Для чего нужна химия в биологии

Нередко учащимся 8 класса задают написать сочинение, сообщение, эссе, выполнить проект на тему «Химия в жизни человека»? Это неслучайно. Уже не одно столетие химия занимает важное место в жизни людей.

Лекарства, косметика, бытовая химия, многие пищевые добавки, вещи первой необходимости – все это получено с помощью химических веществ и их реакций. Роль этой науки большей частью положительна. И лишь бесконтрольное ее использование в отраслях потребительского рынка может нанести вред.

Роль химии в жизни человека

Химия – не только научно-теоретическая дисциплина. Это одна из самых применимых на практике наук. Ее открытиями пользуются промышленность, сфера услуг и просто любая семья.

Химия в быту

Каждая современная семья использует огромное количество средств бытовой химии – на кухне, в ванной, гостиной, спальне. Они помогают экономить время, сохранять здоровье, поддерживать чистоту, создавать красивый интерьер, выращивать растения, ухаживать за автомобилями.

Вот только некоторые из этих средств:

стиральные порошки, мыло;

пятновыводители, очистители, крема для обуви;

удобрения, вещества для защиты домашних растений от насекомых, болезней.

Так, при стирке активные вещества вступают в реакцию с грязью, в результате чего она как бы отталкивается от ткани. В хозяйственном мыле – это обычная щелочь природного происхождения, в порошках – синтетические ПАВ. Для создания красок тоже используют химию: едкий натр в гуаши, олифа – в масляных разновидностях.

Однако химия оставила свой след и в привычных операциях. Когда готовят пирог, то смешивают соду и лимонный сок. Происходит процесс растворения соды и выделения углекислого газа СО₂. Он пробивает себе выходы, и тесто поднимается.

Очистка металлической посуды от накипи с помощью лимонной кислоты производится в результате растворения твердых карбонатных пленок (накипи) в кислой среде.

Химия и человеческий организм

Человек – это сложная система, состоящая из различных элементов и органических веществ. Но требуется постоянное их пополнение. Кальций, калий, кислород, фосфор, аминокислоты – все это должно поступать в организм с едой.

Поэтому химические вещества или продукты с ними сопровождаются инструкциями, как обезопасить себя.

Пример: уксусную кислоту нельзя употреблять, не разбавив большим количеством воды. При работе с чистящими гелями, пастами, надо надевать перчатки. Нельзя употреблять слишком много соли из-за накопления натрия, ведущего к отекам.

Химия в промышленности

На химических реакциях основано большинство промышленных производств мира.

Так, благодаря промышленной химии, получают:

Источник

Взаимосвязь химии и биологии

Общеизвестно, что химия и биология долгое время шли каж­дая своим собственным путем, хотя давней мечтой химиков было создание в лабораторных условиях живого организма.

Резкое укрепление взаимосвязи химии с биологией про­изошло в результате создания А.М. Бутлеровым теория хими­ческого строения органических соединений. Руководствуясь этой теорией, химики-органики вступили в соревнование с природой. Последующие поколения химиков проявили большую изобретательность, труд, фантазию и творческий поисках направленном синтезе вещества. Их замыслом было не только подражать природе, они хотели превзойти ее. И сегодня мы можем уверенно заявить, что во многих случаях это удалось.

Поступательное развитие науки XIX в., приведшее к рас­крытию структуры атома и детальному познанию строения и состава клетки, открыло перед химиками и биологами прак­тические возможности совместной работы над химическими проблемами учения о клетке, над вопросами о характере хи­мических процессов в живых тканях, об обусловленности биологических функций химическими реакциями.

Если посмотреть на обмен веществ в организме с чисто хи­мической точки зрения, как это сделал А.И. Опарин, мы уви­дим совокупность большого числа сравнительно простых и однообразных химических реакций, которые сочетаются между добей во времени, протекают не случайно, а в строгой последовательности, в результате чего образуются длинные цепи ре­акций. И этот порядок закономерно направлен, к постоянно­му самосохранению и самовоспроизведению всей живой систе­мы в целом в данных условиях окружающей среды.

