда, лауреат Ленинской и Государственной премий СССР, почетный иностранный член академий наук НРБ, ГДР, ВНР, ЧССР. Испании, Швеции и Индии, член немецкой Академии естествоиспытателей « Лео по льдине», почетный доктор Гданьского университете (ПНР), Парижского университета (Франция), Уппсальского университете (Швеция), университета «Рикар до Пал-ма» (Перу), университета г. Гранада (Испании), Софийского университета [НРБ).

Вторая половина нашего столетия отмечена стремительным прогрессом биологических знаний и их приложений в разнообраз ных сферах жизни современного общества. В сущности, интерес человека к живой природе никогда не угасал, но лишь последние десятилетия позволили приблизиться к пониманию удивительных тайн жизнедеятельности и на этой основе сделать решительный шаг в использовании новейших биологических открытий для борьбы с болезнями, для решения продовольственной проблемы и охраны окружающей среды. На службу человеку наших дней, наряду с электроникой, атомной энергетикой и химией, пришла биотехнология.

Успехи биологической науки неоспоримы, они привлекают всеобщее внимание, рождают много смелых прогнозов и надежд. Но каким бы головокружитечьным ни казался взлет биологии и биотехнологии, сегодня мы находимся лишь в нвчале пути. Живая материя необычайно разнообразна и сложна, и принципы ее функционирования в норме, в изменившихся условиях или при патологии познать очень нелегко. Загадку представляют собой пока многие простые организмы, не говоря уже о высокоорганизованных существах и самом человеке. Требуются глубочайшие знания, настойчивость и самопожертвование, преданность делу и вдохновение, чтобы стать соучастником этого великого даижения вперед к познанию законов живого мира.

Биологическими проблемами занимаются сегодня десятки наук, в которых тесно переплетаются идеи и методы биологии, химии, физики, математики и других областей знания. Арсенал используемых биологией средств огромен. Именно в этом — один из источников ее бурного прогресса, основа достоверности ее выводов и суждений. Пути биологии и химии в познании механизмов жизнедеятельности пролегают рядом, и это естественно, ибо живая клетка— настоящее царство больших и малых молекул, непрерывно взаимодействующих, возникающих и исчезающих... Здесь находит сферу приложения и одна из новых наук — биоорганическая химия.

Становление биоорганической химии в мире проходило в конце 50-х — начале 60-х годов, и в тот же период это направление начало делать первые шаги в Советском Союзе. В нашей стране биоорганическая химия формировалась более целеустремленно и последовательно, опережая аналогичные шаги и тенденции за рубежом. Заслуга в этом принадлежала академику Михаилу Михайловичу Шемякину. Тогда ему оказали решительную поддержку руководители Академии наук А. Н. Несмеянов и Н. Н. Семенов, и уже в 1959 г. в системе АН СССР был создан базовый институт, а в 1963 г. организовано Отделение биохимии, биофизики и химии физиологически активных соединений АН СССР. Соратниками М. М. Шемякина в этой деятельности, а порой и борьбе, были академики А. Н. Белозерский и В. А. Энгельгардт; уже в 1965 г. академик А. Н. Белозерский основал Межфакультетскую лабораторию биоорганической химии МГУ, которая сейчас носит его имя.

Советская биоорганическая химия, возглавляемая мудрыми наставниками и обогащенная задором и вдохновением ее молодых энтузиастов, быстро завоевала достойные позиции на мировой арене. Устанавливаются плодотворные связи с ведущими лабора-

торнями мира - В. Прелогв (Швейцария), А. Тодда (Великобритания), Т. Виланда (ФРГ), Г. Кораны (США), Э. Ледерера (Франция), С. Акабори (Япония) и др., начинается регулярный обмен информацией и сотрудниками. Близкая дружба завязывается с коллективами Института органической химии и биохимии Чехословацкой Академии наук в Праге, институтов органической химии в Со фии и Шанхае, университетов в Будапеште и Гданьске.

В 60-е годы в СССР, прежде всего в И нституте химии природных соединений АН СССР, проводятся получившие мировое признание работы по синтезу стероидных гормонов и антибиотиков, включая полный синтез тетрациклина, крупные исследования по химии углеводов, липидов и пептидов. Советская наука завоевывает признанный приоритет в биоорганической химии мембран. В последующий период ведущие позиции нашей страны были закреплены в исследовании многих белков и полисахаридов, транспортных и информационных нуклеиновых кислот, в создании ряда лекарственных препаратов (фторафур, феназепам и др.).

