Молекулярная структура. Строение и свойства молекул

ХИМИЯ ОРГАНИЧЕСКАЯ. МОЛЕКУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА
А. ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ УГЛЕРОДА
Химическая природа углерода, промежуточная между металлами и типичными неметаллами, позволяет ему образовывать ковалентные связи с большим числом элементов, чаще всего с водородом, кислородом, азотом, галогенами, серой и фосфором. Углерод образует связи с высокой степенью ионного характера с более электроположительными металлами, но такие вещества являются высокореакционноспособными и используются как промежуточные соединения в синтезе. Углерод-углеродные связи имеют ковалентный характер и бывают простые (одинарные), двойные, тройные и ароматические
(см. МОЛЕКУЛ СТРОЕНИЕ).
Ароматические системы. Бензол - родоначальник класса ароматических соединений - имеет уникальную стабильность и вступает в химические реакции, отличные от реакций неароматических систем. Есть и другие ароматические системы, наиболее обычные из которых имеют p-орбитали, доступные для образования p-связей, на каждом атоме кольца. Пятичленные кольцевые системы с двумя сопряженными (т.е. чередующимися с простыми) двойными связями и пятым атомом, несущим неподеленную пару электронов, являются также ароматическими по своим свойствам. Ниже представлены некоторые из таких систем:

Понятие ароматичности обобщил немецкий химик Э. Хюккель. Согласно правилу Хюккеля, плоские циклические сопряженные системы с числом p-электронов, равным 4n + 2, ароматичны и стабильны, а такие же системы с числом p-электронов 4n - антиароматичны и неустойчивы.
Стабильность циклических систем. Валентный угол (угол между связями) в ненапряженном фрагменте С-С-С составляет 109°, и кольца, в которых сохраняется это значение, более стабильны, чем те, где углы сильно отклоняются от этого значения. Напряжение, возникающее в циклических системах в результате искажения валентных углов, носит название байеровского - по имени немецкого химика А. Байера, впервые предложившего такое объяснение устойчивости насыщенных колец. Так, в трехчленных кольцах, где валентный угол составляет всего 60°, кольца сильно напряжены и легко разрываются; некоторые из их реакций напоминают реакции двойной связи С=С. Четырехчленные кольца также напряжены (валентный угол 90°), но не столь сильно. Пятичленные кольца почти плоски и их углы равны 108°; поэтому они ненапряжены и стабильны. В таких шестичленных кольцах, как циклогексан, атомы углерода не лежат в одной плоскости; такие циклы являются складчатыми, что уменьшает напряжение кольца. Пяти- и шестичленные кольца являются наиболее обычными. Большие кольца также способны снижать угловое напряжение путем образования складок, но в некоторых из них (от семи- до двенадцатичленных) атомы водорода на противоположных сторонах кольца сближаются настолько, что их отталкивание делает соединение менее стабильным (прелоговское напряжение, по имени швейцарского химика В.Прелога, открывшего этот эффект).
Таутомерия. Если молекулу или ион можно представить в виде нескольких структур, отличающихся друг от друга только распределением электронов, эти структуры называются резонансными, причем резонансные формы не находятся в равновесии одна с другой, просто действительная электронная структура молекулы является чем-то средним между этими крайностями. Однако есть ситуации, в которых атомы перемещаются в молекуле при обычных условиях так быстро, что между различными молекулярными формами самопроизвольно устанавливается равновесие. Такое явление называется таутомерией. Примером служит равновесие между кетоном и энолом (кето-энольная таутомерия):

Здесь два соединения различаются только расположением катиона водорода и пары электронов (в p-связи). Равновесие устанавливается быстро, но сильно сдвинуто в сторону кетоформы. Следовательно, спирты со структурой -C=C-OH обычно неустойчивы и быстро превращаются в кетоформу, если нет каких-то структурных особенностей, стабилизирующих энольную форму, например в фенолах, которые при переходе в кетоформу теряли бы свой ароматический характер:

Таутомерия обычна в молекулах, которые имеют структуру -CH=X или -C=XH, где X - это S, О или N. Так, молекула H2C=C(NH2)-CH3 быстро перегруппировывается в H3C-C(=NH)-CH3, а имиды R-C(OH)=NH перегруппировываются в амиды R-C(=O)NH2. Таутомерия обычна в таких биологически важных гетероциклических системах, как барбитуровая кислота и родственные ей соединения:

