Ббк я 19-6 [Жданов] ж 42



жүктеу 5.04 Mb.
бет5/25
Дата03.04.2019
өлшемі5.04 Mb.
түріКнига
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   25

Литература

1. Глесстон С., Лейдлер К., Эйринг Г. Теория абсолютных скоростей реакции. М., 1948. С. 21.

2. Глесстон С. Теоретическая химия. М., 1950. С. 504.

3. См.: Фишер К. История новой философии. Т. 7. СПб., 1905. С. 413.

4. Робинсон П., Холбрук К. Мономолекулярные реакции. М, 1975.

5. Кондратьев В.Н., Никитин Е.Е. Кинетика и механизм газофазных реакций. М., 1975.

6. Гегель Г. Соч. Т. 2. М., 1934. С. 338.

7. Маркс К., Энгельс Ф. Соч. Т. 23. С. 6.


1981 г.
БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Химия и живая природа
Все чаще встречаем мы упоминание о химии природных соединений или биоорганической химии. Оба термина нуждаются в некотором пояснении. Несомненно, что к числу природных соединений относятся вещества неорганической, неживой природы, например многочисленные минералы, руды, соли и т.д. Однако химия природных соединений занимается исследованием молекул органических веществ, встречающихся в живых организмах.

Термин «биоорганическая химия» на первый взгляд кажется несколько странным и звучит примерно как «физическая физика». Попробуем проследить путь формирования этого направления в науке и определить смысл такого, быть может, не вполне удачного названия.

Биоорганическая химия развилась на стыке органической химии и биохимии, она имеет глубокие корни и основания в истории отношений между химией и живой природой вообще.

Впервые химический подход к явлениям жизни был провозглашен ятрохимиками1* на заре развития точных наук. «Вся медицина

69

должна стать прикладной химией», – эти слова с полным правом могли бы быть приписаны основателю химиотерапии Паулю Эрлиху, однако в действительности они сказаны за 250 лет до Эрлиха ученым ятрохимиком Сильвием. Аналогичную позицию отстаивали Теофраст Парацельс, Ван-Гельмонт, Тахений и другие представители раннего периода в развитии химии. Освобождая химию от ложных идей алхимии, Парацельс считал, что настоящая ее цель заключается не в получении золота, а в приготовлении лекарств. Ятрохимия правильно наметила задачу исследования, однако разрешить ее не смогла, ибо для этого необходимо было вначале поставить на ноги химию как науку, создать точные химические методы исследования.



В конце XVII в. из общей массы веществ, изучаемых химией, органические соединения были выделены как самостоятельный предмет изучения. Признаком для такого выделения явилось их происхождение из тканей животных и растений. Следуя этому принципу, Лемери в 1675 г. разделил химию на три части: минеральную, растительную и животную. Такая классификация хотя и давала некоторую ориентировку при изучении веществ, однако она не опиралась на прочную научную базу и поэтому часто приводила к грубым ошибкам: например, янтарная кислота, получавшаяся возгонкой янтаря, была отнесена к веществам минеральным, в то время как поташ, образующийся при сжигании растений, – к растительной химии.

Возникновение органической химии как самостоятельной науки тесно связано с развитием химического анализа. Было установлено, что вещества растительного и животного происхождения, как правило, близки по составу и резко отличаются от минеральных. Постепенно растительная и животная химия сли­лись в единую органическую химию. Одновременно на основании анализов веществ различного происхождения выяснилось, что в органических соединениях неизменно присутствует углерод, водород, а часто и кислород, реже – азот, сера и некоторые другие элементы. Пользуясь данными химического анализа, Лавуазье в 1792 г. заметил, что в неживой природе почти все радикалы (остатки молекул, связанные с кислородом) весьма просты, а в растительном и особенно в животном мире нет радикалов, включающих менее двух элементов (углерод и водород). Все это позволило Лавуазье и Берцелиусу развить представление

70

об органической химии как химии сложных радикалов.



Обнаружив эту особенность состава природных органических веществ, наука, однако, не могла раскрыть тайну их строения, происхождения и синтеза. В лабораториях относительно простые органические соединения получались обычно путем расщепления, разложения сложных природных продуктов, происхождение которых приписывалось действию «жизненной силы». Заслуга Берцелиуса и состояла в том, что он решил и призвал исследовать органические соединения методами обычной неорганической химии, которая к тому времени была более развита.

Для органической химии как точной науки этот путь был единственно возможным. Здесь она добилась решающих успехов, завершившихся созданием теории химического строения Бутлерова и синтезом на ее основе разнообразных искусственных продуктов, часто или как правило не имеющих ничего общего с живой природой. Зародившись в начале XIX в., органическая химия до конца столетия все дальше отходила от изучения природных органических соединений. Но на протяжении этого периода накапливался арсенал средств для решительного штурма химических тайн живой природы.

