| .Жизнь и Разум | |||
| . | |||
"Жизнь по своей сути стремится не к однотипности,
а к многообразию. Химически, биологически она
представляет собой неустойчивое равновесие"
Т.Драйзер |
| Органические молекулы |
|
|
| Простейшие органические соединения | |
| Образование кольцевых структур | |
| Важный вывод |
Органическими называются такие молекулы, которые состоят из биогенных ("био" - жизнь, "генных" - порождающих) химических элементов.
В этой и следующей темах при рассмотрении химических процессов (а ничего другого в них практически и нет) использованы как старые, традиционные названия химических элементов, так и новые, приближенные к международным. Для наглядности рисунков (показывающих структурные схемы химических молекул) использованы современные "расцветки" ядер атомов, хотя они порой и противоречат традиционной человеческой логике. Казалось бы, углерод/карбон стоило бы раскрашивать черной краской (уголь, сажа, графит), нейтральный азот/нитроген - серой, кислород/оксиген - голубой (цвет неба и баллонов с этим газом) и т.д. Но современные молекулярные химики и физики главным считают потенциал полярных молекул (по сути - их пространственную валентность), и самый высокий его уровень обозначают красным цветом. А он, по крайней мере, в биологии, создается кислородом (оксигеном). Вот он и стал в современной интерпретации красным. Ядра главных биогенных химических элементов обычно имеют следующие условные обозначения и цвета:
Иногда попадающий в органические молекулы хлор в разных источниках изображается темно-зеленым или темно-синим. В специальной литературе в структурных формулах атомы водорода (гидрогена) довольно часто вообще не показываются (чтобы не загромождать рисунки еще и ими), хотя в ряде случает это затрудняет понимание протекающих процессов. Более того, очень часто в таких книгах не показываются даже и атомы углерода (карбона). Мол, и так понятно, где они находятся. Нам, непрофессионалам, приходится просто смириться с этим. Иными биогенными элементами являются Ca (кальций), K (калий), Na (натрий), S (сера), иногда - даже Cl (хлор) и другие. Центральное место среди всех биогенных элементов занимает углерод, обладающий уникальной способностью образовывать огромное количество соединений . Его соединения могут состоять из тысяч, а иногда - и сотен миллионов, то есть, практически неограниченного числа атомов углерода. Из-за этого вся окружающая нас жизнь называется углеродной.
Соединения биогенных элементов изучаются в органической и биологической химии.
|
|||||||||||||||||||
Наиболее известным и простым, но, почему-то, в этом качестве практически не упоминаемым органическим соединением, является вода. (Хотелось бы увидеть хотя бы один биологический объект без нее). Ее формула, структура и примерное расположение атомов общеизвестны:
За счет поляризации молекул воды она обладает сильной диссоциирующей (разрушающей) способностью, то есть, способностью растворять многие вещества. В их отсутствие поляризованные молекулы воды выстраиваются в своеобразные цепи и сетки, что и определяет значительную вязкость воды, то есть, сопротивление движению в ней. Молекулы всех веществ имеют, как правило, сложную пространственную структуру, которая в каждом конкретном случае определяется условиями равновесия всех межатомных сил в молекуле: притяжение их за счет сил гравитации (наименее существенный фактор); охват ядер атомов общими (полностью или частично) электронными облаками; электростатическое притяжение (или отталкивание) ионов - полностью отдавших несколько своих или присоединивших несколько чужих электронов атомов (самый весомый фактор). Другое его название - кулоновское взаимодействиею На ряде последующих рисунков параллельно с традиционными химическими формулами (или просто словами), записанными на плоском листе бумаги (экране монитора), будут представлены и их пространственные модели в двух наиболее часто применяемых вариантах построения:
Последнее построение учитывает размеры и положение электронных облаков вокруг всех атомов (рассчитываемое с помощью теории вероятностей). Именно такими молекулы были бы видны, если бы они были увеличены хотя бы до пределов порога чувствительности электронных микроскопов (но только не цветными, конечно). Примеры некоторых структур (названия химических соединений запоминать не надо!):
Большинство органических молекул построено вокруг атомов или цепей углерода, 4-валентного биогенного элемента. Наиболее частым его партнером бывает водород, который из-за этого зачастую вообще в формулах (для их упрощения) не показывается, а только обозначается чертой валентности.
Валентность (буквально - сила) элемента - способность вступать в соединения с определенным количеством самых слабых в этом отношении атомов (т.н., "одновалентных"). Благодаря валентности при наличии достаточного количества различных элементов, они могут самостоятельно, без какого-либо внешнего вмешательства, образовывать огромное разнообразие самых разных соединений, описываемых формулами органической химии. Если в состав такой формулы входит очень распространенный фосфор, то соответствующие соединения очень часто называются фосфатами, если доминирует сам углерод - карбонатами, если кислород - окислами, а если азот - нитратами (или нитритами, в зависимости от наличия и количества других элементов, в частности, - кислорода).
|
|||||||||||||||||||
Для обеспечения простоты и доступности изложения (а это концептуальная для данного сайта позиция) мы не будем здесь пользоваться традиционными для физических химиков специальными профессиональными методами пространственного моделирования молекул, а просто позаимствуем их готовые результаты. И только те, которые понадобятся нам для понимания некоторых вопросов. Типичная линейная многозвенная углеродная цепь первоначально может образовываться при избытке именно этих атомов в некотором ограниченном пространстве и при отсутствии в нем иных атомов (или при наличии их в незначительном количестве).
