Химическое соединение - это вещество, состоящее из двух или нескольких типов атомов или ионов, соединенных в молекулу; поэтому его можно разложить на два или несколько более простых веществ. Различные химические элементы в данном соединении всегда находятся в определенном весовом соотношении между собой. Это обусловлено тем, что атомы соединены друг с другом химическими связями совершенно определенным образом.

Группу атомов, соединенных химическими связями, называют молекулой. Молекула - это наименьшая частица вещества, сохраняющая те же химические свойства и состав, что и большее количество данного соединения. Молекула состоит не менее чем из двух атомов, которые могут быть одинаковыми (как, например, в молекуле кислорода или азота) или различными. Если молекула данного вещества состоит из двух или большего числа разных атомов, то мы имеем дело с химическим соединением.

Обычно свойства химического соединения совершенно отличны от свойств составляющих его элементов. Каждая молекула воды содержит два атома водорода и один атом кислорода, а вода по своим химическим свойствам совсем не похожа ни на водород, ни на кислород. Состав воды отражен в ее химической формуле - Н₂0. Таким образом, химическая формула кратко фиксирует, какие типы атомов и в каком относительном количестве входят в состав молекулы.

Значительную часть вещества каждой клетки составляет вода. У человека содержание воды в различных тканях варьирует от 20% (в кости) до 85% (в ткани головного мозга). Около двух третей общей массы организма человека составляет вода; в организме медузы вода составляет 95%. Вода выполняет в живых системах ряд важных функций. В ней растворено большинство других веществ, для которых водная среда является необходимым условием для вступления в реакцию друг с другом. Вода растворяет "отходы" метаболизма и помогает выведению их из клетки и из организма.

Вода обладает большой теплоемкостью, т. е. способностью поглощать тепло при минимальном изменении своей собственной температуры. Это обусловлено тем, что расположенные рядом молекулы воды, находящейся в жидком или в твердом состоянии (лед), удерживаются вместе водородными связями (рис. 1) и определенное количество тепла расходуется на разрыв этих связей. Таким образом, вода предохраняет клетку от резких изменений температуры.

Вода обладает способностью поглощать большое количество тепла при переходе из жидкого состояния в газообразное, что позволяет организму освобождаться от избытка тепла путем испарения воды. Например, футболист, весящий 100 кг, может потерять за час игры 2 кг воды, испаряющейся при потоотделении. Теплота испарения воды равна 574 ккал/кг, отсюда 574 X 2 = 1148 ккал. Если бы вода не испарялась и все образующееся во время игры тепло сохранялось в организме, температура тела футболиста повысилась бы на 11,5 °С. Характерная для воды высокая теплопроводность создает возможность равномерного распределения тепла между тканями тела. Наконец, вода служит смазочным материалом, необходимым везде, где один орган трется о поверхность другого, а также в суставах.

В отличие от чистых химических соединений (например, воды) механическая смесь состоит из двух или большего числа типов атомов или молекул, которые могут сочетаться в самых различных пропорциях. Воду можно смешать со спиртом в любом соотношении, а воздух представляет собой смесь варьирующих количеств кислорода и азота с небольшой примесью водяного пара, углекислого газа, аргона и других газов. Из этого следует, что каждое химическое соединение должно обладать вполне определенными химическими и физическими свойствами, тогда как свойства смеси меняются в зависимости от относительных количеств ее компонентов.

Атомы, составляющие молекулы, соединены между собой химическими связями (рис. 2). В веществах биологического происхождения важную роль играют

• электростатические связи (или ионные) [показать]

  Электростатические связи обусловлены взаимным притяжением частиц с разноименными зарядами; например, заряженные положительно ионы натрия могут соединяться с отрицательно заряженными ионами хлора, образуя кристаллический хлористый натрий (поваренную соль). Этот тип связи относительно непрочный и легко разрывается.

• водородные связи [показать]

  Водородные связи - это очень слабые связи, образующиеся в тех случаях, когда атом водорода находится между двумя атомами, одним из которых обычно является атом кислорода. Они легко образуются между любым водородным атомом, соединенным ковалентной связью с кислородом или азотом, и любым сильно электроотрицательным атомом (обычно кислородом или азотом), находящимся в другой молекуле или в другой части той же молекулы.

