Саморазвитие природы

АТОМЫ И МОЛЕКУЛЫ КАК ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ КИРПИЧИКИ, СОСТАВЛЯЮЩИЕ ПРИРОДУ

Вся органическая и неорганическая природа состоит из атомов хи­мических элементов, весь набор которых представлен в периодической таблице Менделеева. Каждый атом имеет ядро, окруженное электрона­ми, вращающимися вокруг него с огромной скоростью на разных орби­тах, согласно планетарной модели Бора и Резерфорда. Вопросами строения атомов, их возникновения и распада занимается ядерная фи­зика - целая отрасль научных знаний, рассматривающая самоорганиза­цию атомов. Здесь я этих вопросов не касаюсь, представляя, как это обычно делается, атомы в виде упругих шариков различного размера в зависимости от их массы.

Атомы являются первичной элементарной частицей материального мира; именно с них начинается его самоорганизация - сначала в моле­кулы, затем уже в конкретно осязаемые вещества, предметы, растения и живые существа. Атомы обладают двумя важнейшими свойствами, ко­торые по существу определяют последующую самоорганизацию приро­ды.

Первое свойство: атомы имеют способность химически соединять­ся друг с другом в молекулы веществ, количество разновидностей кото­рых неизмеримо больше, чем количество разновидностей атомов. По существу, молекулы и придают всем химическим веществам свойства, которые мы наблюдаем в окружающем мире. По современным пред­ставлениям, химическая связь является результатом движения электро­нов внешних (валентных) оболочек атомов в пространстве между ядра­ми взаимодействующих атомов. Возникновения связи обусловлено тем, что электроны, которые принадлежат двум различным атомам, стано­вятся для них общими при сближении атомов. Главнейшими типами связи являются ковалентная, ионная, металлическая, ван-дер-ваальсова (молекулярная) и водородная. Их можно сгруппировать в два типа: ори­ентированные относительно друг друга на поверхности атома и не ори­ентированные (терминология автора).

Типичным представителем первого типа является ковалентная связь. Для нее характерно, что на поверхности атома того или иного элемента эти связи размещены определенным образом и поэтому со­единение атомов в молекулы происходит в определенных участках их поверхности. Можно образно сказать так: на поверхности имеются оп­ределенные "стыковочные узлы", к которым пристыковываются другие атомы, подобно тому как составляются модули на космической станции "Мир". Причем для состыковки "узлов" необходимо, чтобы атомы еще
и соударились под определенным углом и с определенной минимальной скоростью. Таких "стыковочных узлов" на поверхности каждого атома может быть несколько, например, у углерода - четыре, у кислорода - два, у азота - три (рис. 1). Причем у разных атомов пространственное расположение "узлов" на поверхности может меняться. Ковалентная связь возникает при сближении атомов, когда образуется пара электро­нов, которые движутся одновременно в полях обоих атомов, связывая их таким образом. Причем атомы оказываются как бы вдавленными друг в друга, что несколько уменьшает их радиус.

Некоторой разновидно­стью ориентированной связи является водородная связь, ко­торая проявляется благодаря поляризации двух соседних молекул, что можно наиболее четко видеть на примере моле­кулы воды - Н2О. В целом эта молекула электронейтральна, т. е. имеет равное число элек­тронов и протонов в ядре, но электроны распределены несим­метрично, что придает ей полярный характер. Атомы водорода "состы­кованы" с атомами кислорода ковалентными связями с одной половины ее поверхности. Поэтому в целом молекула получается несимметрич­ной. В ней ядро атома кислорода в некоторой степени оттягивает элек­троны от ядер атомов водорода, оставляя на них небольшой суммарный положительный заряд. Области с небольшим отрицательным зарядом располагаются вблизи атома кислорода в двух других углах воображае­мого тетраэдра. Так получается дипольная молекула воды с положи­тельным и отрицательным зарядами на двух противоположных концах, которые и способны притягивать другие атомы.

Неориентированные связи — ионная и металлическая — позволяют атомам соединяться также в определенных точках, распределенных по их поверхности равномерно и в достаточно большом количестве, так что при этом, в отличие от ковалентной связи, все равно, с какой сторо­ны присоединяются атомы. Ионная связь возникает в результате того, что при взаимодействии атомов один из них притягивает в сферу своего ядра один или несколько электронов и становится отрицательно заря­женным ионом (анионом), а другой, отдавая электроны, становится по­ложительно заряженным ионом (катионом). Между разнозаряженными ионами появляется электростатическое взаимодействие притяжения.

Металлическая связь в наиболее чистом виде наблюдается между ато­мами одного и того же элемента - металла, рассматриваемого как сово­купность положительно заряженных ионов - "атомных остовов", между которыми свободно перемещаются электроны в виде "электронного газа".

Ван-дер-ваальсова связь проявляется в результате взаимодействия нейтральных молекул. При вращении электрона вокруг положительного ядра атома в каждый момент образуется диполь - "ядро-электрон". При достаточном сближении соседних атомов возникает взаимодействие между их мгновенными диполями, так называемое диполь-дипольное взаимодействие, т. е. слабые силы притяжения, называемые остаточны­ми, или ван-дер-ваальсовыми.