Параллельно с развитием органической химии накапливался эмпирический материал в смежных областях физиологической и медицинской химии. Представители этих отраслей знаний изучали действие на живые ткани различных химических веществ (стрихнин, кураре и т.д.), исследовали простые составные части организма при различных физиологических состояниях (сахар в крови при диабете, ацетон и мочевую кислоту в моче и т.п.). Однако без ясных представлений о строении и функциях важнейших соединений живой природы эти исследования не имели прочной основы.
Химические проблемы биологии
В конце XIX в. возникает биохимическое направление в органической химии. Здесь заслуга в первую очередь принадлежит Эмилю Фишеру, установившему строение многих углеводов, аминокислот, пуринов, дубильных веществ. Одновременно свои

71

первые шаги делает химия ферментативных процессов. В 1878 г. немецкий ученый Э. Кюне вводит термин «энзим», Эмиль Фишер высказывает ряд важных гипотез относительно взаимоотношений субстрата и фермента.



Так постепенно на грани XIX и XX вв. возникла биохимия, основное направление которой на первых порах заключалось в установлении состава и строения веществ живой природы. Известный историк химии Э. Гьельт следующим образом резюмирует этот процесс: «Вначале задача органической химии заключалась в химическом исследовании органической природы. Однако в процессе своего развития органическая химия не осталась верной этой задаче и пошла по другому пути... Новое биохимическое направление означает возврат органической химии к ее первоначальным задачам, к химическим проблемам биологии» [1]. Необходимо добавить, что это было время возникновения биохимии.

Заметны успехи биохимии в установлении состава и строения многих белков, углеводов, нуклеиновых кислот, гормонов, витаминов, липидов, ферментов. Эта работа продолжается и в наши дни, однако за последние десятилетия центр тяжести исследований в биохимии передвинулся в сторону изучения химических процессов, совершающихся в живых организмах под влиянием сложных катализаторов белковой природы – ферментов. Так, Ф. Шмитт пишет: «После первой фазы исследований, когда главная задача состояла в определении химического состава сложных биологических молекул, биохимия перешла к изучению промежуточного обмена... Биохимия в определенном смысле превратилась в органическую химию реакций, катализируемых ферментами» [2]. Триумфом этого направления явились работы американского биохимика С. Очоа, расшифровавшего код нуклеиновых кислот, регулирующий включение аминокислот в молекулу белка.

Ныне очевидно, что химические процессы в организме регулируются не просто отдельными ферментами, но упорядоченными системами ферментов, их «ансамблями». Современные биохимики уже не довольствуются изучением химических процессов на молекулярном уровне; они приступили к расшифровке структур и механизмов действия митохондрий, рибосом, микросом, пластид и других межмолекулярных образований,

72

образующих структуру клетки, чтобы затем подняться до клеточного и надклеточного уровней. Вот почему устарело определение, что «предметом биохимии, как переходной науки, связывающей биологию и химию, является изучение химического состава живого вещества, многообразной специфики химических процессов жизни в ее развитии и самого процесса возникновения жизни из химизма неорганической природы» [3]. Выдвигаемая здесь задача изучения химического состава живого вещества сейчас относится не к биохимии, а к биоорганической химии.



По своему уровню организации объекты биохимии относятся к межмолекулярным структурам, построенным из высокоспецифических полимеров (полипептидов, нуклеиновых кислот, полисахаридов, гликолипидов, гликолипопротеидов и т.д.). Биоорганическая химия занимается более низким структурно-динамическим уровнем материи – органическими молекулами, встречающимися в живой природе. В этом смысле биоорганическая химия по уровню организации объекта исследования не отличается от органической химии.
Предмет биоорганической химии
Органическую химию мы вслед за К. Шорлеммером и A.M. Бутлеровым определяем как ДЕ' химию углеводородов и их производных, охватывающих большое число элементов периодической системы Менделеева. Органическая химия занимается изучением сложных углеводородных радикалов в процессах их химических превращений, устанавливает их строение. Как мы видели, в конце XIX в. органическая химия, отошедшая на известный период от изучения природных соединений, вновь вернулась к ним для всестороннего изучения. Однако этот возврат сопровождался отделением биохимии, передачей в руки биохимиков значительной части исследований по природным соединениям. С другой стороны, в самой органической химии все шире стали изучаться целые классы химических соединений не только весьма далеких, но даже чуждых живой природе.

В самом деле, ныне органическая химия активно изучает такой тип веществ, как перфторпроизводные, которых совершенно нет в природе. В живой природе отсутствуют

73

элементоорганические соединения, в которых атом углерода был бы связан непосредственно с атомами натрия, калия, лития, магния, алюминия, фосфора, мышьяка, ртути и многих других.



