БИООРГАНИ́ЧЕСКАЯ ХИ́МИЯ

БИООРГАНИ́ЧЕСКАЯ ХИ́МИЯ, изу­ча­ет связь ме­ж­ду строе­ни­ем ор­га­нич. ве­ществ и их био­ло­гич. функ­ция­ми, ис­поль­зуя в осн. ме­то­ды ор­га­нич. и фи­зич. хи­мии, а так­же фи­зи­ки и ма­те­ма­ти­ки. Б. х. пол­но­стью ох­ва­ты­ва­ет хи­мию при­род­ных со­еди­не­ний и час­тич­но пе­ре­се­ка­ет­ся с био­хи­ми­ей и мо­ле­ку­ляр­ной био­ло­ги­ей. Объ­ек­та­ми её изу­че­ния слу­жат био­ло­ги­че­ски важ­ные при­род­ные со­еди­не­ния – гл. обр. био­по­ли­ме­ры (бел­ки, нук­леи­но­вые ки­сло­ты, по­ли­са­ха­ри­ды и сме­шан­ные био­по­ли­ме­ры) и низ­ко­мо­ле­ку­ляр­ные био­ло­ги­че­ски ак­тив­ные ве­ще­ст­ва – ви­та­ми­ны, гор­мо­ны, ан­ти­био­ти­ки, ток­си­ны и т. д., а так­же син­те­тич. ана­ло­ги при­род­ных со­еди­не­ний, ле­кар­ст­вен­ные пре­па­ра­ты, пес­ти­ци­ды и др.

Б. х. сфор­ми­ро­ва­лась как са­мо­сто­ят. об­ласть во 2-й пол. 20 в. на сты­ке био­хи­мии и ор­га­нич. хи­мии на ос­но­ве тра­диц. хи­мии при­род­ных со­еди­не­ний. Её ста­нов­ле­ние свя­за­но с име­на­ми Л. По­лин­га (от­кры­тие α-спи­ра­ли и β-струк­ту­ры как гл. эле­мен­тов про­стран­ст­вен­ной струк­ту­ры по­ли­пеп­тид­ной це­пи в бел­ках), А. Тод­да (вы­яс­не­ние хи­мич. 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 хи­мич. син­тез пеп­тид­ных гор­мо­нов – ок­си­то­цина и ва­зо­прес­си­на), Д. Бар­то­на и В. Пре­ло­га (кон­фор­ма­ци­он­ный ана­лиз), Р. Вуд­вор­да (пол­ный хи­мич. син­тез мн. слож­ных при­род­ных со­еди­не­ний, в т. ч. 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 Б. х. в СССР в нач. 1960-х гг. явил­ся М. М. Ше­мя­кин. Им, в ча­ст­но­сти, бы­ли на­ча­ты ра­бо­ты (впо­след­ст­вии по­лу­чив­шие ши­ро­кое раз­ви­тие) по изу­че­нию цик­лич. деп­си­пеп­ти­дов, вы­пол­няю­щих функ­цию ио­но­фо­ров. Ли­де­ром отеч. Б. х. в 1970–80-х гг. стал Ю. А. Ов­чин­ни­ков, под ру­ко­вод­ст­вом ко­то­ро­го бы­ло ус­та­нов­ле­но строе­ние де­сят­ков бел­ков, в т. ч. мем­бран­ных (впер­вые) – бак­те­рио­ро­доп­си­на и зри­тель­но­го ро­доп­си­на бы­ка.

К осн. на­прав­ле­ни­ям Б. х. от­но­сят­ся:

1. Раз­ра­бот­ка ме­то­дов вы­де­ле­ния и очи­ст­ки при­род­ных со­еди­не­ний. При этом для кон­тро­ля за сте­пе­нью очи­ст­ки час­то ис­поль­зу­ют спе­ци­фич. био­ло­гич. функ­цию изу­чае­мо­го ве­ще­ст­ва (напр., чис­то­ту ан­ти­био­ти­ка кон­тро­ли­ру­ют по его ан­ти­мик­роб­ной ак­тив­но­сти, гор­мо­на – по его влия­нию на оп­ре­де­лён­ный био­ло­гич. про­цесс и т. д.). При раз­де­ле­нии слож­ных при­род­ных сме­сей час­то при­ме­ня­ют ме­то­ды вы­со­ко­эф­фек­тив­ной жид­ко­ст­ной хро­ма­то­гра­фии и элек­тро­фо­ре­за. С кон. 20 в. вме­сто по­ис­ка и вы­де­ле­ния отд. ком­по­нен­тов про­во­дят то­таль­ный скри­нинг био­ло­гич. об­раз­цов на мак­си­маль­но воз­мож­ное чис­ло ком­по­нен­тов то­го или ино­го клас­са со­еди­не­ний (см. 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 разл. ме­то­ды, в пер­вую оче­редь хи­ми­че­ские (гид­ро­лиз, окис­ли­тель­ное рас­ще­п­ле­ние, об­ра­бот­ка спе­ци­фич. реа­ген­та­ми), по­зво­ляю­щие по­лу­чать бо­лее про­стые ве­ще­ст­ва с из­вест­ной струк­ту­рой, по ко­то­рым ре­кон­ст­руи­ру­ют струк­ту­ру ис­ход­но­го ве­ще­ст­ва. Ши­ро­ко при­ме­ня­ют ав­то­ма­тич. 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 (напр., 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 фи­зич. ме­то­дов ис­сле­до­ва­ния – гл. обр. масс-спек­тро­мет­рии, ядер­но­го маг­нит­но­го ре­зо­нан­са и оп­ти­че­ской спек­тро­ско­пии. По­вы­ше­ние эф­фек­тив­но­сти хи­мич. и фи­зич. ме­то­дов дос­ти­га­ет­ся бла­го­да­ря од­но­вре­мен­но­му ана­ли­зу не толь­ко при­род­ных со­еди­не­ний, но и их про­из­вод­ных, со­дер­жа­щих ха­рак­тер­ные, спе­ци­аль­но вво­ди­мые груп­пи­ров­ки и ме­че­ные ато­мы (напр., 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 кри­стал­лич. со­стоя­нии ис­сле­ду­ют ме­то­дом рент­ге­но­ст­рук­тур­но­го ана­ли­за. Раз­ре­ше­ние в ря­де слу­ча­ев дос­ти­га­ет зна­че­ний ме­нее 0,1 нм. Для рас­тво­ров наи­бо­лее ин­фор­ма­ти­вен ме­тод ЯМР в со­че­та­нии с тео­ре­тич. кон­фор­ма­ци­он­ным ана­ли­зом. До­ба­воч­ную ин­фор­ма­цию да­ют оп­тич. спек­траль­ные ме­то­ды ана­ли­за (элек­трон­ные и флуо­рес­цент­ные спек­тры, спек­тры кру­го­во­го дих­ро­из­ма и др.).