Второе важнейшее свойство атомов и образованных из них моле­кул: они постоянно находятся в движении с огромной скоростью (около 500 м /с). Причем они двигаются, соударяясь и ни на мгновение нигде не останавливаясь, даже находясь в составе твердых тел, растений и живых организмов, не говоря уже о газах и жидкостях. Непосредствен­ным проявлением этого движения в газах или жидкостях является, на­пример, передача в воздухе запаха растворенного газа из одной комна­ты в другую или движение растворенного в воде вещества в процессе диффузии; в твердых телах - изменение температуры от более нагретых участков к менее нагретым за счет того, что двигающиеся в составе кристаллической решетки атомы передают энергию движения соседним атомам. Движение или имеет характер хаотического зигзагообразного перемещения с равной вероятностью во все стороны в газах и жидко­стях при самодиффузии, или является колебательным около узлов кри­сталлической решетки в твердых телах, или хаотическим, но двухмер­ным на какой-либо поверхности, например, в биологических мембра­нах. Молекулы и атомы также могут вращаться вокруг своей оси - спи­новое движение.

Именно это многообразие и большая скорость движения молекул и атомов позволяет им с огромной частотой соударяться друг с другом; при этом высока степень вероятности того, что произойдет их состы­ковка в более крупные частицы (молекулы) в зависимости от количест­ва и расположения "стыковочных узлов", с учетом необходимости дос­таточно высокой концентрации атомов и молекул в определенном уча­стке.

Значит, весь окружающий нас мир состоит из постоянно двигаю­щихся атомов и молекул. Но в чем же принципиальное различие орга­нической - живой - материи от неорганической - неживой - на атомно - молекулярном уровне?

Ca Na и и Mg К

Рис. 2. Относительное количество (% к общему числу атомов) химических элементов, обнаруженных в земной коре (неживой мир) по сравнению с коли­чеством тех же элементов в мягких тканях живых организмов Первое отличие заключается в количественном соотношении ве­ществ, что можно видеть на рис. 2. Если в неживой природе количест­венно преобладают кислород (48 %) и кремний (28 %), то в живой - водород (49 %), углерод (24 %) и кислород (24 %). Известно, что, на­пример, в биологической клетке человеческого организма содержится более чем по 1014 атомов водорода и кислорода, по 1012-1014 атомов уг­лерода и азота, по 101О-1012 атомов кремния, фосфора, натрия, калия, магния, кальция и хлора, по 108-1010 атомов цинка, лития, рубидия, ме­ди, марганца, алюминия, железа, брома, по 106-108 атомов олова, тита­на, молибдена, кобальта, йода, свинца, серебра, бора, стронция, никеля, ванадия, скандия, кадмия, хрома, селена, по 104-106 атомов урана, рту­
ти, бериллия и по 102-104 атомов еще сорока элементов таблицы Мен­делеева, т. е. в нас самих есть все элементы, из которых состоит окру­жающий нас мир, и мы — часть этого мира.

Второе отличие заключается в том, что неорганические молекулы образуют твердые кристаллы с правильными кристаллографическими очертаниями, тогда как органические молекулы представляют собой обычно длинные цепочечные агрегаты из десятков, сотен, тысяч и даже миллионов атомов, которые сворачиваются в виде клубков, змеек, спи­ралей и являются, таким образом, тоже своеобразной разновидностью кристаллов, от физико-химических свойств которых зависит существо­вание органического мира. Рассмотрим эти особенности подробнее сна­чала для неорганической природы.

Из учебников минералогии известно, что в неорганическом мире атомы и ионы (т. е. положительно или отрицательно заряженные ато­мы), создавая кристаллическую решетку, попадают в окружение других ионов противоположного знака (катионов и анионов), притягивающих­ся друг к другу. Причем размер отрицательно заряженных анионов обычно гораздо больше, чем положительных катионов, так как анионы присоединили к своей внешней оболочке дополнительные валентные электроны, отняв их от катионов. В целом анионы и катионы разных элементов рассматриваются как упругие несжимаемые шарики, имею­щие разные диаметры для различных веществ. Одним из необходимых условий устойчивости кристаллической решетки минералов является максимально плотная упаковка ионов разного диаметра, так, чтобы ша­ры-атомы верхнего слоя попали в лунки между шарами-атомами ниж­него по принципу плотнейшей кубической или гексагональной упаков­ки, образуя предельно минимальное свободное пространство и сопри­касаясь друг с другом (рис. 3). Такая упаковка складывается самопроиз­вольно в процессе роста кристаллов в зависимости от размеров ионов.

Число ионов, находящихся на одинаковом или близком расстоянии от данного иона, называется координационным числом. В минералогии говорят о координационном числе катиона по отношению к анионам, которыми в большинстве случаев являются О2-, S2-, F-, Cl-, Br-, I-. При соединении прямыми линиями центров окружающих (координирован­ных) атомов или ионов вокруг данного катиона образуется геометриче­ская фигура — координационный полиэдр.

