4.3.4 Достижения ядерной химии.

Химия играет важную роль в ис­следовании свойств радиоактивных веществ и в разработке ра­диоактивных методов анализа, применяемых в различных отрас­лях естествознания. Одна из первых Нобелевских премий в об­ласти ядерных процессов была присуждена химику Отто Гану в 1944 г. за открытие деления ядер. В 1951 г. Нобелевская премия за открытие двух первых в Периодической системе трансурановых элементов была присуждена химику Гленну Сиборгу и его коллеге - физику Эдвину Мак-Миллану. Многие современные достиже­ния науки о ядерных процессах получены при тесном взаимодей­ствии химиков, физиков и ученых многих других направлений.

С применением химических методов в течение всего лишь 15 лет синтезированы химические элементы с номерами от 104 до 109. Было найдено много новых изотопов элементов, располо­женных выше урана. Исследования изотопов позволили не только количественно описать многие ядерные процессы, но и определить свойства, от которых зависит устойчивость атомных ядер.

Одна из интересных задач ядерной химии — обнаружение супертяжелых элементов, т.е. элементов, входящих в предска­занный остров стабильности, включающий атомный номер.

В последние десятилетия методы ядерной химии нашли ши­рокое применение при исследовании грунта планет Солнечной системы и Луны. Например, для химического анализа грунта Луны применялся трансурановый элемент. Такой метод позво­лил определить около 90% элементов в трех различных местах лунной поверхности. Анализ изотопного состава образцов лун­ного грунта, метеоритов и других небесных тел помогает сфор­мировать представление об эволюции Вселенной.

Ядерная химия применяется и в медицине. Например, в США ежегодно назначается около 20 млн. процедур с примене­нием радиоактивных препаратов. Особенно широко распростра­нено лечение щитовидной железы радиоактивным йодом. Прак­тика показывает, что химические соединения радиоактивного технеция обладают терапевтическими свойствами. Позитронный метод, основанный на взаимодействии с исследуемым объектом позитронов, испускаемых короткоживущими изотопами углеро­да и фтора, а также применение стабильных изотопов в сочета­нии со спектроскопией ЯМР дают возможность исследования процессов обмена веществ в живых организмах и служат весьма эффективным средством ранней диагностики заболеваний.

4.3.5 Новая ядерная установка.

Одна из основных проблем атом­ной энергетики связана с нахождением таких условий протека­ния ядерных процессов, при которых можно было бы умень­шить количество ядерных отходов и продлить срок службы атомных реакторов. Учеными разных стран отрабатываются многочисленные способы, способствующие решению этой весь­ма важной проблемы. Среди разных направлений в её решении уже воплощается в металл новое направление в ядерной энерге­тике — так называемый электрояд, на который ученые возлагают большие надежды. В Институте теоретической и эксперимен­тальной физики Российской академии наук и в институтах других стран сооружается прообраз пока не известных практике ядерных установок, которые станут безотходными, экологически чистыми и более безопасными источниками энергии, чем многие из сущест­вующих. Действующая модель новой ядерной энергетической ус­тановки состоит из двух агрегатов — ускорителя элементарных час­тиц и бланкета — особого типа атомного реактора. Для техниче­ского воплощения этой новой идеи предполагается использовать старые атомные реакторы, выработавшие свой ресурс.

4.3.6 Химический синтез ДНК.

В полимерных молекулах ДНК природа кодирует информацию, необходимую для создания жи­вого организма. Цепочка из повторяющихся сложноэфирных фосфатных связей между сахарами образует жесткий скелет ДНК, на котором информация записывается с помощью осо­бого алфавита из четырех аминов аденина, тимина, цитозина и гуанина (А, Т, С, G). Последовательность таких циклических аминов кодирует информацию. Каждый из аминов содержит не­сколько атомов азота, ковалентно связанных с фрагментами сахаров. Двойная спираль ДНК включает водородные связи между аминами. Информацию, записанную в молекуле ДНК, можно прочитать, разрывая и вновь создавая относительно слабые во­дородные связи, совсем не затрагивая более прочные связи са­хар-фосфат в цепочке-матрице.

Первый химический синтез гена, осуществленный более 20 лет назад, потребовал многолетней напряженной работы. В промышленных лабораториях уже синтезированы гены инсули­на и интерферона. Произведен синтез гена для фермента рибонуклсозы, открывающей возможность изменять желаемым обра­зом физические и химические свойства белка. Однако самыми современными методами получаются фрагменты генов длиной в сотни пар оснований, а для дальнейших исследований нужны фрагменты в 100 и более раз длиннее.

4.3.7 Успехи генной инженерии.

В высших организмах, в том числе и в организме человека, доля нуклеотидов в цепи ДНК, которые действительно кодируют последовательность аминокислот в белках, составляет только около 5%. Установлено, что в осталь­ных нуклеотидных последовательностях ДНК закодирована ин­формация о форме молекул ДНК. Например, выгибание фуранозного цикла (пятичленного циклического моносахарида), ко­торый существует как в ДНК, так и в РНК, приводит к подвижности их скелета.

Современная молекулярная биология позволяет вводить поч­ти любой отрезок ДНК в микроорганизм, чтобы заставить его синтезировать тот белок, который кодирует данная ДНК. А со­временная органическая химия дает возможность синтезировать последовательности нуклеотидов — фрагменты генов. Такие фраг­менты генов можно применять для изменения исходной последо­вательности оснований в гене, кодирующем нужный белок. Таким способом можно получить модифицированный белок с изме­ненной последовательностью аминокислот, т.е. белок со струк­турой и функцией, ранее не существовавшими в природе.

Данный метод осуществления специфических мутаций в нормальных белках получил название мутагенеза. Он позволяет получить белки любой желаемой структуры. Кроме того, один раз синтезированная молекула гена, кодирующего белок, с по­мощью микроорганизмов может воспроизвести белок в сколь угодных количествах.

4.3.8 Клонирование.

Успехи, достигнутые в разных отраслях естест­венных наук, открыли новые возможности в понимании строения гномов человека и других сложных организмов. Ученые научи­лись соединять ДНК из разных организмов, определять и выделять сегменты ДНК, кодирующие нужный белок, определять нуклеотидные последовательности в больших фрагментах ДНК.

Найти единственно нужный сегмент ДНК, содержащийся всего в одном гене, среди огромного количества генетического материала клетки организма человека столь же трудно, как оты­скать иголку в стоге сена. Решение данной проблемы дает приме­нение рекомбинантных ДНК. Фрагменты ДНК клетки встраива­ются в миллион быстро делящихся бактерий. Каждая из бактерий, которые выращиваются отдельно, дает целую колонию своих по­томков. Применяя методы диагностики, чувствительные к опре­деленной функции гена, находят колонию бактерий, содержа­щую новый ген. Каждая из быстро растущих колоний бактерий дает миллиарды одинаковых копий каждого гена. Поэтому такой ген можно выделить из бактерий в химически чистом виде. С по­мощью такого процесса - клонирования — очищены сегменты ДНК более 100 различных генов человека. Ещё большее число ге­нов выделено из простейших организмов, таких, как дрожжи.