Dzhalmuhambetov A.Ju., Fisenko M.A

Ионная связь обусловлена кулоновским притяжением ионов. Примерами таких соединений являются NaCl, MgF2, Al2O3 и другие. В твердом состоянии благодаря ионной связи образуются ионные кристаллы.

Ковалентная связь атомов обусловлена общей парой электронов, которые занимают одну и ту же орбиталь с противоположными спинами. В этом виде связи главную роль играет специфическое квантово-механическое взаимодействие, называемое обменным взаимодействием. Энергии ковалентной связи лежат обычно в пределах от 150 до 950 кДж/моль. Примеры ковалентных молекул: Cl2, CO2, CH4, … . В твердом состоянии ковалентные связи приводят к образованию ковалентных кристаллов, таких как алмаз, кремний и других.

Для металлов в конденсированном состоянии характерна металлическая связь, когда положительные ионы стянуты вырожденным газом обобществленных валентных электронов. Благодаря наличию электронного газа металлы обладают хорошей электро- и теплопроводностью, свойственным всем металлам блеском. У химических элементов с большими атомными номерами преобладают металлические свойства, так как экранированные внутренними оболочками валентные электроны оказываются слабо связанными с ядром и легко обобществляются. При очень больших давлениях почти все элементы должны переходить в металлическое состояние,например, водород при давлениях свыше 106 Па превращается в металлический.

Между молекулами также существуют взаимодействия. Они уступают по интенсивности межатомным силам. Различают диполь-дипольные взаимодействия, вандерваальсовы силы, донорно-акцепторное взаимодействие, водородные связи и некоторые другие взаимодействия.

Диполь-дипольные взаимодействия характерны для полярных молекул и зависят от взаимной ориентации дипольных моментов молекул. Вандерваальсовы силы обусловлены мгновенной поляризацией молекул, которая приводит к их притяжению. Вандерваальсова связь примерно на порядок слабее ковалентной. Например, энергия диссоциации Cl2 составляет 243 кДж/моль, а энергия возгонки составляет 25 кДж/моль. Донорноакцепторное взаимодействие имеет место, когда молекула-донор поставляет электронную пару, а молекула-акцептор – свободные орбитали.

При взаимодействии атома водорода с электроотрицательным атомом может образоваться межмолекулярная водородная связь. Рассмотрим ее на примере фторида водорода.

- -

H F H F.

С одним атомом фтора водород связан сильнее, обычной ковалентной связью, а с другим слабее. Последняя связь получила название водородной. Она возникает из-заничтожно малых размеров поляризованного атома водорода и его способностью внедряться в электронную оболочку соседнего (ковалентно с ним не связанного) отрицательно поляризованного атома. Вследствие этого

61

наряду с электростатическим взаимодействием проявляется и донорноакцепторное взаимодействие. Водородная связь по прочности превосходит вандерваальсововзаимодействие,и ее энергиясоставляет 8–40кДж/моль.

Одним из важнейших в природе химических соединений является вода, молекула которой состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода и обладает значительным дипольным моментом. Молекула воды может образовывать четыре водородные связи. Это обусловливает строение воды и льда, а также уникальные термодинамические свойства воды, благодаря которым вода занимает особое место среди всех веществ на земле. Ведь вода – это основа жизни. В жидком состоянии молекулы воды в значительной мере ассоциированы водородными связями, в твердом состоянии водородные связи обеспечивают достаточно рыхлую тетраэдрическую структуру льда.

Кроме межмолекулярной различают внутримолекулярную водородную связь. Водородная связь играет большую роль в биополимерах. Вследствие их незначительной прочности водородные связи легко возникают и легко разрываются при обычной температуре, что весьма существенно для биологических процессов, в частности для механизма наследственности. В молекулах белка внутримолекулярные водородные связи приводят к возникновению вторичной структуры белка. Молекула ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) построена из двух нитевидных макромолекул, обвивающих друг друга в виде двойной спирали. Нити удерживаются водородными связями между азотистыми основаниями нуклеотидов. Из четырех оснований тимин может образовывать водородные связи с аденином, а цитозин – с гуанином (принцип комплементарности).

