CC BY
25
ДУХОВНОЕ И ФИЗИЧЕСКОЕ ЗДОРОВЬЕ НАЦИИ
УДК 547:58.04 ГРНТИ 31.23.01
ХИМИЯ ПРИРОДНАЯ И НЕПРИРОДНАЯ: ГДЕ ГРАНЬ И ЕСТЬ ЛИ ОНА?
А.З. Миндубаев
Институт энергетики и перспективных технологий ФИЦ «Казанский научный центр РАН» Россия, 420111, Татарстан, г. Казань, ул. Лобачевского, 2/31
Представленная работа демонстрирует сочетание профессионализма с увлечением наукой. Автор популяризирует знания по химии, пытаясь показать, насколько интересны они в приложении к жизни. Приведён ряд примеров выработки живыми организмами веществ, традиционно считающихся чуждыми живой природе. Это расширяет представления о возможностях биосферы и открывает фундамент, на котором стоит биодеградация.
Ключевые слова: органическая химия, биология, молекулы, гидроксихино-лин, акрилонитрил, синтезированные вещества, биосфера.
NATURAL AND NON-NATURAL
CHEMISTRY: WHERE IS THE LINE AND IS THERE ANY? A. Z. Mindubaev
Institute of Energy and Advanced Technologies
Federal Research Center "Kazan Scientific Center of the Russian Academy of Sciences " Russia, 420111, Tatarstan, Kazan, ul. Lobachevskogo, 2/31
The article demonstrates a combination of professionalism with a passion for science. The author popularizes knowledge in chemistry, trying to show how interesting they are when applied to life. He gives a number of examples of the production of substances by living organisms that are traditionally considered strange to wildlife. This expands the understanding of the possibilities of the biosphere and opens the foundation on which biodegradation stands.
Keywords: organic chemistry, biology, molecules, hydroxyquinoline, acrylonitrile, synthesized substances, biosphere.
Яркое впечатление
Вспоминаю, как больше десяти лет назад мне попалась на глаза статья и сразу привлекла внимание [1]. Её авторы изучали химический
© Миндубаев А.З., 2021
состав произрастающего в Малайзии растения гигантского тростника Arundo donax L. из семейства злаковых (Poaceae). Эта трава высотой до шести метров (рис. 1, справа на цв.
вкл.) произрастает на болотистых почвах в субтропиках Азии и Средиземноморья. Ин-тродуцирована в Северную Америку, где стала злостным сорняком.
Тростник неприхотлив и быстро размножается вегетативным путём при помощи длинных корневищ. Его биомасса находит широкое применение: корм для скота, сырьё для производства бумаги и биотопливо. В арабских странах из пустотелых стеблей тростника гигантского изготавливают традиционные музыкальные инструменты. Разумеется, быстрый рост делает тростник лакомым кусочком для всевозможных травоядных, поэтому он выделяет антифиданты — вещества с неприятным вкусом, защищающие от поедания. Коровы с удовольствием едят молодые побеги тростника, но пренебрегают зрелыми, в которых антифиданты успели накопиться. Среди них встречается очень необычный метаболит К-4'-бромфенилдифе-нилацетамид (амид п-броманилина и дифени-луксусной кислоты) (рис. 1, слева).
Меня, профессионального биохимика, просто заворожило то, насколько это соединение отличается от привычных природных веществ, встречающихся на страницах учебников биохимии. Вероятно, заворожило оно и авторов, раз они посвятили его обнаружению статью. При всей непохожести пресловутого антифиданта с классическими биологическими молекулами, он имеет большое структурное сходство с некоторыми неприродными, синтетическими, соединениями. Например, гербицид пропанил представляет собой амид 3,4-дихлорнилина и пропионовой кислоты. Известным производным 4-хлоранилина является широко известный антимикробный препарат хлоргексидин.
Эта статья стала одной из первых, пробудивших мой интерес к поиску информации о природных молекулах экстраординарных структур и свойств, в первую очередь, являющихся аналогами широко известных искусственных соединений. В то время были опубликованы мои работы по биодеградации белого фосфора [2-7], вызывавшие у химиков сильнейший скепсис (биологи, кстати, восприняли их более благожелательно: им-то возможности живых систем известны больше!). То есть во многом этот поиск был стремлением доказать скептикам, и в первую очередь самому себе, что живые организмы способны справляться с практически любой задачей по химии.
За десять лет было собрано немало интересных примеров того, как они справляются с этими задачами. И некоторые, наиболее показательные, оставившие наиболее яркое впечатление, я стараюсь привести в своих статьях. Безусловно, это увлекает многих авторов. На тему многообразия природной химии есть немало обзоров, как огромных, стремящихся охватить большинство природных веществ [8], так и лаконичных, посвящённых фундаментальным основам ферментативных реакций [9].
Чтобы не быть съеденным
Я с самого раннего детства интересовался насекомыми. И, как, наверное, каждого любителя насекомых, меня восхищают приви-деньевые — палочники и листовидки. Поразительный пример эволюционной адаптации! Привиденьевые — признанные мастера маскировки, имеющие детальное сходство с веточками и листьями деревьев.
Но не каждый палочник похож на палку. Палочнику Oreophoetes peruana (рис. 2, справа на цв. вкл.), обитающему в горных лесах перуанских Анд, непросто замаскироваться с его броской окраской. Как же он защищается от хищников? Для этого он из особых желёз выбрызгивает в них жидкость, содержащую незамещённый хинолин [10]. Хинолин (рис. 2, слева) — азотистый гетероцикл, сырьё химической промышленности, добывается из каменноугольной смолы. Наверное, нет учебника по органической химии для вузов, в котором это вещество не было бы упомянуто как типовое гетероциклическое соединение. Но хинолин имеет и практическое значение как сырьё для получения многих красителей. А вот, оказывается, это ещё и природный антифидант (вещество, неприятным запахом и вкусом защищающее от поедания).
Тяга к металлу
Надо сказать, что производные хинолина широко распространены в природе. Человек в своей практике тоже их использует. Одним из самых известных является 8-гидроксихинолин (8-оксихинолин) — сильный комплексообразо-ватель (рис. 3, слева на цв. вкл.). Строение молекулы этого соединения имеет особенность. Гидроксильная группа и атом азота в составе гетероцикла расположены таким образом, что образуют своего рода «клешню», захватывающую и крепко удерживающую ионы металлов. В результате 8-оксихинолин образует
комплексы более чем с сорока (!) элементами Периодической таблицы. Химики используют это свойство для разделения смесей солей металлов, выделения их в чистом виде.
