Так было получено первое из целого ряда «чудо-лекарств», которые в течение одного поколения позволили человеку покончить с инфекционными заболеваниями, довлевшими над ним на протяжении всей истории.
Как выяснилось, сульфаниламид по структуре своей похож на вещество под названием «парааминобензойная кислота» (см. рис. 36), которое является важной составляющей всех клеток. Он конкурентно подавляет фермент бактерии, работающий с этим веществом, и, таким образом, убивает бактерию.
С тех пор было разработано много других антибиотиков (пенициллин, стрептомицин, и тому подобные), каждый из которых работает, очевидно, посредством того или иного конкурентного подавления, хотя какие именно ферменты подавляются в том или ином случае, биохимики пока сказать не могут.
«Замочный механизм», позволяющий ферменту отличать одно вещество от другого, выглядит особенно примечательно в свете «оптически активных соединений». Последний термин необходимо прояснить, чем я сейчас и займусь – а начну со света.
С давних пор было известно, что луч света, переходя из воздуха в другую прозрачную среду, например, воду – преломляется. Однако, в 1670 году датский физик Эразмус Бартолин обнаружил, что кристалл исландского шпата (разновидность карбоната кальция, СаСО2), преломляет луч света двумя разными способами одновременно, формируя таким образом два луча из одного. Это явление получило название «двойная рефракция».
Явление двойной рефракции не могла объяснить ни одна теория на протяжении более ста лет. Однако, в начале девятнадцатого века было установлено, что свет ведет себя так, как если бы он состоял из крошечных волн, и с такой точки зрения вопрос о двойной рефракции достаточно быстро оказался решенным.
В обычном луче света, например, исходящем от солнца или любого другого нагретого предмета, световые волны колеблются во всех возможных направлениях. Одни колеблются вверх-вниз, другие – влево-вправо, третьи – где-то между первыми и вторыми… Но упорядоченная атомная структура исландского шпата (напомню – теория атомного строения тоже утвердилась в начале девятнадцатого века), оставила световым волнам возможность колебаться только в двух направлениях, под прямым углом друг к другу.
Соответственно, при попадании в кристалл формируются два вида световых лучей – в одном из них волны колеблются только вверх-вниз (к примеру), а в другом – только влево-вправо. У этих двух лучей разные свойства, и они преломляются с разным углом, поэтому попадающий в кристалл луч разделяется надвое.
Луч света, волны которого колеблются только в одной плоскости, называется «поляризованным». Этот достаточно неудачный термин ввел французский инженер Этьен Луи Малю, открывший в 1810 году, что волна света, отраженного от стекла под определенным углом, тоже начинает колебаться только в одной плоскости.
Были разработаны способы определения того, в какой именно плоскости колеблется свет конкретного луча; автор лучшего из них, изобретенного в 1828 году – британский физик Уильям Николь. Он составил вместе две призмы исландского шпата, и склеил их канадским бальзамом таким образом, чтобы один из поляризованных лучей проходил насквозь, а второй – отражался обратно по линии соединения. Получался только один, поляризованный, луч (см. рис. 37).
Исходящий луч может пройти еще через одну «призму Николя», если она ориентирована точно параллельно первой. Если вторую призму Николя начать медленно вращать, то будет видно, что сквозь нее проходит все меньше и меньше поляризованного света, до тех пор, пока вторая призма Николя не окажется в положении прямого угла по отношению к первой – тогда свет не сможет проходить вообще. Устройство с двумя такими призмами называется «поляриметр». Сейчас вместо дорогих и громоздких призм Николя используются пластиковые листы, внутри которых находятся правильным образом ориентированные органические кристаллы. Их называют «поляризационными светофильтрами».
Если луч поляризованного света проходит по пути из одной призмы Николя в другую через воздух или воду, с плоскостью его колебания ничего не происходит. Сквозь вторую, параллельно ориентированную, призму свет проходит без каких-либо существенных изменений.
Однако, в 1815 году французский физик Жан-Батист Био обнаружил, что если поляризованный свет проходит сквозь кристалл кварца, то плоскость его колебаний при этом изменяется. После того, как поляриметр был доработан, стало ясно, что свет, пропущенный через кристалл кварца, становится заметно тусклее, проходя через вторую призму Николя - ее опять приходилось вращать до тех пор, пока она не оказывалась ориентированной параллельно новой плоскости колебаний световой волны, измененной под влиянием кварца. Угол этого изменения можно измерить с достаточной точностью по изменению угла ориентации второй призмы Николя, необходимого для того, чтобы свету вернулась прежняя яркость (см. рис. 38).
Кроме того, Био показал, что и при прохождении поляризованного света сквозь растворы некоторых органических веществ – например, скипидара или камфоры – плоскость его колебаний тоже может изменяться. Именно это свойство вещества и именуется «оптической активностью». Био утверждал, что причиной ее должна служить некая асимметрия в структуре оптически активных веществ, приводящая к искривлению луча света всегда в одном и том же направлении. По его мнению, в «симметричных» веществах плоскость колебаний света тоже искривляется, но одинаково во всех направлениях, так что внешне никаких изменений не заметно.
