Химия жизни

Вода с растворенными в ней различными простыми солями - необходимая среда для химических процессов, из которых слагается жизнь. Жизнь включает всевозможные превращения множества разнообразных крупных молекул, главным элементом в которых является углерод.

Волькенштейн (1972): “Углерод - самый важный элемент на Земле. Я говорю о важности углерода для нас, для человечества. Наша жизнь - углеродная. Все биологически функциональные вещества, за исключением воды и некоторых солей, содержат углерод. Таковы белки, нуклеиновые кислоты, жиры, углеводы, гормоны, витамины, порфирины”.

Углерод имеет четыре электрона на незаполненной оболочке, но он не может образовывать ионы, отдав или приняв четыре электрона. Однако углерод такой мастер образовывать ковалентные связи, что сейчас известно более миллиона веществ, построенных на его основе. Особенно интересна уникальная способность атомов углерода вступать в ковалентную связь друг с другом, образуя молекулы в виде длинных цепей, прямых или разветвленных, колец и других более сложных структур. Эти углеродные цепи и кольца составляют “скелеты” органических молекул. Такие молекулы могут объединять самое различное число атомов углерода - от нескольких штук до сотен тысяч и даже миллионов.

Простейшими углеродными соединениями являются углеводороды, и простейшим среди них - метан CH₄. Метан входил в состав первичной атмосферы Земли. Жизнь зародилась в этой атмосфере, и, возможно, метан был древнейшим родоначальником бесчисленных углеродсодержащих соединений, возникавших по мере развития жизни. В современных живых организмах обнаружено лишь несколько углеводородов (каучук, каротин).

Углеводороды представляют собой соединения, содержащие только атомы углерода и водорода - ряд метана: метан - CH₄, этан - C₂H₆, пропан - C₃H₈, бутан - C₄H₁₀ и т.д. (Они называются также алканами).

Природный газ, получаемый из нефтяных и газовых скважин, обычно содержит около 85% метана. Газ, поднимающийся со дна болот, состоит из метана с небольшим количеством двуокиси углерода и азота.

В состав некоторых молекул углеводородов входят кольца атомов углерода.

Простейшим циклическим углеводородом является циклопропан C₃H₆, который может быть хорошим анестезирующим средством, но опасен: в смеси с воздухом он воспламеняется от электрической искры.

Циклогексан C₆H₁₂ - бесцветная жидкость, получаемая при перегонке нефти, используется в качестве растворителя.

Спирты образуются из углеводорода при замещении одного атома водорода на гидроксильную группу - OH:

из метана CH₄ - метиловый спирт CH₃OH, из этана C₂H₆ - этиловый спирт C₂H₅OH. Из двух молекул спирта получается эфир: диэтиловый эфир C₂H₅OC₂H₅

Органические кислоты имеют группу COOH и образуются при окислении спиртов: C₂H₅OH + O₂  CH₃COOH (уксусная кислота) + H₂O.

Жирные кислоты представлены длинной последовательностью углеводородных групп: пальмитиновая (насыщенная): CH₃ - (CH₂)₁₄ - COOH; олеиновая (ненасыщенная): CH₃ - (CH₂)₇ - CH = CH - (CH₂)₆ - COOH.

К гетероциклическим относятся соединения, в которых один, или несколько атомов, входящих в цикл, не являются атомами углерода. Например у пиримидина и пурина в состав кольца входят атомы азота.

Пиримидин входит в состав транквилизаторов (седуксен, эленеум), алкалоидов (кокаин, никотин), пурин — в состав молекулы кофеина (кофе). Производные этих соединений входят в состав нуклеотидов ДНК.

Изомерия. Молекулы разных веществ могут иметь один и тот же атомный состав, но при этом сильно разнящиеся свойства. Примером могут служить этиловый спирт и диметиловый эфир - оба C₂H₆O.

Понять изомерию можно, сопоставив их структурные формулы:

Этиловый спирт известен в незапамятных времен, воспет Анакреонтом, Омаром Хайямом, правда не в чистом виде, а как важнейшая часть благородного напитка - вина. Диметиловый эфир - такого интереса для человечества не представляет. Это газообразное вещество, с которым имеют дело только химики. (Не путать с диэтиловым эфиром, применяемым для наркоза).

По мере увеличения числа атомов углерода в углеводороде число изомеров резко возрастает. У нонана C₉H₂₀ - 35 изомеров, у триаконтана C₃₀H₆₂ - 4 111 846 763 изомера. Не то чтобы получить все эти изомеры, но даже изобразить все невозможно.

Ротамерия. Возникает в результате поворотов групп атомов вокруг центральной связи —C—C—. В отличие от изомеров ротамеры быстро превращаются друг в друга, так как повороты вокруг единичной связи происходят все время. Расчет показывает, что частота таких поворотов — 10¹⁰ раз в секунду. Значит выделить ротамеры нельзя, но наблюдать их можно.

Ротамерия существенно сказывается на химических свойствах вещества. Различные ротамеры соответствуют разным конформациям молекулы. Так циклогексан C₆H₁₂ может иметь конформации, похожие на кресло и на ванну. Физические исследования показали, что циклогексан имеет форму кресла.

Конформационная химия - новая отрасль этой обширной науки. Особенно важны конформационные свойства молекул в химии и физике полимеров и в биологии.

Примером может служить полиэтилен—CH₂—CH₂—CH₂—...

Молекула полимера принимает конформацию, в которой энергия всех слабых взаимодействий минимальна. Цепочка самопроизвольно переходит в состояние клубка, состояние наименьшей упорядоченности, которому отвечает наибольшая энтропия. На степень свертывания влияют валентные углы, наличие ротамеров, что увеличивает объем или длину клубка. Ротамеры взаимозависимы или, иными словами, состояния полимерных звеньев зависят друг от друга.

Если случайный толчок заставил данное звено повернуться, то это повлечет за собой изменение состояния соседнего звена и т.д. Таким образом, вероятность того или иного состояния звена зависит от состояния предшествующего звена, и речь идет о взаимозависимых событиях.

Теорию вероятностей взаимозависимых событий создал великий математик А. А. Марков (1856-1922). Зависимые вероятности образуют своего рода цепи, которые так и называются - цепи Маркова. Полимерная цепь - это цепь Маркова. Математический метод, созданный Марковым, позволил провести строгие расчеты размеров и других физических свойств макромолекул.

Молекулярные системы, элементарные единицы которых взаимодействуют друг с другом и поэтому ведут себя согласованно, называются кооперативными системами. Явления, выражающие это взаимодействие, эту согласованность, именуются кооперативными.

Полимерная цепь, макромолекула - кооперативная ротамерная система. [Растяжение резины - кооперативный процесс ротамеризации, конформационной перестройки].

Пример из Волькенштейна (1972). Я еду в переполненном автобусе. Нужно выходить. Но пассажиры упакованы плотно. Выйти удается только в результате согласованного, кооперативного перемещения пассажиров, обменивающихся местами. По мере приближения автобуса к конечной станции он постепенно пустеет. Кооперативность уменьшается, в конце концов можно выйти из автобуса, никого не задевая, не спрашивая “Вы сходите?” и не прося подвинуться.

Еще пример. Процесс превращения газа в жидкость (или обратный процесс) - кооперативное явление, определяемое взаимодействием молекул, согласованностью в их поведении, вызванной силами межмолекулярного взаимодействия.

Так как молекулам полимеров, макромолекулам особенно трудно двигаться и поворачиваться, они легко стеклуются. Твердые пластмассы, и прозрачные и непрозрачные - это полимеры в стеклообразном состоянии.