Алюмосиликаты широко распространены в минеральном царстве и успешно изучаются специалистами неорганической химии. Полиорганоалюмосилоксаны синтезированы органиками и исследуются в сфере органической химии. Но ничего подобного этим соединениям не встречается в биоорганической химии. Характерно, что углеводороды – основа органической химии – редко встречаются в живой природе.

Однако можно заметить, что эти вещества будут найдены при дальнейшем исследовании живых объектов, так как недавно были обнаружены антибиотики, содержащие нитрогруппу, тройные связи, диазогруппы и другие химические особенности, считавшиеся ранее чуждыми живой материи.

До недавнего времени некоторые химики отвергали возможность присутствия в живой природе ацетиленовых производных, молекул, содержащих конечную метиленовую группу, из-за ее высокой реакционной способности. Однако последние успехи биоорганической химии позволили обнаружить в живых организмах не только подобные соединения, но и другие вещества, присутствие которых в живых тканях представлялось ранее невероятным. Приводим некоторые из них:

капиллен


фторуксусная кислота



азомицин


лактаровиолин

74

стеруловая кислота



α-тертиелин

Тем не менее, сейчас уже твердо установлено, что некоторые классы веществ не могут входить в состав живого. Например, металлоорганические соединения натрия, лития, магния и т.д. не могут существовать в живых системах, содержащих воду и другие активные молекулы. Ртутноорганические соединения блокируют сульфгидрильные группы SH биохимических систем и выводят их из строя. Блокаду ферментов осуществляют и фосфорорганические соединения. Это же относится к карбонильным комплексам металлов. Биоорганической химии и биохимии еще предстоит ответить на вопрос, почему некоторые другие классы так называемых органических веществ в действительности не встречаются в органической природе. Но главное уже ясно: для того, чтобы выделить из органической химии область исследования природных веществ, надо показать их принадлежность к живой природе. Вот почему возникла приставка «био» для органической химии природных соединений.

В предисловии к книге Н.К. Кочеткова, И.В. Торгова и М.М. Ботвиника «Химия природных соединений» академик М.М. Шемякин отмечает процесс дифференциации органической химии на несколько ветвей, родственных, но отличных друг от друга научных дисциплин. «Одной из таких дисциплин является химия природных биологически важных соединений, или, как ее все чаще называют, биоорганическая химия. Развиваясь в недрах органической химии с самого начала ее зарождения как науки, она не только питалась и питается всеми представлениями органической химии, но и сама непрерывно обогащает последнюю новыми идеями, новым фактическим материалом принципиальной важности, новыми методами. В настоящее время химия природных соединений представляет собой самый крупный раздел органической химии. Больше половины всех

75

исследований в области органической химии посвящается сейчас природным соединениям. Именно в этой области плодотворно работают крупнейшие химики-органики нашего времени, создавшие обширные школы и направления» [4].



Биоорганическая химия за последние годы добилась огромных успехов, выразившихся в синтезе хлорофилла, в расшифровке строения в синтеза некоторых гормонов белковой природы, коферментов, ряда алкалоидов, антибиотиков, витаминов, стероидных гормонов. Крупнейшие химики, такие как Р. Вудворд, С. Очоа, Р. Робинсон, А. Тодд; А. Ружичка, Фр. Шорм, В. Прелог, А. Буденандт, В. дю Виньо и многие другие, внесли неоценимый вклад в развитие биоорганической химии.

Находясь на стыке органической и биологической химии, биоорганическая химия использует методы как одной, так и другой науки. Вместе с тем биоорганическая химия заимствует ряд приемов биохимического исследования. Сюда относятся биологическое тестирование, использование ферментов в целях син­теза или анализа получаемых соединений.


Основные направления, научные основы
Итак, попытаемся выделить те основные задачи, которые в настоящее время рассматриваются биоорганической химией.

Первая из этих задач по-прежнему относится к установлению химического состава и строения тканей живых организмов на молекулярном уровне. Несмотря на достигнутые в этой области успехи, предстоит сделать еще очень много, поскольку нам пока еще не удалось расшифровать строение многочисленных белков, нуклеиновых кислот и т.п.

К компетенции биоорганической химии должны быть отнесены и результаты новейших исследований состава ископаемых. Этот раздел науки, позволивший обнаружить в палеонтологических объектах остатки белков в возрасте до 500 млн лет и не менее древние остатки хлорофилла, по предложению Ф. Эйбелсона носит ныне название палеобиохимии. Но точнее его именовать палеоорганической химией, поскольку он изучает лишь вещественный состав древних организмов. Задача науки в данной области, по словам Ф. Эйбелсона, «заключается в исследовании органического вещества, содержащегося в древних породах

76

и в идентификации специфических соединений, характерных для древних биологических процессов. Изучение ископаемых и их органических компонентов дает сведения о многоклеточных организмах, а исследование органических детритных остатков дает сведения о синтезе древних микробов и водорослей» [5].