Координационное число зависит от соотношения радиусов ионов и типов их химической связи. Принимая во внимание, что наиболее ус­тойчивой будет такая кристаллическая структура, когда все ионы каса­ются друг друга, геометрически рассчитаны оптимальные отношения радиуса катиона к радиусу аниона для различных координационных чисел. Оказывается, в зависимости от различий в радиусах ионов их плотнейшая упаковка может быть достигнута различными способами. Например, если взять три больших шара-аниона и плотно положить их на плоскости, то в промежутке между ними сможет поместиться только очень маленький шарик - катион (рис. 4, а). Если на эти три шара по­ложить сверху еще один, то в образовавшийся между ними промежуток сможет поместиться несколько больший шарик (см. рис. 4, б). Если сложить вместе (квадратом) четыре шара, то в промежутке между ними поместится еще больший шарик (см. рис. 4, в), и так далее. Последова­тельное увеличение размеров шарика-катиона позволяет ему быть ок­руженным все большим количеством шаров-анионов. В соответствии с этим координационное число будет расти вплоть до максимально воз­можного - 12, т. е. до тех пор, когда в окружении катиона окажутся 12 наиболее близко расположенных к нему анионов.

00,1- Q

Б 7 8 9 Ю'А 1 I ■ I, I iJ

Но такое последовательное увеличение координационного числа возможно, только если все катионы способны со всех сторон равномер­но окружать себя анионами, как в случае ионной связи, не имеющей пространственной ориентировки на поверхности атома. Однако, напри­мер, ковалентные связи в каждом атоме строго ориентированы, т. е. здесь как бы имеются определенные "стыковочные узлы", к которым могут присоединиться другие ионы. Поэтому, например, способ упа­
ковки позволял бы иметь еще несколько ближайших соседей, но для них нет соответствующих "стыковочных узлов". При этом следует учи­тывать, что количество и относительное размещение этих "узлов" на поверхности ионов может варьировать для разных их типов.

Поэтому нетрудно представить себе, что несмотря на такие в принципе простые формы связи атомов и молекул в кристаллической решетке, количество разновидностей таких решеток и соответственно минералов может быть огромным. В них меняются форма координаци­онных полиэдров (пирамида, тетраэдр, октаэдр, куб, додекаэдр и т. д.) и пространственное размещение и сочетание в объеме кристаллической решетки.

В процессе минералообразования происходит формирование ми­нералов, характеризующихся определенным химическим составом и соответствующей кристаллической структурой. Причем состав и струк­тура взаимосвязаны, так как каждое сочетание атомов при данных ус­ловиях образования минералов может иметь лишь определенную струк­туру. Соединяясь в кристаллическую структуру, атомы химических элементов используют и все присущие им формы связи и очень плотно упаковываются в зависимости от соотношения размеров их атомов и ионов.

По степени однородности связей в структурах решетки все мине­ралы могут быть разделены на два типа: гомодесмические и гетеродес- мические.

В гомодесмических минералах почти все атомы обладают одним и тем же типом связи: ионной, ковалентной, металлической и т. д. Поэто­му все связи распределяются одинаково во всех направлениях и для кристаллов характерно равномерное распределение в пространстве всех атомов и ионов. Такими являются каменная соль (NaCl), галенит (PbS), флюорит (CaF2), алмаз (С), сфалерит (ZnS).

Гетеродесмические минералы характеризуются тем, что в разных частях и по разным направлениях в них связи одинаковые: одни группы атомов соединены друг с другом при помощи одних связей, а соедине­ние между группами других атомов осуществляется при помощи дру­гих. По типам обособленных групп атомов они подразделяются на ост­ровные, цепочечные, ленточные, слоистые и каркасные.

Островные минералы характеризуются обособленными группами атомов (радикалов), связи внутри которых прочнее, чем связи с окру­жающими их атомами (рис. 5). Радикалы могут иметь линейную, тре­угольную, пирамидальную, тетраэдрическую и другие формы. Отдель­ные изолированные группы атомов в структуре минерала могут соеди­няться в кольца, как, например, в самородной сере или берилле.

Цепочечные минералы характеризуются наличием бесконечных групп атомов, расположенных в виде цепочки с существенно ковалент - ной связью между ними (рис. 6). Цепочечный характер структуры опре­деляется четко выраженной направленностью наиболее прочных про­странственно ориентированных ковалентных связей. К ним относится широко распространенная группа - пироксены. Наряду с такими оди­
ночными цепочками часто бывают развиты сдвоенные, которые назы­вают лентами, а структура, для которых они характерны, - ленточной. К ним относится группа амфиболов.

Слоистые минералы харак­теризуются наличием группиро­вок атомов, составляющих "бес­конечные" слои, внутри которых связи одни, а между слоями - другие (рис. 7). Им свойственно двухмерное распределение наи­более прочных связей, т. е. рас­положение структурных единиц и координационных полиэдров в плоскости. К слоистым типам с совершенной спайностью в од­ной плоскости относятся слю­ды, графит (С), молибденит (MoS), каолинит, брусит и др.

Рис. 6. Цепочечный тип структуры (диопсид - СаMg[Si2O6])

Каркасные минералы характеризуются наличием трехмерного кар­каса, образующегося за счет равномерного пространственного распре­деления ковалентных и ионных связей между атомами. К ним относятся многие алюмосиликаты, в частности полевые шпаты.

