Том 1 (Р. Эккерт - Физиология животных - механизмы и адаптации в 2-х томах), страница 8

электроны внешней оболочки, оказываютсянаРис. 2.5. Первые четыре электронные оболочки; показано, сколько электронов требуется для того, чтобызаполнить каждую из них.Рис. 2.7. Внешняя электронная оболочка у атома хлора находится дальше от ядра, чем у атома фтора,поэтому электроны внешней оболочки атома хлора притягиваются к ядру с меньшей силой, чем в атомефтора.20большем расстоянии от массивного ядра и поэтому притягиваются к нему сменьшей силой по сравнению с валентными электронами атомов, у которыхвсего две оболочки (рис.

2-7). (Напомним, что сила электростатическоговзаимодействия между двумя зарядами уменьшается пропорционально квадратурасстояния между ними.) Таким образом, хлор, у которого семь валентныхэлектронов расположены в третьей оболочке, обладает меньшей реакционнойспособностью, чем фтор, у которого семь валентных электронов находятся вовторой оболочке. Оба атома стремятся захватить один электрон, чтобы до концазаполнить внешнюю оболочку, но у фтора это стремление выражено сильнее,поскольку его внешняя электронная оболочка испытывает более сильноеэлектростатическое притяжение со стороны ядра, чем в большем по размераматоме хлора.

В результате при прочих равных условиях легкий атом посравнению с тяжелым образует более прочные и, следовательно, болеестабильные связи с другими атомами.211)Поскольку в таблице приводятся округленные значения, соответствующие суммы не равны в точности100. (Biology: An Appreciation of Life, 1972.)19 :: 20 :: 21 :: Содержание21 :: 22 :: Содержание2.2. Свойства Н, О, N и С как основадля возникновения жизниТеперь мы можем вернуться к утверждению Уолда, смысл которого в том,что некоторые элементы особенно существенны с точки зрения химии живыхсистем. Обратившись к периодической таблице (см.

рис. 2-3), мы увидим, что извсех элементов, присутствующих в достаточном количестве в земной коре, лишьН, О, N и С имеют не более двух электронных оболочек. Гелий и неон-редкиегазы, практически инертные, а бор и фтор встречаются лишь в составеотносительно редких солей. Металлы литий и бериллий образуют соединения слегко диссоциируемыми ионными связями. Напротив, Н, О, N и С образуютпрочные ковалентные связи, обобществляя соответсвенно один, два, три ичетыре электрона, которые им нужны для заполнения внешних оболочек.Почему так важно, чтобы связи были прочными? Нетрудно представитьсебе, например, какой хаос воцарился бы в биологическом мире, если быхимические связи в материале, ответственном за наследственность, легкораспадались. В ДНК, построенной из атомов Н, О, N, С и Р, в процессерепликации редко происходят какие-либо изменения (т.

е. мутации) 1. Дляэволюционного процесса случайные мутации необходимы, однако на веськраткий период существования каждого организма и каждого вида очень важнообеспечить стабильность структуры ДНК и других макромолекул, а этовозможно лишь при наличии прочных связей.Три из четырех основных биологически важных элементов (О, N, С)принадлежат к тем очень немногим элементам, которые способны образовыватьдвойные или тройные связи. Это значительно увеличивает набор молекулярныхконфигураций, получающихся в результате реакции с этими элементами.Кислород, например, может окислить углерод до двуокиси углерода:O=С=OПоскольку две двойные связи полностью насыщают реакционнуюспособность всех трех атомов этой молекулы, молекула СО 2 относительноинертна и способна поэтому диффундировать беспрепятственно из той среды,где она образовалась; затем, однако, она может вновь включаться в круговоротчерез процессы фотосинтеза в зеленых растениях.Способность атомов углерода образовывать четыре простых или дведвойных связи дает им богатую возможность реализовывать разнообразныекомбинации атомов как из одних только атомов углерода, так и с участиемдругих атомов.

Атомы углерода могут образовывать линейные илиразветвленные цепи и циклические структуры (рис. 2-8), а в сочетании сдругими атомами дают практически бесконечное многообразие молекулярныхструктур и конфигураций.Кремний, который расположен в периодической таблице в том же столбце,что и углерод,Рис. 2.8. Примеры многообразия молекулярных структур, образующихся при участии атома углерода.21непосредственно под ним, в некоторых своих свойствах подобен углероду. Отуглерода он отличается, однако, большими размерами, в силу чего неспособенобразовывать двойные связи. Таким образом, он может соединиться с двумяатомами кислорода только двумя простыми связями:При этом внешние оболочки у всех трех атомов в двуокиси кремнияостаются незаполненными.

Поскольку возможности образовывать связи неисчерпаны до конца, молекула двуокиси кремния охотно образует связи с себеподобными; в результате создаются громадные полимерные молекулы, изкоторых состоят кремнистые породы и песок. Таким образом, очевидно, чтокремний, хотя и похож по ряду свойств на углерод, все же пригоден скорее длястроительства булыжников, чем для широкого участия в организациибиологических молекул.Кислород помимо важной роли, заключающейся в присоединении водородас образованием воды, служит еще конечным акцептором электронов в цепиокислительных метаболических реакций, в ходе которых высвобождаетсяхимическая энергия.

