Самая маленькая молекула. О природе хиральных молекул на земле Соединительный белок титин
Самая мельчайшая частица сахара – молекула сахара. Их строение таково, что сахар на вкус сладкий. А строение молекул воды таково, что чистая вода сладкой не кажется.
4. Молекулы состоят из атомов
А молекула водорода будет мельчайшей частицей вещества водород. Мельчайшими частицами атомов являются элементарные частицы: электроны, протоны и нейтроны.
Всё известное вещество на Земле и за ее пределами состоит из химических элементов. Общее количество встречающихся в природе элементов – 94. При нормальной температуре 2 из них находятся в жидком состоянии, 11 – в газообразном и 81 (включая 72 металла) – в твёрдом. Так называемым «четвёртым состоянием материи» является плазма, состояние, при котором отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы находятся в постоянном движении. Пределом измельчения является твёрдый гелий, который, как было установлено еще в 1964 г., должен представлять собой моноатомный порошок. TCDD, или 2, 3, 7, 8-тетрахлородибензо-п-диоксин, открытый в 1872 г., смертелен в концентрации 3,1·10–9 моль/кг, что в 150 тыс. раз сильнее аналогичной дозы цианида.
Вещество состоит из отдельных частиц. Молекулы разных веществ различны. 2-х атомов кислорода. Это молекулы полимеров.
Просто о сложном: загадка самой мелкой частицы во Вселенной, или как поймать нейтрино
Стандартная модель физики элементарных частиц - теория, описывающая свойства и взаимодействия элементарных частиц. У всех кварков есть также электрический заряд, кратный 1/3 элементарного заряда. Их античастицы - антилептоны (античастица электрона называется позитрон по историческим причинам). Гипероны, такие, как Λ-, Σ-, Ξ- и Ω-частицы, содержат один или больше s-кварков, быстро распадаются и тяжелее нуклонов. Молекулы - самые маленькие частицы вещества, ещё сохраняющие его химические свойства.
Какую финансовую или другую выгоду можно извлечь из этой частицы?» Физики разводят руками. И они действительно этого не знают. Когда-то исследование полупроводниковых диодов относилось к чисто фундаментальной физике, без какого-либо практического применения.
Бозон Хиггса – это частица, которая настолько важна для науки, что она получила прозвище «частица Бога». Именно она, как полагают ученые, дает массу всем остальным частицам. Эти частицы начинают разрушаться, как только они появляются на свет. Создание частицы требует огромного количества энергии, например такого, которое было произведено Большим Взрывом. Что касается большего размера и веса суперпартнеров, ученые полагают, что симметрия была нарушена в скрытом секторе вселенной, который не может быть видим или найден. Например, свет состоит из частиц с нулевой массой, называемых фотонами, они несут электромагнитную силу. Точно так же гравитоны являются теоретическими частицами, которые несут силу тяжести. Ученые до сих пор пытаются отыскать гравитоны, но сделать это очень сложно, так как данные частицы очень слабо взаимодействуют с материей.
Мы привыкли к тому, что молекула – это нечто крохотное, незримое, существующее скорее в воображении бородатых химиков, нежели в реальности. Однако самая большая молекула в природе – ДНК – вытянется на длину спички, а это более 4 см! Читайте о гигантских молекулах и их исключительном влиянии на наследственность человека. Узнайте об их участии в расследовании преступлений, об искусственно созданных молекулах, и о том, от какого яда чуть не умер путешественник Кук.
1. ДНК – хранилище сведений об устройстве организма
ДНК принимает вид бесконечной винтовой лестницы с миллионами ступенек, в химической структуре которых хранится информация о каждом нашем свойства, будь то количество пальцев, дислокация печени или оттенок кожи. Когда рабочий белок-фермент движется по ступенькам, клетка штампует копию этой информации – своеобразный чертеж, согласно которому происходит любое действие в организме.
Каждая спираль может менять свою длину. Растянем хорошенько ДНК и поразимся ее габаритам:
- 10 млрд атомов содержит ДНК первой хромосомы человека;
- 46 шт. – так мало ДНК нужно, чтобы записать полное досье на его тело;
- 2 м – на такую длину растягиваются эти 46 молекул, сцепленные вместе;
- 30 раз по маршруту "Земля – Солнце" и обратно – такова длина ДНК из всех клеток одного человека;
- 700 терабайт сведений хранится в 1 г ДНК.
