Lenindzher Основы биохимии т.1 (1128695), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Биполярная прирала молекулы К,О. накатанная при «амон!и модели иэ юарикол и стержней (Д) н прас гранстаенной модели (Б). Поскольку расположение еалент ныл элек- тронньж пар вокруг л гома кислорода е молеку- ле воды близко к те ~ раэдрическому, на двух ато- мах напорола локализованы частичные полахги- т ельные эаряды. а на ат оме «гкл ар она — лен часгичньп отрицательных эаряда. В. дне моле- «улы НтО, скатанные лруг с другом непарадной сеяэью(оботначена даегными черточками), соединяющей атом кислорода верхней мале- кулы и атом еслорода нижней молекулы. Ка- жлая молекула Н О е принципе может быть сня- эана аадоролными сеяэями лгаксимально с че~ ырьмя лругими молекулами Н О, как это имеет место я случае льла (см.
рис. 4-2). ре каждая молекула воды образует водородные связи в среднем с 3,4 других молекул. Молекулы в жидкой воде находятся в непрерывном движении, поэтому образующиеся волородные связи постоянно и быстро разрываются и вновь восстанавливаю(ся.
Во льду же молекулы воды зафиксированы в пространстве, и кахгдая из них оказывается связанной водородными связями с максимально возможным числом соседних молекул, т.е. с четырьмя; при этом образуется регулярная кристаллическая структура (рис. 4-2). Вода может служить примером полярной жидкости.
В отличие от нее молекулы неполярных жидкостей, таких, как бензол или гексан, не проявляют за- ГЛ. 4. ВОДЛ Рис. 4-Х Каждая молекула аолы ао льду саши- на аодородными связями с четырьмя Другими молекулами волы, так что при этом образуется регулярная кристаллическая решетка. В жидкой воЛе при комн а ~ной т емпературе каждая меле. купа веды саязыаается при помоши аодороднык сяяэей а среднем приблизительно с 34 молекул воды.
таким образом, а жилкой воде молекулы воды расположены го носитеэьно друг лруга ме- нее ярыклоэ, Чем а криеталл нчсе кой решетке льда, яследстаие чего лед обладает меньшей пло снастью по сравнению с иолой и поэтому аспльпюетаней метной тенденции к электростатическому притяжению. Поэтому для разрушения межмолекулярных взаимодействий в таких жидкостях требуется гораздо меньше энергии, и значения теплоты испарения у гексана и бензола, как показывает оныт, действительно намного меньше, чем у воды (табл. 4-1). Водородные связи слабее ковалентных. Согласно имеющимся данным.
энергия водородных связей в жилкой воде (т.е. энергия, необходимая для разрушения одной связи) составляет всего лишь около 4,5 ккалумолун тогла как энергия кавалентных связей Н -О в молекулах воды равна 110 ккалумолгь Тем не менее благодаря своей многочисленности водородные связи обеспечивают высокую устойчивость жидкой воды. Хотя в лю- бой данный момент большинство молекул в жидкой воде соединено между собой водородными связями, время полужизни каждой из водородных связей составляет менее 1 !О к с. Вследствие этого жидкая вода представляет собой не вязкую, а весьма подвижную жидкость. Для обозначения присутствующих в жидкой воде короткоживущнх групп молекул, связанных друг с другом водородными связями, иногда используют термин «мерцающие скопления» (б)с)сег(пя с!ня1ега).
Водородные связи характерны не только для воды. Они легко образуются между любым электроотрицательным атомом (обычно кислородом нли азотом) и атомом водорода, ковалентгго связанным с другим электроотрнцательным атомом в той же нли другой молекуле (рис. 4-3). Атомы водорода, соединенные ковалентной связью с сильно злектроотрицагеаьнымн атомами, такими, как кислорол, всегда несут частичные положительные заряды и потому способны к образованию водородных связей, тогда как атомы водорода, коватентно связанные с атомами углерода, которые не обладают электроотрицателыюстью, не несут частичного положительного заряда и, следовательно, не способны образовывать водородные связи.
Именно это различие служит причиной того, что бутиловыи спирт (С Н,СНтСН2СНэОН), в молекуле которого один из атомов водорода связан с кислородом и может, таким образом, образовать водородную связь с другой молекулой бутнлового спирта, обладает сравнительно высокой температурой кипения (+ 1! 7"С). Наоборот, бутан (СН,СН,СН2СН,), который не способен образовывать межмолекулярные водородные связи, поскольку все атомы водорода в его молекулах связаны с уз леродом, имеет низкую температуру кипения ( — 0(5'С). Некоторые примеры чАсть ! БНОмОлекулы Акцептор водорода донор водорода — Π— Н ипО=-С вЂ” Π— Н!гпы — Π— Н ицО Г Н вЂ” Н гнЮ=С ,г у4 — Н пцО ф~ М вЂ” Н гп!Н Рис.
4-3. Водородныесвкэи. В связя» этого типа атом водорода неравномерно респределен ме- жлу двумя электроотрицез ельиыми атомами. А гож. с которым водород связан кон елентно, служит донором водороде, в электроотрице- тельный атом лругой молекулы якцептором. В бн алогических системах электроотрицн- тсльными атомами, учнствуюшими е обрезовв- ннн яолородных связей. являются кислород и азот; атомы угдероле прииимннп участие в обрез овении водородных связей только в редких случаях.
