а) выделение в индивидуальном состоянии изучаемых соединений с помощью кристаллизации, перегонки, различных видов хроматографии, электрофореза, ультрафильтрации, ультрацентрифугирования, противоточного распределения и т.п.;
б) установление структуры, включая пространственное строение, на основе подходов органической и физической органической химии с применением масс-спектроскопии, различных видов оптической спектроскопии (ИК, УФ, лазерной и др.), рентгеноструктурного анализа, ядерного магнитного резонанса, электронного парамагнитного резонанса, дисперсии оптического вращения и кругового дихроизма, методов быстрой кинетики и др.;
в) химический синтез и химическая модификация изучаемых соединений, включая полный синтез, синтез аналогов и производных, с целью подтверждения структуры, выяснения связи строения и биологической функции, получения препаратов, ценных для практического использования;
г) биологическое тестирование полученных соединений.
Крупнейшими достижениями химии природных соединений явились расшифровка строения и синтез биологически важных алкалоидов, стероидов и витаминов, полный химический синтез некоторых пептидов, простагландинов, пенициллинов, витаминов, хлорофилла и др. соединений; установлены структуры множества белков, нуклеотидные последовательности множества генов и т.д. и т.п.
Появление науки биохимии обычно связывают с открытием явления ферментативного катализа и самих биологических катализаторов ферментов, первые из которых были идентифицированы и выделены в кристаллическом состоянии в 20х годах нашего столетия. Биохимия изучает химические процессы, происходящие непосредственно в живых организмах и использует химические методы в исследовании биологических процессов. Крупнейшими событиями в биохимии явились установление центральной роли АТФ в энергетическом обмене, выяснение химических механизмов фотосинтеза, дыхания и мышечного сокращения, открытие трансаминирования, установление механизма транспорта веществ через биологические мембраны и т.п.
Молекулярная биология возникла в начале 50х годов, когда Дж.Уотсон и Ф.Крик расшифровали структуру ДНК, что позволило начать изучение путей хранения и реализации наследственной информации. Крупнейшие достижения молекулярной биологии открытие генетического кода, механизма биосинтеза белков в рибосомах, основы функционирования переносчика кислорода гемоглобина.
Следующим шагом на этом пути явилось возникновение молекулярной генетики, которая изучает механизмы работы единиц наследственной информации генов, на молекулярном уровне. Одной из актуальнейших проблем молекулярной генетики является установление путей регуляции экспрессии генов перевод гена из активного состояния в неактивное и обратно; регуляция процессов транскрипции и трансляции. Практическим приложением молекулярной генетики явилась разработка методов генной инженерии и генотерапии, которые позволяют модифицировать наследственную информацию, хранящуюся в живой клетке, таким образом, что необходимые вещества будут синтезироваться внутри самой клетки, что позволяет получать биотехнологическим путем множество ценных соединений, а также нормализовать баланс веществ, нарушившийся во время болезни. Суть генной инженерии - рассечение молекулы ДНК на отдельные фрагменты, что достигается с помощью ферментов и химических реагентов, с последующим соединением; эта операция производится с целью вставки в эволюционно отлаженную цепь нуклеотидов нового фрагмента гена, отвечающего за синтез нужного нам вещества, вместе с так называемыми регуляторами участками ДНК, обеспечивающими активность "своего" гена. Уже сейчас с помощью генной инженерии получают многие лекарственные препараты, преимущественно белковой природы : инсулин, интерферон, соматотропин и др. Фармакология - это наука о лекарственных средствах, действии различных химических соединений на живые организмы, о способах введения лекарств в организмы и о взаимодействии лекарств между собой. Молекулярная фармакология изучает поведение молекул лекарственных веществ внутри клетки, транспорт этих молекул через мембраны и т.д. Человек начал применять лекарственные вещества очень давно, несколько тысяч лет назад. Древняя медицина практически полностью основывалась на лекарственных растениях, и этот подход сохранил свою привлекательность до наших дней. Множество современных лекарственных препаратов содержат вещества растительного происхождения или химически синтезированные соединения, идентичные тем, которые можно обнаружить в лекарственных растениях. Один из самых ранних из дошедших до нас трактат о лекарственных средствах был написан древнегреческим врачом Гиппократом в IV веке до нашей эры.
