Том 1 (1129743), страница 23
Текст из файла (страница 23)
Поэтомуковалентные связи, в которых электроны распределены подобным образом, называют полярными ковалентными связями (рис. 2.10). Например, ковалентнаясвязь между кислородом и водородом, O–H, или между азотом и водородом,N–H, является полярной, тогда как в связи между углеродом и водородом,C–H, электроны притягиваются обоими атомами почти одинаково и связь почтинеполярна.Полярные ковалентные связи чрезвычайно важны в биологии, потому чтоони создают постоянные диполи, которые позволяют молекулам взаимодействовать посредством электрических сил. Любая крупная молекула со множествомполярных групп будет давать на поверхности картину распределения частичныхположительных и частичных отрицательных зарядов.
Когда одна такая молекуласближается с другой – с комплементарным набором зарядов, – этидве молекулы привлекаются друг к другу электростатическимивзаимодействиями, которые сродни (хотя и слабее их) ионнымсвязям, рассмотренным нами ранее.Рис. 2.10. Полярные и неполярные ковалентные связи. Сравнение картин распределения электронов в полярной молекуле воды (H2O) и неполярной молекулекислорода (O2) (δ+ — частично положительный заряд; δ– — частично отрицательный заряд).Глава 2. Химия клетки и биосинтез 1112.1.5. Зачастую атом ведет себя так, как будто он имеет постоянныйрадиусКогда между двумя атомами образуется ковалентная связь, ядра этих атомов,в силу обобществления электронов, оказываются необычайно близко друг к другу. Но большинство атомов, которые стремительно сталкиваются друг c другомв клетке, расположены в разных молекулах. Что происходит, когда два такихатома вступают в контакт?Простоты и ясности ради атомы и молекулы обычно представляют схематично — либо в виде линейной структурной формулы, либо в виде шарнирной модели.Однако заполняющие пространство полусферические, или объемные, моделигораздо точнее отражают структуру молекулы.
В этих моделях твердая оболочкапредставляет радиус электронного облака, при котором мощные силы отталкивания препятствуют дальнейшему приближению какого-либо второго, несвязанногоатома — так называемый ван-дер-ваальсов радиус атома. Это обусловлено тем,что степень отталкивания увеличивается очень резко, по мере того как два такихатома сближаются друг с другом на малое расстояние. На расстоянии, немногобольшем, чем ван-дер-ваальсов радиус, любые два атома испытывают слабую силупритяжения, известную как ван-дер-ваальсово притяжение5. В результате существует некое расстояние, на котором силы отталкивания и притяжения находятсяв точном равновесии и обусловливают минимум энергии взаимодействия атомапервого элемента с атомом второго элемента, не связанных друг с другом химической связью (рис.
2.11).В зависимости от намеченной цели мы будем представлять маленькие молекулыв виде линейных схем, шаростержневых или полусферических (объемных) моделей.Для сравнения молекула воды представлена всеми тремя способами на рис. 2.12.При описании очень больших молекул, таких как белки, нам зачастую придетсяеще более упрощать выбираемую модель для их представления (см., например,приложение 3.2, стр.
132–133).Рис. 2.11. Зависимость ван-дер-ваальсовыхсил от расстояния. Когда два атома сближаются, они сначала слабо притягиваются друг кдругу, что обусловлено флуктуациями их электрических зарядов. Однако те же атомы начнутсильно отталкивать друг друга, если сойдутсяслишком близко. Равновесие сил притяженияи отталкивания между ними возникает в обозначенном минимуме энергии. Этот минимумопределяет расстояние между ядрами двухатомов, при котором взаимодейстие междудвумя нековалентно связанными атомамимаксимально; это расстояние есть сумма ихван-дер-ваальсовых радиусов.
По определению, нулевая энергия (обозначена штриховой5В российской научной литературе ван-дер-ваальсово притяжение и ван-дер-ваальсово отталкивание чаще встречаются под общим названием ван-дер-ваальсовых сил. — Прим. пер.112Часть 1. Введение в мир клеткиРис. 2.12. Три способа изображения молекулы воды. а) Обычная линейная структурная формула,в которой каждый атом обозначен стандартным символом, а каждая линия представляет ковалентнуюсвязь, соединяющую два атома. б) Шаростержневая модель, в которой атомы представлены шарикамипроизвольного диаметра, соединенными стержнями, имитирующими ковалентные связи.
