- •1. Основная проблема химии
- •2. История химии как закономерный процесс смены способов решения ее основной проблемы
- •3. Принцип субординации дискретных уровней развития научного знания — основной принцип классификации науки
- •4. Принцип гомологии, или принцип уплотнения научной информации, и его значение для изучения химии
- •5. Иерархия дискретных уровней научного знания — основание теории развития химии
- •Литература
- •1. Решение проблемы химического элемента
- •2. Развитие учения о периодичности и теории валентности
- •3. Решение проблемы химического соединения
- •4. Учение о составе и появление технологии основных неорганических веществ
- •Литература
- •111 Химии. Вторая концептуальная
- •1. Возникновение первых структурных представлений
- •2. Эволюция понятия структуры в химии
- •3. Конец антиномии «структура — динамика»
- •4. Новые проблемы структурной химии
- •5. Пределы структурной химии. Ограниченность химической технологии, основанной на принципах структурных теорий
- •IV о химическом процессе.
- •1. Логические основы учения о химическом процессе
- •2. Рост исследований многофакторности кинетических систем — первая и основная тенденция развития учения о химическом процессе
- •3. Химия каталитическая и химия экстремальных состояний
- •4. Исследование гидродинамических факторов
- •6. Математическое моделирование в учении о химическом процессе
- •7. Новые методы управления химическими процессами. Спиновая химия
- •Литература
- •V концептуальная система.
- •1. «Лаборатория живого организма» — идеал химиков
- •2. Изучение ферментов в русле биохимии и биоорганической химии
- •3. Пути освоения каталитического опыта живой природы
- •4. Самоорганизация химических систем — основа химической эволюции
- •5. О понятиях «организация»
- •6. О различных подходах к проблеме самоорганизации предбиологических систем
- •7. Общая теория химической эволюции и биогенеза а. П. Руденко
- •8. Нестационарная кинетика и развитие представлений об эволюции химических систем
- •9. Явления саморазвития химических систем
- •Литература
- •VI и химического производства
- •2. Особенности интенсификации развития химии как науки и производства
- •3. Возможно ли предвидение научных открытий?
- •4. Пути интенсификации химических процессов
- •5. Наиболее перспективные направления исследований в области химии экстремальных состояний
- •6. Пути интенсификации развития химии и химического производства посредством катализа
- •7. Теория химической технологии вместо «технического оформления процессов» — важный путь интенсификации химического производства
- •8. О резервах интенсификации развития химии на уровне двух первых концептуальных систем
- •Литература
- •Глава 1. Основная проблема химии '4
- •Глава 1. Возникновение первых структурных представлений . . 75
- •Глава 1. Логические основы учения о химическом процессе . . .108
- •Глава V
- •Глава VI
3. Пути освоения каталитического опыта живой природы
Несмотря на то, что химия в настоящее время все еще далека от того совершенства, которым обладает «лаборатория живого организма», пути к этому идеалу намечены. По-видимому, теперь можно говорить даже о множестве путей освоения каталитического опыта живой природы. Наиболее перспективными из них представляются такие, которые уже сегодня ведут к определенным практическим результатам, — даже к созданию промышленных аналогов химических процессов, происходящих в живой природе. Первый путь — это развитие исследований в области метал- локомплексного катализа с постоянной ориентацией на соответст-i вующие объекты живой природы. Начальные шаги в этом направлении сделаны в 1954 г. К. Циглером и Дж. Натта, обнаружившими стереоспецифическую полимеризацию олефинов и диенов в присутствии комплексных титан-алюминийорганических соединений. Далее под действием комплексных металлорганических соединений были осуществлены реакции гомогенного гидрирования непредельных и ароматических соединений, окисления олефинов в альдегиды и кетоны. В 1964 f. М. Е. Вольпин с сотр. открыли__фиксацию атмосферного азота в присутствии металлокомплексов, что послужило началом многолетнего исследования М. Е, Вольпиным и А. Е. Шиловым кинетики и механизма этой реакции электрометал-локомплексного катализа. Ныне реализовано более 40 многотоннажных промышленных процессов с участием металлокомплексных катализаторов. Сегодня металлокомплексный катализ постепенно обогащается такими приемами, которыми пользуются живые организмы в ферментативных реакциях, а также приемами классического гетерогенного катализа.
Второй путь, ведущий к решению конкретных задач освоения каталитического опыта живой природы, заключается в определенных успехах моделирования биокатализаторов. В. Лангенбеку в ГДР, Л. А. Николаеву в СССР и другим исследователям путем искусственного отбора структур удалось построить модели многих ферментов, характеризующиеся высокой активностью и селективностью, иногда почти такой же, как и у оригиналов, и вместе с тем большей простоты строения. Полное представление о работах в этой области можно получить из книги Л. А. Николаева [19.], который уже давно и успешно занимается изучением биокатализа и моделированием биокатализаторов. Из обзора этих работ вытекают два очевидных вывода.
