Электричество органических молекул / / Независимая газета
Два электрода, подведенные к молекуле фермента, синтезирующего ДНК (желтая и зеленая цепи). Иллюстрация Physorg
Электронщики Национального университета Сингапура обнародовали свое очередное достижение – квантовый чип размером чуть более 3 мм, что в 1000 раз меньше ныне существующих. Он может использоваться в системах связи с повышенным уровнем безопасности.
Протеины – хорошие изоляторы. Поэтому, кстати, ороговевшие частицы кожи тока не проводят. В мозге белково-жировые (миелиновые) оболочки надежно изолируют нервные отростки, и нарушение этих оболочек приводит к нейродегенеративным заболеваниям, рассеянному склерозу в частности. В то же время нервные импульсы генерируются ионными токами сквозь оболочки нейронов и их отростков с помощью протеиновых каналов, по которым в клетки и из них проходят положительно заряженные катионы (Na, К и Са) и отрицательно заряженные анионы (Cl).
Нарушения в натриевом канале (SCC – Sodium Cation Channel) могут приводить к аналгезии, то есть отсутствию болевой чувствительности. Такое происходит и при действии нейротоксического ботокса – ботулинового токсина, нарушающего нервно-мышечную передачу. У мышей введение синтетического ботокса в спинной мозг блокирует соединение нейропептида Р (англ. pain – «боль») с болевыми рецепторами. Нейробиологи Университетского колледжа в Лондоне добились полной потери животными чувства боли в течение трех недель. Их статья в приложении к журналу Science так и называется – «Селективное нейрональное выключение с помощью синтетического ботокса облегчает хроническую боль у мышей».
Нейропептиды представляют собой цепочки аминокислот. Известно, что аминокислота – это нанодиполь, на одном конце которого азот несет плюсовой заряд, а кислород на другом – минусовый. Помимо этого тот же азот в силу своей электроотрицательности может атаковать концевой фосфор молекулы АТФ, главного энергоносителя клетки.
|
Квантовый чип размером 3–4 мм. Иллюстрация Physorg |
Но одно дело – ионные токи и двуполярные аминокислоты, а совсем другое – колебания электропроводности в протеинах. Этот эффект был открыт еще в 2017 году. В Аризонском университете в г. Финикс было показано проведение молекулой белка интегрина электрического тока между двумя электродами (от катода к аноду). Наносекундные скачки проводимости достигали двух наноампер при приложении напряжения около 100 милливольт (сходные параметры имеют и нервные импульсы).
По прошествии времени в Финиксе с помощью биотина (витамина Н) и «цепляющего» протеины стрептавидина обездвижили молекулу ДНК-полимеразы, то есть фермента синтеза вещества генов. С помощью сканирующего туннельного микроскопа к ней подвели два золотых электрода, благодаря которым были зафиксированы отличающиеся друг от друга скачки проводимости. Разница была обусловлена тем, какую букву генетического кода, или нуклеотид, захватывал фермент, чтобы включить его в синтезируемую цепь ДНК.
В далеком уже 1990 году ученым был выделен миллиард долларов на программу «Геном человека».
Благодаря этому через 13 лет был прочитан (секвенирован) первый геном человека. Впрочем, «текст» этого генома уточняется по сей день. Из более чем 20 тыс. генов, кодирующих белки, функция 80% до сих пор неизвестна. А ведь мутация в каждом из них может приводить к заболеваниям. До сих пор не осуществлен амбициозный проект дешифровать геном любого человека за 1 тыс. долл. И это сдерживает развитие биологии и медицины, а также создание новых лекарств – эффективных и одновременно безопасных. Именно поэтому противораковые средства стоят десятки тысяч долларов, а две иммунотерапии – сотни.
Ученые, давшие описание «электрического» подхода к ДНК-полимеразе в журнале Американского химического общества (ACS Nano), полагают, что размещение многих тысяч молекул фермента на чипе позволит быстро и с высочайшей скоростью читать самые разные геномы за ничтожные деньги. Помимо этого энзим-чипы могут удешевить и обезопасить весьма токсичное сегодня чиповое производство.