Таким образом, атомы и ионы химических элементов при форми­ровании минералов неорганической природы способны плотно упако­вываться в кристаллическую решетку определенного типа в зависимо­сти от их размеров и видов химической связи. Форма геометрического узора, который получается при этом (цепочечный, слоистый, каркасный и др.), определяет и морфологию образующихся кристаллов (рис. 8). Форма кристаллов определяется их поверхностными гранями. Геомет­рическое расположение граней определяется законом Бравэ: при обра­зовании кристаллов развитие и частота появления граней, ограничи­вающих кристалл, зависят от густоты расположения атомов и ионов на этих гранях (ретикулярная плотность). Чем гуще грани покрыты атома­ми, тем они важнее, т. е. чаще встречаются на кристаллах.

В зависимости от плотности рас­пределения атомов и ионов в кристалли­ческой решетке происходит рост кри­сталлов той или иной формы. Из любых возможных направлений в кристалличе­ской решетке наиболее конкурентоспо­собными поверхностями роста являются те, где атомы ближе расположены друг к другу, так как здесь меньше расстояние между ними и поэтому они способны более прочно связываться друг с другом, РиС. 7.Структура графита отсекая все другие направления.

Но это еще не значит, что та или иная плоскость с высокой плот­ностью атомов будет быстрее расти. Даже совсем наоборот: согласно закону Бравэ грани кристалла растут со скоростью, обратно пропорцио­нальной плотностям их распределения. Это понятно, ведь, например, при одинаковой концентрации в растворе грани с большей плотностью атомов больше их поглощают из раствора и этим быстрее снижается их концентрация около этой грани, что ведет к замедлению ее пространст­венного продвижения. Но именно эти медленно растущие грани и опре­деляют в конечном счете основные черты конфигурации кристаллов, так как быстро растущие грани зарастаются ими (рис. 9).

Представляется интересным обратить внимание на механизмы роста кристаллов. Атомы, молекулы и ионы, составляющие газообраз­ные или жидкие (растворы и расплавы) вещества, находятся в непре­рывном движении. Они постоянно сталкиваются друг с другом, и пе­риодически это столкновение ведет к образованию зародышей - микро­скопических фрагментов будущей структуры. Чаще всего такие заро­дыши распадаются, что связано либо с собственными колебаниями, либо с бомбардировкой их свободными частицами. Для начала кри­сталлизации нужно, чтобы зародыш достиг критической величины, т. е. содержал такое количество частиц, при котором присоединение сле­дующей частицы сделало бы разрастание зародыша более энергетиче­ски выгодным, чем его распад. Такая возможность для большинства веществ появляется либо с понижением температуры, в результате чего уменьшаются тепловые колебания, либо с повышением концентрации вещества в растворе или газе, что приводит к увеличению вероятности встречи частиц друг с другом, т. е. возникновению зародышей. Причем кристаллизация протекает не во всем объеме, а преимущественно там, где возникнут зародыши.

Причина кристаллизации, т. е. перегруппировки беспорядочно рас­положенных частиц в регулярную кристаллическую постройку, заклю­чается в том, что энергетически выгодно такое состояние, при котором силы, действующие на частицы, окажутся уравновешенными, а это дос­
тигается лишь в случае упорядоченного расположения материальных частиц. Каждый растущий кристалл, стремясь к равновесному состоя­нию, приобретает в целом определенную для того или иного вещества форму. Но на эту форму определенное влияние оказывают также и из­меняющиеся условия кристаллизации - температура, давление, химизм и динамика кристаллообразующей среды и т. д. И кристалл, приспосаб­ливаясь к этим изменяющимся условиям, может менять, иногда и суще­ственно, свой облик.

Ilk.

И

А б

Рис. 9. Схема зарастания быстро растущих граней кристалла

Теория Кооселя-Странского объясняет явление послойного роста граней кристаллов с позиций атомно-молекулярного состояния поверх­ности растущего кристалла, опираясь на энергетическую выгодность присоединения отдельных частиц вещества в зависимости от положе­ния на свободной поверхности кристалла. На рис. 10 показаны позиции присоединения идеализированных (в форме кубов) частиц к поверхно­сти растущего кристалла. Нетрудно понять, что новые частицы присое­диняются к поверхности кристалла в самых энергетически выгодных позициях. Например, как показано для позиции 1 на рис. 10, где при­соединившаяся частица, входя в угол постройки, наиболее прочно свя­жется с кристаллом с трех сторон, обеспечивая, с точки зрения термо­динамики, максимальное выделение свободной энергии, в результате чего достройка получит энергетическое преимущество. Это в принципе понятно и из чисто механических представлений: присоединение час­тицы к угловому углублению постройки свяжет ее наиболее прочной связью. Следующей по энергетической выгодности и механической прочности будет положение 2, вследствие связи в двух направлениях. И, наконец, наименее благоприятно положение 3 - на гладкой поверх­ности грани. Связь таких частиц слаба - в одном направлении, и поэто­му они не в состоянии на ней удержаться. Чтобы грань росла, на ее по­
верхности необходим устойчивый двухмерный зародыш (позиция 4), который может образоваться из нескольких случайно столкнувшихся частиц. Вероятность появления такого двухмерного зародыша зависит от степени пересыщения или переохлаждения. Такую теоретическую схему роста кристаллов сравнивают с кирпичной кладкой, где каждый новый слой не будет выложен, пока не закончится кладка предыдущего, поскольку достраивать всегда легче, чем начинать заново.