Существует обширный класс так называемых комплексных соединений. Образование комплексов обусловлено взаимодействием между молекулами, ионами. Причиной комплексообразования может быть как электростатическое, так и донорно-акцепторное взаимодействие. В большинстве комплексных соединений выделяются центральный атом (комплексообразователь) и координированные вокруг него молекулы – лиганды.

Комплексные соединения широко распространены в природе и играют важную роль в биологических процессах. Например, гемоглобин крови

(комплексообразователь Fe2+) и хлорофилл зеленых растений (комплексообразователь Mg2+).

Химическая реакция – это качественный скачок, при котором исчезают одни вещества и образуются другие. Происходящая при этом перестройка электронных структур атомов, ионов и молекул, сопровождается выделением или поглощением энергии. Состояние системы (вещества или совокупности веществ) описывается с помощью ряда термодинамических параметров: температуры Т, давления Р, объема V, массы m. Для характеристики состояний системы и происходящих в ней изменений важно знать такие величины, как внутренняя энергия U, энтальпия H, энтропия S, тер-

62

модинамический потенциал Гиббса G. По их изменению можно судить об энергетике процесса.

Из определения энтальпии (H = U + PV) следует, что ее изменение в элементарном процессе равно:

Так как согласно первому закону термодинамики dQ dU PdV , равенст-

где dQ – элементарное количество теплоты, получаемой системой. Отсюда следует, что при постоянном давлении (P = const) имеет место равенство:

Отсюда видно, что в изобарном процессе энергетический эффект химического процесса находится как изменение энтальпии.

Кроме энтальпии важную роль в химических реакциях играет энтропия – мера хаотичности движения частиц. Стремление частиц объединиться отражает уменьшение энтальпии, а стремление разъединиться увеличивает энтропию. Направление процесса при постоянных давлении и температуре (P = const, T = const) определяет изменение потенциала Гиббса (G = H – TS), которое в этом случае равно:

Если потенциал Гиббса уменьшается (dG < 0), то реакция может протекать самопроизвольно, без добавления энергии. Если же потенциал Гиббса увеличивается (dG > 0), то химический процесс не может идти самопроизвольно. Если потенциал Гиббса не изменяется (dG = 0), то в системе имеет место химическое равновесие (при P = const, T = const).

Из соотношения (8.6) видно, что самопроизвольному протеканию процесса способствует уменьшение энтальпии (dH < 0) и увеличение энтропии (dS > 0). Чем меньше dH и чем больше dS, тем лучше проходит самопроизвольное протекание химического процесса.

По величине изменения потенциала Гиббса можно судить о принципиальной возможности реакции. Однако эта величина ничего не говорит о реальной возможности протекания реакции в данных условиях, не дает представления о скорости и механизме реакции. Даже при положительном энергетическом выходе большинство реакций не может происходить самопроизвольно. Это связано обычно с наличием активационного энергетического барьера. Например, таковой является обычная реакция горения (окисления) углерода. Для ее начала необходима температура выше температуры возгорания, при которой тепловой энергии частиц будет достаточно для преодоления энергетического барьера, характеризуемого энергией

63

Энергетический выход положительный ( G298 = –229 кДж/моль), но при комнатной температуре смесь водорода с кислородом сохраняется длительное время без заметных изменений. При температуре 700 С реакция протекает практически мгновенно (взрыв).

Таким образом, скорость протекания реакции очень сильно зависит от температуры. Это связано с активационным характером реакций. Скорость реакции в очень сильной степени зависит от соотношения энергии активации Ea и температуры T:

Здесь k – постоянная Больцмана.