Такие вещества, находящиеся в таутомерном равновесии, часто вступают в реакции, характерные для обеих форм.
Другие быстрые равновесия. Известны и другие быстрые равновесия между молекулами с родственными структурами. Если при одном и том же углеродном атоме находятся любые две из групп OH, SH или NH2, соединение обычно неустойчиво по сравнению с двоесвязной формой:

Есть случаи, когда это равновесие сдвинуто в сторону дигидрокси-соединения. Газообразный формальдегид имеет структуру CH2=O, но в водном растворе он присоединяет молекулу воды, обретая HO-CH2-OH в качестве преобладающей формы. Хлоральгидрат Cl3CCH(OH)2 стабилен в дигидроксильной форме в результате электроноакцепторного влияния трех атомов хлора.
Б. ИЗОМЕРИЯ
Изомерия углеродной цепи. Молекулы, которые отличаются только разветвлением углеродной цепи, называют цепными изомерами. Пример уже был дан - это изомерная пара н-бутан и изобутан.
Изомерия функциональных групп. Молекулы с одинаковыми брутто-формулами, но различными функциональными группами являются функциональными изомерами, например этиловый спирт C2H5OH и диметиловый эфир CH3-O-CH3.
Изомерия положения. Позиционные изомеры имеют одинаковые брутто-формулы и функциональные группы, но положения функциональных групп в их молекулах различны. Так, 1-хлорпропан CH3CH2CH2Cl и 2-хлорпропан CH3CHClCH3 являются позиционными изомерами.
Геометрическая изомерия. Геометрические изомеры состоят из одинаковых атомов, соединенных в одной и той же последовательности, но отличаются пространственным расположением этих атомов относительно двойных связей или колец. Цис-транс-изомерия олефинов и син-анти-изомерия оксимов относятся к этому типу.

Оптическая изомерия. Молекулы называются оптическими изомерами, когда они состоят из одинаковых атомов, соединенных одним и тем же путем, но различаются пространственным расположением этих атомов так же, как правая рука отличается от левой. Такая изомерия возможна только тогда, когда молекула асимметрична, т.е. когда она не имеет плоскости симметрии. Простейший путь к такой ситуации - присоединение четырех разных групп к атому углерода. Тогда молекула становится асимметричной и существует в двух изомерных формах. Молекулы отличаются только порядком присоединения к центральному углеродному атому, который называется асимметрическим атомом углерода или хиральным центром, так как соединен с четырьмя разными группами. Отметим, что два оптических изомера являются зеркальным отражением друг друга; они называются "энантиомерами" или "оптическими антиподами" и имеют одинаковые физические и химические свойства, за исключением того, что вращают плоскость поляризованного света в противоположных направлениях и по-разному реагируют с соединениями, которые сами являются оптическими изомерами. Изомер, который вращает плоскость поляризованного света по часовой стрелке, называют d- (от "декстро" - правый) или (+)-изомером; изомер, который вращает свет против часовой стрелки, называют l- (от "лево" - левый) или (-)-изомером. Когда в молекуле присутствует более одного асимметрического центра, максимально возможное число оптических изомеров составляет 2n, где n - число асимметрических центров. Иногда некоторые из этих изомеров оказываются идентичными, и это сокращает число оптических изомеров. Так, мезо-изомеры - это оптические изомеры, которые оптически неактивны, поскольку имеют плоскость симметрии. Оптические изомеры, которые не являются зеркальными изображениями, называются "диастереомерами"; они отличаются по физическим и химическим свойствам так же, как отличаются по ним геометрические изомеры. Эти различия можно проиллюстрировать на примере шестиуглеродных сахаров с прямой цепью, имеющих следующую структуру: CH2OH-*CHOH-*CHOH-*CHOH-*CHOH-CHO. Здесь четыре асимметрических атома, отмеченных звездочкой, соединены каждый с четырьмя разными группами; таким образом, возможно 24, или 16, изомеров. Эти 16 изомеров составляют 8 пар энантиомеров; любая пара, не являющаяся энантиомерами, представляет собой диастереомеры. Шесть из этих 16 сахаров представлены ниже в виде т.н. проекций Фишера.

Обозначения D- и L- для энантиомеров относятся не к направлению вращения (обозначаемого d или l), а к положению OH при самом нижнем (в проекции Фишера) асимметрическом углероде: когда OH справа, изомер обозначается как D, когда слева - L. D- и L-формы глюкозы имеют одинаковые точки плавления, растворимость и т.д. С другой стороны, глюкоза и галактоза, будучи диастереомерами, имеют различные точки плавления, растворимости и т.д.