Но самая старая сфера применения этого комплексообразователя — медицина. 8-окси-хинолин оказался эффективным противомик-робным препаратом, в том числе противогрибковым. Безусловно, этот эффект оксихинолина тоже напрямую связан со способностью хела-тировать металлы. Микробам для жизнедеятельности нужно множество микроэлементов, а оксихинолин переводит их все в биологически недоступную форму, поэтому ещё недавно он использовался в качестве антимикробного препарата.
Я был удивлён, когда прочитал в статье [11], что 8-гидроксихинолин является природным веществом растительного происхождения. Он выделяется в почву корневой системой василька раскидистого Centaurea diffusa Lam. Это травянистое растение из семейства сложноцветных. Очень устойчив к засухам, поэтому произрастает в песчаных полупустынях и служит пищей верблюдам (рис. 3, справа). К тому же, василёк раскидистый — прекрасный медонос. При этом проявляет фитотоксическое действие — подавляет рост растений конкурентов, лишая их необходимого набора микроэлементов. Надо ли говорить, что помогает ему в этом 8-гидроксихинолин!
Конечно, разнообразие хинолиновых алкалоидов в природе (особенно в растениях) совсем немалое. Самым знаменитым их представителем является хинин из коры хинного дерева, которым лечат малярию. Собственно, хинин и подарил название всей этой группе веществ. И тем не менее, удивительно обнаружить в природе вещество, которое уже долгое время служит человеку.
Польза от зловония
Губки (Spongia) представляют собой одни из самых удивительных организмов. На филогенетическом дереве они прочно заняли нишу между одноклеточными жгутиконосцами и многоклеточными животными. Фактически, губка — это очень сложно организованная колония перешедших к социальному образу жизни простейших, обладающая феноменальной живучестью. Если губку просеять через сито, то через некоторое время отдельные клетки снова соберутся в единый организм!
А вот губка Ircinia felix, произрастающая в Карибском море (рис. 4, слева на цв. вкл.), известна к тому же отвратительным чесночным запахом. За это местные жители называют её «губкой-вонючкой» (stinker sponge). Разумеется, аромат носит защитную функцию, отпугивает хищников или подавляет рост возможных конкурентов. А специфический характер запаха намекает на присутствие летучих сернистых соединений. В растениях из семейства крестоцветных (Brassicaceae), всем хорошо известных горчице, хрене, васаби (рис. 4, справа) и редьке, содержатся глюкозинолаты, такие как си-нигрин. При повреждении тканей (например, во время приготовления салата) они реагируют с ферментом мирозиназой и распадаются с образованием аллилизотиоцианата. Это сравнительно летучее вещество и обусловливает характерный запах горчицы.
Разумеется, губка состоит с растениями в весьма отдалённом родстве, и свою химическую защиту изобретала независимо от них. В состав её пахучих компонентов тоже входит изотиоцианат, но другой. Это метилизо-тиоцианат, известный фумигант. Метилизо-тиоцианатом обрабатывают почву для борьбы с нематодами, фитопатогенными, грибками, сорными растениями. То есть этот дурно пахнущий яд обладает широким спектром действия и мало избирателен. Оказывается, он есть и в природе. Но метилизотиоцианат хотя и необычен в роли природного вещества, всё же не представляется чем-то экстраординарным.
В состав пахучего секрета ирцинии входит не только он. Неожиданностью стало обнаружение в нём обладающего отвратительным запахом метилизонитрила:
Н 3С—1\| =С~ — метилизонитрил.
Изонитрилы (изоцианиды, карбилами-ны) — класс веществ, изомерных нитрилам (органическим производным синильной кислоты). В состав изонитрильной группы тоже входят углерод и азот, но она «перевёрнута» — соединена с органической молекулой атомом азота, а не углерода, как в менее экзотических нитрилах. А углерод в составе изонитрильной группы двухвалентен, как в угарном газе, о котором уже шла речь в статье [13]:
О =С~ — угарный газ.
Фактически, изонитрилы — это угарный газ, в котором кислород замещён на амин.
Запах летучих низших изонитрилов, таких как метилизонитрил, описывают как тошнотворный. Мало того, структурное сходство с угарным газом делает их такими же ядовитыми. Поэтому героиня нашего повествования губка-вонючка находится под надёжной защитой.
Конечно, она не единственная, кто вырабатывает вещества с изонитрильной группой. В ветеринарии давно используется антибиотик ксантоциллин, тоже содержащий изоцианидные группы и вырабатываемый грибками пеницил-лами. Но в целом изонитрилы довольно редки в природе, и обнаружение каждого такого природного вещества становится резонансным.
Вредная привычка
Синтетические полимеры настолько прочно вошли в наш быт, что мы не представляем жизни без них. Из них делают буквально всё — от изоляции на высоковольтных проводах до элегантной одежды и тёплых пледов. Разумеется, свойства каждого конкретного полимера определяются свойствами исходного мономера, из которого он получен. Для того чтобы связать плед, годится искусственная шерсть, которая, скорее всего, представляет собой полиакрилонитрил. Выговорить такое слово непросто, поэтому обычно этот полимер называют не химическим названием, а торговыми — в бывшем Советском Союзе популярно обозначение «нитрон» (рис. 5 на цв. вкл.).
Надо сказать, что при всей безобидности синтетических полимеров (серьёзную опасность они представляют, только если загорятся), мономеры, из которых их синтезируют, являются очень токсичными веществами, сильными мутагенами и канцерогенами.
Впрочем, канцерогены есть и среди природных веществ. В Юго-Восточной Азии произрастают несколько десятков видов пальм рода Areca. Наиболее известна из них бетелевая пальма Areca catechu, плоды которой, бетеле-вые орехи, содержат психотропные алкалоиды ареколин (рис. 6 на цв. вкл.), гуваколин и гува-цин. Они являются компонентами очень популярного в Индии и Юго-Восточной Азии тонизирующего средства бетель. В странах Востока жевание бетеля (смесь плодов арековой пальмы, листьев местного перца и, иногда, табака) замещает распространённое на Западе табакокурение. По статистике, рак ротовой полости встречается очень часто в регионах, где попу-
лярно жевание бетеля. На Тайване 85 % случаев рака ротовой полости наблюдается именно среди заядлых потребителей этого лёгкого наркотика.
