Жанр: Электронное издание
55_83
...зуль
татам, - даже к созданию промышленных аналогов химических процессов,
происходящих в живой природе.
Первый из этих путей - это развитие исследований в области
металлокомплексного катализа с постоянной ориентацией на соответст
вующие объекты живой природы. Начальные шаги в этом направлении
сделаны в 1954 г. К. Циглером и Дж. Натта, обнаружившими стереоспецифическую
полимеризацию олефинов и диенов в присутствии
комплексных титан-алюминийорганических соединений. Далее под дейст
вием комплексных металлоорганических соединений были осуществлены
реакции гомогенного гидрирования непредельных соединений и ароматики,
окисления олефинов в альдегиды и кетоны. В 1964 г. М.Е. Вольпин и сот
рудники открыли фиксацию атмосферного азота в присутствии металлакомплексов,
что послужило началом многолетних исследований М.Е. Вольпиным
и А.Е. Шиповым кинетики и механизма этой реакции электромет
аллокомплексного катализа. Ныне реализовано более 40 многотонн
ажных промышленных процессов с участием металлокомплексных
катализаторов 1см. (6)].
Второй путь основан на определенных успехах моделирования биокат
ализаторов. В. Лангенбеку в ГДР, Л.А. Николаеву в СССР и другим
исследователям путем искусственного отбора структур удалось построить
63
модели многих ферментов с высокой активностью и селективностью и
вместе с тем большей простоты строения. Полное представление о
работах в этой области можно получить из книги Л.А. Николаева - из
обзора этих работ вытекают два "очевидных вывода" [29, с. 166]:
1. Моделирование-отдельных функций изолированных ферментов не
только возможно, но в ряде случаев достигается даже несколькими
путями.
2. Ни одна до сих пор полученная модель не в состоянии заметить
"нативные катализаторы", действующие в биосистемах.
По поводу первого вывода можно сказать, что если практика подбора
катализаторов пока еще и не базируется на работах в области модели
рования ферментов, то путь к этому уже открыт.
Что же касается второго вывода, то такая задача - речь идет о замене
биокатализатора в биосистеме искусственной моделью - невероятно
трудна; она сравнима с задачей создания искусственных органов, например
сердца, для организма человека.
Существует и обратная сторона этой задачи - заменить малоактивные
неорганические катализаторы, которыми сейчас в основном оперирует
химия, неизмеримо более активными катализаторами, хотя бы в какой-то
степени воспроизводящими функции ферментов. Здесь встречаются
принципиально те же трудности, что и в замене фермента его моделью.
Катализаторами в химии выступают, как правило, берчюллидные
системы. Только они .обладают столь широким набором различных
активных центров, что среди этого набора почти всегда найдутся центры,
способные обеспечить как структурное, так и энергетическое соот
ветствие (по принципам Баландина). Поэтому в химическом катализе
широко распространены случаи каталитической активации одним итем же
катализатором (например, окисью хрома, хлористым алюминием,
фтористым бором, платиной) целой гаммы реакций и, наоборот, один и тот
же субстрат может активироваться самыми различными катализаторами.
Совсем иное дело в биокатализе. Биокатализаторами являются особого
рода системы, в некотором роде промежуточные между бертоллидными и
дальтонидными-молекулярными; их бертоллидные качества состоят в
различной энергоемкости (т.е. весьма широком спектре электронных
зарядов) связей, а их дальтонидные качества состоят в строго определен
ном составе и строении частиц. Широкий спектр электронных зарядов
связей в биокатализаторах служит основой лабильности системы, но
отнюдь не набором разных активных центров. Активные же центры
биокатализаторов строго локализованы, энергетически определенны, т.е.
высоко стерео- и энергетически специфичны, и поэтому являются
единственным ключом к замку - субстрату, именно данному и только
данному субстрату. В отличие от обычных реакций биокаталитические
процессы протекают не путем увеличения энтропии переходного
состояния, а посредством уменьшения энтропии промежуточного про
дукта. Образование промежуточного комплекса фермент-субстрат (ключз
амок) означает опять-таки повышение степени организации. Если же
происходило бы повышение энтропии переходного состояния, то это
угрожало бы хаотизацией системы.