В отличие отформулы а, в модели такого типа углы связей представлены точно (см. также рис. 2.8). в) Полусферическая(объемная) модель, в которой точно представлены и геометрия связей, и ван-дер-ваальсовы радиусы.2.1.6. Больше всего в клетках водыВода составляет около 70 % массы клетки, и большинство внутриклеточныхреакций протекает в водной среде. Жизнь на Земле началась в океане, и условиятой первозданной окружающей среды оставили неизгладимый след в химии живыхсуществ.
Поэтому жизнь во многом зависит от свойств воды.В каждой молекуле воды (H2O) два атома H связаны с атомом O ковалентными связями (см. рис. 2.12). Эти две связи очень полярны, потому что электронысильно притягиваются атомом кислорода, тогда как водородный атом довольнослабо удерживает их. Вследствие этого в молекуле воды имеет место неравномерноераспределение электронов с преобладанием положительного заряда на двух атомахводорода и отрицательного заряда на атоме кислорода (см. рис. 2.10). Когда положительно заряженная область одной молекулы воды (то есть один из ее атомовH) приближается к отрицательно заряженной области (то есть атому O) второймолекулы воды, электростатическое притяжение между ними может приводить к образованию слабой связи, названной водородной связью (см. рис. 2.15).
Эти связинамного слабее ковалентных и легко разрываются из-за беспорядочного тепловогодвижения, обусловленного тепловой энергией молекул, так что каждая такая связьсуществует лишь короткий момент времени. Но суммарное действие множестваслабых связей может вызывать далеко идущие последствия. Два водорода каждоймолекулы воды могут образовать водородные связи с кислородом двух других молекул воды, в результате чего образуется сеть, в которой водородные связи непрерывно разрываются и вновь образуются (приложение 2.2, стр.
108–109). Именноблагодаря водородным связям, которыми молекулы воды соединены друг с другом,вода при комнатной температуре является жидкостью, — причем с высокой точкойкипения и сильным поверхностным натяжением, — а не газом.Глава 2. Химия клетки и биосинтез 113Молекулы, которые содержат полярные связи и способны образовывать водородные связи с водой (например, молекулы спиртов), легко растворяются в воде.Молекулы, несущие положительные или отрицательные заряды (ионы), такжехорошо взаимодействуют с водой. Такие молекулы называют гидрофильными, чтоозначает «любовь к воде». Большая доля молекул в водной среде клетки неизбежно подпадает под эту категорию, в том числе сахара, ДНК, РНК и большинствобелков.
Гидрофобные («не любящие воды») молекулы, напротив, являются незаряженными и образуют мало или вообще не образуют водородных связей, поэтомуне растворяются или плохо растворяются в воде. Важный пример — углеводороды(см. приложение 2.1, стр. 106–107). В этих молекулах атомы H ковалентно связаныс атомами C практически неполярными связями.
В этом случае атомы H не несутпочти никакого результирующего положительного заряда, они не могут образовыватьэффективные водородные связи с другими молекулами. В силу этого углеводородыв основном гидрофобны —свойство, выгодно используемое в клетках: их мембраныпостроены из молекул, которые имеют длинные углеводородные хвосты (подробномы это обсудим в главе 10).2.1.7. Некоторые полярные молекулы образуют в воде кислотыи основанияОдна из химических реакций, простейших по типу, но важнейших для клеткипо значению, происходит именно в тот момент, когда молекула, содержащая сильнополярную ковалентную связь между водородом и каким-либо другим атомом, растворяется в воде. В такой молекуле атом водорода почти полностью уступил свойэлектрон составившему ему пару атому и, таким образом, стал напоминать почтиобнаженное положительно заряженное ядро водорода — другими словами, протон(H+).
