Деннис Тейлор – Биология. В 3-х томах. Т. 1 (страница 39)

Таблица 5.1. Элементы, встречающиеся в живых организмах¹⁾

Значение углерода

Углерод имеет ряд уникальных химических свойств, фундаментальных для жизни. Изучением углерода и его соединений занимается отдельная отрасль химии — органическая химия. В чем заключаются эти уникальные свойства углерода? Его атомный номер равен 6, потому что в его ядре содержится шесть протонов, а вокруг ядра обращается шесть электронов (рис. П.1.1). Ядро содержит еще и шесть нейтронов, так что атомная масса углерода равна 12. Вступая в химическую реакцию, углерод приобретает заполненную (стабильную) оболочку из восьми электронов путем обобществления четырех электронов. Он, следовательно, образует ковалентные связи (обобществляет электроны), и валентность его равна 4 (он обобществляет четыре электрона). Простой пример такого обобществления электронов показан на рис. П.1.2,Г, где изображен метан, имеющий эмпирическую формулу СН₄. Здесь же, на рис. П.1.2, Г, представлена и структурная формула метана.

5.1. На основе прочитанного укажите, в чем заключается различие между эмпирической и структурной формулами.

Когда атом углерода присоединяет к себе четыре каких-нибудь атома или группы, четыре связи располагаются симметрично, образуя тетраэдр (рис. 5.1). Если такое трехмерное расположение атомов существенно, то структурную формулу молекулы можно изображать так, как это показано на рис. 5.1, Б, Другое широко применяемое условное обозначение предписывает исключать из структурной формулы все атомы углерода и все присоединенные к ним водородные атомы. Простейший пример такого обозначения представлен на рис. 5.2, где изображена этановая, или уксусная, кислота. Из рис. 5.2 видно, что эмпирическая формула уксусной кислоты имеет вид СН₃СООН.

Рис. 5.1. Тетраэдрическое расположение углеродных связей

Рис. 5.2. Два способа изображения структурных формул этановой (уксусной) кислоты СН₃СООН

Зная валентность углерода (4), нетрудно определить местоположение всех недостающих водородных атомов. Такой способ изображения удобен вдвойне: он упрощает написание структурных формул и позволяет сосредоточить внимание на более важных химических группах.

Значение углерода определяется, как сказано, тем, что он способен образовывать стабильные, прочные ковалентные связи. Эти связи он образует как с другими углеродными атомами, так и с атомами других элементов.

Углерод обладает особенностью, не свойственной (во всяком случае в такой мере) ни одному другому элементу: соединяясь между собой ковалентными связями, его атомы образуют стабильные цепи или кольца (рис. 5.3). Именно этой особенностью углерода и объясняется в первую очередь чрезвычайное разнообразие органических соединений; С-С-связи можно рассматривать как скелет органических молекул.

Рис. 5.3. Цепь (А) и кольцо (Б), построенные из атомов углерода путем образования С-С — связей

5.2. Напишите структурные формулы а) октана и б) бензола, руководствуясь рис. 5.2.

Углеродные атомы образуют обычно ковалентные связи с атомами Н, N, О, Р и S. Соединение с этими и с другими элементами в различных комбинациях обеспечивает большое разнообразие органических соединений.

Кратные связи. Еще одно важное свойство углерода заключается в его способности образовывать кратные связи; этим же свойством обладают кислород и фосфор. Известны следующие кратные связи:

Кратные связи

Соединения, содержащие двойные (=) или тройные (≡) углерод-углеродные связи, называются ненасыщенными. В насыщенном соединении имеются только простые (одинарные) углерод-углеродные связи.

5.3. Напишите структурную формулу ненасыщенного органического соединения этена (этилена) С₂Н₄.

Суммируем важные химические свойства углерода:

1. Его атомы сравнительно малы и атомная масса невелика.

2. Он способен образовывать четыре прочные ковалентные связи.

3. Он образует углерод-углеродные связи, строя таким путем длинные углеродные скелеты молекул в виде цепей и (или) колец.

4. Он образует кратные ковалентные связи с другими углеродными атомами, а также с кислородом и азотом.

Это уникальное сочетание свойств обеспечивает колоссальное разнообразие органических молекул. Разнообразие проявляется в размерах молекул, определяемых их углеродным скелетом, в химических свойствах, которые зависят от присоединенных к скелету элементов и химических групп, а также от степени насыщенности скелета, и, наконец, в различной форме молекул, определяемой геометрией, т. е. углами связей.