Другая и вместе с тем основная задача биоорганической химии – синтез природных соединений. Целенаправленный синтез сложнейших природных соединений стал возможен благодаря проникновению исследователей в механизмы химических реакций, изучению кинетики, стереохимии, промежуточных этапов химических превращений веществ. Р. Вудворд образно называет это второй великой революцией в органической химии, считая первой – создание теории строения.

Не менее важной задачей органической химии является также синтез аналогов природных соединений. Обычно аналоги синтезируются для того, чтобы установить механизм действия химического соединения в живой клетке, для определения активных групп молекул, для практических целей синтеза физиологически активных соединений. О том, что работа в этом направлении огромна, свидетельствует хотя бы такой факт: для сравнительно простого антибиотика хлорамфеникола синтезировано ныне свыше 400 аналогов.



Синтез аналогов природных соединений приобрел особо важное значение в связи с обнаружением так называемых аналогов-антагонистов, т.е. веществ, близких по строению к природным, но противоположных по физиологическому действию.

К этим исследованиям примыкают работы по моделированию химических процессов живой природы. Для их решения биоорганическая химия на отдельных веществах стремится воспроизвести процессы, которые протекают или, до крайней мере, должны протекать в живой природе. Так, первой моделью при­родных белков были простые полипептиды, синтезированные еще Э. Фишером. Ныне эти модели позволили сделать важные выводы относительно механизма поведения природных нуклеиновых

77

кислот, в частности показали спонтанный характер закручивания макромолекулы в спираль.



Примером моделирования, призванного объяснить процессы возникновения простейших органических соединений живой природы, являются исследования Стенли Миллера по воспроизведению возможных химических реакций, предположительно проходивших в первичной атмосфере нашей планеты, путем воздействия электрических разрядов на смесь метана, аммиака, водорода и паров воды. При этом им были получены глицин, аланин, аминомасляная кислота, другие сложные органические соединения, что внесло существенный вклад в наше понимание биопоэза.

Нет сомнения, что в дальнейшем будут созданы практически важные модели фотосинтезирующих систем, необходимые для производства питательных веществ.

Академик Н.Н. Семенов, размышляя о перспективах развития химической науки, отмечает, что биоорганическая химия должна охватывать все стороны изучения химии природных веществ, включая выделение и выяснение строения, синтеза и механизма биологического действия всех важных классов природных соединений, прежде всего природных соединений, определяющих развитие животных и растительных организмов: белков, пептидов, нуклеотидов, гормонов, углеводов. Сейчас биоорганическая и биофизическая химия определяют развитие всех дисциплин медико-биологического цикла.

Совершенно очевидно, что в развитии биоорганических исследований крайне заинтересованы работники пищевой промышленности, сельского хозяйства, медицины и биологии. Изучение природных полимеров открывает новые пути создания искусственных материалов: волокна, тканей, заменителей кожи. Химия природных соединений позволит все активнее вмешиваться в биохимические процессы, стимулируя развитие одних функций организмов, подавляя другие. Она поможет человеку в борьбе с заболеваниями. Все это настоятельно требует быстрейшего развития биоорганических исследований.


Литература

1. Гьельт Э. История органической химии. М, 1937. С. 297.

2. Шмитт Ф. Молекулярная биология и физическая основа жизненных

78

процессов // Современные проблемы биофизики. М.-Л., 1961. Т. 1. С. 13.



3. Буканоевский В.М. Принципы и основные черты классификации современного естествознания. Пермь, 1960. С. 170.

4. Кочетков Н.К., Торгов И.В., Ботвиник М.М. Химия природных соеди­нений, М., 1961. С. 3.

5. Эйбелсон Ф. Палеобиохимия // Труды симпозиума по эволюционной биохимии V Международного биохимического конгресса, М., 1961. С. 3.
1962 г.
ГОМОЛОГИЯ И ОЛИГОМЕРИЯ В БИОХИМИИ
Касаясь данного вопроса, мы ставим перед собой лишь одну, весьма ограниченную цель: обратить внимание на аналогию некоторых биохимических явлений с теми более широкими биологическими наблюдениями, которые описаны в работе профессора Ленинградского университета Валентина Александровича Догеля «Олигомеризация гомологичных органов».