Энергетическая схема (энтальпийный профиль) хода химической реакции типа A + B = AB в зависимости от координаты реакции x представлена на рисунке 5. Из рисунка видно, что энергия активации, есть энергия образования активированного комплекса A … B.

H

A…B

Ea

A+B

AK

H

AB

x

Рис. 5. Ход реакции

При достаточно большой энергии активации даже выгодная в энергетическом плане реакция может практически не происходить, если ее скорость при допустимых температурах оказывается ничтожно малой. Одним из наиболее распространенных методов ускорения реакций является катализ. В присутствие катализатора изменяется путь химической реакции. Катализатор участвует в промежуточном химическом взаимодействии с компонентами, но в итоге реакции восстанавливается. Увеличение скорости реакции связано с меньшей энергией активации нового пути реакции. В биохимических реакциях катализаторами являются ферменты. Именно они управляют химическими процессами, происходящими в живых системах. Поэтому роль ферментативныхпроцессов чрезвычайновеликав биологических системах.

64

Задачи с решениями

Задача 1.8.1. Оцените молярную энергию водородных связей молекул воды, если ее удельная теплота парообразования составляет r= 2,3 МДж/кг. На одну молекулу воды в кристалле льда приходится две водородные связи O…H (каждая молекула связана с четырьмядругими).

Решение. Молярная масса воды = 18 10–3 кг/моль. Поэтому количество энергии, необходимой для разрыва одной водородной связи равно

E1 2,3 103 18 10 3 20,7кДж/моль. 2

Эта величина дает представление об энергии водородных связей.

Задача 1.8.2. Структуру льда обеспечивают водородные связи между молекулами воды. Оцените долю водородных связей, разрываемых при плавлении льда, если удельная теплота плавления льда равна = 0,33 МДж/кг. Какова роль водородных связей между молекулами воды в жидком ее состоянии?

Решение. Отношение удельной теплоты плавления льда к удельной теплоте парообразования воды r дает искомую оценку доли разорванных водородных связей воды:

0,33 0,14. r 2,3

Отсюда видно, что при плавлении льда разрывается около 14 % водородных связей, а остальные продолжают связывать молекулы между собой. Следовательно, молекулы воды в жидком состоянии сильно ассоциированы в достаточно большие кластеры, так как большинство связей между ними сохраняются.

Задача 1.8.3. Оцените энергетический выход для процесса горения углеводородного топлива (бензина, керосина и др.), химическую формулу которых можно приближенно представить в виде n (CH2). Какой будет величина энергетического эффекта реакции в расчете на один атом углерода? Удельная теплота сгорания составляет приблизительно q = 43 МДж/кг.

Решение. В упрощенном виде схему процесса горения углеводородного топлива можно записать в виде:

CH2 + 3 O2 = CO2 + H2O + Q.

2

Молярная масса группы CH2 равна = 14 10–3 кг/моль. Поэтому молярный энергетический выход реакции можно оценить как:

Q q 43 103 14 10 3 602 кДж/моль.

Так эта величина представляет собой энергию ковалентных связей, она определяет масштаб энергии ковалентных связей в органических молекулах.

65

Сравнение с результатом решения задачи 1.8.1 показывает, что ковалентные химические связи интенсивнее водородных более чемна один порядок.

Группа CH2 содержит один атом углерода. Поэтому величину энергетического эффекта в расчете на один атом углерода находим, поделив найденную величину Q на число атомов углерода в одном моле, то есть на число Авогадро.

Такое количество энергии выделяется в расчете на один атом углерода.

Вопросы для самоконтроля

1.Какие системы и процессы изучает химия?

2.Какова природа ковалентной химической связи атомов?

3.Какую роль играют внутримолекулярные водородные связи в сложных биологических молекулах?

1.9. Биологические системы. Биосфера

Среди макросистем, изучаемых естественными науками, особо выделяются биологические объекты или объекты живой материи. К ним относятся: животные, растения, грибы, бактерии и вирусы. Природа жизни, ее происхождение, разнообразие живых существ и объединяющая их структурная и функциональная близость занимают одно из центральных мест в биологии. Биология XX в. углубила понимание существенных черт живого, раскрыв молекулярные основы жизни.

