11.4. Особенности строения атома углерода и его роль в живой природе

Примерно из ста химических элементов, встречаю­щихся в земной коре, для жизни необходимы только 16, причем четыре из них—водород (Н), углерод (С), кислород (0) и азот (N) наиболее распространены в живых орга­низмах и составляют 99% массы живого. Биологическое значение этих элементов связано с их валентностью (1,2, 3, 4) и способностью образовывать прочные ковалентные связи, которые оказываются прочнее, чем связи, образу­емые другими элементами той же валентности. Следую­щими по важности являются фосфор (Р), сера (S), ионы натрия, магния, хлора, калия и кальция (Na, Mg, С1, К, Са). В качестве микроэлементов в живых организмах присутст­вуют также железо (Fe), кобальт (Со), медь (Си), цинк (Zn), бор (В), алюминий (А1), кремний (Si), ванадий (V), молибден (Мо), йод (I), марганец (Мп).

С точки зрения химии жизнь — это всевозможные превращения разнообразных крупных и сложных молекул, главным элементом которых является углерод. Он важен не с точки зрения распространенности на Земле, в земной коре углерода всего 0,055%, в то время как кислорода 60,50%, кремния 20,45% и даже титана 0,27%. В атмосфере двуокиси углерода 0,03%, т.е. углерода всего 0,008%. Все биологически функциональные вещества, кроме нескольких солей и воды, содержат углерод. Это белки, жиры, углеводы, гормоны, витамины. Число соединений углерода огромно. Они называются органическими соединениями, поскольку когда-то считалось, что такие молекулы могут образовы­ваться только в живых организмах.

Соединениями углерода занимается органическая химия — одна из важнейших областей химии. Органика разлагается, горит при не очень высокой температуре, при сгорании в воздухе углерод окисляется до С0₂. Громадное большинство органических соединений содержит водород, который тоже окисляется до воды. Чистый углерод встре­чается в природе в виде графита и алмаза. До 1829 г. сторонники витализма считали, что без участия живого нельзя получить органические соединения, только «жиз­ненная сила» способна изготовить уксусную кислоту или спирт. Немецкий химик Ф.Велер доказал ложность этого учения. Велер получил мочевину выпариванием раствора циановокислого аммония NH₄NCO—соли, которую можно изготовить из простых веществ, не связанных с жизнедея­тельностью организмов. Этот синтез был первым примером искусственного получения органики.

Сегодня синтезированы сложнейшие вещества, которые не созданы и в природе. В технике углерод занимает все большее место: природные и синтетические волокна,природный и синтетический каучук, пластмассы, нефте­продукты, бумага, красители, чугун, медикаменты...

Идею о четырехатомности углерода высказал в1858 г. шотландский химик А.С.Купер, его поддержал Ф.Кекуле в статье «О строении и превращениях химических

соединений и химической природе углерода». Кекуле исходил из того, что атом углерода всегда связан с че­тырьмя атомами одновалентного элемента или двумя атомами двухвалентного, т.е. сумма единиц сродстваэлементов, связанных с углеродом, равна четырем. Ясное понимание четырехвалентное™ углерода определило создание теории строения органических соединений,развитой А.М.Бутлеровым. Он сформулировал определение понятия химического строения как способа связей в молекуле. Бутлеров считал, что химический характервеществ зависит от природы и количества его составных частей и химического строения соединения. С помощью структурной теории развивалась систематика органических соединений. Структурные формулы наглядно отражали связь формулы со свойствами вещества, объяснили изоме­рию и предсказали свойства неизвестных еще соединений.

Органическая химия посвящена изучению углерода и его соединений. Атомный номер углерода — 6, ядро содер­жит 6 протонов и 6 нейтронов, вокруг ядра вращаются 6 электронов, масса атома равна 12. При химическихреакциях углерод способен присоединить 4 электрона и образовать устойчивую оболочку из 8 электронов, т.е. имеет валентность, равную четырем, и способен к прочной кова-лентной (присоединением электронов) связи. Например, эмпирическая формула одного из таких прочных соеди­нений, метана, — СН₄, а в структурном изображении — это тетраэдр (четыре симметричные связи углерода).

Зная валентность углерода, можно достаточно просто изобразить положение всех недостающих водородных атомов, что позволяет сосредоточить внимание на наиболее важных связях и химических группах. Такие прочные ковалентные связи углерод может образовывать и с ато­мами других элементов (Н, О, Р, N, S), и с углеродными (С — С связь). Внутреннее отличие органики от боль­шинства неорганических соединений выражается в том, что химические связи, как правило, в органических соеди­нениях валентные, а ионные связи — очень редки.

Способность углерода образовывать стабильные цепи и кольца, которые обеспечивают разнообразиеорганических соединений, и эти связи могут быть крат­ными, является уникальным его свойством (рис.14).

Октан — это восемь атомов углерода в окружении водородных, образующих цепочку, в которой атомы лежат не на прямой, а зигзагообразно, свободно вращаясь в местах сочленения. Октан и его изомеры, состоящие из того же числа атомов, но имеющие разветвленную структуру из-за боковых углеводородных групп, входят в состав бензина. Маленькая капелька этой жидкости имеет больше молекул, чем Галактика звезд. Некоторые молекулы свернуты в клубок, некоторые вытянуты в длину, большинство же находится в промежуточном состоянии. «Молекулы октана корчатся и извиваются, скручиваются и раскручиваются,

119

так что галлон бензина больше похож на вместилище молекулярных личинок, чем на коробку с короткимипалочками». Молекула тринитротолуола симметрична. Ее шесть атомов кислорода готовы к окислению: реакция внутримолекулярного высвобождения энергии происходит мгновенно и начинается от легкого толчка.