По-видимому, уже из этого суждения следует вывод о необходимости
изучения законов химической эволюции и законов биогенеза для решения
проблемы освоения каталитического опыта живой природы.
Но среди химиков пока еще немного исследователей, которые бы
отчетливо представляли себе связь между проблемами катализа, биокат
ализа и эволюции. Пожалуй, идеи Берцелиуса в этом направлении можно
считать не только самыми ранними, но и наиболее передовыми.
Ныне взгляды на роль проблемы химической эволюции в изучении
катализа существенно изменились. При моделировании биокатализаторов
теперь принимаются во внимание уже не только "некоторые общие
закономерности биогенеза"' , но по возможности и вся совокупность такого
рода закономерностей. Принципы искусственного отбора структур в нап
равлении совершенствования моделей все более приближаются к принци
пам естественного отбора. В самой каталитической химии накапливается
все больше эмпирического материала, не укладывающегося в рамки от
правных постулатов классической кинетики. Появляется все больше ра
бот, свидетельствующих о физических и химических изменениях катали
заторов, о самоприспособлении их к требованиям каталитической базисной
реакции.
Третий путь к освоению "приемов", которыми пользуется живая при
рода в своих лабораториях in viva состоит в использовании достижений
химии иммобилизованных систем. Энзимология давно уже накопила
информацию об уникальных качествах биокатализаторов. Но вместе с
тем она указала и на их крайнюю лабильность, неустойчивость при хра
нении и быструю потерю активности при перенесении в реакционные
системы, функционирующие in vitro. Ведь именно поэтому "техническая
биохимия" не могла пойти далее нескольких ограниченных областей
промышленности, где применяются преимущественно гидролитические
ферменты, выделяемые микроорганизмами. Эти области - производство
вин, пива, чая, хлеба и некоторых других пищевых продуктов, обработка
кожи. Все попытки использовать богатейший набор ферментов, которым
располагает природа, для осуществления лабораторных и промышленных
процессов наталкивались на, казалось бы, неразрешимые проблемы:
1) трудную доступность чистых ферментов и их непомерно высокую
стоимость; 2) их нестабильность при хранении и транспортировке;
3) быстро наступающую потерю их активности в работе, даже если
удалось их выделить и пустить в дело. Но теперь оказалось, что эти
проблемы удается решить. Благодаря успехам микробиологической про
мышленности стало возможным получать многие ранее трудно доступные
или недоступные ферменты по ценам в 100-1000 раз (!) ниже цен на
ферменты растительного и животного сырья. Но, главное, теперь откры
ты пути стабилизации ферментов, и именно это обстоятельство стало
основанием химии иммобилизованных систем, или "биоорганического ката
лиза". Сущность этого открытия и всех последующих исследований,
направленных на разработку научно обоснованных принципов иммобили
зации, состоит в такой химической модификации выделенных из живого
' Так именно назвал первую часть своей книги Л.А. Николаев (см. (29)].
5. Концепция самоорганизации... 65
организма (или живым организмом) ферментов, которая превращает
последние в гетерогенный катализатор, обеспечивает его стабильность и
непрерывное действие в условиях in vim).
Несмотря на то, что основная масса работ в области химии иммоби
лизованных систем появилась относительно недавно, в этой области
в значительной степени благодаря систематическим исследованиям
И.В. Березина и его сотрудников достигнуты большие успехи. Решены
вопросы использования иммобилизованных ферментов в тонком органичес
ком синтезе, в трансформации стероидов, в модификации малостабильных
соединений, в разделении рецематов на оптически активные формы. Не
которые из названных процессов реализованы в промышленных масшта
бах. Намечаются пути применения иммобилизованных оксидаз, выде
ленных микроорганизмами, для тяжелого органического синтеза, в част
ности, для получения на основе парафинов и ароматических углеводо
родов спиртов, альдегидов, кетонов, кислот, окисей. Изучаются перспек
тивы ферментативного обезвреживания сточных вод (Подробно о дости
жениях химии иммобилизованных систем см. (4, с. 164-268)].