Словом, такие специфические свойства живого, как рост, размножение, подвижность, возбудимость, способность реа­гировать на изменения внешней среды, связаны с определен­ными комплексами химических превращений.

Значение химии среди наук, изучающих жизнь, исклю­чительно велико. Именно химией выявлена важнейшая роль хлорофилла как химической основы фотосинтеза, гемогло­бина как основы процесса дыхания, установлена химическая природа передачи нервного возбуждения, определена струк­тура нуклеиновых Кислот и т.д. Но главное заключается в том, что объективно в самой основе биологических процес­сов, функций живого лежат химические механизмы. Все

функции и процессы, происходящие в живом организме, ока­зывается возможным изложить на языке химии, в виде кон­кретных химических процессов.

Разумеется, было бы неверным сводить явления жизни к химическим процессам. Это было бы грубым механистиче­ским упрощением. И ярким свидетельством этого выступает специфика химических процессов в живых системах по срав­нению с неживыми. Изучение этой специфики раскрывает единство и взаимосвязь химической и биологической форм движения материи. Об этом же говорят и другие науки, воз­никшие на стыке биологии, химии и физики: биохимия — наука об обмене веществ и химических процессов в живых организмах; биоорганическая химия — наука о строении, функциях и путях синтеза соединений, составляющих жи­вые организмы; физико-химическая биология как наука о функционировании сложных систем передачи информации и регулировании биологических процессов на молекулярном уровне, а также биофизика, биофизическая химия и радиа­ционная биология.

Крупнейшими достижениями этого процесса стали опре­деление химических продуктов клеточного метаболизма (об­мена веществ в растениях, животных, микроорганизмах), установление биологических путей и циклов биосинтеза этих продуктов; был реализован их искусственный синтез, сдела­но открытие материальных основ регулятивного и наслед­ственного молекулярного механизма, а также в значитель­ной степени выяснено значение химических процессов» энер­гетике процессов клетки и вообще живых организмов.

Ныне для химии особенно важным становится примене­ние биологических принципов, в которых сконцентрирован опыт приспособления живых организмов к условиям Земли в течение многих миллионов лет, опыт создания наиболее со­вершенных механизмов и процессов. На этом пути есть уже определенные достижения.

Более столетия назад ученые поняли, что основой исклю­чительной эффективности биологических процессов являет­ся биокатализ. Поэтому химики ставят своей целью создать новую химию, основанную на каталитическом опыте живой природы. В ней появится новое управление химическими процессами, где начнут применяться принципы, синтеза себе подобных молекул, по принципу ферментов будут созданы катализаторы с таким разнообразием качеств, которые дале­ко превзойдут существующие в нашей промышленности.

Несмотря на то, что ферменты обладают общими свойства­ми, присущими всем катализаторам, тем не менее, они не тождественны последним, поскольку функционируют в рам­ках живых систем. Поэтому все попытки использовать опыт живой природы для ускорения химических процессов в не­органическом мире сталкиваются с серьезными ограничени­ями. Пока речь может идти только о моделировании некото­рых функций ферментов и использовании этих моделей для теоретического анализа деятельности живых систем, а так­же частично-практического применения выделенных фермен­тов для ускорения некоторых химических реакций.

Здесь самым перспективным направлением, очевидно, являются исследования, ориентированные на применение принципов биокатализа в химии и химической технологии, для чего нужно изучить весь каталитический опыт живой природы, в том числе и опыт формирования самого фермен­та, клетки и даже организма.

Теория саморазвития элементарных открытых каталитиче­ских систем, в самом общем виде выдвинутая профессором МГУ А.П. Руденко в 1964 г., является общей теорией химической эволюции и биогенеза. Она решает вопросы о движущих силах и механизмах эволюционного процесса, то есть о законах хи­мической эволюции, об отборе элементов и структур и их при­чинной обусловленности, о высоте химической организации и иерархии химических систем как следствии эволюции.