Рис. 10. Различные способы присоединения частиц к поверхности растущего

Кристалла

Далее перейдем к характеристике атомов и молекул органического мира природы в изложении авторов книги "Молекулярная биология клетки" (Албертс и др., 1994).

Главнейшие отличия живой природы от неживой обусловлены удивительными свойствами атомов углерода, которые он проявляет в условиях земной поверхности, входя в состав почти всех органических молекул биологической клетки. Уникальная роль углерода в клетке оп­ределяется его способностью к образованию четырех сильных кова - лентных связей с другими атомами углерода, благодаря малому размеру и наличию на внешней оболочке четырех электронов. В результате это­го атомы могут соединяться друг с другом, образуя цепи, разветвлен­ные деревья или кольца, создавая большие и сложные молекулы, на размеры которых не накладываются никаких видимых ограничений (рис. 11). Другие атомы, широко представленные в клетке (Н, N и О), имеют, как и углерод, небольшие размеры и способность также образо­вывать прочные ковалентные связи с углеродом и друг с другом, при­соединяясь к цепочкам углерода. На разных звеньях цепочки количест­во соединенных таким образом атомов в одной биологической молеку­ле может достигать нескольких тысяч и даже миллионов.

Уникальная роль углерода в клетке определяется его способностью к образованию сильных ковалентных связей с другими атомами углерода. Таким образом, атомы углерода могут соединяться друг с другом, об­разуя цепи

С

/

УГЛЕРОДНЫЙ СКЕЛЕТ

Или разветвленные деревья

Рис. 11. Схема соединения атомов углерода друг с другом в орга­нически молекулах

Выделяются четыре основных класса малых органических моле­кул, входящих в состав клетки - аминокислоты, нуклеотиды, сахара и жирные кислоты. В принципе, их просто получить в процессе лабора­торного опыта, если через нагретую смесь воды и газов (СО2, СН4, Н3 и Н2) пропустить электрический разряд или ультрафиолетовое излучение. Это основные кирпичики больших органических молекул, в состав ко­торых они входят.

Последовательное соединение аминокислот ковалентными связями ведет к образованию больших полимерных молекул - белков, а соеди­нение нуклеотидов образует рибонуклеиновую (РНК) и дезоксирибо - нуклеиновую (ДНК) кислоты; цепочки сахаров образуют полисахари­ды, а жирные кислоты участвуют в образовании фосфолипидных поли­мерных молекул. Все они являются важнейшими составными частями клеток, осуществляя определенные функции. В молекулах ДНК содер­жится вся генетическая информация, необходимая для создания и раз­множения новых клеток. Они вместе с молекулами РНК представляют как бы "программное обеспечение" инструкции, полученной клеткой от родительской. Белки выполняют важнейшую роль катализаторов боль­шинства реакций в клетке, являясь ферментами. Сахара и полисахариды служат источником энергии в клетке, которая выделяется при их рас­щеплении. Жирные кислоты - основные компоненты при создании внешней и внутренних мембран клетки.

Универсальные "кирпичики", из которых состоят белки, - это 20 аминокислот, а молекулы ДНК и РНК состоят лишь из четырех типов нуклеотидов. Они в различном сочетании располагаются вдоль длинных цепей, создавая неповторимое своеобразие каждой из полимерных моле­кул. Причем в пределах каждой цепи эти "кирпичики" складываются обычно в виде не прямой линии, а спирали, напоминающей винтовую ле­стницу. Среди биологических структур весьма распространены лево - закрученная и правозакрученная спирали. В длинных цепях полимеров возможно свободное вращение атомов вокруг многих осей, что делает их остов очень гибким в отличие от неорганических молекул, жестко закрепленных в кристаллическом каркасе. Поэтому важнейшим свойст­вом длинных молекул является также их способность сворачиваться в сложные структуры типа клубков, называемые конформациями. Это особенно характерно для белков; длинные полимерные цепи белковых молекул могут сворачиваться, как змейки, в молекулярные конформа - ции микроскопических размеров (рис. 12). Каждый тип полимеров, в зависимости от последовательности чередования в его цепи разных мо­лекул, имеет свою, строго определенную, конформацию. Здесь сущест­вует определенная аналогия с неорганической природой, где сочетание

Трипсина поджелудочной железы в пяти обычно использующихся вариантах изображения (следует иметь в виду, что сердцевина всех глобулярных белков плотно заполнена атомами, и впечатление пустого пространства вызвано только характером моделей в, г и д) а - стереопара, показывающая положение всех неводородных атомов; основ­ная цепь выделена жирной линией, боковые - тонкими;

Б - пространственная модель, показывающая ван-дер-ваальсовы радиусы всех атомов; в - скелетная проволочная модель, составленная из отрезков, соеди­няющих все атомы а-углерода вдоль полипептидного скелета; г - ленточная модель, которая представляет все участки регулярных водородных связей либо в виде спиралей (а-спирали), либо в виде набора стрелок (в-слои), ука­зывающих на карбоксил-терминальный конец цепи; в этой модели также по­казаны водородные связи; д - "сосисочная" модель, которая демонстрирует расположение полипептидной цепи без всяких деталей
атомов разных веществ образует определенные типы кристаллической решетки и форму кристаллов, цвет, твердость, спайность и другие свой­ства. В органической материи роль кристаллов играют конформации полимерных цепей. Именно их индивидуальная форма свертывания определяет важнейшие свойства органических молекул.

