Взаимодействие между атомами

Взаимодействие между атомами

с труктура молекулярных веществ зависит от характера сил, действующих меж атомами и молекулами. Объединение атомов в молекулы зависит от взаимодействия их электронных оболочек и в первую очередь от внешних валентных оболочек. Известны два типа связей меж атомами: ионная (гетерополярная); ковалентная (гомополярная).

Некоторые атомы легко приобретают и теряют электроны, превращаясь в ионы. Ионы противоположных знаков притягиваются и образуют ионную или электростатическую связь. Способность образовывать и.связь наиболее выражена у атомов 1, 2 гр. ТМ. Они имеют 1 или2 se, легко теряют их, превращаясь в положительные ионы. Другие атомы, у которых на р-орбиталях остаются свободные места, приобретают е и становятся отриц. ионами. при взаимодействии ионов эл-ные оболочки не претерпевают сильных деформаций. Если сталкиваются 2 одинаковых атома, равноценных в смысле способности удерживать свои и принимать чужие э-ны, то переходов э-нов не наблюдается, а происходит обобществление «холостых» э-нов в общие пары. Связь атомов за счет общих электронных пар наз. ковалентной.. почему электронный дуплет обладает связывающими свойствами? Если спины эл-нов двух атомов Н параллельны, то атомы отталкиваются. Если они антипараллельны, то связываются. Т.о. связывающими св-ми обладают дуплет из эл-нов с антипараллельными спинами. При взаимодействии атомов происходит перекрывание эл-ных оболочек. Кот. Приводит к увеличению плотности отрицательного заряда в пространстве меж атомами. Чем больше перекрываются Эл-ные облака,тем больше энергия связи и устойчивее молекула. Ковалентная связь меж одинаковыми атомами сохраняет симметрию распределения заряда к центру 1 из атомов. в результате такого смещения молекула приобретает эл дипольный момент.

Дипольный момент позволяет молекулам участвовать в различных видах взаимодействий. Связь меж атомами по одной оси и соединяются центры атомов, наз.сигма связью. Если связь обрзуют 2 э-на, то связь ординарная. Могут существовать двойная и тройная связи. Двойная связь создается 4 эл-ми, тройная-6-ю.

Структура ковалентной связи в молекуле этиленаН₂С₂ – С₂Н₂ имеет вид:

электронные пары, лежащие в плоскости, перпендикулярной оси симметрии, образуется пи-связь. Она слабее сигма-связи. Двойная и тройная связи отличаются по расстоянию меж атомами. Дл одинарной расстояние составляет 0,15 нм, для двойной-0,13, для тройной-0,12нм.

Разделение на ионную и ковалентную условно. Могут возникать промежуточные виды связи.

Взаимодействие меж молекулами (типы слабых связей)

Силы притяжения меж молекулами, не приводящие к образованию хим.соединений, наз. Силами Ван-дер-Ваальса. Это короткоживущие силы, обуславливающиеся электростатическим притяжением отрицательно заряженных э-в одного атома и положительно заряженного ядра другого. Т.к. ядра атомов экранируются эл-ными оболочками, эти силы неодинаковы и невелики. Энергия взаимодействия Ван-дер-Ваальса по величине близка к энергии тепловых колебаний. Она описывается формулой:

U(r)=A\r¹² –B\r⁶, где А,В- величины, зависящие от свойств молекул, r-расстояние, на которое могут сблизиться атомы.

На более близком расстоянии преобладают силы отталкивания, которые обратно пропорциональны 12 степени и силы притяжения. Если нарисовать энергодиаграмму взаимодействия Ван-дер-Ваальса, получим:

Природа сил Ван-дер-Ваальса определяется взаимодействием двух колеблющихся электронных диполей, которые индуцируют в молекуле за счет смещения Эл-ных облаков силы, связывающие эти молекулы. Такие силы называются индукционными силами Ван-дер-Ваальса. При взаимодействии неполярных молекул их притяжение на большие расстояния вызываются малой деформацией Эл-ных оболочек. Электрическое взаимодействие меж Эл-ми и ядрами, приводят к взаимной деполяризации молекул. Возникающие дипольные моменты ориентированы так, что вызывают притяжение, пропорциональное произведению коэффициенту поляризуемости молекул. Такие силы наз. дисперсионными силами Ван-дер-Ваальса.

