Асимметрия молекул и жизнь

асимметрия — Я взглянул в сетку и, сунув в нее руку, с чисто конхиологическим, попросту говоря, с самым пронзительным криком, какой когда-либо вырывался из человече­ского горла, вынул оттуда раковину.

Что случилось с господином профессором? — спросил с удивлением Консель. — Не укусил ли кто господина профессора?

 — Не беспокойся, друг мой! Но я охотно бы поплатился пальцем за такую на­ходку.

 — Находку?

 — Вот за эту раковину, — сказал я, показывая ему предмет своего восторга.

Да это же простая пурпурная олива, рода олив, отряда гребенчато-жаберных, класса брюхоногих, типа моллюсков….

 — Верно, Консель! Но у раковины завиток идет не справа налево, как обычно, а слева направо!

Жюль Верн (из его романа «20 000 лье под водой» заимствован этот отрывок) глу­боко понимал научные проблемы своей эпохи — в отличие от некоторых современ­ных научных фантастов. Асимметрия живых организмов, определяемая в конечном счете асимметрией молекул, из которых они построены, и сегодня выдвигает мно­жество важных и нерешенных вопросов. В то же время с асимметрией связаны пре­красные возможности для исследования строения молекул.

Двухатомные и трехатомные молеку­лы симметричны, в том смысле, что через три и тем более две их точки можно провести плоскость. Поэтому, например, моле­кула Н — О — С!, имеющая форму треуголь­ника, совпадает со своим зеркальным отражением в этой плоскости (рис. 1). Но молекулы, содержащие четыре и больше атомов, могут быть и асимметричными. Мо­лекула СНСlВr2 симметрична, потому что плоскость, проходящая через атомы С, Н, Сl, делит ее на две одинаковых половин­ки — правая и левая сторона молекулы не­различимы (рис. 2). А вот молекула С*НСlВrJ уже асимметрична — такую плос­кость через нее провести невозможно. Как это принято в курсах химии, мы отметили атом углерода в таком соединении звездочкой. Это — асимметрический атом углерода, четыре валентности которого связаны с че­тырьмя разными атомами или группами атомов.

зеркальное отражение симметричная молекулаНаша асимметричная молекула С*НСlВrJ (хлорбромйодметан) может существовать в двух формах — правой и левой (рис. 3). Они относятся друг к другу, как правая и левая рука. И сколько ни верти их в про­странстве, они друг с другом не совпадут.

Я на правую руку надела

Перчатку с левой руки…

                (Анна Ахматова)

хлорбромйодметанТакое возможно только в минуту силь­ного душевного смятения, описываемого поэтессой. И все равно перчатка не подой­дет!

Рисовать молекулы просто. А как узнать в действительности, что вещество состоит из правых или левых молекул? Или из сме­си тех и других? И как такую смесь раз­делить?

Почти все химические и физические свойства правых и левых молекул одного и того же вещества — так называемых зер­кальных антиподов — тождественны. В са­мом деле, они содержат те же самые атомы, те же самые связи. Температуры плавления и кипения зеркальных антиподов одинаковы. Одинаковы их спектры, их хи­мические реакции и т. д. и т. п. Но все-таки — «почти». Антиподы, по-разному взаи­модействуют с любыми асимметричными факторами, в частности с асимметрично по­ляризованным светом.

Можно получить световой луч, поляри­зованный вправо, и луч, поляризован­ный влево. В таком луче вектор, изоб­ражающий электрическое поле световой волны, будет вращаться по часовой стрел­ке или против нее. И если на пути луча окажутся молекулы, то свет будет с ними взаимодействовать. Правые, к при­меру, молекулы будут иначе взаимодей­ствовать с правополяризованным светом, чем с левополяризованным (рис. 4). Ока­зывается, что это очень легко наблюдать.

