Биология в новом свете - [36]

Модель молекулы, составленная из полушарий. Такие модели таят в себе опасность вступить на позиции механицизма

Мы должны твердо усвоить: "видеть" молекулу нельзя, о "внешности" молекулы не может быть и речи. Вместо "портрета" молекулы мы получаем ее научно обоснованное описание, которое отнюдь не идентично знакомым нам картинам из видимого и привычного мира макрофизики.

Итак, молекула представляет собой динамическую структуру. Но можно ли, основываясь на модели, полученной в результате рентгеноструктурного анализа, определить хотя бы усредненные размеры и. форму молекулы? Да, конечно, однако и здесь существуют свои трудности. Проще всего их продемонстрировать на примере атомов или ионов, т. е. атомов, которые, потеряв или присоединив то или иное число электронов, несут электрический заряд. Ранее мы уже обсуждали значение этих носителей заряда, в частности ионов натрия и калия, которые имеют положительный заряд и называются катионами. Каков размер иона?

Мы привыкли к тому, что размеры окружающих нас предметов и расстояния между ними можно измерять различными способами. Например, длину спортивной площадки можно либо измерить рулеткой, либо определить с помощью оптического дальномера. В принципе мы можем также заметить время, за которое звук пройдет измеряемый отрезок, а затем, зная скорость звука, рассчитать длину отрезка (примерно так, засекая момент вспышки молнии, а затем раската грома, на основании разницы во времени определяют в грозу отдаленность разрядов). И хотя в зависимости от применяемых методов точность измерения длины площадки будет различной, результат измерений всегда окажется одинаковым.

Однако сейчас нам следует забыть наш повседневный опыт. Он не подтверждается на молекулярном и атомном уровнях. Если мы определим радиус иона разными методами, то получим совершенно различные результаты. Рассмотрим следующий пример. В кристалле поваренной соли ионы натрия и хлора "упакованы" в строгом порядке, как елочные шары в коробке. С помощью рентгеноструктурного анализа можно очень точно установить расстояние между центрами ионов. В результате мы получаем так называемый кристаллический радиус иона; например, у натрия он составляет 0,95 Å.

Теперь попытаемся измерить размеры иона другим способом. Когда шар проходит через жидкость, его скорость зависит от величины действующей на него силы, вязкости жидкости и радиуса шара. Если ионы поместить в раствор между двумя электродами, они будут двигаться в электрическом поле. Этот процесс называют электрофорезом. Скорость движения ионов можно определить, зная электрическое сопротивление раствора. Вязкость воды тоже известна. Таким образом, можно рассчитать радиус иона. С удивлением мы обнаруживаем, что для того же иона натрия радиус равен 1,85 Å, т. е. вдвое больше кристаллического радиуса. Что это, ошибка измерения? Ничего подобного. Просто мы измерили совсем другой параметр. Его называют гидратационным радиусом. Ион притягивает воду и движется, облаченный в водяную рубашку. И следовательно, "ошибка" заключается в том, что в этом случае мы как бы измеряем диаметр елочного шара, завернутого в бумагу. В действительности дело обстоит гораздо сложнее, ибо ионы не новогодние шары и у них нет твердой поверхности. Даже если в очень грубом приближении можно представить ядро и электроны как материальные точки, то ион в целом следует рассматривать как область действия сильнейших электрических полей. Что же тогда мы измеряем?

Какое размер иона? К иону не приложишь штангенциркуль, Здесь можно определить только эффективные радиусы или диаметры, т. е. параметры, измеряемые в совершенно конкретных условиях

Нам просто пора привыкнуть рассматривать величины как "эффективные" параметры, т. е. значения, измеряемые в совершенно конкретных условиях, как это было показано на примере определения кристаллического и гидратационного радиусов. Для биологических систем важен именно гидратационный радиус. Ведь в живых системах ионы находятся в водной среде и поэтому окружены водяной рубашкой. Но эта водяная рубашка не имеет никакой четкой границы, подобно тому как нигде не обрывается резко атмосфера Земли. И хотя эффективный гидратационный радиус удается определять очень точно, с хорошей воспроизводимостью результатов измерений, тем не менее не стоит рассматривать его как некую абсолютную величину.

Чтобы пояснить эту мысль, рассмотрим следующий пример. До сих пор остается не совсем ясным, каким образом клеточная мембрана обеспечивает избирательную проницаемость для различных ионов. В предыдущей главе мы говорили о том, что калий проходит через мембрану гораздо легче, чем натрий. Для объяснения этого эффекта в свое время была выдвинута так называемая "теория ионного сита", которая сейчас вновь привлекает внимание исследователей. Первоначальная идея выглядела очень простой и даже механистической.

Если представить мембрану в виде плоскости с отверстиями (порами) определенной величины, а ионы как шары соответствующего диаметра, то вся структура в делом будет напоминать сито, с которым дети играют в песочнице. Но ионы — это не обычные отполированные шары, а отверстие диаметром в несколько ангстрем нельзя сравнить с тем, которое оставляет сверло в куске фанеры. Мы уже отмечали, что размеры ионов характеризуются эффективными величинами; то же справедливо и для пор. И если попытаться нарисовать мир молекул более реально, то картину диффузии ионов через мембрану можно описать следующим образом: мелкие частицы проходят через маленькое отверстие, конечно, легче, чем более крупные, но в отличие от твердого шара диаметром, скажем, 4,3 см, который при всем желании не протолкнуть через отверстие диаметром 4,1 см, ион с гидратационным диаметром 4,3 Å может пройти через пору с эффективным диаметром 4,1 Å, если приложенная к нему сила достаточно велика. На основе этих представлений вместо теории избирательной проницаемости (по принципу "все или ничего"), оказавшейся ошибочной, была разработана теория частичной проницаемости (по принципу "больше или меньше").