Основные направления развития современной биохимической науки.

        В  настоящее время перед биологической наукой поставлена задача — обеспечить преимущественное развитие научных исследований по следующим основным направлениям разработка методов генетической и клеточной инженерии, создание на их основе новых процессов для биотехнологических производств с целью получения принципиально новых пород животных, форм растений с ценными признаками разработка новых методов и средств диагностики, лечения и профилактики наследственных заболеваний разработка научных основ инженерной энзимологии разработка и внедрение новых биокатализаторов (в том числе иммобилизованных) и оптимизация с их помощью биотехнологических процессов получения химических и пищевых продуктов исследования структуры и функции биомолекул клетки изучение молекулярных и клеточных основ иммунологии, а также генетики микроорганизмов и вирусов, вызывающих заболевания человека и животных, создание методов и средств диагностики, лечения и профилактики этих заболеваний исследования молекулярно-биологических механизмов канцерогенеза, природы онкогенов и онкобелков, их роли в малигнизации клеток и создание на этой основе методов диагностики и лечения опухолевых заболеваний человека исследования проблем биоэнергетики, питания, психики и молекулярных основ памяти и деятельности мозга. Таким образом, можно наметить следующие главные направления развития исследований в области биологической химии на ближайшую и отдаленную перспективу , так называемые горизонты биохимии.

Химическая и нефтехимическая промышленность, производящие продукты основного органического синтеза, включая спирты и кислоты, полимеры (в том числе пластмассы, каучуки, химические волокна), лаки, пестициды, красители, реактивы. В ведении фармацевтической промышленности — лекарственные препараты. Сельское хозяйство имеет дело с анализом почв, растений, животных тканей, пищевая промышленность, естественно, — с пищевыми продуктами. Гидрометеорологическая служба заботится об определении органических веществ в водах и воздухе. Анализ разнообразных органических веществ нужен науке органической химии, биохимии, физиологии, медицине. Комплекс биологических наук будет оказывать на органический анализ все возрастающее влияние, ставить все более сложные   задачи и во многом предопределять направление развития.

Направленный синтез биологических веществ — лекарственных препаратов, гербицидов для борьбы с сорняками в сельском хозяйстве, инсектицидов для истребления вредных насекомых, развитие методов анализа, имеющих диагностическую значимость, изучение природы воздействия токсических веществ на человека и другие живые организмы — все это и многое другое требует понимания механизма взаимодействия химических веществ с биологическими системами. Без этого химические исследования имеют в основном эмпирический характер. В то же время биохимические процессы все в большей мере начинают использоваться для осуществления химических превращений вне живых организмов, и знание возможностей биохимии существенно обогащает арсенал подходов, с помощью которых химик может решать стоящие перед ним проблемы. Особенно существенно для химика знание основ биологического катализа как наиболее совершенного класса каталитических процессов, принципы которого могут открыть новую страницу в развитии науки о катализе в целом. Широко обсуждается и в ряде случаев уже реализуется использование сложных биохимических структур в качестве биосенсоров для аналитических целей   и в перспективе для развития принципиально новой базы для электроники.

Не менее  важным направлением стратегического наступления химической кинетики становятся биохимия и разнообразные биологические процессы, включая проблемы изучения динамики (кинетики) биохимических сдвигов при развитии и нормализации тех или иных патологических состояний. В сферу кинетического изучения включаются быстрые первичные элементарные стадии лучевого поражения биологических объектов и первичные эффекты канцерогенных воздействий. Химическая кинетика привлекается для изучения метаболизма лекарственных препаратов в живых организмах. Эффекты воздействия физических и химических агентов на ДНК и связь этих эффектов с мутагенными свойствами   изучаемых агентов все больше и больше начинают описываться при помощи кинетических констант.