Было замечено, что акрилонитрил и гу-ваколин образуют с ДНК практически идентичные аддукты [14]. Из этого сделан смелый, но вполне обоснованный вывод, что акрило-нитрил в качестве короткоживущего промежуточного вещества образуется в процессе метаболизма алкалоидов Areca catechu [15]. Если это соответствует действительности, то этот важный полупродукт химической промышленности тоже можно назвать природным соединением!
Акриламид по строению и свойствам близок к акрилонитрилу и является продуктом его неполного гидролиза (рис. 7). Тоже является промышленным продуктом. Мономерный ак-риламид так же, как акрилонитрил, является канцерогеном [16]. Известно, что он образуется при термическом разложении аминокислоты аспарагина и может накапливаться в продуктах питания при жарке. Акриламид — одна из причин вреда для здоровья жареной пищи, например, чипсов. Но нас-то в первую очередь интересует вопрос, является ли акриламид природным веществом.
Известно, что бактерии, занимающиеся биодеградацией акрилонитрила, воздействуют на него ферментом нитрилазой и гидролизуют до акриламида [17]. Но этот факт ещё не доказывает «природный статус» акриламида: в конце концов, исходное вещество всё-таки произведено на предприятии. И вот исследования показали, что аспарагин может превращаться в акриламид не только при термическом воздействии, но и при температуре человеческого тела, если на него действовать перекисью водорода [18]. А Н2О2 тоже является метаболитом, образуется в организме при окислительном стрессе. Стало быть, оксидативный стресс, помимо множества других угроз, опасен ещё и выработкой акриламида прямо в клетках нашего тела!
И, вдобавок, я был весьма удивлён, прочитав о том, что молекулы с винильной группой можно полимеризовать при помощи ферментов. Например, акриламид при помощи лакказы может быть полимеризован в полиак-риламид [19]. Полимеры акриламида — по-лиакриламиды, являются гидрофильными полимерами, отлично набухают в воде и образуют знаменитые гели. Полиакриламидные гели
находят широкое применение — от разделения смесей белков гель-электрофорезом до осаждения хлопьев активного ила на очистных сооружениях и удержания влаги в почвах аридных зон. Конечно, язык не повернётся назвать по-лиакриламид природным соединением. И тем не менее, важно знать, что это вещество можно получить из биологического предшественника (аспарагина) при помощи биологических катализаторов — ферментов. Этот пример в очередной раз демонстрирует отсутствие сколь-нибудь четкой грани между природной и «неприродной» химией.
Лесная аптека
В Центральной Америке растут могучие деревья из рода бурзера Bursera grandifolia. Деревья эти лекарственные, поскольку при ранении выделяют ароматную смолу, обладающую целебными свойствами. Их близкие родственники — комнатные бурсеры — имеют, понятное дело, значительно меньшие размеры, например, «слоновое дерево» (Bursera fagaroides), или Bursera microphylla (рис. 8, слева на цв. вкл.). В более отдалённом родстве с ними состоят растения из родов Boswellia и Commiphora, произрастающие на Аравийском полуострове и тоже продуцирущие целебные смолы — ладан и мирру. Оказалось, что смола бурзеры содержит метаболит и-этоксиацета-нилид, идентичный препарату фенацетину
[20]! Вероятно, он-то и придаёт растению жаропонижающее действие. Получается, что природа и человек независимо создали одно и то же соединение. Стоит ли говорить о том, что природа сделала это намного раньше? Хотя, надо отдать должное и человеку, объёмы производства препаратов позволяют получать их в больших количествах и уж точно в более высоких концентрациях.
Фенацетин — один из старейших жаропонижающих и болеутоляющих препаратов (рис. 8, справа вверху). Его основным метаболитом является широко известный лекарственный препарат — парацетамол, применяемый до сих пор от головной боли (рис. 8, справа внизу). Как и большинство производных анилина, парацетамол и (в ещё большей степени) фенацетин являются довольно-таки ядовитыми веществами. Передозировка приводит поражению почек, что связано с образованием очень реак-ционноспособных хиноновых производных
[21]. Поэтому фенацетин устарел и во многих странах, в том числе в России, снят с продажи.
Ещё одно чудо природы
Сколько их, соединений углерода с кислородом? Нам привычны два: углекислый газ СО2 и угарный газ СО. Но в действительности их не один десяток. Это не полностью окисленные оксиды или субоксиды, содержащие связи углерод-углерод. Некоторые из них представляют собой довольно сложные по строению молекулы. Например, меллитовый ангидрид содержит даже бензольное кольцо! Однако химики привыкли рассматривать субоксиды углерода исключительно как экзотические продукты синтеза. А оказалось, что они есть и в природе.
Цветок морозник красив и может стать украшением любого сада (рис. 9, справа на цв. вкл.). Названо так растение не случайно. В условиях мягкого климата Южной Европы, Крыма или Кавказа (откуда и происходит этот род многолетних травянистых растений с крупными декоративными цветами) оно действительно зацветает зимой. Но, как все представители семейства лютиковых ^апи-пси1асеае), под вызывающей симпатию внешностью морозник таит угрозу — растение ядовито, содержит сильнодействующие алкалоиды и гликозиды.
В корневищах морозника красноватого (Helleborus purpurascens), содержатся необычные метаболиты поликетидной природы. При попадании в организм животного или человека они окисляются, и образуются макроцикличе-ские субоксиды углерода состава (С3О2)6 (так называемый МЦС 18) и (С3О2)8 (МЦС 24), по своей структуре беспрецедентные для живой природы [22] (рис. 9, слева). Конечно, растение образует подобные вещества не для того, чтобы удивить биохимиков. Данные субоксиды являются ингибиторами АТФаз и во многом определяют токсичность морозника. А медики, узнав о них, заинтересовались и стали создавать новые лекарства для лечения аутоиммунных заболеваний [23] — недаром разные виды морозников издавна известны и как лекарственные травы.
Неопалимая купина — реальность?
Или нет?
