Файл: Жевандров, Н. Д. Анизотропия и оптика.pdf

опно-люминесцентный метод может применяться до кон­ центраций порядка десятитысячных долей процента.

Вернемся снова к жидким растворам. Люминесценция жидких растворов поляризована только при анизотропном возбуждении. Она зависит, конечно, от симметрии моле­ кул, и это дает возможность экспериментально определять эту симметрию. Например, в последние годы изучалась симметрия молекул порфиринов — большого класса орга­ нических соединений, имеющих важное биологическое значение (к нему относятся хлорофилл и гемоглобин). Из данных о симметрии различных соединений этого класса можно получить важные результаты об их структуре и химических связях, существенные для понимания меха­ низма биологического действия этих веществ.

Изучение зависимости поляризации люминесценции раствора от длины волны возбуждающего света (поляри­ зационные спектры) позволяет попять, как ориентированы друг относительно друга и относительно осей молекул осцилляторы поглощения и излучения, т. е. построить «осцилляторную модель» молекулы. Так, у тех же пор­ фиринов оказалось, что одним полосам поглощения и излу­ чения соответствуют линейные осцилляторы, а другим — «плоские» (двумерные) осцилляторы с примерно одина­ ковыми составляющими по молекулярным осям, лежащим в плоскости молекулы. Поляризованная люминесценция растворов позволяет получать ценные сведения и об объе­ мах, и о форме люмииесцирующих молекул. Возьмем рас­ творы малых концентраций, когда миграция энергии от­ сутствует и концентрационной деполяризации не проис­ ходит. Тогда остается другой тип деполяризации (ее называют ротационной), связанной с тепловым вращатель­ ным движением молекул. Это беспорядочное вращение приводит к частичной или даже к полной утрате анизо­ тропии, созданной линейной поляризацией возбуждаю­ щего света. В жидкостях с большой вязкостью (например, в глицерине) и при низких температурах ротационная деполяризация не столь велика, чтобы свести поляриза­ цию к нулю. Но в маловязких растворах (например, в вод­ ных или спиртовых) поляризация люминесценции почти никогда не наблюдается.

Ротационная деполяризация зависит не только от об­ щих параметров раствора (температуры и вязкости), ио и от свойств самих люмииесцирующих молекул — размеров,

формы, моментов пиерцші относительно разлпчпых осей, а также от длительности возбужденного состояния. Раз­ работана математическая теория для молекул различной формы (сферической h эллипсоидальной)., связывающая температурную зависимость поляризации люминесценции раствора с перечисленными выше параметрами. По фор­ мулам этой теории из экспериментальных данных можно вычислять непосредственно объемы молекул. Если объемы получаются различными в разных растворителях, то мож­ но судить о так называемых сольватных оболочках, упро­ щенно говоря, о слоях молекул растворителя, налипающих на молекулу растворенного вещества. Эти данные позво­ ляют также судить о микроскопической природе вязкости и вообще имеют большое значение для изучения природы жидкого СОСТОЯНИЯ II теории растворов.

Описанные методы применимы не только к люмпнесцирующим молекулам. Можно к нелюмпнеецнрующим молекулам, которые нужно изучить, присоединять неболь­ шие ліомпнеецнрующпе группы илп радикалы. Этот способ называют методом меченых молекул (по аналогии с мето­ дом меченых атомов), только метка здесь не радиоактив­ ная, а люминесцентная. Очевидно, что ротационная депо­ ляризация будет определяться объемом и формой всего комплекса (носитель + метка), а если метка очень мала по сравнению с носителем, то на осповаппи полученных данных можно судить о параметрах самой молекулы-но­ сителя.

Этот метод широко применяется для исследования бел­ ковых молекул и их вторичных структур. Благодаря очень большим размерам молекул удается получить поляризо­ ванную люминесценцию меченых белковых молекул даже

вводных растворах. Это обстоятельство во многом упро­ щает экспериментальную сторону дела.

Такая методика применяется и в области технологии полимеров, например для изучения укрупнения молекул

впроцессе полимеризации, для изучения коллоидов и дру­ гих объектов.

Можно в качестве примера показать, как различают истинную п «ложную» вязкость систем. Кажется, что вязкость желатиновых растворов огромна, но поляризация люминесценции красителей в этих растворах почему-то от­ сутствует. В набухшем состоянии такие растворы представ­ ляют собой решетку регулярных ячеек, наполненных во­

98

дой. В этой воде и растворен краситель, так что истинная молекулярная вязкость раствора действительно очень ма­ ла. Поэтому люминесценция полностью деполяризована.

Поляризационный метод полезеп при -изучении вязко­ сти различных биологических мпкрообъектов, например плазмы клеток. Люмниесцирующее вещество (часто по­ пользуется краситель акридиновый оранжевый), введен­ ное в клетку, находится внутри ее в двух состояниях — растворенном в жидкой части цитоплазмы и адсорбирован­ ном на внутриклеточных структурах. Можно определить долю той и другой фракции. Измерив поляризацию люми­ несценции растворенной фракции, подбирают такой раство­ ритель (например, смесь глицерина с водой),, в котором краситель имеет ту же поляризацию, что и в клетке. Если соблюден ряд необходимых условий (одинаковость темпе­ ратуры, концентрации и т. п.), то можно считать, что вяз­ кость подобранного растворителя равна вязкости цито­ плазмы.

