Cтраница 2
Тем не менее примерно 70 лет спустя Ван Тамелен был вынужден отметить практически полное отсутствие сходства между синтетическими процедурами, используемыми химиками-органиками при синтезе сложных природных молекул, и методами и путями, которые предположительно реализуются в природе при создании тех же соединений. Знаменитый теперь синтез тропинона, осуществленный Робинсоном, в противоположность очень длинному обычному синтезу этого же вещества, описанному Вильштеттером, явился первым примером, продемонстрировавшим внутреннее изящество синтетических методов, основанных на идеологии построения природных молекул в мягких условиях из компонентов, которые являются реальными или предполагаемыми аналогами соединений, реально используемых в природе. Однако с 1950 г. была накоплена значительная информация о путях биосинтеза, что логично привело к возрастанию активности исследователей в этой области. Некоторые из последних примеров применения этих идей в планировании и осуществлении органических синтезов обсуждаются ниже. [16]
Носителем информации в ядре являются молекулы ДНК ( дезоксирибонуклеиновой кислоты), представляющие собой высокомолекулярные полимеры биологического происхождения, построенные из повторяющихся единиц - нуклеотидов. Несмотря на специфичность различных ДНК, макромолекулярная организация полимерных цепей в них является однотипной и универсальной у самых различных представителей живого мира. Согласно современным представлениям ( модель Уотсона и Крика) природная молекула ДНК представляет собой две спирально идущих цепи, правильно закрученные вокруг общей оси. [17]
Хорошо известен ряд примеров важного значения мицедл в живых организмах. Вероятно, наиболее известно участие солей желчных кислот в поглощении жиров, при котором обнаруживается мицеллярная фаза. Существует много других процессов, в которых агрегаты или мицедлярные фазы природных молекул, лекарств или добавленных ПАВ, как можно предполагать, оказывают влияние на бирлогические явления. Одним из методов контроля и хранения биологически активных молекул яцляется самоассоциация или смешанная ассоциация. [18]
Теоретический аппарат химии природных соединений полностью соответствует, или даже точнее, полностью базируется на основных концепциях и представлениях теоретической органической химии. Валентные состояния атома углерода и атомов органогенов ( кислорода и азота, в первую очередь); типы химических связей ( о, л, водородные, ионные, комплексооб-разования); типы химических систем ( сопряженные, аллильные, ароматические, гетероциклические); конформаци-онная и конфигурационная изомерия молекул ( оптическая изомерия в особенности); всевозможные реакционные механизмы ( гемолитические и гетеро-литические, электрофильные и нукле-офильные, синхронные и асинхронные, молекулярные перегруппировки); каталитические процессы ( кислотно-основной катализ, главным образом) и взаимодействие с излучением - все это широко представлено в химии природных соединений. В свою очередь, результаты, полученные при работе с природными соединениями, обогащают и инициируют развитие теоретической органической химии, так как процессы, протекающие с участием природных молекул ( как in vivo, так и in vitro) часто требуют для своего объяснения более развитых структурных и механистических представлений - это касается конформационного поведения биополимеров, конфигурационной изомерии молекул с несколькими асимметрическими центрами, многоцентровых реакций, механизмов ферментативного катализа. [19]
Органическая химия и особенно органический синтез развиваются на современном этапе столь бурно, что следить за развитием областей, не имеющих непосредственного отношения к собственным исследованиям, становится невозможным или чрезвычайно трудным. Любой активно работающий химик-органик вынужден затрачивать огромное количество времени и труда для того, чтобы быть в курсе событий. На него непрерывно обрушивается большой объем информации, касающейся новых концепций, новых данных по разного рода нестабильным частицам и интермедиатам, по кинетике, стереохимии и механизму самых разнообразных реакций, наконец, по новым реагентам, методам и приемам органического синтеза; синтезируется великое множество новых соединений, а среди них немало принципиально новых структур или сложных природных молекул, знакомство с которыми открывает новые горизонты. Даже только что написанные монографии существенно устаревают, прежде чем успевают увидеть свет; естественно, что в таких условиях учебники стареют также очень быстро. Конечно, существуют основы, изложение которых дается в каждом учебнике, но даже простое рассмотрение этого классического материала показывает, что многое неузнаваемо изменилось за последние десятилетия. Те реакции, которые еще недавно казались основными, отступают на задний план, а другие, еще недавно