Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Введение в ии)аиявтки атом должен получить или отдать (путем обобществления либо передачи), чтобы заполнить свою внешнюю оболочку, называют его валснтностью. Определяющая роль внешней электронной оболочки в проявлении элементом тех или иных химических свойств означает следующее: если элементы разместить в порядке возрастания их атомного номера, то мы заметим периодическое повторение элементов с подобными свойствами.
Так, элемент, скажем, с незавершенной второй оболочкой с одним электроном будет вести себя почти так же, как элемент, у которого заполнена вторая оболочка, а на незавершенной третьей — один электрон. У металлов, например, на незавершенных внешних оболочках только один или несколько электронов, тогда как инертные газы, как мы только что видели, имеют заполненные внешние оболочки.
Эта закономерность лежит в основе знаменитой периодической системы элементов, представленной на рис. 2.6„при этом элементы, входящие в состав живых организмов, выделены цветом. атомныи номер атомная масса 1 )) и .'оРис. с.б. Элементы, упорядоченные согласно своему атомному номеру, составляют периодическую таблицу Менделеева. Элементы, которые проявляют подобные свойства, распределены по группам на основании числа электронов во внешней оболочке. Например, Мй и Са стремятся отдать два электрона со своих внешних оболочек; С, и и О завершают (заполняют да конца) свои вторые электронные оболочки за счет обобществления электронов. Четыре элемента, выделенные красным, составляют 99 ЗС общего числа атомов элементов, имеющихся а теле человека.
Еще семь элементов, выделенных синим, вместе составляют приблизительно 0,9 М от общего количества. Остальные элементы, показанные зеленым, нужны человеку в ничтожных количествах (микроколичесгвах). Остается неясным, нужны нам элементы, показанные желтым, или нет. Химия жизни, по-видимому, представлена преимущественно химией легких элементов. Атомные массы, представляющие собой суммарную массу протонов и нейтронов в атомном ядре, отличаются для разных изото поз одного и того же элемента. Атомные массы, показанные здесь, п редставляют массы наиболее распространенных изотопов каждого элемента. 2.1.3.
Ковалентные связи образуются за счет обобществления электронов Все характеристики клетки зависят от молекул, из которых она состоит. Согласно определению, под молекулойв понимают группу атомов, которые удержива- " В классической химии это понятие трактуется шире. Молекула — зто наименьшая частица вещества, определяющая его свойства. Состоит из атомов одного или различных химических эле. 2.1.)(нмячесиие кегипонентьг клетки 75 ются вместе ковалентными связями; здесь для дополнения своих внешних оболочек атомы обобществили электроны, а не обменялись ими между собой.
В самой простой из возможных молекул — молекуле водорода (Нз) — два атома водорода, каждый с единственным электроном, делят между собой два общих электрона — именно столько их необходимо для заполнения первой оболочки. Такие обобществленные электроны формируют электронное облако с отрицательным зарядом, которое имеет наибольшую плотность в области между двумя положительно заряженными ядрами и помогает удерживать их вместе — в противовес взаимному оггалкиванию между одноименными зарядами, которое в противном случае отдалило бы их друг от друга. Силы притяжения и отталкивания находятся в равновесии, когда ядра разнесены на характеристическое расстояние, названное длиной связи.
Следующее свойство всякой связи — ковалентной или нековалентной — это сила связи. которая измеряется количеством энергии, которое необходимо затратить для разрыва этой связи. Она часто выражается в единицах килокалорий на моль (ккал 'моль), где одна килокалория равна количеству энергии, необходимому для повышения температуры одного литра воды на один градус Цельсия (по стоградусной шкале Цельсия). Таким образом, если 1 килокалория должна быть потрачена на разрушение б. 10хт связей определенного типа (то есть 1 моля этих связей), то сила такой связи составляет 1 ккалг'моль.
Равносильной, широко применяемой мерой 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 при столкновении с другими молекулами в окружающей их среде (их тепловой энергией), равно как и с другими источниками биологической энергии, например светом и окислением глюкозы (рис.
2.7). Энергия ковадентной связи, как правило, выше тепловой энергии колебаний атомов в молекуле в 100 раз, так что ковадентные связи в молекуле сопротивляются растяжению, производимому тепловыми колебаниями, и обычно разрываются только в ходе определенных химических реакций с другими атомами и молекулами. Образование и разрушение ковалентных связей суть бурные события, и в живых клетках они с большой точностью управляются весьма специфичными катализаторами, названными ферментами. Нековалентные связи, как правило, намного слабее; позже мы увидим, что они важны в клетке в тех случаях, когда молекулам для осуществления своих функций необходимо легко объединяться и расходиться.