Зачем криминалисты берут ДНК на анализы
Злоумышленники аккуратно стирают отпечатки пальцев и пользуются перчатками, но никому еще не удавалось стереть свои генетические следы. Эксперту достаточно реснички, обрезка ногтя, капли слюны, оставленной на сигарете или жевательной резинке, чтобы установить виновника. Из взятого на месте преступления биоматериала выделяют ДНК, многократно копируют ее и в специальном геле под воздействием электрического поля "ранжируют" по длине и массе.
Затем молекулы красят и сравнивают образцы с хромосомами предполагаемых "хозяев". У каждого индивидуума на ДНК проявляется неповторимый полосатый узор, и если обнаруживаются совпадения, значит, владелец образца найден.
Впервые методом ДНК-дактилоскопии воспользовался английский генетик Алек Джеффрис. В 1985 году у него попросили помощи в идентификации серийного убийцы, с чем ученый блестяще справился. Метод также применяют для опознания останков жертв катастроф и террористических актов, для установления спорного отцовства.
2. Соединительный белок титин
Смысл существования ДНК заключается в том, что по ней клетки создают главные стройматериалы – белки. Белковые молекулы поскромнее своей матрицы, но и коротышками их не назовешь. Самый длинный белок обнаружен в камбаловидной мышце голени. Это титин, который состоит из 38 тысяч аминокислот и достигает 3 млн атомных единиц массы.
Более короткие разновидности титина обнаружены в остальных мускулах и даже в сердце. Задача этого белка – соединить воедино двигательные белки мышечной клетки, чтобы обеспечить их мощные сокращения.
Можно ли создать человеческими руками белковую молекулу
Да, можно. Первым искусственно получили крохотный по меркам органической химии белок инсулин, отвечающий за стабильность уровня сахара в крови. Однако ресурсы для этого затратили немалые:
- 10 лет ушло на расшифровку состава инсулина;
- 227 химических реакций потребовалось для сборки белка;
- 0,001 % – такое количество инсулина от запланированного количества получили в итоге.
А живая клетка поджелудочной железы тратит на синтез необходимого объема инсулина 10 секунд. Поэтому гораздо выгоднее оказалось генетически модифицировать кишечную палочку, чтобы бактерия взяла на себя труд по созданию медицинского белка.
3. Молекула-змея из картошки
Прозаический продукт, источающий дразнящие запахи на сковородке, прячет в клубнях одну из длиннейших молекул в мире. Картофельный крахмал по структуре похож на бусы без конца и края. Десятки тысяч бусин, роль которых выполняет глюкоза, выстраиваются в бесконечные цепи, обеспечивая растение запасом питания до весны.
Живые организмы склонны создавать длинные полимерные углеводы. Посчитаем их молекулярную массу:
- компонент крахмала амилопектин – до 6 млн атомных единиц;
- целлюлоза, за счет которой достигается твердость дерева – до 2 млн;
- хитин, образующий феноменально легкий панцирь краба и жука – 260 тыс.
Но даже им далеко до гликогена, 100 г которого способна накопить печень. Ветвистая, словно клубок водорослей, шарообразная молекула гликогена весит до 100 млн атомных единиц!
Крахмал на службе у человека
Раньше всего научились использовать крахмал в пищу. Для этого природа предоставила человеку сотни съедобных растений: пшеницу, кукурузу, рис, каштаны, фасоль, бананы. Правда, для лучшего усвоения крахмал подвергают тепловой обработке, при которой часть химических связей между бусинами-глюкозами разрывается, и молекулы укорачиваются.
Приятная глазу белизна и плотность постельного белья, кружев, сорочек и скатертей достигается за счет подкрахмаливания. Для такой процедуры крахмал разводят в холодной воде, ткань прополаскивают в ней, сушат, а потом отглаживают. На целлюлозно-бумажных комбинатах это вещество добавляют к бумажной массе для жесткости.
В советское время на основе крахмала варили обойный клей. В детских садиках с помощью крахмального клейстера учили малышей искусству аппликации и папье-маше.
4. Синтетические полимеры
Искусственный белок создать сложно, но если вещество обладает менее сложной структурой, то химическое предприятие справится с этой задачей. Производство полимеров, от довоенных целлулоида и плексигласа до современных термостойких пластмасс, обеспечивает человека тысячами предметов.
Молекулы полимеров достигают значительной величины:
- полиакриламид – до 850 тыс. атомных единиц;
- полипропилен – до 700 тыс.;
- нейлон – до 80 тыс.
Как полимеры людям жить помогают
Небольшая перестройка структуры полимера влечет за собой кардинальное изменение его свойств. Из полимерных веществ получают пластмассы, резину, клеи, лаки, ткани. В конце прошлого века химические технологии добрались до зубных кабинетов. Теперь новые материалы превращаются в пломбы, штифты, вкладки, протезы и специальную массу для оттиска челюсти.