Содержание понятий биохимия и биоорганическая химия в известной степени условно. Здесь говорится о них лишь с единственной целью — проследить пути развития исследований, направленных на выяснение как субстанционального состава растительных и животных тканей, так и химических процессов, происходящих в организме. Такие исследования осуществлялись и чистыми химиками-органиками, и биохимиками, и даже медиками. У каждой из этих трех групп специалистов были свои цели. Хи-миков-органиков увлекали перспективы синтеза все более сложных веществ путем конструирования их молекул с целью показа возможностей искусственного получения аналогов органических соединений, образующихся в живых организмах. Биологи преследовали цели изучения субстратной и функциональной основ живого. Медики стремились выяснить границы между нормой и патологией в организмах. Объединяющим же началом всех этих исследований является не столько объект — живой организм, сколько аналитический путь исследования — от живого организма к изучению веществ, а затем и процессов, его составляющих. Здесь важно подчеркнуть и еще одно обстоятельство, связанное с темой настоящей книги, а именно появление на определенной ступени развития биохимии идеи о ведущей роли ферментов, а затем еще шире биорегуляторов, н процессе жизнедеятельности . В конечном итоге эта руководящая.

Основное направление научных исследований — развитие химии растительных веществ. Опубликовал (1847) первый отечественный учебник биохимии — Курс физиологической химии. Исследовал так называемые студенистые растительные вещества (пектиновые вещества) и их роль в жизнедеятельности организмов. Первым в России стал пропагандировать унитарную теорию О. Лорана и Ш. Ф. Жерара. Выступил с резкой критикой обобщений Я. Я. Берцелиуса в области катализа, в особенности понятия жизненная сила, в которой усматривал проявление витализма. Па многих примерах доказал (1852), что каталитические явления — это обычные химические реакции взаимодействия между реагентами и агентами с образованием и распадом промежуточных соединений. Работал также в области теоретической термохимии. Под влиянием идей Гесса на основе определений теплот растворения солей сделал вывод (1843), что количество теплоты, выделяемой при растворении соли в воде, зависит от силы сродства   между ними.

Развитие классической аналитической химии шло в направлении разработки новых органических реагентов для селективного обнаружения и количественного определения элементов, совершенствования методик анализа и внедрения математических методов обработки результатов анализа. Начиная с середины прошлого века, сначала для целей идентификации, а затем и для количественных определений в аналитической химии стали использовать инструментальные методы анализа, обладающие преимуществами в чувствительности, скорости и точности выполнения анализа, необходимые в научных исследованиях и производственном контроле. Развитие инструментальных методов привело к появлению новых направлений (например, аналитическая биохимия, хроматография, радиоаналитическая химия и т. п.). В эпоху научно-технической революции появление принципиально новой методологии — моделирования, алгоритмизации, системного подхода — привело к перестройке и в аналитической химии, которую теперь квалифицируют как науку, занимающуюся получением информации о химическом составе вещественных систем. Полная химическая информация о качественном и количественном составе, получаемая в максимально короткие сроки на минимальном количестве исследуемого объекта, требуется практически во всех отраслях науки, техники и промышленности. Это стало возможным в результате развития в   XX в. компьютерной техники и автоматизации производства.

Успешное  развитие химии в целом как интегральной науки невозможно без гармоничного развития частных (дифференцированных) химических наук, но не изолированных, а взаимно дополняющих и обогащающих друг друга. В этом смысле надо признать, что классическая химия в последние годы заметно отстает в своем развитии от некоторых естественно-химических наук, таких как геохимия, биохимия, биофизическая химия и др. Наиболее важный их вывод, который следует перенять науке о свойствах вещества - это то, что существуют чрезвычайно простые и универсальные законы функционирования и развития как живой, так и неживой природы, законы, общие для физических, химических и биологических процессов. Установлено, что поведение химических и биологических субстратов генетически строго закодировано. Используя эти представления, вслед за кибернетикой появилась (1980 г. Г. Хакен) новая интегральная междисциплинарная наука, получившая название синергетика - наука о самоорганизации сложных систем, устойчивости и распаде структур различной природы. Одновременно с синергетикой Б. Мандельбротом (1980 г.) была предложена теория фракталов - структур, состоящих из частей, подобных целому и обладающих дробной мерностью. Благодаря этой теории появилась возможность математически описывать системы необычной сложности, которые считались хаотическими. Было установлено, что практически все окружающие нас объекты в том или ином аспекте проявляют фрактальные свойства. Следствием философского обобщения этой теории явилась идея единства материального мира, о том, что мир зиждется на неких законах, и все процессы мира имеют единое происхождение и аналогичные законы поведения. Исключительно прав А. Пуанкаре, утверждая,   что наука развивается по направлению к единству и простоте.

