Хімія в
біології, медицині та виробництві лікарських препаратів.
Сучасне
людське суспільство живе і продовжує розвиватися, активно використовуючи
досягнення науки і техніки, і практично неможливо зупинитися на цьому шляху
або повернутися назад, відмовившись від використання знань про навколишній світ,
якими людство вже володіє. Накопичення цих знань, пошуком
закономірностей в них та їх застосуванням на практиці займається наука. Людині
як об'єкта пізнання властиво розділяти і класифікувати предмет свого
пізнання (ймовірно, для простоти дослідження) на безліч категорій і груп;
так і наука у свій час була поділена на кілька великих класів:
природничі науки, точні науки, суспільні науки, науки про людину і пр.
Кожен з цих класів ділиться, у свою чергу, на підкласи і т.д. і т.п.
Але серед цього
різноманіття наук є науки "лідери" і науки "відстають".
Одними з сучасних наук "лідерів" і є біологія та медицина.
"Друга
половина нашого століття відзначена стрімким прогресом біологічних знань
та їх додатків у різноманітних сферах життя сучасного суспільства. По суті,
інтерес людини до живої природи ніколи не згасав, але лише останні
десятиліття дозволили наблизитися до розуміння дивних таємниць
життєдіяльності і на цій основі зробити рішучий крок у використанні
новітніх біологічних відкриттів. "(віце-президент АН СРСР Ю. А. Овчинников, 1987)
П'ятдесяті
роки стали часом початку ренесансу біології, яка "зуміла заглянути
всередину клітки і розібратися в молекулярних механізмах народження і розвитку
організмів ".
Існує
думка, що XXI століття стане століттям біології, а всі інші науки відійдуть на
другий план. Збулося пророкування великого фізика сучасності Н. Бора, який в 50-х роках неодноразово
заявляв, що в найближчому майбутньому найбільш інтенсивне проникнення в таємниці
природи стане прерогативою не фізики, а саме біології. Більша частина
сучасної природничо-наукової літератури в тій чи іншій мірі присвячена
дослідженню саме живої природи. Біологічними проблемами займаються зараз
десятки наук. Дуже продуктивними виявляються і науки, пов'язані з перетворенням
новітніх біологічних відкриттів в життя.
Можна без
перебільшення сказати, що однією з таких галузей програми біології багато
з нас зобов'язані здоров'ям і навіть життям. Мова йде про медицину, яка в
справжні роки переходить не тільки до використання ліків нового покоління і
застосування в практиці нових матеріалів, але до таких методів лікування, які
дозволяють впливати на хворобу на самому її початку, а то й до початку! Це
стало можливим у зв'язку з дослідженням молекулярних механізмів розвитку
безлічі захворювань і корекцією порушень не звичним методом введення в
організм відсутніх речовин, а шляхом впливу на природні процеси
біорегуляції (за допомогою спеціальних біорегуляторів або на генетичному рівні).
Вирішення багатьох ключових проблем сучасності, таких як виробництво
продуктів харчування, багатьох ліків та інших речовин пов'язано з активним
впровадженням в життя біотехнологій.
Настільки відчутний
прогрес біології був би неможливий без її активної взаємодії з іншими
науками. Але парадокс сучасного стану науки полягає в тому, що безліч
досліджень виявляється "на стику наук", для продуктивного рішення
проблеми доводиться залучати вчених різних спеціальностей, більше того,
багато вчених в даний час, у вік вузької спеціалізації, змушені
оволодівати суміжними спеціальностями, і безліч сучасних досліджень з
важко віднести до якої-небудь однієї галузі науки. При вирішенні
біологічних проблем тісно переплітаються ідеї та методи біології, хімії,
фізики, математики та інших областей знання. Саме проблема взаємодії
хімії з біологічними дисциплінами і їх додатками в медицині і буде нас
цікавити.
Хіміки другу
половини XX століття дуже активно займалися дослідженнями живої природи. У
користь цієї тези може свідчити хоча б той факт, що з 39
Нобелівських премій з хімії, вручених за останні 20 років (1977-1996), 21
премія (більше половини! але ж галузей хімії дуже багато) була отримана за
рішення хіміко-біологічних проблем.