составлявшие предмет журнальной публикации, стали промышленно важными процессами или вошли в арсенал наиболее часто используемых методов синтеза. Происходит своеобразная переоценка ценностей. Отсюда возникают многие проблемы в преподавании и новые требования к учебным пособиям, чрезвычайно ощущается отсутствие учебника по органической химии повышенного типа, который можно рекомендовать не только студентам и аспирантам, но также исследователям, давно работающим в органических лабораториях, который поможет им в короткий срок ознакомиться с достижениями в различных областях органической химии, связать разнородный материал в одно целое, составить общую картину и даже представить иерархию проблем в органической химии. [20]
Вспомним, что молекула белка построена из аминокислот, связанных друг с другом пептидной связью. Этим путем образуется пептидная цепь, которая может содержат несколько сотен аминокислотных остатков. Многие из этих остатков имеют в своих боковых цепях гидрофильные группы. В природной молекуле белка пептидная цепь свернута определенным еще неизвестным способом, давая в большинстве случаев молекулу с низкой степенью асимметрии. Это свертывание пептидной цепи происходит, однако, таким образом, что полярные группы цепи остаются открытыми. Вероятно, пептидные связи, по крайней мере частично, также открыты. Поэтому в молекуле белка имеются два типа гидрофильных центров: 1) полярные боковые цепи, 2) атомы кислорода и азота пептидной связи. [21]
К числу моносахаридов относятся молекулы, не способные при гидролизе превращаться в меньшие молекулы, и в этом отношении они отличаются от олиго - и полисахаридов, содержащих соответственно 2 - 4 или более четырех конденсированных остатков моносахарида. Гексозы - это моносахариды, содержащие шесть атомов углерода; в свою очередь они подразделяются на альдозы и кетозы. Гексозы рассматриваются в этой главе не только потому, что они содержат несколько ОН-групп, но также и потому, что эти соединения, как показано, обычно существуют в циклической форме, которая образуется за счет внутримолекулярного взаимодействия между карбонильной и оксигруппами, так что природные молекулы обычно являются циклическими ацеталями или оксиэфирами. Только в некоторых условиях реакции кольцо раскрывается, и вещество обнаруживает свойства карбонильных соединений, что также происходит в водных растворах. [22]
Физико-химическая биология в гораздо большей степени, чем остальные биологические дисциплины, связана и зависит от сложных и дорогостоящих приборов и многочисленных реактивов. Так, во многом разработка и создание специального оборудования для молекулярно-биологических исследований предопределены успехами различных разделов физической науки. Не меньшее влияние оказали и исследования, посвященные фундаментальным аспектам химической природы различных веществ, разработкам путей синтеза многих соединений. Хорошей иллюстрацией сказанному могут служить исследования нуклеиновых кислот и, в частности, ДНК. Прорыв в понимании организации этой гигантской природной молекулы был обусловлен сначала знаниями химии нуклеиновых кислот. Однако потребовался рентгеност-руктурный анализ для того, чтобы выяснить, что ДНК представляет собой двойную спираль. [23]
Потребляемая человеком органическая пища также построена из молекул определенной киральности. Такая пища станет для нас непригодной, она может оказаться биологически ядовитой. Современная химия в ряде случаев искусственно получает зеркально отраженные молекулы. Их действие на наш организм оказывается совершенно иным по сравнению с действием соответствующих природных молекул. Так, отраженная молекула витамина С не воспринимается организмом. Небольшая добавка в пищу фенилаланина, приготовленного из имеющихся в природе веществ, не вызывает неприятных последствий. Добавка же отраженного фенилаланина приводит к резкому нарушению обмена веществ, сопровождающемуся умопомешательством. [24]
Насколько сейчас известно, наша планета образовалась приблизительно 4 6 миллиарда лет назад, а простейшие ферментирующие одноклеточные формы жизни существуют 3 5 миллиарда лет. Уже 3 1 миллиарда лет они могли бы использовать фотосинтез, но геологические данные об окислительном состоянии осадочных отложений железа указывают, что атмосфера приобрела окислительный характер лишь 1 8 - 1 4 миллиарда лет назад. Многоклеточные формы жизни, которые, по-видимому, зависели от изобилия энергии, возможного только при дыхании кислородом, появились приблизительно от 1000 до 700 миллионов лет назад, и именно в то время наметился путь дальнейшей эволюции высших организмов. В конечном итоге это превратило жалкие ростки жизни, которые утилизировали случайно встречающиеся природные молекулы с большой свободной энергией, в огромную силу, способную преобразовать поверхность планеты и даже выйти за ее пределы. [25]