В основе современной биологической картины мира лежит представление о том, что мир живого – это грандиозная система высокоорганизованной материи, в которой выделяют следующие уровни: молекулярногенетический; клеточный; организменный; популяционно-видовой; биогеоценотический; биосферный.

Молекулярно-генетический уровень. В состав любой живой системы входят биологические макромолекулы: нуклеиновые кислоты (состоят из нуклеотидов, сахара и азотосодержащего основания), белки, углеводы (моно-, ди- и полисахариды), липиды (жиры и жироподобные вещества). На этом уровне происходят обмен веществ, превращение энергии, передача наследственной информации. Размеры биологических макромолекул составляют примерно от 1 нм до 10 нм. Например, размеры аминокислот

lаминокислоты 0,3 нм.

Главными компонентами живых систем являются белки (протеины). Молекулы белков – это нерегулярные биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты, соединенные пептидными связями (–CO–NH–). В состав белков входит 20 аминокислот. Число мономеров может достигать

66

нескольких тысяч. Первичная структура молекулы белка представляет собой полипептидную цепь. Она закручивается в виде спирали, витки которой соединяются между собой водородными связями, образуя вторичную структуру. Молекула белка может образовывать третичную структуру в виде глобулы или фибриллы. Комплексы из нескольких молекул образуют четвертичную структуру. Массы большинства белковых молекул лежат в пределах от 300 до 30000 а.е.м. Например, масса молекулярного комплекса гемоглобина, состоящего из четырех глобулярных белковых молекул, составляет примерно 36000 а.е.м., фермента рибонуклеазы – 12700 а.е.м., а гормона инсулина – 5700 а.е.м.

На молекулярно-генетическом уровне изучаются: генетический код, мутации, различия между бесполым и половым размножением. Носителями наследственной информации являются хромосомы и гены. Основу гена составляют нуклеиновые кислоты – нерегулярные биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Генетический код о структуре молекул белка зашифрован в молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). В состав ДНК входят нуклеотиды: аденин, тимин, гуанин и цитозин. Состав рибонуклеиновой кислоты(РНК) – аденин, урацил, гуанин и цитозин.

Английский биофизик М. Уилкинс в 1950 г. получил рентгенограмму ДНК, которая позволила определить структуру молекулы в виде двойной спирали. В 1953 г. английский биофизик Ф. Крик и американский биохимик Дж. Уотсон установили расположение нуклеотидов в двойной цепи и принцип комплементарной связи между ними. Это открыло путь к пониманию процессов передачи наследственной информации в живых системах. Функции ДНК – хранение, воспроизведение и передача наследственной информации. Молекулы РНК переносят информацию от ДНК и участвуют в процессе синтеза белков.

Роль элементов питания в живых системах играют молекулы аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), тоже относящейся к нуклеиновым кислотам. Молекулярная масса АТФ приблизительно равна 500 а.е.м. В процессе гидролизного расщепления АТФ на аденозиндифосфорную кислоту (АДФ) и остаток фосфорной кислоты (HPO3) освобождается приблизи-

К молекулярно-генетическому уровню относятся вирусы, которые являются неклеточной формой жизни, занимающей промежуточное положение между живой и неживой материей. Они были открыты в 1892 г. Д.И. Ивановским. Предполагается, что вирусы – это сильно дегенерированные клетки или их фрагменты, которые в процессе эволюции приспособились к паразитизму и утратили почти все органеллы. Вирусы состоят из ДНК или РНК и белка. Они не способны к самостоятельному синтезу белка. Свойства живых организмов вирусы проявляют, только попадая в клетки и используя их обмен веществ для собственной репродукции.