Це і
не дивно, адже жива клітина це справжнє царство великих і малих молекул,
які безперервно взаємодіють, утворюються і розпадаються ... В організмі
людини реалізується близько 100 000 процесів, причому кожен з них представляє
собою сукупність різних хімічних перетворень. В одній клітці організму
може відбуватися приблизно 2000 реакцій. Всі ці процеси здійснюються за
допомогою порівняно невеликої кількості органічних і неорганічних сполук.
Сучасна хімія характеризується переходом до вивчення складних елементорганіческіх
з'єднань, що складаються з неорганічних і органічних залишків. Неорганічні
частини представлені водою та іонами різних металів, галогенів і фосфору (у
основному), органічні частини представлені білками, нуклеїновими кислотами, вуглеводами,
ліпідами і досить великою групою низькомолекулярних біорегуляторів, таких
як гормони, вітаміни, антибіотики, простагландини, алкалоїди, регулятори росту
і т.д.
Відомо, що
з безлічі хімічних елементів до складу живих організмів входять тільки
деякі елементи. Найбільш важливими іонами металів виявляються іони натрію,
калію, магнію, кальцію, цинку, міді, кобальту, марганцю, заліза і молібдену. З
неметаллоідов в живих системах практично завжди можна зустріти атоми
водню, кисню, азоту, вуглецю, фосфору і сірки в складі органічних
з'єднань і атоми галогенів і бору як у вигляді іонів, так і в складі
органічних частинок. Відхилення у змісті більшості з цих елементів у
живих організмах часто призводить до досить важких порушень метаболізму.
Більша частина
хвороб обумовлена відхиленням концентрацій якого-небудь речовини від норми.
Це пов'язано з тим, що величезна кількість хімічних перетворень усередині живої
клітини відбувається в кілька етапів, і багато речовин важливі клітці не самі по
собі, вони є лише посередниками в ланцюзі складних реакцій; але, якщо
порушується якась ланка, то вся ланцюг в результаті часто перестає виконувати
передавальний свою функцію; зупиняється нормальна робота клітини з синтезу
необхідних речовин.
У підтримці
нормальної життєдіяльності організму дуже велика роль органічних молекул.
Їх можна розділити по принципам, закладеним в їх конструкцію, на три групи:
біологічні макромолекули (білки, нуклеїнові кислоти і їхні комплекси),
олігомери (нуклеотиди, ліпіди, пептиди тощо) і мономери (гормони, антибіотики,
вітаміни і багато інших в-ва).
Для хімії
особливо важливе встановлення зв'язку між будовою речовини і його властивостей, у
Зокрема, біологічною дією. Для цього використовується безліч
сучасних методів, що входять в арсенал фізики, органічної хімії, математики
та біології.
У сучасній
науці на межі хімії та біології виникло безліч нових наук, які
відрізняються використовуваними методами, цілями та об'єктами вивчення. Всі ці науки
прийнято об'єднувати під терміном "фізико-хімічна біологія". До цього
напрямку відносять:
а) хімію
природних сполук (біоорганічна і біонеорганічної хімія bioorganic
chemistry and inorganic biochemistry відповідно);
б) біохімію;
в) біофізику;
г) молекулярну
біологію;
д) молекулярну
генетику;
е) фармакологію
і молекулярну фармакологію
і безліч
суміжних дисциплін. У більшої частини сучасних біологічних досліджень
активно використовуються хімічні та фізико-хімічні методи. Прогрес у таких
розділах біології, як цитологія, імунологія та гістологія, був безпосередньо пов'язаний
з розвитком хімічних методів виділення і аналізу речовин. Навіть така
класична "чисто біологічна" наука, як фізіологія, все більше
активно використовує досягнення хімії і біохімії. У США Національні Інститути
Здоров'я (National Instituts of Health USA) в даний час фінансують
напрямки медичної науки, пов'язані з чисто фізіологічними
дослідженнями, набагато менше, ніж біохімічні, вважаючи фізіологію
"неперспективної і віджилої своє" наукою. Виникають такі, що здаються
на перший погляд екзотичними науки, як молекулярна фізіологія, молекулярна
епідеміологія та ін З'явилися нові види медико-біологічних аналізів, в
Зокрема, імуноферментний аналіз, за допомогою якого вдається визначати
наявність таких хвороб, як СНІД і гепатит; застосування нових методів хімії та
підвищення чутливості старих методів дозволяє тепер визначати безліч
важливих речовин не порушуючи цілісності шкірного покриву пацієнта, по краплі слини,
поту або іншої біологічної рідини.
