Введение в биологию. Часть №1
Оригинал взят у caenogenesis
Введение в биологию (начало)
Тема I
УГЛЕРОД (продолжение)
Теперь нам самое время задаться вопросом, что такое кислота. И заодно - что такое основание.
Как правило, кислотой называются молекула, которая в водном растворе диссоциирует (распадается) на катион водорода, то есть протон, и некий анион:
Например, уксусная кислота распадается в водном растворе на протон и ацетат-ион с формулой CH3COO-. Так ведут себя и другие карбоновые кислоты. Уравнение диссоциации уксусной кислоты дано здесь в двух вариантах - упрощенном и полном. Дело в том, что протон на самом деле неспособен самостоятельно существовать в водном растворе - он мгновенно захватывается водой, образуя ион гидроксония H3O+.
Сванте Аррениус (Svante August Arrhenius) определял кислоту как соединение, диссоциирующее в водном растворе с образованием протона, а основание - как соединение, диссоциирующее в водном растворе с образованием гидроксил-иона OH-. Это определение - исторически первое и до сих пор самое известное.
Честно говоря, во втором уравнении тут наличествует легкая подгонка под схему, хотя Аррениус этого еще не знал. На самом деле NaOH - это ионное соединение, в котором натрий не образует никаких ковалентных связей. То есть даже в твердом состоянии оно состоит из ионов [Na+][OH-].
В любом случае, в биологической химии определение кислот и оснований по Аррениусу неприменимо. Вместо него мы будем пользоваться определением Йоханнеса Николауса Брёнстеда (Johannes Nicolaus Brønsted): кислота - молекула, отдающая протон, основание - молекула, принимающая протон.
По Брёнстеду, кислота не может существовать независимо от основания: если одна молекула отдает протон, то обязательно должна быть какая-то другая молекула, которая у нее этот протон забирает. Эта вторая молекула и будет основанием. Строго говоря, пары кислота-основание тут находятся в обеих частях приведенного уравнения: A- тоже основание, BH+ тоже кислота. В повседневной химии функцию основания очень часто выполняет или вода, или гидроксил-ион OH- (именно сам гидроксил-ион, а не то вещество, которое диссоциирует, выделяя его); но бывают и гораздо более редкостные случаи.
Здесь в первой реакции вода отдает протон (и является кислотой), а во второй принимает его (и является основанием). Вещества, способные быть и кислотами, и основаниями, называются амфолитами.
Образцовое основание, не содержащее никакой гидроксильной группы - аммиак (NH3). В растворе он легко присоединяет протон и образует положительно заряженный ион аммония NH4+. Этот ион, кстати, очень похож по структуре на молекулу метана CH4, но отличается от нее зарядом ядра центрального атома.
Соединения углерода с группой -NH2 называются аминами (общая формула R-NH2), а сама эта группа - аминогруппой. Можно сказать, что амин - это аммиак с углеводородной цепочкой вместо одного из атомов водорода. В составе аминов аминогруппа проявляет такие же основные свойства, как и аммиак, то есть легко присоединяет протон. Самый простой из возможных аминов - метиламин, где радикалом при аминогруппе является метильная группа -CH3.
Соединение, в котором одновременно есть карбоксильная группа и аминогруппа, называется аминокислотой. На картинке мы видим самую простую из всех возможных аминокислот - глицин. Любая аминокислота проявляет одновременно кислотные свойства (как кислота) и основные (как амин), то есть является амфолитом.
В водном растворе аминокислота обычно ионизируется и становится цвиттер-ионом, то есть нейтральной молекулой, которая имеет в разных своих частях компенсирующие друг друга разноименные заряды. Карбоксильная группа отдает протон и становится анионом, аминогруппа присоединяет протон и становится катионом, а суммарный электрический заряд молекулы остается равным нулю.
Итак, теперь мы знаем, что такое спирты, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, простые и сложные эфиры, углеводы, амины и аминокислоты. Но обязательно ли любая жизнь должна быть основана на углероде? Убежденность в этом в последнее время получила название “углеродного шовинизма”. В мысленных экспериментах на роль химической основы жизни не раз предлагались другие элементы, способные строить цепочки атомов - кремний, бор, азот. Однако бор и азот имеют валентность 3, а не 4. При этом бора во Вселенной чрезвычайно мало, а длинные цепочки атомов азота образуются только при огромных давлениях, какие могут существовать разве что в недрах планет-гигантов. Так что самым вероятным кандидатом на роль заменителя углерода остается кремний (Si).
Кремний имеет подходящую валентность 4, образует соединения, подобные углеводородам, и может реагировать с кислородом. Но есть несколько причин, по которым углерод при прочих равных все-таки больше подходит на роль химической основы жизни.
