Том 1 (1129743), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Еще семь элементов, выделенных синим,вместе составляют приблизительно 0,9 % от общего количества. Остальные элементы, показанные зеленым, нужны человеку в ничтожных количествах (микроколичествах). Остается неясным, нужны намэлементы, показанные желтым, или нет. Химия жизни, по-видимому, представлена преимущественнохимией легких элементов.Атомные массы, представляющие собой суммарную массу протонов и нейтронов в атомном ядре,отличаются для разных изотопов элемента.
Атомные массы, показанные здесь, представляют массынаиболее распространенных изотопов каждого элемента.2.1.3. Ковалентные связи образуются за счет обобществленияэлектроновВсе характеристики клетки зависят от молекул, из которых она состоит. Согласно определению, под молекулой4 понимают группу атомов, которые удерживаютсявместе ковалентными связями; здесь для дополнения своих внешних оболочек атомыобобществили электроны, а не обменялись ими между собой. В самой простой извозможных молекул — молекуле водорода (H2) — два атома водорода, каждыйс единственным электроном, делят между собой два общих электрона — именностолько их необходимо для заполнения первой оболочки.
Такие обобществленныеэлектроны формируют электронное облако с отрицательным зарядом, котороеимеет наибольшую плотность в области между двумя положительно заряженными4 В классической химии это понятие трактуется шире. Молекула - это наименьшая частица вещества, определяющая его свойства. Состоит из атомов одного или различных химических элементови существует как единая система атомных ядер и электронов.
Атомы удерживаются в молекуле с помощью химических связей. — Прим. ред.108Часть 1. Введение в мир клеткиядрами и помогает удерживать их вместе — в противовес взаимному отталкиваниюмежду одноименными зарядами, которое в противном случае отдалило бы их другот друга. Силы притяжения и отталкивания находятся в равновесии, когда ядраразнесены на характеристическое расстояние, названное длиной связи.Следующее свойство всякой связи — ковалентной или нековалентной — этосила связи, которая измеряется количеством энергии, которое необходимо затратитьдля разрыва этой связи. Она часто выражается в единицах килокалорий на моль(ккал/моль), где одна килокалория равна количеству энергии, необходимому дляповышения температуры одного литра воды на один градус Цельсия (по стоградусной шкале Цельсия).
Таким образом, если 1 килокалория должна быть потраченана разрушение 6·1023 связей определенного типа (то есть 1 моля этих связей), тосила такой связи составляет 1 ккал/моль. Равносильной, широко применяемоймерой энергии является килоджоуль (кДж), который равен 0,239 ккал.Чтобы понять значение силы связей, полезно сравнить их со средними энергиями ударов, которые молекулы постоянно испытывают от столкновений с другимимолекулами в окружающей их среде (их тепловой энергией), равно как и с другими источниками биологической энергии, например светом и окислением глюкозы (рис. 2.7).
Энергия ковалентной связи, как правило, выше тепловой энергииколебаний атомов в молекуле в 100 раз, так что ковалентные связи в молекулесопротивляются растяжению, производимому тепловыми колебаниями, и обычноразрываются только в ходе определенных химических реакций с другими атомамии молекулами. Образование и разрушение ковалентных связей суть бурные события,и в живых клетках они с большой точностью управляются весьма специфичнымикатализаторами, названными ферментами. Нековалентные связи, как правило,намного слабее; позже мы увидим, что они важны в клетке в тех случаях, когдамолекулам для осуществления своих функций необходимо легко объединятьсяи расходиться.Если атом водорода способен образовывать только единственную ковалентнуюсвязь, то другие обычные для клеток атомы, которые образуют в них ковалентныесвязи: O, N, S и P, равно как и важнейший во всех отношениях атом углерода, — могут образовывать сразу несколько таких связей.
