Открытия Луи Пастера

В 1848 г. Л. Пастер, исследуя под микроскопом одну из солей винной кислоты, заметил, что она существует в виде кристаллов двух типов, каждый из которых является зеркальным отображением другого[3]. Он отделил эти два типа кристаллов друг от друга, растворил их в воде, чтобы получить растворы и пропустил через них луч поляризованного света. К своему удивлению, Пастер увидел, что различие в симметрии сохраняется и при растворении кислоты – один из растворов вращал плоскость поляризации света по часовой стрелке, а другой – в обратном направлении.

Это открытие, сделанное Пастером в возрасте 25 лет, привело его к развитию теории молекулярной структуры. Пастер постулировал, что две разные формы кристаллов соли винной кислоты, и их способность вращать плоскость поляризации света в противоположных направлениях объясняются тем, что существует два вида молекул соли – „правые” и „левые”.

Через девять лет произошло ещё одно любопытное событие. Однажды он обнаружил, что в лабораторной чашке с оптически неактивным (т.е. не вращающим плоскость поляризации света) раствором выросла плесень. Испорченный раствор следовало просто вылить. Вместо этого Пастер, будучи по образованию физиком, проверил его оптическую активность. Оказалось, что испорченный раствор стал вращать плоскость поляризации света! Плесень превратила оптически неактивный раствор в активный!

Пастер заключил, что исходный раствор содержал равное количество правых и левых молекул и потому был оптически неактивным. Но плесень использовала для своего питания молекулы только одного вида, и в растворе стали преобладать молекулы другого вида. Эта диспропорция и породила оптическую активность раствора.

Теперь химики называют зеркально асимметричные молекулы L- и D-изомерами (от лат. Levo – левый и Dextro – правый), или энантиомерами. Ещё их называют хиральными молекулами (отceir, cheir – рука).

По отношению к хиральным молекулам нужно чётко различать два понятия. Во-первых, обозначение конфигурации. Оно основано на договорённости: решили обозначать правовращающую винную кислоту символом D – так и поступаем, хотя могли бы обозначать и символом L. Всё сводится к условности, более глубокого смысла в обозначениях нет.

Во-вторых, определение конфигурации. Это экспериментальная работа, выполняемая химическими и физическими методами, чтобы установить, какая из двух зеркальных пространственных моделей отвечает правовращающему энантиомеру, а какая – левовращающему. Здесь уж никакой условности нет; при определении конфигурации должно быть строго выяснено, что данный стереоизомер имеет именно такое, а не другое пространственное строение.

Эти два понятия не зависят друг от друга, и при полной определённости пространственной конфигурации вопрос о её обозначении может решаться по-разному. Например, для часто упоминаемых дальше аминокислот и сахаров (точнее – моносахаридов) обозначения выбирают на основе записи их формул по системе Фишера. Если H₂N- или HO-группа в стандартно написанной формуле Фишера расположена слева – принимается обозначение L, если справа – обозначение D [Потапов, 1988].

Конфигурация хиральных молекул влияет на форму кристаллов, на спектры ядерного магнитного резонанса вещества в хиральных растворителях, на его отношение к хиральным реагентам и особенно, к ферментам. Но чаще всего исследуется поворот плоскости поляризации проходящего через раствор света, и здесь возникает ещё один повод для путаницы. При одной и той же конфигурации молекул, направление поворота плоскости поляризации может меняться в зависимости от природы растворителя, концентрации и температуры раствора, длины световой волны.

Например, одни и те же молекулы винной кислоты, которые при растворении в этилацетате или в диэтиловом эфире вращают поляризацию вправо, в растворе хлороформа ниже 36°С поворачивают её влево, а выше – вправо. Водный раствор аспарагиновой кислоты, наоборот, при комнатной температуре поворачивает поляризацию вправо, а при нагреве – влево. Одни и те же молекулы яблочной кислоты в водном растворе при концентрации 64% являются правовращающими, а при 21% – левовращающими и т.д.

