Русский изменить

Ошибка: нет перевода

×

глава 25

Main page / Генетика XXII века / ГЕНЫ. ДНК. РНК / Сульфогруппа. Нитрогруппа. Нитросоединения. Нитрометан. Дефлаграция, детонация, взрыв. Нитрамины. Нитроалканы. Нитрофенолы. Щелочная и кислая фосфатазы. Пероксиды, перекиси. Пероксогруппа. Гидроксид калия. Каталаза. Пероксидаза хрена. Пирогаллол. Галловая кислота. Гликопротеины, протеогликаны. Усиление хемолюминесценции. Арены. Озониды, озонидная группа. Надпероксиды. Надпероксид калия. Виды проводимости. Электриды. Области поглощения хлорофилла. Катенация. Делокализация сигма-электронов в углеродных цепочках.

Содержание

    В этой главе мы вначале пробежимся по разным темам с единственной целью – немного расширить наши знания в разных областях без того, чтобы углублять их. Энциклопедичность знаний – это то, чего нам еще долго будет не хватать для того, чтобы углублять их. Ничего принципиально нового вводиться здесь не будет, поэтому запоминать материал будет несложно.

    Сульфогруппа – это группа -SO3H. Мы с ней еще не сталкивались, но еще столкнемся не раз. Присоединение сульфогруппы – это сульфирование. Отсоединение – десульфирование. Чаще всего сульфированию подвергаются ароматические соединения (МП: «в вулкане — аромат серы»):

    Нитрогруппа – это группа -NO2, причем важно то, что нитрогруппа присоединяется к органическому радикалу не атомом кислорода, а именно атомом азота:

    Мы видим, что азот в этой ситуации имеет валентность 4.

    На рисунке один атом кислорода связан с азотом двойной связью, а второй – одинарной (и имеет, соответственно, заряд -1. Но на самом деле это лишь условность – мы так изображаем эти связи, потому что нарисовать одну или две связи мы можем, а как нарисовать «полторы связи»? На самом деле тут ситуация в точности такая же, какую мы уже рассматривали в теме про sp-гибридизацию в молекуле BeCl₂: на самом деле связь между азотом и одним кислородом неотличима от его связи с другим, т.е. и азот, и кислород находятся в состоянии sp2-гибридизации, и эксперименты это доказывают: расстояние между азотом и любым из кислородов одно и то же: 0,122 нанометра. Так что в принципе мы могли бы нарисовать эту группу и так:

    Нитросоединения – такие органические соединения, в которых есть хотя бы одна нитрогруппа. В биохимии этому термину придают более узкое значение: С-нитросоединения, т.е. такие, в которых аминогруппа связана через азот с атомом углерода. Удалось в предыдущей фразе заметить ошибку?:) Не аминогруппа, а нитрогруппа: не путай нитрогруппу -NO2 c аминогруппой NH2. В нитросоединениях используется нитрогруппа. Простейшим представителем нитросоединений будет, конечно, такая молекула, в которой радикалом нитрогруппы является самый простой из алканов – метан: нитрометан – очень горючее, взрывоопасное вещество, поэтому оно и используется в качестве ракетного топлива. Пахнет он горьким миндалем, так что если ты пришла в гости, и твой чай пахнет миндалем – не спеши обвинять своего приятеля в том, что он пробует отравить тебя цианидом – может он просто ракетчик, берущий работу на дом. Впрочем, последствия отравления нитрометаном ничуть не лучше, чем при отравлении цианидом: он поражает печень, почки, ЦНС (центральную нервную систему). В малых дозах он проявляет себя как наркотик (может поэтому кое у кого ракеты упорно падают).

    Для использования в качестве ракетного топлива это взрывчатое вещество подходит потому, что его зона химических превращений при горении распространяется с дозвуковой скоростью (скорость звука в воздухе — 343 метра в секунду). Такое горение называется дефлаграцией. Принципиально другой способ горения называется словом, которое всем хорошо известно – детонация. При детонации фронт химических превращений распространяется со сверхзвуковой скоростью, достигая иногда нескольких километров в секунду. Поскольку нам ракету надо разогнать, а не взорвать, то детонирующие вещества для этого использовать трудно, а дефлагрирующие – в самый раз. Дефлаграция – это горение взрывного типа, но все же это еще не настоящий взрыв в техническом смысле.