Однако в реальной жизни, не на бумаге, такая цепь не может располагаться строго по одной прямой, так как такое взаимное положение атомов является наименее устойчивым. (Очень грубой аналогией такой неустойчивой конструкции могла бы послужить детская башня из очень маленьких кубиков, выстраиваемая по одному кубику вертикально вверх. И то она была бы намного более устойчивой.) Как минимум, эта цепь является ломаной. А то и замыкается сама на себя.
Интересно, что в последнем случае из-за большого количества атомов водорода, которые тоже выстраиваются в соответствии с условиями своего равновесного положения в молекуле, образовавшийся при замыкании цепи углеродный шестиугольник не лежит строго в одной плоскости. Способствует этому и взаимное влияние (хотя и относительно слабое) атомов на противоположных вершинах шестиугольника. Нарушение плоскости построений молекул вообще является типичным случаем. Если в момент формирования углеродной цепи иных атомов в данном месте простанства почему-то по-прежнему мало или нет, очень возможным становится замыкание валентностей крайних по формуле атомов на самих себя. Вероятность такого события очень велика, потому что углеродные цепи в реальной жизни чаще всего занимают позиции, поворачивающиеся на каждом третьем атоме на угол 60 или 120 градусов (из-за поиска наиболее устойчивого равновесного состояния атомов в молекуле, чуть подробнее об этом см. выше). Если все эти повороты и загибы произойдут в одну сторону, то замыкание углеродной цепи в такое шестизвенное кольцо станет просто неизбежным.
Поэтому такие события наверняка происходили и происходят ежесекундно в огромных количествах. При любом краткосрочном дефиците тех или иных атомов в какой-нибудь малой части пространства (сопоставимой с размерами молекул). Потому что их общее количество где-то неподалеку (в масштабах Вселенной) просто не поддается никакому воображению. Ко всему прочему, при временном дефиците иных (не углеродных) атомов в рассматриваемом локальном участке пространства углеродная цепочка имеет все шансы использовать часть валентностей атомов углерода, замкнув некоторые из них на самих себя и образовав в некоторых местах двойные связи. В этом тоже нет абсолютно ничего необычного и противоестественного. (И никакая посторонняя помощь для этого тоже не требуется).
И такая цепочка точно так же, как и описанная выше, может замкнуться в шестиугольник (порой ей труднее не замкнуться!)
Современные исследования, однако, показывают, что в результате формирования такого кольца (с тремя двойными связями) образуется настолько плотная пространственная структура, что электронные облака вокруг каждого ядра ее атомов могут в совершенно равной мере обслуживать оба смежных с рассматриваемым ядра. Особенно справедливо это в том случае, если к каждой оставшейся валентности при каждом атоме углерода присоединятся одинаковые внешние атомы, например, водорода (при этом получается бензол). "Двойные" валентности внутри такого кольца во многом теряют свой первоначальный смысл. (Видимо, за счет этого кольцо просто становится намного прочнее).
При наличии некоторого количества "иных" (не углеродных) атомов на этапе строительства углеродного кольца ничто не может помешать им присоединиться к любой валентности углеродных атомов, в т.ч., войти и в состав самого кольца, которое может быть при этом не только шестизвенным (из-за различия в размерах разных атомов). Например, если после 4 атомов углерода вдруг рядом с требуемым местом окажется атом кислорода, то за счет больших значений всех его физико-химических параметров он сможет не только войти в состав формируемой цепи, но и замкнуть ее уже на этом пятом атоме (такие структуры, именуемые пентозами, будут часто попадаться нам при рассмотрении последующего материала). "Основоположником" таких построений является фуран.
Подобным образом в 5-звенные и 6-звенные кольцевые структуры может, конечно, попадать и азот.
Вероятность таких построений (абсолютно самостоятельных!) не намного отличается от рассчитанной выше. С немного меньшей, но далеко не нулевой вероятностью (всего на 1 - 2 порядка ниже, чем в предыдущем случае) могут вполне самостоятельно образовываться и двойные кольцевые структуры. Для многомиллиардных запасов первичных строительных материалов (атомов) и сотен миллионов лет времени протекания такого рода химических реакций и такой вероятности событий более, чем достаточно. При практически не ограниченном числе попыток самостоятельного (и чисто случайного!) синтеза таких относительно сложных молекул их образование тоже становится просто неизбежным. Условный пример такой структуры:
На такого типа кольцевых структурах, при подсоединении к их свободным валентностям некоторых простейших атомов или их групп, сразу же выстраиваются все необходимые составляющие для самообразования из них нуклеотидов (описаны в следующей главе), а уже из них - настоящих биологических молекул.
Все сказанное не отменяет, конечно, и постоянно протекающее параллельно самообразование довольно длинных "линейных" молекул (фактически - ломаных) на основе углерода, а также их комбинаций с кольцевыми структурами.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
| . | |||||||||
| . | . | ||||||||
| . | |||||||||
| . | |||||||||
| . | |||||||||
| . | Следующая тема | ||||||||
| . | |||||||||