Добавим только, что уже давно биотехнология использует иммобилизованные ферменты в таких продуктах, как тесты на ВИЧ и др.
А химики еще раньше предложили женщинам энзимные порошки для деликатной стирки белья и одежды.
Отрывок из книги «Автостопом по мозгу. Когда вся вселенная у тебя в голове» – The City
В издательстве «Бомбора» вышла книга Елены Беловой «Автостопом по мозгу. Когда вся вселенная у тебя в голове». Новинка продолжает цикл книг о медицине и том, как устроен наш организм. На этот раз автор отвечает на самые распространенные вопросы о работе мозга. Публикуем отрывок о том, что происходит, когда человек пьет кофе.
Первый раз я попробовала кофе в 13 лет. Дело было на летней школьной практике: на утреннее дежурство я встала сонной и невыспавшейся, и мой напарник предложил выпить кофе, чтобы взбодриться. Оказалось, что кофе — редкостная дрянь: от удивления и неожиданности я проснулась c первого же глотка. Бодрящий эффект оказался сногсшибательным, хоть я и представляла себе вкус несколько иначе. После этого случая я еще долго думала, что кофе бодрит именно благодаря своим органолептическим качествам — кто не проснется, если во рту вдруг оказалось нечто кисло-горькое? Уже студенткой я полюбила кофе, без которого не обходилась ни одна сессия, и узнала, почему он бодрит, даже когда привыкаешь к его вкусу и не видишь в нем ничего ужасного.
Теперь для меня, как и для многих людей, утро начинается с кофе — он заряжает энергией и поднимает настроение, помогает проснуться или справиться с усталостью и напряжением в середине тяжелого дня. В мире, где работоспособность и эффективность становятся для людей новой религией, энергия очень важна. Некоторые оценивают приложенные усилия и степень напряженности работы перед дедлайном объемами выпитого кофе: «Неделя бессонных ночей, десять литров выпитого кофе, пять килограммов шоколада, и вот наконец наш проект готов!»
В чем же секрет кофе и почему миллионы людей во всем мире не могут представить себе продуктивный рабочий день без него?
Откуда взялся кофе
Прежде всего кофе — это зерна нескольких видов растения рода Coffea. Почти весь потребляемый кофе принадлежит к двум видам — Coffea arabica (сорт арабика) и Coffea canephora (сорт робуста). Кофе пьют ради кофеина, который содержится в зернах: в мягкой на вкус арабике его меньше (около 1–1,5%), а горькие и терпкие зерна робусты содержат примерно вдвое больше кофеина и идут на приготовление более крепкого кофе.
Зачем растениям кофеин? Вряд ли для того, чтобы нам лучше просыпалось по утрам, — у них в жизни явно другие задачи. Как и многие другие растительные вещества, кофеин нужен растениям для отпугивания вредителей, чтобы их не съели.
То, что для человека источник бодрости и хорошего настроения, для насекомых — гадость и отрава.
Кофеин не только придает листьям и семенам горький вкус, но и сокращает продолжительность сна и делает насекомых подвижнее.
Можно сказать, что эффект небольших доз кофеина для насекомых не так уж отличается от воздействия на людей, только людям это нравится, а насекомым нет.
Хотя напиток готовится из обжаренных семян растения, больше всего кофеина содержится в молодых растущих листьях, которые сильнее могут пострадать от паразитов. В листьях чая кофеина тоже больше, чем в кофейных зернах, но для чая требуется меньше заварки. Тем не менее очень крепкий чай иногда не уступает кофе по содержанию кофеина. Еще кофеин можно обнаружить в какао, гуаране, парагвайском падубе, из которого готовят мате, и множестве других растений и продуктов на их основе, например в коле и шоколаде.
В письменных источниках кофе впервые упоминается как лекарство: в XI веке Авиценна в своем «Каноне медицины» описывает его как средство для очищения кожи и придания телу более приятного запаха. Однако вскоре люди полюбили кофе и перестали относиться к нему как к лекарству.
