Химия в біології, медицині та виробництві лікарських засобів

Химия в біології, медицині та виробництві лікарських препаратов.

Современное людське суспільство живе і продовжує розвиватися, активно використовуючи досягнення науку й техніки, та практично немислимо зупинитися цьому шляху або повернутися тому, відмовившись від використання знань про світ, якими людство вже має. Накопиченням цих знань, пошуком закономірностей у яких та його застосуванням практично займається наука. Людині як об'єкту пізнання властиво поділяти і класифікувати предмет свого пізнання (мабуть, для простоти дослідження) силою-силенною категорій і груп; і наука свого часу було поділено сталася на кілька великих класів: природні науки, точних наук, громадські науки, науки про людину тощо. Кожен з цих класів ділиться, своєю чергою, на підкласи тощо. і т.п.

Но серед цього різноманіття наук є науки «лідери «та «відстаючі «. Одним із сучасних наук «лідерів «і є біологія і медицина.

" Друга половина нашого століття відзначено стрімким прогресом біологічних знань та його додатків у різноманітних сферах життя сучасного суспільства. По суті, інтерес людини до живої природи будь-коли вгасав, але тільки останні десятиліття дозволили наблизитися до розуміння дивних таємниць життєдіяльності і основі зробити рішучий крок у використанні новітніх біологічних відкриттів. «(віце-президент АН СРСР Ю. А. Овчинников, 1987).

Пятидесятые почали часом початку ренесансу біології, яка «зуміла зазирнути всередину клітини, і дати раду молекулярних механізмах його й розвитку організмів » .

Существует думка, що XXI століття стане століттям біології, проте інші науки відійдуть на другому плані. Збулося пророцтво великого фізика сучасності Н. Бора, що у 50х роках неодноразово заявляв, що у недалекому майбутньому найбільш інтенсивне насичення таємниці природи стане прерогативою не фізики, саме біології. Більшість сучасної природничо-науковому літератури у тому мірою присвячена дослідженню саме живої природи. Біологічними проблемами займаються зараз десятки наук. Дуже продуктивними виявляються та, пов’язані з перетворенням новітніх біологічних відкриттів в жизнь.

Можно без перебільшення, що з таких галузей докладання біології багато людей зобов’язані здоров’ям і навіть життям. Йдеться медицині, що у справжні роки переходить як для використання ліків нової генерації і застосуванню у практиці нових матеріалів, але таких методів лікування, які дозволяють впливати не ідентичне хворобі на самому її початку, або навіть на початок! Це можна було у зв’язку з дослідженням молекулярних механізмів розвитку безлічі захворювань, і корекцією порушень не звичним методом запровадження організм саме ті речовин, а шляхом на природні процеси біорегуляції (з допомогою спеціальних биорегуляторов чи генетичному рівні). Рішення безлічі ключових проблем сучасності, як-от виробництво продуктів, багатьох ліків та інших речовин пов’язані з активним втіленням у життя биотехнологий.

Столь суттєвий прогрес біології був би неможливий без її активного взаємодії коїться з іншими науками. Але парадокс сучасного стану науки у тому, що багато досліджень виявляється «з кінця наук », для продуктивного рішення проблеми доводиться залучати учених різного фаху; більше, багато вчених нині, у XXI століття вузької спеціальності, змушені опановувати суміжні професії, і безліч сучасних досліджень з працею можна зарахувати до якоїсь однієї галузі науки. За позитивного рішення біологічних проблем тісно переплітаються ідеї, й методи біології, хімії, фізики, математики інших галузей знання. Саме проблема взаємодії хімії з біологічними дисциплінами та його додатками у медицині й буде нас интересовать.

Химики другий половини ХХ століття дуже активно впливають займалися дослідженнями живої природи. У користь цього тези може свідчити хоча б те що, що з 39-ти нобелівських премій по хімії, вручених протягом останніх 20 років (1977;1996), 21 премія (понад половину! тоді як галузей хімії дуже багато) отримали за рішення хіміко-біологічних проблем .

