Химия в биологии, медицине и производстве лекарственных препаратов

Современное человеческое общество живет и продолжает развиваться, активно используя достижения науки и техники, и практически немыслимо остановиться на этом пути или вернуться назад, отказавшись от использования знаний об окружающем мире, которыми человечество уже обладает. Накоплением этих знаний, поиском закономерностей в них и их применением на практике занимается наука. Человеку как объекту познания свойственно разделять и классифицировать предмет своего познания (вероятно, для простоты исследования) на множество категорий и групп; так и наука в свое время была поделена на несколько больших классов: естественные науки, точные науки, общественные науки, науки о человеке и пр. Каждый из этих классов делится, в свою очередь, на подклассы и т. д. и т. п.

Но среди этого многообразия наук есть науки «лидеры» и науки «отстающие». Одними из современных наук «лидеров» и являются биология и медицина.

«Вторая половина нашего столетия отмечена стремительным прогрессом биологических знаний и их приложений в разнообразных сферах жизни современного общества. В сущности, интерес человека к живой природе никогда не угасал, но лишь последние десятилетия позволили приблизиться к пониманию удивительных тайн жизнедеятельности и на этой основе сделать решительный шаг в использовании новейших биологических открытий."(вице-президент АН СССР Ю.А.Овчинников, 1987)

Пятидесятые годы стали временем начала ренессанса биологии, которая «сумела заглянуть внутрь клетки и разобраться в молекулярных механизмах рождения ми развития организмов» [1].

Существует мнение, что XXI век станет веком биологии, а все остальные науки отойдут на второй план [3]. Сбылось предсказание великого физика современности Н. Бора, который в 50х годах неоднократно заявлял, что в ближайшем будущем наиболее интенсивное проникновение в тайны природы станет прерогативой не физики, а именно биологии [8]. Большая часть современной естественнонаучной литературы в той или иной мере посвящена исследованию именно живой природы. Биологическими проблемами занимаются сейчас десятки наук. Очень продуктивными оказываются и науки, связанные с претворением новейших биологических открытий в жизнь.

Можно без преувеличения сказать, что одной из таких отраслей приложения биологии многие из нас обязаны здоровьем и даже жизнью. Речь идет о медицине, которая в настоящие годы переходит не только к использованию лекарств нового поколения и применению в практике новых материалов, но к таким методам лечения, которые позволяют воздействовать на болезнь в самом ее начале, а то и до начала ! Это стало возможным в связи с исследованием молекулярных механизмов развития множества заболеваний и коррекцией нарушений не привычным методом введения в организм недостающих веществ, а путем воздействия на естественные процессы биорегуляции (с помощью специальных биорегуляторов или на генетическом уровне). Решение множества ключевых проблем современности, таких как производство продуктов питания, многих лекарств и других веществ связано с активным внедрением в жизнь биотехнологий.

Столь ощутимый прогресс биологии был бы невозможен без ее активного взаимодействия с другими науками. Но парадокс современного состояния науки состоит в том, что множество исследований оказывается «на стыке наук», для продуктивного решения проблемы приходится привлекать ученых различных специальностей; более того, многие ученые в настоящее время, в век узкой специализации, вынуждены овладевать смежными специальностями, и множество современных исследований с трудом можно отнести к какой-нибудь одной отрасли науки. При решении биологических проблем тесно переплетаются идеи и методы биологии, химии, физики, математики и других областей знания. Именно проблема взаимодействия химии с биологическими дисциплинами и их приложениями в медицине и будет нас интересовать.

Химики второй половины XX века очень активно занимались исследованиями живой природы. В пользу этого тезиса может свидетельствовать хотя бы тот факт, что из 39 Нобелевских премий по химии, врученных за последние 20 лет (19 771 996), 21 премия (больше половины! а ведь отраслей химии очень много) была получена за решение химико-биологических проблем [14, см. Приложение 1].

Это и неудивительно, ведь живая клетка это настоящее царство больших и малых молекул, которые непрерывно взаимодействуют, образуются и распадаются… В организме человека реализуется около 100 000 процессов, причем каждый из них представляет собой совокупность различных химических превращений. В одной клетке организма может происходить примерно 2000 реакций [4,5]. Все эти процессы осуществляются при помощи сравнительно небольшого числа органических и неорганических соединений. Современная химия характеризуется переходом к изучению сложных элементорганических соединений, состоящих из неорганических и органических остатков. Неорганические части представлены водой и ионами различных металлов, галогенов и фосфора (в основном), органические части представлены белками, нуклеиновыми кислотами, углеводами, липидами и достаточно обширной группой низкомолекулярных биорегуляторов, таких как гормоны, витамины, антибиотики, простагландины, алкалоиды, регуляторы роста и т. д.

Известно, что из множества химических элементов в состав живых организмов входят только некоторые элементы. Наиболее важными ионами металлов оказываются ионы натрия, калия, магния, кальция, цинка, меди, кобальта, марганца, железа и молибдена. Из неметаллоидов в живых системах практически всегда можно встретить атомы водорода, кислорода, азота, углерода, фосфора и серы в составе органических соединений и атомы галогенов и бора как в виде ионов, так и в составе органических частиц [4]. Отклонение в содержании большинства из этих элементов в живых организмах часто приводит к достаточно тяжелым нарушениям метаболизма.

Большая часть болезней обусловлена отклонением концентраций какого-либо вещества от нормы. Это связано с тем, что огромное число химических превращений внутри живой клетки происходит в несколько этапов, и многие вещества важны клетке не сами по себе, они являются лишь посредниками в цепи сложных реакций; но, если нарушается какое-то звено, то вся цепь в результате часто перестает выполнять свою передаточную функцию; останавливается нормальная работа клетки по синтезу необходимых веществ.