Читать книгу Борьба со старением, или Не все мы умрем… - Сергей Огнивцев - Страница 9

Не пугайтесь! Мы, как всегда, постараемся рассказать об этих сложных предметах просто и понятно. По моему глубокому убеждению, разобраться в устройстве такой сложнейшей системы, как клетка, без знания фундаментальных основ взаимодействий, происходящих на молекулярном и субмолекулярном уровнях, не удастся.

Физика – это всегда количественное описание объектов и процессов: размеры, время, скорости и т. д. Это, конечно, сложнее, чем словесное описание, но накопленный человечеством опыт показывает, что только так можно познавать мир.

Мы будем по возможности следовать путем, проложенным физикой и другими естественными науками. Начнем с размеров. Для молекул и клетки обычные наши размеры слишком велики. Для них лучше подходят миллиардные доли метра – нанометры[25]. Помните, еще лет пять назад слово «нано» было очень модным. Сейчас оно подзабылось, но в биофизике клетки нанометры необходимы.

Атомы имеют характерный размер – около десятой доли нанометра. (Размер самого маленького атома водорода, равный 0,1 нм, носит красивое название Ангстрем[26], но это помнить необязательно.) Небольшие химические молекулы имеют размер около 1 нм. А вот органические молекулы, состоящие из множества белков, уже в 10 раз больше – примерно 10 нм. Сама клетка в 1000 раз больше, чем самая большая молекула. Ее размер равен 10–50 тысяч нанометров, или 10–50 микрон[27].

Рис. 1.2.1. Изменения свойств элементов периодической таблицы

Атомы всех имеющихся в природе химических элементов (всего их 118, элементы с номерами от 93 до 118 получены искусственно в ядерных реакторах) состоят из протонов, нейтронов и электронов. Номера элементов равны числу протонов в ядрах (заряд ядра) или электронов, окружающих ядро.

Современная формулировка Периодического закона: «Свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов элементов (порядкового номера)».

На рис. 1.2.1 наглядно показано, что в левой части таблицы находятся металлы, отдающие электроны, и другие доноры-восстановители, а в правой – элементы, принимающие электроны, – акцепторы-окислители[28].

Атомы, связываясь с другими атомами, стремятся создать наиболее устойчивые общие электронные оболочки, то есть так объединить свои электроны, чтобы их общая потенциальная энергия была минимальной. Это один из фундаментальных законов природы: всё стремится к состоянию с минимальной потенциальной энергией, и только такое состояние является устойчивым. По современным квантово-механическим представлениям, электроны являются квантовыми объектами, то есть представляют собой не частицы, а размытые множества-облака, в каждой точке которых электрон может пребывать с некоторой вероятностью. Это трудно, а для наших целей не очень-то уж нужно понимать. Будем представлять себе электроны просто как заряженные распределенные объекты типа облаков. Электроны в атоме располагаются на разных уровнях-оболочках. При этом химические свойства элементов зависят только от количества электронов на внешней электронной оболочке.

Несколько электронов, взаимодействуя, образуют причудливые конфигурации, каждая из которых может характеризоваться определенной потенциальной энергией. Мир устроен так, что наиболее устойчивыми являются конфигурации с максимально заполненными внешними электронными оболочками[29]. Такую конфигурацию имеют инертные газы, и заполненные внешние электронные оболочки придают им устойчивость и, следовательно, инертность, то есть нежелание вступать в какие-либо химические взаимодействия. Все остальные атомы стремятся совместно с другими атомами создать такие же устойчивые, как у инертных газов, электронные оболочки.

Образуя молекулы, атомы элементов притягивают к себе электроны с разной силой, прямо пропорциональной их электроотрицательности[30]. Металлы имеют электроотрицательность на уровне 1, такие неметаллы, как углерод, сера, бром, водород, и металлы – медь, цинк, железо – электроотрицательность, близкую к 2, такие неметаллы, как фтор и хлор, – на уровне 3 и 4.

Существует несколько типов химических связей между элементами. Все химические связи вызваны одной единственной силой электростатического притяжения, или кулоновской силой. Все связи объясняются перетягиванием электронов от одного атома к другому.

Если молекулу образуют элементы с высокой и низкой электроотрицательностью, например, Na и Cl, то элемент с высокой электроотрицательностью (Cl) перетягивает электрон на свою электронную орбиту и сам становится отрицательным. При этом элемент с низкой электроотрицательностью остается без своего электрона и становится положительном. Положительный и отрицательный заряды притягиваются и образуют весьма устойчивую связь, именуемую ионной, поскольку фактически притягиваются положительный ион Na⁺ и отрицательный ион Cl^-.