Это і не дивно, адже жива клітина це справжнє царство великих і малих молекул, які безупинно взаємодіють, утворюються і розпадаються… У організмі людини реалізує близько 100 000 процесів, причому кожен із новачків представляє собою сукупність різних хімічних перетворень. У одній клітині організму може статися приблизно 2000 реакцій. Всі ці процеси здійснюються при допомоги порівняно небагатьох органічних і неорганічних сполук. Сучасна хімія характеризується переходом до вивчення складних элементорганических сполук, які з неорганічних і органічних залишків. Неорганічні частини представлені водою і іонами різних металів, галогенів і фосфору (в основному), органічні частини представлені білками, нуклеїновими кислотами, вуглеводами, липидами і великої групою низькомолекулярних биорегуляторов, таких як гормони, вітаміни, антибіотики, простагландины, алкалоїди, регулятори зростання і т.д.

Известно, що з багатьох хімічних елементів у складі живих організмів входять лише деякі елементи. Найважливішими іонами металів виявляються іони натрію, калію, магнію, кальцію, цинку, міді, кобальту, марганцю, заліза і молібдену. З неметаллоидов живими системах практично можна натрапити на атоми водню, кисню, азоту, вуглецю, фосфору і сірки у складі органічних сполук і атоми галогенів і бору як у вигляді іонів, і у складі органічних частинок. Відхилення змісту більшості з цих елементів в живих організмах часто призводить до досить важким порушень метаболизма.

Большая частина хвороб обумовлена відхиленням концентрацій будь-якого речовини від норми. Це з тим, це дарує величезне число хімічних перетворень всередині живої клітини відбувається у кілька етапів, і з речовини важливі клітині не самі в собі, є лише посередниками у подальшому ланцюгу складних реакцій; але, якщо порушується якесь ланка, то вся ланцюг внаслідок часто перестає виконувати свою передатну функцію; зупиняється нормальна робота клітини по синтезу необхідних веществ.

В підтримці нормальної життєдіяльності організму дуже великий роль органічних молекул. Їх можна розділити на засадах, закладених у їх конструкцію, втричі групи: біологічні макромолекули (білки, нуклеїнові кислоти та його комплекси), олигомеры (нуклеотиди, ліпіди, пептиди та інших.) і мономери (гормони, антибіотики, вітаміни і ще в-ва) .

Для хімії особливо важливо встановлення зв’язок між будовою речовини та її властивостями, в частковості, біологічним дією. І тому використовується безліч сучасних методів, які входять у арсенал фізики, органічної хімії, математики і биологии.

В сучасної науці за українсько-словацьким кордоном хімії і біології постало безліч нових наук, які відрізняються використовуваними методами, цілями і об'єктами вивчення. Всі ці науки прийнято об'єднувати під терміном «фізико-хімічна біологія ». До цього напрямку относят:

а) хімію природних сполук (биоорганическая і бионеорганическая хімія bioorganic chemistry and inorganic biochemistry соответственно);

б) биохимию;

в) биофизику;

г) молекулярну биологию;

д) молекулярну генетику;

е) фармакологію і молекулярну фармакологию и безліч суміжних дисциплін. У більшій частині сучасних біологічних досліджень активно використовуються хімічні і фізико-хімічні методи. Прогрес в розділах біології, як цитологія, імунологія й гістологія, був безпосередньо пов’язаний з недостатнім розвитком хімічних методів виділення, тож аналізу речовин. Навіть така класична «суто біологічна «наука, як фізіологія, дедалі більше активно використовує досягнення хімії і біохімії. У Національні Інститути Здоров’я (National Instituts of Health USA) нині фінансують напрями медичної науки, пов’язані з суто фізіологічними дослідженнями, набагато менше, ніж біохімічні, вважаючи фізіологію «безперспективною і віджилої своє «наукою. Виникають такі, удавані здавалося б екзотичними науки, як молекулярна фізіологія, молекулярна епідеміологія та інших. З’явилися нові види медико-біологічних аналізів, в частковості, імуноферментний аналіз, з допомогою якого вдається визначати наявність таких хвороб, як СНІД і гепатит; застосування методів хімії і підвищення чутливості старих методів дозволяє тепер визначати безліч важливих речовин не порушуючи цілісності шкірного покриву пацієнта, за краплиною слини, поту або інший біологічної жидкости.

