Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Но большинство атомов, которые стремительно сталкиваются друг с другом в клетке, расположены в разных молекулах. Что происходит, когда два таких атома 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 обьемные, модели гораздо точнее отражают структуру молекулы. В этих моделях твердая оболочка представляет радиус электронного облака, при котором мощные силы отталкивания препятствуют дальнейшему приближению какого-либо второго, несвязанного атома, — так называемый ван-дер-ваальсов радиус атома.
Это обусловлено тем, что степень отталкивания увеличивается очень резко, по мере того как два таких атома сближаются друг с другом на малое расстояние. На расстоянии, немного большем, чем ван-дер-ваальсов радиус, любые два атома испытывают слабую силу притяжения, известную как ван-дер-ваальсово притяжение". В результате существует некое расстояние, на котором силы отталкивания и притяжения находятся в точном равновесии и обусловливают минимум энергии взаимодействия атома первого элемента с атомом второго элемента, не связанных друг с другом химической связью (рис. 2.11). В зависимости от намеченной цели мы будем представлять маленькие молекулы в 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 придется еще более упрощать выбираемую модель для их представления (см., например, приложение 3.2, стр. 200 — 201). 2.1.6. Больше всего в клетках воды Вода составляет около 707ь массы клетки, и большинство внутриклегочных реакций протекает в водной среде. Жизнь на Земле началась в океане, и условия той первозданной окружаюгцей среды оставили неизгладимый след в химии живых существ. Поэтому жизнь во многом зависит от свойств воды. В каждой молекуле воды (Н О) два атома Н связаны с атомом О ковалентными связями (см.
рис. 2.12). Эти две связи очень полярны, потому что электроны сильно притягиваются атомом кислорода, тогда как водородный атом довольно т В российской научной литературе ван-дер-ваальсово притяжение и ван-дер-ваальсово отталкивание чаще встречакяся иод общим названием ван-дер-ваальсовых сил. — Прим.
иер. Рис. 2.11. Зависимость еан-дер-ваап ьсовых сил от расстояния. Когда деа атома сближаются, они сначала слабо притягиеакпся друг к другу, что обусловлено флунтузциями их электрических зарядов. Однако те же атомы начнут сильно отталкивать друг друга, если сойдутся слишком близко. Равновесие сил притяжения и отталкивания между ними возникает в обозначенном минимуме энергии. этот минимум определяет расстояние между ядрами двух атомов, при котором взаимодейстие между двумя нековалентно связанными атомами максимально; это расстояние есть сумма их вен-дер-вазльсовых радиусов. По определению, нулевая энергия (обозначена штриховой красной линией) — это энергия, когда два ядра находятся на бесконечном удалении друг от друга.
гх 0--- ш Х (-) точке равновесия ввн-дер-вввпьсовых сил ввн-двр.вввльсов радиус О = 1,4 А Й Н Н бч:,' ' Ф."':ту 104.о 4' в) б) ван)двр" длине ковалвнтной связи (~Н = 0,96 А в) Рис. 2.12. Три способа изображения молекулы воды. а) Обычная линейная структурная формула, в которой каждый атом обозначен стандартным символом, а каждая линия представляет ковалентную связь, соединяющую дев атома, б) Шаростержневая модель, в которой атомы представлены шариками произвольного диаметра, соединенными стержнями, имитирующими ковалентные связи. 8 отличие от формулы 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 взн-дер-ваальсовы радиусы, слабо удерживает нх. Вследствие этого в молекуле воды имеет место неравномерное распределение электронов с преобладанием положительного заряда на двух атомах водорода и отрицательного заряда на атоме кислорода (см. рис. 2. 10). Когда положительно заряженная область одной молекулы воды (то есть один нз ее атомов Н) приближается к отрицательно заряженной области (то есть атому О) второй молекулы воды, электростатическое притяжение между ними может приводить к образованию слабой связи, названной водородной связью (см.
рис. 2.15). Эти связи намного слабее ковалентных и легко разрываются из-за беспорядочного теплового движения, обусловленного тепловой энергией молекул, так что каждая такая связь существует лишь короткий момент времени. Но суммарное действие множества слабых связей может вызывать далеко идущие последствия.
Два водорода каждой молекулы 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. 174 — 175). Именно благодаря водородным связям, которыми молекулы воды соединены друг с другом, вода при комнатной температуре является жидкостью, — причем с высокой точкой кипения и сильным поверхностным натяжением, — а не газом. Молекулы, 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), также хорошо взаимодействуют с водой. Такие молекулы называют гидрофильными, что означает «любовь к воде». Большая доля молекул в водной среде клетки неизбежно подпадает под эту категорию, в том числе сахара, ДНК, РНК и большинство белков. Гидрофобные («не любящие водыь) молекулы, напротив, являются незаряженными и образуют мало или вообще не образуют водородных связей, поэтому не растворяются или плохо растворяются в воде. Важный пример — углеводороды (см.
приложение 2.1, стр. 172 — 173). В этих молекулах атомы Н ковалентно связаны с атомами С практически неполярными связями. В этом случае атомы Н не несут почти никакого результирующего положительного заряда, они не могут образовывать эффективные водородные связи с другими молекулами. В силу этого углеводороды в основном гидрофобии — свойство, выгодно используемое в клетках: их мембраны построены из молекул, которые имеют длинные углеводородные хвосты (подробно мы это обсудим в главе 10).
?.1.7. Некоторые полярные молекулы образуют в воде кислоты иоснования Одна из химических реакций, простейших по типу, но важнейших для клетки по значению, происходит именно в тот момент, когда молекула, содержащая сильно полярную ковалентную связь между водородом и каким-либо другим атомом, растворяется в воде. В такой молекуле атом водорода почти полностью уступил свой электрон составившему ему пару атому и, таким образом, стал напоминать почти обнаженное положительно заряженное ядро водорода — другими словами, протон (Н+).
Когда молекулы воды окружают полярную молекулу, протон притягивается к частично отрицательному заряду на атоме О ближайшей молекулы воды и может отделиться от своего изначального партнера, чтобы связаться вместо него с атомами кислорода молекулы воды с образованием иона гидроксония (Н О+) (рис.
2.13, а). Обратная реакция также происходит очень легко, так что состояние равновесия выглядит так, как будто миллиарды протонов постоянно мелькают в растворе туда и сюда, взад и вперед, от одной молекулы к другой. Реакция того же самого типа происходит в растворе самбй чистой воды. Как показано на рис. 2.13, б, молекулы воды постоянно обмениваются друг с другом протонами. В результате чистая вода содержит равные и очень низкие концентрации ионов НзО' и ОН, составляющие 1О т молы'литр.
(Концентрация Н. О в чистой воде равна 55,5 молы'литр. ) Вещества, которые высвобождают протоны с образованием ионов Н О' при растворении в воде, называют кислотами. Чем выше концентрация Н. О', тем более о н ф сн,— с + н — о о о о н н о н сн — с + 3 о — н Ь Ь' уксуснзя кислоте в) от однои молекулы йь,©„ к другой ,,;.а.:: ион гидроксильный б) гидро ксения ион Рис.
2.23. Кислоты в воде. а) Реакция, которая имеет место, когда молекула уксусной кислоты диссо- циирует в воде. б) Ьаолекулы воды непрерывно обмениваются протонами друг с другом и образуют ион гидроксония и гидроксильный ион. Зги ионы, в свою очередь, быстро перекомпоновывэются и вновь образуют молекулы воды.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