Каждый из нас слышал легенду о неопалимой купине — терновом кусте, объятом пламенем, но не сгорающем. Легенда объясняет это явление чудом, но у чуда есть реальные прообразы. Существуют растения, выделяющие легковоспламеняющиеся эфирные масла.
Рис. 1. Слева: пространственная структура №4'-бромфенилдифенилацетамида. Изображение с сайта https://chem.nlm.nih.gov. Справа: тростник гигантский. Изображение с сайта Викимедия
Рис. 2. Слева: хинолин. Справа: палочник Oreophoetes peruana, вооружен химическим оружием, и маскировка ему ни к чему. Изображение с сайта https://www.flickr.com
Рис. 3. Слева: 8-гидроксихинолин. Справа: василёк раскидистый. Изображение с сайта https://www.discoverlife.org/
Рис. 4. Слева: морская губка Irciniafelix — продуцент метилизонитрила и метилизотиоцианата [12].
Изображение с сайта https://reefguide.org Справа: голушка японская (Eutrema japonicum) тоже продуцирует изотиоцианаты, поэтому в восточных кухнях применяется как приправа. Широко известна под японским названием «васаби». Изображение из Википедии
Рис. 5. Слева: из волокна нитрон получают искусственную шерсть. Справа: акрилонитрил. Изображение с сайта https://ae01.alicdn.com/
Рис. 6. Слева: бетелевая пальма Areca catechu с плодами. Справа: ареколин — одно из действующих начал бетеля.
Изображение с сайта https://1.bp.blogspot.com
Рис. 7. Слева: электрофореграмма ДНК в полиакриламидном геле после окрашивания флуоресцентным красителем. Справа: акриламид. Изображения с сайта Википедии
Рис. 8. Слева веточка комнатной Bursera microphylla. Справа вверху: фенацетин. Справа внизу: парацетамол.
Изображение с сайта http://exoticminisad.ru/
мое ос!атег (С3Ог)е
Рис. 9. Слева: гексамер и октамер С3О2. По [22]. Справа: морозник красноватый. Изображение с сайта https://garden-tags-live.s3-accelerate.amazonaws.com/kimco_1457824858.jpeg.
Рис.10. Слева: сероуглерод. Справа: мимоза стыдливая в цвету. Вот ради таких необычного вида цветов, а также удивительной реакции на прикосновения некоторые любители экзотических растений выращивают мимозу дома.
Изображение с сайта https://upload.wikimedia.org
Рис.11. Слева: структурная формула шикимовой кислоты — биохимического предшественника большинства ароматических метаболитов. Справа: плоды бадьяна — природного источника шикимовой кислоты.
Изображение с сайта http://3.bp.blogspot.com
/ \
Рис. 12. Слева вверху: этот скорпион, угодивший в луч ультрафиолетовой лампы, флуоресцирует зеленовато-голубым светом, поскольку в его кутикуле содержатся метаболиты ароматической природы. Изображение с сайта https://www.alamy.com. Справа вверху: 4-метилумбеллиферон, флуорофор кутикулы скорпиона. Изображение с сайта https://www.ebiochemicals.com. Слева в центре: яркая и контрастная окраска цветов ипомеи обусловлена содержанием в них разнообразных антоцианов. Изображение с сайта Photau.ua. Справа в центре: разнообразие структур и окрасок антоцианов. По [28]. Слева внизу: ягуары (Panthera onca) разного окраса, обусловленного различным соотношением черного эумеланина и желтовато-коричневого феомеланина в волосах. Изображение с сайта https://w-dog.ru/wallpapers. Справа внизу: химическая структура феомеланина — коричневого пигмента волос млекопитающих. Все эти соединения являются продуктами метаболизма ароматических аминокислот и, в конечном итоге, шикимовой кислоты
Рис. 13. Схема биосинтеза антоцианов — небольшой фрагмент превращений аминокислоты тирозина
в биосфере. По [29]
Например, красивый (но ядовитый) цветок ясенец белый (Dictamnus albus) буквально окутывает себя облаком из фитонцидов. Если к кусту ясенца поднести зажжённую спичку, вокруг него вспыхнет и моментально погаснет пламя. Некоторые богатые эфирными маслами кустарники в составе произрастающего в Калифорнии чапараля, можно сказать, нарочно провоцируют пожары — без них не будут распространяться их семена.
Но, даже зная об этом, я был немало удивлён, когда узнал, что несколько видов растений семейства бобовых выделяют сероуглерод и карбонилсульфид [24] (рис. 10, слева на цв. вкл.). Сероуглерод очень легко воспламеняется, а смеси его паров с воздухом взрывоопасны. Из всех используемых растворителей именно сероуглерод признан самым огнеопасным, в этом он превосходит даже диэтиловый эфир.
Стыдливая мимоза (Mimosa púdica) (рис. 10, справа) — многолетний кустарник из семейства бобовых, родиной которой является Тропическая Америка, но в настоящее время распространилось по всему тропическому поясу. Это растение каждому известно со школы, благодаря своей удивительной способности, недоступной большинству других растений. При прикосновении листья мимозы моментально складываются, чему способствует белок актин, более характерный для мышечной ткани животных, чем для растений. Такая необычная способность мимозы сделала её популярным объектом научных исследований и экзотическим комнатным растением. Но мимоза обладает, если можно так выразиться, «многоуровневой защитой». Её ветки покрыты шипами. А в момент складывания листьев растение выделяет ядовитый «коктейль», содержащий в том числе пары сероуглерода. Это вещество, весьма неожиданное для живой природы, образуется при распаде непротеино-генной (то есть, не содержащейся в белках), но содержащей серу аминокислоты - дьенколе-вой кислоты. Сказать по правде, я никогда не слышал про объятые пламенем мимозы: возможно, концентрация продуцируемого ею сероуглерода слишком мала для возгорания. И тем не менее, подобное вполне возможно, учитывая горючесть паров CS2.
Способность сероуглерода образовывать эфиры тиоугольных кислот делает его незаменимым в производстве вискозного волокна. Именно на него уходит большая часть произво-
димого (человеком, конечно, не мимозами!) сероуглерода. Во-вторых, следует иметь в виду его уникальную растворяющую способность. Некоторые вещества — ромбическая сера, белый фосфор [25] — плохо растворяются в органических растворителях и практически не растворяются в воде, но прекрасно растворимы в CS2.