К XV веку кофейные дома распространяются по Аравийскому полуострову, а в XVII–XVIII веках кофе становится повседневным напитком в Европе. О том, что кофе обладает бодрящим эффектом, было известно еще персидским дервишам; но о том, что такое бодрость и от чего она зависит, люди задумались намного позднее.
От чего зависит бодрость
Можно сказать, что бодрость отражает запас энергии, «заряженность» на новые действия. Наоборот, усталость и вялость мы чувствуем, когда уже потратили массу усилий — не важно, физических или умственных — или же недостаточно восстановились после напряженной работы накануне. В некоторых компьютерных играх в жанре RPG1 показатель запаса сил (англ. stamina) влияет на игровую динамику — его вместе со здоровьем и другими ресурсами показывают прямо на экране.
В реальной жизни у нас нет табло с индикаторами, но обычно мы довольно точно оцениваем уровень бодрости — во всяком случае, чувствуем, когда ее не хватает.
На первый взгляд, бодрость отражает соотношение между напряженной деятельностью и сном или отдыхом. Но из этого правила бывают исключения: иногда случается так, что восемь или даже десять часов сна не помогают справиться с вялостью и упадком сил. С другой стороны, бывает и так, что после длинного и тяжелого, насыщенного впечатлениями дня мы обнаруживаем, что все еще бодры и готовы к новым свершениям.
У человеческой бодрости есть одно любопытное свойство: переживание ярких эмоций, как положительных, так и отрицательных, может давать энергию и бодрить даже в условиях недосыпания.
Внезапный испуг, даже если тревога оказалась ложной, снимает сон как рукой. О вялости не идет речи, когда мы злимся, расстроены или сильно обижены. А яркие положительные эмоции и вовсе нас окрыляют, энергия бьет ключом, ее хватает и на обычную жизнь, и на дополнительные активности — так бывает, когда мы влюблены, искренне увлечены новым занятием или общаемся с интересными собеседниками и старыми друзьями.
Эмоции подзаряжают человека, а их недостаток может вести к апатии. Действительно, если вокруг ничего не происходит, а каждый новый день похож на предыдущий, бодрости и заряду позитива это не способствует. Можно сказать, что бодрость — это аванс энергии на что-то ценное и приятное для человека, а если ничего такого не предвидится, лучше сэкономить ресурсы и поспать. Скука — одно из лучших снотворных, особенно если не на что отвлечься или нет ничего мало-мальски интересного, чем можно занять внимание.
Помимо этого, вялость и апатия могут быть признаком ослабленного иммунитета и плохого питания: если человеку нездоровится или в его диете не хватает витаминов и микроэлементов, это тоже может заметно снижать запас жизненных сил. В любом случае, если человек постоянно чувствует вялость без видимой причины, это тревожный признак и повод обратиться к врачу.
Каким же образом кофеин влияет на бодрость? Он не относится к числу важных микроэлементов и не особенно питателен — это не сахар, который обеспечивает организм энергией напрямую.
Кофеин — небольшая и не очень сложная молекула, без которой мы прекрасно можем обойтись, но, чтобы взбодриться, нам достаточно 100–150 мг кофеина. Это химическая заглушка, действующая на наш внутренний индикатор бодрости в обход сна и отдыха, питания, иммунитета и эмоциональных стимулов.
Как устроен индикатор заряда нашей внутренней батареи
А что думает обо всем этом наука? Ученые тоже задумывались над тем, что такое бодрость и что на нее влияет. Почему по утрам мы просыпаемся бодрыми и отдохнувшими, а под вечер нас клонит в сон? В конце XIX века появилась гуморальная теория сна, предлагавшая объяснение этому явлению. Наверное, в организме есть фактор сна какое-то вещество, вызывающее усталость и сонливость, которое тело вырабатывает в течение дня. Когда спим, тело постепенно разрушает или выводит фактор сна, поэтому с утра мы чувствуем себя бодрыми и отдохнувшими.
В начале XX века сразу две группы ученых во Франции и Японии смогли доказать существование такого вещества, накапливающегося в мозге.