Внешняя оболочка этихатомов, как мы узнали, может разместить до восьми электронов, и они образуютковалентные связи с таким количеством других атомов, которое необходимо длядостижения этого числа. Кислород, с шестью электронами на внешней оболочке,переходит в наиболее устойчивое состояние, когда приобретает два дополнительныхэлектрона, которые делит с другими атомами, и поэтому образует до двух ковалентных связей. Азот, с пятью внешними электронами, образует самое большее триРис. 2.7. Некоторые виды энергии, важные для клеток. Обратите внимание, что сравнение приведенона логарифмической шкале.Глава 2. Химия клетки и биосинтез 109ковалентные связи, тогда как углерод, с четырьмя внешними электронами, образуетдо четырех ковалентных связей и, таким образом, делит с другими атомами четырепары электронов (см.
рис. 2.4).Когда один атом образует ковалентные связи с несколькими другими, эти связиопределенным образом ориентированы друг относительно друга в пространстве,что отражает ориентацию орбит обобществленных электронов. Поэтому ковалентные связи такого атома, помимо длины связи и энергии связи, характеризуютсяопределенным углом связи (рис. 2.8). Четыре ковалентные связи, которые можетобразовывать атом углерода, например, расположены так, будто указывают на четыре угла правильного четырехгранника. Точная ориентация ковалентных связейсоставляет основу трехмерной геометрии органических молекул.2.1.4. Существуют различные типы ковалентных связейБольшей частью ковалентные связи основаны на обобществлении двух электронов — по одному от каждого из участвующих атомов; такие связи называютодинарными связями.
Некоторые ковалентные связи, однако, образуются за счетобобществления более одной пары электронов. Например, могут быть обобществленычетыре электрона, по два от каждого участвующего атома; такая связь называетсядвойной связью. Двойные связи короче и прочнее, чем одинарные, и оказывают характерное влияние на трехмерную геометрию молекул, их содержащих. Одинарнаяковалентная связь между двумя атомами, как правило, допускает вращение однойчасти молекулы относительно другой вокруг оси связи. Двойная связь препятствуеттакому вращению, обусловливая более жесткую и менее гибкую структуру (рис. 2.9и приложение 2.1, стр.
106–107).Рис. 2.8. Геометрия ковалентных связей. а) Пространственное расположение ковалентных связей,которые могут быть образованы кислородом, азотом и углеродом. б) Молекулы, образованные из этихатомов, имеют точную трехмерную структуру, представленную здесь в виде моделей из шариков и палочек на примере воды и пропана.Структура молекулы воды может задаваться углами и длинами всех ее ковалентных связей. Атомыокрашены согласно следующей общепринятой системе обозначений: H — белый; C — черный; O —красный; N — синий.110Часть 1. Введение в мир клеткиРис. 2.9. Сравнение двойной и одинарной углероднойуглеродной связи. а) Молекула этана с одинарной ковалентнойсвязью между двумя атомами углерода иллюстрирует четырехгранное расположение одинарных ковалентных связей, образованных углеродом.
Каждая из двух CH3-групп, соединенныхковалентной связью, может поворачиваться относительно другой вокруг оси связи. б) Двойная связь между двумя атомамиуглерода в молекуле этена (этилена) видоизменяет геометриюсвязей между атомами углерода, выстраивая все атомы в однойплоскости (синий); двойная связь препятствует вращению однойгруппы CH2 относительно другой.В некоторых молекулах электроны подлежатдележу между тремя и более атомами, в результатечего образуются связи, которые имеют гибридныйхарактер – промежуточный между одинарнымии двойными связями.
Например, очень устойчивая молекула бензола состоит из кольца, образованного шестью атомами углерода, в котором электроны распределеныравномерно (хотя обычно их изображают в виде чередующейся последовательностиодинарных и двойных связей, как показано в приложении 2.1).Когда атомы, соединенные одинарной ковалентной связью, принадлежатразным элементам, эти два атома обычно притягивают поделенные электроныс разной силой. По сравнению с атомом углерода, например, атомы O и N притягивают электроны сильнее, тогда как атом H — немного слабее. По определению, полярная (в электрическом смысле) структура — это структура, в которойна одном конце сосредоточен положительный заряд (положительный полюс),а на другом конце – отрицательный заряд (отрицательный полюс).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