    Физика этих двух процессов различается тем, что при дефлаграции тепло передается от места протекания реакции на периферию в основном за счет обычной конвекции, то есть за счет теплопроводности вещества, а при детонации происходит дополнительный мощный разогрев за счет внутреннего трения в веществе из-за прохождения через него ударной детонационной волны, что вызывает протекание дополнительных химических взрывных реакций: очень быстрая детонационная волна приводит к тому, что вещество позади фронта ее распространения нагревается выше точки своего воспламенения, и энергия этого горения подпитывает ударную детонационную волну. Так что можно сказать, что детонационная волна – это комплекс из изначальной ударной волны и следующих за ней ударных волн от химических реакций горения вещества, через которое ударная волна проходит. Можно сказать, что зона этих возникающих химических реакций является своего рода поршнем, который подпихивает сзади ведущую ударную волну и, что важно, придает ей дополнительную устойчивость.

    Получается, что при детонации химическая энергия преобразуется в механическую работу наиболее эффективно: как только нам удается подобрать такой состав взрывчатого вещества, чтобы дефлаграция сменилась детонацией, так сразу мы получаем огромную прибавку количества работы, которую могут выполнять взрывные газы, поэтому очень перспективной является работа по созданию двигателей, которые могли бы выдерживать такие нагрузки. Преимущество таких двигателей заключается еще и в том, что детонационная волна так быстро сжимает смесь, что нагревает ее до нужных температур, практически не изменяя ее объем. Примером таких перспективных двигателей являются импульсный и спиновый детонационный двигатели.

    Вообще физика детонационной волны очень непроста и интересна. Например, оказалось, что детонационная волна движется по спиральной траектории, в силу чего говорят о «спиновой детонации» (to spin – крутиться). Более того – распространяется она в пульсирующих режимах и даже имеет ячеистую структуру.

    Когда взрываются газо-воздушные смеси (например смесь воздуха и паров бензина), и когда взрывается порох, то имеет место именно дефлаграция, так что в бытовом смысле что дефлаграция, что детонация одинаково смертельно опасны.

    С точки зрения физики, детонация и взрыв – совершенно разные вещи, потому что когда происходит взрыв, то при этом в ограниченном объеме пространства очень быстро протекает реакция с выделением большого количества энергии, в результате чего газообразные продукты взрыва просто разлетаются во все стороны, при этом имея возможность совершать работу. Когда в стволе пушки взрывается порох, то именно это и происходит: пороховые газы толкают снаряд из пушки, но при этом сами по себе эти пороховые газы уже не испытывают химических превращений, вызывающих горение, и детонационная волна при этом не образуется.

    Про взрывы на этом всё, вернемся к нитрогруппам.

    Ничто нам не мешает построить такую молекулу, в которой будет и нитрогруппа, и аминогруппа: нитрогруппа будет выступать в качестве заместителя одного из водородов аминогруппы, или оба водорода могут быть замещены нитрогруппами. В первом случае мы получаем первичные нитрамины, во втором – динитрамины. Понятно, что первичные нитрамины – это такая разновидность первичных аминов, в которой заместителем одного водорода выступает нитрогруппа:

     

    Так же легко мы освоим нитроалканы – такие производные алканов, в которых нитрогруппа замещает один или несколько водородов, т.е. нитроалканы – это разновидность нитросоединений. Обозначения нитроалканов интуитивно теперь уже будут понятны без дополнительных описаний, но надо только учесть, что нитрогруппа считается менее «старшей», а более «старшими» считаются аминогруппа, гидроксил, двойные и тройные связи, а также сульфогруппа. Значит, если старших групп нет, то нумерация идет таким образом, чтобы номер нитрогруппы был минимален, а если есть старшая группа, то именно ее номер должен быть минимальным – на рисунке это всё видно:

    Не менее простыми будут для нас нитрофенолы – нитропроизводные фенола:

    Теперь введем два простых термина из области белков. Мы уже знаем, что фосфатазы – это ферменты, отщепляющие фосфат, т.е. выполняющие дефосфорилирование. Но понятно, что один и тот же фермент будет неодинаково хорошо работать при существенно разных рН, так что неудивительно, что есть щелочная фосфатаза, которая эффективно работает в щелочной среде (ее оптимум рН=8,0 – 8,5), и есть кислая фосфатаза, предпочитающая кислую среду.

