Дело в химии. Как все устроено? - Джузеппе Алончи
Помимо бензольных колец существуют еще две очень важные группы, входящие в структуру молекул, – соединения атомов, ответственных за особые химические свойства. Справа от кольца кружочком выделена группа – OH, которую химики называют гидроксильной. Гидроксил служит типичной составляющей спиртов и присутствует в них неизменно: например, во всем известном этиловом спирте (CH3CH2OH). А сверху изображена карбоксильная группа – COOH (обратите внимание, что каждое ребро – это атом углерода), типичная группа для класса соединений, называемых карбоксилами. Знаменитый пример – уксусная кислота (CH3COOH), которую все мы знаем как уксус, или как лимонную кислоту, содержащуюся в лимонном соке и в чистящих средствах для удаления известкового налета.
Запоминать всю эту информацию необязательно, поэтому не бойтесь почувствовать себя перегруженным информацией. Это просто способ понять, как химик «читает молекулу»: он видит типичные соединения атомов (функциональные группы) и, зная их свойства, может оценить, какой реактивностью обладает молекула в тех или иных условиях. Если вы заглянете в справочник и посмотрите на список разных органических веществ, сравнивая их друг с другом, вы обнаружите, что все они образованы из пары десятков «соединений атомов», сцепленных друг с другом, как детали конструктора лего, и связанных более или менее длинными цепочками углерода. Мы можем сравнить органическую химию с поэтом, который, владея ограниченным набором букв и слов, может бесконечно создавать из них стихи. Химик-органик имеет в своем распоряжении совсем небольшой набор букв (в основном углерод, водород, кислород и азот, реже серу и еще реже другие элементы периодической таблицы) и с десяток разных способов соединения их между собой, но из этого скромного набора можно создать настоящие произведения молекулярного искусства. Однако вернемся к нашей салициловой кислоте, узнаем конец истории – попробуем понять, как пришлось ее изменить, чтобы получить из нее кислоту ацетилсалициловую, то есть аспирин.
Еще во времена шумеров было известно, что ивовая кора обладает сильными лечебными свойствами, и вытяжки и экстракты из нее использовались для снижения жара, боли, воспаления. Это ее свойство расценивалось как очень важное и было даже описано древними сочинителями на глиняных табличках возрастом около 4000 лет. Совершив прыжок в прошлое, мы обнаружим, что ивовая кора применялась и в китайской медицине, и в античной Греции. Знаменитый Гиппократ 2400 лет назад предписывал женщинам, готовящимся родить, жевание коры ивы или питье ее настоя, чтобы снизить боль.
Сегодня мы воспринимаем обезболивание, анестезию, успокаивающие как должное, но так было далеко не всегда: в прошлом единственным способом снизить боль были прием алкоголя или блокировка кровообращения – методы весьма ограниченного воздействия.
Научный интерес к фармацевтическим свойствам ивовой коры возник в первые годы ХIХ века – это был период активного развития органической химии. В 1825 году итальянский химик из Вероны Франческо Фонтана смог выделить небольшое количество действующего вещества, назвав его салицином (от латинского названия ивы salix). Чистая салициловая кислота была впервые выделена калабрийским химиком Рафаэлем Пириа, в пору его работы ассистентом в парижской лаборатории Жана Батиста Андре Дюма.
Благодаря этим фундаментальным исследованиям, салициловая кислота быстро стала общепринятым средством лечения разных видов боли, однако оно вызывало довольно серьезные побочные эффекты. Средство не только обладало крайне неприятным горьким вкусом, но и воздействовало очень агрессивно на желудок, что в некоторых случаях делало его применение просто опасным.
В знаменитой компании Bayer – в те времена еще довольно скромной – работал химик Феликс Хоффманн, и ему первому в мире пришла в голову идея модифицировать салициловую кислоту так, чтобы сделать ее более приятной и менее опасной. Хоффманн, ученик самого Адольфа фон Байера – с ним мы уже встречались, обсуждая индиго, – решил изменить группу – OH, обведенную на предыдущем рисунке кружочком. Он полагал, что именно она отвечает за побочное действие салициловой кислоты. Пытаясь изменить ее свойства, он прибег к классической реакции органической химии, ацетилированию, в ходе которой группа – OH превращается в производную уксусной кислоты. Так и появилась ацетилсалициловая кислота, навсегда изменившая мировую медицину.
История аспирина, как и история пенициллина, хинина и множества других веществ, бросает свет на то, насколько важно для ученого вдохновляться природными процессами в поисках инновационных технологий. Но вдохновения недостаточно: в природе существуют миллионы и миллионы веществ, и совершенно нереально было бы проверить их все одно за другим, чтобы оценить их свойства. Хотя изучение естественных соединений по-прежнему составляет важную область фармакологических исследований, сегодня используются куда как более логичные и рациональные подходы к оценке потенциальных терапевтических свойств тех или иных соединений. Исследования начинаются с изучения физиологии и молекулярных механизмов патологии, чтобы выявить главную цель лечения на молекулярном уровне. Благодаря сложным компьютерным программам сегодня можно уже реконструировать трехмерную структуру целевой молекулы, рассчитать ее гипотетическую реакцию с окружающей средой и спроектировать лекарство, которое сможет взаимодействовать с молекулярной мишенью в желаемом нами направлении.
Химия на компьютере
Какой образ химика навязывают нам стереотипы? Этакий хлюпик не от мира сего, в халате и огромных очках, толчется среди булькающих колб с ядом и вонючими жидкостями. Если я буду отрицать это, то это будет не совсем правда: те, кто занимаются синтезом, на самом деле проводят дни, погружаясь в ядовитые растворители среди перегонных кубов и сосудов с зловонными реагентами с непроизносимыми названиями. Но и среди нас есть паршивые овцы, теоретики и