Но, пожалуй, наиболее удивляет то, что при путанице, вносимой растворителями, концентрациями, температурами и длинами волн, да ещё при отсутствии связи между истинной конфигурацией молекул и обозначением конфигурации, вся живая природа использует, как правило, аминокислоты, называемые левыми (L), а в нуклеиновых кислотах – моносахариды, называемые правыми (D). Исключения лишь подчёркивают общее правило, так как всегда почему-то связаны с неординарными ситуациями (см., например, в гл. 4.3.5. об использовании D-аминокислот в пептидогликановой молекуле, представляющей собой целостную оболочку бактерии). Возможно, в принятом химиками правиле обозначения хиральностей молекул скрыт некий глубинный смысл, воспринятый авторами на уровне интуиции, который пока не удаётся понять и внятно выразить.

Хотя левый и правый объекты, по определению, не идентичны, Пастер не мог a priori считать, что один из них имеет преимущество перед другим. Предпочтение живых организмов к молекулам с определённой хиральностью [4] потребовало научного объяснения. Но не тут-то было! Прошедшие полтора столетия развития науки такого объяснения не дали.

Но представим себе, что в водах древнего Океана, едва на Земле возникла жизнь, появились бы клетки с разной хиральностью молекул. К чему бы это привело? Могли бы следы подобной ситуации сохраниться до наших дней?

Оказывается, антагонизм между клетками-водорослями (и вообще организмами), вызываемый разной хиральностью молекул, минимален, и не идёт ни в какое сравнение с жестокой борьбой за существование в знакомой нам живой Природе с общей хиральностью молекул. Действительно, ведь организмы с „левой” хиральностью не годятся в пищу организмам с „правой” хиральностью, и наоборот!

Но нельзя сказать, что при встрече в Океане двух клеток хиральность их молекул не имела никакого значения. В одном случае – это пища или враг, в другом – нейтральный объект, что важно определить на расстоянии, ещё до контакта с ним. Должны были помочь хеморецепция[5], свойственная даже примитивным клеткам, а также различие запахов левых и правых вариантов соединений. Например, известно, что один из хиральных изомеров лимонена придаёт характерныйзапах лимону, а другой хиральный вариант – апельсину. (Можно заметить, что разные энантиомеры одного и того же вещества имеют также разный вкус – природная L-глутаминовая кислота, в нашем восприятии, улучшает вкус пищи и используется как пищевая добавка, а D-глутаминовая кислота для нас безвкусна.)

Вероятно, при существовании двух ветвей жизни, отличающихся хиральностью молекул, запахи своих „сохиральников” воспринимались бы как более привлекательные, а запахи организмов другой линии – как отталкивающие. При переходе к многоклеточным организмам хеморецепция должна была бы развиться в обонятельные и вкусовые рецепторы. Такой мир представлял бы, в восприятии каждого животного, головоломную смесь приятно и неприятно пахнущих, вкусных и безвкусных частей.

Организмам с разной хиральностью в такой ситуации пришлось бы сторониться друг друга, ещё и потому, в частности, что чужая ветвь Жизни могла случайно оказаться ядовитой. Оказалось, что молекулы одного и того же вещества могут при одной хиральности быть полезными для организма, а при другой – отравлять его. Эту ситуацию иллюстрирует нашумевший скандал с талидомидом, который принимали многие беременные женщины. В 1963 году выяснилось, что пока один энантиомер этого хирального соединения помогал женщинам избавиться от утренней тошноты, другой вызывал нарушение эмбрионального развития ребёнка, вёл к рождению уродов. С тех пор фармацевты стали уделять особое внимание хиральной очистке веществ, тщательному разделению энантиомеров.

* * *

Но вернёмся в наш мир с единой хиральностью аминокислот и также единой, но противоположной, хиральностью моносахаридов в нуклеиновых кислотах. Попытаемся понять причины такой асимметрии. Строго говоря, вся Вселенная асимметрична, начиная с уровня внутриядерных взаимодействий в каждом атоме. Однако это общее положение, само по себе, ещё не способно объяснить существующую картину асимметрии биологических молекул.

Ситуация с симметрией во Вселенной достаточно сложна. В микромире, в атомном ядре – симметрии нет, благодаря чему нас окружает именно материя, но не антиматерия, и мы живём в устойчивом мире, где не происходит постоянная аннигиляция. Если бы Вселенная вдруг стала симметричной на уровне элементарных частиц и атомов, т.е. в веществе перемешались бы материя и антиматерия, произошёл бы невиданной силы взрыв, переводящий вещество в излучение. Но при чём здесь однообразие хиральности молекул организмов?

Дата добавления: 2015-07-08