Ковалентная связь (основная химическая связь в органических соединениях) образуется при взаимодействии атомов, электроотрицательности которых отличаются незначительно. Такая связь возникает в результате обобществления валентных (находящихся на внешней оболочке) электронов, которые до образования связи принадлежали двум атомам. В процесс обобществления могут вовлекаться не только два, но и четыре, и шесть электронов. В результате образуется устойчивая электронная конфигурация инертного газа, например для воды.

Из рисунка 1.2.2 видно, что в такой конфигурации у кислорода имеется внешняя оболочка, заполненная до инертного газа неона (8 электронов), а у водорода – до инертного газа гелия (2 электрона). При этом образовавшаяся устойчивая конструкция несимметрична. Молекула воды представляет собой диполь: та часть молекулы, где находится водород, заряжена положительно, а часть, где находится кислород, – отрицательно.

Рис. 1.2.2. Ковалентная связь молекулы воды

Связываясь с атомом наиболее электроотрицательных элементов (фтор, кислород, хлор и азот), атом водорода приобретает положительный заряд. При этом в отличие от других атомов водород, отдавший электрон, является ядром, абсолютно лишенным электронной оболочки. Размеры ядра в тысячи раз меньше размера атома. Поэтому водород может подойти очень близко к другим атомам – электронная оболочка ему уже почти не мешает. Если рядом находится другой диполь, водород притянется к его отрицательному концу. Так образуется водородная связь. Она в 4–10 раз менее прочна, чем ковалентная и ионная. Водородные связи часто встречаются в молекулах белков, нуклеиновых кислот и других биологически важных соединений, поэтому эти связи играют важную роль в биохимии.

Ковалентная и водородная связи составляют основу биохимии. Используя ковалентную связь, аминокислоты могут связываться в огромные по размеру и весьма сложные белки[31].

Для наиболее продвинутых и любознательных читателей поясним, что для построения сложных белков служит ковалентная связь между атомами азота и углерода.

От одной аминокислоты с конца COOH (карбоксила) отщепляется – OH, а от конца с NH₂ (аминогруппы) – другой – H, из них образуется вода (H-O-H, или хорошо знакомая всем H₂O). Освободившиеся при этом электроны образуют ковалентную связь между C и N. Ковалентную связь между двумя аминокислотами принято называть пептидной[32].

Рис. 1.2.3. Образование пептидной (ковалентной) связи между двумя аминокислотами

В белковых цепях атомы водорода, ковалентно связанные с атомами азота (левый конец на рисунке 1.2.3), взаимодействуют с атомами кислорода соседней цепи или другого участка этой же цепи (справа) и образуют водородную связь. Все сложные белки содержат сотни водородных связей, которые сворачивают их в причудливые формы (шары, спирали и т. д.).

Водородная связь играет важнейшую роль в построении молекул ДНК и РНК, задающих и передающих генетический код. ДНК состоит из четырех типов элементов, которые называют нуклеотидами.

Рис. 1.2.4. Двойная спираль ДНК

Каждый нуклеотид состоит из одинакового для всех связующего звена, состоящего из сахара и остатка фосфорной кислоты, и одного из четырех разных кодирующих элементов: аденина, гуанина, тимина или цитозина. Связующие элементы создают между собой прочные ковалентные связи (азот – углерод), вместе образующие спираль, напоминающую штопор. Кодирующие элементы связываются друг с другом водородными связями: аденин с тимином двумя водородными связями, а гуанин и цитозин – тремя. Через мостики кодирующих элементов две спирали ДНК связываются, образуя двойную спираль с перемычками, напоминающую лесенку (рис. 1.2.4).

Так устроена основная молекула жизни!

РНК отличается от ДНК незначительно. Во-первых, в качестве связующего звена используется другой тип сахара – не дезоксирибоза, а просто рибоза. Во-вторых, вместо тимина РНК использует другое основание – урацил.

Ковалентная и водородная связи определяют многие свойства основы нашего тела – воды. Ковалентная связь создает асимметрию молекулы воды и создает ее двухполюсную структуру, кратко диполь. То есть отрицательно заряженный атом кислорода в молекуле воды несколько отстоит от положительных ядер атома водорода (как показано на рис. 1.2.2).