Теоретическим ядром этой теории является положение о том, что химическая эволюция представляет собой самораз­витие каталитических систем и, следовательно, эволюцио­нирующим веществом являются катализаторы. В ходе реак­ции происходит естественный отбор тех каталитических цен­тров, которые обладают наибольшей активностью. Самораз­витие, самоорганизация я самоусложнение каталитических систем происходит за счет постоянного притока трансформи­руемой энергии. А так как основным источником энергии является базисная реакция, то максимальные эволюционные преимущества получают каталитические системы, развива­ющиеся на базе экзотермических реакций. Отсюда базисная реакция является не только источником энергии, но и ору­дием отбора наиболее прогрессивных эволюционных измене­ний катализаторов.

Развивая эти взгляды, А.П. Руденко сформулировал ос­новной закон химической эволюции, согласно которому с наибольшей скоростью и вероятностью образуются те пути эволюционных изменений катализатора, на которых проис­ходит максимальное увеличение его абсолютной активности.

Практическим следствием теории саморазвития открытых каталитических систем является так называемая «нестацио­нарная технология», то есть технология с меняющимися ус­ловиями реакции. Сегодня исследователи приходят к выво­ду, что стационарный режим, надежная стабилизация кото­рого казалась залогом высокой эффективности промышленнoro процесса, является лишь частным случаем нестационар­ного режима. При этом обнаружено множество нестационар­ных режимов, способствующих интенсификации реакции.

В настоящее время уже видны перспективы возникнове­ния и развития новой химии, на основе которой будут созда­ны малоотходные, безотходные и энергосберегающие промыш­ленные технологии.

Сегодня химики пришли к выводу, что, используя те же принципы, на которых построена химия организмов, в буду­щем (не повторяя в точности природу) можно будет построить принципиально новую химию, новое управление химически­ми, процессами, где начнут применяться принципы синтеза себе подобных молекул. Предвидится создание преобразовате­лей, использующих с большим КПД солнечный свет, превра­щая его в химическую и электрическую энергию, а также химическую энергию в свет большой интенсивности.

Для освоения каталитического опыта живой природы и реализации полученных знаний в промышленном производ­стве химики наметили рад перспективных путей.

Первый — развитие исследований в области металлокомплексного катализа с ориентацией на соответствующие объек­ты живой природы. Этот катализ обогащается приемами, которыми пользуются живые организмы в ферментативных реакциях, а также способами классического гетерогенного катализа.

Второй путь заключается в моделировании биокатализа­торов. В настоящее время за счет искусственного отбора струк­тур удалось построить модели многих ферментов характери­зующихся высокой активностью и селективностью, иногда’ почти такой же, как и у оригиналов, или с большей просто­той строения.

Правда, пока все же полученные модели не в состоянии заменить природные биокатализаторы живых систем. На данном этапе развития химических знании проблема эта реша­ется чрезвычайно сложно. Фермент выделяется из живой системы, определяется его структура, он вводится в реакцию для осуществления каталитических функций. Но работает непродолжительное время и быстро разрушается, поскольку является выделенным из целого, из клетки. Цельная клетка со всем ее ферментным аппаратом — более важный объект, чем одна, выделенная из нее деталь.

Третий путь к освоению механизмов лаборатории живей природы связывается с достижениями химии иммобилизо­ванных систем. Сущность иммобилизации состоит в закреплении выделенных из живого организма ферментов на твердой поверхности путем адсорб­ции, которая и превращает их в гетерогенный катализатор и обес­печивает его стабильность и непрерывное действие.

Четвертый путь в развитии исследований, ориентиро­ванных на применение принципов биокатализа в химии и химической технологии, характеризуется постановкой самой широкой задачи — изучением и освоением всего каталити­ческого опыта живой природы, в том числе и формирования фермента, клетки и даже организма. Это ступень, на которой основы эволюционной химии как действенной науки с ее рабочими функциями. Ученые утверждают, что это движение химической науки к принципиально новой химической технологии с перспективой создания аналогов живых систем. Решение названной задачи займет важней­шее место в создании химии будущего.

Заключение

Современная химия представлена множеством различных направлений развития знаний о природе вещества и способах его преобразования. В то же время химия является не просто суммой знаний о веществах, а высоко упорядоченной, посто­янно развивающейся системой знаний, имеющей свое место в ряду других естественных наук.