Если собак лишить сна, а затем взять у них спинномозговую жидкость и ввести отдохнувшим животным, они засыпают. Усталость можно передавать от одного организма к другому! В то время было невозможно установить, что представляет собой фактор сна из спинномозговой жидкости, но у него определенно имелся материальный носитель. Неизвестное вещество назвали гипнотоксином. Потребовалось еще почти полвека, чтобы выяснить, что фактором сна выступает аденозин.
Школьный курс общей биологии рассказывает, что аденозин, как и кофеин, относится к пуриновым алкалоидам и участвует сразу в нескольких жизненно важных процессах. Во-первых, аденозин входит в состав ДНК — проще говоря, это одна из букв нашего генетического кода. Во-вторых, он составляет основу энергетической валюты клетки аденозинтрифосфата (АТФ). В-третьих, входит в состав циклической формы аденозинмонофосфата — цАМФ, который регулирует то, как протекают важные сигнальные каскады внутри клеток, влияющие на обмен веществ, включая расходование сахаров и жиров, и деление клеток.
Аденозин — молекулярная основа для всех трех веществ — «генетического» аденинового остатка, «энергетической» АТФ и «сигнальной» цАМФ.
Неудивительно, что уровень аденозина и его производных так важно контролировать. Для нейронов энергия критически важна. Как известно, мозг — самый энергозатратный орган нашего организма.
Нейроны постоянно активны, и их переговоры друг с другом требуют уймы энергии. Логично предположить, что нервная система постоянно следит, все ли в порядке и каким запасом энергии она сейчас располагает. Вслед за напряженной работой обязательно должен следовать период покоя, чтобы восстановить ресурсы и работоспособность. Как мозг определяет, что пора отдыхать? По тому, сколько потрачено энергии — точнее, молекул АТФ.
АТФ — универсальная энергетическая валюта для всех живых существ. Любой процесс, требующий энергии, можно выразить в числе молекул АТФ, необходимых для его протекания. Например, чтобы выкачать из клетки три иона натрия и закачать внутрь два иона калия, необходимо расщепить одну молекулу АТФ.
При этом нейроны непрерывно расходуют АТФ — перекачивают ионы, чтобы восстановить заряд на мембране после каждого нервного импульса; можно сказать, что на этом процессе вырабатывается все электричество в мозге. С другой стороны, любое питательное вещество можно оценить по тому, сколько АТФ из него можно получить: например, одну молекулу глюкозы можно расщепить до углекислого газа и воды, получив таким образом около 36 молекул АТФ (и перекачать с ее помощью 108 ионов натрия и 72 иона калия).
Как следует из названия, АТФ — АденозинТриФосфат — состоит из аденозина и трех фосфатов: они «пришиты» к аденозину один за другим. Связи между фосфатами называют макроэргическими: это означает, что каждая из них позволяет запасти довольно много энергии. Когда такая связь разрывается, энергия высвобождается и может быть использована для нужд клетки.
Можно сказать, что АТФ — это что-то вроде платежной карты с тремя фосфатами на счету. Большинство транзакций внутри клетки «стоят» один фосфат, он отщепляется от АТФ с образованием АденозинДиФосфата — АДФ.
Некоторые процессы очень дорогие: они стоят два фосфата, которые отщепляются от АТФ с образованием аденозинмонофосфата — АМФ.
Если АТФ — это энергетическая валюта, то сам аденозин представляет собой что-то вроде пустой платежной карты, которую необходимо пополнить, перед тем как использовать для оплаты нужных клетке транзакций. Когда аденозин накапливается в клетках и межклеточном пространстве, это сигнализирует о том, что организм заметно потратился, и ему нужно восполнить запасы энергии — как следует отдохнуть.
Уровень аденозина в нервной системе и есть тот самый индикатор энергии (точнее, ее дефицита), который мы субъективно воспринимаем как заряд бодрости.
