В этом разделе рассмотрены межмолекулярные взаимодействия в биологических структурах и жидкокристаллическое состояние биологических мембран.
Молекула - это наименьшая частица вещества, способная к самостоятельному существованию и обладающая химическими свойствами данного вещества. Наиболее сложные молекулы белков, нуклеиновых кислот состоят из многих тысяч атомов. Чем труднее атом отдает электрон, тем больше его электроотрицательность, и наоборот. Различают два основных вида химической связи между атомами в молекуле:
Ионная, или гетерополярная связь образуется между атомами
элементов, сильно различающихся своей электроотрицательностью. При образовании связи атом менее электроотрицательного элемента отдает один или несколько электронов атому (или атомам) более электроотрицательного элемента. Первые атомы становятся положительно заряженными ионами, вторые - отрицательно заряженными ионами. Противоположно заряженные ионы притягиваются, образуя ионную связь.
Ковалентная (атомная) связь возникает при взаимодействии атомов, имеющих близкие по величине электроотрицательности. Образуется пара электронов, которая становится общей для обоих атомов и является центром притяжения этих атомов. Большее число органических соединений состоит из молекул с ковалентной связью.
Все силы межмолекулярного взаимодействия, имеющие электрическую природу, можно разделить на два основных класса:
1. Универсальные, или вандерваальсовы силы - силы притяжения и отталкивания между электронными оболочками атомов взаимодействующих молекул. Они являются дальнодействующими и характеризуются отсутствием выраженной направленности.
2. Специфические межмолекулярные силы имеют акцепторно-донорную природу. Это - водородная, гидроксильная и другие полухимические связи, ответственные за образование комплексов молекул. Они возникают при достаточном сближении молекул и имеют направленный характер. Одна из молекул является при этом донором протона, отдает свой протон. Но не совсем отдает, можно представить это так, что она протягивает второй молекуле руку в виде протона. Другая молекула является акцептором, она принимает протон, т.е. как бы берет первую молекулу за руку.
Водородная связь (водородный мостик) осуществляется атомом водорода, связанным ковалентной связью с каким-либо сильно электроотрицательным атомом одной молекулы, при его взаимодействии с электроотрицательным атомом другой молекулы. Водородная связь обозначается так: А-Н...В. В качестве атомов А и B могут выступать атомы кислорода, азота, фтора, хлора, брома, углерода и серы и иногда бензольные кольца. Наиболее распространены и исследованы межмолекулярные водородные связи типа О-Н...О.
Наличие водородных связей обусловливает свойства многих биологических структур. Одним из важных проявлений водородной связи является повышение температур плавления и кипения, увеличение теплоты фазового перехода.
Водородная связь деформирует взаимодействующие молекулы. Это обнаруживается по колебательным спектрам молекул. Свободные от водородных связей молекулы имеют полосы инфракрасного поглощения в одних местах спектра, а связанные водородной связью молекулы, – в других местах.
Рис.1. Химическое строение наркотических анальгезирующих веществ имеет сходство с химическим строением холестерина и его эфиров. Как в том, так и в другом случае существуют большие плоские труднодеформируемые центральные части молекул, с помощью которых осуществляется слабое универсальное взаимодействие молекул. Кроме этого имеются концевые группы, типа O-H, C=O, которые осуществляют сильное специфическое взаимодействие (водородную связь) молекул наркотических веществ или эфиров холестерина с молекулами организма.
В работах Л.С. Горбатенко методами инфракрасной спектроскопии показано, что с помощью двойных водородных связей (димеров) получается очень прочная ассоциация молекул, которая не распадается при температурах, намного выше температуры человеческого тела и не реагирует на растворители. Это называют поперечной сшивкой молекул. За ускоренное старение организма ответственно более всего именно накопление в организме таких комплексов.
Посмотрим на схему строения наркотических анальгезирующих средств (рис. 1), представленную в БМЭ. Существуют довольно сильные универсальные силы притяжения центральных частей этих молекул, чем-то напоминающих центральную часть молекулы холестерина. Есть возможность образования димеров с помощью двух водородных связей с помощью гидроксильной группы О-Н или карбонильной группы С=O. Это и является первопричиной развития патологического процесса при наркомании.
Наибольшая активность молекул морфина объясняется «наличием в них незамкнутой фенольной гидроксильной группы» (БМЭ), а следовательно, и возможностью образования водородной связи. Связывание фенольной гидроксильной группы в молекулах кодеина и этилморфина ослабляет их наркотическое действие».
В книге «Межмолекулярные взаимодействия от двухатомных молекул до биополимеров» под редакцией французского ученого Б. Пюльмана (М., Мир. 1981, стр. 480) в главе «Исследование биомолекулярных взаимодействий» говорится, что «наибольший интерес представляют выводы о механизмах точечных мутаций, отвечающие различным «неправильным» схемам спаривания». То есть, межмолекулярные взаимодействия молекул наркотических веществ с молекулами организма могут вызвать очень много «незапланированных» процессов от ускорения старения из-за образования неразрушаемых комплексов молекул до генетических изменений – мутаций.
