Большая часть поверхности нашей планеты покрыта морями и океанами. В поисках новых месторождений нефти и руд человеку приходится все чаще вторгаться во владения Нептуна, в пресловутый «мир безмолвия». Такие вторжения таят в себе огромную опасность, различные неожиданпости, что подтверждают свидетельства самих участников событий.
Попытки решения данной проблемы предпринимаются уже около 100 лет. Исходным при этом является понимание того, что искомое решение не может иметь частный характер, так как не только анестетические свойства присущи очень широкому классу веществ, но и воздействие анестетиков не ограничивается одной лишь нервной системой. Хорошо известно, что газовый наркоз затрагивает все элементы организма и все ткани, «оглушая» их, временно блокируя чувствительность, восприимчивость и реактивность. Поэтому естественно ожидать, что механизм анестезии базируется на каких-то наиболее общих свойствах анестетиков, с одной стороны, и биологических молекул — с другой.
Метод ЯМР (ядерного магнитного резонанса) использует стремление вращающихся тел, например волчка, сохранять неизменным направление осп вращения. Такими вращающимися «телами» могут быть ядра атомов водорода, углерода, азота, фосфора и т. д., обладающие собственным вращательным, или спиновым (от to spin — вращать), моментом. Под действием внешних сил тяжести волчок прецессирует вокруг направления силы, а частота прецессии пропорцибнальна действующей силе (теорема Лармора). Для прецесси-рующих атомных ядер наиболее ощутимой внешней силой являются магнитные поля. Частота прецессии и в этом случае пропорциональна действующей силе, т. е. напряженности магнитного поля.
Идея о связи токсического действия с расслоением водных растворов позволяет дать новое освещение эффектов токсических веществ, включая такие тонкие особенности, как связь активности с конформацией инертной части молекулы и с присутствием солей в растворе.
Энкефалины, а также имитирующие их опиаты до некоторой степени подобны ферментам, поскольку соединение их с рецептором (который можно считать субстратом) влечет за собой определенное биохимическое превращение. Антагонисты морфия, в частности налорфин, останавливающие реакцию расслабления, должпы рассматриваться Бак ингибиторы, конку-рирующие в «борьбе» за акцептор с молекулами морфия. Ингибиторами следует считать и тетродотоксин, и сакситоксин, и другие нервные яды, выигрывающие в конкурентной борьбе за натриевый канал и эффективно ингибирующие- совокупность превращений, связанных с распространением сигнала действия вдоль аксона.
Свойство кураре вызывать в соответствующей концентрации расслабление или «сон» мускулатуры высоко ценили хирурги и апестезиологи. При хирургических вмешательствах в организм человека, особенно при длительных и сложных, применение курареподобных веществ в комплексе с общими анестетиками вызвало подлинную революцию в хирургической практике. Известны блестящие результаты употребления малых доз кураре в терапии при лечении столбняка, эпилепсии и даже некоторых желудочных заболеваний. Поэтому с кураре связываются не только сильные эмоции в приключенческой литературе, но и надежды на перспективное лекарственное средство. Практическое применение стимулировало всестороннее и детальное исследование, что привело к выяснению как химической природы, так и механизма действия кураре.
Конечно, «сказка — ложь», но, может быть, существует растение, сок которого обладает своеобразным опьяняющим действием? Хотя реконструкция подлинного смысла древних текстов — дело рискованное, в данном случае решенпе вопроса облегчается тем фактом, что в некоторых районах Индии и Ирана до наших дней сохранились о<?татки древних культов в форме так называемого зороастризма. Современные почитатели «Авесты» (к .ним относятся парсы в Индии и гебры в Иране) приготовляют сому из растущего на иранском нагорье хвойника — эфедра. Считается достаточно вероятным, что и древние индо-иранцы также готовили священный напиток пз этого горного растения, многие разновидности которого богаты алкалоидом эфедрином.
Метоксильные группы подобно гидроксильным могут быть акцепторами водородных связей с молекулами воды, но не могут быть их донорами, как ОН-группы. Поэтому замещение гидроксильных групп в дофамине на метоксильные (в результате чего-получена молекула мескалина), хотя и мало влияет на химические свойства, но сильно изменяет характер взаимодействия молекул с водой Можно полагать, что более крупные .молекулы мескалина, обогащенпые тремя метальными группами, будут существенно повышать вероятность расслоения растворов дофамина, и поэтому мескалин может играть роль ингибитора всех процессов, чувствительных к дофамину.
Однако сама по себе модель «работающего» мембранного белка пока что остается гипотетической, базирующейся в основном на косвенных данных. Но следует подчеркнуть, что прямые подтверждения этой модели чрезвычайно затруднены особыми свойствами мембранных белков. По своей сути мембранный белок должен одновременно хорошо взаимодействовать с жирами (для закрепления его в липидной мембране) и водой, в которой растворены сигнальные и другие биологически ваяСные вещества. Двойственная природа прпводиг к значительным трудностям выделения и очистки подобных веществ для структурных исследований. К тому же несомненно, что выделение из «естественной» среды вызовет искажение формы белка и утрату активности.
В своем широко известном рассмотрении проблемы старения на клеточном уровне американский биохимик Л. Хейфлик указывает на три процесса, связанных со старением. Один из них — ослабление функциональной эффективности неделящихся клеток: нервных, мышечных и других. Второй — это хорошо известное постепенное увеличение с возрастом «жесткости» коллагена, на долю которого приходится более трети веса белков организма. Наконец, существует третий процесс — ограничение клеточного деления на уровне примерно 50 поколений. Это относится, в частности, к фибр областам — специализированным клеткам, производящим коллаген и фибрин и утрачивающим способность к делению в клеточных культурах к 45—50 поколениям.