Неполярные Главнейшим механиз-

Боковые группы г

Мом, способствующим сво­рачиванию белковых моле­кул и созданию их конфор - маций, является различная способность отдельных уча­стков тех или иных амино­кислот, из которых состоит белок, смачиваться водой. Участки длинной цепи, не смачиваемые водой, стре­мятся собраться внутри бел­ковой конформации, что по­зволяет им избежать контак­та с водным окружением, подобно тому, как собира­ются вместе капельки масла в воде (рис. 13). В то же время смачиваемые участки, наоборот, стремятся распо­ложиться на поверхности молекул белка, где могут контактировать с водой. В результате на поверхности молекулы оказываются по­лярные группы аминокислот создающие полярные (водо­родные) и ионные связи с другими молекулами при контакте с ними.

При обработке опреде­ленными химическими реа­гентами белок можно развернуть, т. е. денатурировать; при прекраще­нии действия денатурирующего реагента он обычно самопроизвольно возвращается к исходной конформации. Это говорит о том, что вся не­
обходимая информация для определения формы белка содержится в самой последовательности аминокислот.

Органические молекулы, в отличие от неорганических, обладают и другими удивительными свойствами. Молекулы ДНК и РНК обладают способностью создавать копии себе подобных полимерных молекул. Это связано со способностью органических полимеров нуклеотидов служить матрицей для синтеза второго полимера, составленного из дру­гого типа нуклеотидов. Подобные матричные свойства основаны на специфическом, так называемом комплементарном связывании поли - нуклеотидов друг с другом. Например, полимер Poly U способствует образованию Poly A, встраивая вдоль своей цепи необходимые субъеди­ницы (рис. 14).

Спаривание комплементарных нуклеотидов сыграло решающую роль в возникновении жизни на Земле. Это можно рассмотреть на про­стейшем примере полинуклеотида, подобного РНК и содержащего ура - цил (U), аденин (А), цитозин (С) и гуанин (G). Благодаря комплемен­тарному спариванию оснований - А с U и G с С - при добавлении РНК к смеси активированных нуклеотидов в условиях, благоприятствующих полимеризации, синтезируется новая молекула РНК, последователь­ность нуклеотидов которой комплементарна последовательности нук­леотидов в исходной РНК. Таким образом, новые молекулы представ­ляют собой как бы слепок исходной молекулы, каждому А которой со­ответствует U в копии и т. д. (рис. 15). На первой стадии информация, содержащаяся в последовательности исходной цепи РНК, сохраняется в новообразованных комплементарных цепях. На второй стадии копиро­вание с использованием комплементарной цепи в качестве матрицы восстанавливает исходную последовательность.

Стадия 1

[IHMM^HIHZ]

Стадия 2

0{сНсНАНЖ1Кй]

Исходная последо­вательность образует комплементарную последовательность

'

^^HgHJHCHOHA]

[иНсЖ}М1}Мй]

Рис. 15. Репликация последовательности полинуклеотида (здесь - молекулы РНК)

На стадии 1 исходная молекула РНК служит матрицей для образования моле­кулы РНК с комплементарной последовательностью. На стадии 2 эта компле­ментарная молекула в свою очередь служит матрицей для образования моле­кулы РНК с исходной последовательностью. Поскольку каждая матрица спо­собна произвести много комплементарных копий, эти реакции могут привести к "размножению" исходной последовательности

Механизмы комплементарного матричного копирования изящны и просты, они занимают центральное место в процессах переноса инфор­мации в биологических системах. Генетическая информация каждой клетки закодирована в последовательности оснований ее полинуклео - тидов; эта информация передается из поколения в поколение, благодаря комплементарному спариванию оснований.

Важнейшей молекулой такого типа, несущей генетическую ин­формацию, является дезоксирибонуклеиновая кислота - ДНК. Такое представление о ней возникло в научных кругах сравнительно недав­но - в 40-50-х годах этого столетия. Собственно, и раньше было оче­видно, что каждое зернышко или оплодотворенная яйцеклетка должны содержать скрытый план или схему развития организма. Поэтому воз­никла генетика, в основу которой легли представления о генах - неви­димых содержащих информацию элементах, равномерно распределяе­мых между двумя дочерними клетками при каждом клеточном делении. Перед делением клетка должна сделать копию генов, чтобы передать дочерним клеткам полный их набор. Гены спермия и яйцеклетки пере­дают наследственную информацию от поколения к поколению. Но что же это за молекула, которая могла храниться в клетке, направлять про­цесс развития организма и быть в то же время способной к точному и практически неограниченному самокопированию? В конце XIX века
биологи обнаружили, что хромосомы, которые становятся различимы­ми в ядре клетки в начале деления, являются носителями генетической информации. Но данные о том, что веществом, из которого состоят ге­ны является ДНК хромосом, были получены значительно позже при изучении бактерий.