Энциклопедия Кольера. - Открытое общество . 2000 .

Смотреть что такое "ХИМИЯ ОРГАНИЧЕСКАЯ. МОЛЕКУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА" в других словарях:

Энциклопедия Кольера

Раздел химии, изучающий соединения углерода, к которым относятся, во первых, вещества, составляющие большую часть живой материи (белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты, витамины, терпены, алкалоиды и т.д.); во вторых, многие вещества,… … Энциклопедия Кольера

У этого термина существуют и другие значения, см. Химия (значения). Химия (от араб. کيمياء‎‎, произошедшего, предположительно, от египетского слова km.t (чёрный), откуда возникло также название Египта, чернозёма и свинца «черная… … Википедия

В этом разделе мы приступим к изучению химической связи в соединениях углерода и их молекулярной структуры. Атом углерода имеет электронную конфигурацию . В разд. 2.1 было рассказано о том, что четыре электрона на и 2р-орбиталях в атоме углерода могут гибридизоваться в результате образования четырех эквивалентных -орбиталей, которые отличаются друг от друга только пространственной ориентацией. Эти четыре орбитали позволяют атому углерода образовывать тетраэдрическую структуру. Классическим примером структуры такого типа может служить молекула метана (рис. 17.18). В молекуле метана каждая из четырех гибридных орбиталей атома углерода перекрывается с -орбиталью атома водорода, образуя -связь. Каждая -связь включает два электрона - один от атома углерода и один от атома водорода.

2s-орбиталь и две из трех -орбиталей в атоме углерода тоже могут гибридизоваться, образуя три гибридные -орбитали. Эти орбитали ориентированы в одной плоскости и позволяют атому углерода создавать плоские структуры. В таком случае у атома углерода остается еще один, не участвующий в гибридизации, электрон на -орбитали. Он может обобществляться с таким же -электроном соседнего атома углерода, образуя с ним пару связывающих электронов на -орбитали. Такой случай имеет место в молекуле этилена (рис. 17.19). Двойная связь в этой молекуле состоит из одной -связи и одной -связи. На рис. 17.19 -связь схематически изображена в виде двух электронных облаков.

В молекуле ацетилена (рис. каждого атома углерода и одна из его -орбиталей гибридизуются, образуя две -орбитали. Эти орбитали ориентированы вдоль одной линии и позволяют атомам углерода создавать линейную структуру. У каждого атома углерода остается еще по два электрона на разных -орбиталях. С

Рис. 17.18. Молекула метана.

Рис. 17.19. Молекула этена (этилена)

Рис. 17.20. Молекула этина (ацетилена).

помощью этих электронов атомы углерода образуют между собой две -связи, ориентированные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, которые проходят через эти атомы. Таким образом, тройная связь в молекуле ацетилена состоит из одной -связи и двух -связей.

В ароматических соединениях -электроны шести атомов углерода каждого углеродного цикла делокализуются, образуя -электронное облако (см. рис. 2.8).

Все насыщенные органические соединения содержат только ковалентные -связи. На рис. 17.21 и 17.22 схематически изображена химическая связь в молекулах пропана и метанола. На этих рисунках каждая пара перекрывающихся атомных орбиталей представляет одну -связь. На рис. 17.22, кроме того, показаны две несвязывающие орбитали атома кислорода. На каждой из них находится по два несвязывающих электрона. В формулах Льюиса каждая пара несвязывающих электронов на атоме кислорода изображается парой точек:

Трехмерное расположение атомов в молекулах органических соединений часто изображают с помощью моделей одного из двух типов: моделей из шариков и стерженьков либо объемных моделей. На рис. 17.21 и 17.22 показаны модельные изображения обоих типов для молекул пропана и метанола соответственно.

При записи структуры органических молекул иногда используется их развернутое

Рис. 17.21. Модели молекул пропана: а - орбитальная, б - из стержней и шаров, в - объемная.

Рис. 17.22. Модели молекул метанола: а - орбитальная, б - из стержней и шаров, в - объемная.

изображение, показывающее трехмерное расположение атомов (см. рис. 17.23, а) либо только его двумерное представление (рис. 17.23, б). Последнее используется в тех случаях, когда не рассматривается геометрическое строение молекулы. Однако во многих случаях достаточно указать всего лишь структурную формулу соединения (рис. 17.23, в). Она не дает информации о трехмерном расположении атомов в молекуле.