1. Моделирование отдельных функций изолированных ферментов не только возможно, но в ряде случаев достигается даже несколькими путями. Это дает свободу выбора действия для тех, кто ставит перед собой цель получить для практики высокоактивные катализаторы тех или иных реакций.
181
2. Ни одна до сих пор полученная модель не в состоянии заменить «нативные катализаторы», действующие в биосистемах.
По поводу первого вывода можно сказать, что его оптимизм вполне оправдан. Если практика подбора катализаторов пока еще и не базируется на работах в области моделирования ферментов, то путь к этому уже открыт, хотя на этом пути и требуются еще глубокие систематические исследования.
Что же касается второго вывода, то он не так уж пессимистичен. Речь идет о замене биокатализатора в биосистеме искусственной моделью. Такая задача, конечно, невероятно трудна; она сравнима с задачей создания искусственных органов, например сердца, для организма человека. Однако любая попытка ее решения и любой даже отрицательный результат, полученный при этом, имеют несомненную познавательную ценность.
Существует и обратная сторона этой задачи — заменить малоактивные неорганические катализаторы, которыми сейчас в основном оперирует химия, неизмеримо более активными катализаторами, хотя бы в какой-то степени воспроизводящими функции ферментов. Здесь встречаются принципиально те же трудности, что и в замене фермента его моделью. Трудности эти следующие.
Во-первых, даже в случае хорошо изученных биокатализаторов имитация их конструкций далеко не всегда дает должный эффект, так как активность и особенно специфичность биокатализаторов определяется рядом других компонентов биосистемы, например белковым носителем, структурой органеллы, средой клетки и т. д. Все эти стороны биокатализаторов, как отмечает Николаев, практически не моделировались вовсе.
Во-вторых, бывает немало случаев недостаточной изученности тех или иных фрагментов тонкой структуры и тем более закономерностей функционирования биокатализаторов. И тогда просто недостает надежного объекта моделирования.
И, в-третьих, принципы функционирования биокатализаторов и катализаторов, применяемых в химических лабораториях, существенно различны.
Катализаторами в химии выступают, как правило, бертоллид-ные системы. Только они обладают столь широким набором различных активных центров, что среди этого набора почти всегда найдутся центры, способные обеспечить как структурное, так и энергетическое соответствие (по принципам Баландина). Поэтому в химическом катализе широко распространены случаи каталитической активации одним и тем же катализатором (например, оксидом хро- , ма, хлоридом алюминия, фторидом бора, платиной) целой гаммы реакций и, наоборот, один и тот же субстрат может активироваться самыми различными катализаторами. Совсем иное дело в био-, катализе. Биокатализаторами являются особого рода системы, в некотором роде промежуточные между бертоллидными и дальто-нидными — молекулярными; их бертоллидные качества состоят в:
182
различной энергоемкости (т. е. весьма широком спектре электронных зарядов) связей, а их дальтонидные качества состоят в строго определенном составе и строении частиц. Широкий спектр электронных зарядов связей в биокатализаторах служит основой лабильности системы, но отнюдь не набором разных активных центров. Активные же центры биокатализаторов строго локализованы, энергетически определенны, т. е. высоко стерео- и энергетически специфичны, и поэтому являются единственным ключом к замку — субстрату, именно данному и только данному субстрату. В отличие от обычных реакций биокаталитические процессы протекают не путем увеличения энтропии переходного состояния, а посредством уменьшения энтропии промежуточного продукта. Образование промежуточного комплекса фермент — субстрат (ключ — замок) означает опять-таки повышение степени организации. Если же происходило бы повышение энтропии переходного состояния, то это угрожало бы хаотизацией системы.
По-видимому, уже из этого суждения следует вывод о необходимости изучения законов химической эволюции и законов биогенеза для решения проблемы освоения каталитического опыта живой природы. Небезынтересно в связи с этим напомнить, что даже наиболее оптимистически настроенные химики, которые с успехом моделируют биокатализаторы, все же считают, что они «проявили бы легкомыслие, если бы утверждали, что изолированное изучение биокатализаторов— ферментов достаточно для получения исчерпывающей информации о том, что такое биокатализ» [19, с. 13]. Да, конечно, фермент можно выделить из биосистемы; можно точно определить его структуру, во всяком случае не менее точно, чем, например, структуру витамина А или какого-либо стероида. Фермент можно ввести в реакцию и заставить осуществлять каталитические функции. Но, «получая фермент в чистом виде и с облегчением выбрасывая остатки исходных материалов, мы жертвуем новым ради привычного— разрушенная клетка со всем ее ферментным аппаратом более интересный объект, чем одна, грубо удаленная деталь» (там же). Если в изучении биокатализа идти последовательно, то аналитическая стадия неизбежна. Однако задержка только на этой стадии означает отказ от познания механизма действия ферментативного аппарата в целом. «Важно... не останавливаться на данных анализа, — говорит далее Л. А. Николаев, —и попытаться связать в одно целое сведения, относящиеся к деталям. Тогда окажется, что биокатализ нельзя отделить от проблемы биогенеза, и ка-кими бы трудными ни казались эти вопросы, исследователя остается утешение, что, не теряя их из виду, он все же сделает меньше ошибок, чем если вовсе забудет об их существовании» (там же).
