асная, органически свойственная ей черта особенно ярко проявилась в энциклопедических трудах, великих мыслителей древности, то позднее наступила пора дифференциации науки. Из унитарной, стройной системы естествознания как единого целого возникли математика, физика, химия, биология и медицина, а в науках об обществе оформились история, философия, право...

Это неизбежное дробление науки, отражающее объективные процессы в развитии мира, продолжается и сегодня — появились кибернетика, ядерная физика, химия полимеров, океанология, экология, онкология и десятки других наук. Веянием времени стала и узкая специализация ученых, целых коллективов. Конечно, это отнюдь не исключает становления и воспитания широко образованных ученых с блестящей эрудицией, и мировая наука знает немало тому примеров.

И все же вопрос закономерен — не утрачивается ли в таком случае возможность осмысления целостной картины окружающего мира, не мельчает ли порой постановка проблем, не ограничиваются ли искусственно поиски путей их решения? Особенно для тех, кто только начинает свой путь к знаниям..

Отражением этого противоречия и прямым следствием действия законов диалектики явилось встречное даижение наук по пути к взаимному обогащению, взаимодействию и интеграции. Появились математическая лингвистика, химическая физика биологическая химия... Что будет конкретным и конечным итогом этого непрерывного искания, постоянной смены целей и объектов исследования, предсказать пока трудно, но одно является очевидным — в конечном итоге человек достигнет прогресса и в тех областях знания, которые совсем недавно казались окутанными покровом глубокой тайны...

Одним из ярких примеров является та область науки, которая лежит на границе биологии и химии. Что же объединяет эти научные дисциплины, в чем смысл их взаимодействия? Ведь биология была и, пожалуй, еще долгое время будет одной из самых загадочных областей знания, и в ней остается немало «белых пятен». Химия же, напротив, относится к разряду наук наиболее устоявшихся, точных, в ней основные закономерности выяснены и проверены временем. И тем не менее факт остается фактом — уже давно химия и биология идут навстречу друг другу. Когда это началось, вряд ли можно сейчас установить... Попытки объяснения явлений жизнедеятельности с позиций точных наук мы находим еще у мыслителей древнегреческой и древнеримской цивилизации» более отчетливо подобные идеи формулировались в трудах выдающихся представителей науч-

ной мысли средневековья и эпохи Возрождения. К концу XVIII в. было достоверно установлено, что в основе проявления жизни лежат химические превращения веществ, порой простых, а зачастую удивительно сложных. И именно с этого периода начинается подлинная летопись о союзе двух наук, летопись, богатая ярчайшими фактами и эпохальными открытиями, фейерверк которых не прекращается и в наши дни...

Крупнейшим событием можно считать рождение органической химии которая первоначально рассматривалась как химия веществ, встречающихся в живой природе. На первых этапах в ней господствовали виталистические воззрения, утверждавшие, что химические соединения, выделяемые из живых организмов, не могут быть получены искусственным путем, без участия магической «жизненной силы». Сокрушительный удар сторонникам витализма был нанесен работами Ф. Вёлера, получившего типичное ве\цество животного происхождения — мочевину из цианата аммония. Последующими исследованиями позиции витализма были окончательно подорваны. В середине XIX в. органическая химия определяется уже как химия соединений углерода вообще — будь то вещества природного происхождения или синтетические полимеры, красители или лекарственные препараты.

Один за другим преодолевала органическая химия барьеры, стоящие на пути к познанию живой материи. В 1842 г. Н. Н. Зинин осуществил синтез анилина, в 1854 г. М. Бертло получил синтезом ряд сложных органических веществ, в том числе жиры. В 1861 г. А. М. Бутлеровым впервые было синтезировано сахаристое вещество — метиленитан, к концу столетия успешно осуществляются синтезы ряда аминокислот и жиров, а начало нашего века ознаменовалось первыми синтезами белковоподобных полипептидов. Это направление, развивавшееся стремительно и плодотворно, оформилось к началу XX в. в самостоятельную химию природных соединении. К числу ее блистательных побед можно отнести расшифровку строения и синтез биологически важных алкалоидов, терпе-ноидов, витаминов и стероидов, а вершинами ее достижений в середине нашего века надо считать полные химические синтезы хинина, стрихнина, резерпина, пенициллина и простагландинов.

С другой стороны, использование химических методов в исследовании непосредственно биологических процессов привело в самом конце прошлого века к рождению биохимии. Ее появление обычно связывают с открытием энзиматического катализа и самих биологических катализаторов — ферментов, идентифицированных несколько позднее в качестве особых веществ и выделенных в кристаллическом виде в середине 20-х — начале 30-х годов. Крупнейшими событиями в биохимии я вились установление центральной роли АТР в энергетическом обмене, выяснение химических механизмов фотосинтеза, дыхания и мышечного сокращения, открытие транс аминирования — а в итоге познание основных принципов обмена веществ в живом организме. В начале 50-х годов Дж. Уотсон и Ф. Крик расшифровали структуру ДНК, дав человечеству знаменитую двойную спираль, и ученый мир салютовал рождению новой науки о путях хранения и реализации генетической информации — молекулярной биологии.