Рис. 17.23. Развернутые и обычные структурные формулы.

(молекулярная структура), взаимное расположение атомов в молекулах. В ходе химических реакций происходит перегруппировка атомов в молекулах реагентов и образуются новые соединения. Поэтому одна из фундаментальных химических проблем состоит в выяснении расположения атомов в исходных соединениях и характера изменений при образовании из них других соединений.

Первые представления о структуре молекул основывались на анализе химического поведения вещества. Эти представления усложнялись по мере накопления знаний о химических свойствах веществ. Применение основных законов химии позволяло определить число и тип атомов, из которых состоит молекула данного соединения; эта информация содержится в химической формуле. Со временем химики осознали, что одной химической формулы недостаточно для точной характеристики молекулы, поскольку существуют молекулы-изомеры, имеющие одинаковые химические формулы, но разные свойства. Этот факт навел ученых на мысль, что атомы в молекуле должны иметь определенную топологию, стабилизируемую связями между ними. Впервые эту идею высказал в 1858 немецкий химик Ф.Кекуле. Согласно его представлениям, молекулу можно изобразить с помощью структурной формулы, в которой указаны не только сами атомы, но и связи между ними. Межатомные связи должны также соответствовать пространственному расположению атомов. Этапы развития представлений о строении молекулы метана отражены на рис. 1. Современным данным отвечает структура

г : молекула имеет форму правильного тетраэдра, в центре которого находится атом углерода, а в вершинах атомы водорода. (6.58 Кб)

Подобные исследования, однако, ничего не говорили о размерах молекул. Эта информация стала доступна лишь с разработкой соответствующих физических методов. Наиболее важным из них оказалась рентгеновская дифракция. Из картин рассеяния рентгеновских лучей на кристаллах появилась возможность определять точное положение атомов в кристалле, а для молекулярных кристаллов удалось локализовать атомы в отдельной молекуле. Среди других методов можно отметить дифракцию электронов при прохождении их через газы или пары и анализ вращательных спектров молекул.

Вся эта информация дает только общее представление о структуре молекулы. Природу химических связей позволяет исследовать современная квантовая теория. И хотя с достаточно высокой точностью молекулярную структуру рассчитать пока не удается, все известные данные о химических связях можно объяснить. Было даже предсказано существование новых типов химических связей.

Простая ковалентная связь . Молекула водорода Н 2 состоит из двух идентичных атомов. По данным физических измерений длина связи расстояние между ядрами атомов водорода (протонами) составляет 0,70 (1 = 10 8 см), что отвечает радиусу атома водорода в основном состоянии, т.е. в состоянии с минимальной энергией. Образование связи между атомами можно объяснить лишь в предположении, что их электроны локализуются в основном между ядрами, образуя облако отрицательно заряженных связывающих частиц и удерживая вместе положительно заряженные протоны.

Рассмотрим два водородных атома в основном состоянии, т.е. состоянии, в котором их электроны находятся на 1

s -орбитали. Каждый из этих электронов можно рассматривать как волну, а орбиталь как стоячую волну. При сближении атомов орбитали начинают перекрываться (рис. 2), и, как в случае обычных волн, возникает интерференция наложение волн (волновых функций) в области перекрывания. Если знаки волновых функций противоположны, то при интерференции волны уничтожают друг друга (деструктивная интерференция), а если одинаковы, то происходит их сложение (конструктивная интерференция). При сближении атомов водорода возможны два исхода в зависимости от того, находятся ли волновые функции в фазе (рис. 2, а ) или в противофазе (рис. 2, б ). В первом случае произойдет конструктивная интерференция, во втором деструктивная, при этом появятся две молекулярные орбитали; для одной из них характерна высокая плотность в области между ядрами (рис. 2, в ), для другой низкая (рис. 2, г ) фактически узел с нулевой амплитудой, разделяющей ядра.