ЭНЕРГОЕМКОСТЬ (кквл г' моль) 0,1 10 1 10 реэрые' нйкоеелентнзй Рис. 27. Некоторые виды энергии, важные для илеток. Обратите внимание, что сравнение приведено на логарифмической шкале. ментов н существует как единая система атомных ядер н электронов. Атомы удерживаются в моле куле с помощью химических связей. — Прим. ред 2,1. ХимиЧеские компоненты клетки 77 Рис. 2.9. Сравнение двойной и одинарной углероднойуглеродной связи. о) Молекула этана с одинарной ковалентной связью между двумя атомами углерода иллюстрирует тетраэдрическое расположение одинарных ковалентных связей, о6- разованньж углеродом.
Каждая из двух СН -групп, соединенных ковалентной связью, может поворачиваться относительно другой вокруг оси связи. б) Двойная связь между двумя атомами углерода в молекуле зтена (этилена) видоизменяет геометрию связей между атомами углерода, выстраивая все атомы водной плоскости (синий); двойная связь препятствует вращению одной группы СН относительно друюй.
а) этан Рис. 2ДО. Полярные и неполярные иоеалентные связи. Сравнение картин рас- пределения электронов в полярной молекуле воды (Н О) и неполярной молекуле кислорода (О ) (Ь' — частично положительный заряд; Ь вЂ” частично отрицатель- ный заряд). парными связями. Некоторые ковалентные связи, однако, образуются за счет обобществления более одной пары электронов.
Например, могут быть обобществлены четыре алектрона, по два от каждого участвующего атома; такая связь называется двойной связью. Двойные связи короче и прочнее, чем одинарные, и оказывают характерное влияние на трехмерную геометрию молекул, их содержащих. Одинарная ковалентная связь между двумя атомами, как правило, допускает вращение одной части молекулы относительно другой вокруг оси связи. Двойная связь препятствует такому вращению, обусловливая более жесткую и менее гибкую структуру (рис. 2.9 и приложение 2.1, стр. 172 — 173).
В некоторых молекулах электроны подлежат дележу между тремя и более атомами, в результате чего образуются связи, которые имеют гибридный характер — промежуточный ьгежду одинарными и двойными связями. Например, очень устойчивая молекула бензола состоит из кольца, образованного шестью атомами углерода, в котором электроны распределены равномерно (хотя обычно их изо бражают в виде чередующейся последовательности одинарных и двойных связей, как показано в приложении 2.1). Когда атомы, соединенные одинарной ковалентной связью, принадлежат разным элементам, эти два атома обычно притягивают поделенные электроны с разной силой.
По сравнению с атомом углерода, например, атомы О и )ч( притягивают электроны сильнее, тогда как атом Н вЂ” немного слабее. По определению, полярная (в электрическом смысле) структура — это структура, в которой на одном конце сосредоточен положительный заряд (положительный полюс), а на другом конце — отрицательный заряд (отрицательный полюс).
Поэтому ковалентные связи, в которых электроны распределены подобным образом, называют полярн ми ковалентными связями (рис. 2.10). Например, ковалентная связь между кислородом и водородом, Π— Н, или между азотом и водородом, )ч) — Н, является полярной, тогда как в связи между углеродом и водородом, С вЂ” Н, электроны притягиваются обоими атомами почти одинаково и связь почти неполярна. Ь' Ь' за всща 78 Часть 1. Введение в мир клетки Полярные ковалентные связи чрезвычайно важны в биологии, потому что они создают постоя нные диполи, которые позволяют молекулам взаимодействовать посредством электрических сил.
Любая крупная молекула со множеством полярных групп будет давать на поверхности картину распределения частично положительных и частично отрицательных зарядов. Когда одна такая молекула сближается с другой — с комплементарным набором зарядов, — зти две молекулы привлекаются друг к другу электростатическими взаимодействиями, которые сродни (хотя и слабее их) ионным связям, рассмотренным нами ранее. 2.1.5. Зачастую атом ведет себя так, как будто он имеет постоянный радиус Когда между двумя атомами образуется ковалентная связь, ядра этих атомов, в силу обобществления электронов, оказываются необычайно близко друг к другу.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