Последний десяток лет ознаменовался практическим применением трехмерной печати, с помощью которой изготавливают не только элементы конструктора лего, но и детали космических аппаратов. Фотополимеры, предназначенные для этой цели, дают точность до 16 микрон.
5. Ботулотоксин, притаившийся во вздутой банке
Масса молекулы этого ядовитого белка – 150 тыс. атомных единиц. Вырабатывают его бактерии клостридии, характерная особенность которых – непереносимость кислорода. Они охотно размножаются в консервах, особенно грибных, толстых залежавшихся колбасах. Угостившись пищей, которую облюбовали клостридии, человек погибает от паралича дыхательных мышц.
Ботулотоксин быстро попадает в организм не только через слизистую кишечника, но и через поверхность глаз и кожи. Во время Второй мировой американские военные всерьез рассматривали его как биологическое оружие.
6. Небелковый нейротоксин
В 1774 году капитан британских королевских военно-морских сил Джеймс Кук отравился печенью морской рыбы, которую в тот день готовили на ужин. Судовой хирург спас его рвотными средствами, но только спустя 100 лет обнаружили причину внезапного паралича капитана. Выяснилось, что рыба питалась моллюском сигуатерой, а тот – водорослями-динофлагеллятами, которые вырабатывают майтотоксин.
Молекулярная масса майтотоксина составляет 3700 атомных единиц, и это крупнейшая молекула небелковой природы, которую вырабатывает живой организм. В 1993 году химики Токийского университета исследовали ее структуру с помощью технологии ядерного магнитного резонанса. Оказалось, что молекула выглядит, как цепочка из 32 шестиугольных колечек, изогнутая наподобие поднявшей голову гусеницы.
Загадочный мир гигантских молекул не раскрыт до конца. Ученые найдут их новые свойства, видоизменят структуру и непременно поставят на службу человеку.
Первая "молекула жизни" на Земле
Ключевым событием зарождения жизни на Земле стало появление молекул, способных к самовоспроизведению (репликации), то есть передаче генетической информации потомству. Все живые существа на Земле (за исключением нескольких групп вирусов, о принадлежности которых к живому до сих пор ведутся дискуссии), как и все вымершие организмы, которые удалось обнаружить, обладают ДНК-геномами. Их фенотип определяется кодируемыми в этих геномах разнообразными РНК и белками. Тем не менее есть весомые причины полагать, что появлению ДНК-белкового мира три с половиной миллиарда лет назад предшествовали более простые формы жизни, основанной на РНК (см. "Наука и жизнь" № 2, 2004 г.). А совсем недавно, в статье Сандры Бэнэк (Институт этномедицины, США) с соавторами, опубликованной в ноябрьском номере онлайн журнала "PLOS", была подтверждена гипотеза ещё более ранних форм жизни, существовавших до РНК-организмов. Согласно этой гипотезе, генетическая информация в первых живых системах могла передаваться при помощи пептидных нуклеиновых кислот (ПНК). Такие гипотетические полимерные молекулы, как полагают, построены из мономеров (2-аминоэтил)глицина (АЭГ). Цепи ПНК на основе АЭГ синтезированы и активно исследуются. В частности, ряд фармацевтических компаний изучает возможность их медицинского применения в качестве "генетических глушителей", блокирующих работу определённых генов.
Однако для принятия этой оригинальной гипотезы до недавнего времени существовало весьма серьёзное препятствие - аминоэтилглицин в природе не обнаруживался. И вот группе американских и шведских учёных удалось выявить присутствие АЭГ в цианобактериях. Это открытие поистине неожиданно и может привести к пересмотру наших представлений о зарождении жизни на Земле.
цианобактерия земля метаболический глицин
Цианобактерии - примитивные живые организмы, которые были одними из наиболее важных продуцентов атмосферного кислорода на ранних этапах развития нашей планеты. Самые древние окаменелые останки цианобактерий, обнаруженные в раннеархейских слоях породы в Западной Австралии, датируются 3,5 миллиарда лет. Некоторые их представители, например, составляют значительную часть океанического пикопланктона, к которому относят бактерии и наиболее мелкие одноклеточные водоросли, свободно перемещающиеся в толще воды. Другие населяют экстремальные экосистемы, такие как геотермальные источники, гиперсолёные озёра и вечная мерзлота.
Oscillatoria - представитель рода цианобактерий. Эта сине-зелёная водоросль обычно обитает в хранилищах с питьевой водой. Фото Боба Блэйлока (Вов Blaylock).