Расстояние между двумя злек- з рооз рицетельными егомеми, соединенными водородной связью, верьирует от 0 26 до 03 ! нм. Ниже поквзены обычные типы водородных связей. Н К ! .Гч. С Н Я Й Н .Р!. С С 1! О Г К О ! Н О н К( К, С 11 О Й ! О Н Н ! С СН, Тимин ! ! О ия С С ! ц Й ! Н С чьС 3 ! Аленин Н С ~с Х у Н вЂ” СН / биологически важных водородных связей показаны на рис. 4-4.
Одна из характерных особенностей водородных связей состоит в том, что они обладают наибольшей прочностью в тех случаях, когда взаимная ориентация связанных между собой молекул обеспечивает максимальную энергию электростатического взщгмолействия (рис. 4-5). Другими словами, водородная связь характеризуется определенной направленностью и вследствие этого способна удерживать обе связанные с ее помощью молекулы или группы в определенной взаимной ориентации. Ниже мы увидим, что именно зто свойство водородных связей способствует стабилизации строго определенных пространственных структур, характерных для молекул белков и нуклеиновых кислот, содержащих большое число внутримолекулярных водородных связей (гл.
7, о и 27). 4.3. Вода как растворнтель обладает иеобьучиьуми свойствами Вода является значительно лучшим растворителем„чем большинство других общеизвестных жидкостей. Многие кристаллические соли, такие, как хлористый натрий, хорошо растворимы в воде, но Рис. 4-4, Водородные связи, игреюшие вежпуго роль в биологических снег смех, мог ут соединять лве комплементерных основания, рясполо- жеиные в разных цепях ДНК (А), гидроксильиую группу спирте и молекуду воды (Б], «ербониль- ную группу кетонв и молекулу воды у01. две по- липептилные цепи гг) 1Л. 4. ВОДА Н 0 Н Н Н 0 Н Гидратировалный иои )Чв+ Мн+ Молекула воды Гидратированный иои С!- Сильная водородная связь О Н Н Слабая водородная связь Рис.
4-Я Нвпрввленнгсть водородной связи. Верхняя структура хврвктеризуется более прочной водородной святые„поскольку цри те- кли ориентации взвимодейгтвующих молекул обеспечиввется мексимельно возможное притя- жение между чясгичными электрическими заря- дами. почти нерастворимы в неполярных жидкостях, например в хлороформе нли бензоле. Это свойство обусловлено биполярным характером молекулы воды. Кристаллическая решетка соли стабилизирована за счет очень сильного электростатического притяжения между чередующимися друг с другом положительно и отрицательно заряженными ионами. Когда кристалл )ч)ВС! помещают в воду, биполярные молекулы воды начинают очень сильно притягивать ионы )чга+ и С), извлекая их из решетки. В результате эти ионы в гндратированной форме постепенно переходят в раствор 1рис.
4-6). Вода растворяет также многие простые органические соединения, содержыцие карбоксильные группы или аминогруппы, способные ионизироваться при взаимодеяствии с водой. Второй класс веществ, хорошо растворимых в воде, включает многие нейтральные органические соединения, содержащие полярные функциональные группы. К ннм относятся, в частности, сахара, спирты, альдегиды и кетоны. Растворимость этих веществ обусловлена способностью молекул воды образовывать водородные связи с гидрокснльными г руинами сахаров и спиртов, а также с карбоксильными ~руинами альдегндов и кетонов 1см.
рис. 4-4). Рис 4-6. Хорошв» ряс шоримосгь в воле мно- гих кристяллических солей обусловленв гилре- твциел ионов, обрвзующпх зти соди. Изобрв- женнвя здесь «рнствлзическвя решетка 14 вС! стебнлизироввив знсчетсил притяжения между пенями Нл * и О . Кристелл рвет воряегся в во- ле вслелствие гидрвтвции ионов Нв" и С1, чго приводит к их «вытнлкиввнию» из «риствллич»- ской решепги. члсть ь БНОмОлекулы Третий класс веществ — это вещества, диспергнруемые водой. Он вклю гает соелинеиия, содержащие как гидрофобные (волоотталкиваюшие), так н гидрофильные («любящие» воду) группы. Их часто называют амфилатнческими соединениями.
Примером таких соединений может служить натриевая соль олеиноеой кислоты-жирной кислоты с длинной цепью. Поскольку длинная углеводородная цепь гидрофобна и, по существу, неПротявояон [катяои! Полярная голояа Неполярный хвост Символ 1'алова Ф Охват нвтрвя Внутренняя гядрофабная, Водная фаза яля неполярпая, фаза Ня' О О 'х Ф С СН» СН, сн, СН, сн, СН, СН в сн ,г СН, СН, сн, СН, снх СН, СН„ СН, г-' Гядратировавпые ионы Нв растворима в воде, стремление молекул олеата натрия (мыла) перейти в водную фазу с образованием истинно молекулярного раствора выражено очень слабо, Однако олеат натрия легко диспергируется в воде, образуя агрегаты, называемые мицеллами, в которых гидрофильные отрицательно зарюкенные карбоксильные группы обращены к водной фазе и взаимодействуют с молекулами воды, а гидрофобные неполярные углеводородные цепи спрятаны внутри структуры (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
