Валерий Чолаков
Нобеловите награди (43) (Учени и открития (1901–1982))

Природни вещества

Изучаването на веществата, срещащи се в живите организми, породи в началото на 19 век органичната химия. Постепенно обаче тази наука се превърна в изследване на многобройните съединения на въглерода. Приблизително по същото време възникна и биохимията, която насочи вниманието си предимно към сложните макромолекули, които рязко се различават по строеж и свойства от простите вещества, с които си има работа обикновената химия. Между тези две науки остана една област, с която се занимава т.нар. биоорганична химия. Тя изследва природните съединения — сравнително нискомолекулярни физиологично активни вещества, които се синтезират и срещат в живите организми. В тази насока са работили редица известни учени и техните трудове значително са обогатили науката.

В края на миналия век химиците навлязоха в обширната група на алицикличните съединения — органични молекули с пръстеновиден строеж. Един от пионерите в тази област е немският химик Ото Валах, който постигна големи успехи в изследването на терпените — интересни представители на тази група.

Тези вещества се срещат в голям брой растения и влизат в състава на етеричните масла, широко използвани още от древността. С появата на модерната химия бяха изолирани голям брой такива съединения. Преди Валах да се заеме с този въпрос в 1884 г., бяха описани над сто различни терпени. Шест години по-късно останаха само осем, като към тях впоследствие се добавиха още няколко новооткрити. Валах установи, че голяма част от тези описани вещества са химически идентични. Работейки върху изолирането им, той откри редица техни химични свойства, както и способи за превръщане на едни терпени в други. Тъй като всеки вид се отличава със своя аромат, това се оказа от огромно значение за парфюмерийната индустрия.

Плодотворната дейност на Ото Валах създаде цял един раздел на химията и това му донесе Нобеловата награда по химия за 1910 г.

В изследването и класификацията на т.нар. „висши“ терпени големи заслуги има проф. Леополд Степан Ружичка от Федералния технически институт в Цюрих. Неговите изследвания също привлякоха вниманието на производителите на парфюми. Фирмата Хартман и Раймер, най-старата в света, през 1916 г. използва резултатите от хабилитационния му труд. Година по-късно фирмата Циба от Базел се заинтересува от синтезираното от Ружичка хининоподобно вещество. Главните открития обаче бяха свързани с изследванията върху мускуса и цибетина, вещества с остър мирис, отделяни от някои животни, особено от самците.

В 1926 г. Ружичка изолира от тях съединенията мускон и цибетон. Първото представлява пръстен от 15 въглеродни атома, а второто от 17. Дотогава никой не предполагаше, че е възможно съединения с такива големи пръстени да бъдат стабилни. Ружичка отиде и по-нататък, като синтезира още по-големи въглеродни пръстени, достигайки до 34 атома. Интересно бе, че с увеличаването на пръстена се променяше и ароматът. При 5–8 атома се усеща мирис на бадеми, кимион и мента. При 10 до 12 — на камфор, а при 14–18 — на мускус. Последното вещество се среща при доста представители на животинския свят, където играе сигнална роля в периодите на размножение. Нищо чудно, че неговата интимна функция отдавна интересува парфюмерийната промишленост. Откритията на проф. Ружичка особено зарадваха производителите.

Леополд Ружичка стана лауреат на Нобелова награда по химия през 1939 г. за своите работи върху висшите терпени и полиметилените, както още се наричат цикличните въглеродни съединения. Заедно с него бе награден и Адолф Бутенант за изследвания върху половите хормони, област, която е във връзка с работата на Ружичка. Поради военните условия никой от тях не можа да отиде в Стокхолм. Шведският посланик в Берн предаде на проф. Ружичка медала и грамотата. Едва 6 години по-късно, в 1945 г., той можа да посети Стокхолм, за да изнесе своята Нобелова лекция.

Има една голяма група вещества от растителен и животински произход, чиято структура включва известното циклопентаноперхидрофенантреново ядро. Това са стероидите. Тази структура се е оказала извънредно удачна за физиологията, защото се среща в най-разнообразни биологично активни вещества — витамини, жлъчни киселини, полови хормони, растителни отрови, алкалоиди и много други. Тяхното пълно изреждане би отнело твърде много място. В този обширен дял на биоорганичната химия са работили голям брой учени. Мнозина станаха Нобелови лауреати.