Авторы публикации изучали содержание АЭГ в чистых культурах цианобактерий и обнаружили его в восьми штаммах из пяти существующих морфологических групп. Причём содержание АЭГ было довольно существенным - от 281 до 1717 нг/г общей массы бактерий. Для подтверждения наблюдения аналогичное исследование провели на цианобактериях, обитающих в естественных условиях - водоёмах пустынь Монголии, морских водах Катара (заливах Бахрейна, Сальва и Персидском) и реках Японии, и обнаружили, что содержание АЭГ в них в среднем даже выше, чем в чистых культурах.
Геномы двух штаммов (Nostос РСС 7120 и Sупtсhосуstis РСС 6803), по счастью, полностью расшифрованы, что позволило авторам соотнести уровень содержания АЭГ со степенью филогенетического родства цианобактерий. Оказалось, что, несмотря на всего 37%-ное сходство геномов, уровень продукции АЭГ у этих штаммов был очень близким. Обнаружение АЭГ во всех пяти морфологических группах цианобактерий говорит о том, что его продукция - неизменно присутствующая (высоко консервативная) и эволюционно примитивная особенность этих микроорганизмов.
Метаболические функции и эволюционная роль АЭГ пока остаются неизвестными. Тем не менее полученные результаты позволяют по крайней мере не отвергать соблазнительную гипотезу, что присутствие АЭГ в цианобактериях - "эхо" ранних этапов зарождения жизни на Земле, имевших место до появления РНК-мира.
Новое исследование, посвященное природе левосторонней хиральности органических молекул на Земле показывает, что их происхождение связано с областями космоса, в которых происходит активное звездообразование. Таким образом строительные материалы для земной жизни могут иметь космическое происхождение, и вероятно попали на молодую в метеоритах и остатках комет.
Ученые проводят исследования, посвященные интересному вопросу: откуда взялись строительные блоки жизни и насколько они распространены во Вселенной? Определяя происхождение всех элементов, используемых жизнью – от углерода и фосфора до белков и нуклеиновых кислот, ученые пытаются выяснить – когда они попали на Землю? Как попали? И откуда?
Недавнее исследование, опубликованное на сайте «Earth» и «Platinum Science Letters», может содержать некоторые ответы на эти вопросы. Сандра Пиццарелло из Школы молекулярных наук при Государственном университете Аризоны, и Кристофер Ярнес из Департамента планетных наук Университета Калифорнии изучали осколки Мерчисонского метеорита, который упал в Австралии в 1969 году и является одним из наиболее изученных метеоритов. Метеорит имеет вес около 90 килограммов и очень богат углеродистыми соединениями. Внутри осколков ученые обнаружили присутствие хиральных молекул, обнаруженных также в отдаленных звездообразующих областях.
Хиральность связана с расположением атомов в молекуле. Представьте зеркальное изображение симметричного объекта, такого как стул. Его зеркальное изображение может быть идеально наложено на оригинальное. Однако зеркальное изображение хирального объекта не может быть точно наложено на оригинал.
Гомохиральность играет ключевую роль в клеточных химических реакциях, и все живые организмы (которые мы знаем) содержат «левосторонние» молекулы. Ученые до конца не понимают, почему это так, но некоторые из них считают, что ответ может иметь какое-то отношение к космическому происхождению молекул. В 2016 году исследователи обнаружили пропиленоксид, хиральную молекулу, в объекте Стрелец B2, который представляет собой массивное облако молекулярного газа. Оно находится на расстоянии примерно 25 000 световых лет от Земли, недалеко от центра нашей Млечный Путь. Полученные данные свидетельствуют о том, что хиральные молекулы, необходимые для возникновения жизни, возможно, происходят из космоса, из его звездообразующих областей.
Молекулы из космоса
Исследователи обрабатывали пыль, полученную из Мерчисонского метеорита этанолом, а затем тестировали ее на наличие пропиленоксида, хиральной молекулы, ранее обнаруженной в облаке Стрелец B2. Они обнаружили две производных пропиленоксида в полученных соединениях, и при проведении их гидролиза (разрушения химических веществ водой) происходило получение пропиленгликоля, что еще раз подтверждало наличие в образцах метеорита пропиленоксида.
Одним из интересных результатов исследования было образование полимерных соединений в образце, который находился в охлажденном состоянии в течение четырех недель, прежде чем подвергался гидролизу, – и это еще одно указание на присутствие пропиленгликоля. Такие соединения могут, как полагают исследователи, «сформироваться из метеоритного пропиленоксида как в родительских астероидах …, так и на ранней Земле». Это говорит о том, что молекула обладает способностью противостоять суровой среде пространства и длительным космическим путешествиям.
Одним из выводов исследования является также то, что метеориты содержат «еще множество неизвестных сложных композиций». Ученые не знают, какие еще существуют молекулярные секреты у метеоритов, и как они могут изменить наше понимание происхождения жизни. Стало лишь понято, что метеориты, похоже, обладают ингредиентами для синтеза или создания соединений из неживых молекул.
«Метеориты содержат все, что мы искали для выяснения природы разнообразия органических молекул на Земле», – заявляет Пиццарелло. Другими словами, именно химические процессы, а не биологические, возможно, породили первые живые клетки, все из которых являются гомохиральными.
Причина хиральности молекул земной жизни все же до конца неясна. Профессор астробиологии из Университета Эдинбургской школы физики и астрономии Чарльз Кокелл считает, что «есть смысл в том, что жизнь будет использовать одну хиральную форму для упрощения биохимического распознавания».
Глубокие корни возникновения жизни
Хотя метеориты несут молекулы, необходимые для жизни, Пиццарелло говорит, что мы до сих пор не знаем, отвечают ли они за возникновение . И являются ли они единственным космическим «транспортным средством», которое доставило хиральные молекулы на Землю. Пока ответы на эти вопросы трудно получить, но ученые считают, что смогут решить эту задачу, поняв, какие молекулы имеют решающее значение для возникновения жизни в космосе, и какие процессы приводят к возникновению хиральности.
Независимо от ответа, исследование предполагает существование «очень глубоких корней химической , которая предшествовала жизни». Существует гипотеза, что хиральность, присущая всей известной нам жизни, возникала в процессе рождения Галактики Млечный Путь около 13,6 млрд. лет назад, и обеспечила возможность возникновения жизни. Как говорил Карл Саган – «мы сделаны из звездного вещества».
Вам могут понравиться эти статьи:
Обнаружен простой химический процесс, который мог…
Почему ароматические соединения назвали ароматическими — большая загадка. Не все представители того класса веществ, который попадает под современное определение этого термина, имеет запах, и наоборот: не все, что пахнет, ароматическое.
Критериев ароматичности существует несколько, но вкратце можно описать все ароматичные вещества как состоящие из молекул, в которых атомы выстраиваются в кольцо, а электроны, которые участвуют в образовании химических связей, обобществляются. Другими словами, если в формуле вещества есть кольцо, то соединение, скорее всего, ароматическое. Есть легенда о том, что кольцевая структура открылась академику Кекуле во сне про обезьянок, которые водят хоровод, держа друг друга за хвосты.
Самое простое ароматическое вещество — бензол
Обобществление электронов придает ароматическим соединениям особые физические и химические свойства — например, выдающуюся устойчивость. Чтобы соединение стало ароматическим, число электронов, участвующих в образовании связей, должно соответствовать правилу Хюккеля, то есть равняться (4n+2), где n — целое число. Редкие исключения из этого правила объясняются ароматичностью Мебиуса.
Хюккелевские ароматические молекулы могут иметь в кольце 6, 10, 14, 18, 22 и более атомов. Однако синтез больших колец с количеством атомов более 22 — дело довольно тонкое; в больших кольцах ароматичность теряется. Фиксировать их можно, если вместо отдельных атомов использовать сложные молекулярные фрагменты с жесткой геометрией. До сих пор самой большой ароматической молекулой, которую удалось синтезировать, был додекафирин — циклическая молекула, состоящая из двенадцати пятиугольных пиррольных фрагментов, соединенных по мотиву порфирина (цикл из четырех пирролов, соединенных через мостики-атомы углерода, входит в состав гема, хлорофилла, феофитина).
Martin D. Peeks et al. / Nature, 2016
В этот раз химики пошли на рекорд и «собрали» из порфириновых структур самую большую ароматическую молекулу в истории. Ее структурная формула напоминает колесо автомобиля с «покрышкой» из замкнутых в кольцо порфиринов, изнутри укрепленной плоским каркасом.
Молекула содержит 78 сопряженных электронов. Это абсолютный рекорд. Ее огромные для микромира размеры позволили ученым сравнить магнитные свойства ароматического соединения с магнитными свойствами в наноколечках из металлов и полупроводниковых материалов. Раньше это было сделать очень сложно, поскольку размеры наноколец на порядок превышали размеры самых крупных наночастиц металлов. Исследование опубликовано в журнале
