1.3.3.Гибридизация атомных орбиталей

При определении геометрической формы химической частицы следует учитывать, что пары внешних электронов центрального атома, в том числе и не образующие химическую связь, располагаются в пространстве как можно дальше друг от друга.

При рассмотрении ковалентных химических связей нередко используют понятие о гибридизации орбиталей центрального атома - выравнивание их энергии и формы. Гибридизация является формальным приемом, применяемым для квантово-химического описания перестройки орбиталей в химических частицах по сравнению со свободными атомами. Сущность гибридизации атомных орбиталей состоит в том, что электрон вблизи ядра связанного атома характеризуется не отдельной атомной орбиталью, а комбинацией атомных орбиталей с одинаковым главным квантовым числом. Такая комбинация называется гибридной (гибридизованной) орбиталью. Как правило, гибридизация затрагивает лишь высшие и близкие по энергии атомные орбитали, занятые электронами.

В результате гибридизации появляются новые гибридные орбитали , которые ориентируются в пространстве таким образом, чтобы расположенные на них электронные пары (или неспаренные электроны) оказались максимально удаленными друг от друга, что соответствует минимуму энергии межэлектронного отталкивания. Поэтому тип гибридизации определяет геометрию молекулы или иона.

Таблица.10

Типы гибридизации.

Тип гибридизации	Геометрическая форма	Угол между связями	Примеры
sp	линейная	180o	BeCl2
sp2	треугольная	120o	BCl3
sp3	тетраэдрическая	109,5o	CH4
sp3d	тригонально-бипирамидальная	90o; 120o	PCl5
sp3d2	октаэдрическая	90o	SF6

2.Основные концепции современной биологии

2.1. Особенности живых систем

Жизнь на Земле чрезвычайно многообразна. Она представлена ядерными и доядерными одно- и многоклеточными существами. Богатейший мир многоклеточных существ представлен тремя царствами – грибами, растениями и животными. Каждое из них в свою очередь представлено разнообразными типами, классами, отрядами, семействами, родами, видами, популяциями и отдельными особями. Все эти таксоны являются результатом исторического развития мира живого, его эволюции. Но мир живого имеет еще и структурно-инвариантный аспект: живое обладает молекулярной, клеточной, тканевой и иной структурностью.

Всем живым организмам свойственны следующие существенные черты: обмен веществ, подвижность, раздражимость, рост, размножение, приспособляемость. Каждое из этих свойств порознь может встречаться и в неживой природе, поэтому само по себе не может рассматриваться как специфическое для живого. Однако все вместе они никогда не характеризуют объекты неживой природы, и свойственны только миру живого, и в своем единстве являются критериями, отличиями живого от неживого.

Живой организм – это множественная система химических процессов, в ходе которых происходит постоянное разрушение молекулярных органических структур и их воспроизводство. Современная молекулярная биология показала поразительное единство живой материи на всех уровнях ее развития – от простейшего микроорганизма до высшего млекопитающего.

Выяснилось, что существует только два основных класса молекул, взаимодействие которых определяет то, что мы называем жизнью, - нуклеиновые кислоты и белки. Вместе взятые, они образуют основу живого.

Воспроизводство живого организма осуществляется за счет синтеза белка в клетках организма при помощи нуклеиновых кислот – ДНК и РНК.

Белками называются высокомолекулярные органические соединения, молекулы которых построены из остатков α-аминокислот. Белки играют исключительную роль в жизни живого организма, выполняя разнообразные функции. Из них состоит основная масса протоплазмы клеток, они выполняют каталитические, строительные, энергетические, обменные, защитные и многие другие функции. Многие важнейшие физиологически активные соединения: ферменты, некоторые гормоны, антибиотики и другие вещества – являются белками.

Различают первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры белковых молекул. Под первичной структурой белка понимают вид, число и последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Причем из 100 известных в органической химии аминокислот в образовании белков всех организмов используется только 20. До сих пор так и не ясно, почему именно эта двадцатка аминокислот, а никакие-либо другие, синтезирует белки нашего органического мира. Пептидные связи являются не единственными видами связей в белках. Отдельные пептидные цепи или их участки могут быть связаны между собой дисульфидными (-S-S-), солевыми и водородными связями.

