Биология Пасечник Учебник §5

Читать онлайн фрагменты: § 5. Молекулярный уровень: общая характеристика. Учебник по биологии УМК Пасечник для 10 класса (базовый уровень) для ознакомления перед покупкой. Цитаты из пособия 2019 года использованы также в учебных целях для семейного и домашнего обучения, а также для дистанционного обучения в период невозможности посещения образовательного учреждения. Код материалов: Биология Пасечник Учебник §5. Вернуться в ОГЛАВЛЕНИЕ учебника.

§ 5. Молекулярный уровень:
общая характеристика

Вспомните:
1. Каковы основные положения атомно-молекулярного учения?
2. Что такое химические элементы? Как устроены атомы разных химических элементов?
3. Чем различаются свойства химических элементов главных и побочных подгрупп из левой и правой частей таблицы Менделеева?
4. Что такое валентные электроны?

Химический состав организмов.

Живые организмы, как и объекты неживой природы, состоят из различных химических элементов, которых в природе насчитывается около ста. Однако как по структуре химических соединений, входящих в их состав, так и по набору и содержанию химических элементов между неживыми и живыми системами имеются существенные различия. В живых системах в значительных количествах встречаются кислород, углерод, водород и азот (в сумме около 96 %). Вместе с ещё восьмью химическими элементами, содержание которых в живых организмах превышает 0,01 %, их называют макроэлементами (табл. 1).

Таблица 1.
Содержание некоторых химических элементов в организме человека и в земной коре (% по массе)

Химический элемент Организм человека Земная кора
1Кислород (О) 62 49
2Углерод (С) 21 0,35
3Водород (Н) 10 1,0
4Азот (N) 3,0 0,04
5Кальций (Са)2,03,25
6Фосфор (Р)1,00,125
7Калий (К)0,232,35
8Сера (S)0,160,1
9Хлор (Сl)0,10,2
10Натрий (Na)0,082,4
11Магний (Mg)0,0272,35
12Железо (Fe)0,014,2

Всего в живых организмах найдено более 80 химических элементов, однако содержание большинства из них крайне мало (их называют микроэлементами). Тем не менее они крайне необходимы для жизнедеятельности организмов — например, такой микроэлемент, как кобальт, входит в состав важнейшего для организма витамина В12. При недостаточном содержании или отсутствии микроэлементов могут возникнуть серьёзные заболевания. Так, недостаток йода приводит к болезням щитовидной железы (эндемический зоб), недостаток фтора — к нарушениям развития эмали зубов.

Атомы и молекулы.

Из школьных курсов физики и химии вам уже известны основные положения атомно-молекулярного учения, согласно которому почти все встречающиеся в природе вещества состоят из молекул (впрочем, есть вещества, состоящие непосредственно из атомов). А вот молекулы, в свою очередь, состоят из атомов различных химических элементов.

Атом (от греч. атомос — неделимый, неразрезаемый) — частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.

Разумеется, с момента появления атомно-молекулярного учения современные представления о структуре атома и его неделимости значительно расширились, но нам в процессе характеристики молекулярного уровня организации живого важно знать, что атом состоит из атомного ядра и электронов, образующих вокруг него электронное облако. Структура атомов некоторых химических элементов схематически представлена на рисунке (рис. 14).
Рис. 14. Схемы строения атомов водорода, кислорода и углерода

Образование молекул различных веществ обеспечивается возникновением химической связи между входящими в их состав атомами. Эти связи возникают вследствие объединения электронных оболочек атомов, которые образуют молекулу (рис. 15).
Рис. 15. Схема образования химической связи

Как видно из рисунка, особенности образующейся химической связи и собственно строение самой молекулы зависят от количества неспаренных электронов на внешних электронных оболочках образующих её атомов, которые называют валентными.

✅ Химическую связь, образующуюся в молекулах между атомами за счёт объединения валентных электронов, называют ковалентной связью.