Важная роль аминокислот в процессах жизнедеятельности с давних пор стимулировала исследования по проведению поиска лекарственных средств как среди природных аминокислот, так и их синтетических аналогов. В результате широких фундаментальных исследований такие природные аминокислоты, как глутаминовая кислота, метионин, гистидин, цистеин, а также препараты, являющиеся смесью аминокислот, получаемые из гидролизатов крови и других биологических субстратов, прочно вошли в арсенал лекарственных средств и активно используются в терапии при лечении больных с заболеваниями различной этиологии. Существенное влияние в проблеме направленного поиска новых лекарственных средств среди аминокислот и их производных оказало развитие исследований по биохимии клетки и организма в норме и патологии. Так, изучение метаболических процессов, протекающих в нервных тканях, показало, что первичным продуктом ферментативного расщепления   является иминомасляная кислота).

Современные технологии переработки сельскохозяйственного сырья и изготовления продуктов питания, как известно, базируются на достижениях физической химии, биофизики, биохимии, микробиологии, биотехнологии, механики, теплотехники, электроники, экологии, системологии и других научных направлений. Без использования достижений науки в этих областях невозможно перейти на новую ступень развития промышленности, когда требуется развивать сеть их информационного обеспечения с применением ЭВМ и микропроцессорной техники , создавать автоматизированные производства.
        Молекулярная биология занимает особое место в развитии науки второй половины XX в. Именно ее рождение и последующий бурный рост выдвинули биологию в целом в ряды самых передовых и популярных наук, а XX в. стали иногда называть веком биологии. Возникнув как отрасль биохимии, молекулярная биология получила мощное развитие благодаря внедрению в нее идей и методов генетики и физики. Открытый и сформулированный в 1953 г. принцип комплементарности в нуклеиновых кислотах, объяснив особенности структуры этих макромолекулярных соединений и обладая предсказательной силой в отношении их функций, лег в основу нового направления науки. Огромное научное и методологическое значение молекулярной биологии состояло в том, что наиболее фундаментальное и таинственное свойство живой материи — воспроизведение себе подобного — оказалось возможным объяснить на молекулярном уровне. Молекулярная структура вещества, в котором записана (закодирована) генетическая информация, механизмы воспроизведения генетической информации в поколениях клеток и организмов и механизмы реализации генетической информации через биосинтез белков - вот три направления, по которым развивалась эта наука и где были сделаны решающие успехи. Кроме того, структура и механизмы функционирования белков стали также   предметом молекулярной биологии.

Развитие биологической химии привело к созданию новых отраслей науки, методологически и методически тесно связанных с биохимией. Так, быстрыми темпами развивается молекулярная биология, генная и клеточная инженерия. В настоящее время достижимыми представляются задачи по синтезу генетического материала и встраиванию его в наследственный аппарат клетки. С помощью микробов возможен синтез белков и регуляторов, характерных для человека, таких, как инсулин или интерферон. Фундаментальная информация о химической природе компонентов биологической системы обеспечивает направленное биомедицинское влияние на несколько уровней системы 1) принципиально важным явилось создание веществ, пагубно действующих на патогенные микробы, способные развиваться в организме человека. Получение антибиотиков, выяснение механизмов их действия, разработка методов их синтеза и модификации позволило побороть многие болезни, в том числе и инфекционного характера. Наиболее ярким примером может служить создание целой серии антибиотиков пенициллинового ряда. Пенициллин и его аналоги, встраиваясь в стенку бактерий, предотвращают их рост и почти не влияют на клетки организма человека. Многие антибиотики ингибирующе действуют на процесс биосинтеза   белка.

