Физики из МФТИ с коллегами из ОИЯИ (Дубна) и Университета Суонси (Уэльс, Великобритания) впервые пронаблюдали эффект совместного связывания (pancake bonding) в биологическом материале — пигменте эумеланине.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда и опубликована в журнале Physical Chemistry Chemical Physics. Со школьной скамьи нам известно, что в природе существует три основных типа биологических полимеров: нуклеиновые кислоты, белки и полисахариды. Многие наверняка ожидали бы в этом списке увидеть липиды, но в классическом смысле полимерами жиры не являются, хотя они, как и перечисленные три типа полимеров, образуют сложные надмолекулярные (или, как любят говорить химики, супрамолекулярные) структуры: мембраны, мицеллы, везикулы и так далее.
Возможно, это прозвучит неожиданно, но существует еще один класс биологических полимеров, распространенный среди всех царств живых систем, — это меланины. Они представлены во всех типах организмов, за исключением вирусов. Меланин — пигмент, который придает коже, волосам и глазам человека цвет. Больше всего у нас эумеланинов и феомеланинов. Первые отвечают за коричневые и черные оттенки, а вторые — за красные и желтые. Это высокомолекулярные соединения, в которых основными звеньями цепи являются хиноны и гидрохиноны либо их таутомеры. Причем эти звенья соединены пи-сопряженными связями, которые знакомы большинству по гексагональной молекуле бензола. (На рисунке структура молекулы эумеланина).
В результате возникает ряд важных следствий, определяющих свойства меланинов и повышенный интерес к этим материалам со стороны физиков и материаловедов. Первое: меланины — полисопряженные полимеры. Это роднит их с так называемыми органическими металлами и полупроводниками, то есть неметаллическими материалами, которые, однако, при определенных условиях способны демонстрировать электрическую проводимость на уровне металлов.
Второе — меланины являются отличными матрицами для стабилизации неспаренных электронов (радикалов). В физиологических условиях концентрация радикалов в меланинах может достигать колоссальных значений, невозможных ни для каких других биологических материалов, — порядка 10 (в степени 18) –10 (в степени 19) штук на грамм вещества. Это, с одной стороны, роднит их с искусственными органическими магнитными материалами, а с другой — делает важными естественными антиоксидантами.
И, наконец, треть: в ультрафиолетовом и видимом диапазоне длин волн меланины обладают сплошным, лишенным особенностей спектром поглощения. Это окрашивает их в привычный черно-коричневый цвет загара, позволяет эффективно поглощать опасные коротковолновые фотоны, способные необратимо повреждать сложные биологические молекулы, и конвертировать их в относительно безопасное тепловое излучение. На этом основана одна из главных физиологических функций эумеланина — защита организма от повреждающего действия солнечных лучей.
Такой набор свойств заинтересовал физиков довольно давно, задолго до начала бума органических полупроводников. На меланине было изготовлено первое искусственное устройство органической электроники — бистабильный переключатель МакГиннесса 1973 года, который ныне демонстрируется в Смитсоновском институте.
Несмотря на столь многолетнюю историю исследований, задач в меланиновой физике, химии и физиологии осталось много. По сравнению с классическими объектами физики твердого тела, меланин сложен. Базовая причина этой сложности — существенно аморфная структура данного материала, невозможность кристаллизации, сочетающаяся с нестабильностью состава мономеров.