    В завершение этой молекулярной разминки познакомимся с важным классом веществ – с пероксидами. Пероксиды – это вещества, в которых атомы кислорода соединены друг с другом (молекула О2 пероксидом не считается). Часто пероксиды называют перекисями, но тут есть простое правило: если речь идет об органической молекуле, то это пероксид. Если о неорганической, то перекись. Разных видов органических пероксидов довольно много.

    У пероксидов есть три свойства, которые нам будет интересно знать:

    1. они взрывоопасны:), так что те вещества, которые могут их выделять, требуют присмотра;
    2. они легко выделяют кислород;
    3. пероксиды замедляют синтез белка в клетке

    Пероксогруппа выглядит очень просто: -О-О-, так что мы можем сказать, что пероксиды – это вещества, содержащие пероксогруппу. Пероксиды, таким образом, могут выделять очень агрессивные свободные радикалы в виде пероксогрупп, и именно поэтому они так угнетающе влияют на синтез белка, но помимо этого они служат отличными антисептиками.

    Мы знаем, что в молекуле озона имеется целых три атома кислорода, поэтому легко запомнить, что озониды – это вещества, содержащие в себе озонидную группу –О-О-О-.

    Если одну из двух свободных связей пероксогруппы занять каким-нибудь атомом, то мы получим надпероксиды – интересный класс неорганических ионных соединений. Очень ярким, я бы сказал, представителем надпероксидов является надпероксид калия (КО2):

    Это, конечно, неорганическое соединение, но оно имеет самое прямое отношение к процессу распространения жизни за пределы Земли. Если мы будем сжигать расплавленный калий в чистом кислороде, то при этом и будет образовываться КО2. При слове «сжигать» нам рисуется что-то апокалиптическое, или как минимум разрушительное, но в случае неорганики эти ассоциации не очень уместны, ведь горение – не что иное, как процесс соединения молекул или атомов с кислородом. Некоторые получающиеся оксиды при этом очень устойчивы (например, ржавчина), но в данном случае мы получаем неустойчивый надпероксид калия, кристаллы которого настолько насыщены кислородом, что охотно отдают его обратно при нагревании в вакууме. Вода также легко разлагает его с выделением молекул кислорода. Сразу же возникает мысль, что надпероксид калия в таком случае можно было бы использовать в качестве генератора кислорода для космических перелетов или глубоководных погружений, и в самом деле – так его и используют. А если нам захочется не просто подышать в скафандре или космическом корабле, но еще и озонировать воздух, чтобы насладиться запахом грозы в начале мая? Нет проблем, ведь при воздействии на пероксид калия серной кислоты выделяется именно озон. Но и это еще не все. В одном флаконе с генератором кислорода и озона мы совершенно неожиданно и к вящему восторгу межпланетных путешественников получаем еще и отличный поглотитель углекислого газа: 4KО2 + 2CO2 (+ H2O) => 2K2CO3 + 3O2. Надпероксид калия забирает выдыхаемый углекислый газ, и при этом еще и отдает кислород для дыхания — идеально. Отсюда также ясно, что KО2 можно использовать для осушения воздуха, забирая из него ненужные нам водяные пары, что тоже полезно в той же космонавтике.

    Калий может также похвастаться таким своим соединением, как гидроксид калия:

    Водный его раствор – это ОЧЕНЬ сильная щелочь (что отражают другие его распространенные названия – едкое кали, калиевая щелочь), которая чрезвычайно активно разрушает органические материалы, однако список его применений в созидательных целях очень велик.