● Углерод легко образует двойные связи (очень важное для земной биохимии свойство!), кремний из-за большего радиуса атома к этому практически неспособен.
● Окись углерода (CO2) - при нормальных условиях газ, а окись кремния (SiO2) - тугоплавкое твердое вещество с кристаллической решеткой, прошитой множеством одинарных ковалентных связей. Чистый SiO2 - это кварц. Ясно, что включить его в обмен веществ было бы гораздо труднее, чем углекислоту CO2.
● Из-за конфигурации электронных облаков атома кремния связь Si-Si менее прочна, чем связь C-C, поэтому кремневодороды по сравнению с углеводородами гораздо легче окисляются и разлагаются.
В итоге можно объективно признать: вероятность, что жизнь на других планетах окажется углеродной, достаточно высока. Хотя это не значит, что нас не ждут сюрпризы.
Тема II
ВОДА
Растворителем, в котором работают почти все известные живые системы, служит окись водорода, или вода (H2O). В молекуле воды атом кислорода соединен с двумя атомами водорода одинарными ковалентными связями. Чтобы понять, почему это важно и на что это влияет, нам придется ввести несколько дополнительных понятий из общей химии.
Электроотрицательность - сила, с которой атом в составе молекулы оттягивает на себя общие с другим атомом электроны, образующие ковалентную связь. Это понятие ввел Лайнус Полинг (Linus Carl Pauling). Самый электроотрицательный элемент - фтор, за ним на шкале электроотрицательности следует кислород. Иными словами, кислород превосходит по электроотрицательности все другие атомы, за исключением фтора (который в биологической химии практически не встречается). Запомним этот факт.
Электроотрицательность одинаковых атомов по определению равна. Если между двумя одинаковыми атомами есть ковалентная связь, то образующие ее электроны никуда не смещены (в рамках старинной планетарной модели атома можно сказать, что они находятся точно посредине между атомами, как на картинке). Такая ковалентная связь называется неполярной.
Если ковалентную связь образуют два разных атома, то общие электроны смещаются к тому из них, у которого выше электроотрицательность. Такая связь называется полярной. При очень большой разнице в электроотрицательности она может даже стать ионной - это случится, если один атом полностью “отберет” у другого общую пару электронов.
Связь между водородом и кислородом в молекуле воды - типичный пример ковалентной полярной связи. Электроотрицательность кислорода намного выше, поэтому общие электроны смещены к нему. В результате на кислороде возникает маленький отрицательный заряд, а на водороде маленький положительный; эти заряды принято обозначать буквой δ (“дельта”).
Связи кислорода с водородом или углеродом (H-O или C-O) - всегда полярные. Молекулы, в которых много таких связей, несут многочисленные частичные заряды, отрицательные на кислороде и положительные на водороде или углероде. В то же время связь между углеродом и водородом (C-H) считается неполярной: разница в электроотрицательности между этими элементами так мала, что смещение электронов незаметно. Например, молекулы углеводородов в силу этого полностью неполярны, они не несут никаких частичных зарядов ни на каких атомах.
При наличии полярных связей между водородом и кислородом частичные заряды на этих атомах (отрицательные на кислороде и положительные на водороде) притягиваются друг к другу, образуя водородные связи. Эти связи гораздо слабее ковалентных, но могут давать сильный эффект, если их много. Например, именно из-за колоссального количества водородных связей у воды очень высокая теплоемкость - ее трудно нагреть и трудно остудить. Строго говоря, водородная связь может образоваться не только с кислородом, но и с другими электроотрицательными атомами (например, с азотом или фтором).
Любые заряженные частицы в водном растворе гидратируются, то есть окружаются молекулами воды - конечно, по-разному ориентированными в зависимости от того, положительная это частица или отрицательная. Любые ионы, растворенные в воде, на самом деле присутствуют там в гидратированном состоянии, то есть с водной оболочкой. На картинке для примера показана растворенная поваренная соль (NaCl) - образец чисто ионного вещества.
Полярные молекулы (а тем более ионы) хорошо взаимодействуют с водой, образуя с ней водородные связи и (или) подвергаясь гидратации. Такие вещества хорошо растворяются в воде и называются гидрофильными. Неполярные молекулы взаимодействуют с водой гораздо слабее, чем друг с другом. Такие вещества плохо растворяются в воде и называются гидрофобными. Типичные гидрофобные вещества - углеводороды. Типичные гидрофильные вещества - спирты, такие как этанол или показанный на картинке глицерин. Вообще кислородсодержащие соединения углерода, как правило, гидрофильны, если только в них нет совсем уж огромных углеводородных радикалов.