Когда молекулы воды окружают полярную молекулу, протон притягиваетсяк частично отрицательному заряду на атоме O ближайшей молекулы воды и можетотделиться от своего изначального партнера, чтобы связаться вместо него с атомамикислорода молекулы воды с образованием иона гидроксония (H3O+) (рис. 2.13, а).Обратная реакция также происходит очень легко, так что состояние равновесиявыглядит так, как будто миллиарды протонов постоянно мелькают в растворе тудаи сюда, взад и вперед, от одной молекулы к другой.Реакция того же самого типа происходит в растворе самóй чистой воды. Какпоказано на рис. 2.13, б, молекулы воды постоянно обмениваются друг с другомпротонами. В результате чистая вода содержит равные и очень низкие концентрацииионов H3O+ и ОH–, составляющие 10–7 моль/литр.
(Концентрация H2O в чистойводе равна 55,5 моль/литр.)Вещества, которые высвобождают протоны с образованием ионов H3O+ прирастворении в воде, называют кислотами. Чем выше концентрация H3O+, темболее кислым получается раствор. По мере повышения концентрации H3O+, концентрация ОН– падает согласно уравнению равновесия для воды: [H3O+][OH–] =1,0·10–14, где квадратные скобки обозначают перемножаемые молярные концентрации. По традиции концентрация H3O+ обычно упоминается как концентрация H+,несмотря на то что почти весь арсенал H+ в водном растворе присутствует в видеH3O+.
Чтобы избежать употребления громоздких чисел, концентрацию H+ выражают при помощи логарифмического масштаба, называемого шкалой pH, какпоказано в приложении 2.2 (стр. 108–109). Чистая вода имеет pH 7,0 и являетсянейтральной, то есть ни кислой (pH < 7,0), ни оснóвной (pH > 7,0).114Часть 1. Введение в мир клеткиРис. 2.13. Кислоты в воде. а) Реакция, которая имеет место, когда молекула уксусной кислоты диссоциирует в воде. б) Молекулы воды непрерывно обмениваются протонами друг с другом и образуют ионгидроксония и гидроксильный ион. Эти ионы, в свою очередь, быстро перекомпоновываются и вновьобразуют молекулы воды.Поскольку протон иона гидроксония может легко быть передан многим типаммолекул и тем самым изменить их характер, потом концентрация H3O+ в клетке(кислотность) должна регулироваться очень точно.
Внутренняя среда клетки поддерживается на уровне, близком к нейтральному, и она буферизуется за счет присутствия множества химических групп, которые могут поглощать и высвобождатьпротоны при нейтральных значениях pH (около 7).Антипод кислоты — основание. Если определяющее свойство кислоты состоитв том, что она отдает протоны молекуле воды, с тем чтобы повысить концентрациюионов H3О+, определяющее свойство основания заключается в том, что оно принимает протоны, с тем чтобы понизить концентрацию ионов H3O+ и таким образомповысить концентрацию гидроксильных ионов (ОН–). Основание может либоприсоединять протоны непосредственно, либо образовывать гидроксильные ионы,которые незамедлительно взаимодействуют с протонами с образованием H2O. Такимобразом, гидроксид натрия (NaOH) является оснóвным (или щелочным), потомучто диссоциирует в водном растворе с образованием ионов Na+ и ОН–.
Другиеоснования, особенно важные в живых клетках, содержат группы NH2, которыеи забирают протон у молекулы воды: –NH2 + H2O → –NH3+ + ОН–.Все молекулы, которые принимают протоны воды, будут делать это наиболеелегко, когда концентрация H3O+ высока (кислые растворы). Аналогично молекулы, которые могут уступить протоны, делают это с большей готовностью, есликонцентрация H3O+ в растворе низка (оснóвные растворы), и стремятся вернутьих обратно, если эта концентрация высока.2.1.8. Четыре типа нековалентных взаимодействий удерживаютмолекулы как единое целое в клеткеВ водных растворах ковалентные связи в 10–100 раз сильнее, чем другие силыпритяжения между атомами, за счет чего связи первого типа определяют границыодной молекулы и обособляют ее от всех остальных.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