Образование диполя – фундаментальное свойство воды. Если воду поместить в электрическое поле, то диполи начнут переориентироваться так, чтобы ослабить приложенное поле. Такая картина наблюдается во многих средах, но только вода ослабляет внешнее электрическое поле так сильно – в 81 раз!

Рис. 1.2.5. Диполи воды выстраиваются во внешнем электрическом поле так, чтобы его ослабить

На рис. 1.2.5 (слева) показаны диполи воды без внешнего поля, а справа – при наличии поля E₀. Диполи воды выстраиваются в направлении, противоположном внешнему полю. В результате оно ослабляется, причем, как показывают измерения, в 81 раз.

Точно так же ослабляются ковалентные и водородные связи в воде. Именно это делает их менее устойчивыми и создает возможности для их разрыва и образования новых связей. Это открывает возможности для различных превращений органических молекул, которые и являются сущностью нашей жизни. Во Вселенной нет больше такой замечательной среды для протекания жизненных процессов, как вода. Так что нам, в который уже раз, исключительно повезло! Воды на Земле оказалось предостаточно для развития жизни.

Рис. 1.2.6. Кластеры водных молекул

Асимметрия обеспечивает образование водородных связей между молекулами воды. Атом водорода, находящийся на положительном полюсе одной молекулы воды, притягивается к атому кислорода, находящимся на отрицательном полюсе другой молекулы воды. Так молекулы воды сцепляются в кластеры (рис. 1.2.6). При охлаждении из этих кластеров образуются кристаллы льда и снежинки. На реально существующем свойстве кластеризации воды основаны спорные гипотезы о «памяти воды» и обоснования действия гомеопатических лекарств[33].

В клетке вода окружает все органические молекулы. Диполи воды создают между ними энергетические барьеры, которые нужно как-то преодолевать. То есть взаимодействию двух молекул препятствуют электростатические силы отталкивания окружающих каждую молекулу диполей воды.

Клетка представляет собой водную среду в пластичной оболочке, в которой находится множество органических молекул. Все молекулы в клетке постоянно движутся с большой скоростью, но на очень маленькие расстояния, сталкиваясь в основном с молекулами окружающей их воды. Это хаотическое тепловое, или броуновское движение (припоминаете?). Каждая молекула, находящаяся в клеточном «коктейле», пребывает в хаотическом подрагивании или трепетании. Если бы диполи воды не отталкивали бы молекулы и не препятствовали их соединению, органические молекулы слились бы между собой, и жизнь, представляющая собой постоянно идущие химические реакции, прекратилась, так и не начавшись.

Диполи воды как бы изолируют белковые и другие органические молекулы и препятствуют спонтанным, то есть не санкционированным организмом внутриклеточным реакциям. Для того чтобы химическая реакция началась и успешно прошла, нужно каким-то образом преодолеть силу отталкивания диполей воды и создаваемый ими барьер.

Работу фермента легче всего представить себе следующим образом. Фермент представляет собой довольно большую белковую молекулу. Одна его часть временно скрепляется с первой органической молекулой (субстрат), которая должна вступить в реакцию, а другая часть – со второй молекулой. Фермент расчищает пространство между реагирующими молекулами от диполей воды, что позволяет им соприкоснуться и соединиться друг с другом в новое устойчивое соединение – продукт реакции. После этого фермент отпускает новое соединение (продукт) в свободное плавание по клетке. Он вновь готов к работе.

Другие ферменты расщепляют субстрат на отдельные продукты, как показано на рис. 1.2.7. В этом случае фермент создает между частями субстрата щель, в которую проникают надежно разъединяющие продукты молекулы воды.

Рис. 1.2.7. Как работает фермент

В клетке одновременно проходят тысячи химических реакций, и каждую из них обслуживает отдельный фермент, не похожий на другие. Без фермента невозможна биохимическая реакция. Каждая реакция может одновременно проходить в разных частях клетки. Поэтому чем больше ферментов, специфических для этой реакции, тем интенсивнее она будет проходить. Следовательно, влияя на количество ферментов, можно регулировать интенсивность реакции. Каждый белок и, значит, каждый фермент вырабатываются определенным геном. Интенсивность выработки белка, как вы уже, надеюсь, помните, соответствует экспрессии гена, которая регулируется эпигенетическими факторами. Отсюда следует, что мозг, подавая команды через специальные сигнальные молекулы-гормоны или через нервную систему, может эпигенетическими факторами воздействовать на экспрессию генов и, таким образом, регулировать интенсивности всех реакций в клетке.

Это главный механизм, регулирующий все химические реакции в клетке.