Некоторые атомы или функциональные группы несут электрический заряд; очевидно, такие противоположно заряженные центры также могут благодаря чисто электростатическим взаимодействиям связываться друг с другом. Сила такого взаимодействия зависит от окружения; например, в водной среде – случай, особенно нас интересующий, – оно очень ослабляется.
Существуют также весьма слабые и короткодействующие силы притяжения между атомами и функциональными группами, электрически нейтральными и не склонными к образованию водородной связи. Их энергия убывает обратно пропорционально шестой степени расстояния между центрами; в случае, например, максимально сближенных молекул метана она составит всего несколько десятых килокалории на моль.
Наконец, часто говорят о так называемых гидрофобных взаимодействиях. Можно иметь претензии к использованию здесь именно термина «взаимодействие», поскольку... Впрочем, лучше рассказать все по порядку.
Из повседневного опыта мы знаем, что существуют вещества, легко смачиваемые водой, и вещества, не смачиваемые вовсе. Если, например, нанести каплю воды на пленку из целлофана, она немедленно растечется по ее поверхности, если же это будет пленка из полиэтилена, соберется шариком.
В первом веществе в изобилии содержатся хорошо взаимодействующие с водой полярные группы, в частности, гидроксильные, способные образовывать водородные связи с молекулами воды. Появление таких связей сопровождается выделением энергии, поэтому и возникает тенденция к максимальному увеличению поверхности контакта пленки и воды.
В случае полиэтилена, состоящего сплошь из неполярных метиленовых групп –СН2–, подобные взаимодействия отсутствуют, но капля, казалось бы, все же должна растечься по поверхности пленки просто под действием силы тяжести. Этого, однако, не происходит, капля лишь чуть сплющилась. Вода не только не испытывает никакого сродства к полиэтилену, но и стремится всячески избегать контакта с ним.
Как известно, при замерзании воды выделяется энергия – около 0,15 килокалории на моль. Это цена упорядочения структуры; для нас пока неважно, из каких составляющих она слагается. На поверхности контакта воды с любым неполярным веществом, тем же полиэтиленом, возникает пленка льдоподобной структуры; контакт с инертным полиэтиленом оказывает упорядочивающее действие. Таким образом, стремление воды не приходить в соприкосновение с полиэтиленом или парафином есть стремление избегать льдообразования при комнатной температуре, на что, как мы говорили, пришлось бы затратить энергию.
Пусть две неполярные молекулы, скажем, того же метана, оказались в воде. Наиболее низкоэнергетической, а следовательно, наиболее стабильной ситуацией окажется такая, при которой они сошлись вплотную друг с другом – суммарная площадь контакта воды с поверхностью метана минимальна. Точно по той же причине две капли жира на поверхности супа охотно сливаются в одну, чтобы поверхность контакта с водой была поменьше.
Наблюдая за слипанием двух молекул метана в воде, можно объявить его результатом их взаимодействия. И в самом деле, для определения эффектов подобного рода введен термин «гидрофобные взаимодействия». Гидрофобия, или водобоязнь, – старое название бешенства, так что читателям, знакомым с таким значением этого слова, использование его в новой роли покажется, возможно, странным. Гидрофобными называют и вещества, и функциональные группы, и поверхности, не смачиваемые водой; недавно даже появилась в продаже гидрофобная смазка для ухода за обувью.
Здесь, мне кажется, скрывается определенная неточность. Вряд ли можно говорить о «водобоязни» того же парафина или полиэтилена. Не они воды боятся, или избегают, или не приемлют, а как раз наоборот, вода «избегает» контакта с ними, собираясь в капельку. Также и «взаимодействие» двух молекул метана в воде проявляется не в том, что они сами притягиваются друг к другу: их подталкивает, выталкивает в этом направлении вода.
Впрочем, термин «гидрофобные взаимодействия» уже настолько прочно устоялся в специальной литературе, что вряд ли удастся искоренить его рассуждениями подобного рода, да это совершенно и не входит в мои намерения; я хотел лишь подчеркнуть особенный характер этой группы взаимодействий, играющих к тому же важную роль в механизмах проявления биологической активности многих соединений как раз на этапе их связывания структурами клетки. Без чего, как мы уже знаем...
Ужасающий конец несчастного Стэнли
Еще раз не поленимся вспомнить принцип Эрлиха: «Вещества не действуют, не будучи связаны». За счет каких физических сил они могут связываться, – мы уже рассмотрели, теперь вопрос: а с чем?