Во введении к книге В.А. Догель подчеркивает следующую основную мысль своей работы: «...эволюция и специализация различных групп Metazoa сопровождается постепенным уменьшением числа гомологичных органов. Эта, как я называю, олигомеризация числа органов затрагивает самые разнообразные системы. Число гомологичных и равнозначных по функции (т.е. гомодинамных) органов, имеющихся у неспециализированных предков, уменьшается по мере перехода их к более специализированным потомкам» [1].

Догель отмечает, что олигомеризация может совершаться различными путями, в частности путем уменьшения числа зачатков или слияния гомологичных органов. Далее он подчеркивает, что особое значение для эволюции имеет изменение функций у гомологичных органов. «При прогрессивной олигомеризации числа органов разных систем мы наблюдали, что одним из способов уменьшения числа гомологичных органов является смена функций, при которой известная часть сначала строго гомологичных образований, меняя свои функции, становится гетеродинамной всем прочим органам данной серии» [1, с. 326–

79

327]. В результате одни и те же первоначально в физиологическом отно­шении однородные органы могут приспособляться к выполнению разных функций. Эти важные наблюдения и выводы, сделанные профессором Догелем на основе изучения морфологии животных и подкрепляемые мнением других авторов, любопытным образом перекликаются с рядом фактов биохимической морфологии.



Как известно, биохимическая морфология изучает структуру молекулярных и надмолекулярных частиц, входящих в состав организмов. При этом, как и в обычной морфологии, в данной области часто приходится встречаться с фактами гомологии. Надо отметить, что в области биохимии понятие гомологии не определено достаточно точно. Известная трудность создается тем, что в смежных областях знаний (в органической химии и в биологии) понятие гомологии имеет несколько различный, а в некотором отношении и прямо противоположный смысл. Общим является то, что химические гомологи органиков, с одной стороны, и гомологичные органы – с другой, обладают единым планом строения, реализуют то, что Жоффруа Сент-Илер определил как unite de composition organique. Это обстоятельство и побудило в свое время Жерара перенести понятие гомологии из биологических наук в химию.

Согласно определению Оуэна, принятому в биологии, гомологичными являются однотипные органы у разных животных, как бы ни различались форма и функции этих органов. Так, гомологичны ласты тюленя и крылья летучей мыши. Гомологичными считаются также построенные по общему плану множе­ственные органы животных, например позвонки позвоночника, сегменты многих насекомых и червей. Принцип полимерии гомологичных органов перекликается с принципом цепочечного построения гомологичных органических соединений. Однако для химических гомологов требуется сохранение у всех членов ряда вполне определенной, решающей химические функции, что, соб­ственно говоря, и определяет принадлежность данного соединения к тому или иному ряду (спиртов, аминов, кислот и т.д.). Это требование сохранения функций уже не является строго обязательным в биологии.

В биологической литературе часто можно встретить термины «гомология» и «полимерия» в применении к одному и тому

80

же явлению накопления одинаково построенных органов, структур организмов. Аналогичное соотношение в известном смысле имеет место и в органической химии.



Явление гомологии тесно связано с другой формой химического усложнения вещества – полимерией. Так же как у гомологов, для полимерных соединений характерно накопление в молекуле одинаковых повторяющихся групп. В значительном числе случаев полимеры могут быть рассмотрены как высшие члены гомологических рядов. Это в первую очередь относится к линейным полимерам.

Очевидно, что имеются и существенные различия между гомологией и полимерией. Ясно, например, что масляная кислота является гомологом, но не полимером уксусной или муравьиной. В то же время трудно усмотреть гомологию, скажем, в двухмерных или трехмерных высокополимеризованных продуктах, широко применяющихся в современной технике.

Обычно явление гомологии имеют в виду в том случае, когда сравниваются два или несколько соединений, структурно отличающихся на определенную группу атомов. Поскольку вещественной основой гомологии является процесс накопления однородных групп в молекуле, мы можем констатировать наличие гомологии и для одного соединения, если в его структуре наблюдается повторение тождественных структурных единиц. В этом смысле термины гомологии и полимерии однозначны, например, для молекулы

СН3 • СН2 • СН2 • СН2 • СООН,

где имеет место накопление одинаковых СН2-групп.

Применение термина «гомология» к одной молекуле не является произвольным. Говоря об отдельной молекуле, содержащей в себе повторяющуюся группу, мы все равно рассматриваем ее как члена ряда, допускаем (если они неизвестны) существование для нее низших и высших гомологов и на основании всего материала органической химии убеждены в реальной возможности синтеза других членов ряда. Это обстоятельство дает нам возможность говорить о гомологии применительно к одной молекуле, одному соединению.

