Факторы формирования бионеорганики

15 Июня в 18:00 1763 0


Бионеорганика сформировалась под влиянием двух факторов. Первый — это внутренняя логика развития наук, в частности, биологии и медицины, рассматривающих природу как единое целое, без разделения на органическую и неорганическую материю.

Автор фундаментального учебника «Биохимия» Альберт Ленинджер (1974) определил биологию как своего рода суперхимию, которая включает в себя все традиционные области химии. Действительно, все молекулы в живых организмах подчиняются тем же физическим и химическим законам, что и неорганическая материя. Однако, кроме того, в биологии имеется особая система принципов, в соответствие с которой молекулы взаимодействуют друг с другом. Она обобщенно названа молекулярной логикой живого.

Суть этой логики состоит в том, что живая клетка — это открытая изотермическая система, обладающая способностью к самосборке, саморегуляции и самовоспроизведению; состоящая из большого числа связанных друг с другом реакций, ускоряемых катализаторами (ферментами), которые производит сама клетка; клетка действует по принципу максимальной экономии составных частей и процессов. К этому определению в настоящее время можно добавить, что метаболические реакции и взаимодействие элементов происходят по принципу обратных связей. Неживая материя этому принципу не подчиняется.

Если признать, что биология — это суперхимия, то суждения о биологических и медицинских дисциплинах следует формировать с учетом развития химии.

Современное состояние химии рассматривает ее как единую науку, интегрирующую исторически сложившиеся разделы (неорганическую, органическую и физическую химию). Это разделение искусственно, поскольку все они методически и тематически связаны между собой. Ярким примером интегрального подхода к химии является Современный курс общей химии К. Хаускрофт и Э. Констебл (1997). В России тоже появились интегральные учебники химии Ю.А. Ершова с соавт. (2005) и В.И. Слесарева (2005).

Как и общая химия, бионеорганика интегрирует два искусственно разделенных мира — органическую и неорганическую природу. К этому побуждает не только логика развития науки в философском плане, но и практическая необходимость. Исторически разделение науки и внутреннего восприятия природы людьми на различные области было плодотворным, однако по мере развития науки стала очевидной недостаточность одностороннего подхода к жизненным явлениям с позиций разных областей науки. Особенно явно эта недостаточность проявилась при изучении взаимодействия организмов с металлами и полуметаллами.

Если рассматривать роль отдельных компонентов живой материи с количественной точки зрения, роль неорганических веществ представляется очень незначительной. Казалось бы, ролью элементов с содержанием менее 10-3% можно пренебречь. Так большинство ученых до середины прошлого века и поступали. Однако если рассматривать роль неорганической материи в метаболизме живых существ, она оказывается равнозначной роли органических компонентов.

В живой клетке реакции обмена осуществляются синтезированными клеткой ферментами, структура и функция которых жестко регулируются ионами металлов и полуметаллов. С другой стороны, участвующие в метаболизме органические молекулы способны связывать ионы определенных металлов, особенно переходных, с образованием комплексов, что, как правило, резко увеличивает их реакционную способность («активация»).

В китайской философии суть жизненных процессов образно представлена учением «инь — ян», единством противоположностей. Эта модель позволяет наглядно представить взаимодействие неорганической (минеральной) и органической материи в бионеорганике. Оба вида материи для жизни имеют равное значение, и один не может существовать в организме без другого (рис. 1).

Единство частей живой природы

Рис. 1. Равнозначное единство минеральной (м) и органической (о) частей живой материи

Ферменты, рецепторы и мембранные белки клетки представляют собой синтезированные живыми клетками координационные соединения (КС) пептидов с ионами металлов. Они управляют генетически обусловленными процессами метаболизма в зависимости от условий среды. Взаимодействие элементов с лигандами в конечном счете определяет, по какому пути — нормальному или патологическому — пойдет в данном организме обмен веществ, энергии и информации.

Биолигандам оказались свойственны некоторые специфические признаки, отличающие их от других, не связанных с металлами органических веществ — оптическая активность, изомерия, способность к образованию хелатов. Ранее металлы в составе комплексов рассматривали не как фактор, необходимый для выполнения соответствующей функции, а как нежелательное загрязнение. Естественно, выводы о строении, роли и функциях этих веществ оказывались неверными или, как минимум, неполными. Примером могут служить описываемые ниже исследования нуклеиновых кислот (НК).