Могут ли подойти для жизни другие растворители, кроме воды? Ответ - да. Например, двуокись углерода (CO2) при более высоких давлениях, чем наше атмосферное, становится жидкостью и представляет собой хороший гидрофильный растворитель, в котором успешно идут многие биохимические реакции. В этом растворителе могут жить даже земные микроорганизмы: например, на дне Окинавского желоба в Восточно-Китайском море обнаружено целое озеро жидкой углекислоты, в котором постоянно живут довольно разнообразные бактерии (Inagaki et al., 2006).
Некоторые исследователи предполагают, что океаны жидкой двуокиси углерода могут существовать на планетах-“суперземлях” с массой, в несколько раз превосходящей массу Земли (Budisa, Schulze-Makuch, 2014). На картинке - художественное изображение планеты GJ1214b в созвездии Змееносца.
На крупнейшем спутнике Сатурна - Титане - есть углеводородные озера и даже моря, состоящие из метана (CH4), этана (C2H6) и пропана (C3H8). Это гидрофобный растворитель, в котором тоже иногда предполагают существование жизни, хотя прямых подтверждений тому пока нет. На картине - пейзаж Титана. Жидкой воды на поверхности Титана нет, там слишком холодно.
Аммиак (NH3) - гидрофильный растворитель, образующий много водородных связей, в данном случае между водородом и азотом, и напоминающий воду по физико-химическим свойствам. На более холодных планетах, чем Земля, аммиак находится в жидком состоянии и вполне может быть средой для жизни.
Теоретически возможно существование холодных землеподобных планет с аммиачными океанами (на картинке художественное изображение такой планеты). Есть ли там жизнь, никто не знает. Но почему бы и нет? Если насчет альтернатив углеродной жизни есть сомнения, то углеродную жизнь в неводном растворителе представить гораздо легче.
Можно придумать и другие экзотические варианты - например, океан из плавиковой кислоты (HF) на планете, описанной в фантастической повести Ивана Ефремова “Сердце Змеи”. “Люди Земли увидели лиловые волны океана из фтористого водорода, омывавшие берега черных песков, красных утесов и склонов иззубренных гор, светящихся голубым лунным сиянием…” Возвращаясь к земной биохимии, будем помнить, что она - не единственная теоретически возможная.
Введение в биологию (начало)
Тема I
УГЛЕРОД (продолжение)
Теперь нам самое время задаться вопросом, что такое кислота. И заодно - что такое основание.
Как правило, кислотой называются молекула, которая в водном растворе диссоциирует (распадается) на катион водорода, то есть протон, и некий анион:
Например, уксусная кислота распадается в водном растворе на протон и ацетат-ион с формулой CH3COO-. Так ведут себя и другие карбоновые кислоты. Уравнение диссоциации уксусной кислоты дано здесь в двух вариантах - упрощенном и полном. Дело в том, что протон на самом деле неспособен самостоятельно существовать в водном растворе - он мгновенно захватывается водой, образуя ион гидроксония H3O+.
Сванте Аррениус (Svante August Arrhenius) определял кислоту как соединение, диссоциирующее в водном растворе с образованием протона, а основание - как соединение, диссоциирующее в водном растворе с образованием гидроксил-иона OH-. Это определение - исторически первое и до сих пор самое известное.
Честно говоря, во втором уравнении тут наличествует легкая подгонка под схему, хотя Аррениус этого еще не знал. На самом деле NaOH - это ионное соединение, в котором натрий не образует никаких ковалентных связей. То есть даже в твердом состоянии оно состоит из ионов [Na+][OH-].
В любом случае, в биологической химии определение кислот и оснований по Аррениусу неприменимо. Вместо него мы будем пользоваться определением Йоханнеса Николауса Брёнстеда (Johannes Nicolaus Brønsted): кислота - молекула, отдающая протон, основание - молекула, принимающая протон.
По Брёнстеду, кислота не может существовать независимо от основания: если одна молекула отдает протон, то обязательно должна быть какая-то другая молекула, которая у нее этот протон забирает. Эта вторая молекула и будет основанием. Строго говоря, пары кислота-основание тут находятся в обеих частях приведенного уравнения: A- тоже основание, BH+ тоже кислота. В повседневной химии функцию основания очень часто выполняет или вода, или гидроксил-ион OH- (именно сам гидроксил-ион, а не то вещество, которое диссоциирует, выделяя его); но бывают и гораздо более редкостные случаи.
Здесь в первой реакции вода отдает протон (и является кислотой), а во второй принимает его (и является основанием). Вещества, способные быть и кислотами, и основаниями, называются амфолитами.