Сам Эрлих, если вспомнить приведенные цитаты, говорил довольно туманно о каких-то веществах протоплазмы, о рецепторах. Что это, кстати, такое? И почему, связавшись, неважно пока, с чем, вещества эти оказывают какое-то действие?
Для иллюстраций существенных из начальных понятий обратимся к истории применения гербицидов: «химической прополки», как говаривали раньше. Одним из первых эффективных средств, помогавших избавиться от сорняков в посевах злаковых культур, были вещества, совершенно немудреные: серная кислота и медный купорос. Серная кислота – средство, конечно, радикальное. Нет такой живой ткани, нет такого организма, который мог бы противостоять контакту с ней. Но почему же сорняк звездчатка опрыскивания 20-процентной серной кислотой не переносит, а пшенице как с гуся вода?
А вот именно, именно, как с гуся вода. Плотные, лощеные листья пшеницы, покрытые тончайшим (гидрофобным!) восковым налетом, не позволяют задерживаться капелькам серной кислоты, они скатываются прочь, в почву. У звездчатки же поверхность листьев морщинистая, негладкая, к тому же хорошо смачиваемая. Несколько капель всесокрушающей H2SO4 на растение – и достаточно.
Вот уж действительно: не действуют вещества, не будучи связанными! А с другой стороны, на этом примере мы можем ввести в обиход нашего правдивого (по преимуществу) повествования важное понятие избирательности действия. В рассмотренном случае она проявляется на организменном уровне. Если бы серная кислота все же как-то задержалась и на листьях пшеницы, той бы тоже, конечно, несдобровать. Но пшеница увернулась. Невольно вспоминается полузабытая ныне пословица: «Что русскому здорово, то немцу...» Я, впрочем, наблюдал и обратное: почтенного, симпатичного русского профессора, у которого разыгрался неприятнейший гастрит после двухнедельного знакомства с немецкой кухней; так что пусть редактор не пытается вычеркнуть этот абзац, приписывая мне великорусский шовинизм.
Еще одна особенность действия серной кислоты на злополучную звездчатку: кислота уничтожает все клеточные структуры без разбору, разрушает все живое вещество клетки целиком. Гораздо больший интерес представляют соединения, действующие избирательно не только на уровне организма, но и внутри него, связываясь лишь с некоторыми, вполне определенными его элементами.
«...Стэнли, крайне польщенный этим визитом, суетился возле бара. Вскоре на столе появился поднос с двумя стаканами.
– Что предпочтете?
– Немного виски, – свободно ответила Айрис. И, выждав, пока Стэнли нальет, добавила: – Если можно, дайте льда.
Стэнли услужливо метнулся на кухню. Едва он скрылся за дверью, в руках Айрис появилась миниатюрная стеклянная капсула. Ее содержимое, всего несколько беловатых крупинок, она быстрым движением всыпала в стакан – тот, что стоял подальше от нее.
...Инспектор Мак-Гроу низко наклонился над лицом покойника. Так и есть–характерный запах горького миндаля».
Ну а раз горького миндаля, всякий знаток детективных историй тут же и сообразит, что те несколько беловатых крупинок, которые всыпала в стакан Стэнли коварная и аморальная Айрис, были не чем иным, как цианистым калием. Ладно, не подлежит сомнению, что инспектор Мак-Гроу дело свое знает, и не миновать в конце концов мерзавке газовой камеры или электростула. Лучше поинтересуемся: с чем же именно связался в организме злополучного растяпы Стэнли этот самый цианистый калий?
Ну, прежде всего не так уж обязательно именно калий. Дело в том, что все цианиды щелочных металлов в растворе диссоциируют на ион металла и анион CN– эти растворы имеют основную реакцию (то же KOH–очень сильная щелочь) поэтому часть анионов CN–, отнимая протон у молекулы воды, превращается в синильную кислоту – соединение довольно летучее. Именно запах синильной кислоты и почувствовал инспектор Мак-Гроу, а был ли в роковой капсуле цианид калия или, скажем, натрия, этого, пожалуй, уже не установить.
При попадании в организм животных синильной кислоты или ее солей образующийся ион CN– связывается с гемоглобином – красным веществом крови, обеспечивающим перенос кислорода из легких к остальным органам. Кислород обратимо связывается атомом железа, встроенным в так называемое порфириновое ядро – молекулу довольно сложной структуры, присоединенную к белковой части гемоглобина. Ион CN– образует с тем же атомом железа более прочное соединение, возникший в результате циангемоглобин уже не способен переносить кислород. Ясно, что последствия этого оказываются самыми печальными: удушье вследствие кислородного голодания.
