Айзек Азимов - Энергия жизни. От искры до фотосинтеза
Самое простое (и, за некоторыми уточнениями, верное) объяснение этому явлению кроется в том, что в пергаменте есть микроскопические поры, сквозь которые маленькие молекулы пролезают, а большие — нет. В результате пергамент и подобные ему мембраны — в первую очередь мембраны, окружающие живые клетки, — стали называть полупроницаемыми.
Так появился один из самых распространенных ныне способов очистки белковых растворов. Раствор белка помещали в мешок из полупроницаемой мембраны (в те времена самым распространенным материалом такого рода оказывалась колбасная оболочка — кишка) и подвешивали в проточной воде. Все вещества с малым молекулярным весом просачивались сквозь мембрану и смывались, а большие белковые молекулы оставались в мешке. Этот процесс носит название «диализ», или «мембранная сепарация» (рис. 23).
Тот факт, что белки не проходят сквозь полупроницаемую мембрану, устанавливает нижнюю планку размера белковой молекулы; тот факт, что белки все же растворяются, — верхнюю. Последний момент надо объяснить подробнее.
На каждую растворенную в воде частицу действуют две противоположно направленные силы. Первая — это сила тяжести, тянущая частицы вниз (предположим, что их плотность больше плотности воды; как правило, это так и есть), а вторая — это бомбардировка молекулами воды, постоянные случайные удары, поддерживающие вещество в равномерно растворенном состоянии. (Если частицы несут электрический заряд, то есть еще притягивающие и отталкивающие электрические силы, но этого момента мы сейчас касаться не будем.)
Для частиц любого видимого размера самой важной является сила тяжести, поэтому в конечном итоге они тонут. Однако чем меньше частица, тем большее значение приобретает бомбардировка молекулами и тем меньше становится скорость осаждения вещества. Описанное мной распределение явно видно, если горсть земли бросить в миску с водой. Любые камушки, если таковые там окажутся, тут же опустятся на дно. Чуть позже осядут и частицы чуть покрупнее, потом — помельче, наконец, — самые крохотные. В итоге в воде останется взвесь, поскольку какие-то частицы так и не опустятся на дно, потому что они настолько малы, что молекулярная бомбардировка нивелирует действие силы тяжести, сводя скорость их осаждения до крайне малых значений, а то и до нуля.
На самом деле частицы, чей размер достаточно мал, чтобы они оставались во взвешенном состоянии вечно, глазом неразличимы. Однако для того, чтобы рассеивать свет, их размера вполне достаточно — это явление обнаружил в 70-х годах XIX века британский физик Джон Тиндаль, и в его честь оно называется «эффект Тиндаля». Если пропустить через такой раствор луч света и посмотреть на емкость с раствором под прямым углом к лучу, то луч будет выглядеть как светлый туннель, проходящий сквозь туман. Именно благодаря взвеси мельчайших частиц, рассеивающих свет в направлении глаза наблюдателя, и виден луч.
Если же вместо человеческого глаза за происходящим наблюдает специальный микроскоп («ультрамикроскоп»), то через него видны и сами частицы в виде ярких точек.
Чем меньше частицы, тем слабее эффект рассеивания света, и когда их размер уменьшается настолько, что они уже могут проходить сквозь полупроницаемую мембрану, то эффект становится незаметным, и физики говорят, что раствор «оптически чист».
В растворах белков эффект Тиндаля наблюдается. С учетом того, что белковые молекулы достаточно велики, чтобы полупроницаемые мембраны оказывались для них непреодолимыми, и при этом достаточно малы, чтобы пребывать во взвешенном состоянии, в целом можно сказать, что они «коллоидных размеров».
«Коллоидные размеры» включают от 1 до 1000 миллимикронов в диаметре (напомню, миллимикрон — это одна миллиардная метра). Даже самые маленькие из коллоидных частиц должны состоять, соответственно, из тысяч атомов, а самые крупные — из триллионов. А средний вес одного атома молекулы белка — 7. Соответственно, можно сказать, что молекулярный вес белков, раз они лежат на отрезке «коллоидных размеров», — от 7000 до 7 000 000 000 000.
Столь большой разброс никак не может нас устроить в качестве «точных данных», но даже его достаточно, чтобы понять, что молекулы белка гораздо крупнее, чем молекулы таких веществ, как поваренная соль (молекулярный вес 58,5) или глюкоза (180).
В последней четверти XIX века ученые взялись за проблему установления точных значений молекулярных весов огромных молекул вроде белков. Один из способов добиться этого — диализ. Если с одной стороны полупроницаемой мембраны находится белковый раствор, а с другой — чистая вода, то молекулы воды могут свободно перемещаться сквозь мембрану в обоих направлениях. Однако со стороны раствора крупные молекулы белков «забивают» микропоры, через которые могла бы пройти вода.
В результате молекулы воды из половины с чистой водой в половину с раствором белка переходят активнее, чем наоборот, и получается течение из одной половины в другую, отчего и образуется разность уровней воды между двумя половинами. Из-за этой разности уровней давление в половинке с раствором становится выше, и его компенсирующее действие прекращает перетекание воды.
Такое неравномерное перетекание воды получило название «осмос» (от греческого слова, означающего «толкать»), а создаваемое им давление — «осмотическое» (рис. 24). Величина осмотического давления зависит от количества крупных молекул, блокирующих поры, — чем их больше, тем выше давление.
Теперь предположим, что у нас имеется некое количество белка, точный вес которого известен. Чем крупнее его молекулы, тем меньше их будет в образце вещества одного и того же веса. То есть для образца белка, вес которого известен, чем ниже осмотическое давление, тем больше молекулярный вес.
Рис. 24. Устройство для определения осмотического давления и молекулярных весов белковых молекулПервым измерить осмотическое давление в различных коллоидных растворах попытался в 1877 году немецкий ботаник Вильгельм Пфеффер. К 1885 году голландский специалист в области физической химии Якоб Хендрик Вант-Гофф вывел точную формулу зависимости осмотического давления от молекулярного веса вещества, и началась полномасштабная доработка методики.
К 1917 году методы определения молекулярного веса через измерение осмотического давления стали уже вполне надежными. В этот год датский химик Серен Петер Лауриц Сёренсен объявил, что молекулярный вес яичного белка (того самого первого белка, который дал название всем остальным!) — 34 000. Вскоре после этого было установлено, что молекулярный вес гемоглобина (главного белка красных кровяных телец) — 67 000.
К сожалению, когда молекулярный вес вещества доходит до сотен тысяч, осмотическое давление падает до столь малых значений, что получение каких-либо точных данных становится делом уже невозможным. Поэтому установить молекулярный вес многих важных белков так и не смогли. Однако уже к 1925 году стало ясно, что молекулярный вес белков редко опускается ниже 10 000, а у многих важных белков — превышает 100 000.
Одновременно с исследованиями проникновения через мембрану шло и параллельное наступление на тайны белков — со стороны изучения их осаждения. Как я уже говорил, чем мельче частицы, тем медленнее они осаждаются. К сожалению, все белковые молекулы достаточно малы, чтобы скорость их осаждения равнялась нулю, так что большие белковые молекулы от маленьких белковых молекул таким образом отличить невозможно — по крайней мере, при обычных условиях.
Чтобы сделать возможным практическое использование скорости осаждения, надо сделать что-то равносильное усилению силы тяготения (до такого уровня, при котором белковые молекулы все же начинают осаждаться, каждая со своей скоростью, определяемой ее размером). Изменить силу тяготения как таковую человек пока еще не в силах, но того же результата можно добиться и с помощью другого явления. Если сосуд с жидкостью быстро вращать, то его содержимое будет сдвигаться от центра вращения в сторону стенок. Во многих отношениях этот центробежный эффект сродни силе тяготения, и, как и сила тяготения, он тоже приводит к осаждению взвесей. Но для центробежной силы, в отличие от силы тяготения, ничего не стоит установить желаемую величину.
В 1925 году шведский химик Теодор Сведберг разработал «ультрацентрифугу», которая могла производить столь быстрое вращение, что белковые молекулы под его действием принимались осаждаться из раствора (сейчас возможно создание центрифуг, имитирующих силу тяжести в 500 000 раз больше действительной).
С помощью оптических устройств можно отследить изменения скорости осаждения по мере разгона центрифуги. Если в растворе присутствует более одного белка, то можно отслеживать скорость осаждения каждого из них в отдельности. (Скорость осаждения зависит не только от веса, но и от формы молекулы, вытянутая молекула будет осаждаться быстрее, чем круглая, при одинаковом весе, так что для того, чтобы по скорости осаждения можно было адекватно судить о молекулярном весе вещества, надо сначала отдельно установить форму молекулы.)
