Концепции современного естествознания

Но и он не совсем точен. Мы знаем, например, что каждый атом занимает определенный объем. Правда, современная физика учит, что каждый атом похож на миниатюрную солнечную систему, в которой крошечное положительно заряженное ядро окружено облаком отрицательно заряженных электронов. Казалось бы, атомы должны быть в значительной степени «пустыми». И, тем не менее, два атома не могут подойти друг к другу ближе, чем позволяют их электронные облака, поскольку между ними возникает электрическое отталкивание. На практике часто удобно считать, что атомы, как правило, ведут себя подобно твердым бильярдным шарам.

Еще один общепринятый способ изображения молекул состоит в том, что атомы на этой модели специально сделаны поменьше, чтобы можно было видеть связи между ними. Каждый атом характеризуется определенным числом связей со своими соседями; химики называют их валентными связями. По сравнению с предыдущими эти модели обладают тем преимуществом, что позволяют видеть, как выглядит молекула внутри, что особенно важно для сложных молекул. В частности, те сложные молекулы, о которых мы здесь рассказываем, очень часто изображают именно таким образом.

Итак, перед нами четыре различных способа изображения молекулы воды, и каждый из них имеет свои преимущества.

Теперь рассмотрим несколько более сложный пример. В состав природного газа входит метан, который имеет формулу СН₄. Формула подсказывает химику, что в молекуле метана с одним атомом углерода связаны четыре атома водорода. Следовательно, эту молекулу можно представить таким образом:

В действительности молекула метана выглядит иначе. Известно, что четыре валентные связи атома углерода не лежат в одной плоскости. Они идут в направлениях от центра тетраэдра к его вершинам. Эта модель ближе к реальности хотя бы потому, что дает нам трехмерный образ молекулы, чего обычная формула дать не в состоянии.

Допустим теперь, что мы убрали из молекул метана один атом водорода и вместо него к оставшейся СН₃-группе присоединили еще такую же СН₃-группу. Мы получаем молекулу СН₃СН₃ или С₂Н₆:

Этот этан, который, подобно метану, представляет собой газообразное соединение. Мы можем продолжать отщепление атомов водорода с заменой их на СН₃-группы. Постепенно мы может построить длинную цепь атомов.

Углерод образует длинные цепи легче, чем все другие атомы, — в этом одна из причин того, что на него приходится значительная часть состава всех гигантских молекул, рассматриваемых в этой книге, и вообще большинства молекул, составляющих живые организмы. Возвращаясь к нашему примеру, мы видим, что в конце концов у нас получаются молекулы с общей формулой СН₃СН₂СН₂… СН₃. Мы можем выстроит в ряд сколько угодно СН₂-групп, а затем на другом конце поместить последнюю СН₃-группу, после чего будут насыщены все валентные связи:

Этот тип молекул известен химикам под названием парафинов. Если такая молекула содержит только один атом углерода, мы получаем метан. Когда их станет четыре, получится бутан, которым обычно заправляют газовые зажигалки. Увеличим число атомов углерода до восьми и получим жидкий октан — он входит в состав бензина для автомобилей и самолетов. Будем так продолжать, пока не наберется уже порядочное число атомов углерода (скажем, около двадцати); тогда получим тяжелое смазочное масло. Дальнейшее добавление СН₂-групп сначала даст что-нибудь вроде вазелина, и, в конце концов, очередь дойдет до твердых тел, таких, как парафин.

Как видите, по мере прибавления атомов углерода происходит постепенное изменение свойств молекул: сначала это газы, потом сильно летучие жидкости, далее жидкости становятся все более вязкими и, в конце концов, появляются твердые вещества.

Мы рассмотрели простейший из возможных примеров молекул с длинной цепью, иначе называемых полимерами. Этот пример служит наглядной иллюстрацией того, как с увеличением длины цепи постепенно изменяются свойства молекул. Можно привести много других хорошо известных примеров. Вспомним каучук и такие синтетические материалы, как нейлон и терилен, — все эти продукты также образованы длинными цепными молекулами. Если же вновь вернуться к биологии, то оказывается, что почти все гигантские молекулы, входящие в состав живых организмов, представляют собой полимеры. В частности, к ним относятся белки и нуклеиновые кислоты. К слову говоря, жиры и углеводы, которым мы в этой книге уделяем меньше внимания, построены по тому же плану. Невольно возникает вопрос: почему биологические молекулы имеют вид длинных цепей? Мы еще вернемся к этому позднее.

Надо сказать, что большие биологические молекулы, представшие теперь перед нами как длинные цепи атомов, чаще всего имеют форму, близкую к сферической. Следовательно, в большинстве случаев речь идет о компактно сложенных цепях. Очевидно, свернуть длинную цепь в плотный клубок можно многими разными способами.