Химия как раздел естествознания Основные задачи современной химии (стр. 25 из 68)

Так, например, полипептидная цепь лизосомы, относительно простого белка-энзима, представляет собой цепочку из 129 аминокислот. Даже незначительное нарушение порядка расположения аминокислот в полипептидной цепи влияет на свойства и функции белка. Например, болезнь крови под названием анемия возникает из-за того, что одна аминокислота в полипептидной цепочке заменяется другой. Определенная последовательность аминокислот, определяющая первичную структуру белка, задается наследственной генетической программой. На рубеже 40-х и 50-х годов XX века Фредерик Сангер, специалист по молекулярной биологии из Кембриджского университета в Англии, впервые определил последовательность аминокислот в молекуле инсулина, доказав тем самым, что свойства белка определяются, в первую очередь, последовательностью аминокислот в первичной структуре белка.

Молекула любого белка состоит из одной или нескольких полипептидных цепей (первичной структуры), которая скручивается и сматывается в клубок, образуя макромолекулу строго определенной пространственной конфигурации с вторичными, третичными и четвертичными структурами. Вторичная структура белка (спиралевидная или имеющая форму «плиссированного листа») возникает за счет водородных связей между звеньями пептидов. Третичная структура менее правильна по форме, она образуется за счет химических связей в боковых цепях с гидрофобными функциональными группами. Эти связи образуют водородные или сульфидные «мостики». Четвертичная структура характерна для белков, в состав которых входит более одной пептидной цепи.

В естественных условиях конфигурация молекулы белка устойчива и определяет все его функции. Если же условия окружающей среды (температура, рН, концентрация солей) изменяются, происходит денатурация белка, и он не может больше выполнять свои функции. При изменении условий окружающей среды денатурированный белок может вернуться в исходное состояние.

Функции же белков разнообразны. Они зависят от способности белков узнавать и присоединять различные молекулы. Это свойство белков называется биологическим узнаванием. Например, белки антител, например, интерферон, узнают и связывают определенные чужеродные тела, которые наносят вред организму. Гемоглобин присоединяет кислород и разносит его от легких по всему телу, а инсулин регулирует концентрацию сахара в крови.

Существует два типа нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Обе они являются теми молекулами, посредством которых живые организмы способны воспроизводиться – создавать новые организмы, повторяющие из поколения в поколение сложную структуру и свойства каждого живого существа. Нуклеиновые кислоты состоят из мономеров, которые называются нуклеотидами. Катализаторы – энзимы сшивают их в цепи в реакциях дегидратационного синтеза. Каждый нуклеотид, в свою очередь, состоит из трех частей: азотистого основания, соединенного с пентозой (полисахаридом с цепью из пяти атомов углерода), которая в свою очередь связана с фосфатной группой. Азотистые основания бывают двух типов: пиримидиновые (шестичленное кольцо из атомов углерода и азота) и пуриновые (пятичленное кольцо, соединенное с пиримидиновым шестичленным кольцом). Азот пуринов и пиримидинов способен отбирать ион водорода у молекулы воды, поэтому эти молекулы являются азотистыми основаниями. Пентозы, входящие в состав нуклеотидов, являются оптическими изомерами в d(β) –форме. Асимметрия молекул живых систем называется молекулярной хиральностью. Химический состав нуклеотидов в нуклеиновых кислотах приведен в Таблице 6.1.

Таблица 6.1. Химический состав нуклеиновых кислот

Состав ДНК РНК

Пурины Аденин (А) Аденин (А)

Гуанин (Г) Гуанин (Г)

Пиримидины Цитозин (Ц) Цитозин (Ц) Тимин (Т) Урацил (У)

Пентозы (сахара) Дезоксирибоза Рибоза

Кислотный остаток Фосфатная группа Фосфатная группа

Поскольку нуклеотиды отличаются друг от друга только входящими в их состав азотистыми основаниями, названия азотистых оснований служат названиями нуклеотидов.

ДНК является уникальной молекулой, которая способна воспроизводить сама себя, и этот механизм наследственности на молекулярном уровне лежит в основе жизни. Каждый раз, когда делится клетка, ее ДНК копируется и передается от одного поколения клеток к другому. Нуклеиновая кислота второго типа, РНК, участвует в синтезе белков в соответствии с информацией, содержащейся в ДНК. Молекула РНК представляет собой полимерную цепочку, состоящую из нуклеотидов аденина (А), гуанина (Г), цитозина (Ц) и урацила (У).

Молекула ДНК представляет собой двойную спираль, обе нити которой связаны водородными связями азотистых оснований. Каждая отдельная связь достаточно слаба, но все вместе они образуют связь, подобную той, которую обеспечивает застежка-молния. Нуклеотиды каждой нити связаны меж собой прочными ковалентными связями. Схема строения молекулы ДНК приведена на Рис. 6.1.