Полипептидные цепи имеют спиралевидную или зигзагообразную конфигурацию, которая поддерживается с помощью водородных связей, она называется вторичной структурой белковой молекулы.

Полипептидная спиралевидная цепочка может быть по разному расположена в пространстве. Это пространственное расположение, или как иногда говорят упаковка, получило название третичной структуры. Следует отметить, что «свертывание» полипептидной цепи с образованием третичной структуры происходит не хаотично, а строго определенно, и любые изменения в третичной структуре влияют на биологическую активность белков.

В отдельных случаях молекулы состоят из нескольких полипептидных цепочек, связанных между собой водородными, ионными и некоторыми другими не ковалентными видами связей. В определенных условиях они способны диссоциировать на более мелкие «субмолекулы», которые могут опять соединяться в первоначальную молекулу. Такое объединение нескольких частиц с третичной структурой получило название четвертичной структуры. Однако далеко не у всех белков мы встречаем все четыре уровня структурной организации.

Нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные соединения, с молекулярной массой от 200 тысяч до нескольких миллионов. При полном гидролизе нуклеиновых кислот образуется смесь азотосодержащих гетероциклических оснований (пуриновых и пиримидиновых), пентоз и фосфорной кислоты. Подобно тому, как основой скелета белка является полипептидная цепь, основой скелета нуклеиновых кислот служит полинуклеотидная цепь.

Нуклеиновые кислоты делятся на два больших класса: рибонуклеиновые кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК). В состав РНК в качестве пентозы всегда входит D-рибоза, а в качестве гетероциклических оснований – цитозин, урацил, аденин и гуанин. В состав ДНК входит 2-дезокси- D-рибоза, а также цитозин, Тимин, аденин и гуанин. Отдельные ДНК различаются между собой соотношением различных оснований и последовательностью соединения соответствующих нуклеотидных фрагментов (первичная структура). Современные представления о вторичной структуре ДНК базируются на исследовании

Д. Уотсона и Ф. Крика. Вторичная структура ДНК представляет собой α- спираль, состоящую из двух полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой и вокруг общей для обеих цепей оси. При этом основания ориентированы перпендикулярно оси спирали.

На один виток двойной спирали ДНК приходится 10 оснований в каждой из полинуклеотидных цепей. Обе полинуклеотидные цепи удерживаются и стабилизируются за счет водородных связей и вандерваальсовых взаимодействий между основаниями. При этом друг против друга располагаются так называемые комплиментарные пары оснований: тимин и аденин, цитозин и гуанин.

ДНК служит источником информации для развития клетки, включая синтез необходимых ферментов и такое самокопирование, которое необходимо для воспроизведения путем клеточного деления. Молекулы ДНК, находящиеся в ядрах клеток, содержат всю информацию о наследственности.

Сами ДНК не играют роли непосредственного участника синтеза белков, поскольку в большинстве случаев этот синтез идет вне ядра клетки – в цитоплазме, где нет ДНК. Информация от ДНК передается к молекулам РНК, которые доставляют ее от ядра к рибосомам, где идет синтез белка. Существует три типа РНК: информационные РНК (несут информацию о том, какой именно белок должен синтезироваться в конкретной клетке); рибосомальные РНК (осуществляют в рибосомах синтез белка); транспортные РНК (доставляют отдельные аминокислоты в рибосомы, к месту синтеза белка).

Сущность живого наиболее концентрированно выражена в таком замечательном явлении, как конвариантная редупликация – «самовоспроизведение с изменениями», осуществляемое на основе матричного принципа синтеза макромолекул. В его основе – уникальная способность к идентичному самовоспроизведению основных управляющих систем (ДНК, хромосом и генов) благодаря их относительной высокой стабильности (явление наследственности). Все основные свойства живого немыслимы без наследственной передачи свойств в ряду поколений.