ЖИЗНЬ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ХИМИИ

Поиски путей интеграции неорганической химии с химией живого.

Святослав Габуда
доктор физико-математических наук
Институт неорганической химии

Известно, что все живые организмы примерно на 90% состоят из воды. Преобладает точка зрения, что эта вода — необходимая, но пассивная среда, обеспечивающая протекание всех жизненно важных биохимических превращений и реакций. Мнение о чисто пассивной роли воды в биологических системах впервые было поколеблено в 1961 году, когда Лайнус Полинг, Нобелевский лауреат и автор одного из наиболее авторитетных учебников по общей химии, опубликовал в журнале "Nature" результаты анализа влияния анестетиков на прохождение сигналов болевой чувствительности.

Анестетики — это вещества, нарушающие прохождение сигналов болевого ощущения у высших организмов. К их числу относятся простые вещества — закись азота, или "веселящий газ", четыреххлористый углерод, сероуглерод и даже инертные газы — ксенон, аргон и др. Было установлено, что парциальное давление паров анестетика, соответствующее порогу болевой чувствительности у мышей in vivo, прямо пропорционально давлению кристаллизации гидрата данного анестетика при 0 градусов Цельсия in vitro. Отсюда следует, что образование гидратов связано с самой основой жизнедеятельности, а именно, с молекулярным механизмом функционирования биологических триггеров, или переключателей, ответственных (в данном конкретном случае) за включение сигналов болевой чувствительности в живом организме.

Клатраты — кристаллические гидраты анестетиков

Типичная клетка из молекул воды в кристаллической структуре гидрата диэтиламина ДЭА (раздражающее средство; репеллент). Элементарная ячейка структуры содержит 12 молекул ДЭА и 104 молекулы воды. Выше температуры плавления (-10оС) раствор ДЭА-вода остается однородным. Предполагается, что в растворе структура клеток из молекул воды сохраняет свой характер и является типичной для водных растворов других неэлектролитов, например, этилового спирта.

Рентгеноструктурные исследования показали, что перечисленные выше молекулы анестетиков в кристаллических гидратах находятся в пустотах (или клетках) каркаса, построенного из молекул воды. С химической точки зрения это так называемые соединения включения, в которых два компонента соединены "механически" без образования настоящих химических связей. По этой причине их называют также клеточными соединениями, или клатратами (от греческого — "клетка"). Первое из них — гидрат хлора, обнаружено еще в 1803 знаменитым Хемфри Деви, учителем М.Фарадея. В первой половине XX в. появились аналогичные соединения инертных газов аргона и ксенона (1896 и 1925 гг.), метана и многих других веществ.

Вплоть до работы Л.Полинга, клатратные соединения рассматривалось лишь в качестве курьеза, не имеющего практического значения. Теперь оказалось, что хрупкие клатратные гидраты могут иметь самое прямое отношение к операциям включения и выключения передачи сигналов в такой важнейшей биологической системе, как мозг, или к бионике — гипотетическому аналогу электроники. Но существование кристаллических клатратных гидратов в условиях живого организма теплокровных животных не удавалось подтвердить ни прямыми наблюдениями, ни косвенными оценками.

Открытие клатратов в водных растворах

Неожиданное решение данная проблема получила в Институте неорганической химии СО РАН в рамках плановых фундаментальных исследований в области физико-химического анализа сложных экстракционных систем. В работах, выполнявшихся под общим руководством академика А.Николаева (в этом году мы отмечаем столетие со дня рождения ученого) в 1970-75 гг. впервые обнаружили жидкое состояние клатратов. Фактически было установлено существование нового класса клатратных систем, способных существовать не только в кристаллическом состоянии, но и в расплаве — в форме клатратных гидратов в растворах неэлектролитов.

Наиболее важные и принципиальные особенности обнаружены при детальном исследовании диаграмм растворимости бинарных систем вода — экстрагент (экстрагенты — амины различного строения, аминоксиды, фосфаты, фосфо- и фосфинаты, фосфинокиси с различными радикалами, сложные эфиры и др.). В противоположность существовавшему мнению о том, что эти соединения образуют гидраты простейшей стехиометрии, были открыты твердые гидраты с большими гидратными числами. Подробное изучение привело к выводу об их клатратной природе. Обнаруженное явление было общим и сопровождалось наличием на кривой расслаивания жидкостей либо нижней критической точки, либо даже замкнутых кривых расслаивания. Температурные пределы устойчивости гомогенного состояния жидкой фазы клатратов закономерным образом понижаются при увеличении гидрофобности молекул неэлектролитов (показано на примере аминов), и повышаются при увеличении их гидрофильности (на примере ряда полиэфиров).

Эти результаты обобщены в монографии А.Николаева и И.Яковлева "Клатратообразование и физико-химический анализ экстракционных систем" (Новосибирск, Наука, 1975), отмеченной премией АН СССР имени Н.С.Курнакова (1977 г.). Высказана гипотеза о том, что нижняя критическая температура растворения обусловлена разрушением клатратной структуры (за счет водородных связей воды) соответствующего гидрата экстрагента. Большое влияние клатратообразования на вид кривых расслаивания объясняет во многом различие растворимости экстрагентов в воде и водных растворах, так как явление клатратообразования необычайно чувствительно к стерическим особенностям неэлектролита. Открытие клатратных гидратов в системах экстрагент — вода положило начало развитию новых фундаментальных направлений — супрамолекулярной и клатратной химии.

