Энергия жизни. От искры до фотосинтеза
Шрифт:
Тем не менее при обычных условиях такого, как правило, не случается. Органическое вещество может существовать годами, и никакой дегидрогенизации с ним не происходит, пока оно не окажется в центре значительного изменения уровня свободной энергии.
Понятно, что потребуется еще и значительное количество энергии активации. В 1935 году Михаэлис (тот самый, один из авторов формулы Михаэлиса— Ментена) указал, что крайне маловероятно, чтобы органическое соединение потеряло два атома водорода одновременно. Гораздо вероятнее, что сначала оно потеряет один атом, а потом — второй. То есть должна существовать некая промежуточная форма, когда один электрон уже утрачен, а второй — еще нет, и в этот момент вещество будет представлять собой свободный радикал.
Свободный радикал — нестабилен, а для его создания требуется приложить много свободной энергии. С потерей второго электрона энергозатраты более чем восполнятся; однако сначала все же надо оторвать первый электрон, а для этого надо найти энергию активации, и именно эта сложность и не дает всем органическим соединениям (включая те, из которых состоим мы сами) немедленно разложиться на воду и углекислоту.
Однако в тканях имеются ферменты, катализирующие дегидрогенизацию при комнатной температуре. Это делается за счет снижения энергетического содержания свободного радикала — его стабилизации, иными словами. Таким образом, энергия активации уменьшается до той точки, при которой кинетической энергии молекул при комнатной температуре оказывается достаточно, чтобы приводить к образованию свободных радикалов. Когда это происходит, то, разумеется, тут же теряется и второй атом водорода и образуется двойная связь.
Но каким же образом стабилизируется свободный радикал?
На протяжении всего XIX века химики пытались создать вещества, которые мы сейчас называем свободными радикалами и которые существовали бы хоть сколько-нибудь долго, но ничего у них не выходило. Получилось это, наконец, у американского биохимика Мозеса Гомберга только в 1900 году. Гомберг показал, что некоторые сложные свободные радикалы можно заставить существовать неопределенно долго, и об их существовании свидетельствует цвет раствора.
Первый созданный таким образом свободный радикал, трифенилметил, состоит из атома углерода, соединенного с тремя бензольными кольцами. (Сам бензол состоит из шести атомов углерода и шести атомов водорода, объединенных в симметричное замкнутое кольцо.) Все три бензольных кольца, как нам известно, находятся в одной плоскости и расположены симметрично относительно центрального атома углерода, как изображено на рис. 56.
Но с чего вдруг этот конкретный свободный радикал оказался таким стабильным? Впервые разумно объяснить это смог американских химик Лайнус Полинг только в начале 30-х годов XX века. Полинг взял на вооружение теории 20-х годов о том, что электрон — это не крошечный шарик, лишенный собственных свойств, а совокупность волн, способных размываться по большему или меньшему пространству, в зависимости от обстоятельств.
Основываясь на представлении о волновой природе электронов, Полинг разработал математическую теорию, которую назвал «теорией резонансов». Помимо прочего, с помощью этой теории он смог показать, что чем в большей степени непарный электрон способен размываться, тем более он стабилен.
Вероятность размывания электрона больше в тех случаях, когда молекула, в состав которой он включен, расположена в одной плоскости и симметрична. Трифенилметил Гомберга идеально удовлетворяет этим требованиям. На рис. 56 я изобразил непарный электрон в виде точки, но это уже не соответствует реальным представлениям химиков о природе электрона. Правильнее было бы изобразить его в виде-туманности, обволакивающей молекулу, с симметричными областями высокой концентрации на некоторых участках.
Михаэлис, услышав про теорию резонанса, указал, что соединение фермента с субстратом — гораздо более симметрично, чем молекула субстрата сама по себе. В таком случае свободный радикал субстрата, объединенного с ферментом, будет гораздо более устойчивым соединением, чем просто свободный радикал субстрата, и для образования свободного радикала из комплекса «субстрат-фермент» потребуется гораздо меньше энергии, чем для образования свободного радикала из просто субстрата, — именно за счет этого фермент столь успешно катализирует реакцию.
Вернемся же к судьбе тех двух атомов водорода, которые были удалены из органического вещества путем дегидрогенизации. Один из возможных вариантов — что они объединятся в молекулу газообразного водорода и улетят. Однако при дегидрогенизации органических веществ в живой ткани этого, как правило, не происходит, за исключением тканей нескольких видов бактерий.
Альтернативный вариант — атомы перейдут к некоей «принимающей» молекуле, которая, приобретя атомы водорода, таким образом «восстанавливается». В качестве варианта такой молекулы напрашивается кислород, значит, пора нам присмотреться к электронному строению этого элемента.
В атоме кислорода восемь электронов, два во внутренней оболочке и шесть — во внешней. В электронной записи этот атом можно отобразить так:
В обычных условиях этот атом в свободном виде не встречается, а существует по парам, составляющим молекулу кислорода. Логично предположить, что при этом у двух атомов формируется общее множество из двух пар электронов, так что в оболочке каждого из них оказывается вожделенная восьмерка:
Проблема в том, что кислород обладает, ко всему прочему, еще и сильным магнетическим действием, и химики уверены, что причиной тому — наличие непарных электронов. Так что более вероятной кажется вот такая картина:
Это уже два свободных радикала, которые тем не менее являются стабильными. Достаточно интересное исключение для тех, кто занимается теоретической химией, но мы сейчас в это углубляться не будем.
Такая молекула кислорода легко может принять два атома водорода следующим образом (привожу как «электронную», так и обычную запись):
H2O2 — это перекись водорода, достаточно нестабильное соединение, имеющее тенденцию к расщеплению на воду и кислород: