Занимательная химия для детей и взрослых - Илья Леенсон

Р. Синг нашел, что всех аминокислот в грамицидине С содержится поровну. Не представляло труда подсчитать минимальное значение молекулярной массы грамицидина С: она равна 117 (валин) + 131 (лейцин) + 165 (фенилаланин) + 132 (орнитин) + 115 (пролин) – 90 (пять молекул Н2О) = 660 – 90 = 570. (При образовании белковой молекулы из отдельных аминокислот происходит отщепление молекул воды; образование кольцевой цепочки из пяти молекул аминокислот сопровождается отщеплением пяти молекул воды.)

Последний сюрприз ждал ученых, когда они независимыми физическими методами определили, что молекулярная масса грамицидина С примерно вдвое больше рассчитанной по простейшей химической формуле. Объяснение оказалось простым – каждая аминокислота входит в молекулу грамицидина дважды, т. е. кольцевая молекула содержит не пять, а десять остатков аминокислот. Теперь надо было установить точное строение циклической молекулы, т. е. в каком порядке аминокислоты соединены друг с другом. Это трудоемкое исследование Синг провел в 1947 г. с группой коллег из английского города Лидса. Оказалось, что если грамицидин С не греть сильно с соляной кислотой (когда она распадается на отдельные аминокислоты), а проводить реакцию при температуре тела человека (37 °С), то она идет медленно, в течение многих недель, и при этом молекула постепенно расщепляется на отдельные фрагменты из двух или трех связанных друг с другом аминокислот. Эти фрагменты были разделены с помощью хроматографии на бумаге. Вот какие «кусочки» обнаружили в растворе: вал-орн, орн-лей, фен-про, лей-фен, вал-орн-лей, фен-про-вал, про-вал-орн (этими буквами сокращенно обозначают аминокислоты). Дальнейшая работа очень похожа на игру в домино: «кусочки» нужно правильно состыковать друг с другом, при этом должно получиться замкнутое кольцо. Легко проверить, что сделать это можно одним-единственным способом; например, фенилаланин должен быть с одной стороны связан с лейцином, с другой – с пролином. В результате было окончательно выяснено строение этого необычного антибиотика:

Любопытно, что в анализах кристаллической структуры грамицидина С участвовала будущий британский премьер-министр Маргарет Тэтчер, незадолго до того защитившая диссертацию по химии. Грамицидин С имел существенные преимущества перед американским «тезкой»: у него был более простой аминокислотный состав, более широкий спектр антибактериального действия и более высокая стойкость к внешним воздействиям. Еще во время войны обнаружили, что грамицидин С подавляет рост гноеродных микробов, убивая стрептококков, стафилококков, пневмококков, возбудителей анаэробной инфекции; его начали применять для лечения гнойных ран, ожогов, язв, фурункулов, воспалительных заболеваний уха и горла, а также при лечении пролежней, язв, остеомиелита, флегмон, карбункулов, фурункулов и т. п. Под торговым названием «Граммидин» грамицидин С и сейчас применяется в медицинской практике.

В 1970-х гг. из образцов некоторых почв были выделены новые виды актиномицетов, которые вырабатывали полиены – вещества, в которых чередуются несколько простых и двойных связей углерод-углерод (полиены придают цвет, в частности, каротину). Некоторые полиены также обладают сильной бактерицидной активностью. Поскольку микроорганизмы вырабатывают устойчивость к антибиотикам, приходится постоянно изыскивать все новые и новые, а также модифицировать их или полностью синтезировать (так называемые полусинтетические и синтетические антибиотики). В настоящее время описано более 6000 только природных антибиотиков, однако широко применяется лишь сотая их часть. Кроме них описано еще 100 000 (!) полусинтетических антибиотиков, но совсем немногие из них обладают всем комплексом нужных свойств. При определении их эффективности учитывают не только антимикробную активность, но и скорость выработки устойчивости к ним микроорганизмов и ряд других факторов.

Большинство антибиотиков получают микробиологическим синтезом с использованием специально разработанных питательных сред. «Химиками» в них работают актиномицеты, плесневые грибы и бактерии. Природные антибиотики, в том числе бензилпенициллин, цефалоспорин, рифамицин, используют в основном для получения полусинтетических производных. Чисто синтетических антибиотиков немного. К ним принадлежит широко известный левомицетин. По своему строению антибиотики относятся к самым разным классам химических соединений: среди них можно найти аминосахара, антрахиноны, гликозиды, лактоны, феназины, пиперазины, хиноны, пиридины, терпеноиды… Так что не следует удивляться, что антибиотиков известно так много. В будущем для создания новых антибиотиков с заранее заданными свойствами будут использоваться в основном методы генной инженерии.

Так называлась статья, опубликованная в одном из американ ских химических журналов. На обложке журнала в качестве иллюстрации к этой статье был помещен необычный рисунок. В зеркало смотрится добродушно виляющий хвостом пес, на боку которого изображена химическая формула одного из лекарственных средств – пеницилламина. Отражение же этого пса в зеркале было нарисовано в виде страшного волка с оскаленной клыкастой пастью и вставшей дыбом шерстью. На его боку тоже была нарисована формула вещества, которая была просто зеркальным отображением первой. Действие и «правого», и «левого» пеницилламина на человека отличалось так же, как и эти два рисунка. Почему же фактически одно и то же вещество имеет такие разные качества? Объясняется это особым свойством некоторых веществ, которое тесно связано с их оптической активностью.

Поляризация света и оптическая активность

В начале XIX в. английский физик, астроном и врач Томас Юнг показал, что свет можно рассматривать как волну. Французский физик Огюстен Френель выяснил, что световые волны – поперечные: колебания в них происходят перпендикулярно направлению движения (как у волн на поверхности воды: волна бежит вперед, а пробка на воде колеблется вверх-вниз). В обычном свете колебания напряженности электрического и магнитного полей происходят хаотично, во всех направлениях. Но, пройдя через некоторые кристаллы, например кальцита (исландского шпата), свет приобретает особые свойства: волны в нем колеблются только в одной плоскости. Образно говоря, луч такого света подобен шерстяной нитке, которую продернули через узкую щель между двумя острыми лезвиями бритвы. Чтобы объяснить такое свойство, французский физик Этьен Луи Малюс предположил, что свет состоит из частиц с двумя полюсами – «северным» и «южным» и в свете, прошедшем через кристалл, все полюсы повернуты в одну сторону. Поэтому он назвал такой свет поляризованным. Теория Малюса не подтвердилась, однако название осталось. Глаз человека не может отличить обычный свет от поляризованного, но это легко сделать с помощью простейших оптических приборов – поляриметров; ими пользуются, например, фотографы: поляризационные фильтры помогают избавиться от бликов на фотографии, которые возникают при отражении света от поверхности воды.

Выяснилось, что при прохождении поляризованного света через некоторые вещества плоскость поляризации поворачивается. Впервые это явление обнаружил в 1811 г. французский физик Франсуа Доминик Араго у кристаллов кварца. Природные кристаллы кварца имеют неправильное, асимметричное строение, причем они бывают двух типов, которые отличаются по своей форме, как предмет от своего зеркального изображения. Эти кристаллы вращают плоскость поляризации света в противоположных направлениях; их назвали право– и левовращающими. Направление вращения легко определить с помощью простого прибора – поляриметра.