    Самой известной перекисью является, конечно, перекись водорода, концентрированный водный раствор которой, опять-таки, взрывоопасен:

    Понятно, что перекись водорода в силу своего высокого сходства с водой (и, соответственно, сильной полярности молекулы) и в воде неограниченно растворяется, и сама является отличным растворителем.

    В процессах биологического окисления образуется много молекул перекиси водорода, а ведь он токсичен, поэтому клетке совершенно необходимо иметь такой фермент, который перерабатывал бы перекись водорода во что-то полезное, например в хот-доги. И такой фермент есть – это каталаза:

    Помимо перекиси водорода, каталаза также может разлагать низшие спирты (и мы уже встречали пример этого, когда описывался процесс превращения этанола в ацетальдегид в головном мозгу). Каталаза разлагает перекись водорода на воду и молекулярный кислород с огромной скоростью – 200 тысяч молекул перекиси в секунду: 2Н2О2 => 2Н2О + О2.

    Добавим к этой же теме новый белок – пероксидазу. Есть модельные организмы, а есть модельные молекулы, и пероксидаза, добываемая из обычного хрена (я про растение), относится к их числу. Пероксидаза хрена – это гликопротеин (нередко используется и устаревший термин «гликопротеиды»). Гликопротеин — это такой двухкомпонентный белковый комплекс, в состав которого входят помимо белка еще и молекулы сахаров, но при этом совокупная масса сахаров не превышает 40% массы комплекса. Если же масса сахаров больше 40%, то такой комплекс называется протеогликаном (в некоторых протеогликанах доля сахаров достигает 95%). Гликопротеины играют огромное число ролей в клеточной жизни. Они являются необходимым структурным компонентом клеточных мембран, и кроме того большинство белковых гормонов, а также все антитела, интерфероны, компоненты комплемента, белки плазмы крови, рецепторные белки – все это гликопротеины. На изображении пероксидазы хрена мы видим и белковую, и сахарную часть:

    Пероксидаза хрена (Horseradish peroxidase, HRP) так любима молекулярными биологами в силу того, что своими четырьмя лизинами она легко соединяется с той молекулой, которую мы хотим пометить, чтобы затем наблюдать за ее перемещениями и превращениями, а наблюдать нам за нею позволяет особенное свойство HRP – хемолюминесценция, т.е. свечение. Химические процессы, ответственные за возникновение свечения, протекают в ней довольно активно, что и позволяет нам легко наблюдать в микроскоп за ее траекторией, а пероксидазой этот фермент назван потому, что для окисления субстрата ему требуется присутствие перекиси водорода. Длина волны свечения пероксидазы – 428 нанометров, а о чем это говорит? Это говорит о том, что это свечение отлично видно человеческим глазом (доступный нам диапазон – от 380 до 780 нм). Кроме того, очень удобно то, что существуют такие вещества, которые усиливают это свечение в тысячу раз, т.е. эти вещества усиливают хемолюминесценцию. Самыми эффективными усилителями хемолюминесценции являются шестичленные арены, т.е. производные фенолов (арены — циклические органические соединения, которые имеют в своём составе ароматическую систему; термин «ароматические соединения» можно считать синонимом термина «арены»).

    Основная функция пероксидазы – это катализ окисления химических соединений за счет кислорода перекиси водорода, причем сахара, имеющиеся в составе пероксидазы, никаким образом эту каталитическую активность не усиливают. Если, к примеру, вовсе удалить молекулу глюкозы из пероксидазы, то каталитическая активность даже не снизится. Скорее всего роль сахаров состоит в том, чтобы облегчать прохождение пероксидазы через клеточную мембрану, а также для того, чтобы стабилизировать её структуру.