67

Размеры вирусов составляют от 15 до 300 нм. В сердцевине находится ДНК или РНК. При попадании вируса в клетку нуклеиновая кислота впрыскивается в клетку, а белковая капсула остается на клеточной оболочке. Таким образом, геном вируса, встраиваясь в наследственный аппарат клетки хозяина, изменяет его и направляет синтез вирусных компонентов.

Клеточный уровень. Клетка представляет собой основную структурную и функциональную единицу многоклеточных организмов. В случае одноклеточных она являет собой элементарную живую систему, способную к самовоспроизведению. С клетки начинается онтогенез – индивидуальное развитие особи, вся совокупность ее преобразований от зарождения до конца жизни. На клеточном уровне сопрягаются передача информации и превращение веществ и энергии. Впервые термин «клетка» ввел Р. Гук. Авторами клеточной теории стали М. Шлейден и Т. Шванн (1838–1839).

Различают безъядерные клетки – прокариоты, размеры которых лежат в пределах от 1 до 5 мкм, и клетки с ядрами – эукариоты, средние размеры которых составляют величину порядка 25 мкм. Например, яйцеклетка страуса имеет размеры около 10 см, а нервная клетка с отростками достигает примерно 1 м.

Отдельно взятая клетка представляет собой сложное образование, в ее состав входит около 70 химических элементов. Определяющую роль играют четыре элемента: кислород (65–75 %), углерод (15–18 %), водород (8–10 %) и азот (1,5–3 %). Десятые и сотые доли процента приходятся на серу, фосфор, калий, натрий, кальций, магний, марганец, железо, хлор. Остальные элементы присутствуют в гораздо меньших количествах.

На 75–85 % по массе клетка состоит из воды. Вода – это основная среда для протекания биохимических реакций клетки. Она является источником кислорода и водорода, а также транспортным средством. Других неорганических веществ в составе клетки 1,0–1,5 %.

В состав клетки входят следующие органические вещества: белки (10–20 % массы), нуклеиновые кислоты (1–2 %), углеводы (0,2–2 % массы), жиры (1–5 %) и ряд веществ с относительно небольшими молекулами – гормоны, пигменты, АТФ и другие. В растительных клетках преобладают сложные углеводы – полисахариды, в животных – белки и жиры.

Основным регулятором поступления веществ в клетку и выхода их из нее является клеточная мембрана. Пассивный транспорт веществ через мембрану осуществляется благодаря диффузии и осмосу, а активный перенос – с помощью молекул-переносчиков и фагоцитоза, то есть активного захвата пищевых веществ мембраной. Регулирующая функция клеточных мембран позволяет удерживать химический состав клетки в определенных пределах.

Самыми древними прокариотическими клеточными организмами являются бактерии, которые широко распространены в природе. Они играют важнейшую роль редуцентов органического вещества, фиксаторов азота. Бактерии могут являться возбудителями заболеваний животных и челове-

68

ка. Некоторые виды бактерий используются для получения антибиотиков, молочнокислых продуктов, спиртов.

Клетка бактерий покрыта муреиновой оболочкой, тонкой клеточной стенкой. В ее цитоплазме находятся рибосомы и включения в виде крахмала, гликогена и жиров. Многие бактерии имеют жгутики. Наследственный материал бактерий содержится в нуклеоиде в виде кольцевой молекулы ДНК. По способу питания различают гетеротрофные и автотрофные бактерии, а по способу использования кислорода – аэробные и анаэробные. В большинстве своем бактерии бесцветны, красящие вещества – пигменты содержат цианобактерии.

Цианобактерии (сине-зеленые) возникли свыше 3 млрд. лет тому назад. Их клетки с многослойными стенками состоят из полисахаридов. Встречаются одноклеточные, многоклеточные и колониальные формы. По строению они похожи на бактерии, но в отличие от них способны к фотосинтезу. Цианеи размножаются делением или распадом колоний и широко распространены в биосфере. Они способны очищатьводу, разлагая продукты гниения.

