Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Она, по существу, равна совокупной массе протонов и нейтронов, которые атом или молекула содержат, так з Изотопа водорода 1 — Прим. рад. ' Атомная единица массы (а.е. и.), она же дальтон (Да), — единица измерения масс атоиов, молекул и элементарных частиц. За атомную единицу массы принята 1212 массы изотопа углерода |зС. Рекомендована к црнмененкю П1РАС в 19Б! году. — Прим. рад. Рис. 2.1. Очень схематичное представление атома углерода и атома водорода.
Ядро каждого атома, кроме водородаз, состоит из положительно заряженных лрогпоное и электрически нейтральных нейтронов. Число электронов в атоме равно числу его протонов (агпомный номер), так что атом не имеет результирующего заряда (в целом электрически нейтрален). Поскольку именно электроны определяют химическое поведение атома, все атомы данного элемента имеют один и тат же атомный номер.
Нейтроны суть незаряженные субатомные частицы почти той же массы, что и протоны. Они вносят вклад в пруктурную устойчивость ядра: если их слишком много или слишком мало, ядро может разрушиться (радиоактивный распад), — но не влияют на химические свойства атома. Благодаря нейтро нам элемент может существовать в нескольких физически отличающихся, но химически идентичных формах, названных цзогполама; все изотопы имеют разное число нейтронов, но одинаковое число протонов. В природе встреча ются многочисленные изотопы почти всех элементов, в том числе неустойчивые.
Например, тогда как основная масса углерода на Земле существует в виде устойчивого изотопа углерода-12 с шестью протонами и шестью нейтронами, есгь также небольшое количество неустойчивого изотопа, радиоактивного углерода-14, в атоме которого шесть протонов и восемь нейтронов. Углерод-14 подвергается радиоа ктивному распаду с небольшой, но посгоян ной скоростью. Зто создает основу метода, известного ха к датирование радиоактивным углеродом, который используется в археологии для определения времени происхождения органических материалов. В действительности нейтроны, протоны и электроны бесконечно малы относительно атома в целом; здесь их размеры очень преувеличены.
Кроме того, диаметр ядра составляет лишь около 10 4 диаметра электронного облака. Наконец„хотя электроны показаны здесь в виде отдельных частиц, в действительности их поведение подчиняется законам квантовой механики, и никаким методом невозможно точно предсказать местоположение электрона в конкретный момент времени. $ 40 3 3 та Н С О М Са Ма Р )Ч бт прочие и и Ый Рнс. 2.3. Распространенность некоторым химических элементов в неживой природе (земная нора) в сравнении с ик относительным содержа ними в тнанях человека. Относительное содержание каждого элемента выражено как процент от общего числа атомов вещества, включая воду. Таким образом, из-за обилия воды более чем 60 ть атомов в живом организме — атомы водорода.
Относительное содержание элементов схоже для всех живых существ. распада, или в недрах солнца, нли же во чреве ядерного реактора. В живых тканях перегруппировкам подвергаются только электроны атомов. Они формируют оболочку атома и определяют химические закономерности, согласно которым атомы объединяются с образованием молекул. Электроны находятся в непрерывном движении вокруг ядра, но движения в таком субмикроскопическом масштабе повинуются совершенно иным законам, сильно отличаюгцимся от известных в повседневной жизни.
Согласно этим законам, электроны в атоме могут находиться лишь в определенных дискретных состояниях, названных орбнталями, а числу электронов, которые могут быть размещены на орбитали данного типа — так называемой электронной оболочке, — положен строгий предел. Электроны, находящиеся наиболее близко к положительному ядру, притягиваются к нему наиболее сильно и занимают самую внутреннюю, наиболее сильно связанную с ядром оболочку.
