46 :: 47 :: 48 :: Содержание
2.9. Резюме
Биологи в основном придерживаются гипотезы, согласно которой жизнь на Земле зародилась самопроизвольно в мелких морях в особых условиях, которых давно уже не существует. Предполагается, что органические молекулы были синтезированы в первичной атмосфере в ходе реакций, "подпитываемых" (энергетически) разрядами молний или радиацией, и накапливались в воде в течение длительного времени, обеспечив тем самым сырьевую базу для зарождения первичных живых клеток.
Живая материя состоит главным образом из углерода, азота, кислорода и водорода, образующих стабильные (ковалентно связанные) соединения. Углерод, азот и кислород способны образовывать двойные и тройные связи, что значительно увеличивает структурное многообразие биологических молекул.
Полярность молекулы Н2О обусловливает ее способность образовывать водородные связи, что помимо связывания атомов водорода и кислорода соседних молекул воды придает воде много специфических свойств, тесно связанных с эволюцией и выживанием живых организмов. Молекулы воды диссоциируют самопроизвольно на Н+ и ОН-. В 1 л чистой воды содержится по 10-7 молей каждого иона. Многие вещества в растворе нарушают исходный баланс концентраций Н+ и ОН-, сообщая воде кислотные или основные свойства (т. е. способность отдавать или присоединять протоны). Концентрации этих ионов измеряют по шкале рН. рН биологических сред влияет на величину заряда аминокислотных боковых групп и, следовательно, на конформацию и функциональную активность белков. Поэтому для поддержания рН в узких
46
Дополнение 2-1. Различные величины, использующиеся в области электричества, и их определение
Заряд (q) измеряется в системе СИ в единицах, называемых кулонами (Кл). Чтобы превратить 1 г-эквивалент одновалентного иона в его элементную основу (или наоборот), требуется заряд, равный 96 500 Кл (один фарадей). Таким образом, выражаясь не слишком строго, один кулон эквивалентен 1/96 500 г- эквивалента электронов. Заряд одного электрона составляет -1,6·10-19 Кл. Если умножить эту величину на число Авогадро, то полученный заряд и составит как раз один фарадей, или -96487 Кл/моль.
Ток (I) представляет собой направленное движение заряда. Сила тока при переносе 1 Кл/с составляет 1 ампер (А). За направление тока условно принимают направление движения положительных зарядов (т.е. от анода к катоду).
Напряжение (V или Е) представляет собой электродвижущую силу (ЭДС) или разность потенциалов электрического поля, измеряемую в вольтах. Если работа, затрачиваемая на перемещение заряда в 1 Кл из одной точки поля в другую, с более высоким потенциалом, составляет 1 джоуль (Дж), или 1/4,184 калории (кал), то разность потенциалов между этими точками составляет 1
вольт (В).
Сопротивление (R) - величина, характеризующая противодействие току в электрической цепи. Сопротивление измеряется в омах. 1 Ом - это сопротивление проводника, при прохождении через который тока в 1 А наблюдается падение напряжения 1 В. Эта величина эквивалентна сопротивлению столбика ртути с площадью поперечного сечения 1 мм2 и длиной 106,3 см. R =ρ· длина/площадь поперечного сечения.
Удельное сопротивление (ρ) - сопротивление проводника единичной длины (1 см или 1 м) и единичной площади поперечного сечения (соответственно 1 см2 или 1 м2).
Проводимость (G) - величина, обратная сопротивлению: G = 1/R. Измеряется в сименсах.
Удельная проводимость - величина, обратная удельному сопротивлению.
Закон Ома утверждает, что сила тока прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению:
I = E/R, или Е = IR.
Таким образом, напряжение 1 В на сопротивлении 1 Ом приводит к возникновению тока силой 1 А. И наоборот, ток силой 1 А, проходящий через сопротивление 1 Ом, создает разность потенциалов на его концах 1 В.
Емкость (С). Конденсатор, как правило, состоит из двух пластин (из проводящего материала), разделенных изолятором. Если подсоединить их параллельно к батарее гальванических элементов, заряды будут накапливаться на одной пластине и уходить с другой, пока разность потенциалов между пластинами не станет равной ЭДС батареи или не произойдет пробой изолятора. В идеальном конденсаторе ни один заряд как таковой не пересекает изолирующий слой между пластинами, но одноименные заряды, собирающиеся на одной из пластин, электростатически отталкивают аналогичные заряды на другой пластине. Емкость конденсатора, т. е. его способность накапливать заряды, выражают в фарадах (Ф). Если на конденсатор подано напряжение 1 В и скопившийся на одной пластине (покинувший другую пластину) положительный заряд равен 1 Кл, то емкость такого конденсатора по определению равна 1 Ф:
47
делах необходимы физиологические буферные системы; без них нарушается координация катализируемых реакций.