3. Син­тез как са­мих при­род­ных со­еди­не­ний, так и их ана­ло­гов. Во мн. слу­ча­ях хи­мич. или хи­ми­ко-фер­мен­та­тив­ный син­тез яв­ля­ет­ся единств. спо­со­бом по­лу­че­ния нуж­но­го ве­ще­ст­ва в боль­ших (пре­па­ра­тив­ных) ко­ли­че­ст­вах. Для от­но­си­тель­но про­стых низ­ко­мо­ле­ку­ляр­ных со­еди­не­ний встреч­ный син­тез слу­жит важ­ным кри­те­ри­ем пра­виль­но­сти ра­нее оп­ре­де­лён­ной струк­ту­ры. Соз­да­ны ав­то­ма­тич. син­те­за­то­ры бел­ков и по­ли­нук­лео­ти­дов, по­зво­ляю­щие зна­чи­тель­но со­кра­щать вре­мя син­те­за; с их по­мо­щью син­те­зи­ро­ван ряд бел­ков и по­ли­нук­лео­ти­дов, со­дер­жа­щих неск. со­тен мо­но­мер­ных звень­ев. Хи­мич. син­тез – осн. 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 хи­мич. ме­ха­низ­ма его взаи­мо­дей­ст­вия с жи­вой клет­кой и её ком­по­нен­та­ми. По­ни­ма­ние мо­ле­ку­ляр­но­го ме­ха­низ­ма дей­ст­вия не­об­хо­ди­мо для про­дук­тив­но­го ис­поль­зо­ва­ния био­мо­ле­кул, с их за­час­тую чрез­вы­чай­но вы­со­кой ак­тив­но­стью (напр., ток­си­нов), в ка­че­ст­ве ин­ст­ру­мен­тов ис­сле­до­ва­ния био­ло­гич. сис­тем; оно слу­жит ос­но­вой для на­прав­лен­но­го син­те­за но­вых, прак­ти­че­ски важ­ных ве­ществ с за­ра­нее за­дан­ны­ми свой­ст­ва­ми. В ря­де слу­ча­ев (напр., при изу­че­нии пеп­ти­дов, влияю­щих на дея­тель­ность нерв­ной сис­те­мы) по­лу­чае­мые т. о. ве­ще­ст­ва об­ла­да­ют мно­го­крат­но уси­лен­ной, по срав­не­нию с ис­ход­ным при­род­ным про­то­ти­пом, из­ме­нён­ной в нуж­ном на­прав­ле­нии ак­тив­но­стью.

Б. х. тес­но свя­за­на с ре­ше­ни­ем прак­тич. за­дач ме­ди­ци­ны и с. х-ва (по­лу­че­ние ви­та­ми­нов, гор­мо­нов, ан­ти­био­ти­ков и др. ле­кар­ст­вен­ных средств, сти­му­ля­то­ров рос­та рас­те­ний, ре­гу­ля­то­ров по­ве­де­ния жи­вот­ных, в т. ч. на­се­ко­мых), хи­мич., пи­ще­вой и мик­ро­био­ло­гич. про­мыш­лен­но­сти. В ре­зуль­та­те со­че­та­ния ме­то­дов Б. х. и ге­не­тич. ин­же­не­рии ста­ло воз­мож­ным прак­тич. ре­ше­ние про­бле­мы пром. по­лу­че­ния слож­ных, био­ло­ги­че­ски важ­ных ве­ществ бел­ко­во-пептидной при­ро­ды, вклю­чая та­кие вы­со­ко­моле­ку­ляр­ные, как ин­су­лин че­ло­ве­ка, α-, β- и γ-ин­тер­фе­ро­ны, гор­мон рос­та че­ло­ве­ка.