Итак, що ж займаються всі перелічені вище науки, є різними гілками фізико-хімічної биологии?

Основой хімії природних сполук стала традиційна органічна хімія, яка спочатку розглядали як хімія речовин, можна зустріти на живу природі. Сучасна ж органічна хімія займається усіма сполуками, мають вуглецеві (чи заміщені гетероаналогами вуглецю) ланцюжка, а биоорганическая хімія, досліджує природні сполуки, виділилася на окрему галузь науки. Хімія природних сполук виникла середині ХІХ століття, коли були синтезовано деякі жири, цукру й амінокислоти (це пов’язано з роботами М. Бертло, Ф. Велера, А. Бутлерова, Ф. Кекуле та інших.). Перші подібні білкам поліпептиди було створено початку ХХ століття, тоді ж Э. Фишер разом з іншими дослідниками вніс свій внесок у дослідження цукрів. Розвиток досліджень з хімії природних речовин тривало наростаючими темпами до середини ХХ століття. Після алкалоїдами, терпенами і вітамінами ця наука стала вивчати стероїди, ростові речовини, антибіотики, простагландины та інші низькомолекулярні біорегулятори. Поруч із ними хімія природних сполук вивчає біополімери і биоолигомеры (нуклеїнові кислоти, білки, нуклеопротеиды, гликопротеины, липопротеины, гликолипиды та інших.). Основний арсенал методів дослідження становлять методи органічної хімії, проте до рішення структурно-функціональних завдань активно залучаються й різноманітні фізичні, фізико-хімічні, математичні і біологічні методи. Основними завданнями, вирішити хімією природних сполук, є :

а) виділення в індивідуальному стані досліджуваних сполук з допомогою кристалізації, перегонки, різних видів хроматографії, електрофорезу, ультрафільтрації, ультрацентрифугирования, противоточного і розподілу і т.п.;

б) встановлення структури, включаючи просторове будова, з урахуванням підходів органічної і фізичної органічної хімії із застосуванням мас-спектроскопії, різних видів оптичної спектроскопії (ІК, СФ, лазерної та інших.), рентгеноструктурного аналізу, ядерного магнітного резонансу, електронного парамагнитного резонансу, дисперсії оптичного обертання і кругового дихроизма, методів швидкої кінетики і др.;

в) хімічний синтез та хімічна модифікація досліджуваних сполук, включаючи повний синтез, синтез аналогів і похідних, із підтвердження структури, з’ясування зв’язку будівлі та біологічної функції, отримання препаратів, цінних для практичного использования;

г) біологічне тестування отриманих соединений.

Крупнейшими досягненнями хімії природних сполук з’явилися розшифровка будівлі та синтез біологічно важливих алкалоїдів, стероїдів і вітамінів, повний хімічний синтез деяких пептидів, простагландинів, пенициллинов, вітамінів, хлорофілу та інших. сполук; встановлено структури безлічі білків, нуклеотидные послідовності безлічі генів тощо. і т.п.

Появление науки біохімії зазвичай пов’язують із відкриттям явища ферментативного каталізу та тіла біологічних каталізаторів ферментів, перші з яких були ідентифіковані і виділено в кристалічному стані 20х роках нашого століття. Біохімія вивчає хімічні процеси, що відбуваються у живих організмах і використовує хімічні методи у дослідженні біологічних процесів. Найбільшими подіями у біохімії з’явилися встановлення центральної ролі АТФ в енергетичному обміні, з’ясування хімічних механізмів фотосинтезу, подиху і м’язового скорочення, відкриття трансаминирования, встановлення механізму транспорту речовин через біологічні мембрани і т.п.

Молекулярная біологія виникла початку 50х років, коли Дж. Уотсон і Ф. Крік розшифрували структуру спіралі ДНК, що дозволило розпочати вивчення шляхів збереження і реалізації спадкової інформації. Найбільші досягнення молекулярної біології відкриття генетичного коду, механізму біосинтезу білків в рибосомах, основи функціонування переносника кисню гемоглобина.

