биоорганическая химия

БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

изучает связь между строением орг. веществ и их биол. функциями, используя в осн. методы орг. и физ. химии, а также физики и математики. Объекты изучения Б.х. — биологически важные прир. и синтетич. соединения, гл. обр. биополимеры, а также витамины, гормоны, антибиотики, прир. феромоны и сигнальные вещества, биологически активные вещества растит. происхождения, внутриклеточные регуляторы, а также синтетич. регуляторы биол. процессов — лек. препараты, пестициды и др. К осн. задачам Б. х. относятся:

1. Разработка методов выделения и очистки прир. соединений; характерная особенность Б. х. — использование при этом специфич. биол. функций изучаемого вещества для контроля стадий очистки (напр., контроль чистоты антибиотика ведется по его антимикробной активности, гормона — по его влиянию на определенный физиол. процесс и т. д.).

2. Определение строения и конфигурации изучаемого соед., для чего используют разл. методы, в первую очередь химические: гидролиз, окислит. расщепление, расщепление по специфич. фрагментам (напр., по остаткам метионина при установлении строения пептидно — белковых веществ, расщепление по 1,2-диольным группировкам углеводсодержащих веществ). Широко используются также физ. и физ.-хим. методы -ЯМР, масс-спектрометрия, ЭПР, рентгеноструктурный анализ, мёссбауэровская спектроскопия и др. На основе глубокого изучения механизма широко используемых при изучении строения реакций и влияния условий на их течение созданы и находят широкое применение автоматич. устройства, обеспечивающие быстрое решение стандартных задач, особенно в аналит. химии пептидно-белковых веществ (анализаторы для определения количеств. аминокислотного состава, секвенаторы для выяснения последовательности аминокислотных остатков и др. — см. белки). Важное значение при изучении строения сложных биополимеров имеет использование ферментов, особенно специфично расщепляющих изучаемое вещество по строго определенным связям. Такие ферменты имеют очень большое значение в изучении пептидно-белковых веществ (трипсин, протеиназы, расщепляющие связи по остаткам глутаминовой кислоты, пролина и др. аминокислотным остаткам), нуклеиновых кислот и полинуклеотидов (нуклеазы, рестриктазы), углеводсодержащих полимеров (гликозидазы, в т. ч. специфические — галактозидазы, глюкуронидазы и т. д.).

Для повышения эффективности применения хим. и физ.-хим. методов изучения структуры анализу подвергают не только прир. вещества, но и их производные, содержащие характерные, специально вводимые группировки и меченые атомы, напр. путем выращивания продуцента на среде, содержащей меченые аминокислоты или др. радиоактивные предшественники, в состав которых входят тритий, радиоактивный углерод или фосфор. Достоверность данных, получаемых при изучении сложных белков, значительно повышается, если это изучение проводят в комплексе с исследованием строения соответствующих генов.

3. Разработка методов синтеза как самих прир. биологически важных веществ, так и ряда их аналогов. Для относительно просто построенных низкомол. соед. встречный синтез до сих пор является важным критерием правильности установленной структуры. Для биополимеров сравнение прир. вещества с синтезированным образцом обычно не может служить надежным критерием правильности ранее определенной структуры. Однако, как и в случае низкомол. соед., синтез биополимеров и их аналогов необходим для решения след. важной задачи Б. х. — изучения зависимости биол. свойств от строения изучаемого вещества.

4. Изучение зависимости биол. действия от строения. Этот аспект Б. х. приобретает все большее практич. значение. Весьма эффективные методы хим. и химико-энзиматич. синтеза сложных биополимеров (веществ белково-пептидной природы, сложных полинуклеотидов, включая активно функционирующие гены) наряду со все более совершенствующейся техникой синтеза относительно более простых биорегуляторов, а также методы избират. расщепления биополимеров позволяют все глубже понимать зависимость биол. действия от строения вещества. Расширяющееся использование высокоэффективных ЭВМ дает возможность объективно сопоставлять многочисленные данные разных исследователей и находить общие закономерности. Найденные частные, а тем более общие закономерности, в свою очередь, стимулируют и облегчают синтез новых аналогов, что в ряде случаев (напр., при изучении пептидов, влияющих на деятельность мозга) позволяет находить практически важные синтетич. соед., превосходящие иногда по некоторым свойствам прир. вещества.