Гомологичные органы характеризуются, далее, единством происхождения, существенной общностью своей истории. Химическое соединение, напротив, безразлично к истории своего происхождения в том смысле, что одно и то же вещество может быть получено совершенно разными путями, поэтому единство

81

происхождения не связывает химические гомологи друг с другом необходимым образом: они могут быть получены как по одной схеме, так и в результате абсолютно различных реакций.



Гомологию в области биохимии некоторые авторы понимают крайне широко. Так, М. Флоркэн в своей книге «Биохимическая эволюция» дает следующее определение: «Мы называем гомологичными вещества химически сходные... Биохимическая гомология может иметь разные степени – от полной идентичности до простого химического сходства» [2]. Такое определение широко до бессодержательности. Что касается полной идентичности, то два идентичных соединения это просто-напросто одно соединение. Критерий же химического сходства заключает в себе элементы субъективизма и ненадежен. Правда, Флоркэн пытается развить свое определение гомологии, сделать его более конкретным. Он относит к гомологам такие столь разные соединения, как цитохромы, хлорофилл, желчные пигменты, каталазу и гемоглобин на том основании, что все эти вещества являются дериватами порфиринов. По мнению Флоркэна, гомологами являются также стеролы (желчные кислоты), витамин D, половые гормоны, сердечные глюкозиды, поскольку эти соединения представляют собой производные стерана. Хотя и в данном случае понятие гомологии остается широким, оно уже включает в себя некоторые ограничения структурного характера. Нетрудно заметить, что взгляды Флоркэна на гомологию ближе к биологической, чем к химической точке зрения. Такое расширительное толкование гомологии полезно в одном отношении: оно позволяет установить родство обширных классов соединений и делать некоторые сопоставления относительно эволюционных связей организмов.

Однако, с точки зрения химика, подобные широкие определения гомологии мало удовлетворительны. Некогда аналогичное, чисто качественное определение гомологии в органической химии дал Жерар, который писал: «Мы называем гомологами те вещества, которые имеют одинаковые химические свойства и состав которых характеризуется некоторой аналогией пропорций, входящих в них элементов» [3]. Однако Жерар уточнил это понятие и придал ему количественную определенность. С развитием

82

теории химического строения понятие гомологии приобрело необходимую ясность, поскольку стало базироваться на четких принципах структуры.



Если справедливо замечание Н.И. Вавилова, что современная биология в своем развитии повторяет до некоторой степени в своих построениях путь органической химии, то становится очевидной необходимость уточнения понятия гомологии в биохимии на основе четких представлений структурной химии. Быстро разрастающийся материал биохимической морфологии требует упот­ребления более строгой классификации природных соединений и отграничения гомологии от других форм усложнения природных химических соединений.

Органическая химия понимает гомологию в узком и в широком, но весьма точном смысле. В первом случае речь идет о простой гомологии, открытой Шилем и положенной Жераром в основу его классификации органических соединений, когда молекулы отличаются друг от друга на одну или несколько групп СН2. Возникшее позже более широкое понятие гомологии включает в себя любые случаи образования правильных рядов соединений, молекулы которых отличаются друг от друга на какую-то определенную группу U, взятую любое число раз (U-гомология, по Сеньору).

Известны ряды соединений, построенные путем накопления винильных групп. Это так называемые винилоги, например члены ряда

С6Н5–(СН=СН)n –СН3.

Получены многие члены ряда фенилогов, к которому может быть отнесен бензол, бифенил и т.д.

Среди органических соединений, принимающих активное участие в процессах обмена веществ, мы также встречаем гомологов в узком и широком значении.

К числу простых гомологов относятся, например, многочисленные жирные кислоты, встречающиеся в организмах, с общей формулой СН3(СН2)nСООН.

Представителей простых гомологических рядов можно найти среди аминокислот. Гомологами являются глицин и аланин

83

аспарагиновая и глутаминовая кислоты



Гомологичны гликоколбетаин и бутиробетаин


(СН3)3N+СН2СО2 (СН3)3N+СН2НС2НС2СО2.
Простая циклическая гомология встречается у некоторых алкалоидов. К числу подобных случаев можно отнести норникотин (I) и анабазин (II)

Следует подчеркнуть, что в биохимической сфере свойства простых гомологов претерпевают весьма существенные превращения. В органической химии общеизвестна близость свойств членов одного гомологического ряда, постепенность и регулярность в изменении их химического поведения и физического облика по мере накопления СН2-групп. Не то в сфере биохимической морфологии. Здесь зачастую господствуют совершенно обратные соотношения, когда члены одного ряда отделены по своим свойствам буквально непроходимой бездной друг от друга. Аминокислоты близки между собой в том отношении, что могут принимать участие в построении полипептидных цепей. Однако даже гомологичные аминокислоты не могут заменить друг друга в синтетических построениях организмов. Например, норлейцин CH3CH2CH2CH2CH(NH2)COOH не может быть заменен аланином CH3CH(NH2)COOH.

