Учебное пособие для вузов (Краткий курс лекций)
 Скачать 1.31 Mb.
|
|
Казанский государственный университет Химический институт им. А. М. Бутлерова ГАЛКИНА И.В. ОСНОВЫ ХИМИИ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ Учебное пособие для вузов (Краткий курс лекций) «Допущено УМО по классическому университетскому образованию в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальности 020101.65 – Химия» Казань – 2009 2 УДК 544 ББК 24 Печатается по решению Учебно-методической комиссии Химического института им. А.М. Бутлерова Казанского государственного университета Автор: Галкина Ирина Васильевна – кандидат химических наук, доцент Химического института им. А.М.Бутлерова Казанского государственного университета Рецензенты: Теренин И.В. доктор химических наук, профессор химического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова; Антипин И.С. – доктор химических наук, профессор, член-корр. РАН, заведующий кафедрой органической химии Химического института им. А.М.Бутлерова Казанского государственного университета. Основы химии биологически активных веществ: Учебное пособие для вузов /И.В. Галкина – Казань: Казанский государственный университет, 2009. – 152 с. ISBN Книга представляет собой краткий курс лекций по химии биологически активных соединений. Она состоит из четырех разделов: лекарственные, наркотические вещества, пестициды и боевые отравляющие вещества. Материал изложен в виде 16 лекций. Каждый раздел включает небольшой исторический экскурс в проблему. Для повышения увлекательности курса автор адаптировал для лучшего понимания студентами как чисто научные материалы, так и включила отрывки из научно-популярных статей, посвященных новейшим исследованиям в этой интересной области химии. Книга предназначена, в первую очередь, для студентов и преподавателей химических, фармацевтических и биологических специальностей вузов. Автор надеется, что данное учебное пособие будет способствовать расширению кругозора читателей и повышению уровня знаний по химии биологически активных соединений. ISBN Галкина И.В. 2009 3 ОГЛАВЛЕНИЕ Стр. Предисловие автора 4 Лекарственные вещества Лекция 1 История возникновения медицины и аптекарского дела. Развитие органической химии лекарственных веществ 5 Лекция 2 Гомеопатические лекарственные средства 14 Лекция 3 Создание органических лекарственных препаратов 24 Лекция 4 Связь между строением и биологической активностью 31 Лекция 5 Химические аспекты воздействия лекарственных веществ на функции организма человека 41 Лекция 6 Классификация лекарственных веществ. Основные болезни человека и основные группы лекарственных препаратов 58 Лекция 7 Синтез лекарственных веществ алифатического ряда 64 Лекция 8 Лекарственные вещества алициклического и ароматического ряда 71 Лекция 9 Гетероциклические лекарственные средства 79 Наркотические вещества Лекция 10 Наркотики и наркомания. Исторический экскурс в проблему. Классификация наркотических и психотропных веществ 90 Лекция 11 Воздействие наркотических веществ на организм человека 101 Лекция 12 Признаки употребления наркотических веществ. Угрожающие состояния и неотложная помощь. Уголовная ответственность за синтез, распространение, приобретение и употребление наркотиков 110 Пестициды в современном сельском хозяйстве Лекция 13 Что такое пестициды. Современный арсенал пестицидов 119 Лекция 14 Пути превращения пестицидов в объектах окружающей среды и в живых организмах 130 Боевые отравляющие вещества (ОВ) и их биологическое действие. Взрывчатые и горючие вещества Лекция 15 История развития химического оружия. Классификация и характеристика основных ОВ. Уничтожение ОВ 135 Лекции 16 Взрывчатые и горючие вещества 143 ЛИТЕРАТУРА 150 4 ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА «Не добыванию золота и серебра, а защите здоровья должна служить химия!» Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм (Парацельс) Предлагаемый курс лекций «Основы химии биологически активных веществ» предназначен, в первую очередь, для студентов-химиков, интересующихся устройством окружающей нас природы, умеющих восторженно удивляться и восхищаться ее сложностью и простотой, вглядываясь в бесконечный сказочный мир играющих электронов, атомов и молекул. К биологически активным веществам относится огромное множество различных соединений. Понятие «биологическая активность» отражает взаимодействие вещества с организмом и вызываемый при этом отклик организма, например успокоительный эффект (от феназепама), снижение температуры тела (от аспирина), наркотическая эйфория (от кокаина), уничтожение сорняков (гербицидами), паралич и удушье (от отравляющего вещества - зомана). К настоящему времени создан большой арсенал биологически активных веществ для нужд человека. Основной материал по химии биологически активных веществ изложен в виде курса лекций (а их 17) и состоит из четырех циклов: «Лекарственные вещества», « Наркотические препараты», «Пестициды в современном сельском хозяйстве» и « Боевые отравляющие вещества». Каждый цикл лекций начинается с краткого исторического экскурса в проблему, так как без прошлого нет настоящего и не может быть будущего. Из-за недостатка времени, отведенного для данного курса, невозможно «объять необъятное» и осветить все аспекты уникальной химии биологически активных веществ, поэтому в лекциях даны упрощенные схемы синтеза многих соединений, а иногда приведены лишь готовые формулы веществ и сводные таблицы препаратов. Это как бы вспомогательные иллюстрации, назначение которых – содействовать лучшему усвоению большого объема информации. Каждая лекция представляет собой самостоятельный, законченный материал по данному рассматриваемому вопросу и для простоты изложения имеет свою внутреннюю нумерацию препаратов. Собранный материал о биологически активных веществах соответствует состоянию проблемы от истоков возникновения до 2008 года включительно. В нем много субъективных суждений и оценок, которые, конечно же, могут быть спорными. Здесь нет рецептов для решения всех вопросов, но есть большое количество рекомендаций, выполнить которые, однако, также не всегда легко. Данный курс лекций взаимосвязан со многими дисциплинами, так как в создании каждого биологического препарата сливаются достижения таких наук, как органическая, неорганическая и фармацевтическая химия, биоорганическая и биологическая химия, фармакология, химическая технология, биотехнология и другие научные дисциплины. Сколь бы велики ни были достижения человеческой мысли во всех этих науках, впереди еще более потрясающие открытия. Вероятно, это наиболее интересная и плодотворная часть научной работы. И кто знает, что еще будет открыто живущими ныне и будущими поколениями. И какие новые дисциплины для этого создаст неугомонный человеческий ум… Сентябрь, 2009 И.В. Галкина 5 ЛЕКАРСТВЕННЫЕ ВЕЩЕСТВА Не создай лекарства хуже болезни! Гиппократ Л е к ц и я 1 ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ МЕДИЦИНЫ И АПТЕКАРСКОГО ДЕЛА. РАЗВИТИЕ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ВЕЩЕСТВ В древнегреческих мифах говорится, что Прометей открыл людям силу лекарств. Но как это случилось. Прометей – самый возвышенный и трагический образ в греческой мифологии, герой, добровольно пошедший на муки во имя людей (можно провести аналогию с Иисусом). Имя его означает «Мыслящий прежде» («Предвидящий»). Он был сыном вольнолюбивого титана Иапета и богини правосудия Фемиды. Когда началась война богов и титанов, Прометей, по совету своей бабушки Геи – богини земли, встал на сторону богов, и боги одержали победу во многом благодаря мудрости Прометея. На Олимпе воцарился Зевс-Громовержец, а Прометей стал его советником. Зевс поручил Прометею создать людей. Прометей замесил глину и принялся за работу. В помощники он взял своего брата Эпиметея (его имя значит «Мыслящий после»), который извел всю глину на животных, забыв о человеке. Прометею пришлось создавать человечество, отщипывая по кусочку от разных животных. Мечта Прометея сделать людей существами совершенными не удалась, поэтому люди получились с ослиным упрямством, лисьей хитростью, заячьей трусостью … и не оказывали должного поклонения и уважения богам, и погрязли в грехе. Тогда разгневанный Зевс наслал на людей множество болезней, вложив их в ларец хитрой и лживой Пандоры, жены Эпиметея. От этих бед смертные не знали избавления. (Здесь уместно вспомнить о словах Всевышнего: «в поте лица твоего будешь есть хлеб, доколе не возвратишься в землю, из которой ты взят, ибо прах ты, и в прах возвратишься» (Бытие, 3:19)). Прометей, чувствуя свою вину, наперекор Зевсу дал людям огонь из очага богов, научил их обрабатывать землю, выращивать хлеб, строить дома, читать и писать, а главное лечить болезни. Таким образом, болезни существовали во все эпохи. У первобытного человека было много всяких болезней, но чаще всего поражались руки и ноги. Свидетельством тому являются археологические находки в пещере Ла Шапель-о-Сен во Франции. Кости каждого четвертого найденного скелета неандертальцев, живших примерно 200 тысяч лет назад, сохранили следы артрита (воспаление и деформация суставов), часто осложненной формы. Ярко выраженной патологией костной ткани отличалась левая бедренная кость питекантропа, обитавшего на территории современного острова Ява около 700 тысяч лет назад. Тяжелые последствия артрита выявлены на костях бронтозавров, населявших планету задолго до появления двуногой человекообезьяны – австралопитека. Палеопатологи