Образцовое основание, не содержащее никакой гидроксильной группы - аммиак (NH3). В растворе он легко присоединяет протон и образует положительно заряженный ион аммония NH4+. Этот ион, кстати, очень похож по структуре на молекулу метана CH4, но отличается от нее зарядом ядра центрального атома.
Соединения углерода с группой -NH2 называются аминами (общая формула R-NH2), а сама эта группа - аминогруппой. Можно сказать, что амин - это аммиак с углеводородной цепочкой вместо одного из атомов водорода. В составе аминов аминогруппа проявляет такие же основные свойства, как и аммиак, то есть легко присоединяет протон. Самый простой из возможных аминов - метиламин, где радикалом при аминогруппе является метильная группа -CH3.
Соединение, в котором одновременно есть карбоксильная группа и аминогруппа, называется аминокислотой. На картинке мы видим самую простую из всех возможных аминокислот - глицин. Любая аминокислота проявляет одновременно кислотные свойства (как кислота) и основные (как амин), то есть является амфолитом.
В водном растворе аминокислота обычно ионизируется и становится цвиттер-ионом, то есть нейтральной молекулой, которая имеет в разных своих частях компенсирующие друг друга разноименные заряды. Карбоксильная группа отдает протон и становится анионом, аминогруппа присоединяет протон и становится катионом, а суммарный электрический заряд молекулы остается равным нулю.
Итак, теперь мы знаем, что такое спирты, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, простые и сложные эфиры, углеводы, амины и аминокислоты. Но обязательно ли любая жизнь должна быть основана на углероде? Убежденность в этом в последнее время получила название “углеродного шовинизма”. В мысленных экспериментах на роль химической основы жизни не раз предлагались другие элементы, способные строить цепочки атомов - кремний, бор, азот. Однако бор и азот имеют валентность 3, а не 4. При этом бора во Вселенной чрезвычайно мало, а длинные цепочки атомов азота образуются только при огромных давлениях, какие могут существовать разве что в недрах планет-гигантов. Так что самым вероятным кандидатом на роль заменителя углерода остается кремний (Si).
Кремний имеет подходящую валентность 4, образует соединения, подобные углеводородам, и может реагировать с кислородом. Но есть несколько причин, по которым углерод при прочих равных все-таки больше подходит на роль химической основы жизни.
● Углерод легко образует двойные связи (очень важное для земной биохимии свойство!), кремний из-за большего радиуса атома к этому практически неспособен.
● Окись углерода (CO2) - при нормальных условиях газ, а окись кремния (SiO2) - тугоплавкое твердое вещество с кристаллической решеткой, прошитой множеством одинарных ковалентных связей. Чистый SiO2 - это кварц. Ясно, что включить его в обмен веществ было бы гораздо труднее, чем углекислоту CO2.
● Из-за конфигурации электронных облаков атома кремния связь Si-Si менее прочна, чем связь C-C, поэтому кремневодороды по сравнению с углеводородами гораздо легче окисляются и разлагаются.
В итоге можно объективно признать: вероятность, что жизнь на других планетах окажется углеродной, достаточно высока. Хотя это не значит, что нас не ждут сюрпризы.
Тема II
ВОДА
Растворителем, в котором работают почти все известные живые системы, служит окись водорода, или вода (H2O). В молекуле воды атом кислорода соединен с двумя атомами водорода одинарными ковалентными связями. Чтобы понять, почему это важно и на что это влияет, нам придется ввести несколько дополнительных понятий из общей химии.
Электроотрицательность - сила, с которой атом в составе молекулы оттягивает на себя общие с другим атомом электроны, образующие ковалентную связь. Это понятие ввел Лайнус Полинг (Linus Carl Pauling). Самый электроотрицательный элемент - фтор, за ним на шкале электроотрицательности следует кислород. Иными словами, кислород превосходит по электроотрицательности все другие атомы, за исключением фтора (который в биологической химии практически не встречается). Запомним этот факт.
Электроотрицательность одинаковых атомов по определению равна. Если между двумя одинаковыми атомами есть ковалентная связь, то образующие ее электроны никуда не смещены (в рамках старинной планетарной модели атома можно сказать, что они находятся точно посредине между атомами, как на картинке). Такая ковалентная связь называется неполярной.
Если ковалентную связь образуют два разных атома, то общие электроны смещаются к тому из них, у которого выше электроотрицательность. Такая связь называется полярной. При очень большой разнице в электроотрицательности она может даже стать ионной - это случится, если один атом полностью “отберет” у другого общую пару электронов.