В 1848 году молодой французский химик Луи Пастер (тогда еще двадцатишестилетний, и только готовящийся сделать одну из самых блестящих карьер в научном мире), ошеломил ученую общественность тем, что доказал, что так оно и есть – по крайней мере, в отношении кристаллов (см. рис. 39). НА примере кристаллов виннокислого аммония он обнаружил, что кристалл выделяется в двух видах, оба из которых асимметричны и являются точным зеркальным отражением друг друга, так же, как руки и ноги человека.
Пастер очень осторожно, с помощью микропинцета и увеличительного стекла, разделил кристаллы на две кучки – левосторонние в одну, правосторонние в другую – и оказалось, что раствор каждой из этих кучек проявляет свойство оптической активности! Если же оба раствора смешать, то в получившейся смеси оптической активности не наблюдается.
Разделение равномерной смеси кристаллов обоих видов надвое по разделительному признаку – это увеличение упорядоченности, а значит – уменьшение энтропии. В нашем примере с игральными картами это равносильно тому, чтобы взять перетасованную колоду и рассортировать на две половины, красные отдельно, черные отдельно. Перед нами, кстати, замечательный пример того, как локальное уменьшение энтропии происходит за счет ее глобального увеличения. Пастеру приходилось напряженно вглядываться в увеличительное стекло и аккуратно брать кристаллики микропинцетом. Понятно, что увеличение его энтропии имело гораздо большее значение, чем произведенное им уменьшение энтропии среди кристаллов.
Так или иначе, Пастер сумел доказать наличие асимметрии только для кристаллов. А в растворах оптически активные вещества представлены в виде молекул. Так где же там может скрываться асимметрия? В самих молекулах, что ли?
Правильный ответ – да! Он был получен в 1874 году, когда двое молодых химиков, голландец Якоб Хендрик ван'т Хофф (двадцать два года) и француз Жозеф Ашил ле Бель (двадцать семь лет) независимо друг от друга выдвинули новую теорию атома углерода, с помощью которой удалось усовершенствовать систему записи формул Кекуле с учетом некоторых новых фактов.
При изображении структурных формул по методике Кекуле, четыре связи, которыми обладает углерод, принято рисовать торчащими во все четыре стороны – что естественно для двухмерного изображения. Однако, такой вид не отражает реальности, поскольку если бы все было так, то, например, метиленхлорида (СН2Сl2) существовало бы две разновидности, соответствующие двум формулам:
Н Н
| |
Н – С – Сl Сl – С – Сl
| |
Сl Н
где в одном случае атомы хлора находятся по соседству, а во втором – нет. Однако на практике до сих пор обнаружен пока только один метиленхлорид.
Теория ван'т Хоффа-Беля гласит, что четыре связи углерода направлены в двух перпендикулярных друг другу плоскостях (см. рис. 40). Изобразить это в двух изменениях сложно, проще всего представить себе равностороннюю пирамиду, вершина которой смотрит в небо. Направления четырех связей – из центра к углам пирамиды, соответственно, угол между всеми связями – один и тот же, около 109о. Атом углерода можно переворачивать как угодно, любой из связей вверх – общая картина от этого не изменится.
Каждая из этих связей находится на равном расстоянии от остальных, так что если метиленхлорид составлен именно таким образом, то совершенно не имеет значения, на каких именно связях закреплены два атома хлора. Все связи одинаковы. Вы можете сами проверить это на модели: воткните в пластилиновый или восковой шарик четыре палочки в виде описанного мной треножника. Пусть две палочки будут белыми (допустим, это связи с водородом), а две – зелеными (связи с хлором). Попробуйте поменять их между собой, и вы убедитесь, что аналогичного эффекта можно добиться и простым переворачиванием треножника. Соответственно, согласно теории ван'т Хоффа-Беля, метиленхлорид имеет только одно возможное представление – и это согласуется с практическими данными.
Однако, если к каждой из четырех связей углерода прикрепить по разной группе, результат будет уже другим. В этом вы тоже можете убедиться, поэкспериментировав с пластилиновым шариком и четырьмя палочками. Получится, что в таком случае существуют две возможные комбинации, каждая из которых является зеркальным отражением второй. Вы увидите, что сколько ни крути модель, перевести одно из них в другое не получится. По системе Кекуле эти зеркальные варианты можно отобразить, как показано на рис. 41, и перевести одну формулу в другую невозможно.
Вскоре было установлено, что в каждом случае, когда органическое вещество выказывало оптическую активность, в молекуле обнаруживалась асимметрия, обусловленная наличием как минимум одного «несимметричного углерода» (такого, к которому присоединяется четыре различных группы). При прохождении через вещества одной категории угол плоскости света смещался по часовой стрелке, другой – против часовой. Так при какой же куда?