Вторым фактором, обусловившим появление бионеорганики, стало бурное развитие инструментальных методов анализа. К середине прошлого века фундаментальные исследования физиков и физико-химиков привели к разработке невиданных по своим возможностям высокочувствительных приборов и методов, в частности, хроматографии и электрофореза, позволяющих анализировать и выделять из клеток практически все составляющие их вещества.

Одновременно колоссальных успехов достигла спектроскопия {рентгеновский структурный анализ, радиоспектроскопия, масс-спектрометрия). Появилась спектрохимия, обеспечивающая возможность почти автоматически идентифицировать как органические молекулы, так и атомы элементов и их изотопы в количественно очень небольших образцах. Значительно продвинулись исследования в области квантовой химии, координационной химии, катализа, химической технологии (рис. 2).

Научные дисциплины

Рис. 2. Научные дисциплины, зависящие от прогресса аналитической химии

Эти инструментальные методы способствовали как развитию старых научных дисциплин — энзимологии, биохимии мембран, биоэнергетики, исследований фотосинтеза, методов фиксации азота, молекулярных основ морфогенеза, так и появлению новых — бионеорганики, молекулярной биологии, генетической инженерии.

Решающее значение для появления бионеорганики получило широкое применение для анализа биологических объектов вначале одноэлементных атомно-абсорбционных спектрофотометров (AASP), а затем многоэлементных атомно-эмиссионных спектрометров на аргоновой плазме, оптических (ICP-OES) и масс-спектрометрических (ICP-MS). Чувствительность спектральных приборов увеличивалась за каждые десять лет примерно на три порядка, и в начале XXI века достигла у оптических спектрометров для ряда элементов 10-9 г. Это позволило с достаточной точностью и правильностью анализировать биологические объекты небольших объемов и масс.

Чувствительность современных индуктивно-связанных масс-спектрометров на аргоновой плазме почти достигла теоретического предела (10-14 г), что позволяет анализировать все объекты в микроколичествах. Например, для анализа на содержание почти всех элементов таблицы Менделеева (и их изотопов) в настоящее время требуется всего одна капля крови. Благодаря резко упростившейся пробоподготовке субъективные ошибки при анализе уменьшились, следовательно, значительно возросла точность анализа.

Появление в первые годы XXI столетия индуктивно-связанных масс-спектрометров с прямой реакционной системой (ICP-MS-DRC), использующих так называемую «горячую» (более 6500°С) аргоновую плазму и удаляющих при этом образовавшиеся полиатомные ионы, практически устранило появление при анализе артефактов, возникающих в обычных ICP-MS при использовании только «холодной» (5000°С) плазмы. Отпала необходимость разработки других источников возбуждения плазмы, например, тлеющего разряда. Высокая чувствительность и правильность анализа с помощью ICP-MS-DRC способствовала его широкому использованию в медицине в рамках медицинской бионеорганики.

Эти достижения открыли дорогу для развития так называемых «гибридных» методов анализа: хроматографического или электрофоретического разделения компонентов каких-либо молекул с последующим многоэлементным анализом с помощью индуктивно-связанных масс-спектрометров, которые в этом случае используются как детекторы. Такие методы позволяют проследить судьбу отдельных изотопов разных элементов при метаболизме.

Медицинская бионеорганика. Г.К. Барашков

Похожие статьи
  • 20.07.2012 74222 44
    Типы химических связей

    Каждый атом обладает некоторым числом электронов. Вступая в химические реакции, атомы отдают, приобретают, либо обобществляют электроны, достигая наиболее устойчивой электронной конфигурации. Наиболее устойчивой оказывается конфигурация с наиболее низкой энергией (как в атомах благородных газов&...

    Бионеорганика
  • 21.07.2012 19372 16
    Ионные насосы

    Ионными насосами называют молекулярные механизмы, локализованные в мембране и способные транспортировать вещества за счет энергии, высвобождаемой при расщеплении АТФ, или любого другого вида энергии.

    Бионеорганика
  • 19.06.2012 17181 20
    1 группа (1А подгруппа) — щелочные металлы (главная группа)

    В нее входят Li, Na, К, Rb, Cs, Fr (табл. 1 и 2). По многим химическим свойствам несколько отличается от других щелочных металлов Li+, имеющий диагональное сходство с Mg2+.

    Бионеорганика
показать еще
 
Биотехнологии и биоматериалы