Таким образом, при сближении атомов водорода и их взаимодействии 1

s -орбитали образуют две молекулярные орбитали, а два электрона должны заполнить какую-то одну из них. Электроны в атомах всегда стремятся занять наиболее устойчивое положение то, в котором их энергия минимальна. Для орбитали, показанной на рис. 2, в , характерна высокая плотность в области между ядрами, и каждый электрон, занявший эту орбиталь, будет б льшую часть времени находиться вблизи положительно заряженных ядер, т.е. его потенциальная энергия будет мала. Напротив, у орбитали, показанной на рис. 2, г , максимальная плотность имеет место в областях, расположенных слева и справа от ядер, и энергия электронов, находящихся на этой орбитали, будет велика. Итак, электроны обладают меньшей энергией, когда они занимают орбиталь в , причем эта энергия даже меньше той, которая была бы у них при бесконечном удалении атомов друг от друга. Поскольку в данном случае имеются только два электрона, оба они могут занимать более выгодную с энергетической точки зрения орбиталь, если их спины антипараллельны (принцип Паули). Поэтому энергия системы, состоящей из двух атомов водорода, при сближении атомов уменьшается, и чтобы затем удалить атомы друг от друга, потребуется энергия, равная энергии образования стабильной молекулы водорода Н 2 . Заметим, что необходимым условием существования молекулы водорода является преимущественная локализация электронов между ядрами в соответствии с тем, что мы уже говорили выше. Молекулярную орбиталь в называют связывающей, а орбиталь г разрыхляющей.

Рассмотрим теперь сближение двух атомов гелия (атомный номер 2). Здесь тоже перекрывание 1

s -орбиталей приводит к образованию двух молекулярных орбиталей, одной из которых соответствует более низкая, а другой более высокая энергия. На этот раз, однако, на орбиталях необходимо разместить 4 электрона, по 2 электрона от каждого атома гелия. Низкоэнергетическую связывающую орбиталь могут заполнить только два из них, два других должны занять высокоэнергетическую орбиталь г . Уменьшение энергии вследствие благоприятной локализации первой пары примерно равно увеличению энергии, обусловленному неблагоприятным расположением второй пары. Теперь сближение атомов не дает выигрыша в энергии, и молекулярный гелий Не 2 не образуется. Это удобно проиллюстрировать с помощью диаграммы (рис. 3); разные орбитали на ней представлены в виде энергетических уровней, на которых могут находиться электроны. Последние обозначены стрелками, направленными вверх и вниз, чтобы различить направления спинов. Два электрона могут занимать одну орбиталь, только если их спины антипараллельны.

Эти общие принципы выполняются при образовании молекул из атомов. Как только два атома сближаются настолько, что их атомные орбитали (АО) начинают перекрываться, появляются две молекулярные орбитали (МО): одна связывающая, другая разрыхляющая. Если на каждой из АО находится только по одному электрону, оба они могут занять связывающую МО с меньшей энергией, чем у АО, и образовать химическую связь. Связи такого типа, называемые теперь ковалентными, были давно известны химикам (представления о ковалентной связи легли в основу октетной теории связи, сформулированной американским физикохимиком Г.Льюисом в 1916). Их образование объясняли обобществлением пары электронов взаимодействующими атомами. Согласно современным представлениям, прочность связи зависит от степени перекрывания соответствующих орбиталей. Все сказанное выше позволяет предположить, что связи между атомами могут образовываться при обобществлении не только двух, но также одного или трех электронов. Однако они будут слабее обычных ковалентных связей по следующим причинам. При образовании одноэлектронной связи происходит уменьшение энергии только одного электрона, а в случае образования связи в результате обобществления трех электронов у двух из них энергия уменьшается, а у третьего, наоборот, увеличивается, компенсируя уменьшение энергии одного из первых двух электронов. В результате образующаяся трехэлектронная связь оказывается вдвое слабее обычной ковалентной.

Обобществление одного и трех электронов происходит при образовании молекулярного иона водорода Н

2 + и молекулы ННе соответственно. Вообще же связи такого типа встречаются редко, а соответствующие молекулы обладают высокой реакционной способностью.

Cтраница 1

Молекулярные структуры на основе жирных кислот, их производных, витаминов, порфиринов, пептидов способны имитировать биологические процессы, протекающие в природе, они используются в биофизических, биохимических исследованиях и изучаются как потенциальные лекарственные препараты.

Молекулярная структура в твердом теле определяется сильным взаимодействием между молекулами, приводящим к колебаниям их около неподвижных центров, совпадающих с равновесными положениями молекул под действием силовых полей, образованных системой молекул. Эти неподвижные в пространстве положения равновесия являются устойчивыми. Они могут образовывать правильную, периодическую систему, что соответствует кристаллической решетке, свойственной микроструктуре кристаллических твердых тел, либо хаотически разбросаны в случае аморфного их состояния. В последнем случае из-за потери устойчивости возникает тенденция к переходу аморфной структуры в кристаллическую. Однако продолжительность этого перехода оказывается настолько значительной, что фактически наблюдаются как кристаллические, так и аморфные состояния твердых тел. Характерные свойства молекулярной (атомной) структуры твердого тела сохраняются по всей его протяженности, что позволяет говорить о наличии в этой структуре как ближнего, так и дальнего порядков.