Сероуглерод не только вырабатывается растениями, но и подвергается микробной биодеградации [26]: гидролизуется серными бактериями до углекислого газа и сероводорода, а последний окисляется до элементной серы или сульфата.
На стыке наук
В статье уже многократно говорилось о том, что границы между биологией и химией постепенно стираются. Означает ли это, что в будущем эти науки утратят свои индивидуальные черты и сольются в одну? Есть все основания предполагать, что этого не произойдёт. В свое время крупный русский эволюционист Феодосий Григорьевич Добржан-ский говорил, что в биологии всё имеет смысл только в свете эволюционного процесса. Наверно, именно в этом месте проходит грань между дисциплинами.
Когда были открыты вирусы, некоторое время велись жаркие споры, кем их считать. Простейшими живыми организмами? Или сложнейшими соединениями? Как и положено химическим веществам, вирусы имеют строгий состав, молекулярную массу, пространственную структуру и способны кристаллизоваться. Подобно живым существам, они размножаются, обладают наследственностью и изменчивостью. И именно по причине эволюционной изменчивости вирусы, в конце концов, всё-таки отнесли к биологическим объектам. Химические вещества не эволюционируют. Мы a priori исходим из того, что четыре миллиарда лет назад, накануне возникновения жизни на Земле, вода и углекислый газ имели абсолютно те же свойства, что и в наши дни.
Тем не менее, живые организмы постоянно «учатся» вырабатывать новые соединения. Это, конечно, мало касается глюкозы, двадцати стандартных аминокислот, входящих в состав белков, азотистых оснований ДНК и РНК. Эти так называемые первичные метаболиты — вещества на редкость консервативные и представленные практически во всех без исключения живых клетках. Мы вряд ли ошибёмся, если решим, что первичные метаболиты
появились у самых первых живых клеток, предков всех живых организмов. А вот разнообразие вторичных метаболитов так же велико, как и самих биологических видов, если не больше. Далеко не все они обнаружены. Огромное их количество не будет открыто никогда, поскольку они «вымерли» вместе с выделявшими их когда-то организмами и не оставили отпечатков. То есть химическое разнообразие биосферы никогда не будет охарактеризовано полностью.
Таким образом, химические вещества не эволюционируют. Но эволюционируют метаболические пути, поскольку находятся под контролем генома. Это позволяет из известных предшественников получать новые соединения, и они оказываются связанными генеалогическим родством с существовавшими раньше. Вот тут-то и проходит граница между дисциплинами. Здесь простираются владения биохимии — самой химической из биологических наук.
Метаболическая эволюция происходит буквально на наших глазах, порождая, например, огромное многообразие антибиотиков. Гонка вооружений не прощает остановок, поэтому именно биосинтез антибиотиков, пожалуй, эволюционирует с наибольшей скоростью. Некоторые из них получены в лабораториях при помощи генной инженерии, имитирующей естественный эволюционный процесс [27].
Но появление новых антибиотиков — это пример микроэволюционных изменений. Всё-таки образуются вещества, близкие по составу и свойствам. Однако в долгосрочной перспективе эти мелкие изменения выходят на глобальный, макроэволюционный уровень. На мой взгляд, показательным примером является многообразие природных ароматических соединений, содержащих в своём составе бензольное кольцо. Многообразие действительно неисчислимое, я искал, но так и не нашёл обзор, обобщающий (хотя бы поверхностно!) информацию о них. Но у них есть общая черта: большинство из них образуется из шики-мовой кислоты. Не все, конечно: ароматические каротиноиды и поликетиды (например, антибиотики группы тетрациклинов) формируются другими путями. Но большинство. Во всяком случае, общие предшественники — единственное, что объединяет такие непохожие друг на друга метаболиты, как гормон адреналин, рутин (витамин Р) и красный пигмент свёклы бетанин.
Будучи предшественником ароматических аминокислот (фенилаланина, тирозина, триптофана, п-аминобензойной кислоты), ши-кимовая кислота (рис. 11, слева на цв. вкл.) образуется во многих живых организмах, но крайне редко накапливается до высоких концентраций. Один из немногих природных источников этого соединения — семена бадьяна (Illicium verum), произрастающего в субтропической Азии (рис. 11, справа). В Японии это растение называют «сикими», отсюда и название кислоты. Химики производят из шикимо-вой кислоты ряд лекарств, но наибольшее значение имеет вошедший во все учебники биохимии шикиматный путь биосинтеза ароматических соединений. Этот метаболический путь, без сомнения, очень древний. Его первые стадии, ведущие к ароматическим аминокислотам, вероятно, возникли ещё на заре появления жизни и присутствуют у организмов практически всех таксономических групп. Правда, животные вторично утратили шикиматный путь, поэтому для человека фенилаланин и триптофан являются незаменимыми аминокислотами (тирозин — метаболит фенилала-нина, и, в некотором смысле, является «условно незаменимой» аминокислотой).
А в ходе дальнейшей эволюции шики-матный путь оброс всевозможными «при-строями», каждый из которых уникален для узкой таксономической группы. В результате, мы видим гигантское разнообразие метаболитов, в котором отражено само биологическое разнообразие. Зачастую метаболиты служат надёжными маркерами таксономической принадлежности. Скажем, алкалоиды морфинано-вого ряда синтезируют из тирозина исключительно растения порядка лютикоцветных (Ranunculales), причём морфин встречается только в маковых (Papaveraceae) — одном из семейств этого порядка.
В самом деле, что общего между разноцветными пигментами растений, лигнином -компонентом древесины, переносчиком электронов убихиноном, гормоном щитовидной железы тироксином, компонентом пищевой приправы куркумином, фенилаланином, входящим в состав многих пептидов и большинства белков, антибиотиком левомицетином, пигментом меланином из чернил каракатицы, красителем индиго и выделенным из камеди ликвидамбара стиролом — мономером полистирола? Только то, что все они содержат бензольное кольцо, и все происходят из шикимо-
вой кислоты (рис. 12, 13). А если учесть, что сама шикимовая кислота является одним из метаболитов глюкозы, то это означает, что шикиматный путь является фрагментом ещё более древнего и всеобъемлющего метаболического пути углеродных соединений, в котором глюкоза является одним из ключевых ин-термедиатов.