ДНК - это длинный неразветвленный полимер, состоящий всего из четырех субъединиц - дезоксирибонуклеотидов, азотистые основания которых представлены аденином (А), цитозином (С), гуанином (G) и тимином (Т). Нуклеотиды связаны между собой ковалентными фосфо - диэфирными связями, они как бы нанизаны на эту связь наподобие че­тырех типов бусинок на одной нитке. Молекулы ДНК имеют форму спирали, состоящей из двух цепей (рис. 16), причем каждая цепь этой спирали содержит последовательность нуклеотидов в точности ком­плементарную последовательности второй цепи - партнера, т. е. своего рода слепок этой цепи, поэтому они несут одну и ту же генетическую информацию. Если обозначить две цепи А и А1, то цепь А служит шаб­лоном или матрицей для образования новой цепи А1, а цепь А1 может играть ту же роль в образовании новой цепи А. Таким образом, генети­ческая информация может копироваться при разделении цепей А и А1, что позволяет каждой из них служить матрицей для образования нового комплементарного партнера.

Уже сам по себе механизм комплементарного копирования указы­вает, что наследственная информация ДНК записана в линейной после­довательности нуклеотидов. Каждый нуклеотид (А, G, Т или С) можно рассматривать как букву в четырехбуквенном алфавите, которые ис­пользуются для написания биологических инструкций в виде линейной "телеграфной ленты". Животные различных видов отличаются друг от друга потому, что молекулы ДНК их клеток имеют различную последо­вательность нуклеотидов и, следовательно, различное информационное содержание.

Характерным свойством полимерных биологических молекул и в первую очередь белков является их способность как ферментов уско­рять биологические реакции в клетке. Такие каталические свойства белков полностью зависят от способа сворачивания их в конформации и связанного с этим расположения на поверхности аминокислотных ос­татков, способных образовывать слабые связи с другими молекулами. Чтобы взаимодействие белка с другой молекулой, называемой лигандой или субстратом (реактантом), было эффективным, между ними должно одновременно образовываться много слабых связей. Поэтому к белку прочно могут присоединяться лишь те лиганды, которые в точности подходят к его поверхности.

Ферментативный центр связывания, т. е. участок белка, взаимодей­ствующий с молекулой субстрата, обычно имеет вид углубления, сфор­мированного на поверхности белковой молекулы определенным распо­ложением аминокислот. Эти аминокислоты часто принадлежат к уда­ленным друг от друга участкам свернутой в конформацию полимерной цепи и составляют лишь небольшую долю всех аминокислот белка. Ос­тальные аминокислоты необходимы для поддержания правильной фор­мы белковой молекулы и для создания дополнительных центров связы­вания, играющих регуляторную роль. Значение внутренней части белка ограничивается тем, что она обеспечивает нужную форму поверхности центра связывания и необходимую жесткость его структуры. Сущность ферментативного катализа заключается в том, что молекула субстрата на короткое время входит определенной своей частью в углубления
центра связывания, как ключ в замок, а затем распадается на две ново­образованные молекулы, которые затем удаляются, освобождая центр связывания для новых молекул.

Важнейшим свойством одной из органических молекул - хлоро­филла в растениях - является фотосинтез, т. е. способность использовать световую энергию солнца для превращения атмосферного СО2 и Н2О в органические соединения и кислород. Такими же свойствами обладают некоторые разновидности бактерий - цианобактерии (синезеленые во­доросли). При фотосинтезе в растениях образуются молекулы сахаров, которые из листьев транспортируются в другие части (стебель, корни), участвуя в их построении. Запасенная таким образом энергия использу­ется при жизнедеятельности растений, а затем ее используют живые организмы в качестве своеобразного топлива на энергетические нужды, и в частности на поддержание температуры тела.

Некоторые органические молекулы - липиды, являющиеся разно­видностью жирных кислот, - обладают еще одним удивительным свой­ством: они образуют клеточные мембраны, которые играют важнейшую роль в жизнедеятельности клеток (регуляция обмена веществ, придание клеткам определенной формы, разделение клетки на отдельные сек­ции - компартменты, создание способов соединения клеток). Выделя­ются внешняя, так называемая плазматическая, мембрана, и внутрен­ние. Они имеют общие структурные особенности: они представляют собой ансамбли липидных и белковых молекул, удерживаемых вместе с помощью нековалентных взаимодействий. Благодаря этим взаимодей­ствиям поддерживается структурная целостность мембран. Однако са­ми по себе клеточные мембраны являются подвижными "текучими" структурами, большинство входящих в их состав молекул способно перемещаться в плоскости мембраны.