  Водородные связи имеют определенную длину и определенное направление, т. е. образуют совершенно точные геометрические конфигурации, что очень важно в связи с их ролью в формировании структуры таких макромолекул, как белки и нуклеиновые кислоты. Молекулы воды, находящейся в жидком состоянии, удерживаются вместе отчасти благодаря образованию водородных связей. Это объясняется тем, что атом кислорода и два атома водорода расположены в молекуле воды асимметрично, образуя треугольник. Электроны, принадлежащие атомам водорода, сильнее притягиваются к ядру кислорода, чем к ядрам водорода, и поэтому располагаются ближе к кислородному атому. Вследствие этого молекула воды, будучи в целом электронейтральной, имеет небольшой локальный положительный заряд у двух атомов водорода и такой же отрицательный заряд у атома кислорода.

  Молекулы с положительным зарядом на одном конце и отрицательным на другом называют полярными. Вещества, построенные из таких молекул, обычно растворимы в воде, так как в результате электростатического притяжения электрически заряженные частицы растворенного вещества окружаются молекулами воды, обращенными к частице теми своими концами, которые несут противоположный электрический заряд. Когда положительно заряженный водородный атом одной молекулы воды оказывается рядом с электроотрицательным атомом (кислородом) другой такой же молекулы, в результате притяжения между ними образуется водородная связь.

• ковалентные связи [показать]

  Ковалентные связи - отличаются прочностью, их образование требует затраты энергии. Как образование, так и расщепление этих связей в живых клетках происходит при участии ферментов.

  Ковалентная связь возникает в том случае, когда каждый из двух соседних атомов передает по одному электрону "в общее пользование", так что эта пара электронов принадлежит одновременно обоим атомам. В отличие от этого при электростатической (ионной) связи один атом отдает электрон другому. Например, при образовании молекулы хлористого натрия атом натрия отдает электрон атому хлора.

  Каждый атом водорода, как мы уже знаем, состоит из ядра и одного электрона. Когда два таких атома, соединяясь, образуют молекулу водорода, их электроны "обобществляются", так что первая электронная орбиталь каждого атома оказывается в известном смысле заполненной двумя электронами. В этом случае оба электрона принадлежат в равной степени обоим атомам и вероятность того, что они окажутся ближе к одному ядру, чем к другому, невелика. Такую связь называют неполярной ковалентной связью.

  В молекуле воды, в которой два атома водорода ковалентно связаны с атомом кислорода, обобществляются электроны всех трех атомов и таким образом внешняя орбиталь кислорода оказывается заполненной 8 электронами, а первая орбиталь каждого из водородных атомов - двумя электронами. Эта ковалентная связь несколько отличается от ковалентной связи между двумя атомами водорода: при образовании такой связи между атомами двух различных элементов "обобществленные" электроны притягиваются к ним с неодинаковой силой. Такую связь называют полярной ковалентной связью.

  В молекуле воды электроны располагаются ближе к ядру кислорода, чем к ядру водорода, так что атом кислорода приобретает некоторый отрицательный заряд, а атом водорода - положительный. Ковалентные связи могут обладать любой степенью полярности - от "нулевой", когда обобществленные электроны находятся на одинаковых расстояниях от обоих атомных ядер (как в молекуле водорода), до максимальной, когда эти электроны находятся значительно ближе к одному из атомов и поэтому полярность связи выражена очень сильно. Электростатическая связь в известном смысле представляет собой крайний случай полярной связи, когда электроны полностью переходят от одного атома к другому.

  Поскольку электроны не фиксированы в пространстве, а непрерывно движутся, эта связь может резонировать. В один момент времени она может быть по существу ковалентной, а в другой - электростатической. Поэтому соединение, которое в основном является ковалентным, способно тем не менее к некоторой ионизации.