Химия изучает качественное многообразие материальных носителей химических явлений, химической формы движе­ния материи. Хотя структурно она пересекается в определен­ных областях и с физикой, и с биологией, и с другими есте­ственными науками, но сохраняет при этом свою специфику.

Одним из наиболее существенных объективных оснований выделения химии в качестве самостоятельной естественно­научной дисциплины является признание специфичности химизма взаимоотношения веществ, проявляющегося, прежде всего, в комплексе сил и различных типов взаимодействий, обусловливающих существование двух- и многоатомных со­единений. Этот комплекс принято характеризовать как хи­мическую связь, возникающую либо разрывающуюся в ходе взаимодействия частиц атомного уровня организации мате­рии. Для возникновения химической связи характерно зна­чительное перераспределение электронной плотности по сравнению с простым положением электронной плотности несвя­занных атомов или атомных фрагментов, сближенных на расстояние связи. Эта особенность наиболее точно отделяет химическую связь от разного рода проявлений межмолеку­лярных взаимодействий.

Происходящее ныне неуклонное возрастание в рамках естествознания роли химии как науки сопровождается быст­рым развитием фундаментальных, комплексных и приклад­ных исследований, ускоренной разработкой новых материа­лов с заданными свойствами и новых процессов в области технологии производства и переработки веществ.

Литература

1. Большой энциклопедический словарь. Химия. М., 2001.

2. Грушевицкая T.T., Садохин А.П. Концепции современного естествознания. М., 1998.

3. Концепции современного естествознания. Под. ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. М., 1997.

4. Кузнецов В.И. Общая химия. Тенденции развития. М., 1989.

5. Кузнецов В.И., Идлис ГМ., Гутина В.Н. Естествознание. М., 1996.

6. Молин Ю.Н. О роли физики в химических исследования. Методологические и философские проблемы химии. Но­восибирск, 1981.

7. Химия//Химический энциклопедический словарь. М., 1983.

Источник

Биология и химия: перспектива научного поиска, или Супрамолекулярная химия изучает кукурбитурил

Биология и химия: перспектива научного поиска, или Супрамолекулярная химия изучает кукурбитурил

Кукурбитурил по форме напоминает тыкву (семейство Cucurbitaceae)

Автор

Редакторы

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Прогресс в биологии был бы невозможен без ее активного взаимодействия с другими науками. При решении биологических проблем тесно переплетаются идеи и методы биологии, химии, физики, математики и других областей знания. Для химии особенно важно установление связи между строением вещества и его свойствами, в частности, биологическим действием. Это рассказ о взаимодействии и взаимообогащении двух наук — биологии и химии — на примере изучения молекулы кукурбитурила и о ее свойствах, пригодившихся для биологических целей.

Конкурс «био/мол/текст»-2012

Эта работа заняла первое место в номинации «Своя работа» конкурса «био/мол/текст»-2012.

Спонсор конкурса — дальновидная компания Thermo Fisher Scientific.

Научный поиск и взаимодействие

С давних пор человека занимают вопросы: из чего он сделан, почему живые существа рождаются и умирают, думают и чувствуют, из чего состоят земля, воздух, вода и огонь, как этим всем можно управлять, и как это все связано между собой? По мере «взросления» человечества стали появляться различные науки, занимаясь которыми, люди стараются ответить на интересующие их вопросы. Так появились и обрели современный вид биология, химия, физика и другие области научного знания.

Как особая отрасль знания биология выделилась из естественных наук в XIX веке, когда учёные обнаружили, что живые организмы обладают некоторыми общими для всех характеристиками. Термин «биология» был введён независимо несколькими авторами: Фридрихом Бурдахом в 1800 году, Готтфилдом Рейнхолдом Тревиранусом и Жаном Батистом Ламарком в 1802 году. Большинство биологических наук является дисциплинами с узкой специализацией. Области внутри биологии подразделяются в зависимости от исследуемых объектов, масштабов исследования и применяемых методов: так, например, биохимия изучает химические основы жизни, молекулярная биология — сложные взаимодействия между биологическими молекулами, а зоология и ботаника — животный и растительный мир. Прогресс в биологии был бы невозможен без ее активного взаимодействия с другими науками. Благодаря развитию биохимии были открыты ферменты, и началась грандиозная работа по описанию всех процессов метаболизма. Последовавшее за эти открытие пространственной структуры молекулы ДНК Уотсоном и Криком дало мощный толчок для развития молекулярной биологии.

В наше время уже не приходится сомневаться, что жизнь в принципе можно воссоздать из «неорганической» материи, причем сделать это можно даже в лаборатории, фактически взяв на себя роль Творца. См., например «Смыслы „жизни“» [6] и «Жизнь в эпоху синтетической жизни» [7]. — Ред.

Самый «фундаментальный» уровень организации в биологии — молекулярный, поскольку клетки и внутриклеточные структуры строятся из молекул. Понимание строения атомов и молекул и детальное познание устройства клетки открыло перед биологами и химиками возможность совместной работы над химическим строением клетки и биохимическими процессами в живых тканях, обусловливающими биологические функции.

С физико-химическими основами возникновения мембранного потенциала, играющего ключевую роль в формировании и передаче нервного импульса, можно ознакомиться в статье «Формирование мембранного потенциала покоя» [8]. — Ред.

Сейчас для химии особенно важным становится применение биологических принципов, в которых сконцентрирован опыт многих миллионов лет эволюции, «оттачивавшей» химические структуры, максимально приспособленные для решения тех или иных биологических задач. Для этого используется множество современных методов, входящих в арсенал физики, органической химии, математики и биологии.

В мире создано множество научных центров, ведущих исследования в области физико-химической биологии. Странами-лидерами в этой области являются США, Великобритания, Франция, Германия, Швеция, Дания, Россия и другие. В нашей стране научные центры расположены в Москве и Подмосковье (Пущино, Обнинск, Черноголовка), Санкт-Петербурге, Новосибирске, Красноярске, Владивостоке и других городах.

О молекуле кукурбитуриле

Оригинальное направление развивается в Новосибирском Институте неорганической химии Сибирского отделения РАН. Это супрамолекулярная неорганическая химия, изучающая самосборку молекулярных структур из «строительных блоков»: органических молекул (в этой статье мы поговорим о кукурбитуриле) и неорганических фрагментов (комплексов металлов). Исследования биохимии кукурбит[n]урилов были начаты совсем недавно, поэтому соединения на их основе пока не получили широкого практического использования. Однако в супрамолекулярной химии уже были выработаны специальные термины для упрощения описаний сложнейших процессов: например, «хозяин» — это большая органическая молекула с полостью в центре, а «гость» — более простая молекула или ион, способная проникать в эту полость.

Рисунок 1. Кукурбитурилы по внешнему виду напоминают бочку

Транспорт ионов внутри координирующих их биоорганических молекул впервые изучался в нашей стране в Институте биоорганической химии РАН академиком Ю.А. Овчинниковым, чье имя носит институт в наши дни. Про одну такую молекулу — валиномицин, напоминающий если не бочонок, то что-то вроде шкатулки, — можно прочитать в статьях «Молекулярные контейнеры» [9] и «Неизвестные пептиды: „теневая“ система биорегуляции» [10]. — Ред.

Биологи и химики выбирают таких «гостей», которые имели бы полезные свойства и подходили бы по размерам. Удачные претенденты — комплексы переходных и благородных металлов с циклическими лигандами, например, циклáм и его производные. Такие вещества широко применяются в медицине в качестве противовирусных препаратов, в радиофармацевтике — для диагностики как рентгеноконтрастные вещества и в терапии — в роли катализаторов реакций. Комплексы кобальта с циклическим лигандом цикленом и его производными известны с годов; однако и в настоящее время они вызывают живейший интерес исследователей. Такие комплексы обладают способностью к связыванию дикислорода O₂ (используется комплекс кобальта-II) и являются катализаторами гидролиза аденозинтрифосфата и ДНК (используется комплекс кобальта-III). Комплексы золота и платины с полидентатными аминами (цикламом, этилендиамином, диэтилентриамином и др.) обладают противоопухолевыми и цитотоксическими свойствами. В отличие от других подобных соединений, они достаточно устойчивы в физиологических условиях. Возможная область применения комплексов золота и платины с кукурбитурилом — создание фармацевтических препаратов пролонгированного действия, когда активный компонент лекарства постепенно высвобождается из полости макроциклического «хозяина», а также для катализа и селективного разделения смесей химических веществ.