През 1927 г. Нобеловият комитет по химия реши да не връчва наградата. Според устава на фондацията нейното даване може да се забави с една година. Това бе използвано, за да бъдат наградени през 1928 г. двама учени с пионерски приноси в изследванията на стероидите — Хайнрих Виланд за изследвания върху строежа на жлъчните киселини и свързаните с тях вещества и Адолф Виндаус за проучвания върху строежа на стеролите и тяхната връзка с витамините.

Жлъчните киселини са обект на изследване от началото на 19 в. Те са част от секрета на черния дроб, който се излива в храносмилателния тракт. До изследванията на Виланд почти нищо не се знаеше за структурата им и за връзката между различните киселини. Той се зае с изследването на този въпрос в 1912 г. и към 1932 г. вече бе разкрил техния въглероден скелет със стероиден характер.

Химици като Виланд търсят своите обекти за изследване на най-неочаквани места. Той се зае с пигментите в крилата на пеперудите и откри интересната група на птеридиновите съединения. Открития бяха направени и в кожата на жабите — силната отрова буфоталин, родствена на жлъчните киселини, бе превърната в ценно лекарство. Целият творчески път на Хайнрих Виланд е изпълнен с подобни открития и това го направи лауреат на Нобелова награда за 1927 г.

В началото на века Адолф Виндаус по препоръка на своя учител Килиани се зае с холестерола, за който почти нищо не се знаеше. Това съединение е от групата на стеролите, наричани още стерини, които са алкохоли. Коренът на името идва от гръцки и означава „твърд“. Изследванията показаха, че стеролите са структурно свързани с жлъчните киселини. И двете групи съединения имат в основата си фенантрен и циклопентан, които образуват ядро. Към това ядро се прикрепят различни странични групи и така се образува разнообразието на структурите.

Виндаус проведе изследвания и върху растителните глюкозиди, които са съставна част на голям брой лекарства, предимно сърдечни стимулатори. Той показа как ергостеролът — вещество, което се среща в дрождите, под действие на ултравиолетовите лъчи се превръща във витамин D. Това откритие, освен че беше важно за разкриването на структурата на витамина, имаше значение за неговото промишлено производство.

Изследванията на Виндаус в много отношения се преплитат с работата на Виланд. Това доведе до тяхното едновременно награждаване, като Адолф Виндаус стана Нобеловият лауреат по химия за 1928 г. за изследванията си върху стеролите и тяхната връзка с витамините.

Една изключително важна група природни съединения са въглехидратите. Под това име се обединяват различни захари и техните полимери. Названието възникна в 40-те години на 19 век, когато бе установен количественият състав на някои от тези съединения. Те се състоят от въглерод, водород и кислород в такова съотношение, че се създаваше впечатление за наличието на молекула вода на всеки атом въглерод. По-късно се разбра, че няма никаква вода, но името се запази.

В 1925 г. английският учен Уолтър Норман Хейуърт, професор в Бирмингамския университет, след дългогодишни изследвания показа, че монозахаридите — най-простите захари, имат пръстеновиден строеж. Като техни изходни структури могат да се разглеждат съединенията пиран и фуран. Пиранът е шестатомен пръстен, изграден от 5 атома въглерод и 1 атом кислород. В пръстена на фурана има 4 атома въглерод и 1 — кислород. Като се добавят към тези пръстеновидни структури хидроксилни групи и още въглеродни атоми, могат да се получат основните монозахариди.

В 1928 г. известният химик Алберт Сент-Гьорги, изследвайки екстракти от растения, изолира вещество, на което даде името хексуронова киселина. То бе доста подобно на въглехидратите и затова малко по-късно, при едно посещение в Бирмингамския университет, Сент-Гьорги предложи на Хейуърт да се заеме с него. Това бе витамин C. С помощта на рентгенова дифракция и други методи английският учен установи неговата структура и успя да го синтезира. Това съединение, жизнено важно за организмите, прилича на т.нар. захарни киселини.

Мощният метод на рентгеновата дифракция бе използван от Хейуърт и при други монозахариди, с което се потвърди предложената от него структура. Определянето на пръстеновидния строеж на монозахаридите даде възможност да се обясни тяхното свързване в дизахариди, каквито са обикновената захар, млечната захар и други съединения. По-нататък английският химик показа как монозахаридите се свързват в дълги вериги, образувайки биополимери като нишестето, гликогена, целулозата и др.