Дифтерийная бактерия нуждается для своего нормального

84

роста в лимелиновой кислоте (СН2)5(СООН)2, и никакая другая дикарбоновая кислота не может восполнить ее отсутствие.



В подобных случаях последовательное изменение свойств гомологичных соединений как бы превращается в свою полную противоположность: наступают разрывы, скачки в свойствах. Однотипность функционирования всех членов гомологического ряда нарушается, и мы неожиданным образом констатируем, что ряд не подчиняется больше химическому определению гомологии и начинает соответствовать биологическому представлению, для которого общность функции гомологов не является уже обязательной.

Особенно широко в мире биохимической морфологии встречаются представители следующей, более высокой формы усложнения молекулярных структур, для которых единицей усложнения, развития является уже не примитивная группа СН2, а более высоко организованный комплекс.

В качестве первого примера следует привести сахара, точнее, монозы. Их необходимо рассматривать в качестве звеньев гомологического ряда, члены которого отличаются друг от друга на группу (Н–С–ОН). Соединения этого класса, начинающегося гликолевым альдегидом (СНО • СН2ОН) и включающего триозы, тетраозы, пентозы, гексозы, можно было бы назвать карбинологами, поскольку в основе их усложнения лежит спиртовый радикал.

Встречаются и более сложные случаи. Такова, например, гомология гормонов щитовидной железы дииодтирозина (I) и тироксина (II)



Аденозинмоно-, ди-, трифосфорные кислоты, осуществляющие столь важные функции в организмах, являются гомологами, отличающимися друг от друга на количество остатков

85

фосфорной кислоты.



Среди алкалоидов в отношениях гомологии находятся производные пиридина, хинолина и акридина:

Из различных лишайников выделены антибиотические вещества (группы депсидов), относящиеся к ряду сложных гомологов следующего строения:



В высокомолекулярных (полимерных) биохимических веществах структурными единицами являются еще более сложные радикалы. К примеру, целлюлоза состоит из остатков глюкозы, хитин – из остатков глюкозамина, альгиновая кислота водорослей – из остатков маннуроновой кислоты. Из правильно чередующихся остатков, как предполагают многие исследователи, построены белковые образования, а также нуклеиновые кислоты. Так, Бергман и сотрудники установили, что в фиброине шелка имеет место повторение следующей группы остатков аминокислот:

– (Г–А–Г–Т–Г–А–Г–Х–Г–А–Г–Х–Г–А–Г–Х) –,

где Г – глицин, А – аланин, Т тирозин, X – прочие аминокислоты.

Гомология, как в своей простой, так и в своей сложной форме, позволяет организму, исходя из одних и тех же структурных кирпичиков, создавать вещества различных, а иногда и неповторимых свойств. Организмы весьма умело используют диалектический закон перехода количественных изменений в качественные в гомологических рядах. Иногда они комбинируют

86

сразу несколько видов гомологии в одном месте. Вот, например, из Pseudomonas aeruginosa выделен глюколипид следующего вероятного строения:



Здесь как бы переплелись четыре вида гомологии: 1) простая гомология в остатках жирных кислот (накопление СН2-групп); 2) карбинология в молекулах сахаров; 3) накопление остатков одинаковых оксикислот; 4) накопление остатков гексоз.

Поднимаясь выше по лестнице развития, мы встречаем гомологию уже в более сложной форме накопления надмолекулярных структур в живом веществе (пластиды, фибриллы, хромосомы, для которых известна гомология в виде полиплоидии и т.п.).

Интересную аналогию между гомологическими рядами в химии и в ботанике, проводил, как известно, Н.И. Вавилов в своей работе «Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости». Он, в частности, писал: «Правильности в полиморфизме у растений, установленные путем детального изучения изменчивости различных родов и семейств, можно условно до некоторой степени сравнить с гомологическими рядами органической химии, например, углеводородами (СН4, С2Н4, СН2...).

Ряды этих соединений, отличаясь друг от друга, все же характеризуются многими общими свойствами в смысле образования определенных циклов соединений, определенных реакций обмена и соединения. Каждый отдельный углеводород дает серию соединений, сходных с другими углеводородами.

В общем роды или линнеоны растений и животных также дают гомологические ряды форм, как бы соответствующие различным гомологическим сериям углеводородов» [4]. К сожалению, эти интересные работы по гомологическим рядам не были

87

продолжены, и поэтому пока не существует какой-либо биохимической интерпретации наблюдаемых явлений.