Но среди химиков пока еще немного исследователей, которые бы отчетливо представляли себе связь между проблемами катализа, бйокатализа и эволюции. Пожалуй, идеи И. Берцелиуса в этом направлении можно считать самыми ранними и наиболее передовыми.
183
Ныне в связи как с достижениями, так и с трудностями моделирования биокатализаторов взгляды на роль проблемы химической эволюции в изучении катализа существенно изменились. При моделировании биокатализаторов теперь принимаются во внимание уже не только «некоторые общие закономерности биогенеза»*, но по возможности и вся совокупность такого рода закономерностей. Принципы искусственного отбора структур в направлении совершенствования моделей все более приближаются к принципам естест-|венного отбора. Но, что весьма существенно, одновременно с этим в самой каталитической химии накапливается все больше эмпирического материала, не укладывающегося в рамки отправных постулатов классической кинетики о неизменности химического состава, энергетических параметров и специфичности действия катализаторов. Изо дня в день появляется все больше работ, результаты которых свидетельствуют о физических и химических изменениях катализаторов, о самоприспособлении их к требованиям каталитической базисной реакции.
Третий путь к освоению «приемов», которыми пользуется живая природа в своих лабораториях in vivo, состоит в значительных, причем полученных в самые последние годы, достижениях химии иммобилизованных систем. Как было уже сказано, энзимология давно уже накопила информацию об уникальных качествах биокатализаторов. Но вместе с тем она указала и на их крайнюю лабильность, неустойчивость при хранении и быструю потерю активности при перенесении в реакционные системы, функционирующие in vitro. Ведь именно поэтому «техническая биохимия» не могла пойти далее нескольких ограниченных областей промышленности, где применяются преимущественно гидролитические ферменты, выделяемые микроорганизмами. Эти области— производство вин, пива, чая, хлеба и некоторых других пищевых продуктов, обработка кожи. Все попытки использовать богатейший набор ферментов, которым располагает природа, для осуществления лабораторных и промышленных процессов наталкивались на, казалось бы, неразрешимые проблемы: 1) трудную доступность чистых ферментов и их непомерно высокую стоимость; 2) их нестабильность при хранении и транспортировке; 3) быстро наступающую потерю их активности в работе, даже если удалось их выделить и пустить в дело. Но теперь оказалось, что эти проблемы удается решить. Благодаря успехам микробиологической промышленности стало возможным получать многие ранее трудно доступные или недоступные ферменты по ценам в 100—1000 раз (!) ниже цен на ферменты растительного и животного сырья. Но, главное, теперь открыты пути стабилизации ферментов, и именно это обстоятельство стало основанием химии иммобилизованных систем, или «биоорганического катализа». Сущность этого открытия и всех последующих исследований, направ-
* Так именно назвал первую часть своей книги [19] Л. А. Николаев.
184
ленных на разработку научно обоснованных принципов иммобилизации, состоит в такой химической модификации выделенных из живого организма (или живым организмом) ферментов, которая превращает последние в гетерогенный катализатор, обеспечивает его стабильность и непрерывное действие в условиях in vitro.
Несмотря на то, что основная масса работ в области химии иммобилизованных систем появилась относительно недавно, в этой области в значительной степени благодаря систематическим исследованиям И. В. Березина и его сотрудников достигнуты большие успехи. Решены вопросы использования иммобилизованных ферментов в тонком органическом синтезе, в трансформации стероидов, в модификации малостабильных соединений, в разделении рацематов на оптически активные формы. Некоторые из названных процессов реализованы в промышленных масштабах. Намечаются пути применения иммобилизованных оксидаз, выделенных микроорганизмами, для тяжелого органического синтеза, в частности, для получения на основе парафинов и ароматических углеводородов спиртов, альдегидов, кетонов, кислот, оксидов. Изучаются перспек-тивы ферментативного обезвреживания сточных вод. Подробно о достижениях химии иммобилизованных систем см. в книге, посвященной истории моделирования опыта живой природы, «Биокатализ» (М., 1984).
Следующий, 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 опыта формирования «выходного устройства» — фермента, клетки, организма. Это такая ступень, на которой возникают основы эволюционной химии как действенной науки с ее эвристическими и рабочими функциями, как пролога к принципиально новой химической технологии, способной стать аналогом живых систем.