Путём образования ковалентных связей атомы стремятся заполнить свои внешние валентные оболочки. При этом атомы одних химических элементов (например, водорода и металлов) чаще выступают в качестве доноров электронов, «отдавая» их атомам других элементов. В то же время атомы других элементов (например, кислорода и галогенов) являются акцепторами электронов, стремясь «отобрать» их у соседей. Если объединяется одна пара электронов, связь называется одинарной, если две — двойной и т. д. Такие связи весьма прочные, поэтому молекулы большинства веществ достаточно стабильны.

Неорганические и органические вещества.

Значительная часть соединений, входящих в состав клетки, встречается только в живой природе. Почти все подобные молекулы, за небольшим исключением, относятся к соединениям углерода, которые называют органическими веществами. Кроме того, в клетках в значительных количествах представлены и неорганические вещества: вода и некоторые соли, которые нужны для осуществления функций живых организмов.

Очень важным свойством атома углерода является его способность образовывать связи сразу с четырьмя другими такими же атомами. Благодаря этой способности атомы углерода могут образовывать каркасы огромного количества разнообразных биологических молекул, которые называют углеродными скелетами (рис. 16).
Рис.16

Большинство органических веществ состоит из небольшого количества элементов: в них, помимо углерода, входит водород, а многие содержат ещё кислород и азот. Для заполнения внешней орбиты углероду недостаёт четырёх электронов, поэтому он может образовать четыре общие электронные пары (т. е. четыре связи). Азоту для заполнения валентной оболочки недостаёт трёх электронов, кислороду — двух, а водороду — одного. Кроме того, углерод, азот и кислород способны также образовывать двойные связи (а углерод и азот — ещё и тройные). Это значительно увеличивает разнообразие органических веществ и придаёт им новые свойства. В состав многих органических соединений входят также сера и фосфор.

Многообразие органических веществ.

Органические вещества — это сложные углеродсодержащие соединения, имеющие крайне разнообразную структуру и свойства. Они могут быть как низко-, так и высокомолекулярными (так называют вещества, состоящие из громадного количества повторяющихся элементарных звеньев и характеризующиеся большой молекулярной массой, а низкомолекулярные вещества, напротив, имеют небольшой молекулярный вес), линейными или циклическими, гидрофильными или гидрофобными (см. § 6). Их общее количество во много раз превосходит таковое всех известных неорганических веществ (рис. 17).
Рис. 17. Многообразие органических веществ: справа мы видим молекулу ДНК — высокомолекулярный линейный полимер, а слева — входящие в её состав азотистые основания (низкомолекулярные циклические вещества)

На этих свойствах основана классификация органических веществ, хотя в ряде случаев данный принцип строго не соблюдается. Например, в группу витаминов входят соединения, имеющие различную структуру и химические свойства, однако все они обладают высокой биологической активностью и необходимы животным и человеку в микроколичествах. А общим свойством липидов является их плохая растворимость в воде, хотя разные группы этих веществ могут сильно различаться по своей структуре.

Биополимеры.

В состав живых организмов входят не только низкомолекулярные органические вещества (аминокислоты, сахара, органические кислоты, нуклеотиды, липиды и т. д.), но и высокомолекулярные, к которым относятся различные биологические полимеры (биополимеры) (рис. 18).
Рис. 18. Схема строения полимеров: а — гомополимер, б — гетерополимер

Полимеры — это молекулы, состоящие из большого количества повторяющихся единиц (мономеров), соединённых друг с другом ковалентными связями и образующих длинные неразветвлённые или разветвлённые цепи.

Все подобные молекулы разделяют на гомополимеры, которые состоят из одинаковых мономеров (так, полисахариды крахмал, гликоген и целлюлоза состоят из молекул глюкозы), и гетерополимеры, которые построены из нескольких различающихся структурных блоков (так, в построении белков участвуют 20 разных аминокислот, а нуклеиновые кислоты состоят из 4 типов нуклеотидов). Гетерополимеры могут быть регулярными и нерегулярными. Например, белки и нуклеиновые кислоты — это нерегулярные гетерополимеры, поскольку последовательности аминокислот в разных белках или нуклеотидов в ДНК и РНК уникальны и не имеют строгой периодичности, а вот перечисленные среди гомополимеров полисахариды (см. выше) являются типичными регулярными.