поляризованный лучПусть свет поляризован линейно. Полу­чить такой луч гораздо легче, чем поляри­зованный по кругу. Поляризовать свет можно его отражением под определенным углом, пропусканием через поляроидную пленку или специальную призму, сделан­ную из исландского шпата или кварца, и другими способами. Линейно-поляризо­ванный луч представляет собой результат взаимного наложения двух лучей, поляри­зованных по кругу вправо и в влево. Если два световых вектора крутятся вправо и влево с одинаковыми скоростями, то сум­марный вектор будет колебаться вдоль биссектрисы угла между этими двумя век­торами — вдоль одной прямой, как пока­зано на рис. 5. Значит, в линейно-поляризо­ванном свете есть и правая и левая волна.

линейно-поляризованный светЕсли такой луч пропустить через среду, состоящую из правых молекул, то благо­даря различию во взаимодействии света с веществом правый луч будет распростра­няться в среде, скажем, медленнее, чем ле­вый. В результате направление суммарного вектора линейно-поляризованного луча по­вернется (рис. 6). Значит, асимметричные молекулы обладают способностью вращать плоскость поляризации света — они опти­чески активны. Чем больше оптически ак­тивных молекул встретится на пути луча, тем больше будет поворот плоскости поля­ризации. Можно, следовательно, опреде­лять (и с большой точностью) концентра­цию асимметричного вещества по его оптической активности. Так поступают, на­пример, в лабораториях на сахарных заво­дах, потому что молекулы сахарозы асим­метричны (рис. 7) и вращают плоскость поляризации света вправо.

плоскость поляризацииасимметричные молекулы сахарозыИтак, оптически активные асимметрич­ные молекулы можно обнаружить без труда. А как их получить?

Если химик синтезирует в колбе ве­щество, состоящее из асимметричных мо­лекул, без вмешательства какого-либо спе­циального асимметричного фактора, то всегда получится смесь равных количеств правых и левых молекул — рацемиче­ская смесь. Это обусловлено вторым началом термодинамики: в отсутствие асим­метричного воздействия возникновение правых и левых молекул равновероятно; рацемической смеси отвечает состояние наибольшего беспорядка, наибольшая эн­тропия — мера этого беспорядка. Рацеми­ческая смесь образуется по той же причине, по которой различные газы или жидкости смешиваются друг с другом или теплота переходит от более нагретого тела к менее нагретому, а не наоборот. Рацемическая смесь, конечно, не вращает плоскость поля­ризации света.

Для того чтобы разделить такую смесь, нужно воздействовать на нее каким-нибудь асимметричным веществом. Обозначим ра­цемическую смесь правых и левых молекул (п, л), и пусть они реагируют с чистым ан­типодом П:

(п, л) + П — п П + л П.

Соединения пП и лП уже не будут зер­кальными отражениями друг друга. Такими отражениями были бы

пП Лл и лП Л п.

Следовательно, молекулы п П и л П име­ют различное строение и их можно разде­лить перекристаллизацией или другими способами. Так и поступают химики.

Но откуда взять чистый антипод П для написанной нами реакции? Вот здесь-то и начинается самое интересное.

Чистые антиподы, определенные опти­ческие изомеры, создаются живыми орга­низмами — растительными и животными. Или, точнее, организмы состоят из опреде­ленных оптических изомеров, из асиммет­ричных веществ.

Важнейшие для жизни молекулы — бел­ки. Слова Энгельса «жизнь есть способ су­ществования белковых тел…», сказанные более восьмидесяти лет назад, и сегодня сохранили свое значение. Белки представ­ляют собой полимеры — большие цепные молекулы, построенные из звеньев два­дцати типов. Это 20 аминокислотных ради­калов; некоторые из аминокислот изобра­жены на рис. 8. Все аминокислоты, кроме простейшей из них — глицина N+H3CH2COO-, асимметричны. Замечательное свойство природных аминокислот состоит в том, что во всех организмах, начиная с вируса и кон­чая человеком, они представлены совер­шенно определенными антиподами. Это так называемые L-аминокислоты. Латинская буква «эль» не означает, что они вращают плоскость поляризации влево, это просто символ определенного расположения ато­мов в пространстве, определенной конфи­гурации, показанной на рис. 9.