Следующим кроком цьому шляху стало виникнення молекулярної генетики, що вивчає механізми роботи одиниць спадкової інформації генів, на молекулярному рівні. Однією з найактуальніших проблем молекулярної генетики є встановлення шляхів регуляції експресії генів переклад гена з активного стану в неактивне і навпаки; регуляція процесів транскрипції і трансляції. Практичним додатком молекулярної генетики стала розробка методів генної інженерії і генотерапії, що дозволяють модифікувати спадкову інформацію, що зберігається на живу клітині, в такий спосіб, що необхідні речовини будуть синтезуватися всередині самої клітини, що дозволяє отримувати біотехнологічним шляхом безліч цінних сполук, і навіть нормалізувати баланс речовин, нарушившийся під час хвороби. Суть генної інженерії - розсічення молекули ДНК деякі фрагменти, яка досягається з допомогою ферментів і хімічних реагентів, з подальшим об'єднанням; ця операція здійснюється з метою вставки в еволюційно налагоджену ланцюг нуклеотидів нового фрагмента гена, відповідального за синтез потрібного нам речовини, разом із так званими регуляторами ділянками ДНК, забезпечують активність «свого «гена. Вже сьогодні з допомогою генної інженерії отримують багато лікарських препаратів, переважно білкової природи: інсулін, інтерферон, соматотропін та інших. Фармакологія — це наука про лікарських засобах, дії різних хімічних сполук на живі організми, про засобах введення ліків в організми і взаємодії ліків між собою. Молекулярна фармакологія вивчає поведінка молекул лікарських речовин всередині клітини, транспорт цих молекул через мембрани тощо. Людина почав застосовувати лікарські речовини дуже довго, кілька років тому. Давня медицина практично цілком виходила з лікарських рослинах, і це підхід зберіг своєї принадності донині. Безліч сучасних лікарських засобів містять речовини рослинного походження чи хімічно синтезовані сполуки, ідентичні тим, які можна знайти у лікарських рослинах. Одна з найбільш ранніх з дійшли до нас трактат про лікарські засоби було написано давньогрецьким лікарем Гіппократом в IV столітті до нашої эры.

Зачатки хімії лікарських речовин з’являються у період панування алхімії. Сучасна хіміотерапія веде свій відлік початку ХХ століття від П. Эрлиха по противомалярийным засобам і похідним миш’якової кислоти. Нині синтезовано десятки і сотні тисяч лікарських речовин, та його пошук триває. Та кількість активно вживаних ліків, звісно, значно менше. Не все речовини, синтезовані як потенційного нового лікарського речовини, знаходять застосування практично. Багато широко що використовувалися раніше ліки витісняються зі сфери застосування тому, що з’являються ефективніші аналоги, які впливають на причину хвороби набагато селективнее, мають менше протипоказань і побічні ефекти. 1995 року до застосування у Росії дозволено понад 3 тисяч найменувань лікарських засобів, містять близько двох тисяч різноманітних хімічних речовин синтетичного походження. Однією з великих успіхів фармакології другої половини ХХ століття стало створення і впровадження в практику антибіотиків широкого спектра дії: сульфамидных препаратів, вітамінів, коштів, які впливають діяльність центральної нервової системи транквілізаторів, нейролептиків, психотомиметиков та інших. Чимало з цих ліків було відкрито і вперше застосовано у Росії (фторофур, феназепам, циклодол, вітамінні препарати і мн.др.).

В справжнє час у світі є безліч наукових центрів, провідних різноманітні химико-биологические дослідження. Країнами-лідерами у цій галузі є США, європейські країни: Англія, Франція, Німеччина, Швеція, Данія, Росія та ін. Існує безліч наукових центрів, розміщених у Москві і Підмосков'ї (Пущино, Обнінськ, Черноголовка), Петербурзі, Новосибірську, Красноярську, Владивостоці… Дехто з провідних центрів є Інститут біоорганічної хімії им. М. А. Шемякина і Ю. А. Овчинникова, Інститут молекулярної біології им. В. А. Энгельгардта, Інститут органічного синтезу їм. Н. Д. Зелинского, Інститут физикохимической біології МДУ им. Белозерского та інших. У СанктПетербурзі можна назвати Інститут Цитології РАН, хімічний й біологічні ф-ты Держ. Університету, Інститут експериментальної медицини РАМН, Інститут онкології РАМН їм. Петрова, Інститут особливо чистих біопрепаратів МЗиМП і т.п.