Следующий, четвертый путь, в развитии исследований, ориентирован
ных на применение принципов биокатализа в химии и химической тех
нологии, характеризуется постановкой самой широкой задачи - изучением
и освоением всего каталитического опыта живой природы, в том числе и
опыта формирования "выходного устройства" - фермента, клетки, орга
низма. Это - такая ступень, на которой возникают основы эволюцион
ной химии как действенной науки с ее эвристическими и рабочими
функциями, - как пролога к принципиально новой химической технологии,
способной стать аналогом живых систем.
4. 0 различных подходах
к проблеме самоорганизации химических систем
В настоящем параграфе необходимо назвать подходы к проблеме само
организации пред биологических систем, которые все чаще обсуждаются в
естественнонаучной и в философской литературе [см. (19, 27)]. Это так
называемые субстратный и функциональный подходы.
К первому из них относят теории биогенеза, отправным постулатом
которых является специфика вещественной основы биологических систем,
т.е. строго определенный состав элементов-органогенов и не менее
определенная структура входящих в живой организм химических соеди
нений. Все особе*ости функционирования организмов, с позиций этих
теорий, выводят из свойств конкретного биохимического состава орга
низмов-белков, нуклеиновых кислот и других биополимеров. Решение
проблемы биогенеза представители этого подхода видят в выяснении
путей постепенного усложнения органических соединений вплоть до белковоподобных
тел и биорегуляторов. Легко видеть, что к субстратному
подходу в его рафинированном виде относятся все актуалистические те
ории, о недостатках которых было сказано выше.
Рациональными результатами субстратного подхода к проблеме био66
генеза является накопленная информация об отборе химических элемен
тов и структур.
Отбор химических элементов - этого подвижного строительного мате
риала эволюционирующих систем - выступает прежде всего как весьма
красноречивый научный факт. Ныне известно 107 химических элементов.
Есть основания полагать, что большинство из них попадает в те или иные
живые организмы и так или иначе участвует в жизнедеятельности. Одна
ко основу живых систем составляют только шесть элементов, давно полу
чивших наименование органогенов; это - углерод, водород, кислород,
азот, фосфор и сера, общая весовая доля которых в организмах составля
ет 97,4%! За ними следуют 12 элементов, которые участвуют в построе
нии многих физиологически важных компонентов биосистем; это - натрий,
калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, ко
бальт. Их весовая доля в организмах равна примерно 1,6%. Можно наз
вать еще 20 элементов, участвующих в построении и функционировании
отдельных узко специфических биосистем (например, водорослей, состав
i которых определяется в известной мере составом питательной среды). Их
* доля в организмах составляет около 1%. Участие всех остальных эле*
ментов в построении биосистем практически не зафиксировано.
' Картина собственно химического мира тоже весьма отчетливо свиде
тельствует об отборе элементов. Теперь известно всего около 6-7 млн
химических соединений. Из них подавляющее большинство (около 96%) -
это органические соединения, основной строительный материал которых -
все те же 6-18 элементов. И как это ни парадоксально, из всех остальных
95-99 химических элементов природа (по крайней мере, на Земле) создала
лишь около 280 тыс. неорганических соединений.
Столь резкая диспропорция между едва обозримым множеством орга
нических соединений и каким-то минимумом составляющих их органо
генов, так же как и исключительно дифференцированный отбор того же
минимума элементов для построения живых систем, нельзя всецело
объяснить факторами различной распространенности элементов в Космосе
и на Земле. В Космосе вообще безраздельно господствуют лишь два
элемента - водород и гелий, тогда как все остальные элементы можно
рассматривать только как примесь к ним.
На Земле наиболее распространены железо, кислород, кремний,
магнии, алюминии, кальции, натрии, калии, никель, тогда как углерод
занимает лишь 16-е место. В атмосфере Земли углерода не более
0,01 весового процента, в океанах - около 0,002, в литосфере - 0,1.
Углерод в литосфере Земли распространен в 276 раз меньше, чем
кремний, в 88 раз меньше, чем алюминий, и даже в 6 раз меньше, чем
относительно редкий титан. Из органогенов наиболе? распространены
лишь кислород и водород. Распространенность же углерода, азота,
фосфора и серы в поверхностных слоях Земли примерно одинакова и в
общем невелика - всего около 0,24 весовых процента.
