Введение в биохимию

ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВА

История развития представлений о строении вещества

Вся окружающая нас природа подразделяется на живую и неживую.

Живая природа — это разнообразные растения и животные, населяющие нашу планету.

Неживая природа состоит из веществ небиогенного (неорганического) происхождения, которые содержатся в земной коре и атмосфере. Биогенные вещества получаются в результате деятельности живых организмов или извлекаются из живых объектов физико-химическим путем.

Соответственно химия делится на органическую и неорганическую. Органическая химия на начальном этапе своего развития изучала вещества животного и растительного — органического (биогенного) — происхождения, откуда и получила свое название.

В дальнейшем химики-органики доказали идентичность веществ биогенного происхождения и веществ, полученных путем синтеза в лаборатории. В 1828 г. Ф. Вёлер синтезироват мочевину из неорганических веществ, в 1854 г. П. Бертло получил жир из глицерина и жирных кислот, а в 1861 г. А. М. Бутлеров впервые осуществил синтез глюкозы из СОг и воды.

Наблюдаемые свойства разнообразных объектов окружающего мира определяются в конечном счете свойствами атомов — мельчайших частиц вещества. Эта идея была высказана еще учеными древности и до настоящего времени является одним из важнейших положений научного познания природы.

По мере накопления информации о свойствах объектов природы менялись представления о строении атомов. Вплоть до открытия радиоактивного распада А. Беккерелем в 1896 г. атомы считались неделимыми частицами вещества. Само слово «атом» переводится с греческого языка как «неделимый».

Развитие классической физики и химии завершилось в конце XIX в. открытием периодического закона элементов Д. И. Менделеевым и законов электродинамики К. Максвеллом. Эти законы использовал в 1913 г. датский физик Н. Бор для построения планетарной теории атома. Незадолго до этого (1911) английский физик Э. Резерфорд осуществил опыты, из которых сделал вывод, что атомы — мельчайшие планетарные системы.

Согласно Э. Резерфорду, около 99,9% массы атома сосредоточено в ядре — положительно заряженной частице. Вокруг ядра подобно планетам движутся электроны — легкие, отрицательно заряженные частицы, составляющие менее 0,1% массы атома. Заряд одного электрона равен 1,610 ¹⁹Кл, масса 9,1 10 ³¹ кг. Ядро самого простого атома водорода — протон — имеет массу 1,66*10 ²⁷ кг и положительный заряд 1,6* 10″¹⁹ Кл.

Закон периодичности свойств элементов — один из важнейших законов природы — открыл в 1869 г. великий русский ученый Д. И. Менделеев (1834−1907). К этому времени были получены сотни разнообразных веществ, изучены тысячи химических реакций. Но весь этот громадный объем информации был малоупорядочен. Химики плохо умели предсказывать возможные реакции и их направление, особенно когда это касалось новых веществ.

Д.И. Менделеев, сопоставляя свойства различ"гых элементов и их соединений, обнаружил систематическую повторяемость этих свойств при увеличении атомной массы элемента. Все известные в то время элементы он представил в виде таблицы (см. форзац), столбцы которой образуют группы сходных по свойствам элементов. Так была создана периодическая система элементов. С ее помощью на основе типичных реакций можно предсказывать химическое поведение неорганических и бионеорганических веществ в разных условиях. Особенно эффективно использование периодической системы в прогнозировании биологической активности, в частности токсичности, неорганических веществ.

В современной формулировке периодический закон элементов Д. И. Менделеева гласит:

— Свойства элементов и их однотипных соединений находятся в периодической зависимости от заряда атомных ядер элементов.

На практике заряд протона 1,6*10 ¹⁹ Кл принимают равным единице и вместо абсолютного значения заряда ядра q_я используют относительную величину г, равную числу протонов в ядре.

Зарядовое число z атома данного элемента равно номеру этого элемента в периодической системе. Атом в целом электронейтрален. Поэтому число электронов в атоме также равно номеру этого элемента.

При изучении периодического закона необходимо уточнить содержание понятий «элемент» и «однотипные соединения элементов».

-^-Элементом называют совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.

Наглядное представление об элементе дают, например, одиночные атомы газообразной серы в некотором объеме при высокой температуре (рис. 1.1, а). Снижение температуры приводит к соединению одиночных атомов S в молекулы дисеры S₂ (рис. 1.1, б). При еще более низкой температуре (ниже 350 К) из молекул дисеры образуются кольцевые молекулы октасеры Sg (рис. 1.1, в). Молекулы S₂ и Sg представляют аллотропные разновидности простых веществ — элементной серы.

Следует иметь в виду, что в некоторых учебниках, особенно переводных, элементами нередко называют простые вещества. Это может привести к недоразумениям.

В 1-й половине прошлого века (1926;1928) были открыты новые законы движения электронов и других микрочастиц Э. Шрёдингером (1887−1961), В. Гейзенбергом (1901;1976) и П. Дираком (1902;1984). Эти законы легли в основу одного из разделов современной физики — квантовой механики. Ученые исходили из волновых свойств электронов. Представление об электронных волнах легло в основу квантовой механики и квантовой химии. Квантовая механика обосновала периодический закон элементов. С помощью квантовой химии можно рассчитывать свойства молекул и химические свойства вещества.

Рис. 1.1. Разные химические формы элементной серы:

а — элемент (изолированные атомы S); 6 — дисера S2 (двухатомные молекулы), в — оюасера S* (восьмиатомные молекулы) Долгое время периодический закон элементов считался эмпирическим, т. е. утверждением, сформулированным на основе обобщения экспериментальных данных об элементах и их соединениях. На основе периодического закона были сделаны важные открытия и предсказания. Этот закон послужил одной из предпосылок создания квантовой механики. Но после того как была создана квантовомеханическая теория атома, оказалось, что периодический закон может быть выведен из этой теории.

Ход познания свойств элементов схематически можно изобразить в виде цепочки: экспериментальные свойства веществ —? периодический закон —? квантовая теория атома —? вывод периодического закона —? синтез новых веществ с заданными свойствами. Подобная схема характерна для диалектического процесса научного познания в любой области, в том числе биологии и медицине.

Например, молекулярная генетика основана на квантовой теории наследственности. Неудивительно, что одним из основоположников молекулярной генетики стал Э. Шрсдингер, создавший квантовую механику. Основываясь на радиобиологических данных русского биофизика Н.В. Тимофеева-Ресовского (1900;1981) и исходя из квантовых представлений, Шрёдингер в 1943 г. смог рассчитать размеры гена. В конечном итоге это привело к синтезу гена и к дальнейшему развитию генной инженерии. Интересно, что схема диалектического познания здесь та же, что и в химии: сведения о наследовании признаков —? законы наследственности Менделя-Моргана —? квантово-генетическая теория строения хромосом —? вывод законов Менделя-Моргана —" синтез гена —? создание новых организмов с заданными наследственными признаками. Здесь особенно наглядно выступает глубокая связь химии и современной биологии.