5. Выяснение химизма взаимодействия биологически активного вещества с живой клеткой или с ее компонентами. Решение этой задачи открывает возможности создания оптимально активных соед. определенного типа действия. Первые успехи в этом направлении уже достигнуты. В частности, выяснен механизм действия соед., способных связывать и переносить в клетке ионы металлов (напр., калия), т. наз. ионофоров. К таким веществам относятся валиномицин и его аналоги.

Б. х. сформировалась как самостоятельная область во 2-й пол. 20 в. на стыке биохимии и орг. химии, на основе традиционной химии прир. соединений. Ее развитие связано с именами Л. Прлинга (открытиеспирали как одного из главных элеменов пространств. структуры полипептидной цепи в белках), А. Тодда (выяснение хим. строения нуклеотидов и первый синтез динуклеотида), Ф. Сенгера (разработка метода определения аминокислотной последовательности в белках и расшифровка с его помощью структуры инсулина), Дю Винь.о (хим. синтез биологически активного гормона окситоцина), Д. Бартона и В. Прелога (конформационный анализ), Р. Вудворда (полный хим. синтез мн. сложных прир. соединений, в т. ч. резерпина, хлорофилла, витамина В₁₂) и др. крупных ученых.

В нашей стране в становлении Б. х. огромную роль сыграли работы Н.Д. Зелинского, А. Н. Белозерского, И. Н. Назарова, Н.А. Преображенского и др. Инициатором исследований по Б. х. в СССР в нач. 60-х гг. явился М. М. Шемякин. Им, в частности, были начаты работы но изучению циклич. депсипептидов, которые впоследствии получили широкое развитие в связи с их функцией как ионофоров.

В конце 60-х — начале 70-х гг. при синтезе веществ сложной структуры начали применять в качестве катализаторов ферменты (т. наз. комбинированный химико-энзиматич. синтез). Этот подход был использован Г. Кораной для первого синтеза гена. Использование ферментов позволило осуществить строго избирательное превращение ряда прир. соед. и получить с высоким выходом новые биологически активные производные пептидов, олигосахаридов и нуклеиновых кислот.

Наиб. интенсивно в 70-х гг. развивались: синтез олигонуклеотидов и генов; исследования клеточных мембран и полисахаридов; анализ первичной и пространств. структур белков. В качестве примера можно указать на успешное изучение структуры важных ферментов (трансаминаза, галактозидаза, ДНК-зависимая РНК-полимераза), защитных белков (глобулины, интерфероны), мембранных белков (аденозинтрифосфатазы, бактериородопсин). Большое значение приобрели работы по изучению строения и механизма действия пептидов — регуляторов нервной деятельности (т. наз. нейропептиды).

Б. х. тесно связана с практич. задачами медицины и сельского хозяйства (получение витаминов, гормонов, антибиотиков и других лекарственных средств, стимуляторов роста растений и регуляторов поведения животных и насекомых), хим., пищ. и микробиол. промышленности. В результате сочетания методов Б. х. и генетической инженерии стало возможным практич. решение проблемы получения сложных биологически важных веществ белково-пептидной природы, включая такие высокомолекулярные, как инсулин человека, интерферон, гормон роста человека.

^{Лит.: Шемякин М.М., "Ж. Всес. хим. общества им. Д.И. Менделеева", 1971, т. 16, №2, с. 122–44; Овчинников Ю.А., вкн.: Октябрь и наука. [1917–1977], М., 1977, с. 393–416; Дюга Г., Пенни К., Биоорганическая химия, пер. с англ.. М.. 1983.}

_{Ю. А. Овчинников}