Ключевые слова: АТОМЫ И МОЛЕКУЛЫ • ОРГАНИЧЕСКИЕ И НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА • КОВАЛЕНТНАЯ СВЯЗЬ • МАКРОЭЛЕМЕНТЫ • МИКРОЭЛЕМЕНТЫ • БИОПОЛИМЕРЫ: ГОМОПОЛИМЕРЫ И ГЕТЕРОПОЛИМЕРЫ.


ПОДУМАЙТЕ
Основные макроэлементы, в первую очередь углерод, водород и азот, присутствуют в живых организмах в больших количествах, чем в неживой природе. Почему? Что из этого следует?

Моя лаборатория

Тренируемся

  1. Какие химические элементы относят к группе макроэлементов и почему?
  2. Из чего состоят молекулы различных веществ? Что лежит в основе образования их структуры?
  3. Что лежит в основе разделения веществ на органические и неорганические?
  4. Какие особенности атомов углерода обусловливают многообразие органических веществ в природе?
  5. Какие органические вещества являются биополимерами? Приведите примеры известных вам регулярных и нерегулярных полимеров, гомо- и гетерополимеров.

Совершенствуемся

  1. Используя данные таблицы 1, постройте диаграмму, отражающую содержание указанных в ней химических элементов в организме человека и в земной коре (% по массе).
  2. Прочитайте статью «Химические связи в молекулах веществ». Составьте схему образования молекул известных вам веществ: водорода (Н2), кислорода (О2), воды (Н2О), хлорида натрия (NaCl) и метана (СН4). Подпишите на схеме названия типов химических связей, участвующих в их образовании.
  3. Используя материалы свободной энциклопедии «Википедия» (https:// ru.wikipedia.org), обобщите собственные представления о строении атома и молекул. Оформите их в виде таблицы.
  4. Используя доступные информационные источники, найдите и рассмотрите таблицу химических элементов Д. И. Менделеева. Найдите в ней элементы, относящиеся к микро- и макроэлементам. Атомы нескольких химических элементов обладают строением, сходным со строением атомов углерода. Назовите эти элементы. Могли бы они заменить углерод в структуре органических веществ? Ответ обоснуйте и подкрепите известными вам примерами.

Обсуждаем
Какую проблему необходимо учитывать учёным в связи с разработкой и внедрением в производство новых искусственно созданных органических веществ? Обсудите это с учителем и одноклассниками.

Химические связи в молекулах веществ. Если в молекулу объединяются атомы одного и того же элемента или близких по своим свойствам элементов, то электроны «делятся» между ними поровну, и ковалентная связь является неполярной. Так, в молекуле Н2 имеется одинарная неполярная ковалентная связь, а в молекуле О2 — двойная неполярная ковалентная связь. Если же атомы значительно различаются по своей способности притягивать электроны (это свойство называют электроотрицательностью), то более электроотрицательный атом «перетягивает» электронную пару на себя и приобретает частичный отрицательный заряд (δ–, или «дельта минус»), а менее электроотрицательный атом приобретает частичный положительный заряд (δ+, или «дельта плюс»). Например, в молекуле воды (Н2О) атом кислорода имеет частичный отрицательный заряд, а атомы водорода — частичный положительный. Связи в таких молекулах называют ковалентными полярными связями.

Если взаимодействующие атомы очень сильно различаются по своей электроотрицательности, то один из них может полностью «потерять» свой электрон (или электроны) и превратиться в положительно заряженный ион (катион). В свою очередь, другой атом может присоединить чужой электрон (электроны) и превратиться в отрицательно заряженный ион (анион). Связи в таких веществах называют ионными.