Следовательно, геохимические условия не играют сколько-нибудь
существенной роли в отборе химических элементов при формировании
органических систем, а тем более биосистем. Определяющими факторами
здесь выступают требования соответствия между строительным мате67
риалом и теми сооружениями, о которых выше говорилось как о струк
турах высокоорганизованных.
С химической точки зрения эти требования сводятся к отбору эле
ментов, способных к образованию, во-первых, достаточно прочных и сле
довательно, энергоемких химических связей и, во-вторых, связей лабиль
ных, т.е. легко подвергающихся гомолизму, гетеролизу или циклическому
перераспределению. Вот почему углерод избран, или отобран, из многих
других элементов как органоген Л" 1. Этот элемент действительно отве
чает всем требованиям лабильности. Он, как никакой другой элемент,
способен вмещать и удерживать внутри себя самые редкие химические
противоположности, реализовать их единство, выступать в качестве
носителя внутреннего противоречия [см. (13)].
Атомы углерода в одном и том же соединении способны выполнять
роль и акцептора, и донора электронов. Они образуют почти все типы
связей, какие знает химия: а) менее чем одноэлектронные и одноэлектронные
(например, при хемосорбции углеводородов на графите); б) двухэлектронные
(например, в этапе); в) трехэлектронные (в бензоле); г) четырехэлектронные
(С = С); д) шестиэлектронные (С s С - связи) со все
возможными промежуточными значениями зарядов связей. Среди углеродуглеродных
связей можно встретить чисто ковалентные, почти чисто
ионные и ионоидные с самыми различными значениями зарядов атомов.
Едва ли есть необходимость подробно характеризовать другие орга
ногены. Кислород и водород нельзя, конечно, считать столь же лабиль,ными
элементами; их скорее следует рассматривать в качестве носителей
крайних и односторонних свойств - окислительных и восстановительных.
Что же касается таких органогенов, как азот, фосфор и сера, или неко
торых элементов, составляющих активные центры ферментов, например,
железа, магния, то они подобно углероду отличаются также особой ла
бильностью. Рассматривая вопрос об отборе элементов, Дж. Бернал от
мечает, что лабильные атомы серы, фосфора и железа, которые пре
терпевают очень большие превращения в неорганическом мире, имеют
основное значение в биохимии, в то время как стабильные атомы, такие
как кремний, алюминий или натрий, составляющие несравненно большую
часть земной коры, играют лишь второстепенную роль или отсутствуют
вовсе [см. (3)].
Следует особо подчеркнуть то обстоятельство, что внутримолекуляр
ное или внутрикомплексное взаимодействие атомов таких элементов, как
С, N, 5, Р, Н, О, Fe, Mg, Ti создает исключительное богатство химических
связей. Сюда относятся и сопряженные связи, имитирующие полупровод
никовые свойства, и кумулированные связи, обладающие еще более высо
кой п-электронной проводимостью. Сюда относятся богатые энергией,
так называемые макроэргические связи в соединениях типа аденозинтрифосф
ата и одновременно слабые водородные связи. Наряду с попарными
межатомными связями типа С-Н, С-С в соединениях этих элементов
встречаются явно многоцентровые, к которым относится, в частности, как
можно полагать, и связь Fe - пиррольные кольца в геминах.
О том, как происходил отбор структур, каков его механизм, сказать
довольно трудно. Но этот процесс оставил нам своего рода музей.
Подобно тому как из 107 химических элементов только 6 органогенов да
10-15 других элементов отобраны природой, чтобы составить основу
биосистем, так же в результате эволюции шел тщательный отбор и хими
ческих соединений. Из миллионов органических соединений в построении
живого участвуют лишь несколько сотен; из 100 известных аминокислот в
состав белков входит только 20; лишь четыре нуклеотида лежат в основе
всех сложных полимерных нуклеиновых кислот, ответственных за наслед
ственность и регуляцию белкового синтеза в любых живых организмах.
Исследователи - как химики, так и биологи - называют поразительным
тот факт, что из такого узкого круга отобранных природой органических
веществ составлен трудно обозримый мир животных и растений. По
лагают, что, когда период химической подготовки - период интенсивных и
разнообразных превращений сменился периодом биологической эволюции,
химическая эволюция словно застыла. Теперь находят массу доказа
тельств тому, что аминокислотный состав гемоглобина самых низших поз
воночных животных и человека практически один и тот же; более или
менее одинаковыми остаются у разных видов растений состав фермен
тативных средств, состав веществ, накапливаемых впрок, и т.д.
Каким образом проводилась та "химическая подготовка", в результате
которой из минимума химических элементов и минимума химических
соединений образовался сложнейший высокоорганизованный комплекс -
биосистема, обладающая способностью затрачивать минимум работы,
чтобы снова производить максимум организации? Л.А. Николаев удачно
подметил, что все механизмы клетки функционируют так, что на каждом
этапе всей последовательности реакций организационная работа мини
мальна. Синтез белка осуществляется только тогда, когда и пространст
венные, и энергетические условия таковы, что ферментному аппарату
остается лишь замыкать цепочки аминокислот [см. (29, с. 1 1)].
Химику важно все это понять для того, чтобы таким образом научиться
у природы (а затем, может быть, и пойти дальше ее) так легко и просто
приспосабливать для своих нужд "менее организованные материалы",
например фиксировать азот воздуха при нормальных температурах и
давлениях, синтезировать сахара из Col, СО, Н2 и *О, получать
стереоспецифические соединения и т.д. и т.п.
Занавес, отделявший нас от этих тайн, стал понемногу подниматься. В
ходе эволюции отбирались те структуры, которые обеспечивали наиболее
совершенные виды связей* (в том числе обратной связи) и регулирования.
Первой и наиболее простой из этих структур можно смело назвать
различные фазовые границы. Они служили основой физической и хими
ческой адсорбации, которая а) вносила элементарное упорядочение во
взаимное расположение частиц, б) увеличивала концентрацию последних и
в) служила фактором появления каталитического эффекта.
Вторым структурным фрагментом называют группировки, обеспечи
вающие процессы переноса электронов и протонов. Сюда относят
полупроводниковые цепи и структуры, ответственные за так называемое
Здесь имеестя в виду не столько химическая связь, сколько всякая иная,
обеспечивающая взаимоотношения между системами, подсистемами и элементами систем.
трансгидрирование, или перенос водорода. Легко видеть, что этот тип
структурных фрагментов всецело связан с необходимостью привлечения
углерода, а также других органогенов, способных образовывать двойные
связи и служить донорами и акцепторами протонов. Не трудно видеть
также, что эти группировки служат началом для полупроводникового, т.е.
окислительно-восстановительного, или кислотно-основного катализа.
Третий структурный фрагмент, необходимый для эволюционирующих
систем - это группировки, ответственные за энергетическое обеспечение.
Сюда входят оксиоксо-группы, фосфорсодержащие и другие фрагменты с
макроэргическими связями. Высказывалось предположение, что эти струк
турные единицы тоже выполняют роль катализаторов по отношению к
ряду реакций, но скорее всего их назначение состоит в снятии термодина
мических запретов путем сопряжения реакций диспропорционирования и
разрушения макроэргических связей с ферментативными реакциями [см.
(13)].
Следующим фрагментом эволюционирующих систем является уже
развитая полимерная структура типа РНК и ДНК, выполняющая ряд
функций, свойственных перечисленным выше структурам, и главное -
роль каталитической матрицы, на которой осуществляется воспроизведе
ние себе подобных структур.
Если попытаться найти нечто общее между всеми только что назван
ными структурными фрагментами, то этим общим окажется не столько
элементный состав, сколько развитая поверхность вещества, в частности
близость к коллоидному состоянию и отношение к катализу.
В этой связи обращает на себя внимание ряд выводов, полученных
самыми различными путями и в самых различных областях науки (геоло
гии, геохимии, космохимии, биохимии, биологии, термодинамике, химичес
кой кинетике). Эти выводы сформулированы в работах Дж. Бернала [см.