Из ковалентных связей большое значение имеют ангидридные связи, образующиеся при соединении двух молекул с одновременным выделением молекулы воды (при этом от одной молекулы отщепляется гидроксильная, или ОН-группа, а от другой - атом водорода). В биосинтетических реакциях такая связь часто образуется не в результате действительного отщепления молекулы воды, а путем замещения ОН-группы в одной молекуле фосфатной группой с последующим удалением этой фосфатной группы и атома водорода от другой молекулы; при этом освобождается неорганический фосфат и образуется ангидридная связь.

Ангидридные связи углеводов, или гликозидные связи, образуются при отщеплении атома водорода от спиртовой группы одной молекулы сахара и гидроксила от альдегидной группы другой молекулы (рис. 2). Ангидридные связи белков, или пептидные связи, образуются в результате отщепления ОН от карбоксильной группы (-СООН) одной аминокислоты и водорода от аминогруппы (-NН₂) другой аминокислоты. Ангидридные связи жиров, или эфирные связи, возникают при отщеплении группы ОН от карбоксильной группы жирной кислоты и водорода от спиртовой группы глицерина.

Из других эфирных связей большое биологическое значение имеют фосфорноэфирные связи, образующиеся при отщеплении Н от фосфорной кислоты и ОН-группы от сахара, а также тиоэфирные связи, при образовании которых ОН отщепляется от карбоксильной группы кислоты, а водород - от SН-группы. В нуклеотидах сахар соединен с пурином или пиримидином гликозидной связью, а с фосфатом - фосфорноэфирной. Кофермент А образует с целым рядом веществ тиоэфиры; например, ацетилко-фермент А представляет собой тиоэфир уксусной кислоты и кофермента А.

Кроме того еще выделяют два типа слабых связей - вандерваальсовы силы и гидрофобные связи, которые играют особенно важную роль в структуре белковых молекул.

Ясное представление о химических связях и их полярности позволяют более четко понимать свойства молекул в живых системах.

В химии принято называть соединения, содержащие углерод (за исключением карбонатов), органическими соединениями, а все остальные вещества - неорганическими. Однако неорганические соединения тоже играют важную роль в физиологии живых организмов.

На внешней орбитали атома углерода находятся четыре электрона, которые могут быть различным образом поделены между этим и соседними атомами. Поэтому углерод может образовывать больше различных соединений, чем любой другой элемент. Некогда полагали, что органические соединения - это вещества совсем особого рода, синтез которых возможен только в живых организмах. Это представление было опровергнуто в 1828 году, когда Вёлер впервые синтезировал мочевину (один из органических продуктов обмена, содержащийся в моче многих животных и человека) из неорганических соединений - сернокислого аммония и цианистого калия. Впоследствии были синтезированы многие тысячи органических веществ, в том числе сложные соединения, имеющие большое биологическое значение, например некоторые витамины, гормоны, антибиотики и лекарственные вещества.

Из неорганических соединений в живых организмах содержатся вода, углекислота, различные кислоты, основания и соли. Кислота - это соединение, при диссоциации которого в воде освобождаются ионы водорода (Н⁺). Кислоты изменяют цвет синей лакмусовой бумаги на красный и имеют кислый вкус. Соляная (НСl) и серная (Н₂S0₄) кислоты относятся к неорганическим кислотам; молочная кислота (содержится в кислом молоке) и уксусная кислота (содержится в уксусе) - две из наиболее обычных органических кислот. Основанием называется соединение, при диссоциации которого в воде освобождаются гидроксильные группы (ОН^-). Основания изменяют цвет красной лакмусовой бумаги на синий. К наиболее обычным неорганическим основаниям (щелочам) относятся гидрат окиси натрия, или едкий натр NаОН), и гидрат окиси аммония, или гидроокись аммония (NН₄ОН).

Для удобства степень кислотности или щелочности той или иной жидкости, т.е. концентрацию в ней ионов водорода, можно выражать величиной рН (логарифм концентрации ионов водорода, взятый с обратным знаком). Протоплазма большинства животных и растительных клеток не дает ни сильнокислой, ни сильнощелочной реакции; она содержит почти нейтральную смесь веществ кислого и основного характера. Концентрация в ней водородных ионов (как и в чистой воде) составляет около 10^-7 М, а величина рН равна, следовательно, 7,0. При рН 7,0 концентрации свободных ионов Н⁺ и ОН^- равны друг другу. Сколько-нибудь значительное изменение рН протоплазмы несовместимо с жизнью. Так как шкала рН является логарифмической, то в растворе, имеющем рН 6, концентрация ионов водорода в 10 раз выше, чем в растворе с рН 7.