Изучение свойств поляризации люминесценции адсор­ бированной фракции также дает интересные сведения. Так, удалось установить, что в клетках мышечных волокон молекулы акридинового оранжевого красителя адсорби­ руются на вторичных структурах белка — спиралях мио­ зина, причем осцилляторы направлены по касательной к спирали.

Оптическая активность

Как уже говорилось, оптической активностью (способно­ стью вращать плоскость поляризации) обладают только асимметричные среды — растворы диссимметричных моле­ кул *, а также энантиоморфные кристаллы. Асимметрией называется способность вещества (молекул, кристаллов) существовать в двух формах, правой и левой — зеркаль­ ными отражениями друг друга (подобно правой и левой рукам). Понятия правого и левого — очень важные п глу­ бокие свойства. Об этом свидетельствуют, в частности, и современные данные физики элементарных частиц.

'Часто, чтобы различить, о молекулярных или о макроскопиче­ ских параметрах идет речь, применяют именно такую терми­ нологию.

4* 99

Наиболее привычный образ, связанный с понятием асимметрии,— образ правого п левого винта. И это не слу­ чайно. Виитообразиость, спиральность структуры внут­ ренне присуща асимметричным веществам. Асимметрич­ ные молекулы не имеют плоскости и центра симметрии.

Подавляющая часть асимметричных молекул органи­ ческих веществ содержит асимметричный элемент струк­ туры — атом углерода, связанный четырьмя валентными связями с различными радикалами (рис. 47). Простран­ ственная структура этой группы представляет собой

винта).

Таким образом, углеродный тетраэдр можно считать как бы элементарной ячейкой винтовой структуры. Очень существенно, что радикалы R различны. Если бы они были одинаковы, такая структура могла бы описываться и правым и левым винтом, следовательно, не обладала бы асимметрией.

Зеркальные изомеры вещества имеют, как правило, одинаковые химические свойства, одинаковую плотность, температуру плавления и т. д. Основное их специфическое свойство — оптическая активность, причем левые и пра­ вые формы вращают плоскость поляризации в разных на­ правлениях. Это единственный надежный и точный метод исследования разных форм асимметричных веществ.

Кристаллические структуры, построенные из диссим­ метричных молекул, как правило, тоже обладают опти­

100

ческой активпостыо. Одиако ость и кристаллы, постро­ енные из неактивных молекул, но вращающие плоскость поляризации. Число таких веществ сравнительно невели­ ко, в настоящее время их известно около тридцати. В этом случае винтовые структуры образуются в решетке кри­ сталла, это его коллективное свойство. При растворении или расплавлении такого кристалла оптическая актив­

ность утрачивается.

Любопытен молекулярный кристалл бензила. Кри­ сталл этот оптически активен и обладает круговым ди-

Рис. 48. Винтовой характер структуры тетраэдра

хроизмом, а в растворе оба свойства отсутствуют. Однако целый ряд фактов говорит о том, что активность в этом кристалле молекулярного происхождения. Кристалл бен­ зила не рацемат, в то время как раствор — рацемат. Раз­ ница в том, что в растворах число правых и левых моле­ кул одинаково, а в кристалле различно. В растворе молекулы спонтанно переходят из одной формы в дру­ гую, пока не установится равновесие, тогда как структу­ ра кристалла препятствует рацемизации. Рассмотрим сходство и различие анизотропии систем, состоящих из анизотропных молекул, и асимметрии жидкостей и рас­ творов, состоящих из диссимметричных молекул.

Раствор анизотропных молекул изотропен, если моле­ кулы не ориентированы никаким внешним воздействием и расположены хаотично. В такой системе•в среднем равное число молекул с противоположной ориентацией и анизотропия одних «гасится» анизотропией других, так что в целом раствор изотропен.

1«і

В растворе диссимметричных молекул одного сорта (например, левых) не требуется никакой ориентации, чтобы среда в целом была асимметричной и обладала оптической активностью. Если все молекулы одного сор­ та, то все они и будут вращать плоскость поляризации в одну и ту же сторону (хотя и в разной степени при разной ориентации).

Если искать аналогию между анизотропией и асим­ метрией растворов, то неориентированному изотропному раствору можно уподобить рацемат или рацемическую смесь, в которой содержится равное число молекул пра­ вой и левой форм и которая поэтому в целом пе дает по­ ворота плоскости поляризации.

В неживой природе асимметричные вещества встреча­ ются только в виде рацематов. В обычных реакциях хими­ ческого синтеза также всегда получается рацемическая смесь.

Иная картина в живой природе. Важнейшие биологи­ ческие вещества — аминокислоты, белки, нуклеиновые кислоты, углеводы — присутствуют во всех живых орга­ низмах в виде чистых диссимметричных форм, чистых ан­ типодов.