Сегодня работы в области биоорганической химии проводятся в СССР широким фронтом, охватывая все важнейшие направления, в том числе синтез белков и генов. В системе Академии наук СССР созданы и успешно развиваются институты биоорганической химии во Владивостоке, Киеве, Минске, Новосибирске и Ташкенте, в этом направлении плодотворно трудятся академические институты Алма-Аты, Душанбе, Еревана, Казани, Кишинева, Ленинграда, Москвы, Новосибирска, Одессы, Пущине, Риги, Таллина, Ташкента, Тбилиси, Уфы, Фруизе и других городов. Заметный вклад вносят также научные учреждения медицинского и сельскохозяйственного про фил я отраслевые научно-исследовательские институты. Велики заслуги в подготовке кадров и проведении актуальных исследований кафедры химии природных соединений МГУ, кафедры химии и технологии тонких органических соединений Московского института тонкой химической технологии им. М. В. Ломоносова, университетов Ленинграда, Новосибирска, Риги, Ростова, Свердловска, Тарту.

Становление биоорганической химии, химии природных и физиологически активных веществ в СССР опиралось на достижения выдающихся представителей отечественной химической школы — Н. Д. Зелинского, А. Е. Чичибабина, С. С. Наметкина, А. Н. Баха, В. М. Родионова, В. В. Феофилактова, А. П. Орехова, А. Е. Арбузова, Н. А. Преображенского. В современный период крупными достижениями в этой области, получившими высокую оценку в СССР и за рубежом, отмечены исследования академиков Б. А. Арбузова,

A. А. Баева, А, Е. Браунштейна, В. А. Говырина, М. И. Кабачника Д Г. Кнорре, М. Н. Колосова, Н. К. Кочеткова, Р. В. Петрова, И. Я. Постовского А. С. Садыкова, Г. К. Скрябина, Е. И. Чазова, М. X. Чайлахяна, членов-корреспондентов АН СССР Л. Д. Бергельсона, В. Ф. Быстрова, М. Г. Воронкова, Р. П. Евстигнеевой, Г. Б. Елякова, Ю. А. Жданова, В. Т. Иванова, В. А. Кабанова,

B. II. Мамаева, И. В. Мартынова, Н. Н. Мельникова, О. М. Нефедова, М. А. Прокофьева, Л. А. Сандахчиева, Е. Д. Свердлова, В. П. Скула-чева В. Н. Смирнова, Г. А. Толстикова, И. В. Торгова, Р. М. Хо-мутова, А. С. Хохлова, С. Ю. Юнусова, академиков АМН СССР и республиканских академий А. А. Ахрема, Ф. С. Бабичева,

A. В- Богатского, Г. Я. Ванаг С. А Вартаняна С. А. Гиллера, Г. В. Лазурьевского, А. Л. Мнджояна, С. М. Навашииа, В. Н. Орехо-вича, К. Т. Пороши на, Г. И. Чипенса. Н. А. Юдаева, члена-корреспондента АМН СССР Ю. А. Панкова, профессоров С. М. Аваевой,

B. К. Антонова. В. Н. Белова, М. Г. Бражниковой, Э. И. Бу донского, Е. Д. Каверзневой, М. Я. Карпейского, А. Ю. Магидсона, Г. В. Меньшикова, Г. И. Самохвалова, Е. С. Северина, С. Б. Серебряного, А. П. Сколдинова, Н. Н. Суворова, А. И. Усова, А. Я. Хорлина,

О. С. Чижова, Л. А. Щукиной и многих других. Я посчитал своим долгом отметить имена советских ученых в первой отечественной книге по биоорганической химии не только в знак признания их достижений, но и с уверенностью в том, что позиции этой науки будут и дальше крепнуть, способствуя росту ее международного авторитета.

Биоорганическая химия — это фундаментальная наука на стыке химии и биологии, она способствует раскрытию принципов функционирования живых систем. Но она имеет и выраженную практическую направленность, являясь теоретической основой получения новых ценных соединений для медицины и сельского хозяйства. Наука призвана служить обществу, человеку, а в наше время путь от открытия до его реализации резко сокращается. Поэтому нет ничего удивительного в том, что в книге обсуждаются и проблемы промышленного получения новейших препаратов на основе методов тонкого органического синтеза или биотехнологии.

Книгу такого рода писать непросто, ибо, по определению биоорганическая химия охватывает химию всех веществ живой клетки, а этих веществ десятки и сотни тысяч... Пришлось учитывать тенденции развития мировой науки, а в какой-то степени следовать моде и личным интересам. Не последнее слово принадлежало здесь моим коллегам и ученикам.