Понятие о двойной связи углерода ввел австрийский физик ЙЛошмидт при рассмотрении расположения атомов в пространстве (1861 г.). Для изображения бензола он использовал окружность, в которой наметил шесть точек для расположения атомов водорода. Чередуя одинарные и двойные связи, Кекуле соединил шесть атомов углерода в ячейки, подобные пчелиным сотам, и у каждого из атомов С осталось по одной свободной валентности для каждого из шести атомов водорода. Так, у Кекуле формула С₆Н₆ превратилась в структурную формулу бензола, его знаме­нитое «бензольное кольцо», отражающее наглядно четырех-валентность углерода. Свой успех он называл «игрой воображения» и говорил, что картина «бензольного кольца» возникла у него перед глазами во время размышлений перед камином. И на «Празднике бензола» (1890 г.), еще при жизни Кекуле, и на торжествах, посвященных столетию Кекуле в 1929 г., отмечалось не только важное научное, но и промыш­ленное значение установления строения бензола. Без этого невозможно было понять и строение сложных углево­дородов, и их соединений, и производных. Правда, струк­турные формулы Кекуле были двухмерными и не могли отразить такое свойство молекул, как изомерию.

Разница в строении молекул крахмала (источника энергии) и целлюлозы (строительного материала клеток растений) заключается лишь в небольшом изменении конфигурации водородной связи между мономерными звеньями в цепи. Другой пример: отличие в окраске алых маков от синих васильков связано с отличием одного атома из тридцати, составляющих пигмент окраски. Фиолетовый краситель цианидин, которым особенно богата ежевика, входит в состав обоих цветов. Кислый сок васильков богат ионами водорода, способными в определенном местеприсоединяться к молекулам цианидина. Насыщенная водородом молекула активно поглощает красные лучи, отражая синие. У маков щелочная среда практически не содержит свободных катионов водорода, краситель оказы­вается ненасыщенным, поэтому они поглощают синие лучи, отражая красные. Отличие мужских половых гормонов (тестостеронов) от женских (экстрадиолов) состоит в замене атома кислорода молекулой гидроксильной группы (ОН) и убирании метильной группы (СН₃) в одном из нескольких колец, состоящих из десятков атомов молекулы холестерина.

Сравнивая оптические свойства винной и виноградной кислот, Пастер (1848 г.) заметил, что кристаллы двойных солей виноградной кислоты вращают плоскость поляри­зации на одну и ту же величину, но одни — вправо, а

другие—влево. Отсюда он сделал вывод об асимметричном строении кристаллов и о различном пространственном > строении образующих их молекул. После установленш строения бензола и создания структурной теории на изо­мерию обратили особое внимание.

Немецкий химик-органик Й.Вислиценус обнаружил существование двух форм молочной кислоты — оптически активной и неактивной. Он попытался объяснить это_; явление на основе геометрической изомерии и писалi(1875 г.), что это связано, вероятно, с неодинаковымпространственным расположением атомов. Асимметрич­ное расположение атома углерода в это же время отметал и Вант-Гофф, расположив четыре валентности углерода в направлении вершин тетраэдра и поместив атом С в цент- \ ре. В1888 г. также немецкий химик-органик В.Мейер назвал \ такое построение «стереохимическим строением» и дал^; тем самым название новой области химии.

В1890 г. А.Ганч и швейцарский химик-неорганик А.Вер- ■■ нер распространили такое изображение на азот, посчитав', атом азота находящимся в одной из вершин тетраэдра, а; его валентные связи направленными к трем другим вер­шинам. Впоследствии гипотеза Вернера о координаци­онных соединениях металлов была подтверждена резуль­татами рентгеноструктурного анализа. В 1896 г. петер- > бургский академик П.Вальден открыл явление, названное I «обращением» знака оптической активности, — можно \ изменить направление вращения плоскости поляризации [ заменой одного из атомов (или радикалов) при тетра-эдрическом асимметричном атоме углерода. Так струк­турная химия перешла от изображения формул на плос­кости к их изображению в трехмерном пространстве.

Кратные связи, кроме углерода, могут образовывать фосфор и кислород. Размеры органических молекул опре­деляются углеродным скелетом, а химические свойства-присоединенными к нему элементами и химическими группами, насыщенностью скелета и формой молекул, которая зависит от углов связей. Среди «строительных блоков» — простых органических соединений — крупных молекул можно выделить аминокислоты, из которых синтезированы белки; моносахариды и азотистые осно­вания, синтезирующие нуклеиновые кислоты; жирные кислоты, глицерол и холин, синтезирующие липиды. Таким образом, небольшое число органических молекул дает начало крупным молекулам и структурам живых клеток. Эти немногие виды молекул могли синтезироваться в «первичном бульоне» мирового океана еще до появления жизни на Земле из простых неорганических молекул -диоксида углерода, азота и воды.

Биохимия, или химия живых организмов, которая сначала развивалась как подспорье медицины, со временем выделилась в отдельную область знания. Она является не только фундаментом физиологии, объясняя работу био­систем, но и играет объединяющую роль для всей биологии.

120