    Вообще пероксидаза – это довольно сложный двухкомпонентный белковый комплекс. Первая, центральная его часть, это знакомый нам гем – железопротопорфирин IX, который, как мы помним, является переносчиком двухвалентных катионов – в данном случае катионом является ион железа. Связывая ион двухвалентного железа, протопорфирин-IX образует уже знакомый нам самый распространенный вид гема – гем-В (иначе: гем-IX). В молекуле пероксидазы гем-IX выполняет роль активного центра, участвующего в разложении перекиси водорода. Вторая составная часть пероксидазы – это достаточно аморфная белковая масса, которая усиливает каталитическое действие гема-IX.

    Для того, чтобы яснее представлять себе «сферу влияния» пероксидазы, перечислим несколько молекул, которые являются объектами его действия, т.е. те молекулы, которые она окисляет с помощью перекиси водорода. Выберем из них только те, которые нам уже знакомы.

    Во-первых, это большинство фенолов: пирокатехин, резорцин, гидрохинон, пирогаллол и другие. Пирогаллол нам пока неизвестен, но выучить его не составит труда: это относящийся к трехатомным фенолам 1,2,3-тригидроксибензол:

    Отметим, что пирогаллол – ароматическая молекула несмотря на целых три атома кислорода, присоединенных к бензольному кольцу, и именно то, что их три, а не одна и не две, и является важным в этом плане: они достаточно равномерно растягивают π–кольца бензола, так что ароматичность сохраняется. Если добавить к пирогаллолу карбоксил, то получится интересная и часто встречаемая в природе галловая кислота:

    Галловая кислота имеется в коре дуба, чае, гвоздике, почках березы и т.д. МП: «древние галлы бродили по дубовым лесам и пили чай».

    Помимо этого, пероксидаза окисляет некоторые ароматические кислоты и другие вещества. Мы видим, что ароматичность молекулы является признаком того, что пероксидаза может иметь к ней повышенный интерес.

    Помимо перекиси водорода, пероксидаза может использовать и другие молекулы для того, чтобы забирать у них кислород для того, чтобы перенести его в нужное место. На этом общей информации о ней достаточно.

    Нужно сказать еще несколько слов про понятие «степень окисления». Мы помним, что в молекуле кислорода каждый атом находится в степени окисления, равной нулю (несмотря на то, что валентность в этом соединении у них равна двум), потому что ни один атом кислорода не перетягивает на себя электроны, у них ведь одинаковая электроотрицательность. Но в молекуле перекиси водорода атомы кислорода связаны друг с другом одинарной связью, а второй своей связью она связаны с водородами, а значит в этой молекуле атомы кислорода имеют степень окисления, равную -1, так как степень окисления – это число электронов, которые надо дать образовавшемуся в соединении иону или забрать у него, чтобы сделать его нейтральным. Атом кислорода в молекуле перекиси водорода забрал у водорода один электрон, а значит, чтобы сделать его нейтрально заряженным, нужно забрать у него 1 электрон. Поэтому перекись водорода часто выступает в роли окислителя, отдавая один кислород и превращаясь в воду.

    В принципе, степень окисления атома, находящегося в составе какой-то молекулы, мы можем указывать прямо в формуле верхними индексами: H2+1O2-1, H2+1O-2. Нельзя путать этот вид записи с обозначениями электрического заряда отдельно путешествующих ионов (как например тут: Mg2+). Видно, что при обозначении степени окисления знаки плюса и минуса пишутся перед числом, а при обозначении заряда – после. Чемпионом мира по возможной степени окисления является металл иридий – он может достигать степени окисления +9!

    Важно понимать, что степень окисления – это величина, которая весьма условно отражает физическую реальность, а лишь указывает нам на характер химической связи! Мы знаем, что хлор имеет очень большую электроотрицательность (3,2) – это третье место после фтора и кислорода, а натрий – одну из самых маленьких (0,9). Но если мы возьмем молекулу Na+1Cl-1, и измерим реальный электрический заряд каждого атома в этом соединении, то даже в такой паре атомов мы не увидим строго «-1» и «+1»: у хлора будет «-0,9», а у натрия, соответственно, «+0,9». Что уж говорить о молекулах, в которых атомы имеют не такую большую разницу в электроотрицательности.