Эта важная способность атома кислорода окислять другиеатомы и молекулы (акцептировать их электроны) объясняется тем, что он имеетнезаполненную внешнюю электронную оболочку и относительно небольшойатомный вес.Помимо четырех главенствующих в биологии химических элементов вхимических реакциях, протекающих в клетке, участвуют и другие элементы,хотя и в меньшей степени. Это, в частности, фосфор и сера, ионы четырехметаллов (Na+, K+, Mg2+ и Са2+) и ион хлора (С1-).

Мы, еще вернемся к ним.221 В среднем реже, чем один раз на 10000 актов репликаций (на 1 ген).21 :: 22 :: Содержание22 :: 23 :: Содержание2.3. ВодаВода непосредственно и самым тесным образом участвует во всехфизиологических процессах, но именно из-за того, что она столь вездесуща, еероль часто недооценивают, считая ее просто инертным "наполнителем" в живыхсистемах. Однако вода-это чрезвычайно реакционноспособное вещество,совершенно не похожее по своим физическим и химическим свойствам набольшинство других жидкостей. Она обладает необычными свойствами, оченьважными для живых систем.

И если бы эти свойства у вода отсутствовали,жизнь, насколько мы можем судить, была бы невозможна. Первые живыесистемы возникли предположительно в водной cреде мелких морей.Неудивительно поэтому, что современные живые организмы отличноприспособлены на молекулярном уровне к специфическим свойствам воды.Даже сухопутные животные на 75% или более состоят из воды и обладаютфизиологическими механизмами, направленными на сохранение воды ворганизме и на регуляцию химического состава внутренней водной среды.Специфические свойства воды, которые так важны для жизни, являютсяпрямым следствием ее молекулярной структуры; рассмотрим поэтому вкратце,что из себя представляет молекула воды.2.3.1. Молекула водыАтомы в молекуле воды удерживаются вместе посредством полярныхковалентных связей, которые связывают один атом кислорода с двумя атомамиводорода.

Полярность ковалентных связей (т. е. неравномерное распределениезаряда) в данном случае объясняется сильной электроотрицательностью атомакислорода по отношению к атому водорода. Это есть проявление сильногостремления со стороны атома кислорода "оттянуть" электроны от другихатомов, в том числе от атома водорода.

Такая значительнаяэлектроотрицательность приводит к тому, что электроны обоих атомов водородав молекуле воды занимают положения в пространстве, статистически болееблизкие к атому кислорода, чем к "родительским" атомам водорода. Поэтомуданная связь примерно на 40% является ионной по своей природе, а возникшие врезультате дробные заряды распределены в молекуле следующим образом (δсоответствует локальному дробному заряду на каждом атоме водорода):Молекулу воды можно изобразить также, исходя из представлений омолекулярных орбиталях (рис.

2-9). Угол между двумя связями О-Н в молекулеводы оказывается равным не 90°, как это должно быть в случае чистоковалентного связывания, а 104,5°. Это объясняется взаимным отталкиваниемположительно заряженных ядер атомов водорода, стремящимся раздвинуть ихкак можно дальше. В молекуле сероводорода, H 2S, связи S-Н носят чистоковалентный характер; в ней отсутствует асимметрия в распределении заряда,наблюдаемая в молекуле Н 2О.

Поэтому в H2S валентный угол ближе к 90°. Из-заполуполярной природы связей Н-О вода сильно отличается по своим22Рис. 2.9. Схематические изображения молекулы воды,показывающие взаимосвязи между атомами кислорода и водорода в молекуле. А. Объемная модель. Б.Длины связей и углы между ними. (Lehninger, 1975.)Рис. 2.10. Тетраэдрическое расположение водородных связей между молекулами воды.химическим и физическим свойствам от H2S и других гидридов, образованныхэлементами того же столбца периодической таблицы. Почему же такпроисходит?Неравномерное пространственное распределение электронов в молекулеводы из-за полуполярной природы связи Н- О приводит к тому, что молекулаводы ведет себя как диполь.

В этом смысле она похожа на магнит в видестержня, только последний имеет два разноименных магнитных полюса, а удиполя два разноименных электрических полюса ( + и -) (рис. 2-9). Поэтомудиполь стремится ориентироваться вдоль электростатического поля. Чем большедиполъный момент, тем больше силы, стремящиеся повернуть молекулу вовнешнем поле. Большой дипольный момент молекулы воды (4,8 дебая)-этосамая важная физическая особенность молекулы, объясняющая многие весьмаспецифические свойства воды.Наиболее важной химической особенностью воды является способность еемолекул образовывать между собой водородные связи, т.е. связи, которыеобразуются между положительно заряженными протонами (атомами водорода)одной молекулы воды и отрицательно заряженными (ввиду избытка электронов)атомами кислорода соседних молекул воды (рис.

2-10). В каждой молекуле водычетыре из восьми электронов внешней оболочки атома кислорода ковалентносвязаны с двумя атомами водорода. Остаются еще две пары электронов, которыемогут взаимодействовать электростатически (т. е. образовывать водородныесвязи) с электрондефицитными атомами водорода соседних молекул воды.Поскольку угол между ковалентными связями в молекуле воды составляет около105°, группы связанных водородными связями молекул воды образуюттетраэдрические структуры.