Именно в этот период происходят качественные изменения в химии природных соединений она вплотную приступает к химическому изучению сложнейших веществ живой природы, в том числе биополимеров. Основной акцент делается на изучение связи между их строением и биологической функцией, что имеет фундаментальное значение для понимания природы процессов жизнедеятельности. Л. Полинг открывает а-спиральные структуры в белках, Ф. Сенгер устанввливает аминокислотную последовательность

9

Введение

Иби Сине |Авнценнв|, Абу Али Хусейн Ибн Абдуллам (ок. 980—1037), крупнейший врач средневековья, ученый-энциклопедист. Родился • Афшлне (близ Бухары), жил в Средней Азии и Иране, занимал должность враче и визиря при различных правителях. Будучи одним из основоположников химии, сыграл выдающуюся роль в установлении связи между химией и медициной. Описал много лекарственных средств растительного, животного и минерального происхождения. Мировую известность получил его основной медицинский труд «Канон врачебной науки» — свод медицинских знаний того времени, в течение пяти веков считавшийся важнейшим врачебным руководством (более 30 латинских изданий) и оказавший громадное влияние на развитие естествознания, медицины и фармакологии во всех странах миря.

первого белка — инсулина, успешно завершается синтез первого пептидного гормона — окситоцина. Р- Вудворду удается осуществить полные химические синтезы хлорофилла и витамина В, . Эти выдающиеся достижения химии, ставшие предвестником ее широкого наступления по всему фронту биологии, и означали собой, по существу, превращение химии природных соединений в современную биоорганическую химию. Темпы работ продолжали непрерывно нарастать, решвемые проблемы становились еще более сложными по выполнению и более значительными по их влиянию на прогресс знаний о живой природе. Совершенствование методического арсенала позволило начать широкие структурные исследования сложных белков и нуклеиновых кислот, осуществить полные синтезы первых белков и генов. Другими словами, перейти к тому этапу, который характеризует развитие биоорганнческой химии в настоящее время...

Вместе с биохимией, биофизикой и молекулярной биологией бноорганическая химия составляет сегодня единый фронт физико химической биологии, прогресс которой является одним из значительных явлений в естествознании нашего времени.

ПРЕДМЕТ БИООРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Биоорганическая химия изучает строение и биологические функции важнейших компонентов живой материи, в первую очередь биополимеров и ннзкомолекулярных биорегуляторов, уделяя главное внимание выяснению закономерностей взаимосвязи между структурой и биологическим действием. По существу она является химическим фундаментом современной биологии.

Разрабатывая основополагающие проблемы химии живого мира, биоорганическая химия способствует решенною задач получения практически важных препаратов для медицины, сельского хозяйства, ряда отраслей промышленности.

Объекты изучения: белки и пептиды, нуклеиновые кислоты, углеводы, липнды, биополимеры смешанного типа — глико-протеины, нуклеопротеины, липопротеииы, гликолипиды и т. п.; алкалоиды, терпеиоиды, витамины, антибиотики, гормоны, простагландины, ростовые вещества, феромоны, токсины, а также синтетические лекарственные препараты, пестициды и др.

Методы исследования: основной арсенал составляют методы органической химии* однако для решения структурно-функциональных задач привлекаются и разнообразные физические, физико-химические, математические и биологические методы.

Основные задачи: выделение в индивидуальном состоянии изучаемых соединений с помощью кристаллизации, перегонки, различных видов хроматографии, электрофореза, ультрафильтра-цни, ультрацентрнфугнрования, противоточного распределения и т, п.; установление структуры, включая пространственное строение, на основе подходов органической и физико-органической химии с применением масс-спектрометрии, различных видов оптической спектроскопии (ИК, УФ, лазерной и др.), рентгеноструктурного анализа, ядерного магнитного резонанса, электронного парамагнитного резонанса, дисперсии оптического вращения и кругового дихроизма, методов быстрой кинетики и т. п. в сочетании с расчетами на ЭВМ; химический синтез и химическая модификация изучаемых соединений, включая полный синтез, синтез аналогов и производных,— с целью подтверждения структуры, выяснения связи строения и биологической функции, получения практически ценных препаратов; биологическое тестирование полученных соединений in viiro и in vivo.

