Сродство кислорода к электрону проявляется и тогда, когда оба его свободных электрона заняты в образовании ковалентных связей. Кислород «стремится» удержать около себя спаренные электроны этих связей, оттягивая на себя таким образом электронную плотность и получая некоторый отрицательный заряд.

Кроме того кислород, имея на внешней орбите спаренные электроны (даже две пары), способен, подобно азоту притягивать оказавшийся поблизости дефицитный по электронной плотности атом водорода.

Описанные особенности атомов азота и кислорода позволяют понять природу слабых сил взаимодействия, играющих ключевую роль как в образовании пространственной структуры белков и ферментативном катализе, так и в спаривании нитей ДНК. Рассмотрим три главных типа таких сил.

1. Ионная связь. Такая связь может возникнуть при сближении отрицательного иона кислорода (например после диссоциации водорода от карбоксильной группы) и положительного иона четырехвалентного азота, как показано на рис. 3. Не интересующие нас пока остальные участки молекул изображены в виде прямоугольников).

Расстояние между ядрами ионов кислорода и азота около ЗА, а сила взаимного притяжения такова, что для отрыва их друг от друга требуется затратить 0,95 килокалорий на каждый моль ионных пар. Для разрыва же ковалентной химической связи (например, между двумя атомами углерода) требуется почти в сто раз больше энергии — около 85 ккал/моль.

2. Водородная связь. Образование так называемой «водородной» связи обусловлено указанными выше явлениями:

поляризацией связи N—Н

притяжением обедненного электронами водорода к атому азота или кислорода, имеющим на внешней орбите спаренные электроны.

Расстояния между ядрами двух азотов или азота и кислорода такие же, как при ионной связи — около ЗА. Ядро водорода как бы зажато между почти соприкасающимися внешними электронными оболочками N и N или N и О. Для разрыва водородной связи требуется около 0,7 ккал/моль — это тоже слабая связь.

3. Гидрофобная связь. Это, по существу говоря, не связь, а «невольное» объединение молекул, отторгнутых молекулами воды. Гидрофобные молекулы «не любят» воду — растворяются в ней очень плохо. Растворимость в воде означает склонность вещества распадаться на отдельные молекулы, каждую из которых окружает гидратная оболочка — слой «прилипших» молекул воды. «Прилипание» воды (смачивание) происходит благодаря притяжению поляризованных молекул воды (диполей) к ионам или заряженным участкам растворяемых молекул (рис1). Поляризованность молекулы воды, если учесть, что в реальности оба водорода действительно находятся по одну сторону от атома кислорода.

Рис.1

Рис.2

Если крупная молекула имеет на поверхности заряженную или поляризованную группу атомов, то вокруг нее тоже будут образовываться «местные» гидратные оболочки (рис. 2). Этого может быть достаточно для придания всей молекуле определенной (худшей, чем для чистого иона) растворимости в воде. К первому слою «прилипших» молекул воды такими же силами присоединяются еще слои молекул воды, образуется своего рода «шуба», которая «втягивает» молекулу в водное окружение, даже если остальные участки молекулы с водой не взаимодействуют.

Естественно, что сами диполи молекул воды электростатически и водородными связями притягиваются друг к другу. Это обусловливает, в частности, некоторую трудность испарения воды (по сравнению, например, с эфиром и спиртом). Вода «стремится» упорядочить расположение своих молекул по объему так, чтобы между ними образовалось максимальное число связей. Чем больше таких связей, тем меньше потенциальная энергия всей системы (ведь для разрыва связей, например испарения воды, надо подводить энергию нагревания). Любая подвижная система стремится занять положение, отвечающее минимуму потенциальной энергии. Тепловое движение молекул воды препятствует этому. Максимальное упорядочивание достигается лишь при 0°С, когда вода кристаллизуется в лед.

Прочие статьи:

Роль липидов в питании человека
Растительные жиры и масла являются обязательным компонентом пищи, источником энергетического и пластического материала для человека, поставщиком ряда необходимых для него веществ (непредельных жирных кислот, фосфолипидов, жирорастворимых ...

Информационная система клетки. Кодирование и реализация генетической информации в клетке. Генетический код и его характеристика
Генетическая информация закодирована в ДНК. Генетический код был выяснен М. Ниренбергом и Х.Г. Корана, за что они были удостоены Нобелевской премии в 1968 году. Генетический код - система расположения нуклеотидов в молекулах нуклеиновых ...

Строение и взаимодействие химических веществ
Характер любой системы, как известно, зависит не только от ее строения и состава ее элементов, но и от их взаимодействия. Именно такое взаимодействие определяет специфические, целостные свойства самой системы. Поэтому при исследовании раз ...