Изследванията на Уолтър Норман Хейуърт върху въглехидратите и витамин C имаха огромно значение за развитието на химията на тези съединения. Това го направи много известен в научните среди и накрая му донесе Нобеловата награда по химия за 1937 г., която той получи съвместно с Паул Карер, изследовател на витамините.

Има една група вещества, наричани днес алкалоиди. Много от тях са отровни или имат наркотично действие. Билките, които ги съдържат, са били известни още в предисторически времена. В началото на 19 век бяха изолирани в кристална форма първите съединения, които поради химичните си свойства бяха наричани алкалоиди — подобни на основите. Първите опити се правеха с опиум и в 1817 г. от него бе изолиран морфинът. След това дойде откриването на стрихнина, хинина, кофеина, кокаина и още много други. Досега са известни над 700 алкалоида, които в химическо отношение се разделят на няколко групи, в зависимост от своя строеж.

С тяхното изследване е свързано името на английския учен Робърт Робинсън. По-специално, той изучи по-сложно устроените алкалоиди като морфин и стрихнин. Те имат съответно 40 и 47 атома в молекулата си и бяха необходими много усилия, за да се определи тяхната структура. Робинсън реши този въпрос, като на различните етапи на работата трябваше да избира между десетки възможни структурни формули. След това той се зае и с редица други алкалоиди и накрая излезе със своя теория за техния биосинтез в растителните клетки.

Английският химик има изследвания и в други области. Работейки над структурата на половите хормони, той синтезира изкуствени вещества с подобно действие. Разглеждайки механизма на електрохимичните реакции между органични молекули, той даде принос в химичната теория. Разнообразната научна дейност на Робърт Робинсън, проведена предимно в Оксфорд, му донесе Нобеловата награда за 1947 г. Тя му бе дадена за изследвания върху растителни продукти с биологично значение, по-специално върху алкалоидите.

Преди няколко години двама изследователи станаха Нобелови лауреати за открития в областта на природните съединения. Това бяха Джон Корнфорт, сътрудник на Робинсън, и Владимир Прелог, сътрудник и приемник на Ружичка във Федералния технически институт в Цюрих.

Главните работи на Корнфорт са свързани с проблема за биосинтезата на холестерина. Това вещество играе важна роля в метаболизма и образуването на хормони в организмите. Сполучливо прилагайки метода на белязаните атоми, този учен показа как синтезата на едно сложно съединение се осъществява в организма от предшественици с по-проста структура. Изследванията бяха доста сложни, тъй като всеки етап от биосинтезата е серия от сложни реакции, свързани с изменението и модифицирането на молекулните структури. За тези и за други изследвания Джон Корнфорт стана член на Лондонското кралско дружество и получи голям брой награди и отличия. Поредният израз на признание бе награждаването му с Нобеловата награда по химия за 1975 г.

Другият лауреат бе Владимир Прелог — известен с майсторски изпълнени изследвания върху стереохимията на различни органични съединения. Заедно с други учени той разработи стереохимична номенклатура, която сега е приета в цял свят. Интересно негово постижение е синтезирането на въглеводорода адамантан, който по своята структура наподобява кристалната решетка на диаманта.

През 60-те години Владимир Прелог се насочи към метаболизма на микроорганизмите и съединенията, участвуващи в него. Той установя механизма на действие на някои антибиотици, които разстройват последователността на метаболитните реакции, блокирайки някои вещества. Прелог успя да изолира редица изключително сложни комплексни органични съединения, с чиято помощ микроорганизмите могат да извличат от околната среда елементи като калий, желязо, бор и други, необходими за протичането на жизнените процеси.

Обширната научна дейност на Владимир Прелог му спечели признанието на научната общественост. Той бе избран за чуждестранен член на АН на СССР, на Лондонското кралско дружество, Националната академия на науките на САЩ, Американската академия за наука и изкуство и много други научни дружества и академии.

През 1975 г. Владимир Прелог стана лауреат на Нобеловата награда по химия за своите изследвания върху физиологично активните нискомолекулни съединения. Заедно с него бе награден и Джон Корнфорт. Това бе поредното признание за химията на природните съединения, която е свързващо звено между химията и биологията и един от важните дялове на съвременното познание.