На этой оболочке находится максимум два электрона. Вторая оболочка более отдалена отядра, и ее электроны связаны слабее. Эта вторая оболочка удерживает до восьми электронов. Третья оболочка содержит электроны, которые связаны еще слабее; она также содержит до восьми электронов. Четвертая и пятая оболочки могут содержать по 18 электронов каждая. Атомы, окруженные более чем четырьмя оболочками, встречаются в биологических молекулах крайне редко.
Самое устойчивое положение в атоме занимают те электроны, которые находятся в состоянии максимальной связи с ядром, то есть когда они занимают самые близкие к ядру оболочки. Поэтому в случае больших атомов электроны заполняют орбитали по порядку: первую оболочку перед второй, вторую перед трегьей и так далее. Атом, внешняя оболочка которого полностью заполнена электронами, особенно устойчив и поэтому химически инертен. Например, гелий с 2 электронами, неон с 2 + 8 электронами и аргон с 2 + 8 + 8 электронами — это инертные газы. Водород, напротив, имеет лишь один электрон и только наполовину заполненную оболочку, поэтому представляет собой весьма реакционноспособный атом. Аналогично другие атомы, встречающиеся в живых тканях, имеют незаполненные внешние электронные оболочки и могут отдавать, принимать или обобществлять электроны при взаимодействии друг с другом н образовывать в результате этого взаимодействия как молекулы, так и ионы (рис. 2А).
атомным номер рислье. Завершенные и незавершенные электронные оболочки некоторык распространенных злементов. Все элементы, распространенные в живых организмах, имеют незаполненные внешние оболочки 1красные) и могут, таким образом, участвовать в химических реакциях с другими атомами. Сравнения ради показаны некоторые элементы, зле ктро нные оболочки которых полностью заполнены (выделены желтым); они являются химически инертными. 2П.Хивгическиеиомпоненты клетки 73 атомы "Ф -':-".:::;,:::::: ж ':::-.,:: к ОБОБЩЕСТВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ молекула ПЕРЕДАНА ЭЛЕКТРОНА положительный отрицательный ион ион Рис.
2.5. Сравнение ковалентной и ионной связей. Атомы мокнут достигать более устойчивого расположения электронов на своей внешней оболочке за счет взаимодействия друг с другом. Ионная связь образуется, когда электроны передаются от одного атома другому. Ковалентная связь образуется, когда электроны обобществляются атомами. На рисунке представлены два крайних случая; часто ковалентные связи образуются с частичной передачей (неравномерным обобществлением) электронов, что дает полярную ковалентную связь (см. рис.
2.43). Атом водорода, которому недостает лишь одного электрона для заполнения своей электронной оболочки, обычно заимствует его путем обобществления электро. нов, образуя одну ковалентную связь с другим атомом; часто эта связь полярная, что означает неравномерное распределение электронов. Другие распространенные в живых клетках элементы: С, )ч) и О с незавершенной второй оболочкой, а также Р и Я с не до конца заполненной третьей оболочкой (см. рис, 2.4), — как правило, обобществляют электроны, образуя несколько ковалентных связей, и достигают заполнения внешней оболочки до восьми электронов.
Число электронов, которые Поскольку незаполненная электронная оболочка менее устойчива, чем заполненная, атомы с неполными внешними оболочками стремятся к взаимодействию с другими атомами, чтобы приобрести или потерять столько электронов, сколько требуется для достижения полного заполнения внешней оболочки. Такой обмен электронами происходит либо путем передачи электронов от одного атома другому, либо посредством обобществления электронов двух атомов. Эти два способа обусловливают два типа химических связей между атомами: ионная связь образуется, когда один атом отдает электроны другому, тогда как ковалентная связь образуется, когда два атома обобществляют пару электронов (рис.
2.5). Часто такая пара электронов распределена неравнозначно, если частично переданные электроны находятся между двумя атомами, которые притягивают их по-разному — один из них более злеклгроотрицателен, нежели другой; в результате такого способа взамодействия — промежуточного между ионнным и ковалентным — образуется полярная ковалентнал связь которую мы обсудим позже. 74 Часть 1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