Веществами, образованными за счёт ионных связей, являются соли. В сухом виде многие из них представляют собой кристаллы (например, NaCl или МgСl2), которые в воде распадаются не на отдельные молекулы, а на составляющие их катионы (Na+, Mg2+) и анионы (Сl). В виде ионов могут также находиться молекулы, состоящие из разных атомов, связанных между собой ковалентными связями (комплексные ионы). Так, в водных растворах катионом является аммоний (NH4+), а анионами — остатки неорганических и органических кислот (SO42–, РО43–, СН3СОO).

Биология Пасечник Учебник §5

Это интересно

В настоящее время известно 120 химических элементов. Из них 94 в различных количествах встречаются на Земле, остальные же были получены искусственным путём с помощью ядерных реакций. В природе они до сих пор не обнаружены. Массовая доля отдельных химических элементов в земной коре также не одинакова. На десять самых распространённых из них (кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, калий, натрий, магний, титан и марганец) приходится около 99,2 % вещества земной коры, причём на долю кислорода приходится около 49,4 %, кремния — 25,8 %, алюминия — 7,5 %, железа — 4,7 %. На долю оставшихся названных шести элементов в сумме приходится менее 13 %, а на остальные 84 элемента — всего 0,8 %.

Все наиболее распространённые элементы обладают одной общей чертой — их атомы легко образуют химические связи за счёт спаривания электронов. Так, например, атому водорода для образования стабильной электронной связи на внешней электронной оболочке не хватает одного электрона, атому кислорода — двух, атому азота — трёх, атому углерода — четырёх электронов. Также углерод, водород и кислород оказались подходящими элементами для образования соединений живой материи ещё и потому, что они являются наиболее лёгкими среди элементов, способных образовывать устойчивые химические связи.

Искусственное получение органических веществ. Ранее считалось, что органические вещества могут синтезировать только живые организмы. Действительно, все встречающиеся в природе представители этого типа соединений входят в состав живых организмов или являются продуктами их жизнедеятельности. Однако сейчас с помощью методов химического синтеза получено огромное количество органических веществ, намного превышающее число известных природных соединений (рис. 19).
Рис. 19. Анилин — важнейшее из искусственных органических веществ

Кроме того, не так давно были обнаружены крупные скопления различных органических молекул в межзвёздном пространстве некоторых галактик. Не исключено, что некоторые из них образовались сразу после Большого Взрыва, т. е. они намного старше не только Земли, но и всей Солнечной системы!

Могут ли живые существа состоять не из углеродных полимеров? Конечно, жизнь на Земле совсем не случайно основана на соединениях углерода. Этот элемент весьма распространён во Вселенной (четвёртый после гелия, водорода, кислорода). Углерод относительно легко вступает в химические реакции, образуя сложные устойчивые соединения с другими элементами.

Но учёные считают, что в иных космических мирах, богатых металлами и кремнием, жизнь может быть построена на основе других химических элементов, например азота — и это несмотря на то, что название данного элемента переводится с греческого как «безжизненный».

В начале XXI в. группа учёных под руководством отечественного химика Артёма Оганова провела расчёты, согласно которым азот, находящийся в недрах планет-гигантов (вроде нашего Юпитера), может под действием давления образовывать полимерные цепочки. Исследователям удалось смоделировать аналоги многих органических веществ, в которых на месте углерода присутствовал азот. Так что не исключено, что в глубинах планет-гигантов действительно могут обитать инопланетяне, состоящие в основном из азота.

По мнению Артёма Оганова, если в эти полимеры на основе азота добавить другие атомы, такие, как кислород, сера, фосфор и т. п., то химическое разнообразие этих веществ превысит разнообразие всех известных на данный момент углеродных соединений.

Однако вряд ли мы когда-нибудь сможем встретиться с этими существами. Углеродные формы жизни не смогут выдержать чудовищного давления в недрах этих планет, а азотные никогда не смогут подняться к их поверхности, поскольку при ослабевании давления полимеры из азота просто рассыплются.