При смешивании кислоты и основания водородный ион кислоты соединяется с гидроксильным ионом основания и образуется молекула воды (Н₂0). Остаток кислоты (анион) соединяется с остатком основания (катионом), образуя соль. Например, соляная кислота реагирует с гидратом окиси натрия с образованием воды и хлористого натрия, т. е. обыкновенной поваренной соли: Н⁺С1^- + Na⁺ОН --> Н₂О + Nа⁺Сl^-.

Соль можно определить как соединение, получающееся при замещении водородного атома кислоты каким-нибудь металлом.

При растворении солей, кислот или оснований в воде их молекулы разделяются на составляющие их ионы. Растворы, содержащие эти заряженные частицы, способны проводить электрический ток; поэтому эти вещества называются электролитами. Сахара, спирты и многие другие вещества, которые при растворении не распадаются на заряженные частицы и растворы которых поэтому не проводят электрического тока, называются неэлектролитами.

Клетки и внеклеточные жидкости содержат множество различных минеральных солей; при этом важнейшими катионами (положительно заряженными ионами) являются натрий, калий, кальций и магний, а главными анионами (отрицательно заряженными ионами) - хлорид-, бикарбонат-, фосфат- и сульфат-ионы. Жидкости тела наземных животных по общему содержанию солей значительно отличаются от морской воды, однако по составу солей и по их относительным концентрациям они в общем близки к ней (табл. 1). Общая концентрация солей в жидкостях тела большинства морских животных равна концентрации их в морской воде (примерно 3,4%). У наземных, пресноводных и морских позвоночных содержание солей в жидкостях тела составляет около 1%, а у наземных и пресноводных беспозвоночных - от 0,3 до 0,7%. Для нормального протекания жизненных процессов необходимо наличие в организме определенных солей, причем их относительные концентрации не должны выходить за определенные границы.

Кровь человека и наземных позвоночных отличается от морской воды относительно большим содержанием калия и меньшим - магния и хлора. Жизнь, вероятно, возникла в море, и клетки первых организмов были приспособлены к тем солям и тем их относительным концентрациям, которые были характерны для моря в то время (хотя концентрация солей в первичном океане, вероятно, была ниже, чем в современном). В процессе эволюции жидкости тела животных стали в общем сходными по относительной концентрации солей, так как всякое значительное отличие в солевом составе привело бы к подавлению тех или иных клеточных ферментов и поставило бы таких животных в невыгодные условия в борьбе за существование.

У некоторых животных развились почки и другие органы выделения, позволяющие избирательно задерживать в организме или, наоборот, выводить из него те или иные ионы. Поэтому жидкости тела в известной мере различаются по относительным концентрациям солей, поскольку концентрация ионов каждого типа определяется относительной скоростью поглощения и выделения их из организма.

В нормальных условиях содержание различных солей чрезвычайно постоянно, и всякое значительное отклонение от нормы приводит к серьезным последствиям, а иногда и к смерти. Понижение концентрации ионов кальция в крови у млекопитающих вызывает судороги и смерть. Сердечная мышца может нормально сокращаться только при наличии соответствующего баланса ионов натрия, калия и кальция. Если изолировать сердце лягушки и поместить его в чистый раствор хлористого натрия, то оно вскоре перестанет сокращаться, остановившись в расслабленном состоянии; если поместить его в раствор хлористого калия или в смешанный раствор хлоридов натрия и кальция, оно остановится в состоянии сокращения. Если же поместить сердце в раствор этих трех солей взятых в надлежащем соотношении, оно будет продолжать сокращаться. Эта проба с сердцем лягушки настолько чувствительна, что ее можно использовать для измерения концентрации ионов кальция в растворах.

Помимо этого специфического действия на определенные клеточные функции, минеральные соли играют важную роль в поддержании осмотических отношений между клеткой и окружающей ее средой.