Биоорганическая химия

БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ, изучает связь между строением органических веществ и их биологическими функциями, используя в основном методы органической и физической химии, а также физики и математики. Биоорганическая химия полностью охватывает химию природных соединений и частично пересекается с биохимией и молекулярной биологией. Объектами её изучения служат биологически важные природные соединения - главным образом биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и смешанные биополимеры) и низкомолекулярные биологически активные вещества - витамины, гормоны, антибиотики, токсины и так далее, а также синтетические аналоги природных соединений, лекарственные препараты, пестициды и др.

Биоорганическая химия сформировалась как самостоятельная область во 2-й половине 20 века на стыке биохимии и органической химии на основе традиционной химии природных соединений. Её становление связано с именами Л. Полинга (открытие α-спирали и β-структуры как главных элементов пространственной структуры полипептидной цепи в белках), А. Тодда (выяснение химического строения нуклеотидов и первый синтез динуклеотида), Ф. Сенгера (разработка метода определения аминокислотной последовательности в белках и расшифровка с его помощью первичной структуры инсулина), В. Дю Виньо (выделение, установление структуры и химический синтез пептидных гормонов - окситоцина и вазопрессина), Д. Бартона и В. Прелога (конформационный анализ), Р. Вудворда (полный химический синтез многих сложных природных соединений, в том числе резерпина, хлорофилла, витамина В₁₂) и др.; в СССР огромную роль сыграли работы Н. Д. Зелинского, А. Н. Белозерского, И. Н. Назарова, Н. А. Преображенского и др. Инициатором исследований по биоорганической химии в СССР в начале 1960-х годов явился М. М. Шемякин. Им, в частности, были начаты работы (впоследствии получившие широкое развитие) по изучению циклических депсипептидов, выполняющих функцию ионофоров. Лидером отечественной биоорганической химии в 1970-80-х годах стал Ю.А. Овчинников, под руководством которого было установлено строение десятков белков, в том числе мембранных (впервые) - бактериородопсина и зрительного родопсина быка.

К основным направлениям биоорганической химии относятся:

1. Разработка методов выделения и очистки природных соединений. При этом для контроля за степенью очистки часто используют специфическую биологическую функцию изучаемого вещества (например, чистоту антибиотика контролируют по его антимикробной активности, гормона - по его влиянию на определённый биологический процесс и так далее). При разделении сложных природных смесей часто применяют методы высокоэффективной жидкостной хроматографии и электрофореза. С конца 20 века вместо поиска и выделения отдельных компонентов проводят тотальный скрининг биологических образцов на максимально возможное число компонентов того или иного класса соединений (смотри Протеомика).

2. Определение структуры изучаемых веществ. Под структурой понимают не только установление природы и порядок связи атомов в молекуле, но и их пространственное расположение. Для этого используют различные методы, в первую очередь химические (гидролиз, окислительное расщепление, обработка специфическими реагентами), позволяющие получать более простые вещества с известной структурой, по которым реконструируют структуру исходного вещества. Широко применяют автоматические устройства, обеспечивающие быстрое решение стандартных задач, особенно в химии белков и нуклеиновых кислот: анализаторы для количественного определения аминокислотного и нуклеотидного состава и секвенаторы для выяснения последовательности аминокислотных остатков в белках и нуклеотидов в нуклеиновых кислотах. Важную роль при изучении структуры биополимеров играют ферменты, особенно те, которые специфически расщепляют их по строго определённым связям (например, протеиназы, катализирующие реакции расщепления пептидных связей по остаткам глутаминовой кислоты, пролина, аргинина и лизина, или рестриктазы, специфически расщепляющие фосфодиэфирные связи в полинуклеотидах). Сведения о строении природных соединений получают также с помощью физических методов исследования - главным образом масс-спектрометрии, ядерного магнитного резонанса и оптической спектроскопии. Повышение эффективности химических и физических методов достигается благодаря одновременному анализу не только природных соединений, но и их производных, содержащих характерные, специально вводимые группировки и меченые атомы (например, путём выращивания бактерий – продуцентов того или иного соединения на среде, содержащей предшественников этого соединения, обогащённых стабильными или радиоактивными изотопами). Достоверность данных, получаемых при изучении сложных белков, значительно повышается при одновременном исследовании строения соответствующих генов. Пространственную структуру молекул и их аналогов в кристаллическом состоянии исследуют методом рентгеноструктурного анализа. Разрешение в ряде случаев достигает значений менее 0,1 нм. Для растворов наиболее информативен метод ЯМР в сочетании с теоретическим конформационным анализом. Добавочную информацию дают оптические спектральные методы анализа (электронные и флуоресцентные спектры, спектры кругового дихроизма и др.).

3. Синтез как самих природных соединений, так и их аналогов. Во многих случаях химический или химико-ферментативный синтез является единственным способом получения нужного вещества в больших (препаративных) количествах. Для относительно простых низкомолекулярных соединений встречный синтез служит важным критерием правильности ранее определённой структуры. Созданы автоматические синтезаторы белков и полинуклеотидов, позволяющие значительно сокращать время синтеза; с их помощью синтезирован ряд белков и полинуклеотидов, содержащих несколько сотен мономерных звеньев. Химический синтез - основной способ получения лекарственных препаратов неприродного происхождения. В случае природных веществ он часто дополняет биосинтез или конкурирует с ним.

4. Установление клеточной и молекулярной мишени, на которую направлено действие биологически активного вещества, выяснение химического механизма его взаимодействия с живой клеткой и её компонентами. Понимание молекулярного механизма действия необходимо для продуктивного использования биомолекул, с их зачастую чрезвычайно высокой активностью (например, токсинов), в качестве инструментов исследования биологических систем; оно служит основой для направленного синтеза новых, практически важных веществ с заранее заданными свойствами. В ряде случаев (например, при изучении пептидов, влияющих на деятельность нервной системы) получаемые таким образом вещества обладают многократно усиленной, по сравнению с исходным природным прототипом, изменённой в нужном направлении активностью.

Биоорганическая химия тесно связана с решением практических задач медицины и сельского хозяйства (получение витаминов, гормонов, антибиотиков и других лекарственных средств, стимуляторов роста растений, регуляторов поведения животных, в том числе насекомых), химической, пищевой и микробиологической промышленности. В результате сочетания методов биоорганической химии и генетической инженерии стало возможным практическое решение проблемы промышленного получения сложных, биологически важных веществ белково-пептидной природы, включая такие высокомолекулярные, как инсулин человека, α-, β- и γ-интерфероны, гормон роста человека.

Лит.: Дюга Г., Пенни К. Биоорганическая химия. М., 1983; Овчинников Ю. А. Биоорганическая химия. М., 1996.