449

Г л. III. Химические компоненты живой материи

В анафазе I нити веретена растаскивают центромеры и связанные с ними пары хроматид, к противоположным полюсам, то есть происходит уменьшение числа хромосом вдвое .

В телофазе I расхождение гомологичных центромер завершается. Заметим, что находящиеся на каждом полюсе хромосомы содержат теперь не идентичные хроматиды, благодаря произошедшему кроссинговеру (рис. 2–6). У животных и некоторых растений хроматиды у каждого полюса в период телофазы I деспирализуются, окружаются ядерной мембраной. Происходит образование двух клеток и переход к мейозу II.

Интерфаза II (рис. 2–4) наблюдается обычно только в животных клетках. Фаза S отсутствует, репликация ДНК не происходит.

В профазе II ядрышки и ядерные мембраны разрушаются, хроматиды уплотняются и укорачиваются. Центриоли перемещаются к противоположным полюсам, образуются нити веретена.

В метафазе II центромеры выстраиваются в экваториальной плоскости, в которой располагаются и длинные оси хроматид.

В анафазе II центромеры делятся и нити веретена растаскивают их к противоположным полюсам. С каждой центромерой связана одна из отделившихся друг от друга хроматид, которые называются теперь новыми хромосомами.

В телофазе II хромосомы деспирализуются, удлиняются. Нити веретена исчезают. Формируются ядра, делится цитоплазма (у животных) или образуется клеточная стенка (у растений).

Таким образом, в результате мейотического деления образуются четыре дочерние клетки с гаплоидным набором хромосом, называемые гаметами. При оплодотворении, ядра двух родительских гамет сливаются, образуя диплоидную клетку – зиготу (от греч. zygōtos – соединение вместе), содержащую наследственный материал для всего организма потомка. Большинство многоклеточных животных и растений начинает свой жизненный путь с одной этой клетки – зиготы. Сложный высокодифференцированный организм образуется из одной зиготы в результате митотических делений зиготы с дифференциацией.

III. Химические компоненты живой материи

В организации живой материи огромную роль играют макромолекулы – гигантские молекулы, построенные из повторяющихся звеньев (структурных единиц), называемых мономерами. Сама макромолекула представляет собой полимер (см. ч. III, с. 306–332). К макромолекулам относятся: полисахариды (углеводы), полипептиды (белки) и полинуклеотиды (нуклеиновые кислоты). Макромолекулы составляют ~90% сухой массы клеток.

Все макромолекулы можно разделить по их назначению на две группы: информационные, в которых информация закодирована в последовательности мономерных звеньев и неинформационные – не несущие и не передающие генетическую информацию. К первой группе относятся белки и нуклеиновые кислоты, ко второй – углеводы.

§3.1. Принцип изолобальной аналогии

“Принцип изолобальной аналогии” (отбора по орбитальной симметрии) был установлен Р. Хофманом и К. Фукуи. За работы в этой области им была присуждена Нобелевская премия 1981 г. Принцип заключается в том, что в молекулах изолобальные группы взаимозаменяемы.

Изолобальными называются группы атомов (фрагменты молекул, молекулы), имеющие одинаковое число граничных орбиталей с близкой симметрией и пространственным строением, близкими энергиями и с одинаковым числом электронов на них. Под граничными орбиталями подразумеваются высшие по энергии заполненные орбитали и низшие вакантные. Изолобальность групп А и В обозначается символом . В органической химии изолобальными группами являются, например, группы с одной валентной граничной орбиталью и одним электроном на ней: .

В группе СН₃ у С(2s²2p²) три гибридных sp²-орбитали, расположенные в плоскости (xy), образуют σ-связи с тремя атомами H, а орбиталь p_z, заполненная одним электроном, не участвует в образовании связи.

В группе NH₂ p_x- и p_y-орбитали атома N(2s²2p³) образуют σ-связи с двумя атомами H и остается одна p_z-орбиталь, заполненная наполовину, также как в группе CH₃.

В группе OH, в одной из моделей, p_y-орбиталь O(2s²2p⁴) образует связь с атомом H, а другая – p_z не участвует в связи и заполнена одним электроном. Во второй модели, у О рассматривается sp³-гибридизация с образованием двух полностью заполненных, а двух наполовину заполненных электронами орбиталей. Одна из не полностью заполненных гибридных sp³-орбиталей образует σ-связь с атомом H, а другая – не участвует в связи, но имеет симметрию, близкую к p_z-орбитали.

У F (2s²2p⁵) и Cl (3s²3p⁵) также имеется по одной наполовину заполненной p-орбитали.

Изолобальными являются СН и N: , имеющие по три наполовину заполненных граничных sp³-гибридных орбитали.

В химии металлорганических соединений принцип изолобальности часто используется в упрощенном виде. В этом случае для изолобальности остаются требования равного числа граничных орбиталей и равного числа электронов на них. При выполнении этих условий считается, что остальные требования приближенно выполняются.

Рассмотрим в качестве примера металлоорганическое соединение с октаэдрической координацией (координационным числом равным шести) Mn^2–(CO)₅. Ион Mn^2– (3d⁷4s²4p⁰5s⁰) при небольшой затрате энергии переходит, изменяя распределение электронов на d-орбиталях, из состояния в состояние . При 3d²4p³5s¹-гибридизации образуется шесть гибридных орбиталей с октаэдрической симметрией, пять из которых свободны, а одна заполнена наполовину. В молекуле лиганда (окиси углерода С=О) атомы связаны двойной связью: σ- и π-. При образовании металлорганического комплекса Mn^2–(CO)₅ пять свободных орбиталей Mn^2– связываются σ-связями с заполненными π-орбиталями пяти молекул С=О. Остается одна гибридная орбиталь с одним электроном на ней.

Группе Mn^2–(CO)₅ изолобальна группа CH₃, у которой три из четырех sp³-гибридных орбиталей связаны с атомами H, а четвертая гибридная орбиталь заполнена одним электроном.

У группы CH₂ две гибридных sp³-орбитали образуют σ-связи с двумя атомами водорода, а две другие имеют по одному электрону. Ей изолобальна группа Ru(CO)₄. У рутения Ru (4d⁷5s¹5p⁰) после перехода в состояние (4d⁸5s⁰5p⁰) и d²sp³-гибридизации образуется шесть орбиталей, две из которых имеют по одному электрону. Четыре свободных орбитали связываются с заполненными π-орбиталями четырех молекул СО. Остаются, так же как и у изолобальной группы CH₂, две одноэлектронных орбитали.

Заметим, что одна группа может быть изолобальным аналогом совокупности нескольких групп. Например, молекула С₆Н₆ (бензольное кольцо с сопряженными связями) является аналогом совокупности трех двухэлектронных лигандов СО: , так как число заполненных π-орбиталей у С₆Н₆ равно числу аналогичных орбиталей у трех молекул СО.

В пятичленном кольце С₅Н₅, как и в шестичленном С₆Н₆, все связи между атомами идентичны, благодаря образованию многоцентровой π–орбитали, возникающей при перекрытии p_z орбиталей, перпендикулярных плоскости колец, с одним электроном на каждой. Это позволяет считать изолобальными как сами группы , так и соединения .

Таким образом, из принципа изолобальной аналогии следует, что, если в каком-либо известном соединении заместить группу молекул (или одну молекулу) на изолобальную группу, то получится устойчивое соединение с заранее предсказуемыми свойствами и структурой. К началу 1990-х годов стало ясно, что нет принципиальной разницы в структурах молекул, содержащих скелеты из атомов металлов, атомов углерода или из атомов других элементов, что означает, что нет резкой границы между органическими и неорганическими соединениями.