    Теперь рассмотрим довольно необычную тему о том – какие виды электрической проводимости могут существовать в клетке. А какие они бывают вообще? Электрическая проводимость возможна там, где возможно движение заряженных частиц. В клетке, как мы знаем, свободных заряженных частиц, которые могут двигаться и создавать электрический ток (и магнитное поле, кстати), более чем достаточно: это самые разнообразные ионы. Такая проводимость и называется ионной, а проводники, обладающие ионной проводимостью, называются проводниками второго рода. Легко догадаться, что проводники первого рода – это металлы с электронной проводимостью, там перемещаются между узлами кристаллической решетки свободные электроны. Есть ли в живом организме проводники первого рода? Отдельных ионов металлов в клетке много, но именно металлов как веществ там нет. И все же – вспомним ферритин. Каждая молекула ферритина может содержать 4000 атомов железа! И возникает вопрос – не может ли в таком металлическом скоплении возникать некоторый аналог электронной проводимости?

    Есть еще один интересный момент: существуют такие вещества, которые называются электридами. Они не являются металлами, но свободные электроны все-таки в них образуются при определенных условиях. Например, кое-где существуют редкие залежи поваренной соли NaCl, имеющие синий цвет. Этот цвет они приобретают за счет того, что в дефектах их кристаллической решетки накопилось множество электронов в результате того, что расположенные рядом залежи радиоактивных элементов тысячелетие за тысячелетием облучали кристаллы соли, выбивая электроны с атомных орбиталей. За счет этих накопленных электронов такие кристаллы поваренной соли обладают слабой электропроводимостью, и такую проводимость можно или считать проводимостью третьего рода, или разновидностью проводимости первого рода.

    Когда мы рассматривали люминесцентное датирование, мы видели тот же механизм накопления свободных электронов в кристаллах песка и полевого шпата под влиянием излучения урана, тория, рубидия, радиоактивного калия и т.д. И точно так же в этом случае ионизирующее излучение бьет по атомам, многие электроны вырываются со своих электронных орбит, и часть из них не может вернуться обратно и накапливаются в ловушках. Таким образом и полевой шпат, и силикаты приобретают электрическую проводимость (надеюсь, геологи это учитывают в своих моделях).

    Но имеет ли все это отношение к клетке? Сейчас увидим, но для начала проведем несложный, но очень любопытный эксперимент (мы сможем его провести только мысленно, но в достаточно оснащенной лаборатории его нетрудно провести и в реальности). Растворим атомы натрия в жидком аммиаке. Это несложно. Так же, как происходит сольватация (а именно – гидратация) ионов натрия и хлора в воде, происходит и сольватация атомов натрия в жидком аммиаке, поскольку электроотрицательность натрия крайне мала, и он не очень-то держится за свой электрон в окружении довольно сильно полярных молекул аммиака. Итак, у нас образуется множество ионов натрия Na+, окруженных молекулами аммиака, а отобранные у натрия электроны просто болтаются снаружи этих сольватных комплексов – проникнуть обратно к натрию им мешает аммиачная сольватная оболочка. Если аммиак испарить, все вернется на круги своя. Но теперь мы сделаем кое-что неожиданное – мы добавим в раствор молекулы, которые имеют еще более сильное сродство к иону натрия. Молекулы этого вещества (это разновидность эфиров – класса молекул, которые мы еще не изучали) оттесняют молекулы аммиака и плотно обступают ион натрия. И вот теперь, если испарить аммиак, то эта сольватная оболочка не испарится, а останется вокруг ионов натрия. В итоге мы и получаем электрид – неметалл, который обладает свободными электронами, которые могут легко скользить между узлами получившегося материала. В итоге электропроводность электрида почти такая же, как у металлов.

    Внутри клетки (особенно, если это нейрон) очень много ионов калия, а снаружи – натрия. Теперь возникает вопрос: могут ли в нейроне или в его окрестностях возникать обстоятельства, при которых ионы того же натрия или калия будут отделены от своих электронов таким же или почти таким же образом, как в описанном выше опыте? Мы же знаем, что белки способны захватывать множество ионов металлов, так может они способны и другим способом отделять ионы металлов от электронов? Не окажется ли так, что по крайней мере некоторые нейроны в какой-то своей области (например, в аксонах) проявляют свойства электридов, а значит обладают обычной металлической проводимостью вдобавок к ионной?