Отже, чим же
займаються всі перераховані вище науки, які є різними гілками
фізико-хімічної біології?
Основою хімії
природних сполук з'явилася традиційна органічна хімія, яка
спочатку розглядалася як хімія речовин, що зустрічаються в живій природі.
Сучасна ж органічна хімія займається усіма сполуками, що мають
вуглецеві (або заміщені гетероаналогамі вуглецю) ланцюжки, а біоорганічна
хімія, що досліджує природні сполуки, виділилася в окрему галузь науки.
Хімія природних сполук виникла в середині XIX століття, коли були
синтезовані деякі жири, цукру та амінокислоти (це пов'язано з роботами
М. Бертло, Ф. Велером, О. Бутлерова,
Ф. Кекуле та ін.) Перші подібні білків поліпептиди були створені на початку
нашого століття, тоді ж Е. Фішер разом з іншими дослідниками вніс свій вклад
у дослідження цукрів. Розвиток досліджень з хімії природних речовин
тривало наростаючими темпами аж до середини XX століття. Слідом за
алкалоїдами, терпінні і вітамінами ця наука стала вивчати стероїди, ростові
речовини, антибіотики, простагландини та інші низькомолекулярні біорегулятори.
Поряд з ними хімія природних сполук вивчає біополімери і біоолігомери
(нуклеїнові кислоти, білки, Нуклеопротеїни, глікопротеїни, ліпопротеїни,
гліколіпіди та ін.) Основний арсенал методів дослідження становлять методи
органічної хімії, однак для вирішення структурно-функціональних завдань активно
залучаються і різноманітні фізичні, фізико-хімічні, математичні та
біологічні методи. Основними задачами, які розв'язуються хімією природних
сполук, є:
а) виділення в
індивідуальному стані досліджуваних сполук за допомогою кристалізації,
перегонки, різних видів хроматографії, електрофорезу, ультрафільтрації,
ультрацентріфугірованія, протівоточного розподілу тощо;
б) встановлення
структури, включаючи просторову будову, на основі підходів органічної та
фізичної органічної хімії із застосуванням мас-спектроскопії, різних видів
оптичної спектроскопії (ІЧ, УФ, лазерної тощо), рентгеноструктурного
аналізу, ядерного магнітного резонансу, електронного парамагнітного резонансу,
дисперсії оптичного обертання і кругового Дихроїзм, методів швидкої кінетики
та ін;
в) хімічний
синтез та хімічна модифікація досліджуваних сполук, включаючи повний синтез,
синтез аналогів і похідних, з метою підтвердження структури, з'ясування зв'язку
будови і біологічної функції, отримання препаратів, цінних для практичного
використання;
г)
біологічне тестування отриманих сполук.
Найбільшими
досягненнями хімії природних сполук з'явилися розшифровка будови і синтез
біологічно важливих алкалоїдів, стероїдів і
вітамінів, повний хімічний синтез деяких пептидів, простагландинів,
пеніцилінів, вітамінів, хлорофілу та ін сполук; встановлені структури
безлічі білків, нуклеотидні послідовності безлічі генів і т.д. і т.п.
Поява науки
біохімії зазвичай пов'язують з відкриттям явища ферментативного каталізу і самих
біологічних каталізаторів ферментів, першим з яких були ідентифіковані
і виділені в кристалічному стані в 20х роках нашого сторіччя. Біохімія
вивчає хімічні процеси, що відбуваються безпосередньо в живих організмах і
використовує хімічні методи в дослідженні біологічних процесів.
Найбільшими подіями в біохімії з'явилися встановлення центральної ролі АТФ у
енергетичному обміні, з'ясування хімічних механізмів фотосинтезу, дихання і
м'язового скорочення, відкриття трансамінування, встановлення механізму
транспорту речовин через біологічні мембрани і т.п.
Молекулярна
біологія виникла на початку 50-х років, коли Дж.Уотсон і Ф. Крик розшифрували
структуру ДНК, що дозволило почати вивчення шляхів зберігання і реалізації
спадкової інформації. Найбільші досягнення молекулярної біології відкриття
генетичного коду, механізму біосинтезу білків у рибосомах, основи
функціонування переносника кисню гемоглобіну.
