14-15

Основы биохимии. Общая химия

Строение молекул

Физические и химические свойства молекул определяются их строением. Поэтому многие свойства могут быть предсказаны на основании структурной формулы. К таким свойствам относятся размеры, форма, до некоторой степени конформация молекул (т.е. взаимное расположение отдельных атомов) при нахождении вещества в растворе и, наконец, реакционная способность. В этом разделе сведены параметры, на основании которых можно прогнозировать свойства соединений. Здесь также представлена пространственная структура одного из органических соединений - L-дигидроксифенилаланина [L-дофа (L-Dopa)], промежуточного продукта в биосинтезе катехоламинов (см. с. 342). Подобные пространственные структуры приводятся и в последующих разделах книги.

А. Длина связей

Для обозначения расстояний между атомами в молекуле используется понятие ковалентный радиус. Длина простой связи является величиной аддитивной: она примерно равна сумме ковалентных радиусов двух атомов. Двойная связь на 10-20% короче простой связи. В последнее время атомные радиусы и расстояние между атомами принято выражать в пикометрах (пм, 1 пм = 10^-12 м). Ранее длину связей представляли в ангстремах (Ǻ, 1Ǻ=100 пм).

Б. Поляризация связей

В зависимости от положения в периодической системе (см. с. 10) химические элементы обладают различной способностью притягивать дополнительные электроны. Такое свойство - электроотрицательность - выражается в условных единицах. У элементов, представленных на схеме, электроотрицательность меняется в пределах от 2 до 4. Чем выше это число, тем большей способностью притягивать электроны обладает химический элемент. При взаимодействии двух различных атомов пара электронов смещается в сторону более электроотрицательного атома, образуя поляризованную ковалентную связь. Мерой поляризуемости химической связи является величина дипольного момента (единица измерения: дебай, 1 Д = 3,3· 10^-30 Кл∙м).

Среди важных в биохимическом отношении элементов наиболее электроотрицательным является кислород, а наиболее поляризованной - двойная связь карбонильной группы С=О. Образующийся на углеродном атоме частичный положительный заряд облегчает часто встречающееся в биохимических реакциях нуклеофильное замещение по карбонильной группе (см. с. 20).

В. Водородные связи

Особый тип нековалентной связи - водородная связь - имеет в биохимии исключительно важное значение. В образовании водородной связи принимают участие атомы водорода ОН-, NH- и SH-гpупп (так называемых доноров водородной связи), которые взаимодействуют со свободной парой электронов атомов-акцепторов (например, О, N или S). Энергия водородной связи составляет 10-40 кДж/моль, что значительно меньше энергии ковалентной связи (>400 кДж/моль). Однако многочисленные водородные связи вносят существенный вклад в стабилизацию структуры многих макромолекул (см. сc. 74, 90). Например, L-дофа может образовывать две внутримолекулярные водородные связи. На шаро-стержневой модели L-дофа водородные мостики указаны штрихами.

Г. Эффективные атомные радиусы

Размеры атома или иона определяются его электронной оболочкой. Однако оболочка не ограничена определенной поверхностью, поэтому эффективный радиус атома задается вандерваальсовым радиусом. Этот радиус определяется на основании наименьшего энергетически выгодного расстояния между двумя атомами, не связанными ковалентной связью. На таком расстоянии энергия взаимодействия, определяемая силами притяжения и отталкивания, достигает минимального значения. Это расстояние соответствует сумме вандерваальсовых радиусов двух атомов. Форма и величина молекул в наиболее наглядном виде демонстрируется с помощью вандерваальсовой модели, где каждый атом занимает часть (сегмент) сферы соответствующего радиуса.