В настоящее время в химии создан некий барьер — утверждение, что большинство синтезированных веществ не встречается в природе. Барьер подкрепляется общественным сознанием, постоянно разграничивающим «натуральное» и «искусственное». Однако усовершенствование приборов [30] и обслуживающих их вычислительных машин приводит к расширению горизонтов Знания. Мы можем заглядывать всё дальше и глубже в окружающий мир и видеть больше деталей, веществ в концентрациях, которые ещё вчера были «ниже порога обнаружения». И посте-
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Miles D.H. Agrochemical activity and isolation of N-(4'-bromophenyl)-2,2-diphenylacetanilide from the Thai Plant Arundo donax / D.H. Miles, K. Tunsuwan, V. Cittawong, P.A. Hedin, U. Kokpol, C.-Z. Ni, J. Clardy // Journal of Natural Products. 1993. Vol. 56. No. 9. P. 1590-1593.
2. Миндубаев А.З. Биодеградация белого фосфора — шаг к решению экологической проблемы /
A.З. Миндубаев, А.Д. Волошина, Э.В. Бабынин, Е.К. Бадеева, С.Т. Минзанова, Л.Г. Миронова, Й.А. Ако-сах // Национальные приоритеты России. 2019. № 3 (34). С. 81-85.
3. Миндубаев А.З. Влияние белого фосфора на выживаемость, протеом и клеточную морфологию Aspergillus niger / А.З. Миндубаев, С.В. Кузнецова,
B.Г. Евтюгин, А.Г. Даминова [и др.] // Прикладная биохимия и микробиология. 2020. Т. 56. № 2.
C. 156-164.
4. Mindubaev A.Z. Effect of White Phosphorus on the Survival, Cellular Morphology, and Proteome of Aspergillus niger / A.Z. Mindubaev, S.V. Kuznetsova, V.G. Evtyugin, A.G. Daminova, T.V. Grigoryeva [et al.] // Applied Biochemistry and Microbiology. 2020. Vol. 56. No 2. P. 194-201.
5. Миндубаев А. З. Генотоксичность и цитоге-нетическое действие белого фосфора / А.З. Миндуба-ев, Э. В. Бабынин, Е. К. Бадеева, Д. Б. Пискунов, А.Н. Махиянов, С.Т. Минзанова, Л.Г. Миронова, А. Д. Волошина // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2019. Т. 9. № 1. С. 81-94.
6. Mindubaev A.Z. The possibility of neutralizing white phosphorus using microbial cultures / A.Z. Mindubaev, E.V. Babynin, A.D. Voloshina, K.A. Saparmyradov, Y.A. Akosah, E.K. Badeeva, S.T. Minzanova, L.G. Mironova // Известия Нацио-
пенно оказывается, что многие вещества, считающиеся чуждыми природе и обязанные своему существованию исключительно человеку, в действительности постоянно присутствуют в биосфере, пусть даже в следовых концентрациях.
Фундаментальная основа биодеградации ксенобиотиков в том, что, возможно, никаких ксенобиотиков на самом деле нет. Большинство химических веществ в следовых количествах постоянно вырабатывается в биосфере, без всякого вмешательства человека. Поэтому биосфера готова к «встрече» с ними. На вещества любого строения находятся свои потребители из числа живых организмов — в первую очередь, конечно же, микробов.
А в недалёком будущем, когда накопленные знания начнут обобщаться, на смену нынешней «хемофобии», безотчётному страху перед химией, придёт более здравая и критическая оценка.
REFERENCES
1. Miles D.H. Agrochemical activity and isolation of N-(4'-bromophenyl)-2,2-diphenylacetanilide from the Thai Plant Arundo donax / D.H. Miles, K. Tunsuwan, V. Cittawong, P.A. Hedin, U. Kokpol, C.-Z. Ni, J. Clardy // Journal of Natural Products. 1993. Vol. 56. No. 9. P. 1590-1593.
2. Mindubaev A.Z. Biodegradaciya belogo fosfora - shag k resheniyu ekologicheskoj problemy / A.Z. Mindubaev, A.D. Voloshina, E.V. Babynin, E.K. Badeeva, S.T. Minzanova, L.G. Mironova, J.A. Akosah // Nacional'nye prioritety Rossii. 2019. № 3 (34). S. 81-85. (In Russian).
3. Mindubaev A.Z. Vliyanie belogo fosfora na vyzhivaemost', proteom i kletochnuyu morfologiyu As-pergillus niger / A.Z. Mindubaev, S.V. Kuznecova, V.G. Evtyugin, A.G. Daminova [i dr.] // Prikladnaya bi-ohimiya i mikrobiologiya. 2020. T. 56. № 2. S. 156-164. (In Russian).
4. Mindubaev A.Z. Effect of White Phosphorus on the Survival, Cellular Morphology, and Proteome of As-pergillus niger / A.Z. Mindubaev, S.V. Kuznetsova, V.G. Evtyugin, A.G. Daminova, T.V. Grigoryeva [et al.] // Applied Biochemistry and Microbiology. 2020. Vol. 56. No 2. P. 194-201.
5. Mindubaev A.Z. Genotoksichnost' i citogenet-icheskoe dejstvie belogo fosfora / A.Z. Mindubaev, E.V. Babynin, E.K. Badeeva, D.B. Piskunov, A.N. Mahiyanov, S.T. Minzanova, L.G. Mironova, A.D. Voloshina // Izvestiya vuzov. Prikladnaya himiya i biotekhnologiya. 2019. T. 9. № 1. S. 81-94. (In Russian).
6. Mindubaev A.Z. The possibility of neutralizing white phosphorus using microbial cultures / A.Z. Mindubaev, E.V. Babynin, A.D. Voloshina, K.A. Saparmyradov, Y.A. Akosah, E.K. Badeeva, S.T. Minzanova, L.G. Mironova // News of NAS RK.
нальной академии наук Республики Казахстан. Серия химии и технологии. 2019. Т. 5. № 437. С. 122-128.
7. Mindubaev A.Z. Microorganisms resistant to white phosphorus / A.Z. Mindubaev, A.D. Voloshina, Babynin E.V., Minzanova S.T., Mironova L.G., Sapar-myradov K.A., Badeeva E.K., Akosah Y.A. // Fundamental Research and Applied Developing of Recycling and Utilization Processes of Technogenic Formations : IV Congress. 2020. P. 7-12.
