Молекулы (для) мозга. История первая: закись азота
В нашем дружественном Виртуальном музее химии есть отдел, посвященный истории молекул. И сегодня в нем открывается новый стенд, который мы делаем вместе с музеем.Работа нашего мозга управляется сотнями различных молекул, а сотни других могут влиять на его работу. Поэтому мы будем рассказывать и о молекулах мозга, и о молекулах для мозга, перезапустив на новом уровне нашу рубрику «Нейромолекулы». Наш первый рассказ – об очень интересной маленькой молекуле, которая оказала достаточно большое влияние на всю медицину.
…В химию автор этих строк пришёл через олимпиады. И уже в седьмом классе (у нас было десятилетнее образование) мы чертили структурно-валентные формулы разных простеньких веществ. Именно тогда, готовясь к олимпиадам, я с удивлением узнал, что в оксиде азота (I), знаменитом веселящем газе, о существовании которого я вообще узнал из песни Гребенщикова (помните – «из кухонных кранов бьёт веселящий газ»…) – в общем, там – азот не одновалентный, как нас учили в школе. Еще и волшебное слово «резонансная структура» появилось в лексиконе у нас, восьмиклассников, что заметно помогло нам впоследствии справиться с ароматическими соединениями.
Что же, давайте разберемся с этим интереснейшим соединением, которое совсем не так просто, как кажется из его брутто-формулы N2O.
Джозеф Пристли
Впервые человечество познакомил с нашим героем британский химик (впрочем, тогда было принято говорить «натурфилософ», первооткрыватель кислорода, Джозеф Пристли. В своей книге «Эксперименты и наблюдения за разными видами воздуха», вышедшей в 1775 году, он рассказал, как тремя годами ранее он получил «флогистинированный нитрозный воздух» нагреванием железных опилок, смоченных азотной кислотой. Кстати, тогда же он открыл и монооксид азота NO. Его Пристли назвал «селитряным воздухом». Впрочем, сейчас не о «старшем брате» нашего героя.
Названий у N2O – множество. Закись азота, оксид азота (I), веселящий газ, оксонитрид азота (I), оксид диазота… «Химия ваша обильна и богата, а порядку в ней нет». Что же представляло собой открытие Пристли.? Газ, бесцветный, негорючий, сладковатый приятный запах и даже привкус… Очень небольшая разница между температурами кипения и замерзания – при -88°С он еще веселящий газ, а при -91 °С – это уже веселящий снег. Чуть больше двух градусов Цельсия – интервал существования жидкой фазы!
Томас Беддоу
Практического применения нашему герою довелось ждать чуть более двух десятков лет. В 1794 году вышла книга одного из изобретателей паровой машины Джеймса Уатта и реформатора медицины Томаса Беддоу «Соображения о медицинском использовании и производстве искусственных воздухов» (именно так, тогда воздухов было много – как мы помним, оксиды азота Пристли называл воздухами).
Оборудование лаборатории Пристли
В этой книге было два важных момента. Во-первых, Уатт в ней предложил «машину» для производства N2O, а также ингаляционный прибор для медицинского использования газов. А во-вторых, Беддоу представил новую теорию о том, что туберкулёз и другие легочные заболевания могут быть излечены ингаляциями «искусственных воздухов». Не сработало, конечно, зато способ употребления был найден. Кстати, «машина» была создана, была расположена в одном из подвалов в Бристоле и управлял ей юный Хэмфри Дэви. И именно Дэви дал название закиси азота «веселящий газ» и предположил его использование для обезболивания.
Жизнь становится легче: Хэмфри Дэви отмеряет веселящий газ. Карикатура 1830 года
Прошло еще полвека, и в 1844 году Горацио Уэллс, американский стоматолог, провел первое в истории удаление зуба с анестезией веселящим газом. В 1880 году мы уже видим применение его как общего наркоза в России – С.К.Кликович употребляет его при родах. Собственно, эти два показания – стоматологические манипуляции и роды – остаются главными показаниями для медицинского применения.
Баллоны с закисью азота для медицинского применения
Впрочем, наркотические качества веселящего газа стали понятны еще в XVIII веке. С 1799 года и минимум до 1863 года источники отмечают новую забаву среди высшего света в Великобритании – «вечеринки веселящего газа», где салонная публика собиралась для того, чтобы надышаться закисью азота до явления короля Артура.
Вечеринка с веселящим газом. Карикатура первых десятилетий XIX века
Интересно, что наркотический и обезболивающий эффекты оксида азота обеспечиваются двумя разными механизмами. Первый – активацией эндогенной опиоидной системы и взаимодействии ее с нисходящей норадренергической системой.
Второй – воздействием N2O на мезолимбический путь и выделение избыточного дофамина в зоне награды. Такая маленькая молекула, а такое сложное действие на центральную нервную систему! При этом избыточное действие его – смертельно для нейронов, поскольку молекулярная мишень у молекулы – это NMDA-рецепторы, антагонистом которых N2O является. Более 400 граммов (200 литров) чистого вдыхаемого газа в смеси с кислородом за раз, или регулярное употребление (ежедневно или даже еженедельно – до сих пор есть такие «любители»), вызывает периферическую нейропатию, атаксию (нарушение координации движений) и парестезию – расстройство ощущений с появлением покалывания, жжения или других патологических ощущений. Увы, иногда на этом история не заканчивается: даже за последнее время, даже только в Москве отмечено несколько смертельных случаев.
Любителям автотюнинга наш герой тоже добавляет веселья. А точнее – бодрости двигателю их автомобиля. Впрыск N2O в цилиндры снижает температуру всасываемого в цилиндры воздуха, увеличивая плотность смеси и повышает скорость сгорания топлива. Так разгоняли свои движки и техники Люфтваффе во вторую мировую.
Кстати, любопытно, что и это применение оксида азота – не ново, первым в двигателях его использовал еще пионер ракетного дела Роберт Годдард – аж в 1914 году! К слову, SpaceShipOne – первый коммерческий космоплан – летает на смеси закиси азота и HTPB – полибутадиена с концевыми гидроксильными группами.
SpaceShipOne
Но вернёмся, в завершение нашей статьи, к олимпиаде и структурным формулам. Так как же выглядит на самом деле молекула оксида азота? Неужели кажущаяся логичной структурная формула N-O-N – неправильна?
Совершенно верно. Молекула N2O cовсем не такая, и дело даже не в кратности связей. Даже топологически она устроена иначе – два атома азота соединены друг с другом, и к одному из них присоединён атом кислорода.
Структура молекулы N2O
Более того, одной структурной формулой тут не обойтись. Есть целых четыре структуры, которые описывают эту молекулу и вносят в ее настоящий вид каждая свой вклад. Здесь нет одинарных, двойных и тройных связей, если выражаться точно, то связь азот-азот имеет кратность 2,73, а связь азот-кислород -1,61. Так что можно только поражаться, сколько сложностей, тонкостей и неожиданностей могут прятаться всего в трёх атомах – или трёх знаках знакомой со школы формулы N2O.
Текст: Алексей Паевский
Материал подготовлен ИОНХ РАН при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».