Гомология, какие бы возможности она ни открывала для создания самих многообразных веществ путем использования скромного средства – накопления одинаковых остатков, имеет весьма определенный предел. Накопление одинаковых остатков в молекуле, первоначально обогащая ее химические способности, по мере увеличения частицы делает ее все более инертной, «онеорганичивает» ее.

Структуры, состоящие из очень большого числа одинаковых частиц, уже снижают биохимическую активность, теряют постепенно облик живого. Это, как правило, – опорные и резервные вещества (целлюлоза, крахмал, хитин, лигнин, жиры и т.п.). В равной степени кристаллические формы белков и вирусов, обусловленные упорядоченным накоплением больших количеств однородных частиц, обладают слабым обменом, напоминают неорганические тела.

Большие скопления одинаковых остатков в молекуле по механизму гомологии, по-видимому, препятствуют активному метаболизму и являются не очень выгодными. Поэтому в жирных кислотах число СН2-групп обычно составляет 20–30 (редко больше, например в туберкулезных бактериях от C38 Н74 О3 до С88 Н174 О3). Число НСОН-групп в монозах доходит, как правило, лишь до четырех–пяти.

На химический тупик, порождаемый строгой периодичностью при построении биологических структур, указывает А. Фрей-Висслинг в своей книге «Субмикроскопическое строение протоплазмы и ее производных». Он делает следующее замечание: «Периодичность для живых существ играет важную роль, но больше в отношении пространственного расположения. Строго периодический порядок предполагает равновесие сил, а это противоречит жизни, основанной на движении и поддержании состояния неравновесия. Но как только химическое соединение выключается из обмена веществ, начинают действовать силы порядка, приводящие к периодической структуре, как, например, в случае целлюлозы, хитина, коллагена, кератина и тому подобных скелетных образований» [5].

Однако биохимический материал показывает один из путей преодоления трудностей, порождаемых инертностью высших

88

гомологов, выдвигает новый способ обогащения свойств молекул и увеличения их химических возможностей. Возникает явление, охарактеризованное в работе В.А. Догеля как олигомеризация гомологичных структур. Он приводит наблюдения, свидетельствующие о выпадении части гомологичных и гомодинамных органов у животных вследствие изменения ими прежней функции. Еще Дарвин указывал [6], что простое «вегетативное повторение» отдельных органов и форм представляется признаком более низкой организации. Развитие заключается здесь в специализации отдельных частей и приспособлении их к различным функциям.



Этому процессу олигомеризации гомологичных структур имеется аналог в области биохимической морфологии. Речь идет о том, что при гомологическом повторении отдельных радикалов в сложных структурах эти радикалы оказываются больше не тождественными. При этом, однако, сохраняется общий план строения подобных соединений.

Точно и однозначно такой общий план, может быть, не всегда удастся определить, но в ряде случаев он очевиден. Такой план имеется в построении полипептидной цепочки из разных аминокислот, он очевиден у гетерополисахаридов, сформированных из остатков различных сахаров, соединенных кислородными мостиками. Так, лактоза состоит из остатков галактозы и глюкозы, рафиноза – из остатков галактозы, глюкозы и фруктозы. Элементы олигомеризации наблюдаются уже в монозах вследствие различного пространственного расположения заместителей в углеродной цепочке.

Стрептомицин состоит из четырех олигомеризованных гексоз: стрептидина (производное инозита), стрептозы, глюкозамина и маннозы.

Один из алкалоидов группы соланинов, демиссидин, содержит в себе остатки ксилозы, галактозы, глюкозы. Неполная гомология структур имеет место, например, в оливеторовой кислоте



89

Нуклеиновые кислоты имеют общий план строения



где С – сахар, О – основание, Ф – остаток фосфорной кислоты. Но в качестве основания могут выступать разные пуриновые или пиримидиновые соединения, а в качестве сахара разные пентозы (рибоза или дезоксирибоза).

Значение подобного пути усложнения органических соединений очевидно: этим достигается обогащение химических возможностей молекул по сравнению с обычной гомологией, преодолевается ограниченность простого повторения структурных единиц.

Возникновение олигомерии обусловлено, по-видимому, еще одним существенным обстоятельством, которое относится уже к области биохимической динамики. Олигомерия, приводя к изменению строения и свойств соединяющихся радикалов, сохраняет характер связи между ними. Это позволяет организмам обойтись меньшим числом различных ферментов, осуществляющих синтез олигомерных соединений.

Олигомеризация в биохимической морфологии есть нарушение, видоизменение строгой гомологичности, она является одной из форм развития вещества. Вместе с описанным в книге проф. Догеля явлением олигомеризации более сложных образований отмеченная биохимическая олигомеризация является, быть может, одним из общих свойств живой материи.




Достарыңызбен бөлісу:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   25


©kzref.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет