Глава 1. ВВЕДЕНИЕ

“Бессмысленно затрачивать больше усилий на то, что может быть достигнуто меньшим. ”

Уильям Оккам (1300-1350 гг.) Английский ученый и богослов

1.1. Предмет химии природных соединений

“Химия природных соединений"... Казалось бы, уже этим термином определено содержание предмета, его объекты в первую очередь. Но если прикоснуться вплотную к какому-либо конкретному природному живому объекту с позиций химического состава, то почти сразу же возникает проблема определения границ этого предмета и тех особенностей, которые позволяют выделить его в самостоятельную дисциплину. Многочисленные исследования химического состава животных и растительных организмов обнаружили необычное многообразие их органических субстанций, как очень сложных по своей структуре (антибиотики, полипептиды, алкалоиды и т. д.), так и предельно простых (метанол, этиламин, толуол и др.). Отсюда вытекает, что необходимо выделить химию природных соединений из органической химии, хотя конечно же, они очень сильно связаны исторически и методологически, также как слова “природная” и “органическая”. Близки, взаимосвязаны, но не одно и тоже. Так что же?

Попробуем увидеть это на некоторых примерах, сравнивая левую и правую колонки схемы 1.1.1.

Достаточно просто определить, что все это органические вещества, но если в левой колонке представлены классы монофункциональных органических соединений (а органическая химия и определяется как химия углеводородов и их функциональных производных), то в правой колонке мы видим типично природное соединение, которое является полифункциональным органическим соединением.

Схема 1.1.1

Схема 1.1.2

В каком-то плане, аналогичную ситуацию мы можем отметить и при анализе механизмов реакций биосинтеза природных соединений, протекающих в живой клетке. В первом случае мы имеем дело с процессами, затрагивающими либо один реакционный центр , либо одну химическую связь (АЕ, , тогда как в реакции образования природного соединения часто одновременно участвуют несколько реакционных центров и несколько химических связей. Так, например, превращение сквален-оксида в соединение стерановой структуры, протекающее в одну стадию, включает в себя механизмы нуклеофильного раскрытия эпоксидного цикла и четырехкратного электрофильного присоединения по олефиновой связи (см. схему 1.1.2). Механизм последнего процесса должен быть определен как многоцентровый.

Следующая особенность реакций биосинтеза органических соединений, протекающих в живой клетке (in vivo), заключается в высокой (практически абсолютной) степени их стереоселективности — энантиоселективности в первую очередь. Если в ходе каких-либо превращений в молекуле возникает новый, очередной или первый, асимметрический центр, то в случае реакций in vivo образуется один энантиомер, в отличии от тех же превращений, протекающих вне живой клетки (in vitro) и без привлечения хиральных катализаторов, всегда приводящих к рацемату (схема 1.1.3).

Схема 1.1.3

Схема 1.1.4

Таким образом, базируясь на основных различиях химии органических соединений “в колбе” и "в живой клетке", можно определить химию природных соединений так: химия органических полифункционапьных молекул, стереоспецифических реакций и многоцентровых механизмов.

Использование Природой полифункциональных органических соединений безусловно является процессом рациональным, поскольку наличие в одной молекуле только двух функциональных групп уже не удваивает, а можно сказать, утраивает ее функциональные возможности, так как наряду со свойствами функций X и Y в такой молекуле появляется третья группа химических и физических возможностей (Z), обязанная взаимному влиянию исходных групп X и Y (схема 1.1.4).

Это соответствует положению Аристотеля: “Целое - это нечто большее, чем сумма частей".

В качестве примера рассмотрим свойства -кетонокислот, которым кроме свойств кислот (X) и кетонов (Y) присущи новые свойства енолов

Другой пример: из неорганических кислот для построения целого ряда важных биологически активных веществ Природа выбрала кислоту с максимальными химическими возможностями — трехосновную фосфорную.

Принцип построения природных соединений из полифункциональных молекул, очевидно, связан с многофункциональностью живых систем, из коих те более жизнеспособны, которые обладают максимумом возможностей, наибольшей гибкостью при минимальных материальных и энергетических затратах, т.е. можно сказать, Природа придерживается принципа Оккама, согласно которому “бессмысленно затрачивать больше усилий на то, что может быть достигнуто меньшим”.

Многофункциональность природных соединений, а значит и живых систем, обеспечивается также и асимметрической изомерией тех соединений, которые обладают такой способностью (сразу же надо отметить, что абсолютное большинство природных соединений имеют молекулярную асимметрию). Но, кроме того, молекулярная асимметрия и связанная с ней энантиостереоспецифичность реакций in vivo обеспечивает селективность химических и физических процессов, которая совершенно необходима на фоне многофункциональности для внесения определенного порядка, так как полифункциональность высокой степени несет с собой хаос.