Казалось, что ответить на этот вопрос невозможно, поэтому в 1891 году немецкий химик Эмиль Фишер вынес по этому поводу произвольное решение. Он выписал на бумаге два варианта строения вещества под названием глицеральдегид (который можно рассматривать, как крайне простую молекулу сахара), и пометил один из них, как D-глицеральдегид («правосторонний»), а второй – как L-глицеральдегид («левосторонний»). Все остальные оптически активные вещества теперь осталось рассмотреть по аналогии с этими двумя, и отнести либо к «левосторонней», либо к «правосторонней» группам. Совсем недавно оказалось, что Фишер действительно был прав. Распределенные им по группам вещества действительно имеют именно то строение, которое он указал.
Когда в лабораторных условиях создается какое-либо из веществ, имеющих асимметричную структуру, оба зеркальных варианта формируются в равных количествах, поскольку такова ситуация максимального беспорядка, а следовательно – максимальной энтропии. Для того, чтобы вещество одной категории получалось больше, чем другой, необходимо идти на специальные ухищрения, например, использовать в качестве сырья другое оптически активное вещество.
Такие вещества добываются из животных и растительных источников. На самом деле, все присутствующей в живой ткани вещества, имеющие в своем составе асимметричный атом углерода, представляют собой либо одну, либо вторую оптически активную форму. В этом отношении живая ткань являет собой поразительный пример механизма уменьшения энтропии – как и в отношении создания специфических белков. Естественно, все это делается за счет глобального ее увеличения.
Выяснилось, что все природные сахара – «правосторонние», а все природные аминокислоты (в том числе – приведенный для иллюстрации на рис. 41 серин) – «левосторонние». То есть, в общем случае организм не может использовать ни левосторонние сахара, ни правосторонние аминокислоты, поэтому их называют еще «неестественными» сахарами и аминокислотами. Однако в небольшом количестве в природе они все же встречаются. В состав стрептомицина входит левосторонний сахар, а в состав некоторых антибиотиков – правосторонние аминокислоты. Жизненно необходимое человеку вещество аскорбиновая кислота имеет отношение к «неестественным» левосторонним сахарам.
Тот факт, что все природные аминокислоты – левосторонние, крайне важен для пептидной структуры. Если задаться целью создать модель пептидной цепочки с использованием тетраэдрального представление углеродных связей, то окажется, что радикалы звеньев-аминокислот в цепочку направлены по очереди в разные стороны. Тогда вдоль цепочки получается достаточно места для всех групп атомов. Если бы все аминокислоты были правосторонними, ситуация была бы той же.
Однако, если бы часть аминокислот были левосторонними, а часть – правосторонними, то неизбежными стали бы случаи соседства в цепочке левосторонней и правосторонней аминокислот. Их радикалы оказались бы на одной стороне цепочки, и места для обоих просто не хватило бы. Именно поэтому все аминокислоты в белке должны быть либо левосторонними, либо правосторонними. Тот факт, что они оказались левосторонними, видимо, является результатом случая, произошедшего давным-давно в доисторические времена, когда появилась на свет первая белковая молекула.
Молекулы ферментов (тоже сами по себе оптически активные и асимметричные, благодаря наличию в их составе аминокислот), разумеется, отличают оптически активный субстрат от его зеркального отображения, так же, как мы не одеваем на правую ногу левый ботинок. Реагируя с одним вариантом зеркального отображения, и не реагируя с другим, ферменты поддерживают асимметрию в организме.
Для того, чтобы ферменты могли проводить подобное различие между зеркальными вариантами вещества, субстрат должен крепиться к молекуле фермента как минимум в трех точках, и это – еще одно косвенное свидетельство в пользу образования промежуточного комплекса «субстрат-фермент».
Кстати, в 1949 году гипотеза о промежуточном образовании получила окончательное подтверждение – британский биохимик Бриттон Ченс смог непосредственно обнаружить наличие этого комплекса с помощью очень тонкого теста на светопоглощение.
<<... предыдущая стр. :: следующая стр...>>
1 :: 2 :: 3 :: 4 :: 5 :: 6 :: 7 :: 8 :: 9 :: 10 :: 11 :: 12 :: 13 :: 14 :: 15 :: 16 :: 17 :: 18 :: 19 :: 20 :: 21 :: 22 :: 23 :: 24 :: 25 :: 26 :: 27 :: 28 :: 29 :: 30 :: 31 :: 32 :: 33 :: 34 :: 35 :: 36 :: 37 :: 38 :: 39 :: 40 :: 41 :: 42 :: 43 :: 44 :: 45 :: 46 :: 47 :: 48 :: 49 :: 50 :: 51 :: 52 :: 53 :: 54 :: 55 :: 56 :: 57 :: 58 :: 59 :: 60 :: 61 :: 62 :: 63 :: 64 :: 65 :: 66 :: 67 :: 68 :: 69 :: 70 :: 71 :: 72 :: 73 :: 74 :: 75 :: 76 :: 77 :: 78 :: 79 :: 80 :: 81 :: 82 :: 83 :: 84 :: 85 :: 86 :: 87 :: 88 :: 89 :: 90 :: 91 :: 92 :: 93 :: 94 :: 95 :: 96 :: 97 :: 98 :: 99 :: 100 :: 101 :: 102 :: 103 :: 104 :: 105 :: 106 :: 107 :: 108
|