Наступним кроком
на цьому шляху стало виникнення молекулярної генетики, яка вивчає
механізми роботи одиниць спадкової інформації генів, на молекулярному
рівні. Однією з найактуальніших проблем молекулярної генетики є
встановлення шляхів регуляції експресії генів переклад гена з активного
стану в неактивна і назад; регулювання процесів транскрипції і
трансляції. Практичним додатком молекулярної генетики є розробка
методів генної інженерії та генотерапіі, які дозволяють модифіковані
спадкову інформацію, що зберігається в живій клітині, таким чином, що
необхідні речовини будуть синтезуватися всередині самої клітини, що дозволяє
отримувати біотехнологічним шляхом безліч цінних сполук, а також
нормалізувати баланс речовин, порушена під час хвороби. Суть генної
інженерії - розсічення молекули ДНК на окремі фрагменти, що досягається за
допомогою ферментів і хімічних реагентів, з подальшим з'єднанням; ця
операція проводиться з метою вставки в еволюційно налагоджену ланцюг нуклеотидів
нового фрагмента гена, відповідального за синтез потрібної нам речовини, разом з так
званими регуляторами ділянками ДНК, що забезпечують активність
"свого" гена. Вже зараз за допомогою генної інженерії отримують багато
лікарські препарати, переважно білкової природи: інсулін,
інтерферон, соматотропін та ін Фармакологія - це наука про лікарські
засобах, дії різних хімічних сполук на живі організми, про
способи введення ліків в організми і про взаємодію ліків між собою.
Молекулярна фармакологія вивчає поведінку молекул лікарських речовин
усередині клітини, транспорт цих молекул через мембрани і т.д. Людина почала
застосовувати лікарські речовини дуже давно, кілька тисяч років тому.
Стародавня медицина практично повністю грунтувалася на лікарських рослинах,
і цей підхід зберіг свою привабливість до наших днів. Безліч
сучасних лікарських препаратів містять речовини рослинного
походження чи хімічно синтезовані сполуки, ідентичні тим, які
можна виявити в лікарських рослинах. Один із самих ранніх з дійшли до
нас трактат про лікарські засоби був написаний давньогрецьким лікарем
Гіппократом в IV столітті до нашої ери.
Зачатки хімії
лікарських речовин з'являються в період панування алхімії. Сучасна
хіміотерапія веде свій відлік з початку XX століття від праць П. Ерліха по
протималярійних засобів і похідним миш'якових кислоти. В даний час
синтезовані десятки і сотні тисяч лікарських речовин, і їх пошук
триває. Але число активно застосовуваних ліків, звичайно, значно
менше. Не всі речовини, синтезовані в якості потенційного нового
лікарської речовини, знаходять своє застосування на практиці. Багато широко
що використовувалися раніше ліки витісняються зі сфери застосування із-за того,
що з'являються більш ефективні аналоги, які впливають на причину
хвороби набагато селективні, мають менше протипоказань та побічних ефектів.
У 1995 році до застосування в Росії було дозволено понад 3 тисяч найменувань
лікарських препаратів, що містять близько 2 тисяч різноманітних хімічних
речовин синтетичного походження. Одним з великих успіхів фармакології
другої половини нашого століття стало створення та впровадження в практику
антибіотиків широкого спектру дії: сульфіт?? мідних препаратів, вітамінів,
коштів, що впливають на діяльність центральної нервової системи транквілізаторів,
нейролептиків, псіхотоміметіков та ін Багато хто з цих ліків були відкриті і
вперше застосовані в Росії (фторофур, феназепам, циклодол, вітамінні препарати
і багато інших)
В даний
час у світі існує безліч наукових центрів, провідних різноманітні
хіміко-біологічні дослідження. Країнами-лідерами в цій галузі є
США, європейські країни: Англія, Франція, Німеччина, Швеція, Данія, Росія та ін
. Існує безліч наукових центрів, розташованих в Москві і Підмосков'ї
(Пущино, Обнинск, Чорноголовка), Петербурзі, Новосибірську, Красноярську,
Владивостоку ... Одні з провідних центрів є Інститут біоорганічної хімії
ім.М.А.Шемякіна і Ю. А. Овчинникова, Інститут молекулярної біології
ім.В.А.Енгельгардта, Інститут органічного синтезу ім. Н. Д. Зелінського,
Інститут фізико-хімічні біології МДУ ім.Белозерского та ін У Санктпетербург
можна відзначити Інститут цитології РАН, хімічний і біологічний ф-ти Держ.