Зачатки химии лекарственных веществ появляются в период господства алхимии. Современная химиотерапия ведет свой отсчет с начала XX века от трудов П.Эрлиха по противомалярийным средствам и производным мышьяковой кислоты. В настоящее время синтезированы десятки и сотни тысяч лекарственных веществ, и их поиск продолжается. Но число активно применяемых лекарств, конечно, значительно меньше. Не все вещества, синтезированные в качестве потенциального нового лекарственного вещества, находят свое применение на практике. Многие широко использовавшиеся ранее лекарства вытесняются из сферы применения из-за того, что появляются более эффективные аналоги, которые воздействуют на причину болезни гораздо селективнее, имеют меньше противопоказаний и побочных эффектов. В 1995 году к применению в России было разрешено свыше 3 тысяч наименований лекарственных препаратов, содержащих около 2 тысяч разнообразных химических веществ синтетического происхождения. Одним из крупных успехов фармакологии второй половины нашего века явилось создание и внедрение в практику антибиотиков широкого спектра действия: сульфамидных препаратов, витаминов, средств, влияющих на деятельность центральной нервной системы транквилизаторов, нейролептиков, психотомиметиков и др. Многие из этих лекарств были открыты и впервые применены в России (фторофур, феназепам, циклодол, витаминные препараты и мн.др.)
В настоящее время в мире существует множество научных центров, ведущих разнообразные химико-биологические исследования. Странами-лидерами в этой области являются США, европейские страны: Англия, Франция, Германия, Швеция, Дания, Россия и др . Существует множество научных центров, расположенных в Москве и Подмосковье (Пущино, Обнинск, Черноголовка), Петербурге, Новосибирске, Красноярске, Владивостоке... Одни из ведущих центров являются Институт биоорганической химии им.М.А.Шемякина и Ю.А.Овчинникова, Институт молекулярной биологии им.В.А.Энгельгардта, Институт органического синтеза им. Н.Д.Зелинского, Институт физикохимической биологии МГУ им.Белозерского и др. В СанктПетербурге можно отметить Институт Цитологии РАН, химический и биологические ф-ты Гос. Университета, Институт экспериментальной медицины РАМН, Институт онкологии РАМН им. Петрова, Институт особо чистых биопрепаратов МЗиМП и т.п.
Основными проблемами, решаемыми в последние годы физико-химической биологией, являются синтез белков и нуклеиновых кислот, установление нуклеотидной последовательности генома многих организмов (в том числе определение полной нуклеотидной последовательности генома человека), направленный транспорт веществ через биологические мембраны; разработка новых лекарств, новых материалов для медицинского использования, например, для биопротезирования. Особое внимание уделяется разработке биотехнологий, которые часто бывают более экономически выгодны, эффективны, чем традиционные "технические", не говоря уже об их экологической чистоте. Ведутся активные работы по клонированию растений и животных, а также по получению отдельных органов вне организма. Особо примечателен недавний успех швейцарских ученых ( первые сообщения в печати появились в конце февраля 1997 г.), получивших путем клонирования сельскохозяйственное животное овцу, которая была выращена из клетки вымени матери-овцы; дочерняя генетическая копия была названа Долли . Это свидетельствует о том, что клонирование из сферы чисто научных экспериментов переходит в сферу практики. Необходимо упомянуть и о лечении заболеваний новым методом генотерапии изменением наследственности. Лечебный эффект достигается путем переноса "исправленного" гена либо с помощью ретровируса, либо внедрением липосом, содержащих генетические конструкции. Генотерапевтические методы только зарождаются, но именно с их помощью уже была вылечена маленькая девочка, больная муковисцидозом; особо перспективно применение генотерапии в лечении болезней, передающихся по наследству или возникающих под действием вирусов. Вероятно, с привлечением именно этих методов будут побеждены СПИД, рак, грипп и множество других, менее распространенных болезней.
Кроме того, постоянно исследуются механизмы превращений химических веществ в организмах и на основе полученных знаний ведется непрекращающийся поиск лекарственных веществ. Большое количество разнообразных лекарственных веществ в настоящее время получают либо биотехнологически (интерферон, инсулин, интерлейкин, рефнолин, соматоген, антибиотики, лекарственные вакцины и пр.), используя микроорганизмы (многие из которых являются продуктом генной инженерии), либо путем ставшего почти традиционным химического синтеза, либо с помощью физико-химических методов выделения из природного сырья (частей растений и животных).