аминокислотыконфигурация атомовЧистые антиподы характерны не только для белков, но и для всех других биологически-функциональных молекул — для нуклеиновых кислот, углеводов, липидов и так далее. Сахароза, упомянутая выше, также природное соединение — углевод растительного происхождения. А для разделения рацемических смесей на практике обычно применяют алкалоиды — сложные вещества щелочного характера, образующиеся в растениях. К ним относятся хинин, кофеин, стрихнин.

Вдумаемся в сказанное. Получается, что в колбе в силу второго начала термодина­мики синтезируется рацемическая смесь. А в живом организме образуются чистые антиподы. Значит ли это, что живые орга­низмы не подчиняются основным законам физики, физической химии?

Сторонники витализма, исходящие из существования некоей непостижимой «жиз­ненной силы», отвечают на этот вопрос положительно. В самом деле, второе начало гласит, что любая совокупность молекул самопроизвольно переходит в состояние наибольшего беспорядка, так, чтобы энтро­пия была максимальной. Но каждый орга­низм представляет собою систему высокоупорядоченную, апериодический кристалл, по выражению одного из создателей кван­товой механики — Эрвина Шредингера.

Так что же, витализм прав? Нет, напротив. Мы допустили в наших рассуждениях неточность. Второе начало, так же как и первое (закон сохранения и превращения энергии), справедливо не для любой системы, а только для системы изо­лированной, не обменивающейся с окружающей средой ни веществом, ни энергией. В такой системе энергия не по­стоянна, а энтропия — мера беспорядка — максимальна. Но живой организм — от­крытая система! Необходимое условие его существования — обмен веществом и энергией с окружающей средой. Значит упорядоченность организма не противо­речит термодинамике. И важная черта этой упорядоченности — пространственная асим­метрия природных соединений, приводящая и к асимметрии организма как целого.

Мы видим, что вопрос об асимметрии молекул оказывается связанным с основ­ными проблемами биологии. Пойдем даль­ше. Откуда все-таки взялись асимметрич­ные молекулы в организмах? И какой в них прок?

У нас еще нет убедительного ответа на первый из этих вопросов. Он будет получен, когда наука решит проблему происхожде­ния жизни. Общее признание завоевала развитая академиком А. И. Опариным тео­рия происхождения жизни из неорганиче­ских веществ. Теперь все ученые уверены в ее справедливости. Но никому еще не уда­лось (пока!) получить живой организм ис­кусственно.

Можно думать, что первоначальные жи­вые организмы возникали неравномерно и первичная жизнь зародилась в месте слу­чайного скопления определенных оптиче­ских изомеров. Несколько позднее в каком- то другом месте возникла и «зеркальная» жизнь. Но первые зародыши жизни успели за это время продвинуться дальше по пути биохимической эволюции и истребили своих антиподов.

Дает ли преимущества организму его асимметрия? Если бы их не было, асиммет­рия не закреплялась бы эволюцией. Оче­видно, что асимметричным молекулам свойственна большая специфичность хими­ческих реакций. Вещество, обозначенное нами выше как П, по-разному реагирует с молекулами п и л. И организм, построен­ный из чистых оптических изомеров, смо­жет приспособляться к окружающей среде с большей избирательностью, чем постро­енный из рацемических смесей.

Мы нуждаемся для жизни в L-амино- кислотах, получаемых из растительных и животных белков, расщепляющихся при пи­щеварении. D-аминокислоты организмом не усваиваются. Биологические катализато­ры — ферменты (это и есть важнейшие белки), будучи построены асимметрично, действуют только на один оптический анти­под, не трогая другого. Мы бы умерли с голоду, попав в условия «зеркальной» жизни.

В прелестной сказочной повести Льюиса Кэррола «Алиса в зазеркальи», героиня, пройдя сквозь зеркало, попадает в «отра­женный» мир. В нем происходит немало чу­дес. Но Кэррол, будучи математиком, види­мо, не был знаком с физико-химией асимметричных веществ и не использовал соответствующих возможностей для своей фантастики. Эта тема еще ждет своего во­площения.