    Есть много интересных аспектов в этой теме. Например, рассмотрим группу атомов натрия, окруженных сольватной оболочкой. Натрий обладает сильно выраженной потребностью отдавать свой единственный внешний 3s-электрон, поэтому даже легкого воздействия на него достаточно, чтобы этот электрон отцепился. Снаружи белковой оболочки, играющей роль сольватной шубы, скапливаются электроны, притягиваемые ионами натрия, но не пускаемые к нему. Мы знаем, что белки способны на удивительные вещи – они могут быть и каналами, которые избирательно пропускают те или иные ионы (в клеточных мембранах огромное количество таких ионных каналов и даже насосов, мы еще дойдем до их изучения). Представим теперь, что белковая сольватная оболочка выпускает из ловушки несколько ионов натрия – они тут же попадают в густой электронный рой, и присоединяют к себе один нехватающий электрон. А могут ли они присоединить сразу два электрона? Как ни удивительно, но да, могут. Положение единственного 3s-электрона в атоме натрия очень шатко и хлипко, но если бы на его 3s-орбитали образовалась бы электронная пара, то именно за счет своей парности она приобрела бы некоторую устойчивость. Таким образом, если мы рассмотрим натрий, окруженный электронами, то увидим процесс, похожий на динамическое равновесие между молекулами гидроксония и гидроксила в воде: часть атомов натрия будет брать один электрон, часть – сразу два, после чего отдавать лишний электрон, после чего отдавать и второй электрон, после чего снова их брать… вот и получится, что в каждый конкретный момент мы будем иметь набор ионов натрия – как имеющих заряд +1, так и заряд -1! А значит – мы имеем электрическую проводимость еще одной разновидности.

    Надо сказать, что сама по себе специфика органических молекул делает электричество значимой силой в живой клетке – как в форме статического электричества, так и виде электрических токов. Дело в том, что, как мы знаем, атомы углерода способны образовывать углеродные цепи, порой довольно длинные. Способность атомов некоторого химического элемента образовывать разветвленные и неразветвлённые цепи называется катенацией. Более узко этот термин понимается как способность атомов одного и того же химического элемента образовывать длинные цепи. При наших условиях именно углерод обладает наиболее ярко выраженной способностью к катенации – неудивительно, что именно углерод и стал элементной основой жизни, образуя бесчисленные разновидности молекул, которые мы называем органическими. В принципе, и другие элементы способны к катенации: это и кремний, и сера, и фосфор, и даже селен и теллур (как мы уже знаем, азот при очень низких температурах обладает даже более сильной способностью к катенации, чем углерод при наших условиях, но сейчас мы рассматриваем жизнь при земных условиях). Именно поэтому предпринимаются попытки чисто теоретически рассмотреть возможность возникновения жизни на кремниевой или серной основе при условиях, значительно отличающихся от земных, но все-таки что касается нашей жизни, то в привычных нам условиях цепочки, созданные другими атомами помимо углерода, значительно уступают углеродным в своей прочности, способности к мобильной перестройке, образовании связей с другими атомами. Длинные цепочки, составленные из атомов углерода, являются неотъемлемой частью любой клетки, причем некоторые из них прямо-таки очень длинные. Мы еще будем изучать в разделе про жиры так называемые жирные кислоты, и некоторые из них настолько длинные, что для их изображения приходится сворачивать их пополам. Вот, например, изображение гексатриаконтановой кислоты, которую можно выделить из сахарно-тростникового воска, и которую мы используем в медицине («гексатри» — значит 36):