Организменный уровень. Организм – это живая система клеток, которая, существуя во внешней среде, постоянно обменивается с ней веществом. Отдельно взятые организмы способны размножаться и адаптироваться к условиям среды. Единица этого уровня – особь. Клетки организма дифференцированы, они образуют ткани и органы.

Ткань – это группа физически объединенных клеток и межклеточного вещества для выполнения определенной функции. Виды ткани: эпителиальная, соединительная, мышечная, нервная.

Орган – это относительно крупная функциональная единица, которая объединяет различные ткани в некоторые комплексы. Органы объединяются в системы органов для выполнения определенной функции.

Популяционно-видовой уровень. Популяция – это совокупность организмов одного вида с единым генофондом, занимающих определенную территорию (ареал). В этой системе осуществляются элементарные эволюционные преобразования.

Популяция характеризуется специфическими свойствами, которыми не обладают отдельные организмы данного вида. На этом уровне выявляются: численность и плотность населения, половой и возрастной состав, уровень размножения и смертности. Популяция не имеет свойственной организмам отграниченности от среды и от других популяций. Интеграция функций отдельных особей, составляющих популяцию, осуществляется качественно иным путем, нежели интеграция функций органов в организме. Сами особи, образующие популяцию, сохраняют ярко выраженную самостоятельность. Организм относительно недолговечен, популяция же при сохранении необходимых условий практически бессмертна.

Популяция обладает и определенным сходством с организмом как системой. Популяциям присущи такие свойства, как структурированность,

69

интегрированность составных частей (целостность), авторегуляция и способность к адаптации.

Биогеоценотический уровень. Биоценоз – это целостная группа популяций с общей территорией обитания, отличающейся от других соседних территорий природно-климатическими и другими условиями.

Биоценоз представляет собой эволюционно сложившуюся многовидовую биологическую (экологическую) систему. В ее состав входят представители различных таксонов, отличающиеся по своим экологическим и физиологическим свойствам и связанные по многим формам биологических отношений, как между собой, так и с окружающей их неорганической средой. Эти связи определяют целостность и способность к самоподдержанию многовидовых систем.

Под биогеоценозом понимают единство биоценоза с неживой природой, то есть живых существ со средой обитания: с температурными, географическими, атмосферными условиями.

Биосферный уровень. Совокупность всех биогеоценозов образует биосферу. На биосферном уровне происходят круговорот веществ и превращения энергии, связанные с жизнедеятельностью всех живых организмов, формируются сложные пищевые цепи, объединяющие все живое.

Зарождение жизни и эволюция клетки

Вопрос о происхождении жизни является одним из наиболее трудных и в то же время интересных в современном естествознании. Во второй половине XIX в. теории Ч. Дарвина и Л. Пастера опровергли теорию самозарождения жизни из неживой материи, восходящую к Аристотелю. Фундаментальный вопрос о происхождении жизни и до сегодняшнего дня является предметом дискуссий и гипотез. Остановимся на современной, наиболее аргументированной гипотезе, получившей название теории биохимической эволюции, в соответствие с которой выделяются следующие этапы

впроцессе возникновение жизни на Земле.

1.Предполагается, что древняя атмосфера Земли состояла в основном из водяного пара H2О, водорода H2, метана CH4 и аммиака NH3. Возникновению жизни предшествовали образование и накопление органических молекул, и перенос их дождями в океаны. В 1953 г. С. Миллер экспериментально доказал, что в такой газовой среде под действием тепла и электрических разрядов могут получаться составляющие белков – аминокислоты. Ему также удалось синтезировать аденин и рибозу. Позже Л. Орджел синтезировал простые нуклеиновые кислоты.

2.В течение миллионов лет органические молекулы накапливались в океане. Некоторые из них благодаря химическим реакциям образовывали более крупные и более сложные молекулы. Из аминокислот благодаря пептидным связям образуются молекулы белков, которые могут распадаться в процессе гидролиза. А.И. Опарин (1923) предположил, что ре-

70