Рис. 6.1. Строение молекулы ДНК

Молекулы ДНК сложных живых систем очень длинны. Так, в каждой клетке организма человека содержится почти 2-метровая молекула ДНК, упакованная в 46 хромосом. Молекула ДНК состоит из огромного количества генов – отдельных участков громадной полимерной молекулы, каждый из которых хранит информацию о первичной структуре

одной белковой молекулы. Организм человека состоит из 30000 разновидностей белковых молекул.

Не всякие сочетания азотистых оснований возможны при образовании ДНК. Существуют пары, всегда дополняющие друг друга по принципу комплиментарности. Так, аденин (А) всегда соединяется с тимином (Т), а гуанин (Г) с цитозином (Ц). Если бы мы смогли узнать точно всю последовательность мономеров, входящих в состав одной половины спирали молекулы ДНК, мы бы автоматически узнали и состав другой половины. Например, цепи АГГТЦЦГ всегда соответствовала бы цепь ТЦЦАГГЦ, так как обе части спирали ДНК дополняют одна другую. Именно это свойство ДНК делает возможным точное воспроизведение наследственной генной структуры.

6.3. Синтетические полимеры

Синтетические полимеры можно разделить на три основные группы:

1. Пластические массы (пластмассы) – высокомолекулярные вещества, подвергающиеся пластической обработке. Пластмассы, которые подвергаются пластической обработке только при нагревании, называются термопластичными пластмассами, или термопластами. К ним относятся поливинилхлорид, который получается при полимеризации винилхлорида СН₂=СHCl; полиэтилен, полистирол, образующийся при полимеризации стирола СН₂ = СН (С₆Н₅) , и др.

Пластичные на стадии обработки пластмассы, которые в результате последующего воздействия на них (термического или химического) становятся твердыми и неплавкими, называются термореактивными пластмассами. Это так называемые фенопласты и аминопласты.

2. Эластомеры (синтетические каучуки и резины) – синтетические ВМС, обладающие резиноподобными свойствами. Сырой каучук липок, непрочен и при понижении температуры становится хрупким. Для придания каучукам прочности и эластичности их подвергают вулканизации (вводят серу и нагревают). Вулканизированный каучук называется резиной. В результате многолетней работы академика

С.В.Лебедева был разработан способ получения искусственного каучука, а в 1932 году было налажено его промышленное производство. В разработке метода получения синтетического каучука Лебедев пошѐл по пути подражания природе. Поскольку натуральный каучук является полимером диенового углеводорода изопрена, то Лебедев воспользовался также диеновым углеводородом, только более простым и доступным – бутадиеном (дивинилом). Сырьѐм для получения бутадиена служит этиловый спирт:

С₂Н₅ОН → СН₂=СН-СН=СН₂→(-СН₂-СН=СН-СН₂-)_n.

Химическая промышленность производит много различных видов синтетических каучуков: полибутадиеновый (СКБ), который получают полимеризацией бутадиена СН₂=СН–СН=СН₂ по методу Лебедева; бутадиен-стирольный (СКС) и бутадиен-нитрильный (СКН) каучуки, где звенья бутадиена чередуются соответственно со звеньями стирола СН₂ = СН (С₆Н₅) и акрилонитрила СН₂=СН–С=N (нитрила акриловой кислоты). Получают и синтетический полиизопреновый каучук (СКИ), близкий по свойствам к натуральному природному каучуку.

3. Химические волокна – синтетические ВМС, сформованные в виде нитей (волокон) и используемые для изготовления текстильных изделий. Различаю две формы химических волокон – непрерывное волокно (искусственный шелк или корд) и штапельное волокно (коротко разрезанные волокна-штапельки для изготовления тканей типа ХБ и шерстяных). Различают полиакрилонитрильные волокна (орлон, нитрон, дралон, вольприла); полиамидные волокна (дедерон, найлон, перлон, капрон); полиэфирные волокна (терилен, лавсан, элана).

Синтетические высокомолекулярные соединения получают двумя способами. Это:

1. Реакция полимеризации – образование высокомолекулярных соединений из низкомолекулярных без выделения побочных низкомолекулярных продуктов. Мономерами для реакции полимеризации служат соединения с кратными связями (двойными или тройными). В процессе полимеризации происходит разрыв кратных связей и возникновение химических связей между мономерами с образованием макромолекулы. Так, например, полимеризуется этилен с образованием полиэтилена: nСН₂ = CH₂ (- CH₂ – CH₂ - )n