Молекулярная структура поверхностных слоев.

Зависимость электрического сопротивления от степени уплотнения молекулярной структуры органического вещества.

Молекулярная структура с легкоподвижными электронами называется металлической, так как от этого зависят характерные свойства металлов. Подвижность электронов в значительной степени определяется расстоянием между атомами.

Молекулярная структура отсутствует также при образовании твердого тела в случае ковалентных нелокализованных связей. Кроме валентных сил, при взаимодействии атомов и молекул играют существенную роль и более слабые, так называемые п о-ляризационные силы.

Молекулярная структура таких солевых полиэлектролитных комплексов может быть различной для одной и той же пары компонентов в зависимости от условий, при которых происходит образование комплекса.

Молекулярная структура, показанная на рис. 6, находится в соответствии со свойствами вещества. Интенсивная линия при 1541 см-1, появляющаяся вследствие образования координационных двойных связей, лежит исключительно высоко для л-связанной сопряженной системы.

Молекулярная структура, состоящая из слоев молекул, упакованных тю елочному (паркетному) методу. Слои параллельны плоскости (100), причем длинная ось молекулы расположена перпендикулярно этой плоскости.

Рассмотрим для начала два объекта - алмаз и кальцит, структура которых довольно характерна для обычного вещества:

В природе часто встречаются вещества подобного рода. Мы видим, что они имеют упорядоченную форму, и этому есть свои причины, что станет ясно при делении вещества на все более мелкие части. Отложим в сторону алмаз (наш бюджет не позволит проводить с ним эксперименты) и начнем дробить кальцит при помощи долота и молотка. Он распадется на мелкие куски, но - что самое интересное - эти куски будут повторять структуру большого куска. Не обращая внимания на размеры, можно заметить, что углы между гранями и плоскостями остаются постоянными. Раздробив минерал на мельчайшие частички и рассмотрев их под микроскопом, мы увидим все ту же, уже известную нам форму. Оказывается, такое строение имеют даже мельчайшие частички вещества.

Химики, которые называют кальцит карбонатом кальция, скажут, что его структура состоит из карбонатной группы (СО 3 , в которой атом углерода соединен с тремя атомами кислорода) и одного атома кальция. Физические наблюдения показывают, что многочисленные карбонатные группы и атомы кальция расположены в пространстве под теми же углами, что и грани большого кристалла кальцита.

Таким образом, видимая структура материала повторяет кристаллическую структуру. Это та же структура, только во много раз увеличенная.

Физические свойства вещества на макроскопическом уровне отображают закономерности на микроскопическом уровне.

Структура биологического материала также определяется его молекулярным строением. Многие биологические структуры походят на кристаллы, и под микроскопом видны их красивые, четкие формы. Мы уже видели, как упорядочены клетки внутри организма. Такое расположение зависит от структуры материалов, из которых они состоят.

Клетки и ткани всех организмов состоят из одних и тех же веществ. Прежде всего, это вода. На долю воды приходится около 70-90% всех биологических веществ, и потому физические и химические свойства воды во многом определяют свойства биологического материала. В воде растворены соли таких элементов, как натрий, калий, кальций, магний и хлор. Оставшаяся доля приходится на органические вещества, которые состоят из атомов углерода (С), связанных с атомами водорода, кислорода, азота (N) и иногда серы (S) и фосфора (Р).

Самые простые органические молекулы, которые можно встретить в природном газе или в нефти, - метан, этан и пропан.

Они называются углеводородами, поскольку состоят из атомов углерода и водорода. Эти атомы можно изобразить в виде крошечных шариков, соединенных между собой химическими связями. При химической связи два атома делят между собой пару электронов - по одному от каждого атома. На наших рисунках связь между двумя атомами изображена в виде линии. Каждый элемент характеризуется валентностью, или способностью образовывать определенное число химических связей. Валентность углерода равна четырем, поэтому каждый атом углерода может быть связан с четырьмя другими атомами; благодаря этому его свойству образуется большое число самых разных сочетаний атомов, что приводит к огромному разнообразию органических молекул (рис. 3.3). Две и три параллельные линии означают двойную и тройную связь соответственно. Связь посредством пары электронов называется ковалентной; она очень прочная, для ее разрыва требуется значительное количество энергии, потому органические молекулы довольно стабильны. Однако связи легко разрываются при сгорании (окислении), высвобождая большое количество энергии, поэтому углеводороды служат ценным видом топлива.

