Основные направления исследований

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

В БИОНЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

ВВЕДЕНИЕ

Организм представляет сложным образом организованную систему, функционирование компонентов которой осуществляется в тесной взаимосвязи. Конечно, основное место в живых объектах занимают сложные органические молекулы, однако их предназначение не может быть реализовано без определенного содействия ряда низкомолекулярных веществ, среди которых особо выделяются вода (как среда, составляющая около 70 % массы человеческого тела) и неорганические катионы и анионы, роль которых трудно переоценить.

Биохимия рассматривает закономерности строения, распределения и превращения химических соединений в процессе жизнедеятельности организмов. Это значит, что данная наука среди учений о живом во многом работает на определяющем уровне организации материи.

Бионеорганическая химия как один из разделов биохимии исследует структуру и функциональную активность комплексов ионов металлов с разнообразными лигандами, рассматривая те же проблемы, но под другим углом, поскольку в подавляющем большинстве процессов участвуют комплексы биомолекул. Как самостоятельная дисциплина бионеорганическая химия сформировалась в 70-е гг. XX в. Эта наука широко использует представления квантовой механики, химии координационных соединений и наук о живом.

Важность биокоординационных исследований точно подчеркнул Дж. Вуд: «Если вы полагаете, что биохимия – это органическая химия живых систем, то вы ошибаетесь, биохимия – это координационная химия живых систем». Плодотворность такого подхода для фундаментальных исследований и прикладных разработок заключается в том, что он позволяет использовать координационные соединения в качестве моделей биологических систем. Организм представляет систему множества комплексообразователей и лигандов, с определенным соотношением между ними. Нарушение баланса компонентов (металлолигандного гомеостаза) приводит к развитию патологических состояний. Поэтому изучение процессов взаимодействия «металл–лиганд» является ключом к поиску новых лекарственных средств. Отметим, что в процессах обмена веществ фундаментальную роль играет биокатализ, причем около 30 % компетентных молекул составляют металлоферменты, и доступное искусственное воссоздание подобных систем способно произвести технологическую революцию.

В составе живых организмов обнаружено свыше 60 химических элементов, роль в жизнедеятельности и содержание которых неодинаковы. Шесть из них – С, N, H, O, P, S – образуют основу живой материи (органогены). Еще десять элементов крайне важны для поддержания структуры и функциональной активности биополимеров – это так называемые металлы жизни: Na, K, Ca, Mg, Zn, Fe, Mn, Cu, Co, Mo. Функции остальных пока окончательно не установлены.

Ключевая роль в функционировании живых систем принадлежит воде, которая составляет 70 % массы человеческого тела (из них 2/3 – внутриклеточная и 1/3 – внеклеточная вода). Отмечено, что чем моложе организм или орган, тем выше содержание воды в нем; это коррелирует и с интенсивностью клеточных процессов. В структурном отношении вода – динамичная система ассоциатов со средним временем жизни между актами перестройки 10^–10 с. Процесс растворения веществ изменяет состояние воды в связи с реструктуризацией водородных связей. Так, в поле действия иона происходит ориентация диполей с образованием гидратной оболочки. Роль такого взаимовлияния велика при формировании третичной структуры биополимеров, когда гидрофобные группы локализуются внутри образования, а гидрофильные – экспонированы наружу и подвергаются сольватации. Вода легко включается внутрь надмолекулярных биокомплексов. Расчеты показали, что в клетке на молекулу нуклеиновой кислоты приходится 10⁵ молекул воды, на молекулу белка – 10⁴ молекул воды, а на молекулу липида – 10³ молекул воды. Следовательно, она не может рассматриваться как инертная среда, а представляет собой структурный элемент – «матрицу жизни». Вода формирует единую внутриклеточную структуру, обеспечивая упорядоченность биохимических процессов. Поступление воды регулирует функциональную активность органелл. Нельзя не отметить ее транспортные и терморегулятивные функции, а также функции среды протекания химических процессов и их участника. Человек теряет в среднем 2,5 л воды в сутки, 6/7 из них восполняется с пищей, а остальная часть – за счет продуктов обмена веществ. Регуляция водного обмена контролируется диуретическим гормоном и вазопрессином (антидиуретическим гормоном). Кроме того, специфично влияние ряда ионов: ион Na⁺ вызывает задержку воды в тканях, а ионы K⁺ и Ca²⁺ оказывают обратный эффект. Что же касается сухого вещества, то около 50 % его приходится на белок, 25 % на нуклеиновые кислоты, 10 % на углеводы, 7 % на липиды и 8 % на минеральные вещества.

БИОМЕТАЛЛЫ

К биометаллам относят наиболее важные для организма – Na, K, Ca, Mg, Zn, Fe, Mn, Cu, Co, Mo (некоторые исследователи склонны включать в данную группу также V, Ni, Cr). Содержание биометаллов в организме человека массой 70 кг приведено в табл. 1.

Таблица 1