Молекулярный состав живых организмов

Химические элементы, входящие в состав живых организмов, а также биогенные элементы, поступающие с продуктами, напитками и водой, задерживаются в организме человека в виде специфических соединений. По природе вещества эти соединения можно разделить на три группы: вода, органические и неорганические вещества. В количественном соотношении их содержание показано на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Содержание воды, органических и неорганических веществ.

в животном организме.

Вода

С точки зрения живого организма вода обладает абсолютно уникальными свойствами. Отличие свойств воды проявляется и в сравнении со свойствами других гидридов элементов VI группы таблицы Менделеева (H₂S, H₂Se, Н₂Те).

Например, температуры кипения этих элементов возрастают с увеличением массы атома элемента и составляют для H₂S, H₂Se, Н₂Те -60°С, -41°С и -2°С соответственно. Температура кипения воды 100 °C явно выбивается из этой зависимости. Вода ведет себя по-своему и в других отношениях. Она обладает высоким значением диэлектрической проницаемости, благодаря чему многие растворенные в ней соединения находятся в ионизированном состоянии. Это очень важно для живой природы, потому что ионизированные молекулы реагируют активнее и в клетках всегда поддерживается определенное значение ионной силы раствора.

Существуют и другие примечательные особенности. Плотность воды уменьшается в интервале О—4°С, а потом снова увеличивается. При затвердевании вода расширяется, в то время как большинство веществ при этом сжимается. В обычных жидкостях молекулы хаотично движутся, а данные рентгеноструктурного анализа воды показывают, что она имеет признаки упорядоченной структуры.

Многие свойства воды объясняются ее строением, которое обусловлено строением атомов О и Н. Атомы Н имеют по одному электрону на 5-орбитали. Электронная конфигурация О — s²2s²2p т. е. на внешнем электронном слое у него находится 6 электронов (рис. 2.2). ⁵

Рис. 2.2. Электроннографические конфигурации атомов:

а — водород; 6 — кислород Их электронные облака гибридизированы в виде sp^-орбиталей, которые направлены к углам тетраэдра, если атом О расположен в центре этого тетраэдра. В молекуле воды две орбитали с неспаренными электронами образуют две a-связи с атомами Н.

Неиспользованные 2р- и 25-электроны атома О создают дополнительный избыток электричества на кислороде, что влияет на угол между связями. Он равен не 90° и не 180°, а 104,5°. В результате молекула воды становится сильно полярной со значительным дипольным моментом, т. е. имеет как положительный, так и отрицательный заряд и существует в виде диполя, что упрощенно показывают, как на рис. 2.3.

Обе связи О—Н в молекуле полярны. На том конце, где находится атом Н, имеется избыток заряда «+», а в районе атома О — избыток заряда «-». В таком случае между атомами Н и О из соседних молекул воды возникает притяжение — водородные связи. При этом каждый атом О окружен четырьмя атомами Н. Два из них соединены а-связями, образованными этим атомом О в собственной молекуле воды, а два атома водорода электросгатиче;

Рис. 2.3. Схематичное изображение молекулы воды:

а — структурное; б — в виде диполя ски притягиваются из окружающих молекул воды. Длина a-связи меньше длины водородной связи, поэтому тетраэдр, образованный атомом О в молекуле воды, имеет неправильную форму.

Таким образом, молекулы воды образуют структуру с чередующимися атомами Н и О, которая имеет не плоскостное, а объемное строение (рис. 2.4, а). Однако па практике чаще всего изображают проекцию этой структуры на плоскость, что выглядит, как показано на рис. 2.4, б. При этом водородные связи между молекулами воды показаны тремя точками, как это принято.

Рис. 2.4. Расположение молекул воды:

а — пространственное; б — плоскостное Такая упорядоченная структура характерна не только для замерзшей, но и для жидкой воды и объясняет многие особенности ее поведения. Например, из курса физики известно, что с уменьшением давления насыщенный пар переходит в ненасыщенный. А водяной пар при снижении давления конденсируется. Ведь для того чтобы пар стал ненасыщенным, расстояния между молекулами должны увеличиться. Но между диполями воды существует притяжение. Для разрушения этих притяжений необходима энергия, которая и извлекается из запасов внутренней энергии пара. Это приводит к снижению температуры пара и его конденсации.

Многие свойства воды проявляются в связи с тем, что ее молекулы обладают одновременно функцией донора и акцептора Н⁺. Неиспользованные электроны атома О — акцепторы Н⁺, а группы атомов, содержащие атом Н, связанный с электроотрицательным элементом, — доноры Н Способность воды проводить электрический ток обусловлена именно этой особенностью. Хотя вода очень слабый электролит, поскольку в диссоциированном состоянии находится лишь 10 ' ее молекул на 1 л воды. Установлено, что в замерзшей воде диссоциировано еще меньше молекул — 10 ¹⁰, т. е. носителей электрических зарядов Н⁺ и ОН в 1000 раз меньше. Однако электропроводность льда только в три раза меньше электропроводности воды, а не в 1000, как следовало ожидать.

зз Объяснить это можно большей упорядоченностью структуры льда, чем воды. В любой жидкости, даже такой упорядоченной, как вода, молекулы меняют пространственную ориентацию, причем очень быстро — но данным А. Тенела, каждую пикосекунду (10 с). Значит, межмолекулярные связи периодически рвутся. Замерзшей воде соответствует кристаллическая структура, в которой водородные связи более стабильны, поэтому Н⁺ передаются от одной молекулы к другой, как в эстафете. Схематично передачу Н⁺ но цепочке молекул воды можно изобразить, как показано на рис. 2.5.

Между ионом Н⁺, оказавшимся в области молекулы воды, возникает с ней водородная связь, которая переходит в ковалентную, а Н принадле;

Рис. 2.5. Перемещение Н⁺ в слое воды (по Л. Н. Николаеву) жавший данной молекуле воды, аналогичным образом входит в структуру соседней молекулы воды, т. е. развивается цепной механизм передачи Н⁺. Он завершается отрывом Н~ на другом конце структуры воды. Фактически это не простое движение отдельного Н⁺ в слое воды, а передача Н⁺ от одной молекулы воды к другой. Причем скорость движения Н⁺ или его подвижность в замерзшей воде выше, чем в жидкой. То есть, как это ни парадоксально, лед ускоряет многие реакции.