В самой простой органической молекуле метана атом углерода связан только с четырьмя атомами водорода. В другой молекуле атом углерода соединен одной связью с другим атомом углерода, образуя цепь С-С, на концах которой располагаются атомы водорода. Цепь С-С может достигать очень большой длины; молекулы воска, например, состоят из 30-36 атомов углерода. Цепь атомов углерода может также замыкаться в кольца различного размера. Но самое большое разнообразие получается от соединения атомов углерода с группами атомов других элементов. Например, гидроксильная группа ОН (кислород, связанный с водородом), присоединенная к углеродной цепи, образует спирт (алкоголь).

Рис. 3.3. Разнообразие органических молекул, основным элементом которых служат атомы углерода, как правило, соединенные в цепи. Каждая линия между атомами соответствует связи, то есть общей паре электронов. Двойные и тройные линии обозначают двойные и тройные связи между атомами. Более сложные молекулы, особенно те, что имеют кольцевые структуры, обычно изображаются в виде линий, в местах соединения которых атомы углерода (часто с одним или двумя атомами водорода) не обозначаются. Поскольку валентность углерода равна четырем, каждый атом углерода должен иметь четыре связи; если показаны только три связи атома углерода, то с этим атомом должен быть связан еще один атом водорода

Аминогруппа, состоящая из атома азота и двух атомов водорода (NH 2), соединенная с углеродной цепью, образует амин. В более сложных группах атом кислорода связан с атомом углерода двойной связью (С=О), и одна из таких комбинаций, карбоксильная группа СООН, образует молекулу кислоты. (Кислотой называется любое химическое соединение образующее ионы водорода; вспомним, что ионами называются положительно и отрицательно заряженные атомы или группы атомов.)

Комбинации всех видов этих групп с углеродными цепями различной длины и кольцами дает необычайно большое количество органических соединений, но в живых организмах часто встречаются лишь некоторые из них. Самые важные соединения - белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды.

Липиды, к которым относятся всем известные жиры и масла, состоят из длинных углеродных цепей - обычно из 16-18 атомов углерода. Мы прекрасно знакомы с их свойствами: ведь это те самые вещества, что оставляют несмываемые пятна на одежде. Все знают, что вода и масло не смешиваются. Вещества, которые смешиваются с водой, называются гидрофильными (буквально «любящими воду»), а вещества, которые, подобно маслу, не смешиваются с ней, называются гидрофобными («боящимися воды»). (Жирные, маслянистые пятна на одежде следует удалять при помощи сухих очистителей, в состав которых входят такие растворители как тетрахлорид углевода, или же при помощи растворителей, содержащих бензин, который также гидрофобен.) По существу, липиды можно определить как вещества, растворяющиеся только в гидрофобных растворителях.

Другие важные биологические вещества отличаются гигантским размером своих молекул. Молекулярный вес небольших молекул, таких, как пропан, бензин или сахар (вроде глюкозы), не превышает двух сотен единиц. В отличие от них, белки, нуклеиновые кислоты и некоторые другие строительные материалы клеток образованы крупными молекулами - макромолекулами, потому что их молекулярный вес исчисляется тысячами единиц и более. В том, что строительные материалы клеток бывают столь большими, ничего необычного нет, ведь и мы при строительстве используем длинные стальные балки и перекрытия из фанеры и железобетона. Твердые части клеток также состоят из больших компонентов.