5.1.2. Простые биологические молекулы

Ознакомившись с элементами, присутствующими в живых организмах, обратимся теперь к соединениям, в состав которых эти элементы входят. И здесь мы также обнаруживаем фундаментальное сходство между всеми живыми организмами. Больше всего в организмах содержится воды — от 60 до 95% общей массы организма. Во всех организмах мы находим также и некоторые простые органические соединения, играющие роль "строительных блоков", из которых строятся более крупные молекулы (табл. 5.2). О них речь пойдет ниже.

Таблица 5.2. Химические 'строительные блоки' органических соединений

Таким образом, сравнительно небольшое число видов молекул дает начало всем более крупным молекулам и структурам живых клеток. По мнению биологов, эти немногие виды молекул могли синтезироваться в "первичном бульоне" (т. е. в концентрированном растворе химических веществ) в мировом океане на ранних этапах существования Земли, еще до появления жизни на нашей планете (разд. 24.1). Простые молекулы строятся в свою очередь из еще более простых неорганических молекул, а именно из диоксида углерода, из азота и воды.

Важная роль воды

Без воды жизнь на нашей планете не могла бы существовать. Вода важна для живых организмов вдвойне, ибо она не только необходимый компонент живых клеток, но для многих еще и среда обитания. Нам следует поэтому сказать здесь несколько слов о ее химических и физических свойствах.

Свойства эти довольно необычны и связаны главным образом с малыми размерами молекул воды, с полярностью ее молекул и с их способностью соединяться друг с другом водородными связями. Под полярностью подразумевают неравномерное распределение зарядов в молекуле. У воды один конец молекулы несет небольшой положительный заряд, а другой — отрицательный. Такую молекулу называют диполем. Более электроотрицательный атом кислорода притягивает электроны водородных атомов. В результате между молекулами воды возникает электростатическое взаимодействие, а, поскольку противоположные заряды притягиваются, молекулы как бы склонны "склеиваться" (рис. 5.4). Эти взаимодействия, более слабые, чем обычные ионные связи, называются водородными связями. Учитывая данную особенность воды, мы можем теперь перейти к рассмотрению тех ее свойств, которые важны с биологической точки зрения.

Рис. 5.4. Водородная связь между двумя полярными молекулами воды. δ⁺ — очень маленький положительный заряд; δ^- — очень маленький отрицательный заряд

Биологическое значение воды

Вода как растворитель. Вода — превосходный растворитель для полярных веществ. К ним относятся ионные соединения, такие, как соли, у которых заряженные частицы (ионы) диссоциируют (отделяются друг от друга) в воде, когда вещество растворяется (рис. 5.5), а также некоторые неионные соединения, например сахара и простые спирты, в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные) группы (у Сахаров и спиртов это ОН-группы).

Рис. 5.5. Распределение молекул воды вокруг аниона (-) и катиона (+). Обратите внимание, что более электроотрицательные атомы кислорода молекул воды обращены в сторону катиона, а вокруг аниона они направлены, наоборот, наружу. Это наблюдается, когда ионные соединения растворяются в воде. Вследствие присущей им полярности молекулы воды ослабляют притяжение между ионами противоположного знака, а затем окружают ионы и удерживают их на определенном расстоянии друг от друга. В этих случаях принято говорить, что ионы гидратированы

Когда вещество переходит в раствор, его молекулы или ионы получают возможность двигаться более свободно и соответственно его реакционная способность возрастает. По этой причине в клетке большая часть химических реакций протекает в водных растворах. Неполярные вещества, например липиды, не смешиваются с водой и потому могут разделять водные растворы на отдельные компартменты, подобно тому как их разделяют мембраны. Неполярные части молекул отталкиваются водой и в ее присутствии притягиваются друг к другу, как это бывает, например, когда капельки масла сливаются в более крупные капли; иначе говоря, неполярные молекулы гидрофобны. Подобные гидрофобные взаимодействия играют важную роль в обеспечении стабильности мембран, а также многих белковых молекул, нуклеиновых кислот и других субклеточных структур.

Присущие воде свойства растворителя означают также, что вода служит средой для транспорта различных веществ. Эту роль она выполняет в крови, в лимфатической и экскреторной системах, в пищеварительном тракте и во флоэме и ксилеме растений.

Большая теплоемкость. Удельной теплоемкостью воды называют количество теплоты в джоулях, которое необходимо, чтобы поднять температуру 1 кг воды на 1°С. Вода обладает большой теплоемкостью. Это значит, что существенное увеличение тепловой энергии вызывает лишь сравнительно небольшое повышение ее температуры. Объясняется такое явление тем, что значительная часть этой энергии расходуется на разрыв водородных связей, ограничивающих подвижность молекул воды, т. е. на преодоление ее упомянутой выше "клейкости".