Соединения, выбранные для помещения внутрь кукурбитурила (см. таблицу), не только обладают вышеперечисленными свойствами, но и рисуют в воображении зрителя красочные образы. Так, например, кто-то может увидеть в комплексе рутения с этилендиамином бабочку (рис. 2а), золота с диэтилентриамином — веер (рис. 2б), кобальта и никеля с цикленом — шляпку (рис. 2в), а атомы железа, платины, меди, цинка и золота «сидят» на кресле из полиаминового лиганда циклама (рис. 2г).

Рисунок 2. В воображении химиков. а — Комплекс рутения с этилендиамином подобен бабочке в клетке. б — Комплекс золота с диэтилентриамином — как веер, удобно расположившийся в шкатулке. в — Комплекс кобальта и никеля с цикленом — как шляпка в коробке. г — Атомы Fe, Pt, Cu, Zn, Au расположены в центре молекулы-«хозяина» и «сидят» на кресле из полиаминового лиганда циклама.

Почему же так важно помещать одни молекулы внутрь других? Дело все в том, что такие соединения могут использоваться для моделирования разнообразных биохимических процессов, таких как:

Свойства упомянутых выше соединений поистине уникальны. Соединения металлокомплексов и кукурбитурила могут быть использованы для создания молекулярных и наноразмерных устройств: переключателей, сенсоров и молекулярных машин за счет модификации химических, электрохимических, фотохимических и магнитных свойств «гостя» в полости молекулы.

Но что же нужно сделать, чтобы одна молекула зашла в другую? Для этого пришлось разработать специальные методы получения таких комплексов (рис. 3). В случае прямого метода синтеза ученые исходят из кукурбит[n]урилов и комплексов металлов с полиаминными лигандами. Этот метод работает для комплексов рутения и золота. Соединение рутения с этилендиамином в кукурбитуриле напоминает бабочку в клетке (рис. 2а), а золота с диэтилентриамином — веер, удобно расположенный в шкатулке (рис. 2б).

Рисунок 3. Специальные методики, разработанные для получения соединений включения.

А если комплекс включаемого металла достаточно велик и не может пройти сквозь порталы нашей молекулы? Был применён другой метод, заключающийся во взаимодействии комплекса металла с предварительно включенным в полость большой молекулы лигандом (рис. 3). Этот метод оказался подходящим для следующих комплексов металлов: железа, платины, меди, цинка, золота. Здесь атомы металла расположены в центре кукурбитурила и «сидят» на кресле из полиаминового лиганда (рис. 2в). Молекулы кукурбитурила в кристаллической структуре упаковываются таким образом, что образуется либо «паркет», либо каналы «соты» (рис. 4). Такие соединения привлекают всё большее внимание, так как образующиеся пористые структуры могут быть использованы в реакциях сорбции газов и других малых органических молекул, а также в процессах разделения смесей.

Рисунок 4. Молекулы кукурбитурила в кристаллической структуре упаковываются таким образом, что образуется либо укладка по «паркетному» типу (слева), либо образуются каналы «соты» (справа)

Наши соединения обладают важным свойством: они растворимы в воде. Именно это делает их перспективными с точки зрения изучения поведения в растворах, а также доставки нерастворимых молекул в нужную точку организма. Соединения никеля и кобальта с цикленом были приготовлены по той же методике, заключающейся во взаимодействии комплекса металла с предварительно включенным в полость большой молекулы лигандом. Здесь комплексы никеля и кобальта подобны шляпке в коробочке (рис. 2в).

Биология и химия неразрывно связаны друг с другом, и их связь определяет изрядную часть научного прогресса. Переплетение методов обеих наук обоюдно обогащает их. Даже на примере одной молекулы становится очевидным, что научный прорыв невозможен без сотрудничества различных дисциплин.

Источник