Водородная связь. Атомы водорода могут образовывать одну ковалентную связь. Но существуют специфические молекулярные взаимодействия меж молекулами, содержащими Н, и молекулами с атомами F,Cl,N,S,O. Группы ковалентно связывают атомы ОН и NH имеют большой дипольный момент. При этом в области ядра Н существует избыточный положительный заряд, т.к. плотность Эл-го облака выше возле тяжелого ядра. Отрицательно заряженные группы др. атомов могут приблизиться вплотную к протону. Возле электростатического взаимодействия, кот.наз.водородной связью.

Водородная связь образуется, кода положительно заряженный конец одного из диполей притягивается к отрицательно заряженному концу второго. Водородные связи длиннее ковалентных. Они всегда образуются между парами групп, одна из которых обращена к другой отрицательным концом диполя, а др. служит донором протона. Энергия водородной связи колеблется от 0,13 до 0,3 мВ.

Функции белков.

Элементарная живая система, способная к самостоятельному существованию, развитию и воспроизведению - это живая клетка - основа строения всех животных и растений. Важнейшими условиями существования клетки (и клеточных органелл) являются, с одной стороны, автономность по отношению к окружающей среде (вещество клетки не должно смешиваться с веществом окружения, должна соблюдаться автономность химических реакций в клетке и ее отдельных частях); с другой стороны, связь с окружающей средой (непрерывный, регулируемый обмен веществом и энергией между клеткой и окружающей средой). Живая клетка - открытая система

Единство автономности от окружающей среды и одновременно тесной связи с окружающей средой - необходимое условие функционирования живых организмов на всех уровнях их организации. Поэтому важнейшее условие существования клетки, и, следовательно, жизни - нормальное функционирование биологических мембран.

Три основные функции биологических мембран:

барьерная - обеспечивает селективный, регулируемый, пассивный и активный обмен веществом с окружающей средой (селективный - значит, избирательный: одни вещества переносятся через биологическую мембрану, другие - нет; регулируемый - проницаемость мембраны для определенных веществ меняется в зависимости от генома и функционального состояния клетки);

матричная - обеспечивает определенное взаимное расположение и ориентацию мембранных белков, обеспечивает их оптимальное взаимодействие (например, оптимальное взаимодействие мембранных ферментов);

механическая - обеспечивает прочность и автономность клетки, внутриклеточных структур.

Кроме того, биологические мембраны выполняют и другие функции:

энергетическую - синтез АТФ на внутренних мембранах митохондрий и фотосинтез в мембранах хлоропластов; генерацию и проведение биопотенциалов;

рецепторную (механическая, акустическая, обонятельная, зрительная, химическая, терморецепция - мембранные процессы) и многие другие функции.

Общая площадь всех биологических мембран в организме человека достигает десятков тысяч квадратных метров. Относительно большая совокупная площадь связана с огромной ролью мембран в жизненных процессах.

Строение белковой глобулы.

Глобулярные белки- это б. полипептидные звенья которых свёрнуты в компакт или эллипсоид структуры, кот наз глобулами. Представители таких б. – альбумины, глобулины, гистоны. Глобулярные б. вып динамические ф-ции. белковая глобула обр в клетке в водной среде. Вода влияет на водор св глобулы. для стабилизации элем 2-й структ необх чтобы образов внутримол водор св давало бы больш выигрыш своб энергии, чем обр водор св с мол воды. АК остатки могут быть условно разделены на: неполяр (гидрофоб) и поляр (гидрофил). Неполярные углеводородные радикалы АК остатков взаимод в осн друг с другом, а поляр с водой. В результ гибкая макромол сворач в глобулу. Неполяр радикалы расп внутри глобулы, а поляр гидрофил- на её поверх, соприкасаются с водой. Это предполож высказал Бреслер и Томиун в 1944г, т.е. что определяющая роль в формир простр структуры глобулы принадл гидрофоб взаимод. Идея состояла в том, что макромол Б. сворач в глобулу потому что поляр радикалы стремятся к max контакту с водой, а неполяр к min. А min поверх при задан объёме – шар. Чтобы рассчит форму глобулы необх знать отношение полярных АК к неполяр. Предполож, что все АК имеют одинак объём. Найдём соотнош числа поляр остатков к неполяр для сферич глобулы радиусом r₀. Отнош поляр ост к неполяр равно отнош V этой части. Тогда параметр:

b_s=Ve/Vi, где Ve – V поляр части глобулы. Vi – V неполяр части.

Обозначим через S площадь поверх гидрофоб ядра (S=4r²). Тогда: Vi= Sr/3 – объём гидрофоб ядра. Ve=S/d – объём гидрофил фазы. d- толщина мол слоя поляр остатков. Т. о. bs=Ve/Vi = 3Sd/Sr = 3d/r. b- поляр остатки, bs- неполяр.