(3)], Ю.А. Жданова (см. (13)] и Л.А. Николаева (см. (29)]:
1. На ранних стадиях химической эволюции мира катализ вовсе от
сутствует. Условия высоких температур (*5000 К), электрических разря
дов и радиации, с одной стороны, препятствуют образованию конденси
рованного состояния, а с другой - с лихвой перекрывают те порции энер
гии, которые необходимы для преодоления энергетических барьеров.
2. Первые проявления катализа начинаются при смягчении условий
(*5000 К) и образовании первичных твердых тел.
3. Роль катализатора возрастала по мере того, как физические условия
(главным образом, температура) приближались к земным условиям. Но
общее значение катализа вплоть до образования более или менее
сложных органических молекул все еще не могло быть высоким: твердые
неорганические тела выполняли роль или неспецифических катализаторов
цепных газовых реакций, которые и без того могли легко осуществиться
под влиянием радиации, или специфических катализаторов роста
бесконечно однообразных кристаллических неорганических же тел.
4. Появление таких даже относительно несложных систем, как СНзОН,
N*-i2-NH2, НС*СН, Н2СОз, НСООН, HC*N, а тем более оксикислот,
аминокислот и первичных сахаров было своеобразной некаталитической
подготовкой старта для большого катализа. С этого момента катализ
вошел в новую и весьма оригинальную стадию развития: он претерпел
своего рода дивергенцию, дав две противоположные ветви - неорга
ническую и органическую. Неорганическая ветвь сравнительно короткая.
Она начинается с неорганических веществ типа окислов (МеО),,. Извест
но, что каталитическая активность свежеприготовленных продуктов вы
ше активности природных минералов того же состава. Следовательно,
неорганическая ветвь ведет к дезактивации каталитических систем, к
потуханию каталитической активности неорганических тел и постепен
ному исключению их масс из того химического круговорота, в котором
участвуют, например, углерод, азот [см. (29)].
Органическая ветвь, наоборот, оказывается и более длинной, и плодо
носной. Л.А. Николаев в качестве примера этому приводит каталити
ческую активность железа. Ионы железа - хорошие катализаторы многих
реакций. Вовлечение этих ионов в минеральные соединения снижает их
каталитическую активность на 2-3 порядка. Вовлечение тех же ионов в
органические соединения, например в порфириновые системы, увеличи
вает их каталитическую активность примерно на 10 (!) порядков [см. (Там
же, с. 9)]. Однако примерами исключительно плодотворного развития ка
талитических систем органической ветви могут служить и чисто орга
нические катализаторы.
5. Роль катализа в развитии химических систем после достижения
стартового состояния, т.е. известного количественного минимума органи
ческих и неорганических соединений, начала возрастать с фантастической
быстротой. "Можно с уверенностью утверждать, - говорит Л.А. Ни
колаев, - что отбор активных соединений происходил в природе из тех
продуктов, которые получались относительно большим числом химических
путей... обладали широким каталитическим спектром. Таким образом,
"уникальность биохимических машин" высшего ранга организации покоит
ся на обширном основании... На ранних стадиях развития наибольшие
шансы сохраниться и не быть разрушенным в результате химических атак
внешней среды имели соединения, обладавшие разнообразными каталити
ческими возможностями" (см. (Там же, с. 47)].
Как следует из этих выводов, информация, полученная в русле
субстратного подхода, указывает на две возможные формы вещественной
основы химической эволюции. Одна из них - это химические соединения,
выступающие в качестве реагентов органического синтеза, приводящего
ко все более сложным по составу и молекулярной структуре веществам.
Вторая форма - это агенты, или катализаторы химических реакций.
Отличительной чертой второго - функционального - подхода к проб
леме предбиологической эволюции является сосредоточение внимания на
исследовании процессов самоорганизации материальных систем, на выяв
лении законов, которым подчиняются такие процессы.
Среди естествоиспытателей такого подхода придерживаются преиму
щественно физики и математики, которые рассматривают эволюционные
процессы с позиций кибернетики и теории информации (например,
А.Н. Колмогоров, А.А. Ляпунов, Л.А. Блюменфельд и др.) или термоди
намики (К.
...Закладка в соц.сетях