Круг интересов биоорганической химии необычайно широк — это и мир веществ, выделяемых из живой природы и играющих важную роль в жизнедеятельности, н мир искусственно получаемых органических соединений, обладающих биологической активностью. Естественно, описать все такие вещества и их свойства, даже при учете лишь соединений с известной структурой, в рамках данной книги не представляется возможным — их насчитывается сотни тысяч и число их непрерывно растет.

Полный перечень биологически значимых соединений, если это потребуется, можно найти в соответствующих монографиях, оригинальных и обзорных статьях, в многочисленных справочниках и банках данных.

Задача настоящей книги — дать понятие о характере изучаемых биоорганической химией объектов, рассказать о главных представителях важнейших классов веществ, описать приемы и методы исследования, коснуться ряда актуальных проблем — словом,

Ломоносов Михаил Васильевич

(1711—1765), первый русский ученый-естествоиспытатель, физик и химик, поэт, художник, первый русский академик Петербургской АН (1745). Образование получил в Славяно-греко-латинской академии в Москве, Петербургском академическом университете, Марбургском университете и Школе горного дела во Фрайбурга; с 1745 г.— профессор Петербургской АН. Основал при АН первую в России химическую лабораторию (1748). В 1755 г. по инициативе М. В. Ломоносове основан Московский университет. Развивал атомно-молекулирные представления о строении вещества, сформулировал принцип сохранения материи и движения Заложил основы фи зической химии, исследовел атмосферное электричество, описал строение Земли, открыл атмосферу на Венере.

12 ввести читателя в круг вопросов, которые характеризуют биоорга-

~ Z иическую хнмию наших дней.

Предмет биоорганической Исторический очерк. Химическое изучение веществ природного

химии происхождения берет свое начало в глубокой древности. Собствен-

но, самой химии тогда еще не существовало, она, скорее, как раз и формировалась в процессе получения из природных источников продуктов питания, лекарств, различных средств, применявшихся

Пара цел ьс (Paracelsus) Теофраст (настоящее имя Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм von Hohen-helm) (1493—1541), швейцарский есте-стпоиспыта ель и рач, один из осно вателей ятрохимии. Образование получил в Ферраре и Базеле (1513— 1515), работал врачом, в 1526—1528 гг.— профессор университета в Базеле. Изучал действие различных химических веществ, выделял лекарства из растений и способствовал внедрению химических препаратов в медицину.

1 он 1 I

н он н н

он

Индикан

Н

н

Индиго

Н

/Диброминдиго

(C3H5)2N

I |

N(C2Hs)j

(НООС—COO)

Бриллиантовая зелень CI

Фенолфталеин

NH— CH-CH2CH2CH2N(C,Hj, СНз

Акрихин

(сНзЬЙ^^5>Ч^Лм(СНзЬ

Мегиленовый опубой

человеком в быту. Целесообразно кратко проиллюстрировать это отдельными примерами, в частности из истории открытия красителей и лекарственных препаратов, н проследить основные этапы изучения химии таких веществ с древнейших эпох и до наших дней. Поскольку знание истории способствует лучшему пониманию современности, в каждом разделе книги приводится историческая справка, содержащая важнейшие события, имена и даты.

Живая природа как источник ценных, полезных веществ начала привлекать человека задолго до нашей эры. В Месопотамии, Египте, Китае, Индии и Греции уже тогда умели выделять из растительного и животного сырья разнообразные красители, использовали процессы термической обработки, брожения, экстракции для получения пищи и питательных вещеста, знали сотни рецептов приготовления экстрактов и настоев лекарственных трав.

В истории химии природных веществ одна из интересных глав связана с красителями. Более 1500 лет до и. э. в Древнем Египте широко использовали листья растения индигофера (Indigofera heguminosae) для выделения природного красителя индиго. Древние египтяне, индусы и персы хорошо эналн и другой природный краситель— из корней марены (Rubia linciorium) ализарин. На малоазиатском берегу Средиземного моря найдены остатки красилен, где финикияне в XIV — XV вв. до н. э. выделяли из редких моллюсков (так называемых пурпурных улиток, или багрянок) краситель античный пурпур.

Согласно современным представлениям, в растениях-индигоферах содержится не индиго, а индикан — бесцветный гликоэнд индоксила: образующийся в результате ферментативного гидролиза иконка на свободный индоксил при окислении кислородом воздуха превращается в индиго.

Строение индиго было выяснено к 1883 г. (А. Байер); большое значение для выяснения химической природы индиго имело получение а ни чина (арабское название индиго — анил) при перегонке индиго с едким кали (1840. Ю. Фрицше), а также получение индола при перегонке индиго с цинковой пылью (1866, А. Байер). Впервые синтез индиго осуществлен А. Байером.

Античный пурпур, или пурпур древних, представляет собой 6 6 диброминдиго его строение установлено в 1909 г. П. Фридлендером в Германии.

Ализарин — представитель