Из этого ур-я след, что чем меньше радиус глобулы, тем больше д. б. относительная гидрофильность Б. Глобула м.б. сферической только при усл., что b=bs. Если b>bs форма глобулы эллипсоидная. Если поляр остатков больше чем необх. чтобы покрыть гидрофоб ядро гидрофил слоем, то глобула вытяг в эллипс, кот имеет больш поверх чем сфера. Если b значительно меньше bs, то возм фибриллярная структ. Если b<bs, то возм надмолекуляр структ – гидрофил остатки неполностью закрыв гидрофоб, гидрофоб взаимод меж такими участками ведут к агрегации Б. и воз-ю надмолек стр-р. Формиров гидрофоб ядра имеет принципиал знач для функционир Б. Компактноупаков глобула нах. в устойчивой конформации (состоянии).

Активный транспорт

Это перенос веществ из мест с меньшим значением электрохимического потенциала в места с большим его значением. Он сопровождается ростом энергии Гиббса и не может идти самостоятельно, а возможен только с процессом гидролиза АТФ. За счёт активного транспорта в организме создаются градиенты концентрации, электрический потенциал, давления, которое поддерживает все жизненные процессы. С точки зрения термодинамики организм поддерживается в неравновесном состоянии. Согласно современным представлениям в биологических мембранах существуют электрогенные ионные насосы. Они работают за счёт свободной энергии гидролиза АТФ. Известно три типа насосов:

 

Ка-Na – насос работает по следующим этапам:

· Образование комплекса с ферментами на внутренней поверхности мембран

· Связывание комплекса 3 по Na⁺

· фосфорилирование ферментов с образованием АДФ

· переворот (флип-флоп) ферментов внутри мембран

· реакция ионного обмена Na⁺ на K⁺ на внутренней поверхности мембран

· обратный переворот ферментного комплекса с переносом K⁺ внутрь клетки

· возвращение фермента в исходное состояние с освобождением ионов K⁺

взаимодействие между атомами

с труктура молекулярных веществ зависит от характера сил, действующих меж атомами и молекулами. Объединение атомов в молекулы зависит от взаимодействия их электронных оболочек и в первую очередь от внешних валентных оболочек. Известны два типа связей меж атомами: ионная (гетерополярная); ковалентная (гомополярная).

Некоторые атомы легко приобретают и теряют электроны, превращаясь в ионы. Ионы противоположных знаков притягиваются и образуют ионную или электростатическую связь. Способность образовывать и.связь наиболее выражена у атомов 1, 2 гр. ТМ. Они имеют 1 или2 se, легко теряют их, превращаясь в положительные ионы. Другие атомы, у которых на р-орбиталях остаются свободные места, приобретают е и становятся отриц. ионами. при взаимодействии ионов эл-ные оболочки не претерпевают сильных деформаций. Если сталкиваются 2 одинаковых атома, равноценных в смысле способности удерживать свои и принимать чужие э-ны, то переходов э-нов не наблюдается, а происходит обобществление «холостых» э-нов в общие пары. Связь атомов за счет общих электронных пар наз. ковалентной.. почему электронный дуплет обладает связывающими свойствами? Если спины эл-нов двух атомов Н параллельны, то атомы отталкиваются. Если они антипараллельны, то связываются. Т.о. связывающими св-ми обладают дуплет из эл-нов с антипараллельными спинами. При взаимодействии атомов происходит перекрывание эл-ных оболочек. Кот. Приводит к увеличению плотности отрицательного заряда в пространстве меж атомами. Чем больше перекрываются Эл-ные облака,тем больше энергия связи и устойчивее молекула. Ковалентная связь меж одинаковыми атомами сохраняет симметрию распределения заряда к центру 1 из атомов. в результате такого смещения молекула приобретает эл дипольный момент.

Дипольный момент позволяет молекулам участвовать в различных видах взаимодействий. Связь меж атомами по одной оси и соединяются центры атомов, наз.сигма связью. Если связь обрзуют 2 э-на, то связь ординарная. Могут существовать двойная и тройная связи. Двойная связь создается 4 эл-ми, тройная-6-ю.

Структура ковалентной связи в молекуле этиленаН₂С₂ – С₂Н₂ имеет вид:

электронные пары, лежащие в плоскости, перпендикулярной оси симметрии, образуется пи-связь. Она слабее сигма-связи. Двойная и тройная связи отличаются по расстоянию меж атомами. Дл одинарной расстояние составляет 0,15 нм, для двойной-0,13, для тройной-0,12нм.

Разделение на ионную и ковалентную условно. Могут возникать промежуточные виды связи.