Основными проблемами, вирішити останніми роками фізико-хімічної біологією, є синтез білків і нуклеїнових кислот, встановлення нуклеотидної послідовності геному багатьох організмів (зокрема визначення повної нуклеотидної послідовності геному людини), спрямований транспорт речовин через біологічні мембрани; розробка нових ліків, нових матеріалів для медичного використання, наприклад, для биопротезирования. Особливу увагу приділяють розробці біотехнологій, які найчастіше бувають більш економічно вигідні, ефективні, ніж традиційні «технічні «, не кажучи вже про їхнє екологічну чистоту. Ведуться активні роботи з клонування рослин та тварин, і навіть одержання окремих органів поза організмом. Особливо примітний недавній успіх швейцарських учених (перші сполучення пресі з’явилися наприкінці лютого 1997 р.), отримали шляхом клонування сільськогосподарське тварина вівцю, що була вирощено з клітки вимені матери-овцы; дочірня генетична копію було названа Доллі. Це свідчить у тому, що клонування зі сфери суто наукових експериментів перетворюється на сферу практики. Необхідно згадати про лікування захворювань новим методом генотерапії зміною спадковості. Лікувальний ефект досягається шляхом перенесення «виправленої «гена або з допомогою ретровируса, або впровадженням ліпосом, містять генетичні конструкції. Генотерапевтические методи лише зароджуються, але саме з допомогою вже був вилікувана маленька дівчинка, хвора муковісцидозом; особливо перспективне застосування генотерапії в лікуванні хвороб, що передаються в спадщину або виникаючих під впливом вірусів. Мабуть, з допомогою саме цих методів будуть переможені СНІД, рак, грип і багато інших, менш поширених болезней.

Кроме того, постійно досліджуються механізми перетворень хімічних речовин, у організмах і з урахуванням отриманих знань ведеться безперервний пошук лікарських речовин. Багато різноманітних лікарських речовин, у справжнє час отримують або біотехнологічно (інтерферон, інсулін, інтерлейкін, рефнолин, соматоген, антибіотики, лікарські вакцини тощо.), використовуючи мікроорганізми (чимало з яких є продуктом генної інженерії), або шляхом що є майже традиційним хімічного синтезу, або з допомогою фізико-хімічних методів виділення з природного сировини (частин рослин i животных).

Другой біологічної завданням хімії є пошуку нових матеріалів, здатних замінити живу тканину, необхідних при протезуванні. Хімія подарувала лікарям сотні різноманітних варіантів нових материалов.

Кроме безлічі ліків, у повсякденному житті люди зіштовхуються досягнення фізико-хімічної біології у різноманітних галузях своєї фахової роботи і у побуті. Постають нові продукти харчування або вдосконалюються технології збереження вже продуктів. Виробляються нові косметичні препарати, що дозволяють людині бути здорове і гарне, які захищають його від несприятливого впливу навколишнього середовища. У техніці знаходять застосування різні біодобавки до багатьох продуктам оргсинтеза. У сільське господарство застосовуються речовини, здатні підвищити врожаї (стимулятори зростання, гербіциди і ін.) чи відстрахати шкідників (феромоны, гормони комах), вилікувати від хвороб рослин та тварин і звинувачують багато другие…

Все ці перелічені вище успіхи досягнуто із застосуванням знань і методів сучасної хімії. У сучасному біологи та медицині хімії належить одне з провідних ролей, і значення хімічної науки буде лише зростати. «Стик наук «хімії і біології виявився навдивовижу плідним.

Список литературы

Для підготовки даної праці були використані матеріали із російського сайту internet.