Рассмотрим второй физико-химический аспект наркомании. Жидкокристаллическое (ЖК) состояние органического вещества - это среднее состояние между жидким и кристаллическим. Таких состояний у некоторых веществ существует несколько.
Если состоящее из палочкообразных органических молекул вещество охлаждать из жидкого состояния, то сначала возникнет нематическая жидкокристаллическая фаза, в которой длинные оси молекул расположены параллельно. Молекулы могут свободно вращаться вокруг своих осей, их центры тяжести располагаются хаотически.
При дальнейшем охлаждении молекулы собираются в плоскости, в которых центры тяжести расположены упорядоченно, как в кристаллах. Но сами плоскости могут скользить относительно друг друга. Это - смектическая жидкокристаллическая фаза. Таких фаз может быть у одного вещества несколько. При дальнейшем охлаждении вещество кристаллизуется, и при этом его молекулы располагаются в узлах кристаллической решетки.
Некоторые плоские молекулы могут образовывать только смектические фазы.
Смектические жидкие кристаллы могут образовывать в растворителях так называемые миелиновые формы, которые представляют собой тонкие слои вещества в смектической фазе, свернутые в трубочки диаметром в сотые доли миллиметра.
Нематические и смектические жидкие кристаллы называют термотропными. Существуют и лиотропные жидкие кристаллы, в которых структурными единицами являются мицеллы (ассоциации молекул). Мицеллы упорядоченно распределены в растворителе.
Если кристалл такого вещества нагревать, то, как правило, он начнет расплавляться при температурах, существенно выше той, при которой он закристаллизовался при охлаждении. Это - так называемый температурный гистерезис, характерный для многих ЖК. При нагревании жидкокристаллические фазы могут не появляться.
В технике очень тонкие (всего несколько молекулярных слоев) жидкокристаллические слои с одинаково ориентированными в них молекулами между прозрачными токопроводящими электродами применяются как экраны в микрокалькуляторах и телевизорах, в мониторах компьютеров, а ещё как элементы памяти. При подаче напряжения в какой-то точке экрана происходит нарушение ориентации молекул в жидкокристаллическом слое и изменение прозрачности экрана. Если сигналы были поданы на все точки экрана, возникает изображение. Состояние нарушения ориентации молекул можно сохранить, и это позволяет использовать ЖК в элементах памяти.
«По своему физическому состоянию многие жизненно важные вещества находятся в жидкокристаллическом состоянии», - утверждают Г Браун и Дж. Уолкен («Жидкие кристаллы и биологические структуры», М., «Мир», 1982, стр.184). «Отличительной особенностью этих структур, прослеживающейся в электронном микроскопе, является то, что они состоят из высокоупорядоченных жидкокристаллических структур».
ЖК структуру имеют многие компоненты живой ткани. Это - миелиновые оболочки нервных волокон, внутренние части биологических мембран. Различные структуры головного мозга тоже имеют ЖК природу. Без нормальной работы синапсов невозможно проведение процессов возбуждения и торможения в коре головного мозга, т.е. невозможно функционирование всего организма. Синапсы являются еще элементами памяти.
«В образовании ЖК систем большую роль играет как межмолекулярное взаимодействие, так и геометрия размещения в молекуле взаимодействующих групп. Температурная область существования ЖК систем узка. Повышение подвижности молекул и последующий переход из ЖК фазы в жидкую могут быть достигнуты не только увеличением температуры, но и разбавлением» (как при употреблении алкоголя). (С.П.Панков, В.Г. Куличихин. «Жидкокристаллическое состояние полимеров», М. «Химия». 1977.стр. 20).
Биологические мембраны, выдержавшие миллионы лет эволюции без значительных изменений, очень чувствительны даже к малым воздействиям чуждых им элементов. Большая часть болезней человека связана с нарушением функционирования мембран.
Для анализа физиологических жидкостей (крови, мочи) применяются чувствительные методы спектрального анализа. Спектры различных веществ различны. По каталогам легко определить содержащиеся в крови или в моче наркотические вещества. По интенсивности полос спектра можно найти их количественное содержание.
При изучении процессов передачи информации между нервными клетками, используют микроэлектродные методы, гистоавторадиографические методы, биохимические методы, методы светооптического изучения межнейронных связей, электронную микроскопию и нейрофармакологический анализ.
Скрытый патологический процесс на молекулярном уровне легче всего обнаруживается с помощью электронного микроскопа, в котором видны даже макромолекулы организма. Видны необратимые изменения в мембранах, некроз клеток, патологии целых органов, в тканях - огромное количество молекул наркотических веществ.