5. Эволюционная химия - высшая ступень развития химических знаний. Ближайшие перспективы химии

До недавнего времени об эволюционной химии ничего не было известно. В отличие от биологов, химиков не интересовал вопрос о «происхождении видов» вещества, потому что получение любого нового химического соединения всегда было делом рук и разума человека: новая молекула конструировалась им по законам структурной химии из атомов и атомных групп, как здание из кирпичей. Живые организмы из блоков собрать нельзя.

Теперь возникла необходимость решать эволюционные проблемы применительно к своим объектам и у химиков. При этом под эволюционными проблемами следует понимать проблемы самопроизвольного (без участия человека) синтеза новых химических соединений, являющихся к тому же более сложными и более высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. Поэтому эволюционную химию считают наукой о самоорганизации и о саморазвитии химических систем.

Истоки возникновения эволюционной химии уходят в далекое прошлое и связаны с давнишней мечтой химиков – «освоить опыт лаборатории живого организма» и понять, как из неорганической материи возникает органическая, а вместе с нею и жизнь.

5.1 «Лаборатория живого организма» - идеал химиков

Основатель органической химии - шведский ученый Йенс Якоб Берцелиус был первым ученым, осознавшим исключительно высокую упорядоченность и эффективность химических процессов в живых организмах. Именно он впервые установил, что основой основ лаборатории живого организма является катализ, а точнее биокатализ.

Идеалом совершенства каталитических превращений считали лабораторию живого организма немецкий ученый Ю. Либих, французский естествоиспытатель М. Бертло и многие другие химики Х1Х столетия. Но и в ХХ в. химизм живой природы оставался идеалом исследователей.

Академик А.Е.Арбузов писал: «Чем же химия будущего должна отличаться от химии настоящего? Подражание живой природе есть химия будущего! И в тот день, когда в лаборатории будет синтезирован первый фермент, т. е. биокатализатор, мы можем сказать, что наука получила в свои руки ключ, который она так долго и упорно ищет, - это ключ к химии живой природы».

Много внимания вопросам ориентации на каталитический опыт живой природы уделял лауреат Нобелевской премии Н. Н. Семенов. Он говорил о химических процессах, протекающих в тканях растений и животных, как о своеобразном «химическом производстве» живой природы. Природа при зарождении и эволюции новых организмов создала «молекулярные машины» исключительной точности, быстроты действия и необычайного совершенства. Например, вскрытый недавно химиками и биологами синтез больших белковых молекул со строгим чередованием аминокислот. В клетках имеются «субмикроскопические сборные заводики» – рибосомы, включающие в себя рибонуклеиновые кислоты как сборочные «машины». Каждый сорт коротких молекул транспортных рибонуклеиновых кислот захватывает один определенный вид аминокислот, несет их в рибосому и ставит каждую аминокислоту на свое место, согласно информации, содержащейся в молекулах рибонуклеиновых кислот. Тут же к аминокислотам подходят катализаторы – ферменты и осуществляют «сшивку» аминокислот в одну молекулу белка со строгим чередованием. Это настоящий квалифицированный завод, строящий молекулы по плану, выработанному природой в процессе эволюции.

Химики сегодня пришли к выводу, что, используя те же принципы, на которых построена химия организмов, в будущем (не повторяя в точности природу) можно создать принципиально новую химию, новое управление химическими процессами, где начнут применять принципы синтеза себе подобных молекул. По принципу ферментов будут созданы катализаторы высокой степени специфичности, превосходящие существующие. Построят преобразователи, использующие с большим КПД солнечную энергию, превращая ее в химическую и электрическую, и обратно. Быть может, совмещение биохимической энергетики с полимерными материалами даст возможность создать макромолекулы, превращающие химическую энергию в механическую, подобно нашим машинам.

Это кажется фантазией. Но ведь есть в науке великие проблемы. Рассматриваемая нами проблема носит такой же характер.

5.2 Ферменты в биохимии и биоорганической химии

Исследования, направленные на выяснение как материального состава растительных и животных тканей, так и химических процессов, происходящих в организме, осуществлялись и «чистыми» химиками – органиками, и биохимиками, и медиками. У каждой из этих групп специалистов были свои цели.

Химиков-органиков увлекали перспективы синтеза все более сложных веществ путем конструирования их молекул с целью показать возможности искусственного получения аналогов органических соединений, образующихся в живых организмах. Биологи преследовали цели изучения субстратной и функциональной основ живого. Медики стремились выяснить границы между нормой и патологией в организмах. Объединяющим началом всех этих исследований является идея о ведущей роли ферментов и биорегуляторов в процессе жизнедеятельности.

Изучение химизма живой природы происходило в недрах динамической биохимии, предметом которой стали химические процессы, происходящие в живом организме.

Исторические корни динамической биохимии являются довольно глубокими. История изучения брожения – типичный пример исследования живой природы. В нем как в зеркале отразились все трудности и все перипетии проникновения в тайны живого. Надежды Берцелиуса на особые функции катализа в жизнедеятельности организмов, гениальные предвидения Пастера о различии между бесклеточным брожением и ферментативной деятельностью дрожжевых клеток, и, наконец, открытие белковой основы ферментов и их глубокой дифференциации.

Исследование явления брожения явилось программой развития энзимологии (ферментологии), как стержневой области знаний о процессах жизнедеятельности. Эти исследования выявили две противоположные точки зрения на биокатализ вообще. Их условно можно назвать химической и биологической.

Химическая концепция брожения, базирующаяся на успехах препаративного органического синтеза, в тенденции сводила весь биокатализ к обычному химическому катализу.

Несмотря на значительные упрощения в познании действительности, ее заслуги в развитии энзимологии велики. Именно она помогла установить многие положения, прочно вошедшие в современную энзимологию, а именно:

􀀹 аналогию между биокатализом и катализом, между ферментами и катализаторами;

􀀹 положение о наличии в ферментах двух неравноценных компонентов – своего рода активных центров и носителей;

􀀹 заключение о важной роли ионов переходных металлов в активных центрах многих ферментов;

􀀹 вывод о распространении на биокатализ законов химической кинетики;

􀀹 сведение в отдельных случаях биокатализа к катализу неорганическими реагентами (гидролиз крахмала до глюкозы в присутствии серной кислоты).