8. Pietra F. Biodiversity and Natural Product Diversity // Tetrahedron Organic Chemistry. 2002. Vol. 21. 366 p.
9. Walsh C. Enabling the chemistry of life // Nature. 2001. Vol. 409. No 6817. P. 226-231.
10. Eisner T. Defensive production of quinoline by a phasmid insect (Oreophoetes peruana) / T. Eisner, R.C. Morgan, A.B. Attygalle, S.R. Smedley, K.B. Herath, J. Meinwald // The Journal of Experimental Biology. 1997. Vol. 200. No 19. P. 2493-2500.
11. Quintana N. Phytotoxic compounds from roots of Centaurea diffusa Lam / N. Quintana, E.G. El Kassis, F.R. Stermitz, J.M. Vivanco // Plant Signal Be-hav. 2009. Vol. 4. No 1. P. 9-14.
12. Duquea C. Exudation of lowmolecular weight compounds (thiobismethane, methyl isocyanide, and methyl isothiocyanate) as a possible chemical defense mechanism in the marine sponge Ircinia felix / C. Du-quea, A. Bonilla, E. Bautista, S. Zea // Biochemical Sys-tematics and Ecology. 2001. Vol. 29. No.5. P. 459-467.
13. Миндубаев А.З. Кто съел полиэтилен? // Наука и жизнь. 2018. № 4. С. 32-38.
14. Geiger L.E., Hogy L.L., Guengerich F.P. Metabolism of Acrylonitrile by Isolated Rat Hepatocytes // Cancer Res. 1983. Vol.43. No.7. P. 3080-3087.
15. Prokopczyk B., Bertinato P., Hoffmann D. Cyanoethylation of DNA in Vivo by 3-(Methylnitro-samino)propionitrile, an Areca-derived Carcinogen // Cancer Research. 1988. Vol.48. No.23. P.6780-6784.
16. Friedman M. Chemistry, Biochemistry and Safety of Acrylamide. A Review // J. Agric. Food Chem. 2003. Vol. 51. No 16. P. 4504-4526.
17. Li T., Liu J., Bai R., Ohandja D.-G., Wong F.-S. Biodegradation of organonitriles by adapted activated sludge consortium with acetonitrile-degrading microorganisms // Water Research. 2007. Vol. 41. No 15. P. 3465-3473.
18. Tareke E. Acrylamide Formed at Physiological Temperature as a Result of Asparagine Oxidation / E. Tareke, T.M. Heinze, G. Gamboa da Costa, S. Ali // J. Agric. Food Chem. 2009. Vol. 57. No 20. P. 9730-9733.
19. Singh A., Kaplan D.L. In Vitro Enzyme-Induced Vinyl Polymerization // Adv Polym Sci. 2006. Vol. 194. P. 211-224.
20. Velazquez F. Phenacetin isolated from Bursera grandifolia, a herbal remedy with antipyretic properties / F. Velazquez, R. Manriquez, L. Maya, L. Barrientos, F. Lopez-Dellamary // Nat. Prod. Commun. 2009. Vol. 4. No 11. P. 1575-1576.
21. Guengerich F.P. Cytochrome P450s and Other Enzymes in Drug Metabolism and Toxicity // The AAPS Journal. 2006. Vol. 8. No 1. P. 101-111.
22. Kerek F. Characterization of the macrocyclic carbon suboxide factors as potent Na,K-ATPase and SR
Series of geology and technical sciences. 2019. Vol. 5. No 437. P. 122-128.
7. Mindubaev A.Z. Microorganisms resistant to white phosphorus / A.Z. Mindubaev, A.D. Voloshina, Babynin E.V., Minzanova S.T., Mironova L.G., Sapar-myradov K.A., Badeeva E.K., Akosah Y.A. // Fundamental Research and Applied Developing of Recycling and Utilization Processes of Technogenic Formations : IV Congress. 2020. P. 7-12.
8. Pietra F. Biodiversity and Natural Product Diversity // Tetrahedron Organic Chemistry. 2002. Vol. 21. 366 p.
9. Walsh C. Enabling the chemistry of life // Nature. 2001. Vol. 409. No 6817. P. 226-231.
10. Eisner T. Defensive production of quinoline by a phasmid insect (Oreophoetes peruana) / T. Eisner, R.C. Morgan, A.B. Attygalle, S.R. Smedley, K.B. Herath, J. Meinwald // The Journal of Experimental Biology. 1997. Vol. 200. No 19. P. 2493-2500.
11. Quintana N. Phytotoxic compounds from roots of Centaurea diffusa Lam / N. Quintana, E.G. El Kassis, F.R. Stermitz, J.M. Vivanco // Plant Signal Be-hav. 2009. Vol. 4. No 1. P. 9-14.
12. Duquea C. Exudation of lowmolecular weight compounds (thiobismethane, methyl isocyanide, and methyl isothiocyanate) as a possible chemical defense mechanism in the marine sponge Ircinia felix / C. Du-quea, A. Bonilla, E. Bautista, S. Zea // Biochemical Sys-tematics and Ecology. 2001. Vol. 29. No 5. P. 459-467.
13. Mindubaev A.Z. Who ate the polyethylene? Nauka i Zhizn. 2018. Vol. 4. P. 32-38. (In Russian).
14. Geiger L.E., Hogy L.L., Guengerich F.P. Metabolism of Acrylonitrile by Isolated Rat Hepatocytes // Cancer Res. 1983. Vol.43. No.7. P. 3080-3087.
15. Prokopczyk B., Bertinato P., Hoffmann D. Cyanoethylation of DNA in Vivo by 3-(Methylnitro-samino)propionitrile, an Areca-derived Carcinogen // Cancer Research. 1988. Vol. 48. No 23. P. 6780-6784.
16. Friedman M. Chemistry, Biochemistry and Safety of Acrylamide. A Review // J. Agric. Food Chem. 2003. Vol. 51. No 16. P. 4504-4526.
17. Li T., Liu J., Bai R., Ohandja D.-G., Wong F.-S. Biodegradation of organonitriles by adapted activated sludge consortium with acetonitrile-degrading microorganisms // Water Research. 2007. Vol. 41. No 15. P. 3465-3473.