Другим наиболее вероятным претендентом на роль структурообразующего атома неуглеродных органических соединений является кремний. Этот элемент находится в той же группе Периодической системы, что и углерод, поэтому их свойства во многом схожи между собой. Однако атом кремния имеет большую массу и радиус, чем атом углерода. Именно из-за этого атомам данного элемента сложно образовывать двойную или тройную ковалентную связь, что может помешать образованию биополимеров. Так что полимерные соединения кремния не могут быть настолько разнообразны, как соединения углерода.

В то же время учёные отмечали, что силиконы — гетерополимеры, включающие цепочки чередующихся атомов кремния и кислорода, — более жаропрочны, чем углеродные или просто кремниевые соединения. Это навело их на мысль о том, что кремниевая жизнь может существовать на планетах со средней температурой, значительно превышающей земную. Кроме того, было замечено, что соединения кремния оказываются стабильнее углеродных молекул в среде, содержащей большое количество серной кислоты. Таким образом, кремниевая жизнь вполне может быть распространена на планетах вроде Венеры, температура которой (как и периодически идущие на этой планете дожди из серной кислоты) не оставляет шанса на выживание существам, состоящим из углеродных молекул.

Насколько же велика вероятность возникновения жизни на основе кремния? Для того чтобы оценить её, необходимо принять во внимание тот факт, что такой основной компонент песка, как диоксид кремния, являющийся аналогом углекислого газа в углеродных формах жизни, представляет собой твёрдое и очень плохо растворимое в воде вещество. Поэтому, даже если существование силиконовых биологических молекул всё-таки окажется возможным, вышеупомянутое свойство SiО2 будет препятствовать свободному поступлению кремния в биологические системы, основанные на водных растворах (чего не наблюдается в случае хорошо растворимого в воде СО2).

Впрочем, диоксид кремния может находиться в различных агрегатных состояниях: от жидкого до так называемого стеклообразного. Было замечено, что чем выше поднимается температура, тем жиже становится данное вещество. В этом случае появляется возможность существования кремниевой жизни в виде расплава «кремниево-биологических молекул» в диоксиде кремния в весьма широком температурном диапазоне.

Тем не менее из всех полимеров, которые были на сегодняшний день обнаружены в межзвёздной среде, 84 имели в своей основе углеродные цепочки, и только лишь 8 — кремниевые. Более того, половина из вышеназванных силиконов имеет в своём составе атомы углерода, что косвенно указывает на небольшую возможность промежуточного, т. е. кремний-углеродного, варианта жизни. В целом примерное соотношение космического углерода к кремнию составляет 10 к 1. Это наводит на мысль о том, что сложные углеродные соединения всё-таки более распространены во Вселенной, и это весьма сильно снижает вероятность формирования жизни на основе кремния — по крайней мере в тех условиях, которые можно ожидать на поверхностях планет.

Интересно, что на Земле, как и на других планетах земной группы, достаточно много кремния и очень мало углерода, однако земная жизнь развилась на основе последнего. Это свидетельствует в пользу того, что данный элемент куда больше подходит для формирования биохимических процессов на планетах земного типа. Но в то же время остаётся возможность того, что при других комбинациях температуры и давления на поверхности таких планет кремний сможет принять участие в формировании биологических молекул силиконовой природы.

Следует отметить, что многие соединения кремния (в частности, SiО2) используются некоторыми земными организмами. Например, диатомовые водоросли строят свой панцирь из диоксида кремния, который они добывают на дне водоёмов. В качестве строительного материала соединения кремния также используют радиолярии, некоторые губки и даже млекопитающие — эти вещества входят в состав связок, хрящей и стенок сосудов.


Вы смотрели: § 5. Молекулярный уровень: общая характеристика. Учебник по биологии УМК Пасечник для 10 класса (базовый уровень). Цитаты из пособия 2019 года использованы в учебных целях для семейного и домашнего обучения, а также для дистанционного обучения в период невозможности посещения образовательного учреждения. Код материалов: Биология Пасечник Учебник §5.

Вернуться в ОГЛАВЛЕНИЕ учебника.

Добавить комментарий

На сайте используется ручная модерация. Срок проверки комментариев: от 1 часа до 3 дней