Это свойство открыто уже давно, опо, несомненно, име­ ет большое общебпологическое значение, но суть этого значення до сих пор пе вполпе понятии.

Очевидно, асимметрия по каким-то причинам «выгод­ на» для жизни, поэтому, раз возникнув, это свойство за­ крепилось в процессе эволюцип.

Причины первичного возникновения асимметрии живо­ го вещества пока не вполне ясны. Для нас представляет наибольший интерес следующая гипотеза.

Установлено экспериментально, что свет, поляризован­ ный по кругу, действует на рацематы избирательно. На­ пример, он может преимущественно разлагать левые, а не правые антиподы или способствовать синтезу одних форм сильнее, чем других. С другой стороны, есть основания полагать, что в солнечном свете, рассеянном в земной ат­ мосфере, правоцнркулярио-поляризоваииая компонента преобладает над левоциркулярио-поляризованиой. Причи­ на этого — вращение плоскости поляризации магнитным полем Земли.

Преобладание одной компоненты вызвало направленные химические процессы и создало первые чистые асиммет-

102

ричные системы, а затем естественный отбор сделал свое

дело.

Вопрос о причинах биологической целесообразности чистых асимметричных форм по сравнению с рацематами также до конца не ясен. Однако ряд экспериментальных данных убедительно говорит о чрезвычайной важности асимметрии для жизненных процессов. Так, например, важнейшие для организмов вещества — белки, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты — существуют в живых системах только в виде чистых антиподов. В то же время вещества, меиее важные для жизни,— продукты частич­ ной и полной переработки, резервные вещества и т. и.— встречаются и в виде обоих антиподов, и даже частично в виде рацематов. Второй факт — это обнаруженный процесс рацемизации при старении живого вещества. Биологами получены данные о преимуществах оптически активных живых систем по сравнению с рацемическими в таких важ­ нейших биологических процессах, как, например, явления роста. Трудно переоценить значение исследования этих вопросов для решения таких общих и широких проблем, как проблема специфики живого и проблема происхожде­ ния жизни. И основные экспериментальные методы — вра­ щение плоскости поляризации и круговой дихроизм.

Интересно отметить, что асимметрия свойственна ие только биологически важным молекулам, но и организмам в целом на морфологическом уровне (винтовые структуры колоний бактерий, правые и левые спирали раковин, вин­ товое строение вьющихся растений).

Кроме чисто познавательного интереса исследование оптической активности имеет большое значение и для кон­ кретных научных проблем. Приведем несколько примеров.

Широко известно, что существуют две теории проис­ хождения нефти — неорганическая и органическая. У каж­ дой из этих теорий свои веские доводы. Обнаруженная экспериментально оптическая активность нефти является важным свидетельством в пользу ее органического про­ исхождения. Если бы нефть была по происхождению ми­ неральным продуктом, она бы представляла собой рацемат.

Другой пример возьмем из области космических иссле­ дований. В 1970 г. в метеорите, упавшем в Австралии, бы­ ло обнаружено 17 различных аминокислот. Но действи­ тельно ли органические вещества, обнаруженные в метео-

103

рпте, внеземного происхождения? Ведь простых прикосно­ вений во время опытов достаточно, чтобы влести органические земные примеси. Доказательства внеземного происхождения были представлены на основе исследования оптической активности. Аминокислоты на Земле имеют левую асимметрию, обнаруженные же в метеорите оказа­ лись почти абсолютными рацематами.

Асимметрия может быть использована как метод изу­ чения биологических объектов. Если действовать на асим­ метричную протоплазму левыми и правыми изомерами различных органических веществ, то относительная эффек­ тивность действия этих изомеров зависит от химического состава плазмы. Этот метод, получивший название асим­ метрического анализа, дает возможность изучать состав и строение живых систем.

структуры и свойств биополимеров — белков, пуклепповых кислот. Они, как правило, имеют спиральные структуры и сильно вращают плоскость поляризации. При этом опти­ ческая активность, например, вдоль и поперек спирали су­ щественно различна. Большие изменения активности про­ исходят при различных важных структурных изменениях биополимеров, например при сворачивании спиралей в клубки.

Ценным новым методом является исследование дис­ персии оптической активности красителей, связанных с нуклеиновыми кислотами. В свободном состоянии эти кра­ сители неактивны, но приобретают это свойство при посад­ ке, например, на ДНК. Приобретенная оптическая актив­ ность зависит от места и характера посадки — от того, например, садятся ли молекулы поодиночке или связан­ ными парами (димерами). Все это дает широкие возмож­ ности получать детальную информацию о свойствах изу­ чаемых структур.

Молекулярной биологией и биохимией не исчерпывает­ ся, конечно, область применения метода вращения плоско­ сти поляризации. Этот метод важен при исследованиях структуры и свойств различных молекул, и в особенности в стереохимии — учении о пространственном строении молекул. Именно с помощью оптической активпости при­ мерно сто лет назад Л. Пастер заложил основы стерео­ химии.

104