31. Водородная связь.

Межмолекулярная и внутримолекулярная водородная связь

Химические связи в молекулах обычно очень прочны, их энергия находится в пределах 100—150 кДж/моль. Кроме этого, существуют так называемые водородные связи, прочность которых составляет 10—40 кДж/моль. Длина этих связей соответственно 270—230 пм.

Водородной связью между атомами Э_А и Э_В назы–вается взаимодействие, осуществляемое атомом во–дорода, соединенным с Э_А или Э_В химической связью.

Изображение водородной связи в общем случае имеет вид:

Э_А—Н ...Э_в..

Очевидно, что водородная связь трехцентровая, так как в ее образовании принимают участие 3 атома. Для возникновения такой связи необходимо, чтобы атомы Э_А и Э_В обладали большой электроотрицательностью. Это атомы наиболее отрицательных элементов: азота (ОЭО = 3,0), кислорода (ОЭО = 3,5), фтора (ОЭО = 4,0) и хлора (ОЭО = 3,0). Водородная связь образуется в результате комбинации ls—AO водорода и двух 2р-АО атомов Э_А и Э_В; 2р-орбитали ориентированы вдоль одной прямой. Поэтому водородная связь линейная.

Водородная связь называется:

1) внутримолекулярной, если атомы Э_А и Э_В , соединен–ные этой связью, принадлежат одной и той же мо–лекуле;

2) межмолекулярной, если атомы Э_А и Э_В находятся в разных молекулах.

Внутримолекулярные водородные связи играют важ–нейшую биологическую роль, так как определяют, на–пример, спиральную структуру полимерных молекул белков. В белках это связи N—Н…О между амино–кислотными остатками. Не менее важны межмолекулярные водородные свя–зи. С их помощью соединены цепи нуклеиновых кислот, образующих двойную спираль. Здесь имеются два типа связей между нуклеиновыми основаниями – N—H—N и N—Н—О.

Средняя кинетическая энергия теплового движения молекул имеет значение порядка 3/2RT. При температу–ре человеческого тела 37°С (310 °К) это составляет око–ло 4 кДж/моль. Прочность водородных связей находит–ся в пределах 10—40 кДж/моль, поэтому они достаточно прочны, чтобы выдерживать постоянные удары окру–жающих молекул и обеспечивать постоянство формы полимерных биологических структур. Вместе с тем при ударах активных молекул водородные связи периоди–чески разрываются, затем вновь восстанавливаются, обеспечивая протекание различных процессов жизне–деятельности.

Рассмотренные примеры наглядно иллюстрируют бо–лее широкий круг применения метода МО ЛКАО, чем метода ВС. Тем не менее метод ВС может успешно ис–пользоваться для прогнозирования свойств и строения многих веществ, и в том числе комплексных соединений.

32. Макро– и микроэлементы в среде и в организме человека

Существуют различные классификации химиче–ских элементов, содержащихся в организме человека. Так, В. И. Вернадский в зависимости от среднего содер–жания (массовой доли w, %) в живых организмах делил элементы по декадной системе. Согласно этой клас–сификации элементы, содержащиеся в живых орга–низмах, делят на три группы: макро-, микро– и ультра–микроэлементы.

Макроэлементы

Это элементы, содержание которых в организме вы–ше 10^-2%. К ним относятся кислород, углерод, водород, азот, фосфор, сера, кальций, магний, натрий и хлор.

Микроэлементы

Это элементы, содержание которых в организме на–ходится в пределах от-10^-3 до 10^-5%. К ним относятся йод, медь, мышьяк, фтор, бром, стронций, барий, ко–бальт.

Ультрамикроэлементы

Это элементы, содержание которых в организме ниже 10^-5%. К ним относятся ртуть, золото, уран, торий, радий и др.

В настоящее время ультрамикроэлементы объеди–няют с микроэлементами в одну группу. Эта класси–фикация отражает только содержание элементов в живых организмах, но не указывает на биологиче–скую роль и физиологическое значение того или ино–го элемента.

В. В. Ковальский, исходя из значимости для жизне–деятельности, подразделил химические элементы на три группы.

Жизненно необходимые (незаменимые) элементы

Они постоянно содержатся в организме человека, вхо–дят в состав ферментов, гормонов и витаминов: Н, О, Са, N, К, Р, Na, S, Mg, d, С, I, Mn, Cu, Co, Fe, Zn, Mo, V. Их де–фицит приводит к нарушению нормальной жизнедея–тельности человека.

Примесные элементы

Эти элементы постоянно содержатся в организме жи–вотных и человека: Ga, Sb, Sr, Br, F, В, Be, Li, Si, Sn, Cs, Al,

Ba, Ge, As, Rb, Pb, Ra, Bi, Cd, Cr, Ni, Ti, Ag, Th, Hg, U, Se.

Биологическая роль их мало выяснена или неизвестна. Примесные элементы

Sc, Tl, In, La, Pr, Sm, W, Re, Tb и др. Обнаружены в ор–ганизме человека и животных. Данные о количестве и биологическая роль пока не выяснены.

Элементы, необходимые для построения и жиз–недеятельности различных клеток и организмов, называются биогенными элементами.

Точно перечислить все биогенные элементы в настоя–щее время еще невозможно из-за сложности определе–ния очень низких концентраций микроэлементов и уста–новления их биологических функций. Для 24 элементов биогенность установлена надежно. Это элементы пер–вой и некоторые элементы второй групп (по Ковальскому).