    Важно здесь то, что в таких цепочках происходит делокализация сигма-электронов, то есть мы уже не можем сказать, что такой-то σ-электрон, участвующий в образовании σ-связи между двумя углеродами этой цепочки, принадлежит тому или иному углероду: фактически, электроны, образующие σ-связи в углеродной цепочке, являются обобществленными электронами всех углеродов и могут взаимозаменяться. С примером аналогичной делокализации электронов мы уже сталкивались в ароматических молекулах, но там речь шла о π-электронах. Эти два типа делокализации отличаются, конечно же, друг от друга по физическим свойствам, но оба существуют. А что означает факт такой делокализации с точки зрения электромагнетизма? То, что каждая углеродная цепочка является электрическим проводником – не таким ярко выраженным, как металлический провод, конечно, но вполне приличным для того, чтобы оказывать влияние на протекание процессов в клетке. Неожиданно высокая электропроводность углеродных цепочек была открыта еще в 1989 году, но я бы не сказал, что с тех пор электробиология смогла выделиться в отдельную дисциплину на стыке биохимии и физики. Чтобы передавать электричество от электростанции до твоего компьютера, потребуются металлические провода с изоляцией, но расстояния в клетке имеют совсем другой порядок, и для клеточных масштабов углеродные проводники могут вполне эффективно выполнять свою роль, а атомы водорода, принадлежащие метиленовым группам, могут играть роль изоляторов. А если по проводнику протекает электрический ток, значит он окружен магнитным полем. Таким магнитом не притянешь гвоздь, но в клетке и гвоздей-то нет, и две соседние углеродные цепочки вполне могут оказывать такое магнитное влияние друг на друга, что это может иметь важные последствия для клеточной физиологии. Это все пока что остается по большей части terra incognita в биологии.

    Исследование электричества, а особенно магнетизма живой клетки – огромная область, которая еще преподнесет нам немало открытий. Ученые, которые захотят в этом разбираться, помимо соответствующего уникального оборудования должны еще обладать знаниями в области электричества и магнетизма (а значит и матанализа) на очень высоком уровне. Ты можешь начать с обычного университетского курса матанализа (например Фихтенгольц, или Никольский, или Кудрявцев, или хотя бы Хинчин, при этом нет необходимости ясно понимать ход доказательств теорем – достаточно понимать их смысл и двигаться дальше), продолжить учебником Тамма «Основы теории электричества», а дальше тебе уже видно будет. На это может уйти два-три года совершенно неспешного изучения в свое удовольствие, но спешки и нет.

    В завершение этой главы коснемся еще одного аспекта цветового восприятия. Мы знаем, что лес – зеленый, и мы его воспринимаем зеленым потому, что хлорофилл отлично поглощает лучи света в сине-фиолетовой и в красной части спектра. Если концентрация хлорофилла достаточно высока, то он полностью поглощает также голубые, желтые и оранжевые лучи, а вот минимум поглощения лежит как раз в зеленой части спектра: такова молекулярная структура хлорофиллов. Это знают многие, но есть кое-что особенно интересное в этой теме. Во-первых, хлорофилл все-таки хоть и слабо, но поглощает зеленую часть спектра, а это значит, что при очень высокой концентрации хлорофилла зеленый свет также не будет им отражен и поглотится. Во-вторых, все-таки есть такой диапазон видимого света, который хлорофилл вообще не умеет поглощать – это дальние красные лучи, лежащие почти что на самой границе инфракрасного света. Поэтому если мы нальем в стакан концентрированный раствор хлорофилла, и вместо того, чтобы его выпить, подсветим снизу (закрыв чем-нибудь непрозрачным стенки стакана, чтобы в него сбоку не проходил свет), то увидим удивительную картину: цвет хлорофилла меняется от ярко-зеленого в самом низу до вишнево-красного в самом верху. В силу этой же причины иногда в особенно густом лесу мы можем видеть таинственное (уже нет) вишнево-красное свечение, исходящее как бы отовсюду.

    Наука раскрывает многие тайны, но сожалеть об этом бессмысленно, потому что она при этом открывает перед нами гораздо больше новых тайн, в том числе и с помощью технологий, созданных на научной основе. А кроме того, наш психический мир содержит в себе гораздо больше тайн, чем все атомы, молекулы, клетки, ткани, органы и физиологические системы, вместе взятые:)