В чем химическая основа аномально высокой энергии гидролиза
этих фосфатных связей? Почему АТФ так нестабилен по сравнению с АДФ
а фосфат? Ответ кроется в зарядах полифосфата. | Когда АТФ гидролизуется и одна фосфатная группа отщепляется вода, заряды группы АТФ отделены друг от друга, как показано в середине последовательности рисунков выше. Меньше заряда остается на АДФ, и два иона отталкиваются друг от друга. Дополнительная энергия выделяется — энергия, которая первоначально была необходима, чтобы принести отрицательно заряженной фосфатной группы до уже отрицательно заряженной заряженный АДФ и связывает их вместе. Еще один выигрыш в стабильности получается, когда отталкивания остальных отрицательных зарядов на АДФ уменьшаются путем расщепления его на АМФ и фосфат. энергия гидролиза второй фосфатной связи также соответственно равна высокий: АДП + AMP + фосфат + 7,3 ккал Отщепление последней фосфатной группы от аденозина не дает больше разделение заряда, поэтому эта энергия гидролиза в норме: AMP + аденозин + фосфат + 3,4 ккал |
цепь. Трифосфатная группа имеет три-четыре отрицательных заряда.
и взаимное отталкивание этих зарядов делает молекулу АТФ
менее стабилен, чем ожидалось. Структура с одинарной и двойной связью
фосфатов, нарисованных слева, является лишь схематичным. В действительности,
электроны двойной связи распределены по всему трифосфату
группа, тем самым придавая каждой связи P-O характер частичной двойной связи.
Отрицательные заряды также делокализованы по всей цепочке.
Рисунки в верхней части противоположной страницы являются попыткой проиллюстрировать
динамичная и постоянно меняющаяся ситуация одним разом и вдвойне
связанная структура, и только приблизительно правильно. Например,
в примерно нейтральных условиях клетки половина фосфата
находится как
и половина как
ионы, нарисованные выше. Нарисованные структуры АТФ, АДФ и АМФ будут
верны примерно для 50% молекул, а остальные будут
потеряли еще одного
каждый.
Аккумуляторная молекула АТФ поддерживает заряд тела в движении
ВАШИНГТОН — Самая распространенная валюта в мире — это не доллар или евро, а крошечная химическая «монета», которую ученые называют АТФ.
В вашем теле примерно 60 миллиардов триллионов — это 60 с 21 нулем — молекул АТФ. Все вместе они весят всего около одной десятой фунта, но без них невозможно существование. Только молекула ДНК важнее для жизни.
АТФ является «основной энергетической валютой клетки», сообщил в электронном письме Джон Кимбалл, бывший профессор биологии Гарвардского университета. «Что я нахожу наиболее примечательным в этой молекуле, так это то, что она прямо или косвенно участвует практически во всех видах деятельности клеток и, следовательно, организмов».
Каждая молекула АТФ хранит единицу энергии и отдает ее, когда вам это нужно, как миниатюрный банк. То, что вы изымаете, немедленно заменяется новой энергией, поставляемой пищей, которую вы едите или пьете, поддерживая баланс счета.
Подсчитывая все депозиты и снятия, взрослый ежедневно пересчитывает свой вес в АТФ, согласно Артуру Корнбергу, профессору абиохимии Стэнфордского университета в Пало-Альто, Калифорния, который получил Нобелевскую премию в 1959 году за свою работу над молекулой.
.
«Ошеломляющее количество АТФ перерабатывается каждый день, чтобы преобразовать энергию пищи в формы, необходимые нам для жизни и работы», — написал он в своей автобиографии 1989 года «Ради любви к ферментам».
АТФ поставляет энергию, которая приводит в движение мышцы, запускает нервную деятельность, поддерживает клетки в правильной форме, собирает белки и синтезирует ДНК. Он также зажигает светлячков, питает сперматозоиды и сигнализирует о наполнении мочевого пузыря.
Живым организмам нужна общая энергетическая валюта, потому что они получают ее из множества разных источников. Растения получают энергию от солнца. Животные получают их, питаясь растениями или другими животными.
«Представьте себе путаницу», если бы не было общей валюты для энергии, написал Корнберг. «Каждый из разнообразных продуктов питания будет генерировать разные энергетические валюты, и каждая из огромного разнообразия клеточных функций должна будет обмениваться своей уникальной валютой».