Сила электростатического притяжения между ионом и ионсвязывающим центром, насущим заряд противоположного знака, зависит от расстояния максимального сближения между этим ионом и центром. Избирательность такого центра по отношению к различным ионам зависит от того, насколько успешно этот центр конкурирует с биполярными молекулами воды за связывание той или иной разновидности иона.
Животные клетки состоят из четырех основных групп органических молекул. Это липиды, углеводы, белки и нуклеиновые кислоты. Липиды, включающие триацилглицеролы (жиры), жирные кислоты, воска, стероиды и фосфолипиды, служат энергетическим депо и основными компонентами биологических мембран. Углеводы включают сахара, крахмалы и структурные полимеры, такие, как хитин и целлюлоза. Сахара и крахмалы служат основным источником ресурсов для поддержания энергетического метаболизма в клетках. Белки, представляющие собой свернутые особым образом линейные полимеры аминокислот, образуют многие структурные материалы, такие, как коллаген, кератин и т.д. Особым классом белков являются ферменты - специализированные белки, обладающие каталитически активными центрами; они участвуют практически во всех биологических реакциях. Нуклеиновые кислоты ДНК и РНК кодируют и преобразуют генетическую информацию, необходимую для направленного синтеза всех белковых молекул в клетке.
48
46 :: 47 :: 48 :: Содержание
48 :: Содержание
2.10. Вопросы для повторения
1.Какие доводы можно высказать в пользу того, что молекулярные блоки, необходимые для зарождения жизни, возникли самопроизвольно на первобытной Земле?
2.Что определяет реакционную способность того или иного атома? Почему?
3.Какие свойства элементов С, Н, О и N делают их особенно пригодными для конструирования биологических молекул?
4.Почему кислород играет столь важную роль в биологии?
5.Какие важные физические и химические свойства Н2О можно напрямую связать с дипольным характером молекулы воды?
6.Чему равен рН 1 мМ раствора кислоты, если она диссоциирует на 10%?
7.Почему для буферной рН-системы требуется слабая, а не сильная кислота?
8.В чем различие между моляльностью и молярностью?
9.Сколько граммов весит один моль СО2?
10.Сколько приблизительно частиц содержится в единице объема 1 мМ раствора NaCl?
11.Какова примерно температура кипения одно-моляльного раствора NaCl?
12.Почему одни жидкости проводят электрический ток, а другие нет?
13.Сколько ионов проходит через какую-либо фиксированную точку в растворе (эквивалентов в секунду) при силе тока в 1 мА?
14.Какие главные факторы определяют связывание двух катионов а и b с электроотрицательным местом связывания? Напишите выражение, объединяющее эти факторы в какую-либо поддающуюся измерению величину.
15.В каком из двух случаев сила притяжения одновалентного иона убывает быстрее с расстоянием: в случае а) однополюсного центра связывания или б) многополюсного центра? Напишите выражение, связывающее силу и расстояние для каждого случая.
16.Чем определяется а) первичная структура белка? б) вторичная? в) третичная? г) четвертичная?
17.Каким особым свойством обладает цистеин, благодаря которому он часто встречается в активных центрах молекул ферментов?
18.Почему белки денатурируют (т.е. становятся структурно неупорядоченными) при повышенных температурах?
48
48 :: Содержание
48 :: Содержание
ЛИТЕРАТУРА
Calvin М., Jorgenson M.J., eds, I968. Bio-organic Chemistry: Readings from Scientific American, New York, W. H. Freeman and Company.
Calvin M.f PryorW.A., eds. 1973. Organic Chemistry of Life: Reading from Scientific American, New York, W. H. Freeman and Company.
Darnell J.H., Lodish H., Baltimore D. 1986. Molecular Cell Biology, New York, Scientific American Books.
DeRobertis E.D. P., DeRobertis E.M.F., Jr. 1987. Cell and Molecular Biology, 8th ed., Philadelphia, Lea and Febiger.
Lehninger A.L. 1982. Principles of Biochemistry. New York, Worth.
Stryer L. 1988. Biochemistry, 3th ed., New York, W. H. Freeman and Company. Wolfe S.L. 1981. Biology of the Cell, 2nd Belmont, Calif., Wadsworth.
48
48 :: Содержание