Університету, Інститут експериментальної медицини РАМН, Інститут онкології РАМН
ім. Петрова, Інститут особливо чистих біопрепаратів МЗіМП і т.п.
Основними
проблемами, які розв'язуються в останні роки фізико-хімічної біологією, є
синтез білків і нуклеїнових кислот, встановлення нуклеотидної
послідовності генома багатьох організмів (у тому числі визначення повної
нуклеотидної послідовності генома людини), спрямований транспорт
речовин через біологічні мембрани; розробка нових ліків, нових
матеріалів для медичного використання, наприклад, для біопротезірованія.
Особлива увага приділяється розробці біотехнологій, які часто бувають більше
економічно вигідні, ефективні, ніж традиційні "технічні", не
кажучи вже про їх екологічну чистоту. Ведуться активні роботи з клонування
рослин і тварин, а також з отримання окремих органів поза організмом.
Особливо примітний недавній успіх швейцарських вчених (перше повідомлення в
пресі з'явилися в кінці лютого 1997 р.), що отримали шляхом клонування
сільськогосподарське тварина вівцю, яка була вирощена з клітини вимені
матері-вівці; дочірня генетична копія була названа Доллі. Це
свідчить про те, що клонування зі сфери суто наукових експериментів
переходить у сферу практики. Необхідно згадати і про лікування захворювань новим
методом генотерапіі зміною спадковості. Лікувальний ефект досягається
шляхом переносу "виправленого" гена або за допомогою ретровірусу, або
впровадженням ліпосом, що містять генетичні конструкції. Генотерапевтіческіе
методи тільки зароджуються, але саме з їх допомогою вже була вилікувана маленька
дівчинка, хвора на муковісцидоз; особливо перспективно застосування генотерапіі в
лікуванні хвороб, що передаються у спадок або що виникають під дією
вірусів. Ймовірно, з залученням саме цих методів будуть переможені СНІД,
рак, грип і безліч інших, менш поширених хвороб.
Крім того,
постійно досліджуються механізми перетворень хімічних речовин в організмах і
на основі отриманих знань ведеться безперервний пошук лікарських
речовин. Велика кількість різноманітних лікарських речовин в даний
час отримують або біотехнологічно (інтерферон, інсулін, інтерлейкін,
рефнолін, соматоген, антибіотики, лікарські вакцини тощо), використовуючи
мікроорганізми (багато з яких є продуктом генної інженерії), або
шляхом що стало майже традиційним хімічного синтезу, або за допомогою
фізико-хімічних методів виділення з природної сировини (частин рослин і
тварин).
Інший
біологічної завданням хімії є пошук нових матеріалів, здатних замінити
живу тканину, необхідних при протезуванні. Хімія подарувала лікарям сотні
різноманітних варіантів нових матеріалів.
Крім безлічі
ліків, у повсякденному житті люди зіштовхуються з досягненнями
фізико-хімічної біології в різних сферах своєї професійної
діяльності і в побуті. З'являються нові продукти харчування або удосконалюються
технології збереження вже відомих продуктів. Проводяться нові косметичні
препарати, що дозволяють людині бути здоровим і гарним, що захищають його від
несприятливого впливу навколишнього середовища. У техніці знаходять застосування
різноманітні біодобавки до багатьох продуктів оргсінтезу. У сільському господарстві
застосовуються речовини, здатні підвищити врожаї (стимулятори росту, гербіциди та
ін) або відлякати шкідників (феромони, гормони комах), вилікувати від
хвороб рослини і тварин, і багато інших ...
Всі ці
перераховані вище успіхи були досягнуті з застосуванням знань і методів сучасної
хімії. У сучасній біологи і медицині хімії належить одна з провідних
ролей, і значення хімічної науки буде тільки зростати. "Стик
наук "хімії та біології виявився надзвичайно плідним.
Список
літератури
Для підготовки
даної роботи були використані матеріали з сайту http://schoolchemistry.by.ru/