Главное место в книге занимают белки и нуклеиновые кислоты, и это закономерно. Не только потому, что они наиболее универсальны среди других «молекул жизни», но и потому, что с их познанием связаны подлинно революционные прорывы в биологической науке XX в. Шире, чем первоначально планировалось, представлены углеводы, поскольку их значение неуклонно растет и в будущем, по всей вероятности, станет решающим. Липиды и мембраны также выдвинуты на передовые позиции, и эта их новая роль сейчас общепризнанна — ив биоэнергетике, и в регуляции, и в развитии... В изложении главы по низкомолекулярным биорегуляторам, как природным, так и синтетическим, пришлось быть особенно лаконичным, ибо одни лишь пенициллины легко могли бы дать содер жательнейший материал для целого учебника или монографии. Но в целом этот раздел отражает непреходящее значение традиционной химии природных соединений, давшей импульс развитию биоорганической химии наших дней.

Наконец, общепризнанно, что «историю делают люди». Это справедливо и для науки. Думаю, что книга выигрывает, когда мы знакомимся с главными участниками становления и развития увлекшей нас области знания, от далеких предков до сегодняшних дней...

В основу книги положен годичный курс биоорганической химии, читаемый для студентов биологического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова и факультета физико-химической биологии и биотехнологии Московского физико-технического института. Подготовка студентов, слушающих курс, осуществляется иа базе Научно-учебного центра Института био-оргаиической химии им. М. М. Шемякина АН СССР, где параллельно проводятся семинарские и практические занятия. Следует подчеркнуть, что построение курса и его направленность во многом диктовались задачами развития данной области науки в СССР и были непосредственно связаны с тематикой ведущих академических институтов страны.

В создании книги принимали участие мои коллеги, непосредственно работающие над проблемами биоорганической химии и вносящие немалый творческий вклад в ее развитие в нашей стране. Особо отмечаю сотрудников Научно-учебного центра нашего института, в активе которых сегодня не только написанные главы про-

веденные семинары и прочитанные лекции, но и воспитанные ими десятки молодых научных работников института, пытливый ум и беспокойный характер которых являются живительным родником новых идей и достижений шемякинцев

Я сердечно благодарю членов-корреспондентов АН СССР В. Т. Иванова и Е. Д. Свердлова, докторов химических наук В. М. Липки на, Н. Г. Абдулаева, Е. В. Гришина, Г. М. Сегаля, кандидатов химических наук Н А. Алданову Л. И. Барсукова, В. Б. Берзина, В. Л. Воейкова, В. Н. Граменицкую, М. Б. Костину, Г. С. Монастырскую, В. А. Несмеянова, А. Н. Обухова, Т. В. Овчинникову, В. В. Оноприенко, И. В. Северцову, Т. И. Соркину, О. А. Чуп-рунову и многих, многих других, кто разделил со мной трудности, волнения и раздумья в нетрадиционной для академического института работе над такой книгой. Я сердечно благодарю и моих коллег из зарубежных стран, приславших фотографии и многие ценные материалы.

Конечно, работа над книгой потребовала немало времени и сил, спрессовав до предела минуты отдыха. Но я встречал полное понимание в своей деятельности и в Академии наук, и в институте, и в моей семье... В конце концов эта работа меня увлекла, и я понимаю, что она будет продолжаться. Книги, даже общеобразовательные, всегда отражают этап в развитии науки, а наука никогда не стоит на месте. Поэтому, представляя эту книгу на суд специалистам, коллегам и тем, кому она в первую очередь предназначена, я надеюсь, что на ближайшие годы она сохранит свою актуальность и займет свое место на рабочем столе того, кто учится и работает.

Академик Ю. Овчинников

ВВЕДЕНИЕ

Гиппократ [Hippokratei| (460—377 до н. э) древнегреческий врач, реформатор античной медицины. Образование получил под руководством своего отца Гераклнда. Занимался врачебной практикой ¦ Греции, Малой Азии, Ливии, у скифов. Заложил основы клинической медицины. С именем Гиппократа связано представление о высоком моральном облике врача (клятва Гиппократа).

Гален [Galenusl Клавдий (129 — ок. 201), древнеримский врач и естествоиспытатель. Обобщил представления античной медицины в виде единого учения, оказавшего существенное влияние на развитие естествознания вплоть до XV — XVI вв. Из растительного и животного сырья получал лекарственные средства, гак называемые галеновы препараты. Создал первую в истории науки концепцию о движении крови.

Современный человек знает очень много. Бережно храня духовные и материальные ценности ушедших эпох, обогащаясь опытом предшествующих поколений и постоянно вскрывая новые законы природы и общества, человек неуклонно двигается вперед, к манящим вершинам познания. Путь этот непрост, порой извилист и тернист, и каждый шаг требует нелегких усилий, мужества и вдохновения. Но настойчивый поиск всегда бывает вознагражден еще одной золотой крупице*й знания, удивительным ощущением прикосновения к истине...

Накоплением знаний, анализом явлений и фактов занимается наука. Если в период своего зарождения наука была единой, неделимой и эта прекр