98862

Нобелевские премии по химии в XXI веке

Реферат

Химия и фармакология

История создания электропроводящих полимеров, часто преподносимая как пример случайной удачи, началась с получения Сиракавой в 1971—1974 гг. свободных пленок полиацетилена. В одном из сотен опытов по синтезу этого полимера нынешний нобелевский лауреат, а тогда научный сотрудник лаборатории химических ресурсов в Токийском технологическом институте...

Русский

2016-07-13

2.57 MB

0 чел.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Омский государственный педагогический университет»

Факультет естественнонаучного образования

Кафедра химии и методики преподавания химии

Нобелевские премии по химии в XXI веке

Реферат

по дисциплине «Концепции развития химии»

                                                                                                Выполнил: студент 1 курс маг.      

                                                                                                "Химическое образование"                                     

                                                                                                 Мустафинов Расул Евгеньевич

                                                                                                 Проверил:

                                                                                                  к.х.н.,  доцент кафедры химии

                                                                                                 и методики преподавания химии,

                                                                                                 Брянский Борис Яковлевич

Омск, 2013

Содержание

Введение………………….…………………………………………………………..…......3

  1.  Нобелевская премия по химии 2000 года…………………………………………..…4
  2.  Нобелевская премия по химии 2001 года………………………………………...…...7
  3.  Нобелевская премия по химии 2002 года…………………………………………....11
  4.  Нобелевская премия по химии 2003 года……………………………………………15
  5.  Нобелевская премия по химии 2004 года……………………………………………20
  6.  Нобелевская премия по химии 2005 года………………………………………...….24
  7.  Нобелевская премия по химии 2006 года………………………………………...….29
  8.  Нобелевская премия по химии 2007 года………………………………………...….33
  9.  Нобелевская премия по химии 2008 года……………………………………………40
  10.  Нобелевская премия по химии 2009 года……………………………………………44
  11.  Нобелевская премия по химии 2010 года………………………………………..…..47
  12.  Нобелевская премия по химии 2011 года……………………………………...…….50
  13.  Нобелевская премия по химии 2012 года………………………………………...….52

Выводы………………………………………………………………………………….....56

Литература………………………….…………………………………...………………...57

Введение

Нобелевская премия является престижной наградой в области науки. Ученые, которые удостоились этой премии навсегда останутся в истории.   

Нобелевская премия по химии с 1901 по 2012  год присуждается в 104-й раз. Не было лауреатов в этой номинации восемь раз: в 1916-м, 1917-м, 1919-м, 1924-м, 1933-м, 1940–1942 годах.

Из 104 премий по химии 63 достались одному лауреату, 23 были поделены между двумя лауреатами, 18 — между тремя. Фредерик Сенгер — единственный пока в истории человек, получивший премию по химии дважды (1958 и 1980).

Средний возраст лауреатов по химии между 1901 и 2012 годы — 57 лет, самым молодым был Фредерик Жолио, получивший награду в 35 лет (1935), самым пожилым — Джон Фенн: на момент принятия решения нобелевским комитетом ему было 85 лет (премия 2002 года). Среди лауреатов — четыре женщины, причем две из них — мать и дочь. Это Мария Склодовская-Кюри (премия по химии 1911 года; а также премия по физике за 1903 год) и Ирен Жолио-Кюри (премия 1935 года), супруга самого молодого лауреата по химии. Две других — Дороти Кроуфут-Ходжкин (1964) и Ада Йонат (2009).

Кроме уже упомянутых Фредерика Сенгера и Марии Кюри среди лауреатов Нобелевской премий по химии есть еще один «дважды лауреат» — Лайнус Полинг, помимо премии по химии за 1954 год, получивший еще и нобелевскую премию мира в 1962 году.

  1.  Нобелевская премия по химии 2000 года

Нобелевская премия по химии за 2000 г. присуждена американским исследователям Алану Хигеру и Алану Мак-Диармиду и японскому химику Хидеки Cиракаве за “открытие и развитие области электропроводящих полимеров”. 
 

Алан Хигер (Alan J.Heeger) родился в 1936 г. в г. Сайоксе, штат Айова, США. Высшее образование получил в штате Небраска, доктором философии стал в 1961 г. в Университете штата Калифорния в Беркли. С 1962 г. работал в Пенсильванском университете, с 1982 г. руководит Институтом полимеров и органических твердых материалов при Университете штата Калифорния в Санта Барбаре.

Алан Мак-Диармид (Alan G.MacDiarmid) родился в 1927 г. в г.Мастертоне в Новой Зеландии. Высшее образование получил в университете своей страны, докторскую диссертацию защитил в 1953 г. в Висконсинском университете, а через два года — в Кембриджском. Гражданин США. С 1956 г. работает в Университете штата Пенсильвания и с 1988 г. занимает там должность профессора химии.

Хидеки Сиракава (Hideki Shirakawa) родился в 1936 г. в Токио. Докторскую степень получил в токийском Технологическом институте в 1966 г. Более 20 лет занимался преподаванием и научными исследованиями в Институте материаловедения при Университете города Цукуба, с 1982 г. и по настоящее время занимает там должность профессора химии.

История создания электропроводящих полимеров, часто преподносимая как пример случайной удачи, началась с получения Сиракавой в 1971—1974 гг. свободных пленок полиацетилена. В одном из сотен опытов по синтезу этого полимера нынешний нобелевский лауреат, а тогда научный сотрудник лаборатории химических ресурсов в Токийском технологическом институте, использовал ошибочно высокую концентрацию катализатора. Результатом этой ошибки было образование прекрасных серебристых пленок полиацетилена с характерным металлическим блеском.

Химик Мак-Диармид и физик Хигер изучали в то время в Филадельфии металлические свойства неорганического полимера — нитрида серы (SN)x.

Мак-Диармид впервые встретился с Сиракавой на семинаре в Токио, во время которого они обсудили удивительные свойства свободных пленок полиацетилена, и американский химик пригласил японского коллегу в Пенсильванский университет. Здесь они вместе с Хигером занялись поиском способов, которые позволили бы синтезировать полимерные пленки с электропроводящими свойствами. Исследователям удалось добиться желаемого за счет обработки полиацетилена парами галогенов — брома или иода. Удельная электропроводность первых модифицированных таким способом пленок увеличилась в миллиард раз и составила 1000 (Ом·см)–1.

Через несколько лет сходные результаты были получены на десятках других полимеров с системой сопряженных связей, как и в молекуле полиацетилена. Позже они нашли оптимальные условия синтеза и модификации, благодаря чему удельная проводимость повысилась до уровня проводимости алюминия и даже меди.

Итак, Хигер, Мак-Диармид и Сиракава показали, что модифицированный галогенами полиацетилен может проводить ток почти как металл. Его молекула состоит из чередующихся, сопряженных, одинарных (s) и двойных (s+p) связей, при этом p -связи слабо локализованы и образуют общую p-электронную систему сопряжения, которая охватывает всю молекулу. Этот простейший по химической структуре полимер может существовать в цис- и транс-изомерных формах. Более устойчивый транс-изомер образуется из цис-формы в ходе термической, химической или фотоизомеризации и обеспечивает большинство уникальных электрофизических и оптических свойств полиацетилена. Они, в свою очередь, определяются такими параметрами системы сопряжения, как ширина запрещенной зоны, поляризуемость и гиперполяризуемость. 
 

цис-полиацетилен

транс-полиацетилен

Чтобы полимер-полупроводник (с шириной запрещенной зоны для транс-формы 1.5 эВ) стал проводником тока, нужно создать носители заряда вдоль полимерной цепи. Для этого необходимо один или несколько электронов удалить из системы p -сопряжения или добавить к ней. Достигнуть этого можно окислительной модификацией полимера иодом:

[CH]n + (3/2)xI2 = [CH]nx+ + xI-3     (1)

приводящей к изъятию электрона из системы сопряжения, или восстановительной модификацией натрием, который служит донором электрона:

[CH]n + xNa = [CH]nx– + xNa+     (2)

В результате в полимере возникают положительно или отрицательно заряженные квазичастицы — поляроны. В молекуле каждый из них имеет противоион (1) или (2), подвижность которого вдоль полимерной цепи сильно ограничена из-за кулоновского притяжения поляроном.

При высокой степени модификации поляроны объединяются в пары с образованием заряженных солитонов. Эти удивительно подвижные частицы под воздействием электрического поля и обеспечивают высокую проводимость полимеров с системой сопряженных связей. Фактически она ограничена только дефектами, которые меняют механизм проводимости и заставляют π-электроны прыгать с одной цепи на другую.

Открытие Хигером, Мак-Диармидом и Сиракавой высокой электропроводности модифицированных полимеров оказало исключительное влияние на науку о полимерах, положило начало исследованиям “синтетических металлов” и послужило основой для получения целого ряда новых материалов. Проводящие полимерные материалы стали применяться в качестве ингибиторов коррозии, антистатических покрытий, защитных экранов от электромагнитного излучения, а также служить для создания источников тока и оптических окон с регулируемой областью прозрачности.

  1.  Нобелевская премия по химии 2001 года

Нобелевская премия по химии за 2001 г. присуждена трем химикам “за достижения в области каталитического асимметричного синтеза”, причем американец У. Ноулс и японец Р. Нойори удостоены этой высокой награды “за разработку хирально катализируемых реакций гидрирования”, а третий лауреат - американец Б. Шарплесс - “за разработку хирально катализируемых реакций окисления”. 

Премиальная сумма в 10 млн шведских крон разделена Нобелевским комитетом не поровну: одну половину получили Ноулс и Нойори, а другую - Шарплесс.

Уильям С. Ноулс (William S. Knowles) родился в    

1917 г. в Соединенных Штатах Америки. Степень

доктора наук получил в 1942 г. в Колумбийском

университете, до ухода на пенсию (1986) работал

в фармацевтической фирме “Monsanto Company”

(г. Сент-Луис, штат Миссури).

Риёдзи Нойори (Ryoji Noyori) родился в          

г. Кобе в 1938 г. Доктором наук стал в 29 лет,

когда работал в Университете г. Киото, с 1972

по 2000 г. занимал должность профессора

химии в Университете г. Нагойя; сейчас он –

директор Исследовательского центра наук о

материалах при этом же университете.

К. Барри Шарплесс (K. Barry Sharpless)

 родился в 1941 г. в Филадельфии

(штат Пенсильвания, США). Защитил

докторскую диссертацию в Станфордском

университете (1968), с 1990 г. - профессор

Скриппсовского исследовательского института

в Ла-Холья (штат Калифорния).

Работы нобелевских лауреатов связаны c синтезом органических соединений, молекулы которых различаются только взаимным расположением атомов в пространстве, поэтому их называют стереоизомерами. Некоторые из них проявляют оптическую активность: один изомер вращает плоскость поляризации света вправо, а другой влево. Структуры этих оптических антиподов соотносятся как предмет и его зеркальное отражение или как правая рука и левая. Такие изомеры именуют также зеркальными и хиральными (от гр. ceir - рука). По принятой сейчас абсолютной номенклатуре левовращающие изомеры обозначаются буквой S, а правовращающие - R. Правда, для оптических изомеров аминокислот и углеводов нередко употребляются первоначальные обозначения - L и D.

Из зеркально-симметричных молекул построены все биополимеры: в состав пептидов и белков, например, входят только левовращающие аминокислоты (L-форма), а сложные углеводы и нуклеозиды (мономеры ДНК и РНК) включают лишь правовращающие сахара (D-изомеры). Иными словами, природные соединения хирально чисты. Именно такая чистота лежит в основе матричного синтеза, ферментативного катализа, иммунных реакций, т.е. всех биохимических процессов, где требуется узнавание одних молекул другими.

Отсюда следует важный вывод: если природе свойственна избирательность в отношении оптических антиподов, то лекарственные препараты на основе органических молекул тоже должны быть хирально чистыми. Таким образом, задача синтетиков - получать лишь одну зеркальную форму, один нужный энантиомер.

Зеркальные изомеры аминокислоты аланина.

Структурные элементы, 
из которых У.Ноулс 
синтезировал катализатор для асимметричного гидрирования

Однако осуществить такой синтез весьма не просто, поскольку в ходе его с равной вероятностью образуются обе формы. Эту трудность успешно преодолел Ноулс. В 1968 г. он обнаружил, что можно получать требуемый изомер, если использовать для синтеза оптически активный катализатор. Когда Хорнер и Мислоу заменили в трифенилфосфине одну фенильную группу на метильный остаток, а другую на этильный, они получили оптический изомер фосфина. После этого Ноулс и предположил, что, заменив трифенилфосфиновую группу в металлокомплексе Уилкинсона на энантиомер Хорнера и Мислоу, можно получить зеркально-симметричные формы катализатора, который в реакциях гидрирования будет превращать оптически неактивный реагент (субстрат) в лево- или правовращающий продукт реакции.

Эксперименты Ноулса по катализу асимметричного гидрирования оказались успешными и открыли новое поле исследований как в академической науке, так и в промышленном синтезе. Индустриальное получение аминокислоты L-ДОФА (диоксифенилаланина), которую начали применять для лечения паркинсонизма, тоже плод достижений Ноулса. Вместе с коллегами он перебрал энантиомеры фосфинов разной структуры, прежде чем создать нужный катализатор, а получив его, быстро достиг желаемого результата. В “Monsanto Company”, где работал Ноулс, по его способу стали синтезировать L-ДОФА в промышленных масштабах, причем выход конечного продукта достигал 97.5 %.

 
Схема реакции, по которой получают левовращающий изомер диоксифенилаланина (ДОФА), 
применяемого для лечения паркинсонизма.

Дальнейшая разработка каталитического асимметричного синтеза принадлежит японскому химику Р.Нойори. К 1980 г. он уже создал оба стереоизомера катализатора, в котором родий связан уже с другим лигандом - динафтилдифенилфосфином. C той поры можно было получать нужный энантиомер требуемой аминокислоты с выходом, приближающимся к 100%. Этот же лиганд с начала 80-х годов используется компанией “Takasago International” для промышленного синтеза ментола.

 
Схема стереоселективного восстановления кетона. 
С помощью разработанного катализатора, в который Нойори включил рутений и оптически активный лиганд динафтилдифенилфосфин, эфир кетокислоты восстанавливается до эфира оксикислоты, а выход требуемого энантиомера составляет 99.5%

Однако Нойори видел необходимость конструирования катализатора, который был бы пригоден для гидрирования более широкого круга соединений. Добиться этого ему удалось, когда переходный металл родий был заменен на рутений. Созданный катализатор обеспечивал присоединение атома водорода по месту разрыва двойной связи в органических соединениях разных классов и вполне годился для промышленного синтеза энантиомеров многих веществ. Так была впервые получена R-форма двухатомного спирта 1,2-пропандиола (1,2-пропиленгликоля), который необходим для индустриального синтеза антибиотика левофлоксацина. За счет подобных реакций в фармацевтической промышленности начали производить и другие антибиотики. Катализаторы Нойори нашли применение в синтезе оптически чистых химических веществ, лекарственных препаратов и неизвестных до его открытий материалов.

Бок о бок с работами по каталитическому синтезу энантиомеров в реакциях гидрирования шли исследования Б.Шарплесса, который занимался созданием оптически активного катализатора для реакций другого типа - окислительных. И такой катализатор - комплексное соединение, содержащее титан в качестве переходного металла и оптический изомер диэтилового эфира винной кислоты в качестве лиганда, - был синтезирован. В 1980 г. Шарплесс провел серию успешных экспериментов, приведших его к практическому воплощению каталитического окисления оптически неактивного аллилового спирта до R-изомера глицидола с выходом 95%.

Схема окисления аллилового спирта с помощью титанового катализатора, разработанного Б.Шарплессом

Открытый Шарплессом метод получения эпоксидных стереоизомеров многие ученые считают наиболее важным достижением за последние несколько десятилетий. Это вполне понятно, так как эпоксиды служат промежуточными продуктами во многих типах промышленного синтеза. Эпоксиглицидол, например, используется в фармацевтической индустрии для получения бета-блокаторов, необходимых в кардиологии. Чрезвычайно важен метод Шарплесса и для академических исследований, поскольку позволяет получать разные структурные варианты из одного и того же исходного продукта.

Достижения нобелевских лауреатов 2001 г. неоценимы для совершенствования индустрии по синтезу многих лекарственных препаратов, ароматизирующих веществ, подсластителей и даже инсектицидов. Фундаментальная же наука обогатилась методами, крайне необходимыми не только в химии, но и в биологии, медицине, а также в создании новых материалов.

  1.  Нобелевская премия по химии 2002 года

Нобелевская премия по химии за 2002 г. присуждена “за разработку методов идентификации и структурного анализа биологических макромолекул”, причем два лауреата - американский химик Дж.Б. Фенни японский инженер К. Танака - удостоены этой награды “за разработку метода мягкой ионизационной десорбции для масс-спектрометрического анализа биологических макромолекул”, а третий лауреат - шведский химик-неорганик К. Вютрих - “за разработку ЯМР-спектроскопии для определения третичной структуры биологических макромолекул в растворе”.

             К. Танака                            Дж. Б.Фенн

Коичи Танака (Koichi Tanaka) родился в 1959 г. в г.Тояма (Япония), окончил университет в Тохоку,  работает инженером в корпорации «Шимадзу» в Киото.

Джон Б.Фенн (John B.Fenn) родился в 1917 г. в Нью-Йорке (США). В 1940 г. получил докторскую степень по химии, в 1987 г. - звание заслуженного профессора Яальского Университета (штат Коннектикут). С 1994 г. преподает в Государственном университете Виргинии (г. Ричмонд, штат Виргиния).

В 50-х годах исследователи показали, что заряженные продукты (ионы), полученные разрушением исходной молекулы в вакууме пучком электронов, можно анализировать методом масс-спектрометрии и по результатам установить строение органического соединения. Тогда основным источником ионизации был электронный удар, а в ионную форму вещество переводили из газообразного состояния, нагрев пробу до 350-400°С. Поэтому анализ неустойчивых при нагревании и трудно летучих соединений представлял определенные трудности. Позже анализируемые образцы химическим синтезом превращали в более стабильные соединения с повышенной летучестью, для ионизации использовали электронный пучок с энергией 70 эВ. Такие усовершенствования обеспечили хорошо воспроизводимые многолинейчатые масс-спектры, однако определить по ним строение неизвестных веществ было невозможно. Это походило на сборку глиняного горшка, разбитого на тысячи мелких осколков.

Дальнейшие исследования были направлены на поиск условий и создание масс-спектрометров, которые позволили бы изучать неустойчивые соединения без предварительной модификации, разрушать их на небольшое количество фрагментов и получать их молекулярные ионы и масс-спектры. Существенной модификации подвергался лишь источник ионов, где анализируемое вещество превращается в заряженные частицы, но опробовались и более мягкие методы: фотоионизация, полевая десорбция, химическая ионизация, бомбардировка быстрыми атомами, плазменная десорбция, лазерная десорбция/ионизация, ионизация при атмосферном давлении. Все эти методы применяются в современной масс-спектрометрии, с их помощью можно только получать (но не фрагментировать) молекулярные ионы для синтетических и природных органических соединений большинства классов.

Применение мягких методов ионизации анализируемых веществ привело к тому, что масс-спектрометрия потеряла свое значение как структурно-аналитический метод, она превратилась в детектор молекулярных масс. Частично эта потеря была восстановлена, когда появился метод тандемной масс-спектрометрии, позволяющий фрагментировать молекулярный ион соударением его с молекулами инертного газа в специальной камере, которая устанавливается на пути движения иона к анализатору.

Использовать энергию лазера для испарения образца и его ионизации пытались несколько групп исследователей начиная с 80-х годов. Фокусируя узкий луч лазера на небольшой поверхности жидкого или твердого образца, удавалось перевести какое-то его количество в газообразное состояние без деградации. Русский исследователь В.С.Летоков впервые показал, что такой прием пригоден для ионизации небольших полярных молекул, таких как аминокислоты. В 1985 г. немецкие ученые М.Карас и Ф.Хилленкамп в Мюнстере (ФРГ) обнаружили, что используя некоторые абсорбирующие материалы, можно повысить летучесть полярных веществ небольшой молекулярной массы, однако эти условия не подходили для ионизации крупных молекул.

Через два года эту проблему разрешил К.Танака. Он показал, что для перевода таких высокомолекулярных белков, как химотрипсиноген (25717 Да), карбоксипептидаза А (34472 Да) и цитохром С (12384 Да), в газообразное состояние и формирования ионов необходимо облучать образец лазером с низкой энергией. Танака использовал лазер с длиной волны 330 нм, которая не поглощалась ароматическими аминокислотами белков и пептидов, благодаря чему достигалась минимальная фрагментация макромолекул. Танака растворял анализируемые образцы в глицерине, содержащем коллоидные частицы, именно эта вспомогательная добавка обеспечила основной успех экспериментов. В англоязычной литературе подобную добавку называют матрицей. И хотя матрица Танаки не нашла широкого применения, идею подхватили многие исследовательские группы, в результате был создан метод матрично-активированной лазерной десорбции и ионизации. Основное требование к матрицам - они должны иметь максимумы поглощения близкие к длине волны используемого лазера. В современных масс-спектрометрах чаще применяется азотный лазер с длиной волны 337 нм. Матрицами для белковой химии служат оксо- и гидроксипроизводные бензойной, коричной и никотиновой кислот.

Комбинация лазерного источника ионизации с времяпролетным масс-анализатором привела к созданию масс-спектрометров, позволяющих определять молекулярные массы до 500 кДа. Большой вклад в повышение разрешающей способности времяпролетных масс-анализаторов внесли русские ученые Б.А.Мамырин, предложивший использовать режим отражения, и А.Ф.Додонов, впервые применивший ортогональный ввод ионов образца. Идеи этих ученых широко используются зарубежными фирмами при изготовлении современных масс-спектрометров для рынка.

В основе работ другого нобелевского лауреата - Дж.Фенна - лежит теория образования заряженных ионов при распылении образца в электрическом поле, разработанная М.Доле в 1968 г. по результатам экспериментов, проведенных Дж.Зелени в 1917 г. Принципиальное отличие такого метода ионизации в том, что в масс-спектрометр вводится не образец для его последующего перевода в газообразное состояние и ионизации, а готовый ион, образующийся в специальной приставке. Она представляет собой пульверизатор, на выходную иглу которого подается напряжение в несколько тысяч вольт, и в зависимости от параметров эксперимента и типа прибора формируются либо кластеры анализируемого соединения с молекулами растворителя, либо «голый» ион вещества, а в случае белков - целый ряд многозарядных ионов.

В лаборатории Фенна в Яале в 1984 г. электропульверизатор был впервые соединен с масс-спектрометром, и четыре года спустя американский химик доложил, что по масс-спектрам многозарядных ионов пептидов и белков можно определять их молекулярные массы с точностью 0.01%. Исследования в Яале были начаты сразу после публикации в 1984 г. работы русских ученых - М.Л.Александрова, Л.Н.Галля, В.Н.Краснова и др. - по ионизации веществ при атмосферном давлении.

Последующее развитие метода ионизации распылением в электрическом поле направлено на повышение его чувствительности, сокращение объемов анализируемых растворов за счет уменьшения скорости распыляемого потока с десятков микролитров в минуту до нанолитров. По сравнению с методом матрично-активированной лазерной десорбции и ионизации, разработанным Танакой, метод Фенна более трудоемок и менее

производителен, но в сочетании с тандемной масс-спектрометрией дает максимум информации об анализируемом белке, особенно если его строение не известно.

Нобелевская премия - достойная оценка заслуг Танаки и Фенна, давших возможность одному из самых информативных методов инструментального анализа - масс-спектрометрии - изучать жизненные процессы или, как это теперь называют, протеомику.

Курт Вютрих (Kurt Wьthrich) 

родился 4 октября 1938 г. в г.Ааберг (Швейцария).

В 1962 г. закончил университет в Берне и получил диплом

лиценциата по специальности химия-физика-математика.

Затем методом ЭПР-спектроскопии изучал комплексы

металлов в университете Базеля, где в 1964 г. получил

степень доктора философии.

В 1965-1967 гг. работал в Калифорнийском университете

(Беркли, США) и, изучая комплексы ванадия, впервые

познакомился с мощью ЯМР-спектроскопии.

С 1967 г. и по настоящий день Вютрих разрабатывает методы ЯМР-спектроскопии для исследования пространственной структуры белков в растворе. Сначала в лабораториях США, а по возвращении в Швейцарию - в отделе биологии Высшей федеральной технической школы в Цюрихе. Здесь он прошел все ступени научной карьеры - от приват-доцента до профессора (1980). Согласно законам Швейцарии, профессор по достижении 65-летнего возраста должен уйти на пенсию. Однако Вютрих, полный физических сил и творческих замыслов, уже перебрался в Калифорнию (США), сохранив лабораторию в Швейцарии (она будет существовать до середины 2003 г.). В отделе структурной биологии Института Скриппса он организовал новую группу для исследования пространственной структуры и функции сигнальных клеточных белков высокоскоростными ЯМР-методами. Сегодня благодаря усилиям Вютриха, его учеников и коллег ЯМР-спектроскопия превратилась в мощнейший метод, призванный расшифровать многие тайны живой природы.

Нобелевский комитет присуждает уже третью премию за работы, связанные с ЯМР-спектроскопией, причем второй премией в 1991 г. награжден соотечественник Вютриха Р.Эрнст. Вместе с ним нынешний нобелевский лауреат с 1975 г. работал над расшифровкой третичной структуры белков в растворе методом двумерной ЯМР-спектроскопии, а с середины 80-х годов - трехмерной ЯМР-спектроскопии. Поэтому многие специалисты считали, что уже тогда оба швейцарца заслуживали Нобелевской премии. Но понадобилось еще 11 лет, чтобы заслуги Вютриха признали официально. Правда, за это время в его лаборатории были расшифрованы третичные структуры нескольких десятков белков, усовершенствованы многие эксперименты и найден способ изучения пространственной структуры крупных (до 10 кДа) белковых комплексов, находящихся в растворе.

Первый белок, чья третичная структура была установлена в 1983 г., состоял всего из 35 аминокислотных остатков. В клетке же существуют и гораздо большие молекулы и даже огромные белковые комплексы. Однако исследовать их методом ЯМР-спектроскопии не удавалось. Дело в том, что с увеличением размера макромолекулы ее вращение замедляется пропорционально массе и вязкости среды. В результате сигналы в спектре ЯМР уширяются и наконец, становятся настолько широкими, что структурную информацию не удается получить. Проблему несколько ослабили хитрости, связанные с помещением белков в обращенные мицеллы, которые в свою очередь находились в переохлажденном органическом растворителе с низкой вязкостью. Использовались и другие подходы, в том числе разделение сложных белков на домены. Но все это работало в исключительных случаях и не позволяло применять ЯМР-спектроскопию для систем с молекулярной массой, превышающей 50-100 кДа.

Решение было найдено в лаборатории Вютриха. В 1997 г. вместе с коллегами он опубликовал схему экспериментов, по которой можно было оптимизировать релаксацию, т.е. при определенных, созданных в опыте, условиях взаимно уничтожать вклады в релаксацию от диполь-дипольных взаимодействий и от анизотропии химического сдвига. Через два года Вютрих предложил использовать передачу поляризации с помощью кросс-коррелированной релаксации. Потенциально обе идеи должны были обеспечить работу с очень большими молекулярными системами, общая масса которых превышала 1000 кДа. Это теоретически уравнивало возможности ЯМР-спектроскопии и рентгеноструктурного анализа по размерам исследуемой системы, но сохраняло непревзойденные способности первого метода давать информацию о динамике, а значит, и о механизмах работы сложных макромолекулярных машин. В 2002 г. Вютрих получил спектры ЯМР высокого разрешения от комплекса белков с молекулярной массой 900 кДа.

В настоящее время ЯМР-спектроскопия позволяет исследовать пространственную структуру макромолекул в растворе, т.е. если еще и не в физиологических условиях, то по крайней мере близких к ним. С помощью этого метода можно проследить за «жизнью» каждого атома не только отдельной макромолекулы, но даже целых молекулярных комплексов. Никаким другим способом нельзя проследить за сложной динамической картиной, которую представляют собой функционирующие молекулы. В ходе этого процесса его участники могут менять свою конформацию в зависимости от ситуации, чтобы обеспечить оптимальное взаимодействие с партнером. И только ЯМР-спектроскопия дает информацию о таких событиях. Это в корне отличает метод от прежних подходов, когда из сложной системы выбиралась одна или две молекулы, исследовалась их пространственная структура и делались выводы о возможной связи между пространственной структурой и функцией.

Сейчас примерно 20% пространственных структур, представленных в белковом банке данных, получено методом ЯМР. Уже начаты работы, позволяющие получать спектры от белков, находящихся в самой клетке. Не исключено, что через 10-15 лет с помощью спектроскопии ЯМР будет построена трехмерная атомная модель живой клетки. Возможны и новые, совершенно неожиданные области применения этого удивительного метода. Без сомнения, лаборатория нынешнего нобелевского лауреата К.Вютриха внесет вклад в развитие ЯМР-спектроскопии в 21-м столетии.

  1.  Нобелевская премия по химии 2003 года

Нобелевская премия по химии за 2003 г. присуждена двум американским ученым - Р. Мак-Киннону и П. Эгру – “за фундаментальные открытия, касающиеся переноса ионов и молекул воды через клеточную мембрану”. Первый из них расшифровал структурную и физическую основы функционирования ионных каналов, а второй - открыл и охарактеризовал канальный белок, служащий для проникновения молекул воды сквозь клеточную мембрану.

Родерик Мак-Киннон (RoderickMacKinnon), 

родился в 1956 г., вырос в Берлингтоне,

пригороде Бостона (шт. Массачусетс). Окончил

Университет Брендиса в Бостоне, в 1982 г. стал

доктором медицины в бостонской Медицинской

школе Тафтса. С 1996 г. - профессор молекулярной

нейробиологии и биофизики в Рокфеллеровском           

университете (Нью-Йорк).

От структуры любого соединения зависят, как известно, его свойства, а в живом организме - и  функции. Именно структурные исследования и послужили основой для понимания работы ионных каналов в клеточной мембране, образованных белковыми молекулами (или их комплексами), которые пронизывают ее насквозь. Работой канальных белков обеспечивается клеточный обмен веществами, в том числе неорганическими катионами (в основном K+, Na+ и Ca2+) и анионами (главным образом Cl-), причем почти для каждого вида ионов имеются свои собственные каналы. Благодаря передвижению ионов через мембрану на ней возникает разность потенциалов, генерируются электрические токи, без которых невозможна жизнь клетки, на передаче электрических сигналов основана работа мозга, важнейшего органа животных.

Р. Мак-Киннон и его коллеги расшифровали структуры и механизм функционирования нескольких бактериальных белков, каждый из которых формирует канал, проводящий ионы калия в ответ на изменение мембранного потенциала. Для этого понадобилось использовать биохимические методы, мутагенез, клонирование белкового гена, экспрессию белка, получать моноклональные антитела, изучать влияние ингибиторов в электрофизиологических опытах.

Из физических методов исследования применялась масс-спектрометрия, непосредственно структура белка была установлена рентгенокристаллографически и на ее основе построены стереомодели с помощью компьютера. Проделана поистине гигантская работа, и получены впечатляющие результаты: определены положение каждого структурного элемента в общей конструкции канала и механизм, который обеспечивает избирательность катионной проводимости и чувствительность к изменению потенциала на мембране.

Любой ионный канал, или пора, имеет узкий селективный фильтр и ворота, причем образованы они разными структурными элементами белка. Ворота могут открываться и закрываться в ответ на изменение мембранного потенциала, концентрации иона, механическое воздействие, связывание с определенной сигнальной молекулой и т.д.

Катионные каналы (калиевые, натриевые и кальциевые), зависящие от потенциала на мембране и образующие большое семейство, построены по одному принципу. Самым подробным образом он представлен Мак-Кинноном на примере канального белка KvAP, выделенного из архебактерии Aeropyrum pernix. Его четыре одинаковые молекулы (субъединицы) окружают центральную проводящую ионы пору, стенки которой “облицованы” двумя гидрофобными спиральными сегментами - S5 и S6 - каждой субъединицы. Таких сегментов-спиралей, гибко соединенных между собой петлями, шесть. Вместе они составляют два разных функциональных участка - селективный фильтр (S5 и S6), определяющий ионную избирательность, и сенсор (S1-S4), реагирующий на изменение потенциала (рис.1). В этом структурном элементе особенно важны первые четыре остатка аргинина, несущие положительные заряды. За счет гибкости сочленения спиралей вся конструкция способна менять конформацию, чем обеспечивается закрытое или открытое состояние ворот и быстрый, избирательный перенос катионов.

Рис. 1. Стереомодель полного KvAP канала и одной субъединицы. Тетрамер изображен с внутренней стороны мембраны (1) и повернутым на 90° относительно горизонтальной оси (2); каждая субъединица показана своим цветом. Одна из них представлена отдельно (3) и дана также в виде схемы (4), чтобы были отчетливее видны топология спиральных сегментов (S1-S6), соединяющих петель (S3-петли, S4-S5-линкера), поры (Р) и фильтра. Здесь же приведены остатки аргинина (R117, 120, 123, 126, 133), четыре из которых находятся в “лопасти” сенсора. Буквами C и N обозначены карбоксильный и аминный концы полипептидной цепи

Карбонильные атомы кислорода шести следующих друг за другом аминокислот (треонина, валина, глицина, тирозина и глицина), находящихся в узком селективном фильтре, направлены к его просвету, благодаря чему они координируют ионы калия. Боковые же цепи валина и тирозина - “смотрят” внутрь гидрофобной сердцевины, и тем стабилизируют основную цепь проводящей поры.

Сегмент S6 способен отклоняться от оси центральной поры за счет глицина, посредством которого сочленяется со спиралью S5. Соединенный с ней напрямую датчик потенциала во время работы канала оттягивает ее от оси поры, а следом отклоняется и спираль S6. Таким образом, они движутся вместе, как единое целое.

Мак-Киннон, начавший “канальную” карьеру в 30 лет, за истекшие годы преуспел в расшифровке и других молекулярных машин. Он занимается изучением еще нескольких каналов: калиевых, регулируемых ионами кальция; чувствительных к механическому воздействию, и тех, что избирательно пропускают ионы хлора. Проводятся также рентгено- и электронокристаллографические исследования, чтобы получить модель ацетилхолинового рецептора с более высоким, чем прежде, разрешением. Работа по выяснению механизмов действия отдельных молекул продолжается.

Питер Эгр (Peter Agre) родился в 1949 г. в

Нордфилде (шт. Миннесота). В 1970 г. окончил

колледж при Миннесотском университете в

Миннеаполисе, где специализировался по химии. В

1974 г. получил степень доктора медицины в

медицинской школе при Университете Джона

Хопкинса в Балтиморе (шт. Мэриленд), с 1993 г.

занимает там должность профессора биологической

химии и профессора медицины.

Почти из 50 видов каналов, обнаруженных в мембране к середине 80-х годов, не было известно ни одного проводящего воду. Между тем клеточная мембрана, лишь ограниченно проницаемая для молекул воды, пропускает ее в цитоплазму эритроцитов, почечных проксимальных канальцев и некоторых других тканей с чрезвычайно высокой скоростью. Этот феномен можно было бы объяснить наличием специальных пор. Их многие искали, но безуспешно. Эгру посчастливилось первому. В 1988 г. вместе с коллегами он выделил (из эритроцитов и почечных проксимальных канальцев) и частично охарактеризовал неуловимый, встроенный в мембрану белок неизвестной функции. Как позже выяснилось, четыре его молекулы и образуют пору, по которой проникает вода.

Через три года П.Эгр и Дж.Престон получили кодирующую этот белок ДНК, чтобы в последующем “наработать” его, экспрессируя ген в ооцитах шпорцевой лягушки. Белок-канал, названный аквапорином-1 (AQP1), как теперь известно, входит в состав обширного семейства: подобные ему участвуют во множестве физиологических процессов всех живых клеток – и растительных, и животных.

Установив структуру аквапорина-1 рентгенокристаллографическим методом, Эгр определил длину и положение всех спиральных фрагментов и соединяющих их петель, угол, под которым соседние спирали отклоняются друг от друга; нашел места, где участки полипептидной цепи пересекают мембрану; выяснил роль консервативных в белках аквапоринового семейства аминокислотных остатков и влияние их отдельных боковых групп на стабильность и работу канала. В результате теперь мы в деталях знаем, как выглядит канал, пропускающий воду.

Рис. 2. Схема расположения фрагментов, составляющих мономер аквапорина

Построен он из четырех молекул аквапорина-1 (каждая состоит из 269 аминокислотных остатков), которые образуют два повтора из трех a-спиральных участков (рис.2). Именно эти шесть спиралей и выстилают стенки проводящей поры и обусловливают ее гидрофобность. Небольшие же петли - цитоплазматическая (В) и внеклеточная (Е), - соединяющие повторы, обеспечивают строгую избирательность. N- и С-концевые фрагменты мономера закреплены во внутреннем слое мембраны и выходят в цитоплазму. В тетрамере каждая субъединица точно подогнана к двум соседним и связана с ними α-спиралями, которые выходят за пределы мембраны либо с внешней, либо с внутренней стороны. Функциональные петли В и Е расположены посередине между мембранными слоями, и в этом месте канал сужается (рис.3). Диаметр поры здесь составляет около 3 A, т.е. чуть больше диаметра молекулы воды (2.8 A). Ясно, что через столь малую щель не могут проникнуть крупные молекулы каких-либо растворимых веществ. Но через нее не проходят и протоны. Почему? Эгр это выяснил.

Рис. 3. Стереомодель субъединицы аквапорина и структура тетрамера, показанные с внеклеточной стороны и сбоку (вверху). Спирали в полном белке изображены в виде цилиндров

В полипептидной цепочке каждой функциональной петли содержится фрагмент из следующих друг за другом аспарагина, пролина и аланина (Асн-Про-Ала). Положение петель в поре стабилизировано образованием ионных пар и водородных связей с определенными аминокислотными остатками в структурных спиралях. За счет ван-дер-ваальсовых взаимодействий между пролинами 77 и 193 петли В и Е удерживаются в тесном соседстве. Гидрофобность внутренней поверхности поры и узость щели оказались очень важными для обеспечения исключительно высокой скорости проведения воды.

Архитектура канала такова (узкая щель в центре и расширения на противоположных концах), что вода может проникать только в виде тонкой цепочки молекул, соединенных водородными связями. Было известно, что в грамицидиновом канале такая цепочка с большой эффективностью захватывает протоны. Но так как через аквапориновую пору они не просачиваются, это должен обеспечивать специальный механизм.

Долгое время он оставался неизвестным в структурной биологии аквапорина. Считалось, что блокировка требует разрыва водородных связей в водной цепочке и образования новых, но уже с какими-то структурными элементами на поверхности поры. Эгр выяснил, что такой разрыв действительно включен в этот процесс и главная роль в нем принадлежит функциональным спиралям НВ и НЕ.

Поскольку дипольные моменты спиралей генерируют положительное электростатическое поле, атомы кислорода в молекуле воды, подошедшей в виде цепочки к центру мембранного пространства, ориентируются к участку Асн-Про-Ала (рис.4). В результате между кислородом и амидной (NH-) группой аспарагина образуется водородная связь, а в цепочке - разрыв. Так возникает препятствие на пути протона.

Рис. 4. Механизм, предотвращающий проведение протонов через водную пору. Благодаря диполям спиралей атомы кислорода в молекулах воды, оказавшихся в сужении поры, ориентируются к боковым группам аспарагинов 76 и 192 (вверху). После этого между их амидными группами и кислородом образуются водородные связи, а те, что соединяли непрерывную цепочку молекул воды, в этом месте обрываются

Открытые Эгром аквапорины - биохимический фундамент для очень важной области физиологии и медицины. Подобные белки, способные проводить 3·109 молекул воды в секунду в расчете на каждый мономер, есть во всех без исключения живых клетках. У арабидопсиса содержится не меньше 35 вариантов этих белков, а у человека - 11, причем многие могут быть связаны с разными заболеваниями. Физиологическая роль аквапоринов особенно бросается в глаза в почках, через которые в сутки проходит от 150 до 200 л воды.

Мембранные каналы лежат в основе клеточных функций, таких как межнейронная сигнализация, мускульное сокращение, поглощение воды почками, всасывание корнями растений, поддержание осмотического давления у микроорганизмов.

Нобелевские лауреаты - Р.Мак-Киннон и П.Эгр - не только установили структуры канальных белков, но и показали изящные молекулярные машины в действии.

  1.  Нобелевская премия по химии 2004 года

Нобелевская премия по химии за 2004 г. присуждена двум израильским биохимикам – А. Цихановеру и А. Хершко – и одному американскому – И. Роузу – “за открытие опосредующей роли убиквитина в деградации белков”.

    

     А. Цихановер                      А. Хершко                                И. Роуз

Аарон Цихановер (Aaron Ciechanover) родился в 1947 г. в Хайфе. В 34 года получил докторскую степень по медицине в Израильском технологическом институте (Хайфа). Сейчас Цихановер – профессор отдела биохимии и директор Института медицинских исследований при Израильском технологическом институте.

Аврам Хершко (Avram Hershko) родился в 1937 г. в Карцаге, Венгрия. В 32 года стал доктором медицины в медицинской школе «Хадасса» Иерусалимского университета. В настоящее время Хершко – почетный профессор того же института, где директорствует Цихановер.

Ирвин Роуз (Irwin Rose) родился в Нью-Йорке в 1926 г., докторскую степень защитил в 1952 г. в Университете Чикаго. Специалист в области физиологии и биофизики, работает в Медицинском колледже Университета Калифорнии в Иврине.

Еще не так давно жизнь трактовалась как способ существования белковых тел. И в самом, деле такими телам, вернее, молекулами, насыщена любая клетка живого организма. Это и ферменты, ускоряющие химические реакции; и гормоны, исполняющие роль сигнальных молекул; и сложные соединения, обеспечивающие иммунную защиту организма; и регуляторы многих внутриклеточных процессов. Наконец, сама форма клетки и ее структура поддерживаются именно белками. Почему-то повелось, что исследователей интересовало в первую очередь, как осуществляется и контролируется синтез белков в клетке, а их распаду не уделялось должного внимания. В противоположность этому, нобелевские лауреаты 2004 г. изучали как раз распад (расщепление, деградацию), причем не всякий – гидролиз протеазами с образованием, в конечном счете, аминокислот был известен. Будущих лауреатов привлекла утилизация белков, которая требует энергии. Первым начал исследования в этом направлении Хершко. В 1971 г. он стажировался в лаборатории Г.Томкинса, где изучал деградацию фермента тирозинаминотрансферазы в культивируемых клетках гепатомы. По результатам исследователи предположили, что источником энергии на ранней стадии деградации фермента служит нуклеотид аденозинтрифосфат (АТФ).

В 1978 г. израильские биохимики работали с лизатом ретикулоцитов (содержимых этих клеток, полученным после их разрушения ферментами), в котором изучали зависимый от энергии протеолиз. Чтобы избавиться от гемоглобина, который загрязнял лизат и мешал анализу, они пропустили образец через колонку с целлюлозой и совершенно неожиданно для себя обнаружили, что в результате хроматографии образуются две фракции. По отдельности они не проявляли протеолитической активности, но как только их объединяли, протеолиз, зависимый от АТФ, восстанавливался. В следующем году биохимики определили , что активным компонентом первой фракции был термостабильный полипептид с молекулярной массой около 9000 Да.

Не меньшие сюрпризы преподнесла и вторая фракция образца, которая исследовалась уже сообща – Хершо, Цихановером и Роузом. Вторая фракция в условиях эксперимента в свою очередь делилась на две части: одна содержала очень крупный белковый комплекс, стабилизированный АТФ, другая – ферменты Е1, Е2, Е3. для расщепления белка-субстрата требовались все три фракции.

Совместный путь к Нобелевской премии длился (по публикациям) всего три года – с 1979-го по 1981-й. За это время удалось установить, что термостабильный полипептид из первой фракции может ковалентно соединяться со многими белками, которые содержатся в лизате ретикулоцитов; что с одним и тем же белком связывается не одна молекула полипептида, а несколько, причем взаимодействие происходит через ε-аминогруппы лизинов, имеющихся в полипептиде.

Далее наступил черед изучения фракции, содержащей ферменты Е1-Е3, т.е. ферментную систему, которая обеспечивает «пришивание» термостабильного полипептида к белку-субстрату. Этот полипептид уже был обнаружен (разными исследователями) в клетках всевозможных эукариотических организмов, и в 1980 г. К. Уилкинсон присвоил веществу название убиквитин (лат. ubique – везде, всюду). А если он столь вездесущ, значит, предположили будущие нобелевские лауреаты, протолиз, который требует энергии АТФ и убиквитина, чрезвычайно важен для любой клетки.

Высказав гипотезу о деградации белков как цепи последовательных реакций, биохимики выделили и охарактеризовали ферменты Е1-Е3, пределили место и способ действия каждого из них в этой цепи. Из тщательнейших биохимических работ выяснилось, что энергия АТФ нужна только для активации убиквитина. Активированный, он ковалентно связывается с ферментом Е1 через его сульфгидрильную группу (SH), оттуда передается на фермент Е2 и далее на белок-субстрат. Эту последнюю стадию катализирует фермент Е3 и повторяет реакцию раз за разом, пока не образуется цепочка из нескольких молекул убиквитина. Белок с таким своеобразным ярлыком будет опознан протеасомой – специально предназначенной для протеолиза частицей – и расщеплен ею на пептиды разной длины.

Схема последовательных ферментативных реакций, в ходе которых ярлык-убиквитин «пришивается» к белку-мишени. Только в начальной стадии – для активации убиквитина – необходима энергия АТФ. Активированный убиквитин связывается через сульфгидрильную группу (SH) с ферментом Е1, затем таким же образом – с ферментом Е2. Фермент Е3 катализирует перенос «ярлыка» с Е2 на белковую молекулу. Последняя стадия повторяется несколько раз, и в результате белок оказывается связанным с цепочкой из нескольких молекул убиквитина

Протеасома представляет собой сложнейший белковый комплекс, вероятно, именно она была выделена Хершко, Цихановером и Роузом из второй фракции лизата ретикулоцитов. Почти 10 лет после этого многие исследователи безуспешно пытались выделить протеасому, хотя, как теперь известно, в клетке человека содержится до 30 тыс. этих частиц. На самом деле частицу с протеолитической активностью открывали много раз и давали разные названия, даже в статьях Хершко 90-х годов она значилась как циклосома. Теперь эту протеолитическую машину именуют чаще всего протеасомой. Известно о ней очень многое, существует и «портрет», полученной компьютерной томографией.

Сейчас полностью подтверждено предположение Хершко, Цихановера и Роуза, высказанное ими более 20 лет назад, о важнейшей роли для клетки протеолиза, зависимого от энергии и убиквитина. Дефекты в любом звене системы, обеспечивающей контроль за распадом внутриклеточных белков, обычно приводят к драматическим последствиям, вызывают многие болезни человека. Интерес к изучению этой системы не угас, в ней далеко не все расшифровано. Сейчас уделяется большое внимание генетической стороне системы, т.е. идентификации генов, в которых закодированы структуры всех белковых молекул протеасомы. Кроме того, во многих лабораториях мира исследователи обратились к медицинскому аспекту – пытаются создать лекарства против болезней, связанных с протеасомной деградации белков. И уже есть успехи: проходит, например, клинические испытания один из ингибиторов протеасомы, который в экспериментах проявил активность против множественной миеломы. Так давняя работа лауреатов нобелевской премии по расшифровке подготовительных стадий протеолиза привела к получению фармакологического препарата.

Общая схема протеасомной деградации бел

Нобелевский комитет счел необходимым присудить Хершко, Цихановеру и Роузу премию по химии, а не по физиологии и медицине.

  1.  Нобелевская премия по химии 2005 года

Нобелевская премия по химии за 2005 г. присуждена “за открытие и разработку реакции метатезиса в органическом синтезе”. Лауреатами стали француз Ив Шовен и американцы Роберт Граббс и Ричард Шрок. 
 

И. Шовен

Р. Граббс

Р. Шрок

Ив Шовен (Yves Chauvin) родился 10 октября 1930 г., все его научное творчество связано с Французским институтом нефти, расположенным в г.Рей-Мальмезон. С 1960 г. Шовен работал в этом институте вначале в должности инженера, затем - заведующего сектором, позже руководил работой лаборатории молекулярного катализа, в 1991 г. стал директором по научной работе. Сейчас, будучи пенсионером, он сохранил пост почетного директора.

Роберт Граббс (Robert H.Grubbs) родился в 1942 г. в Кальверт-сити (штат Кентукки). В 1965 г. окончил Университет Флориды, в 1968 г. защитил диссертацию в Колумбийском университете, год стажировался в Станфордском университете. С 1978 г. работает в Калифорнийском технологическом институте (г.Пасадена), в настоящее время - в должности профессора. Член Национальной академии наук США с 1989 г.

Ричард Шрок (Richard R. Schrock) родился в 1945 г. в г.Берне (штат Индиана). В 1967 г. получил степень бакалавра в Калифорнийском университете, а докторскую диссертацию защитил в 1971 г. в Гарвардском университете. С 1975 г. занимается исследованиями в Массачусетсском технологическом институте, с 1980 г. - в звании профессора. Член Национальной академии наук США.

Общая схема реакции метатезиса (реакции обмена) проста и наглядна: при взаимодействии двух молекул олефинов (углеводородов с двойными связями) между ними происходит обмен обрамляющими органическими группами (иногда этот процесс называют диспропорционированием):

Такую реакцию наблюдали в 1950-х годах при проведении некоторых промышленных процессов. Широко известный пример - превращение пропилена в этилен и бутен в присутствии оксида либо карбонила молибдена, нанесенного на оксид алюминия:

Начиная с 1960-х годов многие химики пытались объяснить этот процесс образованием различных циклических переходных комплексов.

Впервые истинный механизм метатезиса предложил Шовен (совместно с Ж.-Л.Эриссоном) в 1971 г. Ключевая роль, по мнению Шовена, принадлежит образующемуся в реакционной системе металлокарбену, в котором атом металла соединен двойной связью с углеродом.

Со слов Шовена, к этой мысли его привели три независимые работы. Первой была статья Э.Фишера о новом типе связи углерод-металл, найденной в (метилметокси-карбен) пентакарбонилвольфраме –(CO)5W=C(CH3)(OCH3). Вторая работа - публикация Дж.Натты, описывающая размыкание циклопентена при полимеризации в присутствии триэтилалюминия и гексахлорида вольфрама. Третий факт, принятый Шовеном во внимание, - опубликованные результаты промышленного процесса, при котором пропилен диспропорционирует, образуя этилен и бутен.

Сопоставив эти факты, Шовен пришел к выводу, что полимеризация циклопентена и диспропорционирование пропилена представляют собой по существу один и тот же процесс, а катализирует его карбен. Механизм, предложенный Шовеном, включает стадию образования четырехчленного переходного комплекса олефина с металлокарбеновым катализатором. При распаде комплекса катализатор приобретает иную органическую группу, которую на следующей стадии передает другой молекуле олефина:

Шовену удалось подтвердить предложенный им механизм, проведя перегруппировку бутена в присутствии каталитической системы - смеси WC16 и MeLi (или Me4Sn). Она должна была в реакционной среде целенаправленно образовывать металлокарбен. Результаты опыта указывали, что предположение оказалось правильным, однако вплоть до 1975 г. схема Шовена не пользовалась успехом у химиков, за четыре года ее процитировали лишь в двух работах. Впоследствии этому механизму в научной литературе присвоили имя Шовена.

Работа Шовена указала направление дальнейших исследований: необходимо было вводить в реакционную систему заранее полученный металлокарбен, что весьма успешно проделали Шрок и Граббс.

Шрок стал искать эффективные катализаторы метатезиса, начав с карбеновых комплексов тантала и ниобия. Он придавал большое значение тому, чтобы металл в комплексе находился в высшей степени окисления (в отличие от упомянутого карбена Фишера). Он даже предложил для таких соединений специальный термин - металлалкилидены. В 1980 г. он получил очень эффективные комплексы Ta и Nb, а затем перешел к алкилиденам вольфрама, молибдена и рения (объемистые обрамляющие группы Шрок вводил, чтобы предупредить распад алкилиденов по бимолекулярному механизму).

Катализаторы, полученные Шроком.

Все эти катализаторы необычайно активны: например, одна молекула Мо-содержащего соединения, в котором R = CMe(CF3)2, в течение одной минуты катализирует превращение более тысячи молекул олефина. У катализаторов есть и дополнительное преимущество - их реакционную способность можно тонко регулировать, меняя природу групп R. В том случае, когда R - это трет-бутил, катализатор позволяет осуществить весьма изящный вариант метатезиса - размыкание олефинового цикла с одновременной его полимеризацией:

По существу это новый тип полимеризационного процесса, который ранее нельзя было осуществить иным способом. Для такой реакции используют обычно напряженные циклы, поэтому вторая стадия необратима. К тому же получаемые полимеры практически монодисперсны, т.е. имеют почти одинаковую длину цепи. Примечательно, что фрагменты катализатора, остающиеся на концах полимерной цепи, сохраняют “жизнеспособность”. К полученному таким способом полимеру можно добавить иной мономер, затем третий и “построить” в результате ди- и триблочные полимеры с четким положением блоков:

К недостаткам катализаторов Шрока можно отнести их чувствительность к окислению и влаге. Этот недочет удалось устранить Граббсу. Его рутениевые катализаторы по активности уступают катализаторам Шрока, но зато некоторые из них могут работать в водных средах, что делает их особо привлекательными для промышленной химии. Наиболее известен карбенрутениевый фосфиновый комплекс, которому компания “Fluka”, производящая химические реактивы, в 1998 г. присудила почетное звание “реагент года”:

Метатезис открыл широчайшие возможности в органическом синтезе, некоторые из проведенных реакций осуществить каким-либо иным способом просто невозможно. Вот три примера таких синтезов:

превращение диенов в циклические олефины

модификация аминокислот

введение углерод-углеродных поперечных связей в пептиды

В настоящее время метатезис представляет собой крупную главу в органической химии. Большинство таких реакций проходит в одну стадию и без образования побочных продуктов, что позволяет создавать на их основе экологически безопасные производства. Метатезис открыл возможность синтеза новых лекарственных препаратов, пестицидов, органических реактивов и полимеров со специфическими свойствами.

  1.  Нобелевская премия по химии 2006 года

Нобелевская премия по химии за 2006 год присуждена Роджеру Д. Корнбергу “за фундаментальные исследования молекулярных основ транскрипции у эукариот”.


Роджер Корнберг (Roger D.Kornberg) родился 24 апреля 1947 г. в Сент-Луисе, штат Миссури, США. В 1967 г. окончил Гарвардский университет, в 1972-м получил докторскую степень в Станфордском университете (штат Калифорния). Сейчас, будучи профессором медицины, руководит отделом структурной биологии в медицинской школе того же университета.

Корнберг - член Национальной академии наук и Американской академии искусств и наук; лауреат премии Уэлча - высшей награды по химии в США; лауреат премии Шарля Леопольда Майера, присуждаемой за биомедицинские исследования Французской академией наук.

Транскрипция - это процесс матричного синтеза РНК на ДНК, который осуществляется ферментами РНК-полимеразами. У эукариот в него вовлечены несколько сложных олигомерных белковых комплексов: РНК-полимераза, общие факторы транскрипции и белковый комплекс медиатора. Перечисленные комплексы вместе со специфическими факторами транскрипции (активаторами) инициируют синтез РНК, начиная с промотора соответствующего гена в ДНК. 

В середине 70-х в Станфорд (Калифорния) Корнберг начал исследовать регуляцию трансрипции у эукариот. В качестве модели он избрал пекарские дрожжи. В первых работах выяснилось, что очищенная РНК-полимераза II и пять общих факторов транскрипции (рис.5) - TFIIB, E, F, H и TBP - способны поддерживать лишь очень низкий, базовый уровень процесса. Добавление в систему специфических факторов транскрипции, взаимодействующих с промотором или энхансером и необходимых для узнавания определенного гена, не изменяло эту картину. Тщательное исследование клеточного экстракта привело к неожиданному открытию и очистке мультибелкового комплекса, названного медиатором (см. рис.1). Этот комплекс включал 20 различных белков. Роль медиатора, как выяснили Корнберг и сотрудники, состояла в переносе сигнала (как положительного, так и отрицательного) от специфического фактора транскрипции, связанного с энхансером, к РНК-полимеразе II. Медиатор оказался недостающим звеном, открытие которого объяснило непонятные ранее факты и сделало возможным реконструкцию транскрипционной машины in vitro.

Рис. 5. Схематическое изображение комплекса инициации транскрипции ДНК. В составе комплекса приведены общие факторы транскрипции (TFIIB, E, F, H и TBP), РНК-полимераза II, медиатор и специфический фактор транскрипции, связанный с энхансером - последовательностью, довольно удаленной от промотора и регулирующей его

В целом транскрипционный комплекс состоит примерно из 60 взаимодействующих белков и имеет массу, превышающую 3МДа. Это создавало трудности для молекулярного исследования полного комплекса. Поэтому рентгеноструктурные исследования были направлены на полимеразу, своеобразную платформу (так назвал фермент сам Корнберг), вокруг которой собираются все элементы транскрипционной машины. В течение нескольких лет были проведены интенсивные кристаллографические исследования комплексов РНК-полимеразы с другими компонентами системы. Структура полимеразы была установлена сначала с разрешением 2.8 A и затем 2.3 A. Все события развиваются в глубокой щели молекулы полимеразы. Именно сюда попадает дсДНК (двуспиральная ДНК), и здесь локализован активный центр фермента (рис.6). Щель активного центра пересекает, подобно мосту, a-спираль (“мостиковая” спираль) одной из двух больших субъединиц полимеразы.

Инициация синтеза РНК состоит из ряда этапов, в которых участвуют общие факторы транскрипции. TBP (TATA-binding protein) сгибает ДНК вокруг С-концевого домена TFIIB, в результате чего образуется комплекс этого белка с полимеразой, и ее активный центр ориентируется так, что оказывается напротив стартового участка транскрипции на ДНК. Далее к комплексу инициации последовательно присоединяются другие транскрипционные факторы - TFIIH и TFIIE. Первый из них расплетает участок ДНК, находящийся в активном центре фермента, а второй удерживает некодирующую цепь расплетенной петли ДНК. При этом ось гибридной ДНК-РНК спирали повернута приблизительно на 90º по отношению к дуплексу ДНК (см. рис.6), вступающему в реакцию транскрипции, благодаря полипептидной “стенке”, которая препятствует прямому прохождению нуклеиновой кислоты через щель. В инициации транскрипции своеобразную роль играет один из доменов TFIIB, названный В-пальцем: он занимает в щели активного центра полимеразы то же место, что и гибрид ДНК-РНК, конкурируя с последним. В начале инициации транскрипции TFIIB стабилизирует гибридный участок, содержащий короткий фрагмент - до пяти нуклеотидов - вновь синтезированной РНК. При дальнейшем увеличении гибридной спирали начинается конкуренция между растущей цепью РНК и TFIIB за пространство в ложбине активного центра полимеразы. По терминологии Корнберга, если побеждает РНК, ее синтез продолжается, и инициация переходит в элонгацию транскрипции: полимераза перемещается за пределы промотора, двигаясь по ДНК. Все факторы транскрипции, кроме IIF, выходят из комплекса инициации. Если же побеждает в конкуренции с РНК TFIIB, синтез РНК прерывается на уровне девяти нуклеотидов, комплекс распадается и инициация начинается заново. Этот феномен, известный ранее как “абортивная” инициация транскрипции, получил объяснение на молекулярном уровне только после исследований Корнберга
 

Рис.6. Фрагмент структуры РНК-полимеразы II, содержащий щель, в которой локализован активный центр фермента

Показаны спираль ДНК (синяя), растущая цепь РНК (красная), ион металла в активном центре в видефиолетовой сферы и “мостиковая” a-спираль (зеленая)

Кристаллографическое исследование комплексов полимеразы с нуклеотидами позволило описать поэтапно ход присоединения нуклеотида к растущей цепи (рис.7). На первом этапе NTP (нуклеозидтрифосфат) приближается к растущей цепи и связывается в Е-сайте ниже активного центра в обращенной ориентации. Далее происходит вращение нуклеотида, в результате чего он перемещается в А-сайт. В случае комплементарности входящего нуклеотида матричному основанию ДНК на третьем этапе образуется фосфодиэфирная связь. Все завершается транслокацией, необходимой для повторения цикла. Отбор комплементарного нуклеотида контролируется свойствами РНК-ДНК гибрида. Если нуклеотид некомплементарен, он не удерживается в активном центре, и селекция продолжается. Таким образом, в серии кристаллографических исследований комплексов РНК-полимеразы с компонентами системы была установлена на атомном уровне динамическая картина инициации транскрипции.

РНК-полимераза II и медиатор взаимодействуют между собой за счет множества контактов, посредством которых осуществляется перенос сигналов от активатора, связанного с энхансером, к комплексу инициации транскрипции. Начало детальным исследованиям комплекса медиатора с полимеразой положила публикация (незадолго до присуждения Корнбергу премии), в которой рассматривается взаимодействие головной части медиатора из семи субъединиц с ферментом в присутствии фактора транскрипции IIF. Для выяснения динамических взаимодействий на атомном уровне в дальнейшем необходимо будет изучать комплексы разных частей медиатора с компонентами системы инициации транскрипции.

Рис.7. Четыре кристаллические структуры комплексов РНК-полимеразы II с нуклеозидтрифосфатами

Изображена область активного центра фермента, в которой находятся транскрибируемая ДНК (синяя), синтезируемый участок РНК (красный), присоединяемый нуклеотид (желтый), ионы Mg (фиолетовые) и пептидная спираль (зеленая). Показаны четыре этапа присоединения нуклеотида к растущей цепи РНК: связывание нуклеотида в Е-сайте (вверху слева); ротация комплементарного нуклеотида в А-сайте (вверху справа); образование фосфодиэфирной связи (внизу справа) и транслокация нуклеотида.

Краткое резюме основных достижений Корнберга сводится к следующему. Им установлена общая картина действующего комплекса инициации транскрипции с участием РНК-полимеразы II, общих факторов транскрипции и медиатора, открытого Корнбергом. Промотор за счет ремоделирования хроматина освобождается от нуклеосомы и взаимодействует с ферментом и остальными элементами системы, в результате чего и образуется комплекс инициации транскрипции, состоящий примерно из 60 белков (более 3МДа). Медиатор осуществляет перенос как положительных, так и отрицательных сигналов к транскрипционной машине. Благодаря рентгеноструктурному анализу нынешнему нобелевскому лауреату удалось построить - с атомным разрешением - динамическую картину событий в активном центре РНК-полимеразы II с участием других компонентов системы. В результате было установлено, каким образом осуществляется узнавание промотора, селекция нуклеотидов, образование фосфодиэфирной связи, рост цепи РНК и переход от стадии инициации транскрипции к элонгации.

  1.  Нобелевская премия по химии 2007 года

Лауреатом Нобелевской премии 2007 г. по химии стал профессор Герхард Эртль (Gerhard Ertl), работающий в берлинском институте Фрица Габера общества Макса Планка. В формулировке Нобелевского комитета сказано, что премия присуждена “за изучение химических процессов на твердых поверхностях”. Эртль узнал о присуждении ему премии в тот день, когда ему исполнился 71 год, в интервью он сказал, что это лучший подарок ко дню рождения.

Герхард Эртль родился в 1936 г. в Штутгарте (Германия). С 1955 по 1957 г. он учился в техническом университете Штутгарта, затем в Парижском университете (1957–1958) и позже в университете им. Людвига Максимилиана в Мюнхене (1958–1959). После присуждения степени доктора философии он стал ассистентом и лектором в техническом университете Мюнхена (1965–1968). С 1968 по 1973 г. Эртль – профессор и директор технического университета г. Ганновер, с 1973 по 1986 г. – профессор института физической химии университета им. Людвига Максимилиана в Мюнхене. В течение 1970–1980-х гг. читал лекции в Калифорнийском технологическом институте, в университете г. Милуоки штата Висконсин и Калифорнийском университете в Беркли. В 1986 г. он стал профессором в свободном университете Берлина и в Берлинском техническом университете. В этом же году он был приглашен на должность директора Берлинского института Ф.Габера общества Макса Планка, который возглавлял до 2004 г. В 1996 г. он стал профессором Берлинского университета им. Гумбольдта. В настоящее время Эртль уже не занимается активной исследовательской деятельностью, за ним сохранена почетная профессорская должность в берлинском институте Ф. Габера.

Он удостоен именных премий Лейбница (1991), Циглера (1998) и премии научного химического общества Японии (1992). Награжден медалями Королевского химического общества Великобритании (2002) и Словацкого химического общества (2007), а также именными медалями Гаусса (1985), Либиха (1987), Бунзена (1992), Энглера (1996).

Процессы, протекающие на твердых поверхностях, известны давно, прежде всего это гетерогенный катализ, когда реагенты представляют собой жидкости или газы, а катализатор находится в твердой фазе. Катализаторы – это вещества, которые добавляют в реакционную систему для заметного ускорения химической реакции, при этом катализатор в состав продуктов реакции не входит. Большинство современных промышленных процессов, например переработка нефти, синтез полимеров и многие другие, основаны на использовании катализаторов.

Исследованием гетерогенного катализа занимались очень многие химики, упомянем Вильгельма Оствальда (Нобелевская премия по химии 1909 г. за работы по катализу) и Поля Сабатье (Нобелевская премия по химии 1912 г. за разработку метода гидрирования органических соединений в присутствии тонкоизмельченных металлов).

Содержание большинства работ сводилось к следующему: необходимо было найти катализатор (что всегда было исключительно трудоемким делом) и разработать условия синтеза на найденном катализаторе. Для объяснения того, как именно работают гетерогенные катализаторы, предлагали различные умозрительные, иначе говоря, придуманные, теоретические схемы, которые удовлетворительно описывали протекающие превращения. Что же касается экспериментального изучения процессов, проходящих на поверхности катализатора, то оно затруднено, поскольку реакции, протекающие на твердых поверхностях, существенно отличаются от реакций в жидкостях или газах. Их изучение возможно только в особых условиях, например в среде исключительно высокого вакуума, в специальных изолированных помещениях и с использованием особо чистых реактивов, что позволяет получить воспроизводимые результаты. Именно все это и удалось осуществить Г. Эртлю.

Успех Эртля был подготовлен стремительным развитием в 1960-х гг. новых технологий, прежде всего в производстве микросхем. Чистота поверхности элементарного кремния, используемого для изготовления процессоров, играет решающую роль в его работоспособности. В результате были созданы новые технологические процессы получения сверхчистого кремния и разработаны чувствительные спектральные методы оценки чистоты.

Эртль сумел оценить новые методы и приспособить их для решения химических задач. Фактически он создал новую экспериментальную школу, разработавшую методики, которые позволили освоить эту трудную для исследования область – химию поверхности. Необходимую информацию он получал, облучая изучаемые объекты потоком электронов или фотонов и затем анализируя ответное излучение с помощью современных приборов. Поясним вкратце, о чем идет речь. Например, при использовании фотоэмиссионного электронного микроскопа поверхность освещают ультрафиолетовым светом. При этом возникают фотоэлектроны, т.е. электроны, возбужденные облучением. Те из них, которые обладают наибольшей энергией, отрываются от поверхности, преодолевая так называемую работу выхода. Эти электроны с помощью специальных линз направляются на люминесцентный экран. Картина, возникающая на экране, отражает состояние поверхности и положение находящихся на ней отдельных атомов. При обычном давлении пробег таких электронов очень короткий, поскольку они сталкиваются с молекулами газов, присутствующих в воздухе. Для того чтобы эти электроны, несущие важную информацию, дошли до экрана, необходим очень высокий вакуум – 10–3 миллибар (1 бар – это приблизительно 1,02 атм.).

Основная заслуга Эртля состоит в том, что он научился наблюдать поведение отдельных атомов и молекул на исключительно чистых металлических поверхностях, комбинируя различные экспериментальные методики. Он сумел зафиксировать явления, происходящие на поверхности катализатора, и объяснил их.

Проще всего начать знакомство с творчеством Эртля, если взглянуть на картинку, где представлен суммарный итог его работы: показаны те результаты, которые нашли конкретное применение. Условно они объединены изображением современного трактора, однако значение этих работ далеко выходит за рамки сельского хозяйства.

Эстафета длиной в девяносто лет

Конкретные примеры применения
результатов работ Г. Эртля

Премированная работа связано с производством удобрений.

Фриц Габер
(1868–1934)

Карл Бош
(1874–1940)

Крупной победой химии считают созданный немецкими химиками Ф. Габером и К.Бошем процесс, позволяющий превратить атмосферный азот в смеси с водородом в аммиак:

N2 + 3H2  2NH3.

Процесс проходит в присутствии катализатора – металлического железа с примесями оксидов алюминия и калия – при температуре 400–600 °С и давлении до 1000 атмосфер. Найти катализатор оказалось совсем непросто. Для этого Габер испробовал несколько тысяч (!) различных соединений, в результате решение очень остро назревшей проблемы было найдено. Скромная экспериментальная установка Габера со временем превратилась в крупные заводы по производству аммиака. За создание этого процесса Габер был удостоен в 1918 г. Нобелевской премии по химии (К.Бош получил Нобелевскую премию по химии позже, в 1931 г., за развитие методов высокого давления в химии).

Экспериментальная установка Ф.Габера

Итак, главная задача – химически связать атмосферный азот. Далее полученный аммиак каталитически окисляют до оксидов азота, в конечном итоге получают азотную кислоту и нитраты, столь необходимые всем упомянутым ранее производствам. Несмотря на то, что условия каталитического синтеза аммиака за долгие годы были всесторонне изучены, все еще оставалось неясным, как именно протекает процесс.

За решение этой задачи взялся Г.Эртль, который волею судьбы оказался сотрудником института, носящего имя Фрица Габера. Впрочем, такая преемственность в направлении исследований, скорее всего, не случайна, и эстафетная палочка, представляющая собой процесс получения аммиака, спустя почти девяносто лет перешла из рук одного нобелевского лауреата к другому.

Эртль исследовал поведение молекул азота на поверхности чистого железа и обнаружил, что эти молекулы вначале адсорбируются (иными словами, прилипают к поверхности), а затем частично распадаются на атомы, т.е. диссоциируют: N2  2N, этот процесс проходит крайне медленно. Точно так же на поверхности железа распадаются на атомы молекулы водорода, но этот процесс, как установил Эртль в предыдущих исследованиях, проходит заметно легче. Самая медленная стадия, лимитирующая весь процесс синтеза аммиака, т. е. определяющая его итоговую скорость, – диссоциация молекул азота.

Итак, первичная стадия была установлена. Затем Эртль стал изучать процесс на реальном катализаторе: железо, содержащее в качестве примеси оксид калия. После проведения процесса и удаления образовавшегося аммиака на поверхности катализатора оставались только атомы азота. Оказалось, что чем выше было давление водорода в процессе синтеза, тем меньше оставалось на поверхности адсорбированных атомов азота, а количество адсорбированных молекул азота практически не менялось. Эртль сделал вывод, что синтез проходит с участием отдельных атомов N, а не молекул N2. Ранее полагали, что в реакции участвуют двухатомные молекулы. Если бы водород реагировал не с атомарным, а молекулярным азотом, то неизменным было бы содержание атомарного азота при различных давлениях водорода. Рассуждения простые и достаточно строгие.

Для того чтобы отличить друг от друга находящиеся на поверхности атомарный и молекулярный водород, Эртль использовал современные спектральные методы, которые позволяют анализировать излучение, испускаемое возбужденными электронами при возвращении на исходные орбитали. Другой способ, который он использовал, состоял в бомбардировке поверхности электронами, что позволяло определить текстуру поверхности и соответственно «увидеть», где находятся молекулы или атомы. Именно поэтому необходимо было исследовать исключительно чистую исходную поверхность, иначе вся картина оказалась бы сильно искаженной и «трудно читаемой».

Детально исследуя процесс, он установил, что присоединение атомов водорода проходит ступенчато, т.е. вначале присоединяется один атом, затем два, потом три:

Напомним, что стадии обратимы. Точками у атомов азота обозначают неспаренные электроны, показывая таким образом, что на промежуточных стадиях образуются радикалы. Самая медленная стадия, определяющая общую скорость процесса, первая – распад молекулы азота на атомы. Оказалось, что наименее прочно адсорбируется на поверхности катализатора молекула аммиака, что и позволяет ей легко отделяться от катализатора (схема).

Стадии синтеза аммиака на поверхности железного катализатора: 
а – адсорбция; б – диссоциация с образованием радикалов;
в, г, д – присоединение атомов водорода к атому азота;
е – отделение молекулы аммиака от поверхности катализатора

Эртлю удалось не только качественно описать всю схему, но и охарактеризовать ее количественно, т.е. определить энергетические параметры (тепловые эффекты) на каждой стадии. При изучении первой стадии (диссоциация молекулы азота на атомы) особых трудностей не возникло, поскольку она протекает сравнительно медленно, но зато остальные стадии протекали столь быстро, что «разглядеть» их не удавалось. Эртль нашел выход – стал изучать эти стадии при протекании реакции в обратном направлении (такое происходит при понижении давления). Удалось также объяснить «стимулирующую» роль примесей оксида калия в металлическом железе: эта добавка облегчает протекание самой важной стадии – распада молекул азота на атомы, делая процесс энергетически более выгодным. Итак, Эртль сумел зафиксировать все промежуточные стадии процесса синтеза аммиака и количественно их охарактеризовать – определить скорости этих реакций и их энергетические параметры.

Очистить воздух городов

Известно, что бензин сгорает в двигателях автомобилей не полностью, в результате в выхлопных газах содержится не только диоксид углерода СО2, но и монооксид углерода СО, исключительно ядовитый. Для борьбы с этим явлением используют каталитический процесс окисления СО до СО2, называемый в быту дожиганием:

2СО + О2  2СО2.

Простая на первый взгляд реакция протекает весьма необычно. Прежде всего она необратима, что затрудняет ее исследование, гораздо проще наблюдать равновесную реакцию, изменяя условия и тем самым сдвигая равновесие. Оказалось также, что реакция имеет колебательный характер, проще говоря, пульсирует.

Специальная насадка
на выхлопную трубу автомобиля,
содержащая металлическую платину –
катализатор реакции окисления

Эртль, изучая окисление СО на платиновом катализаторе с использованием современных спектральных методов, среди которых наиболее информативными оказались дифракция электронов с низкой энергией и микроскопия с фотоэлектронной эмиссией. В результате он установил, что в тот момент, когда на отдельных участках каталитической поверхности концентрация СО превышает определенную величину (приблизительно 0,5 моль/л), происходит перестройка поверхности катализатора.

Преобразования поверхности катализатора
в зависимости от локальной концентрации СО

Процесс обратим, и при снижении концентрации СО до величины 0,2 моль/л поверхность приходит в прежнее состояние. Процесс перестройки поверхности несколько отстает по времени от изменения концентрации СО, как это было в случае с поголовьем рысей и зайцев. В итоге можно наблюдать, как по поверхности катализатора расходятся концентрические волны, что показано на трех последовательных снимках.

Концентрические волны изменения поверхности катализатора

Наблюдаемая картина по-своему красива и весьма необычна, поскольку показывает перестройку поверхности твердого тела под действием газообразного реагента. Фактически Эртль обнаружил неизвестное ранее явление – «химические» волны на поверхности катализатора.

Проведенное Эртлем детальное изучение кинетики и механизма этого процесса открывает пути к разработке катализаторов нового типа.

Диапазон научного поиска

По разработанной методической схеме Эртль исследовал много различных каталитических процессов, причем преимущественно таких, которые можно считать основополагающими. Прежде всего это каталитическое окисление аммиака на платинородиевом катализаторе (так называемый процесс Оствальда). С помощью этого процесса перерабатывают основную массу аммиака, синтезированного по рассмотренному ранее способу Габера–Боша.

Эртль исследовал не только все основные стадии этого процесса, приводящего к получению азотной кислоты:

4NH3 + 5O2  4NO + 6H2O,

2NO + O2  2NO2,

3NO2 + H2O  2HNO3 + NO,

но и все побочные стадии:

4NH3 + 4O2  2N2O + 6H2O,

4NH3 + 3O2  2N2 + 6H2O,

4NH3 + 6NO  5N2 + 6H2O,

что позволило детально описать процесс и определить оптимальные условия его проведения.

Проведенные Эртлем исследования процессов, происходящих на поверхности, далеко выходят за рамки интересов химической индустрии. Найденные закономерности могут быть использованы и в описании процессов коррозии (ржавление), и при очистке сточных вод, для совершенствования топливных элементов. Химия поверхности может даже объяснить причины разрушения озонового слоя, поскольку соответствующие реакции протекают на поверхностях кристалликов льда в стратосфере.

Напомним, что Эртль начинал разрабатывать свои экспериментальные методы, взяв за основу технологии полупроводниковых производств. В свою очередь созданные им изящные, необычайно тонкие приемы исследования – установки для получения высокого вакуума, инструменты для получения сверхчистых поверхностей – оказались полезными для современной электроники и дали очередной толчок развитию новых полупроводниковых технологий, которые сейчас стали нормой в производстве микропроцессоров.

Открытия Эртля оказались полезными и для современной медицины, например при лечении онкологических заболеваний, когда на ранних стадиях заболевания раком удается выявить больные клетки организма и воздействовать именно на них, не затрагивая здоровые клетки.

  1.  Нобелевская премия по химии 2008 года

Лауреатами Нобелевской премии 2008 г. по химии стали трое ученых из США “за открытие и исследование зеленого флюоресцирующего белка”. Этот белок широко применяется во всём мире для изучения физиологических процессов на клеточном и организменном уровне, а также экспрессии генов.

Премию поделят поровну сотрудник Лаборатории биологии моря в Массачусетсе Осаму Симомура, Мартин Челфи из Колумбийского университета Нью-Йорка и Роджер Цьен из университета Калифорнии в Сан-Диего.

        О. Симомура                      М. Чалфи                           Р. Цянь

Осаму Симомура (Osamu Shimomura) – японский химик-органик и морской биолог. Родился в Киото в 1928 г. Вырос в Маньчжурии и Осаке, где его отец, военный офицер, проходил службу. Позже его семья переехала в Нагасаки. Подростком Осаму Симомура в результате атомной бомбардировки Нагасаки на несколько недель потерял зрение. В 1951 г. он окончил Университет Нагасаки, а с 1955 года работал в Нагойском университете, где начал исследования флуоресценции морских беспозвоночных и выделил белок, отвечающий за свечение некоторых остракод. В 1960 г. Симомура получил в Нагойском университете докторскую степень и переехал в США, работал сначала в Принстоне (где и открыл зеленый флуоресцентный белок, вызывающий свечение у медуз), а с 1982 года — в Лаборатории морской биологии. С 2001 года Осаму Симомура на пенсии. Он живет на полуострове Кейп-Код в штате Массачусетс, недалеко от своего последнего места работы.

Роджер Цьен (Roger Y.Tsien) родился в Нью-Йорке в 1952 г. В 1972 г. с отличием окончил Гарвардский колледж, где изучал химию и физику. В 1977 г. в университете Кембриджа получил докторскую степень по физиологии. В 1977-1981 гг. был научным сотрудником Кембриджского университета. В 1982-1989 гг. работал в Департаменте по анатомии-физиологии Калифорнийского университета в Беркли. С 1989 г. работает в университете Калифорнии в Сан-Диего. Профессор фармакологии, химии и биохимии. В 1998 г. доктор Цьен был избран членом Национальной академии наук.

Мартин Чалфи (Martin Chalfie) родился в Чикаго в 1947 г. Получил ученую степень в области физиологии в Гарвардском университете. С 1982 г. – профессор Колумбийского университета. Работает в области клеточной дифференциации, в области его особых интересов – развитие функции нервных клеток круглых червей (нематод).

Начав изучение биохимии, Симомура, в частности, занимался проблемой излучения света некоторыми морскими формами. Многие морские беспозвоночные светятся — сами по себе (используя энергию химических процессов) или под действием ультрафиолетового или видимого света (поглощая фотоны с одной длиной волны и испуская с другой). В основе этого свечения лежат разнообразные органические вещества. Одно из таких веществ — зеленый флуоресцентный белок медуз из рода Aequorea. В ультрафиолетовом освещении этот белок светится голубовато-зеленым светом. Осаму Симомура в 1962 г. открыл Green Fluorescent Protein (зеленый флуоресцентный белок) в маленькой светящейся медузе Aequorea Victoria (рис.8). В ходе исследований Симомура установил: чтобы излучать свет, Aequorea выпускает ионы кальция, которые связываются с белком. Такой белок Симомура назвал экворином (aequorin).

Симомура пришел к выводу: именно кальцесвязывающий белок производит свечение. Открытие ученого и его исследования многочисленных субстратов и ферментов, которые приводят к излучению света, сделали его ведущим в мире экспертом по люминесцентной химии. 

Рис.8. Светящиеся медузы из рода Aequorea. Из таких медуз и был выделен зеленый флуоресцентный белок (GFP, green fluorescent protein), нашедший широчайшее применение в цитофизиологических, биохимических и генетических исследованиях во всём мире. Фотография сделана первооткрывателем зеленого флуоресцентного белка Нобелевским лауреатом по химии 2008 года Осаму Симомурой

Дальнейшие работы, посвященные зеленому флуоресцентному белку, позволили найти кодирующий его ген и внедрять этот ген в живые клетки различных организмов. В медицинских и биохимических исследованиях зеленым флуоресцентным белком или его производными помечают те или иные клетки и вещества и, благодаря свечению, отслеживают их расположение в пространстве и происходящие с ними изменения. Внедрив ген светящегося белка в клетку вместе с каким-либо другим геном, можно следить за тем, где и с какой интенсивностью внедренные гены экспрессируются (то есть обеспечивают синтез соответствующих им белков). Зеленый флуоресцентный белок позволил ученым пронаблюдать многие скрытые процессы и структуры, например рост и характер связей нейронов, а также распространение раковых клеток в организмах лабораторных животных. 

Мартин Чалфи и его коллеги разработали методы, позволяющие использовать зеленый флуоресцентный белок для исследования экспрессии генов, внедряя его в клетки лабораторных модельных объектов — кишечной палочки (Escherichia coli) и почвенной нематоды Caenorhabditis elegans. В настоящее время подобные методы успешно используются во множестве лабораторий разных стран.

Рис.9. Иллюстрация из статьи Мартина Чалфи с соавторами (Chalfie et al., 1994) в журнале Science

На рис.9 показана личинка нематоды C. elegans. ALMR и PLMR — два рецепторных нейрона, ответственные за тактильную чувствительность. Тела нейронов выглядят как яркие светящиеся точки, а их аксоны — как отходящие от них бледные линии. Треугольники указывают на гомологичные клетки, расположенные на другой стороне тела червя (они светятся не так ярко, потому что не в фокусе). Толстая стрелка указывает на ветвь нервного кольца, связанную с нейроном ALMR, а тонкие стрелки — на слабо светящиеся тела других нейронов.

Мартин Чалфи разработал новые экспериментальные методы этих исследований. Был первым, кто доказал возможность использования зеленого свечения протеина GFP в качестве светового маркера для исследований различных биологических явлений. В 1994 г. была опубликована статья Чалфи с соавторами, где сообщается об успешном внедрении этого белка в клетки кишечной палочки и почвенной нематоды (круглого червя) Caenorhabditis elegans и намечены возможные способы его использования в цитофизиологических и молекулярно-генетических исследованиях. В 1996 г. Челфи создал голубой мутант зеленого белка, которым окрасили нематоду. В 2006 г. Мартину Челфи была присуждена премия Розенталя за выдающиеся достижения в области медицины.

Рис.10. Клетки мозга лабораторной мыши, светящиеся разными цветами за счет внедренных в их хромосомы в разных сочетаниях флуоресцентных белков трех разных цветов, полученных на основе зеленого флуоресцентного белка

Роджер Цянь изучил физико-химические причины свечения зеленого флуоресцентного белка и с помощью прицельных мутаций в его гене получил гены флуоресцентных белков других цветов. Использование таких белков, в частности, облегчает изучение связей между множеством нейронов головного мозга (рис.10).

Работы Роджера Цяня и его лаборатории позволили разобраться в механизме флуоресценции этого белка и выработать (производя мутации в кодирующем его гене) новые его разновидности, в частности светящиеся не зеленым, а другими цветами. Благодаря этому достижению теперь в распоряжении исследователей имеется большой набор разных маркеров, которые можно одновременно использовать для изучения процессов, происходящих с разными клетками или белками.

Рис.11. Пейзаж с закатом в Сан-Диего, написанный колониями бактерий, высаженных на питательную среду в чашке Петри. В разных колониях синтезируются флуоресцентные белки разного цвета, полученные на основе зеленого флуоресцентного белка медузы Aequorea. Художник — Натан Шейнер (Nathan Shaner), сотрудник лаборатории Роджера Цяня, фотограф — Пол Штейнбах (Paul Steinbach)

Зеленый флуоресцентный белок позволил многое тайное сделать явным. Число научных работ, в которых используются он и его производные, составляет на сегодня уже несколько десятков тысяч. Не вызывает сомнений, что с помощью этой группы белков будет сделано еще немало ярких открытий.

Этот белок стал в последнее время популярен не только среди ученых. Большой ажиотаж вызвало получение в одной из лабораторий Тайваня зеленых светящихся поросят. Впрочем, они были выведены, по-видимому, не столько в рекламных целях, сколько для изучения процессов развития органов и тканей, но это тот случай, когда научные достижения настолько эффектны, что привлекают внимание широких кругов публики (рис.11).

  1.  Нобелевская премия по химии 2009 года

Королевская Шведская академия наук объявила имена лауреатов Нобелевской премии по химии 2009 г. Ими стали: Ада Йонат из Института Вейцмана (г. Реховот, Израиль), известная своими исследованиями фундаментальных механизмов клеток, а также двое ее коллег из Великобритании и США – Венкатраман Рамакришнан (лаборатория молекулярной биологии в Кембридже) и Томас Стейц из Йельского университета, известный кристаллограф и специалист по молекулярной биологии.

Премия присуждена “за исследования структуры и функций рибосом”, клеточных органелл, отвечающих за производство белка в живых организмах. Ученые использовали методы рентгеновской кристаллографии, которые позволили точно определить структуру рибосом на атомном уровне.

«Они показали, - говорится в документе, - как на атомарном уровне работает рибосома – важнейший элемент живой клетки, отвечающий за выработку белков». Кроме того, ученые смогли создать трехмерные модели, показывающие, как различные антибиотики взаимодействуют с рибосомой. Открытый ими механизм уже взят на вооружение создателями новых антибиотиков, что «прямо помогает спасению жизни и уменьшению страданий человека», отмечается в заявлении.

           

          А. Йонат                        В. Рамакришнан                        Т. Стейц

Ада Йонат родилась 22 июня 1939 года в Иерусалиме. Среднюю школу закончила в Тель-Авиве, затем была призвана в армию. В армии с отличием окончила офицерский курс. Демобилизовалась в звании лейтенанта медслужбы. Защитила 1-ую степень по химии (1962) и 2-ую степень по биофизике (1964) в Еврейском университете в Иерусалиме. Докторат (1969) Ада Йонат делала в Институте им. Вейцмана.

Венкатраман Рамакришнан родился в 1952 году в городке Чидамбарам на юге Индии. В 1971 г. получил степень бакалавра по физике в г. Валодар, после чего уехал в США, где в 1976 г.  получил докторскую степень, также по физике, в Университете Огайо. Два года он учился биологии в Калифорнийском университете в Сан-Диего, затем работал в Йельском университете (где и начались его исследования рибосом), а в 1999 г. переехал в Англию, где возглавил исследовательскую группу в Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже. С 2008 года является также сотрудником Тринити-колледжа Кембриджского университета.

Томас Стейц родился в 1940 г. в Милуоки (штат Висконсин). Он получил степень бакалавра по химии в Университете Лоуренса в Висконсине, а затем учился в Гарварде, где в 1966 году получил докторскую степень по биохимии и молекулярной биологии.        С 1967-го по 1970 год он работал в Лаборатории молекулярной биологии Медицинского исследовательского совета в Кембридже, а с 1970 года работает в Йельском университете, где в настоящее время является профессором молекулярной биофизики и биохимии.

В конце 1970-х гг. Ада Йонат решила получить рентгенографическую структуру рибосомы. В то время большинство считало эту задачу неразрешимой, так как необходимо из рибосом сотворит кристалл.

В рентгеновской кристаллографии луч жесткого излучения направляют на исследуемый образец (например, высокоупорядоченное состояние белка - кристалл) и изучают возникающее при этом рассеяние, регистрируя дифракционную картину. Первоначально для регистрации использовалась светочувствительная пленка, отдельные участки которой под действием излучения затемнялись. Сейчас для этого используются ПЗС-матрицы (за которые, кстати, присудили Нобелевскую премию за 2009 г. по физике). Рентгеновское излучение получают в основном на синхротронах (ускорителях элементарных частиц). Когда лучи сталкиваются с кристаллом, они начинают рассеиваться, вырисовывая на детекторе картину дифракции, состоящую из миллионов отдельных точек (рефлексов). Анализируя дифракционную картину, можно определить точное распределение атомов в образце. Однако качественную картину может дать только практически идеальный кристалл, получение которого может быть затруднено, и чем больше белок, тем сложнее подобрать адекватные условия для кристаллизации.

В силу перечисленных обстоятельств большинство отнеслось к начинаниям А. Йонат скептически. Рибосома (70S) – один из сложнейших существующих комплексов РНК/белок, состоящий из большой субъединицы (50 S) (одной большой молекулы РНК, «инкрустированной» примерно 32 белками) и малой субъединицы (30 S) (трех молекул РНК и около 36 белков). В сумме это составляет сотни тысяч атомов, и Йонат задалась целью определить положение каждого из них.

Когда А. Йонат решила закристаллизовать рибосому, ее выбор пал на бактерию, живущую в экстремальных условиях: Geobacillus stearothermophilus может обитать в источниках с температурой до 75 ºC. По предположениям Йонат, если уж рибосомы работают в таких жестких условиях, то и кристаллизацию они как-нибудь перенесут.

В 1980 г. были получены первые кристаллы, и это было действительно крупным достижением, несмотря на то, что их дифракционное качество было не высоким. После этого потребовалось еще 20 лет работы, чтобы определить структуру рибосомы, в которой было бы четко определено положение каждого атома. Йонат использовала много разных приемов, в частности замораживание при -196 ºС. В экспериментах участвовали и другие бактерии, например Haloarcula marismortui из чрезвычайно соленых вод Мертвого моря.

К началу 1990-х гг. кристаллы Йонат уже имели вполне удовлетворительное качество, чтобы по ним устанавливать положение каждого атома в структуре, однако оставалось еще затруднение, называемое у кристаллографов проблемой фаз. Чтобы по картине дифракции восстановить структуру, необходимо знать фазовый угол для каждого рефлекса на картине, а как найти эти фазы, было не понятно.

Часто для аналогичной задачи в кристалл добавляют тяжелые металлы вроде ртути и по различию дифракционных картин кристалла с металлом и без него вычисляют фазу. Однако в случае огромной рибосомы к образцу присоединялось сразу много атомов тяжелого металла, и вычислить фазы было сложно. Для решения проблемы требовалась дополнительная информация.

Решение проблемы предложил Томас Стейц, который использовал электронно-микроскопические изображения рибосомы, полученные Иоахимом Франком. Эти изображения помогли установить положение и примерную ориентацию рибосомы в кристалле, и, хотя не позволяли увидеть отдельные атомы, были использованы для восстановления набора фаз и получения рентгеновской структуры.

В 1998 г. Т. Стейц опубликовал первую структуру большой субъединицы рибосомы, на которой можно было различить положение молекул РНК и белков, но не больше: разрешение не превышало 9 Å. Но и это стало настоящим прорывом.

Основные проблемы были решены, и оставалось только улучшать качество кристаллов и накапливать статистику. К финишу лауреаты Нобелевской премии пришли практически одновременно: в августе и сентябре 2000 г. они опубликовали кристаллические структуры рибосомы с атомным разрешением: Стейц – большой субъединицы Haloarcula marismortui, а Йонат и Рамакришнан – малой субъединицы Thermus thermophilus.

Структура малой субъединицы, полученная Рамакришнаном, дает объяснение специфичности и точности синтеза белка рибосомой. Оказывается, в рибосомах есть что-то вроде молекулярной линейки, которая измеряет расстояние между кодоном мРНК и антикодоном тРНК. В случае, если это расстояние отличается от требуемого, тРНК немедленно диссоциирует. Двойная проверка – залог точности синтеза белка на рибосоме: не более одной ошибки на 100000 аминокислотных остатков.

Роль большой субъединицы рибосомы главным образом синтез белка: она катализирует образование пептидной связи между аминокислотами. Скорость работы рибосомы составляет примерно 20 синтезированных звеньев полипептидной цепи в минуту, и «поймать» рибосому на промежуточной стадии очень непросто.

Однако Т. Стейцу удалось сделать и это. Он проводил кристаллизацию большой субъединицы с аналогами аминокислот, и с помощью этих структур были найдены каталитические центры рибосомы и предложена схема процесса.

Ленточная модель полной 70S рибосомы

Исследования лауреатов помогли понять, как что-то настолько простое, как цепочка из четырех типов звеньев, превращается в такую сложную вещь, как жизнь. Как это часто бывает, фундаментальные исследования находят применение на практике: в этом случае речь идет о новых антибиотиках.

  1.  Нобелевская премия по химии 2010 года

Нобелевскую премию по химии 2010 г. получили ученые из Японии и США: Ричард Хек, Эйити Нагиси и Акира Судзуки награждены “за разработку катализируемых палладием реакций кросс - сочетания”.

         

                     А. Судзуки           Э. Нагиси                                     Р. Хек

Акира Судзуки родился 12 сентября 1930 г. в городке Мукава, расположенный на японском острове Хоккайдо. Окончил университет Хоккайдо в Саппоро. В 1994 г. Судзуки уходит из университета Хоккайдо и 1 год работает Окаямском университете наук. А с 1995 по 2002 гг. работает в Университете наук и искусства Курашики. В 1979 г.  опубликовал первые сведения о органическая реакции арил- винилбороновых кислот с арил- или винил-галогенидами, катализируемая комплексами Pd(0). Во многих современных публикациях этот процесс называют также «реакцией Судзуки-Мияуры», или «сочетанием Судзуки». Реакция Судзуки широко используется в препаративной органической химий для получения полиолефинов, стиролов, а также замещенных бифенилов.

Эйити Нагиси родился 14 июля 1935 года в городе Чанчунь. Степень бакалавра получил в 1958 году в Токийском университете. Потом начал работать в химической компании "Teijin". В 1960 г. поступил в Пенсильванский университет, где в 1963 г. получил степень доктора философии. После этого вернулся в компанию "Teijin". В 1960 поступил в Пенсильванский университет, где в 1963 г. получил степень доктора философии. В 1966 г. начал работать в лаборатории Герберта Чарлза Брауна в Университете Пердью. в 1968 г. получил должность ассистента профессора Брауна. С 1972 по 1979 гг. работал Сиракузском университете, но потом вернулся в Пердью.

Ричард Хек (Richard F. Heck) родился 15 августа 1931 г. в Спрингфилде (штат Массачусетс). В 1952 г. получил степень бакалавра в Калифорнийском университете, через 2 года там же получил степень доктора философии. Потом переехал в Швейцарию, где работал в высшей технической школе Цюриха. После этого вернулся в Лос-Анджелес, и некоторое время работал в Калифорнийском университете, пока в 1957 г. компания "Hercules" не предложила ему работу. С 1971 по 1989 гг. работал в университете Делавэра.

В каталитических реакциях участвует «третье вещество» - катализатор, который не входит в состав исходных реагентов, не входит в состав продуктов реакции и в реакциях не расходуется, однако оказывает большое влияние на ее протекание. Первые катализаторы лишь ускоряли реакцию, снижая ее энергию активации (энергетический барьер, который нужно преодолеть, чтобы запустить химический процесс).

Однако катализатор во многих случаях способен не только ускорить реакцию, но и изменить ее путь, повысить ее селективность и, в конечном счете, привести к совсем другим продуктам взаимодействия.

В случае органических реакций повышение селективности и необходимая для этого активация атома углерода особенно важны. При взаимодействии крупных органических молекул в каждом исходном соединении есть несколько активных центров (атомов углерода), по которым может происходить связывание. В результате обычным для некаталитической органической реакции бывает получение смеси продуктов, среди которых целевой продукт необязательно составляет основную часть. Чем сложнее молекулы, тем больше продуктов. Поэтому чем сложнее синтез и целевая органическая молекула (лекарство или искусственное синтезированное природное соединение), тем острее стоит вопрос повышения селективности реакции и выхода целевого продукта.

Именно с этими задачами успешно справляются реакции катализируемого палладием кросс – сочетания. На самом деле катализатор, конечно, взаимодействует с реагентами: он участвует в образовании так называемого переходного состояния (отсюда изменение энергии активации) – комплекса, образующегося в реакционной смеси на пути от исходных веществ к продуктам реакции.

Собственно, все реакции сочетания подразделяются на две большие группы: кросс – сочетание (или перекрестное сочетание), при котором происходит конденсация (соединение) двух различных органических фрагментов, и гомосочетание, при котором соединяются одинаковые фрагменты из одного и того же исходного вещества. Более интересны для исследования и применения в синтетическом плане реакции кросс – сочетания, так как в этом случае получается большой спектр соединений за счет введения в реакцию различных фрагментов. При изучении реакций кросс – сочетания гомосочетание зачастую протекает как побочная, нежелательная реакция. Поэтому для увеличения селективности необходимо строго соблюдать условия синтеза: соотношение реагентов, концентрацию катализатора, тип растворителя, температуру.

Использование солей и комплексов металлов в качестве катализаторов перевернуло органическую химию и вывело «конструирование» крупных молекул из отдельных частей на совершенно иной уровень. В долгосрочном аспекте предшественником работ нынешних нобелевских лауреатов можно считать труды ставшего лауреатом почти 100 лет назад французского химика Виктора Гриньяра. Он создал ключевой для синтетической химии того времени реактив – класс магний – органических соединений, впервые позволивших сшивать органические соединения различной природы друг с другом. Новшество – создание металлоорганического соединения внедрением атома магния между атомами углерода и галогеном в галогенопроизводном. Такой реактив затем эффективно вступал в реакцию с различными соединениями (карбонилы, галогенопроизводные, тиолы, органические амины и цианиды), сшивая с ними исходный органический фрагмент. Это не только открыло перед химией совершенно новые возможности, но и породило новые проблемы – гриньяровские реакции зачастую не отличались высокой селективностью. Время диктовало новые требования.

В 70-е гг. XX в. Ричард Хек предложил свой вариант металлокомплексного катализа для сборки больших молекул из малых – взаимодействие алкенов с галогенопроизводными на палладиевом катализаторе.

Схема кросс – сочетания, разработанная Хеком, показана на рис.12. На первой стадии образуется промежуточное палладийорганическое соединение, схематично схожее с реактивом Гриньяра. Затем алкеновый атом углерода в бензольном кольце – это ключевая стадия образования новой углерод – углеродной связи. После этого и атом металла (обычно участвующий в реакции в виде комплекса), и галогенид (в данном случае бром) отщепляются от комплекса, и образуется конечный продукт реакции.                          В течение следующих 10 лет Нагиси и Судзуки совершенствовали методику реакций. Первый предложил ввести в нее модифицированный реактив Гриньяра (не магний, а цинкоорганику) – это повысило сродство атома углерода к атому палладия, а второй предложил заменить цинк на бор, что снизило токсичность веществ в реакционной смеси.

Рис.12. Схема реакции Хека

Палладиевые катализаторы и реакции кросс – сочетания используют для синтеза самых разных веществ различного назначения – новых материалов, лекарств, природных соединений. Важно то, что они позволяют конструировать большие молекулы из меньших вне зависимости от того, каково назначение исходных реагентов и продуктов.

Пластики, фармацевтические препараты, материалы для электронной промышленности и многое другое. Практически бесконечно разнообразные вещества, можно синтезировать при помощи метода, созданного Нагиси, Хеком и Судзуки.

  1.  Нобелевская премия по химии 2011 года

Лауреатом премии по химии за 2011 г. стал израильский материаловед Даниэль Шехтман. Ученый награжден “за открытие и исследование структуры квазикристаллов”.  

Даниэль Шехтман родился в 1941 г. в Тель-Авиве. Сейчас он профессор наук о материалах в Израильском институте технологий в Израильском институте технологий в Хайфе, а также профессор университета штата Айова. В 1984 г. Д. Шехтман находился на так называемом sabbatical в Национальном бюро стандартов США – это «творческий отпуск» с сохранением, положенный профессорскому составу каждые 5-7 лет, в течение которых он может работать в другой организации, ездить с докладами, писать книги. Именно там он и совершил открытие, за которое удостоился Нобелевской премии.

Д. Шехтман – один из ведущих ученых в области физики твердого тела, технологии материалов, кристаллографии. Основные его научные исследования посвящены микроструктуре и свойствам быстро затвердевающих металлических сплавов. Научные достижения Шехтмана были отмечены многочисленными наградами, в том числе международной премией Американского физического общества за исследования в области новых материалов (1987), премиями по инженерии (1990), за достижения в области науки (1993), по физике (1998,1999). Д. Шехтман – автор более 100 научных работ (некоторые в соавторстве).

В начале 80-х гг. Шехтман работал в Национальном институте стандартов и технологии в США. Утром 8 апреля 1982 г. (точная дата открытия, что, стати, большая редкость, сохранилась благодаря журналу Шехтмана) он заглянул в электронный микроскоп, изучая быстроохлажденный сплав алюминия с марганцем, и увидел удивительную картину его атомного строения, которая не соотносилась с классическими представлениями о кристаллической структуре.

Дифракционная картина структуры сплава говорила о том, что перед ним кристалл с необычной симметрией. Более того, вращение кристалла показало, что это симметрия пятого порядка, т.е. кристалл, совпадает сам с собой при повороте вокруг оси симметрии на 360/5 = 72 (градуса), что противоречило законам природы. Другим отличительным свойством необычной кристаллической структуры было отсутствие в ней дальнего порядка, т.е. она не воспроизводила сама себя со строгой периодичностью, что ни как не укладывалось в научные представления о кристалле.

Неудивительно, что такие сенсационные результаты не были восприняты коллегами ученого: Д. Шехтмана изгнали из лаборатории Национального института стандартов и технологии, а его статья, направленная в «Journal of Applied Physics», не была принята к публикации. Лишь после воспроизведения экспериментов Шехтмана совместно с другими учеными – известными авторитетами в области кристаллографии новая статья (с соавторами) была принята и вышла в журнале «Physical Review Letters». В это же самое время другие ученые-кристаллографы по всему миру начали наблюдать похожие дифракционные картины для других материалов.

За экспериментами кристаллографов последовало математическое описание атомной структуры квазикристалла – так была названа новая структура.

За прошедшие годы открыто много квазикристаллических сплавов, причем с симметрией не, только пятого, но и восьмого, десятого и двенадцатого порядка. Эти сплавы проявляют свойства, порой сильно отличающиеся от металлических. Например, их электрическое сопротивление с ростом температуры падает, а не растет, они обладают низкой теплопроводностью. А отсутствие периодичности замедляет движение дислокаций (линейных дефектов кристалла), что повышает прочностные характеристики материала. Это свойство уже используют для разработки легких и прочных сплавов для авиации.

Квазикристаллы – это необычная форма упорядоченной структуры твердого тела, нечто среднее между классическими кристаллами и аморфными телами, однако их структура не обладает периодичностью и повторяемостью.

Теория квазикристаллов, как ни странно, была разработана задолго до их открытия: «квазикристаллические» орнаменты есть в средневековых мечетях Ирана. Это еще раз подтверждает высокий уровень развития арабской математики и архитектуры. Европейцы придумали упорядоченные непериодические мощения, или мозаики, на полтысячелетия позже: в 1976 г. знаменитый математик Роджер Пенроуз предложил «квазикристаллическое» мощение, получившее название «мозаики Пенроуза» (рис.13).

Рис.13. Один из вариантов мозайки Пентроуза с симметрией относительно вращения на 72º и кратные им

 

Заслугой Д. Шехтмана заключается в том, что он показал возможность существования этих завораживающе красивых структур в мире реальных объектов. С тех пор уже найдены и изучены сотни квазикристаллов – не только металлических сплавов, но и некоторых полимеров.

Довольно долго считалось, что природных квазикристаллов не существует, но в 2009 г. ученые обнаружили первый природный квазикристалл в редком минерале хатырките с Дальнего Востока России. Во фрагментах пород, собранных на Корякском нагорье, естественные квазикристаллы достигли размеров до 200 мк. Они состоят из атомов железа, меди и алюминия и имеют сложную структуру, с несколькими (до шести) осями пятого порядка.

Возможность практического применения квазикристаллов определяют следующие свойства: прочность, низкий коэффициент трения, низкую теплопроводность и необычные электропроводящие свойства. Самая важная область применения – производство покрытий. Это более перспективно, чем использование цельных квазикристаллов. Последние достаточно хрупкие, а при использовании покрытий проявляется их жесткость. Другой способ избежать проблемы хрупкости квазикристаллических материалов – использовать икосаэдрические квазикристаллические частицы нанометровых размеров для армирования сплавов на основе алюминия.

Практически все квазикристаллы получают искусственно путем охлаждения металлических сплавов со строго определенной, очень высокой скоростью – около 1 млн. ºС/с. Более высокая скорость охлаждения приведет к получению аморфного металла, поэтому производство квазикристаллов связано с изрядными сложностями.

В настоящее время исследование этих пока не очень понятных материалов продолжается.

  1.  Нобелевская премия по химии 2012 года

Нобелевская премия по химии 2012 г. присуждена американским ученым Роберту Лефковиц и Брайану Кобилке - “за работы по исследованию рецепторов, сопряженных с G-белком (или семиспиральных рецепторов)”. Американских ученых удостоили высокой награды за постижение механизмов взаимодействия рецепторов адреналина с G-белками. 

                                Р. Лефковиц                                 Б. Кобилка

Роберт Лефковиц (Robert Lefkowitz) родился в 1943 г. в Нью-Йорке в семье еврейских эмигрантов из Польши. В 1962 г. получил степень бакалавра искусств в Колумбийском колледже при Колумбийском университете Нью-Йорка, а в 1966 г. в Колледже общей терапии и хирургии при том же университете получил степень доктора медицины (MD). C 1968-го по 1970 год работал в системе Национальных институтов здоровья, затем пришел в Главный госпиталь Массачусетса в Бостоне (MGH). C 1973 года — в Университете Дьюка, параллельно в 1973-1976 году занимал позицию исследователя в американской кардиологической ассоциации (American Heart Association), с 1976 года — исследователь в Медицинском институте Говарда Хьюза. Нынешняя лаборатория Лефковица  «базируется» в Университете Дьюка.

Брайан Кобилка (Brian Kobilka) родился в 1955 г. в штате Миннесота в семье с немецко-польскими корнями. Получил степень бакалавра по биологии и химии в Миннесотском университете, затем степень доктора медицины (MD) на медицинском факультете Йельского университета. Прошел интернатуру в Вашингтонском университете и поступил работать постдоком к Лефковицу. С 1987-го по 2003 год — исследователь в Медицинском институте Говарда Хьюза. Нынешняя лаборатория Кобилки  — в Стэнфордском университете.

Примерно 20 лет назад ученые выяснили, что для успешной работы белков – триггеров, включающих целый каскад биохимических процессов, результат которого – передача сигнала о нуждах и потребности клетки (например, в кислороде, глюкозе, каких-то других метаболитах), необходим гуанозинтрифосфат (ГТФ). Эти белки (их называют G-белками) гидролизуют ГТФ, отщепляя от его молекулы один из трех «кирпичиков» фосфата. При этом выделяется энергия, которая и обеспечивает протекание дальнейших биохимических реакций. За открытие G-белков в 1994 г. американские биохимики – эндокринологи Альфред Гилман и Мартин Родбелл получили Нобелевскую премию по медицине и физиологии. Нобелевская премия по химии за 2012 г. – логическое продолжение истории о G-белках.

Американские ученые Роберт Лефковиц (Медицинский центр университета Дьюка в г. Дарем, штат Северная Каролина) и Брайан Кобилка (Школа медицины при Стэнфордском университете) по следам первопроходцев продвинулись дальше своих изысканиях и смогли не только охарактеризовать работу клеточных рецепторов, регулирующих работу G-белков, но и «подобрать ключик» к управлению ими. Речь идет о β – 2 – адренергических рецепторах, которые активизируется в ответ на изменение концентрации адреналина в крови.

Рецепторы, сопряженные с G-белками называют семиспиральными, поскольку они спирально упакованы в клеточной мембране на манер елочного серпантина и пронизывают ее 7 раз, выставляя на поверхность «хвостик», способный воспринять сигнал и передать конформационные изменения всей молекуле. Среди серпантинов – рецептор света родопсин, расположенный в мембранах клеток сетчатки глаза, белки клеток обонятельных рецепторов, с помощью которых нос распознает ароматы, и даже клеточные рецепторы, через которые осуществляется регуляция настроения, поведения, активности иммунной системы. При этом все они имеют сходное строение.

Исследования Лефковица начались в 1968 году, когда он пришел на позицию исследователя в системе Национальных институтов здоровья (NIH). К тому времени он уже занимался исследованием рецептора адренокортикотропного гормона (АКТК) и сумел разобрать методику точного вычисления концентрации гормона в плазме при помощи радиоактивных меток.

На новом месте работы Лефковиц переключился на исследование адреналина и его рецепторов. На то, чтобы понять, как гормон адреналин передает информацию клетке и меняет работу ее метаболизма, ушло почти 10 лет.

Адренорецептор представляет собой белок, который пронизывает клеточную мембрану. Со стороны клетки с ним связан особый G-белок, получивший свое название за то, что к нему присоединен остаток гуанозиндифосфата (ГДФ). G-белок состоит из трех субъединиц (отдельно упакованных белковых спиралей), получивших названия a, p, и y. При этом пока рецептор находится в состоянии «выкл.», т.е. не связался с адреналином, все спокойно. Но стоит с внешней стороны клетки присоединиться небольшой молекуле адреналина, как начинается глубокая перестройка всего комплекса. Конформация самого рецептора меняется, в G-белке гуанозиндифосфат превращается в трифосфат, а сам белок разрывает на две части: субъединица а отправляется в самостоятельное путешествие по клетке, а части р и у дальше движутся в месте. Встречая различных так называемых вторичных посредников, эти осколки G-белка запускают цепь биохимических реакций и меняют метаболизм клетки, а сами осколки воссоединяются, восстанавливая трифосфат до дифосфата, и все повторяется сначала.

Такой механизм передачи сигнала через адренорецепторы получил название теории тройничного комплекса (рис.14).

Рис.14. Схема теории тройничного комплекса

А дальше в игру вступил второй лауреат, который чуть позже открытия этого механизма пришел работать в лабораторию Лефковица.  Брайан Кобилка сумел решить последовательно несколько сложнейших задач, которые требовали огромного терпения и высочайшего экспериментального мастерства. Кобилка смог найти ген, кодирующий адренорецептор, а кроме того, он смог установить его исходную структуру и положение в мембране. И тут выяснилось, что адренорецептор имеет 7 белковых спиралей, которые пронизывают клеточную мембрану. Ровно столько, сколько у совсем непохожего на него рецептора родопсина – благодаря чему мы реагируем на свет. Более того, дальнейшие исследования показали: семиспиральными являются, большинство известных к тому времени клеточных рецепторов. И все эти семиспиральные рецепторы связаны с G-белками, и все работают по описанному выше механизму.

Именно поэтому самому механизму клетки общаются между собой, именно благодаря этому механизму мы обладаем всеми пятью видами чувств. Разумеется, открытие одного из фундаментальных биохимических механизмов не смогло пройти бесследно: сегодня примерно 40% всех лекарств, выпускаемых мировой фармацевтической промышленностью, действуют именно на рецепторы, связанные с G-белками.

В 2011 г. Кобилка, наконец, смог сделать практически невозможное – «рентгенограмму» адренорецептора в момент работы (рис.15). Получить приличный кристалл комплекса рецептора и гормона было очень сложно. Однако Кобилка вышел из положения, синтезировав так называемое наноантитело (nanoantibody) – небольшую молекулу, которая, тем не менее, достаточно крепко связывалась с рецептором, точно таким же способом, как и сам гормон, и фиксировала рецептор в активированном положении. Неделя роста кристалла – и можно делать кристаллограмму.

Рис.15. Изображение β-адренорецептора в момент связывания с лигандом и G-белком

Теперь открыт путь к получению активных структур рецепторов, а значит, и путь к направленному дизайну множества лекарств.

Выводы

В период с 2000 по 2012 гг. Нобелевскую премию по химии получили 31 человек. Среди которых присутствует женщина Ада Йонат – одна из четырех женщин, которые за всю историю получили Нобелевскую премию по химии (премия 2009 года).

Джон Фенн – является самым пожилым лауреатом, на момент принятия решения нобелевским комитетом ему было 85 лет (премия 2002 года).

Нобелевские премии с 2000 по 2012 гг. в области:

  •  неорганическая химия (химия поверхностей) – 2007, 2011;
  •  органической химии – 2000, 2001, 2005, 2010;
  •  биохимии – 2003,2004, 2006, 2008, 2009, 2012;
  •  аналитическая химия (методы исследования) – 2002.

Нобелевская премия всегда останется критерием достижения и движением науки и общества, потому, что научные открытия, признанные Нобелевским комитетом Королевской шведской академии наук, несомненно, приносить пользу обществу.

Литература

  1.  Лауреаты Нобелевской премии 2000 года по химии — А.Хигер, А.Мак-Диармид, Х.Cиракава [Электронный ресурс] Режим доступа: http://vivovoco.rsl.ru/VV/NEWS/PRIRODA/2001/N_CHEM.HTM.

  1.  Лауреаты Нобелевской премии 2001 года по химии - У.Ноулс, Р.Нойори, Б.Шарплесс [Электронный ресурс] Режим доступа: http://vivovoco.rsl.ru/VV/JOURNAL/NATURE/01_02/NOBEL2001.HTM.

  1.  Лауреаты Нобелевской премии 2002 года по химии - Дж. Б. Фенн, К. Танака, К. Вютрих [Электронный ресурс] Режим доступа: http://vivovoco.rsl.ru/VV/NEWS/PRIRODA/2003/CHEMISTRY.PDF.

  1.  Лауреаты Нобелевской премии 2003 года по химии [Электронный ресурс] Режим доступа: http://vivovoco.rsl.ru/VV/NEWS/PRIRODA/2004/CHEM.HTM.

  1.  Нобелевские премии – 2004 [Электронный ресурс] Режим доступа:  http://vivovoco.rsl.ru/VV/JOURNAL/NATURE/01_05/NOBEL2004.PDF.

  1.  Лауреаты Нобелевской премии 2005 года по химии - И. Шовен, Р. Граббс и Р. Шрок [Электронный ресурс] Режим доступа: http://vivovoco.rsl.ru/VV/JOURNAL/NATURE/01_06/N-CHEM.HTM.

  1.  Лауреаты Нобелевской премии 2006 года по химии - Р. Корнберг [Электронный ресурс] Режим доступа: http://vivovoco.rsl.ru/VV/JOURNAL/NATURE/01_07/CHEMISTRY.HTM.

  1.  Зримые танцы молекул на каталитическом паркете  Нобелевская премия 2007 г. по химии  [Электронный ресурс] Режим доступа: http://him.1september.ru/article.php?ID=200800601

  1.  Лауреаты Нобелевской премии по химии 2008 г.: [Текст]// Химия в школе. – 2009. - № 2. – С. 14.

  1.  Нобелевская премия по химии 2008 год [Электронный ресурс] Режим доступа: http://dinoera.ru/nauka/8653------2008.html.

  1.  Лауреаты Нобелевской премии по химии 2009 г.: [Текст]// Химия в школе. – 2009. - № 10. – С. 11-14.

  1.  Нобелевские лауреаты по химии 2010 г.: [Текст]// Химия в школе. – 20011. - № 1. – С. 3-5.

  1.  Нобелевскую премию по химии за 2011 г. присудили за открытие квазикристаллов: [Текст]// Химия в школе. – 2011. - № 10. – С. 13-18.

  1.  Лауреаты Нобелевской премии по химии 2012 г.: [Текст]// Химия в школе. – 2012. - № 10. – С. 15-17.

PAGE   \* MERGEFORMAT 34


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

39371. Основы генетики и селекций 29.85 KB
  Ген (от греч. genos — род, происхождение) – участок молекулы геномной нуклеиновой кислоты, характеризуемый специфической для него последовательностью нуклеотидов, представляющий единицу функции, отличной от функций других генов, и способный изменяться путем мутирования.
39372. Расчет привода рабочей машины 967.5 KB
  Мощность двигателя зависит от требуемой мощности рабочей машины а его частота вращения от частоты вращения приводного вала рабочей машины.2 Определение передаточного числа привода и его ступеней Передаточное число привода определяется отношением номинальной частоты вращения двигателя к частоте вращения приводного вала рабочей машины при номинальной нагрузке и равно произведению передаточных чисел закрытой и открытой передач.1 Частота вращения приводного вала рабочей машины 2.1 Определяем мощности а двигателя б быстроходного вала...
39373. М.Вебер – основоположник «понимающей» социологии и теории социального действия 15.96 KB
  М. Вебер ставит в качестве необходимой предпосылки социологии не общество, а отдельного осмысленно действующего индивида. Согласно Веберу общественные институты (государство, право, религия и т. д.) должны изучаться социологией в той форме, в какой они становятся значимыми для отдельных индивидов.
39374. Введение в изучение культуры Италии 179 KB
  Во все эпохи Италия, Апеннинский полуостров и ближайшие острова, их природные и антропологические богатства привлекали исследователей. Начиная с мифологической эпохи, история, культура, цивилизация этой части света, находит свое отражение в устном и письменном творчестве
39375. Збільшення прибутку на підприємстві на прикладі ВАТ «Биттехніка» 910 KB
  Мета в дипломної роботи складається у вивченні економічного аналізу прибутку, витрат та обсяг виробництва на підприємстві. Визначити взаємозв’язок впливу на прибуток таких факторів як обсяг та витрати виробництва методом CVP аналізу й побудови графіку беззбитковості.
39376. Проектирование двухступенчатого механического привода 1.61 MB
  механизм лебедки по рекомендациям [Чернилевский с. Определим угловую скорость 3го вала: Определим мощность 3го вала: Для двухступенчатого привода подберем двигатель и произведем кинематический и силовой расчет если мощность и угловая скорость выходного вала известны и соответственно равны: Мощность требуемая от электродвигателя: где общий КПД привода: По ГОСТ 1952381 выбираем ближайший по мощности электродвигатель 4А200М6У3 [Чернилевский с. 227] выполняя условие для которого При данной частоте вращения общее передаточное...
39377. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЫНОЧНОГО ХОЗЯЙСТВА 489 KB
  Общественное разделение труда предполагает специализацию, обособление отдельных видов конкретного труда (труда в особой целесообразной форме - например, труд пекаря, гончара). Развитие общественного разделения труда выражается в увеличении числа профессий и специальностей
39378. Процесуальний порядок оскарження постанови про порушення кримінальної справи 539.75 KB
  Кожна кримінальна справа може бути порушена лише за на- явності приводу і достатньої підстави за відсутності обставиш що виключають провадження у справі.
39379. Структурно-функциональная теория социальных систем Т. Парсонса 15.3 KB
  Из бесчисленного множества человеческих действий и взаимодействий (интеракций), соответствующих определенным социальным ролям, складывается социальная система. Парсонс сформулировал положение о трехкомпонентной структуре социальной системы...