18. Tareke E. Acrylamide Formed at Physiological Temperature as a Result of Asparagine Oxidation / E. Tareke, T.M. Heinze, G. Gamboa da Costa, S. Ali // J. Agric. Food Chem. 2009. Vol. 57. No 20. P. 9730-9733.
19. Singh A., Kaplan D.L. In Vitro Enzyme-Induced Vinyl Polymerization // Adv Polym Sci. 2006. Vol. 194. P. 211-224.
20. Velazquez F. Phenacetin isolated from Bursera grandifolia, a herbal remedy with antipyretic properties / F. Velazquez, R. Manriquez, L. Maya, L. Barrientos, F. Lopez-Dellamary // Nat. Prod. Commun. 2009. Vol. 4. No 11. P. 1575-1576.
21. Guengerich F.P. Cytochrome P450s and Other Enzymes in Drug Metabolism and Toxicity // The AAPS Journal. 2006. Vol. 8. No 1. P. 101-111.
22. Kerek F. Characterization of the macrocyclic carbon suboxide factors as potent Na,K-ATPase and SR
Ca-ATPase inhibitors / F. Kerek, R. Stimac, H.-J. Apell,
F. Freudenmann, L. Moroder // Biochimica et Biophysica Acta / Biomembranes. 2002. Vol. 1567. No 1-2. P. 213-220.
23. Horstmann B. MCS-18, a novel natural product isolated from Helleborus purpurascens, inhibits dendritic cell activation and prevents autoimmunity as shown in vivo using the EAE model / B. Horstmann, E. Zinser, N. Turza, F. Kerek, A. Steinkasserer // Immunobiology. 2008. Vol. 212. No 9-10. P. 839-853.
24. Piluk J., Hartel P.G., Haines B.L. Production of carbon disulfide (CS2) from L-djenkolic acid in the roots of Mimosa pudica L. // Plant and Soil. 1998. Vol. 200. No 1. P. 27-32.
25. Миндубаев А.З. От яда к удобрению // Наука и жизнь. 2019. № 3. С. 46-47.
26. Cox S.F. Degradation of carbon disulphide (CS2) in soils and groundwater from a CS2-contaminated site / S.F. Cox, J.D. McKinley, A.S. Ferguson,
G.O'Sullivan, R.M. Kalin // Environ Earth Sci. 2013. Vol. 68. No 7. P. 1935-1944.
27. Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение / пер. с англ. М. : Мир, 2002. 589 с.
28. Ananga A. Production of Anthocyanins in Grape Cell Cultures: A Potential Source of Raw Material for Pharmaceutical, Food, and Cosmetic Industries / A. Ananga, V. Georgiev, J. Ochieng, B. Phills, V. Tsolo-va // Mediterranean Genetic Code. Grapevine and Olive. Edited by Poljuha D., Slodonja B. Chapter 11. Intech Open. 2013. P. 247-287.
29. Chaves-Silva S. Understanding the genetic regulation of anthocyanin biosynthesis in plants — Tools for breeding purple varieties of fruits and vegetables / S. Chaves-Silva, A.L.D. Santos, A., Zhao J. Chalfun-Júnior, L.E.P. Peres, V.A. Benedito // Phytochemistry. 2018. Vol. 153. P. 11-27.
30. Schwalbe H. New1.2 GHz NMR Spectrometers — New Horizons? // Angew. Chem. Int. Ed. 2017. Vol. 56. No 35. P. 10252-10253.
Антон Зуфарович Миндубаев — кандидат химических наук, старший научный сотрудник Института энергетики и перспективных технологий ФИЦ Казанского научного центра РАН; mindubaev-az@yandex.ru.
Ca-ATPase inhibitors / F. Kerek, R. Stimac, H.-J. Apell, F. Freudenmann, L. Moroder // Biochimica et Biophysica Acta / Biomembranes. 2002. Vol. 1567. No 1-2. P. 213-220.
23. Horstmann B. MCS-18, a novel natural product isolated from Helleborus purpurascens, inhibits dendritic cell activation and prevents autoimmunity as shown in vivo using the EAE model / B. Horstmann, E. Zinser, N. Turza, F. Kerek, A. Steinkasserer // Im-munobiology. 2008. Vol. 212. No 9-10. P. 839-853.
24. Piluk J., Hartel P.G., Haines B.L. Production of carbon disulfide (CS2) from L-djenkolic acid in the roots of Mimosa pudica L. // Plant and Soil. 1998. Vol. 200. No 1. P. 27-32.
25. Mindubaev A.Z. From a poison to a fertilizer // Nauka I Zhizn. 2019. No 3. P. 46-47 (In Russian).
26. Cox S.F., McKinley J.D., Ferguson A.S., O'Sullivan G., Kalin R.M. Degradation of carbon disul-phide (CS2) in soils and groundwater from a CS2-contaminated site // Environ Earth Sci. 2013. Vol. 68. No 7. P. 1935-1944.
27. Glick B.R., Pasternak. Molecular Biotechnology. Principles and Applications. M. : Mir, 2002. 589 p. (In Russian).
28. Ananga A. Production of Anthocyanins in Grape Cell Cultures: A Potential Source of Raw Material for Pharmaceutical, Food, and Cosmetic Industries / A. Ananga, V. Georgiev, J. Ochieng, B. Phills, V. Tsolo-va // Mediterranean Genetic Code. Grapevine and Olive. Edited by Poljuha D., Slodonja B. Chapter 11. Intech Open. 2013. P. 247-287.
29. Chaves-Silva S. Understanding the genetic regulation of anthocyanin biosynthesis in plants — Tools for breeding purple varieties of fruits and vegetables / S. Chaves-Silva, A.L.D. Santos, A., Zhao J. Chalfun-Júnior, L.E.P. Peres, V.A. Benedito // Phytochemistry. 2018. Vol. 153. P. 11-27.
30. Schwalbe H. New1.2 GHz NMR Spectrometers - New Horizons? // Angew. Chem. Int. Ed. 2017. Vol. 56. No 35. P. 10252-10253.
Anton Zufarovich Mindubaev — Cand. Sc.{Chemistry}, S.R. at Institute of Power Engineering and Advanced Technologies, FRC Kazan Scientific Center, Russian Academy of Sciences; mindubaev-az@yandex.ru.
Статья поступила в редакцию 12.01.2021 г.