отметили также наличие у первобытного человека сердечно- сосудистых заболеваний. Атеросклеротические бляшки обнаружены у мумий жителей Северной Америки, захороненных на территории штата Кентукки в США. Древние люди умирали от опухолей, туберкулеза, а также страдали кариесом. По ископаемым останкам ученые смогли довольно точно установить продолжительность жизни в каменном веке, она не превышала 30 лет. Борьба с болезнями ведется человеком с давних пор. Мы часто говорим, что добыча огня выделила человека из ряда других обитателей Земли. Все они, за 6 исключением человека, существуют только в настоящем. Никто из них не в состоянии предвидеть неизбежность своей смерти. Смертным является лишь человек в том смысле, что только он это понимает. Поэтому «открытие» смерти стало знаменательным событием и, несомненно, явилось огромной движущей силой для эволюционного развития человека. Прогресс в борьбе за существование шел медленно, и он мог ускориться лишь вместе с техническими успехами в различных областях - в том числе и химии. Существуют примеры традиционных лекарственных средств растительного происхождения, которые были известны за много тысячелетий до того, как они вошли в современную медицину. Трава Ма-Хуан описана в травнике императора Шень-Нуня (приблизительно 3000 лет до н.э.), однако прошло почти 5000 лет, прежде чем действующее вещество этого растения (эфедрин) было экстрагировано Нагаи (1887). О разнообразии медицинских знаний в древности свидетельствует «папирус Эберса», написанный в Древнем Египте за 1500 лет до нашей эры. Он представляет собой по сути медицинскую энциклопедию, которая содержит описание 877 болезней и их симптомов. Еще в 8 веке до нашей эры индийские хирурги владели техникой кесарева сечения, ампутации, извлечения почечных и желчных камней. Во взаимодействии с древнеиндийской медициной возникла древнетибетская, широко распространившаяся в странах буддийской культуры, накапливался уникальный опыт использования биологически активных веществ. Этот опыт изучается современной фармакологией. Первые лекарственные средства люди получали из природной аптеки: из растений (листьев, коры, плодов, корней, стеблей), животных и минералов. В течение тысячелетий в Индии и Китае с успехом применяют народные лечебные средства, приготовляемые из природных источников. Уже в древних текстах насчитывают более трех тысяч лекарственных растений, употребляемых с 2800 г до новой эры. В Индии насчитывают 7500 лекарственных растений, которые применяются в народной медицине, и в частности – алкалоид резерпин, ежегодный объем продажи которого в США достигает ныне более четверти миллиарда долларов. Еще в старину в России составлялись «вертограды» - рукописные травники с описанием способов приготовления лекарств из растений. В медицине многих стран лекарства готовили из пчелиного прополиса, горного мумие, бобровой струи, ядов змей и скорпионов, мышиного помета, пантов пятнистого оленя и т.д. Первые заведения, напоминавшие современные аптеки, появились в Арабском халифате (восточные земли от Ирана до Египта, в том числе и юго-запад Северной Африки) в 661-750 годы, когда после смерти пророка Мухаммеда власть перешла к халифам. Развитие науки в Арабском халифате проходило под сильным влиянием исламской идеологии. Мусульмане разделяли знания на две сферы: традиционные «арабские» и всеобщие «иноземные». К первым относились преимущественно гуманитарные дисциплины и их постижение предусматривало изучение в полном объеме Корана. «Иноземные» науки считались вторичными и изучались по мере необходимости. Знания истории были необходимы, чтобы понять жизнь Мухаммеда, математика помогала составлять точный календарь, со знанием географии легче было очертить контуры подвластных земель. Одобренная Аллахом медицина почиталась как полезная наука, в задачу которой входил и поиск лечебных средств, уже созданных Всевышним. Согласно исламу Аллах вначале создал лекарства, а только затем разрешил болеть. К началу 10 века в Арабском халифате сформировалась определенная система обучения. Среднее и высшее образование мусульмане получали в медресе, где программа допускала изучение Откровения и познание окружающего мира. 7 Таким образом, медицина и аптекарское дело начинались с религиозных догм, но постепенно перешли к светской философии и практическому врачеванию. Родиной аптечного дела считается Багдад. Первое заведение, осуществившее изготовление и отпуск лекарств, было открыто в 754 году при центральной багдадской больнице. Следом начали действовать аптеки в испанских городах Толедо и Кордова, к 11- му столетию распространившись по всей Европе. Так, в Германии об аптеках упоминается в 13 веке. Свое название аптека берет из глубины веков – со времен Древней Греции и поклонения богу Асклепию, в чьих святилищах происходило лечение больных, а при каждом храме был склад для хранения лекарств – Apotheke. Средневековые фармацевтические лавки размещались в одной комнате, где аптекарь готовил немудреные снадобья, принимал посетителей и даже выращивал небольшие растения. Развитие аптекарского дела повлекло за собой расширение знаний о приготовлении лекарств. В 14 – 15 веках фармацевты занимали целые здания с множеством просторных помещений. Первоначально это были медицинские, торговые и культурные очаги города одновременно. В самой большой комнате находилась лавка, где хозяин-аптекарь принимал посетителей, выписывал рецепты, предварительно проведя беседу о болезни. В его заведении, под его руководством постигали азы фармации, фитохимии и врачебной химии подростки – аптечные помощники, в этом же заведении продавались напитки, пряности. Задние помещения дома приспосабливались под кладовые; здесь хранилось сырье и стояло оборудование для помола. Микстуры и порошки изготавливались в лаборатории, непременным атрибутом которой были печь и дистилляционный аппарат. В то время аптекарь был видным человеком в городе; немало юношей стремились попасть в аптеку для обучения. Но аптеки исчислялись единицами. Они открывались только с разрешения городского магистрата, право владения аптекой ревниво охранялось и передавалось в семье из поколения в поколение. Так, например, в Таллине знаменитая аптека – Раэаптек – оставалась во владении 10 поколений семьи Бурхардов (с 1583 по 1853 г.). Помимо трав, европейские аптекари применяли продукты животного происхождения и минералы. Особо популярным препаратом считался териак, признававшийся панацеей вплоть до 20 века. Рецепт включал в себя 70 компонентов и настаивался в течение полугода. Начиная с 16 века, медики пользовались признанными фармакопеями, называя так официально утвержденный сборник с требованиями к качеству лекарственных препаратов. Первая фармакопея на латинском языке была опубликована в 1498 году во Флоренции. Российские врачи пользовались европейской фармакопеей с 1778 года, и только в 1886 году сборник перевели на русский язык. Последнее, 11-е по счету, издание вышло в 1987 году. Становление аптекарского дела во многом обязано развитию медицинского направления в алхимии. Возникновение «лечебной» химии (ятрохимии) как науки относится к началу 16 столетия. Наибольший вклад в эту науку внес известнейший швейцарский врач Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм, известный миру под именем Парацельс (1493 – 1541). «Не добыванию золота, а защите здоровья должна служить химия» - провозгласил Парацельс. Основное в учении Парацельса – объяснение жизненных процессов с точки зрения химических превращений. По его мнению, живой организм представляет собой сочетание определенных веществ; нарушение этого равновесия в организме следует пополнять недостающими химическими средствами. С целью лекарственного использования изучались соединения различных металлов: ртути, свинца, железа, меди, мышьяка и сурьмы. 8 Алхимики тщетно искали эликсир жизни, но их опыты легли в основу химии 9 В то время именно аптеки испытывали лечебное действие химических препаратов и растительных лекарственных средств. Для этой цели Парацельс ввел ряд усовершенствований в аппаратуру и приборы для анализа. Таким образом, аптеки в период ятрохимии носили характер научно-исследовательских лабораторий, что и привело к возникновению химического анализа. Период ятрохимии можно считать началом зарождения фармацевтической химии, которая вскоре стала оказывать влияние на другие области химии. Не менее значительны в этой области и заслуги известного польского астронома Николая Коперника (1473-1543). Смелый преобразователь средневековой науки не только заложил основы современных представлений о строении Вселенной, но и всю жизнь служил медицине. В России в середине 16 века согласно царскому списку приглашались аптекари – химики из Европы. В 1567 году в Москву были приглашены англичанин доктор Рейнольд и аптекарь Томас Кавер, считавшиеся первыми профессиональными медиками на Руси. Но самым ранним фармацевтом можно считать некоего Маимаса, или просто «литвиянина Матюшко-аптекаря», упомянутого в Никоновской летописи за 1554 год. Тогда в Первопрестольной уже работали небольшие домашние лавочки, где изготавливались и отпускались лекарства. Вероятно, они пользовались очень большой популярностью, если в 1581 году по указу Ивана IV (Грозного) на территории Московского Кремля была открыта первая российская аптека. Учредителем этой аптеки был английский аптекарь и искусный химик Джеймс Френхем, присланный английской королевой Елизаветой царю Ивану Грозному. |