Липидные молекулы в мембране образуют непрерывный двойной слой толщиной около 5 нм (рис. 17). Липидный бислой - это основная структура мембраны, которая создает относительно непроницаемый, или, вернее, полупроницаемый барьер для большинства водораствори­мых молекул. Белковые молекулы как бы растворены в определенных участках липидного бислоя и выполняют разнообразные функции мем­браны - транспортировку молекул внутрь клетки, катализ ассоцииро­ванных с мембранами реакций, структурную связь плазматической мембраны с цитоскелетом, с внеклеточным матриксом и с соседней клеткой, роль рецепторов для получения и преобразования химических сигналов из окружающей среды.

В клеточной мембране присутствуют липиды трех типов - фосфо - липиды (наиболее распространенный тип), холестерол и гликолипиды.

Все они представляют собой крупные органические молекулы, состоя­щие из многих десятков (до 150) атомов углерода, водорода, кислорода, фосфора, азота. Эти атомы соединены в цепи так, что молекулы имеют вытянутую форму (рис. 18). Липиды представляют собой так называе­мые амфипатические молекулы, т. е. у них есть гидрофильный ("любя­щий" воду, или полярный) и гидрофобный ("боящийся" воды, или не­полярный) концы. Типичная молекула фосфолипида имеет гидрофиль­ную голову и два гидрофобных углеводородных хвоста, представляя таким образом как бы двухвостого головастика (см. рис. 18).

Амфипатический характер молекул липидов придает им удиви­тельное свойство самопроизвольно формировать бислои в водном рас­творе. Когда амфипатические молекулы находятся в водном окружении, они стремятся агрегировать так, чтобы их гидрофобные хвосты были спрятаны от "боящихся" их молекул воды, а гидрофильные головки, наоборот, оказались бы в контакте с молекулами воды. Агрегация тако­го типа осуществляется двумя способами: путем образования либо сфе­рических мицелл с хвостами, обращенными внутрь, либо бимолекуляр­ных пленок, или бислоев (двойных слоев), в которых гидрофобные хво­сты располагаются между двумя слоями гидрофильных голов. Боль­шинство липидов в водной среде самопроизвольно образуют бислой (рис. 19). Более того, эти бислои имеют тенденцию к замыканию самих на себя, что приводит к формированию закрытых отсеков (компартмен - тов). При этом устраняются свободные края, на которых гидрофобные хвосты могли соприкасаться с водой. По этой же причине компартмен - ты, построенные из липидных бислоев, стремятся сами залечить свои повреждения, смыкая края разорванных участков.

Кроме способности к самосборке, липидный бислой обладает и другими характеристиками, делающими его идеальным материалом для

Сн2 I

Сн2 I

СН3

Рис. 18. Молекула фосфолипида фофсатилилхолина, представленная схе­матически (а), химической формулой (б), в виде пространственной модели (в) и символом (г). Чтобы отличить ненасыщенную цепь жирной кислоты от насы­щенной, ненасыщенная цепь изображена с отчетливым изгибом. На самом же деле в ненасыщенной жирной кислоте жесткостью обладает только двойная связь. Вокруг всех одинарных связей возможно свободное вращение, поэтому в каждом липидном монослое обе цепи жирных кислот, как насыщенная, так и ненасыщенная, будут стремиться упаковаться параллельно

Клеточных мембран. Важнейшим из этих свойств является текучесть, которая обусловливает многие функции мембраны. Липидный бислой - это, по существу, двухмерная жидкость. Отдельные молекулы липидов способны диффундировать в пределах липидного бислоя. Они без труда меняются местами со своими соседями в пределах одного монослоя примерно 107 раз в секунду, что приводит к быстрой латеральной диф­фузии с коэффициентом 10 7 см-с-1, т. е. липидная молекула средних размеров диффундирует на расстояние, равное длине большой бактери­альной клетки (2 мкм) за 1 с. Кроме того, молекулы липидов очень бы­стро вращаются вокруг своих продольных осей, а их углеводородные хвосты обладают большой гибкостью.

Рис. 19. Клеточные мембраны состоят из фосфолипидов, имеющих гидрофильные "го­ловы" и гидрофобные "хвос­ты". На поверхности раздела воды и масла они самопроиз­вольно будут располагаться головными концами к воде, а хвостовыми - к маслу. В воде эти молекулы ассоциируют с образованием замкнутых

Двухслойных пузырьков, в которых гидрофобные хвосты контактируют друг с другом, а гидрофильные - с водой

Следует обратить внимание, что биологически клетки на 70 % со­стоят из воды, в присутствии которой только и возможны все процессы формирования и преобразования органических молекул.

Таким образом, принципиальное отличие неорганических и орга­нических построек, создаваемых совершенно одинаковыми атомами (правда, в разном соотношении) заключается в том, что первые склады­ваются путем непрерывной плотной упаковки атомов в виде кристалли­ческой решетки (минерала), где все они сближены друг с другом, тогда как вторые образуются путем присоединения атомов к цепочкам атомов углерода, образуя длинные цепи, которые затем сворачиваются в моле­кулы разной конформации (часто в виде клубков и спиралей), или, при­соединяясь друг к другу, образуют мономерные замкнутые сферические поверхности - мембраны клеток.