В  настоящее время известны многие другие примеры реакций нитроксилов, в которых сохраняется структура самого нитро-ксильного радикала. Открытие и исследование реакций, в которых сохраняется радикальный центр, позволили создать принципиально новый метод исследования, получивший название метода спиновых меток. Он широко используется в современной молекулярной биологии и биохимии. Развитие метода спиновых ловушек, стимулированного исследованиями X. Мак-Коннела, идет по двум направлениям. Одно из них связано с синтезом спин-меченых биомолекул — пептвдов, белков, нуклеиновых кислот, сахаров и т.д. Второе направление заключается в синтезе парамагнитных аналогов и моделей биологически акттных соединений, отличающихся от них только наличием радикального центра. Зто дает уникальную возможность установить метаболизм биологически   активных соединений.

Успехи в биохимии и биофизике последних лет также тесно связаны с развитием краун-соединений. Примером может служить валиномицин - антибиотик, который в 1955 г. был выделен из гadioЬa illi. Как установил в 1963 г. Шемякин с сотр., структура валиномицина представляет собой циклический додекадепсипептид (52). Механизм действия этого антибиотика был исследован после того, как Прессман и Моор отметили изменение активности митохондрии печени крысы под действием ионов щелочных металлов. Исследование показало, что валиномицин избирательно образовывал комплекс с катионом калия, который активно переносился в направлении, противоположном концентрационному градиенту. Добавление валиномицина к митохондриальной фракции приводило к расходованию энергии. Эго явилось важным открытием в понимании роли N3 -К -АТРазы в биологической мем-бране.
        Селекция нуклеиновых кислот in vitro, превратившаяся в могучий инструмент исследования взаимодействий нуклеиновых кислот между собой и с другими лигандами, как интенсивное развитие анти-смысловой технологии в качестве наиболее направленного подхода к борьбе с вирусными и онкологическими заболеваниями, по-видимому, являющейся важным путем регуляции клеточных делений и, в частности, предотвращения малигнизации клеток. Без представления этих понятий и ознакомления с новыми революционизирующими исследования методами   невозможно полноценное биохимическое образование.

Вне всякого сомнения радионуклидные  методы диагностики и лечения прочно будут удерживать своё место среди других медицинских процедур. Развитие радиофармацевтики напрямую связано с развитием новых фундаментальных направлений в радиохимии, биохимии, синтезе меченых соединений, аналитической химии и др., которые, в свою очередь, обеспечат создание новых высоких технологий производства   и применения радионуклидных препаратов.

В случае сложных молекул и комплексных соединений ширится применение полуэмпирических расчетных методов, а также качественно-описательных методов рассмотрения электронной структуры наряду с различными областями физической химии эти методы находят все более широкое применение при исследовании электронных аспектов биохимии. Развитие радиоспектроскопических методов исследования строения молекул сопровождается теоретическими расчетами ряда тонких характеристик электронной структуры (расчетами магнитного экранирования ядер, квадрупольной связи ядер с электронной оболочкой, спин-спинового взаимодействия ядер через электронную оболочку, распределения плотности неспаренного электронного спина в радикалах, взаимодействия электронного спина   с ядерными спинами и т. д.).

Химиков-органиков давно привлекала идея выработки числовых        индексов реакционной способности (ИРС), основанных на том пли ином физико-химическом параметре реагирующего соединения. С развитием квантовой химии и прежде всего метода ЛКАО МО эта идея стала активно претворяться в жизнь. Предложено множество ИРС, основанных на расчете энергетп-ческих характеристик и электронного распределения молекул, в том числе эффективные заряды атомов, порядки связей, свободные валентности, энергии локализации, энергии граничных орбиталей, плотность электронов на граничных орбиталях, суперделокализуемость и др. Интенсивные исследования в этом направлении проводились на протяжении 50—70-х годов, причем особое внимание было обращено на гетероароматические соединения. Последнее объясняется двумя обстоятельствами. Во-первых, гетероциклы — очень удобный объект для проверки пригодности ИРС из-за наличия в них различных типов гетероатомов с широко варьирующейся электроотрицательностью и ярко выраженным влиянием на электронное распределение. Во-вторых, многие азотистые гетероциклы играют важную роль в биохимии и перспектива пролить свет на ее природу с позиций квантовой химии   весьма заманчива.

Начало формы

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: