Глазами Монжа-Бертолле

Не так давно этот приговор был равносилен смертному. Душевный недуг означал интеллектуальную гибель. И лишь в самые последние годы химия вручила психиатрии надежные средства, которые излечили не одного душевнобольного, возвратив его к активной общественной жизни. Бурно развивается юная область древней медицины — психофармакология, наука о веществах, влияющих на высшую нервную деятельность. К сожалению, до сих пор поиск новых лекарств зачастую идет вслепую, «методом проб и ошибок». Вот почему центральным вопросом психофармакологии остается механизм действия медикаментов на те или иные участки коры и подкорки.

Так-то оно так, но при чем тут квантовая химия? Неужто прыжки электронов со ступеньки на ступеньку имеют какое-то значение для функции гигантской машины, составленной из 15 миллиардов деталей-клеток?

Как интеграл принял участие в консилиуме психиатров.

В свое время мы узнали, что длительное состояние тоски или страха, беспричинное с точки зрения психиатра, вызвано прямой химической причиной: в крови повышается концентрация адреналина. Или его ближайшего сородича серотонина. Антагонистом этих веществ, нагоняющих страх, является аминазин (хлорпромазин). Он помогает и психически нормальным людям.

Трудно не волноваться перед хирургической операцией. Даже те, кто не из пугливого десятка, боятся металлического звона инструментов. А те, кому был введен аминазин, спокойны и не испытывают страха.

И вот выяснилось, что химизм действия препаратов находится в прямой зависимости от величины, высчитываемой математически и сухо именуемой «коэффициентом k». Этот показатель характеризует энергию связи электрона с молекулой.

Для вычисления энергетических уровней молекул обычно прибегают к двум квантово-механическим приемам. Один из них уже упоминался — это метод валентных схем. Именно его применили впервые Гейтлер и Лондон для расчета молекулы водорода. Метод предполагает, что любую молекулу можно мысленно разбить на ряд двухцентровых двухэлектронных связей. Несколько иная посылка лежит в основе метода молекулярных орбит. Там отвергается утверждение, что электрон находится у определенного атома. Напротив, химическая связь считается результатом движения электронов в суммарном поле, созданном всеми электронами и всеми ядрами. Электрон как бы размазан по всей «молекулярной орбите». Понятно, почему метод молекулярных орбит оказался особенно эффективным для расчета систем сопряженных связей, которые играют первостепенную роль в органической химии и биологии.

Энергия какой-либо орбиты E равна α + kβ. Здесь α — кулоновский интеграл, β — обменный интеграл. Первый выражает энергию электростатического взаимодействия электронов между собой и с ядрами. Второй — энергию обменного взаимодействия. Для веществ, близких по химической природе, значения α и β почти одинаковы. Следовательно, энергия зависит главным образом от величины k. Коэффициент k рассчитывается для двух видов молекулярных орбит — связывающей и разрыхляющей.

Когда образуется молекула, энергия электронов в основном состоянии оказывается меньше, чем сумма прежних энергий электронов в индивидуальных атомах (расщепление уровней!). Потому-то и выделяется тепло при объединении двух атомов H в молекулу H₂. Но если электроны переходят в возбужденное состояние, они подпрыгивают с основной («связывающей») орбиты на более высокую «разрыхляющую». Так она называется оттого, что заполнение ее электронами в результате активации молекулы приводит к «разрыхлению» валентной связи и распаду молекулы на атомы. Энергия разрыхляющей молекулярной орбиты больше, чем у исходных атомных орбит.

Главное — запомнить: удалить электрон со связывающей орбиты тем легче, чем меньше коэффициент k. Стало быть, тем лучшим донором электронов является молекула. Например, для одного из электронных посредников дифосфопиридиннуклеотида ДПН—H k = 0,298. Это очень хороший донор. А у ДПН⁺ +, k = 1,032. Значит, донор из него никудышный.

Равным образом, чем меньше коэффициент k для разрыхляющей орбиты, тем легче молекула присоединяет чужие электроны. Тем лучше из нее акцептор электронов. У ДПН⁺ в этом случае k = 0,356. Очень хороший акцептор! А для ДПН—H k = 1,032. Акцептор из рук вон плохой. А наши антагонисты — аминазин и серотонин? У первого для связывающей орбиты k меньше нуля. Значит, это успокаивающее средство оказывается исключительно щедрым донором. Зато акцептор из него скверный (k = 1). У серотонина же наоборот — способность принимать чужие электроны выражена ярче (k = 0,87). А отдавать свои — э, нет, здесь серотонин «жаднее».