Особые свойства критического состояния

Важнейшая особенность поведения растворов вблизи критических точек расслаивания — сильно выраженные эффекты нелинейности. Эта особенность существенна для протекания химических реакций вблизи критического состояния, поскольку эффект нелинейности эквивалентен влиянию катализатора, ускоряющего (или тормозящего) только определенный тип реакций. В этой связи заслуживают более детального рассмотрения сами свойства критического состояния.

Понятие о критическом состоянии вещества впервые введено Д.Менделеевым в 1860 г. при описании равновесия жидкость—пар. Известно, что температура кипения растет при увеличении давления, но при этом уменьшается скачок объема, занимаемого одним молем вещества (жидкости или пара). Температура и давление, при которых скачок объема обращается в нуль, названа критической точкой на диаграмме давление — температура ("р-Т-диаграмма"). Можно утверждать, что в критической точке исчезает различие между жидкостью и паром.

Поведение расслаивающихся растворов в широком интервале температур и концентраций компонентов во многом сходно с поведением системы жидкость—пар. Следует отметить, что в многочисленных исследованиях установлено существование глубокой аналогии между явлениями расслоения растворов и кипения жидкостей, известное как "гипотеза универсальности" Л.Каданова, сформулированная следующим образом: "...все фазовые переходы обладают идентичным поведением в критической области, меняется лишь наименование переменных" (Л.Каданов, в кн. "Квантовая теория поля и физика фазовых переходов", Мир, 1975, с.11).

По мере приближения к критическому состоянию уменьшается коэффициент диффузии, на что впервые обратил внимание еще в 1903 г. выдающийся русский физико-химик Д.Коновалов. А это, очевидно, должно приводить к замедлению химических реакций, и, следовательно, является нелинейным элементом. Можно предполагать, что ферментативные строго контролируемые управляемые биохимические реакции, лежащие в основе жизнедеятельности, в некоторых случаях протекают вблизи критической точки расслоения воды и растворенных в ней органических веществ. В связи с этим становится более понятным, почему установленная Л. Полингом чувствительность биохимической системы передачи нервного импульса к влиянию анестетиков оказалась столь тесным образом связанной с явлениями клатратообразования.

Эксперименты по фракционированию изотопов

Результаты изучения экстракционных систем и свойств критического состояния представлялись далекими от проблем классической теории химической эволюции. Эта теория, сформулированная Нобелевским лауреатом Ильей Пригожиным, связывает возникновение высокоупорядоченных биохимических систем из первобытного беспорядка с влиянием сильной неравновесности протекающих процессов. Один из основополагающих фактов этой теории — данные о способности живых организмов избирательно ассимилировать изотопно-легкие формы соединений. Однако, в 1973-82 гг. в работах академика Э.Галимова (ГЕОХИ РАН) и ряда зарубежных авторов была обнаружена неожиданная закономерность, давшая начало новому пониманию природы биологического фракционирования изотопов, и противоречившая представлениям о принципиальной неравновесности биологических систем. Суть этой закономерности заключается в том, что распределение изотопов по различным структурным позициям в биомолекулах как раз соответствует равновесному характеру распределения, и не согласуется с представлением о принципиальной неравновесности биологических систем (Э.Галимов. Вестник АН СССР, N 10, 1982). Закономерность эта носит универсальный характер. Она присуща соединениям разного строения и состава, организмам разной экологической и таксономической принадлежности, проявляется как на межмолекулярном, так и на внутримолекулярном уровне.

Микроскопический механизм возникновения подобной обратимости, вероятно, может быть связан с замедлением диффузии вблизи критического состояния. В ИНХ СО РАН под руководством проф. Э.Матизена проводились эксперименты по изучению диффузии в смеси СО₂-Ar методом капилляра вблизи критической точки. Было высказано предположение о том, что вблизи критической точки в диффузионном процессе могут участвовать рои молекул, или кластеры примеси размером порядка радиуса корреляции. Гипотеза о кластерном механизме диффузии в непосредственной близости от критической точки была подтверждена в работах по изучению рассеяния света.

Живое с точки зрения химии

Результаты изучения эффектов анестезии и распределения изотопов в биологических системах позволят уточнить и прояснить наиболее общие характеристики элементарного акта химической передачи сигналов в биологических системах. Будучи в своей основе существенно физико-химическими, эти характеристики оказываются весьма нетривиальными, а их дальнейший анализ может иметь практические последствия для ряда областей — от медицины и наркологии до самовоспроизводящихся химических машин и автоматов футурологии. Если работа триггеров в подобных автоматах будет базироваться на нелинейных свойствах критического состояния, то вероятно, что подобное самовоспроизводящееся устройство будущего придется рассматривать как истинно "живое" (с точки зрения химии), независимо от используемой конкретной "элементной базы". Главное, чтобы критические флуктуации концентраций веществ были самоподдерживающимися, и включали способность к самокопированию.