Связь между водородом и кислородом в молекуле воды - типичный пример ковалентной полярной связи. Электроотрицательность кислорода намного выше, поэтому общие электроны смещены к нему. В результате на кислороде возникает маленький отрицательный заряд, а на водороде маленький положительный; эти заряды принято обозначать буквой δ (“дельта”).
Связи кислорода с водородом или углеродом (H-O или C-O) - всегда полярные. Молекулы, в которых много таких связей, несут многочисленные частичные заряды, отрицательные на кислороде и положительные на водороде или углероде. В то же время связь между углеродом и водородом (C-H) считается неполярной: разница в электроотрицательности между этими элементами так мала, что смещение электронов незаметно. Например, молекулы углеводородов в силу этого полностью неполярны, они не несут никаких частичных зарядов ни на каких атомах.
При наличии полярных связей между водородом и кислородом частичные заряды на этих атомах (отрицательные на кислороде и положительные на водороде) притягиваются друг к другу, образуя водородные связи. Эти связи гораздо слабее ковалентных, но могут давать сильный эффект, если их много. Например, именно из-за колоссального количества водородных связей у воды очень высокая теплоемкость - ее трудно нагреть и трудно остудить. Строго говоря, водородная связь может образоваться не только с кислородом, но и с другими электроотрицательными атомами (например, с азотом или фтором).
Любые заряженные частицы в водном растворе гидратируются, то есть окружаются молекулами воды - конечно, по-разному ориентированными в зависимости от того, положительная это частица или отрицательная. Любые ионы, растворенные в воде, на самом деле присутствуют там в гидратированном состоянии, то есть с водной оболочкой. На картинке для примера показана растворенная поваренная соль (NaCl) - образец чисто ионного вещества.
Полярные молекулы (а тем более ионы) хорошо взаимодействуют с водой, образуя с ней водородные связи и (или) подвергаясь гидратации. Такие вещества хорошо растворяются в воде и называются гидрофильными. Неполярные молекулы взаимодействуют с водой гораздо слабее, чем друг с другом. Такие вещества плохо растворяются в воде и называются гидрофобными. Типичные гидрофобные вещества - углеводороды. Типичные гидрофильные вещества - спирты, такие как этанол или показанный на картинке глицерин. Вообще кислородсодержащие соединения углерода, как правило, гидрофильны, если только в них нет совсем уж огромных углеводородных радикалов.
Могут ли подойти для жизни другие растворители, кроме воды? Ответ - да. Например, двуокись углерода (CO2) при более высоких давлениях, чем наше атмосферное, становится жидкостью и представляет собой хороший гидрофильный растворитель, в котором успешно идут многие биохимические реакции. В этом растворителе могут жить даже земные микроорганизмы: например, на дне Окинавского желоба в Восточно-Китайском море обнаружено целое озеро жидкой углекислоты, в котором постоянно живут довольно разнообразные бактерии (Inagaki et al., 2006).
Некоторые исследователи предполагают, что океаны жидкой двуокиси углерода могут существовать на планетах-“суперземлях” с массой, в несколько раз превосходящей массу Земли (Budisa, Schulze-Makuch, 2014). На картинке - художественное изображение планеты GJ1214b в созвездии Змееносца.
На крупнейшем спутнике Сатурна - Титане - есть углеводородные озера и даже моря, состоящие из метана (CH4), этана (C2H6) и пропана (C3H8). Это гидрофобный растворитель, в котором тоже иногда предполагают существование жизни, хотя прямых подтверждений тому пока нет. На картине - пейзаж Титана. Жидкой воды на поверхности Титана нет, там слишком холодно.
Аммиак (NH3) - гидрофильный растворитель, образующий много водородных связей, в данном случае между водородом и азотом, и напоминающий воду по физико-химическим свойствам. На более холодных планетах, чем Земля, аммиак находится в жидком состоянии и вполне может быть средой для жизни.
Теоретически возможно существование холодных землеподобных планет с аммиачными океанами (на картинке художественное изображение такой планеты). Есть ли там жизнь, никто не знает. Но почему бы и нет? Если насчет альтернатив углеродной жизни есть сомнения, то углеродную жизнь в неводном растворителе представить гораздо легче.
Можно придумать и другие экзотические варианты - например, океан из плавиковой кислоты (HF) на планете, описанной в фантастической повести Ивана Ефремова “Сердце Змеи”. “Люди Земли увидели лиловые волны океана из фтористого водорода, омывавшие берега черных песков, красных утесов и склонов иззубренных гор, светящихся голубым лунным сиянием…” Возвращаясь к земной биохимии, будем помнить, что она - не единственная теоретически возможная.