Но все эти макромолекулы имеют сравнительно несложную структуру. Они представляют собой полимеры, состоящие из повторяющихся одинаковых, или идентичных, молекул, называемых мономерами:

Например, углеводороды состоят из Сахаров, которые представляют собой небольшие органические молекулы с формулой вроде С 6 Н 12 О 6 . Сахара, представляющие наибольший интерес для нас, - такие, как глюкоза, галактоза и манноза - имеют сложную структуру. Они могут соединяться друг с другом, образуя длинные цепи, иногда даже с ответвлениями. Когда молекулы глюкозы соединяются специфическим образом (химики называют это бета 1:4 связью), то получается целлюлоза:

Целлюлоза - прочный волокнистый материал, из которого состоят стенки растительных клеток, и как следствие это основная составляющая древесины. Но если молекулы глюкозы соединяются иначе (альфа 1:4 связь, иногда с ветвями 1:6), то получаются крахмал и гликоген - основной запасной материал растений и животных. Другие сахара в различных соединениях образуют пектины и камеди, из которых состоит сочная мякоть плодов и других частей растений. Все эти полимеры, масса которых достигает нескольких тысяч единиц, называются полисахаридами, а составляющие их мономеры (сахара) - моносахаридами. Другие полимеры также носят названия, начинающиеся на приставку «поли-», что значит «много».

Одни из самых важных полимеров, белки, состоят из длинных цепей мономеров - аминокислот. Аминокислоты названы так, потому что содержат аминогруппу (NH 2) и группу органической кислоты (СООН). Две аминокислоты сцепляются посредством соединения карбоксильной группы одной с аминогруппой другой и выделением молекулы воды:

Образовавшаяся молекула {дипептид) на одном конце по-прежнему имеет аминогруппу, а на другом - кислую группу, поэтому к ней могут присоединяться другие аминокислоты. Три аминокислоты образуют трипептид, и так далее; молекула из многих аминокислот называется полипептидом, что, собственно говоря, и есть белок. В типичном белке в одну длинную цепь соединены 200-300 аминокислот. (Когда аминокислота утрачивает аминогруппу и кислотную группу, встраиваясь в цепь, она называется остатком аминокислоты.) Поскольку у средней аминокислоты молекулярный вес равен приблизительно 100 единицам, то цепь в 300 аминокислот, или средний белок, имеет атомный вес около 3000 единиц.

Природные белки образуются из 20 видов аминокислот, отличающихся только структурой своей боковой цепи (табл. 3.1). Аминокислоты могут соединяться в любой последовательности, поэтому клетки способны производить огромное количество видов белков. Их предполагаемое разнообразие выходит за рамки человеческого представления. Если имеется 20 видов аминокислот, то 2 аминокислоты - 400 видов дипептидов (с двумя остатками). Трипептидов уже будет 8 тысяч видов, тетрапептидов - 160 тысяч, а цепей из 300 аминокислот - 20 300 видов. Такое огромное число невозможно себе представить. Все белки, когда либо производившиеся земными организмами, составляют лишь небольшую часть возможного разнообразия.

Каждый вид белка отличается уникальной последовательностью аминокислот. Например, у человека молекула гемоглобина, входящего в состав красных кровяных телец - эритроцитов, переносит кислород с кровью. Она начинается с последовательности Val-H is-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu- Lys- Ser-Ala-Val-Thr-Ala (буквенные сокращения означают ту или иную аминокислоту). У обычного человека каждая молекула гемоглобина начинается именно с этой последовательности.

В простейшем организме производится по меньшей мере около 2 тысяч различных белков, а в сложных организмах, например у человека, - порядка 30-50 тысяч. (Недавние исследования определили именно такой диапазон, хотя точное количество остается неизвестным.) Каждый белок имеет структуру, подходящую для выполнения различных функций, поскольку белки - это основные «рабочие лошади» организма. Они выполняют практически все функции, которые мы отождествляем с понятием «живой организм»:

♦ белки - это ферменты, которые убыстряют и контролируют все химические реакции в организме;

♦ белки образуют видимые структуры тела: кератины служат строительным материалом волос, кожи и перьев; коллагены входят в состав хрящей и костей;

♦ белки образуют волокна, которые сокращают и растягивают мышцы и другие подвижные образования, такие как реснички и жгутики;

♦ белки составляют важный класс гормонов, которые передают сигналы от одного вида клеток в организме другому виду клеток;

♦ белки образуют рецепторы, которые получают сигналы, соединяясь с другими молекулами; клетка получает сигналы от гормонов, если молекула гормона соединяется с одним из ее
рецепторов; рецепторы, благодаря которым мы чувствуем вкус и запах, позволяют организму распознавать наличие небольших молекул во внешней среде и реагировать на них; белки переносят ионы и небольшие молекулы через клеточные мембраны, что необходимо для работы нашей нервной системы и таких
органов, как почки; белки регулируют все виды процессов и следят
за тем, чтобы они происходили с нужной скоростью.

Понять, каким образом устроены клетки и как они работают, можно, только узнав подробнее о некоторых функциях белков.