Лайнус Полинг: среди химических связей

Марина Молчанова
«Квантик» №1 и №2, 2020

Лайнус Карл Полинг (Linus Carl Pauling) (28.02.1901–19.08.1994)

За всё время существования Нобелевской премии лишь четыре человека получили её дважды. Это биохимик Фредерик Сенгер (см. «Квантик» № 9 за 2019 год), физик Джон Бардин, Мария Кюри и Лайнус Полинг. Правда, вторая Нобелевская премия Полинга была премией мира — то есть, по мнению учёных, не совсем настоящей. Но и она была присуждена Полингу за действительно важную и результативную борьбу. А количество его достижений в химии потянуло бы не на одну, а на несколько премий — трудно уверенно сказать, кто более и кто менее великий, но Полинг был уж точно самым разносторонним химиком XX века. И ещё он единственный, кто получил обе Нобелевские премии единолично, без обычного деления между двумя-тремя лауреатами.

Лайнус родился в американском городе Портленде, штат Орегон. Он блестяще учился в школе и очень рано поступил в колледж, где получил высшее образование. Любопытно, что в школе он не успел сдать пару курсов истории, и школьный диплом ему решились выдать уже после Нобелевских премий. После колледжа учился в аспирантуре Калифорнийского технологического института, знаменитого Калтеха, ставшего местом его работы на десятки лет. В конце 20-х годов он съездил в Европу, где как раз начиналось бурное развитие «новой физики» (квантовой) — а значит, и «новой химии». И это определило основное направление его научных интересов на многие годы вперёд.

Лайнус Полинг (слева). Калтех, 1939 г.

Атомы, связи, молекулы

Модель молекулы парацетамола — известного лекарства

Говорят, что если идеи учёного удостоились строчки в школьном учебнике, то он наверняка гений. Тогда Полинга можно назвать многократным гением, поскольку не одна и не две строчки, а значительная часть школьных учебников по химии — это именно те представления, которые он ввёл в науку. Конечно, тут некоторые подростки захотят Полинга проклясть: школьная химия не слишком популярна, и многие считают её сложноватой. Но могло быть гораздо хуже: скажем, метод молекулярных орбиталей, развитый Малликеном для описания молекул, точнее и полнее, но и понять его намного сложнее.

Теория Полинга, хотя и основана на квантовых расчётах, оставляет нам возможность пользоваться удобными и привычными для нас моделями молекул — как будто собранными из конструктора¹. Атомы — узлы конструкции, а некоторые пары атомов соединены «стержнями» — химическими связями. Химическая связь между двумя атомами образуется за счёт их электронов: либо один атом отдаёт свой электрон другому (ионная связь), либо каждый из них «вкладывает» по одному электрону и у атомов получается общая пара электронов (ковалентная связь).

Ковалентные полярные связи в молекуле воды

И вот тут сразу первая важная вещь, введённая Полингом: чисто ионная и чисто ковалентная связи — это крайние случаи, а чаще бывает их смесь, когда образуется общая электронная пара, но один из атомов частично оттягивает общие электроны на себя (ковалентная полярная связь). А вот кто и насколько сильно «тянет одеяло на себя» — это зависит от ещё одной характеристики атомов, которую также определил Полинг: от электроотрицательности. Само понятие, правда, существовало уже давно, но именно Полинг первый придумал для него удобный метод расчёта и создал шкалу, которая используется по сей день. Простейший пример: электроотрицательность кислорода намного больше, чем водорода (3,44 > 2,20), — значит, в молекуле воды H₂O именно кислород перетягивает на себя электроны, и на его атоме поэтому формируется отрицательный электрический заряд, а на атомах водорода — положительный. Это определяет многие важные свойства воды.

Шкала электроотрицательности по Полингу — чем выше столбик, тем больше электроотрицательность

Обложка книги Полинга «Общая химия»

Ещё одна существенная вещь, введённая Полингом, — понятие гибридизации. Атомы углерода способны образовывать четыре совершенно одинаковые химические связи (как в молекуле природного газа, метана CH₄, изображённой здесь в верхней части рисунка). При этом специалисты по квантовой химии знают, что те четыре электрона, которые атом углерода может «вложить» в образование связей, на самом деле неодинаковы. Но, по Полингу, при образовании химических связей может происходить смешение и усреднение — это и есть гибридизация. Когда в смешении участвуют все четыре электрона (sp³-гибридизация), итоговые связи как будто направлены из центра тетраэдра к его вершинам, когда три (sp²-гибридизация) — как будто из центра правильного треугольника к его вершинам, когда два (sp-гибридизация) — вдоль одной линии в противоположных направлениях. На этой основе мы можем легко предсказывать и наглядно представлять пространственные структуры многих молекул.

Гибридизация в разных молекулах

Концепции Полинга описаны в его книге 1939 года «Природа химической связи». За 80 лет она не утратила своего значения и остаётся, пожалуй, самой знаменитой химической книгой всех времён.

Клетки в форме полумесяца

Нормальные эритроциты и серповидная клетка

Полинга нередко называют и одним из основателей молекулярной биологии. Ведь он первым показал молекулярную природу известной болезни.

Серповидноклеточная анемия практически не встречается в России: это болезнь африканцев и выходцев из Африки. И это одна из самых распространённых наследственных болезней в мире. У таких больных уже в возрасте нескольких месяцев возникает не только анемия (малокровие), но и боли, частые инфекции, отёки, воспаления, проблемы с сердцем, лёгкими и суставами. Под микроскопом в крови больных видны красные клетки крови (эритроциты) странной формы: не обычные круглые диски с углублением в середине, а нечто изогнутое, действительно напоминающее серп или полумесяц.

Электрофорез гемоглобина. 1 — гемоглобин здорового человека, 2 — гемоглобин больного человека, 3 — гемоглобин носителя болезни

Генетическая природа этой болезни была продемонстрирована в 1949 году. И в том же году Полинг с соавторами выяснили, что именно происходит в организме больных на молекулярном уровне. Оказывается, у людей с серповидноклеточной анемией гемоглобин крови имеет не совсем такие молекулы, как у здоровых людей. Причём люди, имеющие как «нормальный», так и «аномальный» гемоглобин (носители болезни), чувствуют себя хорошо и обычно ни на что не жалуются. А вот если есть только аномальный гемоглобин (такой ребёнок может родиться, если оба родителя являются носителями), то болезнь протекает тяжело. Полинг показал существование разных вариантов гемоглобина с помощью электрофореза — одного из методов, который позволяет разделять разные белки. И впервые стало понятно, что отклонение в строении молекул одного-единственного белка в организме может иметь самые серьёзные последствия.

Сейчас мы уже довольно много знаем о серповидноклеточной анемии. Знаем, как именно «ошибка» в синтезе гемоглобина влияет на развитие болезни. Знаем, почему эта болезнь так распространена (оказывается, её носители сравнительно устойчивы к малярии и в условиях тропиков имеют преимущество). Знаем, как облегчить состояние больных — хотя с излечением всё сложно. Но исходным пониманием природы этой болезни мы обязаны Полингу.

Свернуть белок

Главные «рабочие лошадки» в любом живом организме — молекулы белков. Это и основной строительный материал клеток, и регуляторы скорости большинства процессов, и сигнальные и транспортные молекулы. Словом, без белков никуда.

Молекула каждого белка включает в себя одну или несколько цепочек из звеньев-аминокислот. И у этих молекул есть удивительное свойство: они могут выполнять свою работу, только если цепочки приняли правильную форму в пространстве. Скажем, молекулы многих белков сворачиваются в клубочек, а некоторые образуют тонкие волокна или трубочки. Нужную форму белки в клетке принимают самостоятельно — а значит, информация о том, как именно свернётся цепочка в условиях живой клетки, уже «зашита» в самой последовательности аминокислот.

Жёлтым цветом обозначены водородные связи, которые стабилизируют структуру

Задача о пространственной укладке молекул белков не полностью решена до сих пор. Однако Полингу с соавторами удалось сделать первый и, может быть, наиболее значительный шаг. Они нашли способы, которыми укладываются в пространстве отдельные кусочки белковых цепей — и оказалось, что эти способы встречаются в огромном количестве самых разных белков.

Во-первых, некоторые фрагменты белковой цепи скручиваются в спираль определённого вида — биохимики называют её α-спиралью. Так, например, в молекуле мышечного белка миоглобина есть восемь α-спиральных участков. Во-вторых, цепь белковой молекулы может быть уложена слоями, взаимодействующими между собой; они называются β-слоями. На рисунке изображены α-спирали в миоглобине и β-слои в молекуле фиброина — это белок шёлка и паутины².

Идеи α-спирали и β-слоёв существовали ещё до Полинга. Но он впервые построил точные и корректные модели. Говорят, что моделирование α-спирали он проводил в 1948 году во время сильной простуды, от нечего делать рисуя молекулы на листе бумаги. Потом оставалось совершенствовать расчёты и уточнять детали, и главная статья о структуре белков была опубликована в 1951 году в день его пятидесятилетия.

Сразу после успеха с белками Полинг взялся за ДНК. Но здесь его модель оказалась неверной — к огромному облегчению всех, кто занимался структурой ДНК в те же годы. Говорят, что Уотсон и Крик (будущие открыватели двойной спирали), узнав об ошибке Полинга, на радостях пошли в бар и пропустили по стаканчику: теперь у них был шанс успеть первыми. И действительно, до их основополагающего открытия оставались считанные месяцы.

Зловредные паулингисты

Удивительно, но с именем американца Полинга связана одна из печальных и бесславных страниц в истории нашей отечественной науки.

Лайнус Полинг с моделью молекулы. Фото: Oregon State University Libraries

Сейчас это трудно себе представить, но в конце 40-х годов XX века на науку в Советском Союзе очень сильно влияла политика. Советские идеологи по тем или иным причинам объявляли разные научные теории «враждебными» и «буржуазными». И если кто-нибудь достаточно бессовестный или глупый хотел ускорить свою научную карьеру, можно было написать донос на конкурента: мол, такой-то в своих работах следует теории, которая на самом деле является лженаучной и вредной! К тому же теория разработана зарубежными учёными — а это непатриотично! И тогда конкурент запросто мог лишиться работы, а то и свободы.

Всем известен разгром советской генетики, который начался в 1948 году и продолжался многие годы. Но была не столь известная попытка устроить нечто подобное и в химии — и тут внезапно подвернулась переведённая на русский язык книга Полинга.

Две возможные структуры бензола

Дело вот в чём. Среди идей Полинга есть так называемая теория резонанса. Её суть можно изложить следующим образом. Есть некоторые химические соединения, структуру которых можно нарисовать по-разному. Например, в молекуле бензола можно двумя способами расставить двойные связи — так, как в верхней части рисунка, и так, как в нижней. В реальности же все связи в бензольном кольце одинаковы, но выразить это «обычными» химическими формулами с одинарными и двойными связями не получится. Зато мы можем нарисовать обе структуры, при этом понимая, что на деле молекула бензола представляет собой не какую-то из них, а нечто промежуточное — каждая связь между атомами в бензольном кольце не одинарная, не двойная, а «полуторная». И в целом ряде других случаев, рисуя возможные структуры для той или иной молекулы, мы понимаем, что реальность отражается чем-то промежуточным между ними. А мы, нарисовав их все, просто получаем удобную модель.

И вот этот несложный, но наглядный подход вызвал гнев советских философов (хотя, казалось бы, какое им дело до химии...). Что это такое — рисование структур, которые в действительности не существуют?! Это же безобразие, наука должна быть про то, что можно увидеть глазами и пощупать руками!

И началось. Как в генетике громили «вейсманистов-морганистов» (то есть последователей зоолога Августа Вейсмана и генетика Томаса Моргана), так в химии решили громить «ингольдистов-паулингистов». Паулинг — так в то время в русскоязычной литературе называли Полинга, а английский химик Ингольд — автор теории мезомерии, которая во многом похожа на теорию резонанса.

Стенограмма Всесоюзного совещания 1951 года

Началось всё со статей и докладов, похожих на доносы: мол, некоторые отечественные химики (далее шёл список фамилий) пропагандируют лженаучную теорию резонанса и вообще излишне преклоняются перед зарубежными учёными. А в 1951 году состоялось «Всесоюзное совещание по состоянию теории строения в органической химии», где должен был случиться окончательный разгром «паулингистов».

К счастью, последствия были не столь катастрофическими, как в генетике. Во-первых, советские идеологи не так сильно были заинтересованы в масштабном разгроме. Во-вторых, большинство академиков-химиков повело себя достойно: не имея возможности игнорировать идеологическую кампанию, они сделали всё, чтобы спустить её на тормозах. Были увольнения, но не было ни арестов и тюремных сроков, ни прекращения научных исследований — даже идеи Полинга продолжали использоваться, просто под другим названием и без ссылки на него.

В более поздние годы Полинг как раз считался большим другом Советского Союза. Это было связано как с его «левой» политической позицией, так и с его борьбой за мир. И ругань в адрес «ингольдистов-паулингистов», как неудобная страница истории, была почти забыта уже через несколько лет — после смерти Сталина, когда обстановка в науке стала более здоровой. Но беспощадные документы остались, и по ним видно, кто из учёных как себя повёл в это печальное время.

На лекции. Фото: Universal History Archive

Против бомбы

После первого испытания атомной бомбы и особенно после ядерной бомбардировки Хиросимы и Нагасаки многие учёные были обеспокоены разрушительной силой нового оружия. И Полинг оказался в рядах тех, кто активнее всех говорил о возникших опасностях. Это даже вызвало недовольство американского начальства и многих «ястребов».

Полинг на демонстрации против ядерных испытаний

Основной темой выступлений Полинга в те времена была проблема ядерных испытаний — за послевоенные годы их были проведены многие сотни. И если вопрос установления «мира во всём мире» так и остался нерешённым, то задача ограничить испытания ядерного оружия оказалась реальной. Так, Полинг поддерживал исследования возможного вреда этих испытаний для здоровья. Естественно, он был далеко не единственным учёным, который выступал против ядерных испытаний, но он был одним из самых активных и убеждённых спорщиков, и его голос играл особую роль, особенно после присуждения ему Нобелевской премии по химии в 1954 году.

Так что в 1963 году (как раз в те дни, когда вступил в силу первый договор между Советским Союзом и США о частичном запрете испытаний ядерного оружия) вторая Нобелевская премия — Премия мира — была вручена «Лайнусу Карлу Полингу, который с 1946 года вёл неустанную кампанию не только против испытаний ядерного оружия, не только против его распространения, не только против его использования, но и вообще против войны как способа решать международные конфликты».

Лайнус Полинг и король Швеции Густав VI, церемония вручения Нобелевской премии, Стокгольм, Швеция, 1954 г.

Грузите витамины бочками

Нередко бывает, что великий учёный, совершив свои основные открытия, пытается затем устроить такой же переворот в другой области науки. Иногда он достигает успеха, но всё-таки чаще в таких случаях речь идёт об очень спорных, а то и просто завиральных идеях. Полинг здесь не был исключением. Его многолетние попытки создать «новую медицину» приобрели некоторую популярность, но в целом не оправдали ожиданий.

«Вообще-то я начинал с квантовой механики, но где-то по дороге свернул не туда». Карикатура Сиднея Харриса, взято из Oregon State University’s Special Collections

В сорокалетнем возрасте Полинг страдал от серьёзной болезни почек. Ему помогла строгая диета, которая сопровождалась приёмом витаминов. Видимо, уже тогда учёный решил, что всё дело в витаминах и что именно они играют главную роль в борьбе с болезнями. К сожалению, здесь он допустил обычную ошибку: «мне помогло, значит, поможет всем».

И через многие годы, отчасти отойдя от «большой химии» в сторону медицины, Полинг сосредоточился именно на витаминах. Его идея состояла в том, что состояние здоровья человека зависит от баланса питательных веществ в организме — и поэтому лечение и профилактика болезней (и физических, и психических) обязательно должны включать в себя приём витаминов, минеральных веществ, других добавок. В принципе, само по себе звучит разумно, но Полинг сильно преувеличивал роль витаминов и пищевых добавок, а главное, их желательные дозировки.

Обложка одной из книг Полинга о витамине С

Огромные дозы витамина С? Несколько граммов в день, в десятки раз больше принятых норм? Отлично! Это (с обычной своей страстью говорил Полинг) поможет вам избежать простуд, сердечно-сосудистых проблем, а заодно и рака. Ну и, понятное дело, поможет выздороветь, если вы всё-таки ухитрились заболеть.

Честно говоря, серьёзных подтверждений здесь нет. Большинство клинических испытаний не показывает заметной связи между приёмом больших доз витамина С и течением тех или иных болезней, хотя шума было много, а исследования ведутся до сих пор. Так что идеи Полинга не оказали существенного влияния на общепринятую медицинскую практику, доказательная медицина их не подтверждает, но поклонники у них есть, как и у всякой альтернативной медицины. И очень жаль, что многие люди, не понимая настоящих достижений Полинга, знают его только как проповедника «мегавитаминной терапии».

Ава Полинг. Фото: Oregon State University Libraries

Впрочем, сам Полинг, много лет употреблявший витамин С в огромных дозах, прожил 93 года и до глубокой старости чувствовал себя великолепно. А вот его жена Ава, которую он очень любил, умерла в 78 лет от рака желудка после нескольких лет борьбы с болезнью (лечилась она, разумеется, витамином С). Впрочем, Полинг считал, что её, может быть, удалось бы спасти, если бы она начала принимать витамин раньше...

***

Даже в этой длинной статье мы упомянули лишь часть научных идей Полинга. Их было очень много. Не все они оказались верными, не все выдержали проверку временем. Но здесь уместна цитата из самого Полинга: «Как получить хорошие идеи? Нужно иметь много идей, а потом просто выбросить неудачные».

И ещё одна хорошая фраза того же автора: «Удовлетворение собственного любопытства — один из главных источников счастья в жизни».

¹ Заметим: даже те цвета, которые многие поколения химиков используют в условных моделях молекул (чёрный для атомов углерода, белый для водорода, красный для кислорода, синий для азота, и так далее), восходят именно к Полингу и его соавторам.

² Может быть, вы слышали про необычную болезнь «коровье бешенство». При этой болезни (и родственных ей) некоторые белки организма приобретают аномальную пространственную структуру — например, α-спирали превращаются в β-слои — и не могут функционировать.