Понятие о критической точке было впервые введено Д. И. Менделеевым в 1860 г. при описании равновесия между жидкостью и паром. Температура кипения с ростом внешнего давления возрастает, но одновременно уменьшается величина скачка объема при кипе пии, или разница объемов, занимаемых 1 г жидкости и пара. Существуют определенные температура и давление, при которых еще можно говорить о «кипении», но кипении особого рода, когда объем, занимаемый 1 г жидкости, равен объему 1 г пара. Эти температура и давление называются критическими, а на р—Т диаграмме им отвечает точка, которой оканчивается кривая разделения жидкой и газообразной фаз. Это и есть критическая точка — в ней исчезает физическое различие между жидким и газообразным состояниями данного вещества.
Если деполяризованная молекула, подобно холин-рецептору, способна избирательно взаимодействовать с иатрием или другими находящимися в растворе веществами, то возникает принципиальная возможность обратного влияния органических молекул на свойства раствора через пзмепение концентрации натрия вплоть до восстановления исходного состояния однородного раствора. Таким образом может осуществляться своеобразная обратная связь, позволяющая управлять критическим состоянием раствора. Очевидно, что эффект обратйой связи будет характерен лишь для систем с клатратоподобным ближним порядком в однородной фазе, т. е. для систем с участием связанной воды.
В заключение попытаемся в самых общих чертах проследить возможный путь, по которому примитивный, первоначально однородный водный раствор мог эволюционировать до состояния, в котором возникло регулярное упорядоченное движение в пространстве и времени, завершившееся зарождением самовоспроиз-водящегося и са мопрограммирующегося автомата.
Рентсеподифракционные исследования кристаллов льда, кристаллогидратов, клатратных гидратов и полуклатратов позволяют выяснить не только структурную природу малой плотности льда, но и происхождение способности воды вступать в соединение с огромным множеством веществ, включая даже инертные тазы и гидрофобные вещества. В двух последках случаях, как и во льду, молекулы воды образуют трехмерные каркасы, число различных конструкций которых трудно сосчитать. Трехмерные каркасы образуются также в гидратах гидрофильных веществ, но в этих каркасах уже появляются связи с неводными частицами.
Казалось бы, теперь о молекулах воды известно все, и их можно укладывать, как костяшки домино. Однако у отдельно взятой молекулы воды есть качество, которое проявляется только в присутствии других молекул: способность образовывать водородные мостики между атомами кислорода двух оказавшихся рядом молекул, так что атом водорода располагается на отрезке, соединяющем атомы кислорода. Свойство образовывать такие мостики обусловлено наличием особого взаимодействия между молекулами, в котором существенную роль играет атом водорода. Это взаимодействие называется водородной- связью и обозначается О—Н...0 (Н-связь).
Более важное значение имеет тот факт, что каждая из присоединенных к данной молекул воды ca ia способна к присоединению дальнейших молекул. Такой процесс .с образованием химической связи называют полимеризацией, в нашем же случае более уместным является термин «конденсация». Если только одна из двух возможных связей участвует в присоединении следующей молекулы, а другая остается вакантной, то конденсация приведет к образованию либо зигзагообразной одномерной цепи, либо замкнутого кольца. Наименьшее кольцо, по-видимому, может состоять ил четырех молекул, но. величина угла связи 90° делает водородную связь крайне напряженной. Практически ненапряженными должны быть пятизвенные кольца (угол 108°). Шестизвенное плоское кольцо с углом связи 120°, так же к£к и семи- и более многозвенный, очевидно, должно быть напряженным в отношении водородных связей. Неплоские зигзагообразные кольца, в частности шестизвенное, могут быть наиболее точно согласованы с расположением протонов на линиях связей О—Н...О.
Ответы на эти вопросы стало возможным получить лишь с помощью современных методов исследования молекулярного движения, основанных в первую очередь на использовании радиоволн и методов низкочастотной радиоспектроскопии.
Если частота падающей на некоторое вещество электромагнитной волны близка или совпадает с одной из собственных частот внутримолекулярных колебаний, можно зафиксировать поглощение электромагнитной энергии, аномальную дисперсию и т. д. Эти явления лежат в основе всех современных методов спектроскопии, главная цель которых — исследовать так называемый спектр колебаний. Значение спектра в том, что с его помощью можно установить строение молекулы или молекулярной системы.
Прямые измерения поглощения радиоизлучения на частотах порядка 103—105 Гц в принципе возможны, однако они связаны со значительными техническими трудностями из-за невысокой чувствительности аппаратуры в данном диапазоне. Поэтому для практического использования наиболее удобны методы магнитного резонанса. Образец помещают в сильное магнитное поле (напряженностью порядка 10 кЭ), благодаря чему полная энергия ядерного момента из-за его взаимодействия с сильным внешним магнитным полем повышается по сравнению с диполь-дипольными и квадру-польными взаимодействиями в тысячу и десятки тысяч раз, а частота — до Десятков и сотен мегагерц. При этом точность измерений вполне достаточна для регистраций малых возмущений — диполь-дипольных и квадрупольных взаимодействий на фонб обусловленной влиянием внешнего поля относительно большой зеемановской энергии.
Итак, круг замкнулся. Отверждение гипса очевидным образом обусловлено связыванием воды, удаление» которой автоматически означает полное разрушение формованного гипсового изделия. Однако преждерро-менно утверждать, что именно связанная вода обеспечивает прочность образца. Возможно, что в данном случае она играет лишь роль посредника при включении истинного механизма сцепления частиц гипса в затвердевшем материале. Забегая вперед, скажем, что так оно и есть па самом деле.