Асимметрия белков и аминокислот хи­мически продиктована асимметрией угле­водов. Гены — вещество наследственно­сти— представляют собой молекулы дезок­сирибонуклеиновой кислоты. Молекула ДНК — матрица, в которой закодирован «белковый текст». Почему же этот текст строится из чистых антиподов, из L-амино- кислот? Потому что сама молекула ДНК асимметрична. На рис. 10 изображено строение одной цепи такой молекулы. Асимметричны входящие в цепь группы дезоксирибозы — углеводные группы. Зна­чит именно в углеводах заложена асиммет­рия белков и остальных природных соеди­нений.

строение цепи днкСуществует ли асимметрия в неживой природе? Несомненно. В любом месторож­дении кристаллического кварца встречают­ся (примерно в равном количестве) правые и левые кристаллы, вращающие плоскости поляризации в разные стороны (рис. 11). Человек в состоянии отобрать правые кри­сталлы от левых (это существенно для оп­тического приборостроения), так как он сам асимметричен и поэтому знает разницу между правым и левым. Именно так посту­пил в 1848 г. Луи Пастер, впервые выделив­ший чистые антиподы. Имея дело с ра­цемической смесью кристаллов винной кислоты, Пастер отделял правые кристаллы от левых — их внешняя огранка различается, как и у кварца; различается и структура их молекул (рис. 12).

асимметрия кристалловразличия структур кристалловПастер выступил здесь в роли асиммет­ричного фактора, который мы обозначили выше буквой П. Закручивание раковины моллюска в определенную сторону, о кото­ром говорил Жюль Верн, — это выражение все той же асимметрии, присущей живым организмам.

Итак, природные соединения вращают плоскость поляризации света, они опти­чески активны. Биохимики и биофизики бла­годарны за это природе. Дело в том, что оптическая активность — свойство моле­кул, необычайно чувствительное к любым изменениям их строения или межмолекулярного взаимодействия. Изучая оптиче­скую активность при разных длинах волн падающего света, мoжно получить инфор­мацию о строении белков, нуклеиновых кис­лот, углеводов и других соединений.

Полимерные цепи гибки. О гибкости макромолекул нужно писать специально — эта их замечательная способность опреде­ляет свойства каучуков и пластмасс. Ограни­чимся здесь упоминанием о том, что гибкие полимерные цепи способны изменять свою форму при различных воздействиях. Когда молекула белкового катализатора — фер­мента взаимодействует с катализируемыми ею веществами, она меняет свою форму (конформацию, как сейчас принято гово­рить). Оптическая активность асимметрич­ной цепи при этом также изменяется. Сле­довательно, имеется возможность иссле­довать конформационные превращения белков и других природных соединений, изучая их оптическую активность. Работы в этом направлении широко развернулись в последние годы и у нас, и за рубежом. Они обещают многое — раскрытие строения биологических полимеров, раскрытие при­роды важнейших биохимических процессов.

При этом наука встречается с весьма сложными теоретическими проблемами. Еще не создана строгая теория, позволяю­щая точно рассчитывать оптическую актив­ность молекулы известного строения и, наоборот, однозначно определять строение молекулы по ее вращающей способности. Однако имеются приближенные методы расчета, с помощью которых удается по­лучать очень ценные сведения. Дальнейшее развитие теории оптической активности — важная задача.

Изучение строения и свойств природных соединений преследует в сущности две цели. Во-первых — познание биологических процессов на молекулярном уровне. Во- вторых— моделирование и воспроизведе­ние этих процессов. Химия учится у живой природы. Мечта химиков — создание синте­тических полимерных катализаторов, по­добных ферментам. Ведь ферменты рабо­тают гораздо более эффективно, чем любые катализаторы, применяемые сегодня в химической технологии. Очень важно по­этому синтезировать асимметричные поли­мерные молекулы, моделирующие белки. Это существенно и в другом отношении. Введение в полимер оптически активных групп дает «метку», которая позволяет изу­чать основные конформационные свойства макромолекул по их оптической активности. Работы в этом направлении также начаты в последние годы.

Старая проблема асимметрии приобрела в наши дни новое богатое содержание. Физическая химия, биохимия, молекуляр­ная биология, физика и химия полимеров — все эти ветви современного естествознания так или иначе соприкасаются с вопросами асимметрии молекул.

Доктор физико-математических наук М. В. ВОЛЬКЕНШТЕЙН

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>