Беседы о жизни
Шрифт:
Итак, мы предусмотрительно позаботились о том, чтобы читателю было известно, что молекула белка представляет собой длинную цепочку, образованную звеньями двадцати типов, причем последовательность их чередования для каждого белка строго определена генетически. В принципе для наглядного представления структуры белковой молекулы теперь недостает еще только одного пояснения, относящегося уже к области стереохимии. Предметом интереса этой науки является взаимное пространственное расположение атомов в молекулах различной валентной структуры, а в том, что он отнюдь не праздный, мы будем еще неоднократно иметь возможность
Приводимые на страницах школьных учебников химии структурные формулы различных соединений, например,
являются «двумерными»: они передают способ размещения валентных связей между отдельными атомами, но ничего (по крайней мере, прямо) не говорят об их взаимном пространственном расположении. Вот, например, молекула метана CH 4. По общему виду ее структурной формулы можно подумать, что это плоская молекула в форме квадрата, по вершинам которого расположены атомы водорода, а в центре — атом углерода. Однако на самом деле ее структура совершенно иная; ее лучше всего представить себе, вспомнив общеизвестные молочные пакеты. Такой пакет представляет собой пространственную фигуру, образованную четырьмя равносторонними треугольниками. Разместив на его вершинах атомы водорода и в центре — углерод, мы получим точную пространственную модель молекулы метана. А поскольку фигура, форму которой имеет молочный пакет, называется тетраэдром, говорят, что в молекуле метана заместители (атомы водорода) вокруг четырехвалентного углерода расположены тетраэдрически.
Размещение атомов в молекуле метана имеет одну весьма интересную особенность. Если построить пространственную модель метана из толстой проволоки, точно соблюдая равенство длин всех валентных связей C-H и всех валентных углов H-C-H (четыре связи и шесть углов), то получившаяся конструкция, какой бы стороной ее ни поставить на стол, всегда будет выглядеть одинаково: три «нижние» в данный момент связи опираются на плоскость стола, а четвертая торчит точно вверх.
Такого рода конструкции, между прочим, издавна находили применение в военном деле. Если каждый конец заострить и снабдить зубчиком (наподобие рыболовного крючка), получится так называемый «чеснок» — по-видимому, одно из старейших военно-инженерных средств. Русские воины рассыпали их на пути движения конницы Батыя (хотя наверняка «чеснок» был известен и много столетий раньше), а во время второй мировой войны партизаны и диверсионные группы во многих странах использовали все тот же, нисколько внешне не изменившийся «чеснок» уже против автомобильного транспорта.
Впрочем, мы опять отвлеклись; завершая разговор о геометрических особенностях рассматриваемой фигуры, которую мы отныне можем называть пространственной моделью молекулы метана, укажем, что все заместители — атомы водорода — удалены друг от друга на максимально возможное расстояние: увеличение расстояния между любой парой заместителей возможно лишь за счет сближения их с другими заместителями.
Мы уделяем так много внимания пространственной структуре молекулы метана неспроста: тетраэдрическое размещение заместителей характерно не только для молекулы метана; именно таким образом они располагаются вокруг каждого атома углерода, несущего любые четыре заместителя (правда, в этом случае равенство длин валентных связей и валентных углов может в точности не соблюдаться, но это несущественно). А поскольку органическая химия есть химия соединений углерода, тетраэдр стал, по существу, визитной карточкой этой науки: его изображения встречаются на эмблемах
Совершенно иначе обстоит дело с трижды замещенным атомом углерода (одна из связей — двойная). Здесь все четыре атома расположены в одной плоскости, так что углы между соседними валентными связями составляют около 120 градусов.
Аналогично заместители у атома кислорода располагаются всегда таким образом, что угол между парой валентных связей составляет около 100 градусов; то же самое относится к положению заместителей у атома серы и т. п. Эти закономерности справедливы для всех атомов данного типа, входящих в сколь угодно сложные структуры.
Иными словами, можно составить «стереохимический конструктор», содержащий набор всех атомов с присущими им типами расположения валентных связей, и с его помощью воспроизвести пространственную модель молекулы любого строения. Действительно, такие «конструкторы» есть, они называются молекулярными моделями, производятся во многих модификациях (часто в очень элегантном исполнении). С их помощью удается в принципе весьма наглядно представить пространственную структуру любой молекулы. Если при этом нас интересует общая форма молекулы, можно воспользоваться моделями, где все атомы представлены массивными шариками, радиус которых соответствует некоторой внешней границе «отталкивания» (об этом подробно — в следующей главе); если же мы хотим получить представление о характере пространственного расположения валентных связей, то пользуемся так называемыми «скелетными» моделями, на которых атомы обозначены символически.
Работа с такими моделями чрезвычайно проста; глядя на структурную формулу интересующего нас соединения и поочередно извлекая модели атомов из различных отделений ящика: «тетраэдрический углерод», «водород», «двузамещенный кислород», — их соединяют с помощью ножек — валентных связей. И вскоре, после несложного обучения, можно построить «трехмерную» модель белковой цепочки сколь угодно большой длины — хватило бы лишь деталей «стереохимического конструктора». Но, как бы мы ни старались, наша модель не будет похожа на «настоящую» белковую молекулу, если мы не обратим внимания на одно чрезвычайно важное и любопытное обстоятельство.
Нарисуем еще раз, несколько видоизменив, структурную формулу основного звена белковой цепи — типичной аминокислоты:
Для удобства последующих рассуждений мы пронумеровали заместители у центрального атома углерода. Если мы теперь попытаемся аналогичным образом пронумеровать вершины уже знакомого нам молочного тетраэдра, окажется, что это можно сделать двумя различными способами. Поставим пакет на стол так, чтобы вверх была направлена, скажем, вершина № 4. Глядя на него сверху, мы увидим, что прочие вершины могут образовать последовательность 1, 2, 3 (то есть N, R, С) либо в направлении вращения часовой стрелки, либо в обратном.
Легко убедиться, что тетраэдры, пронумерованные двумя способами, являются зеркальным отражением друг друга: всякая последовательность обхода окружности в зеркале представляется измененной на обратную.
Таким образом, оказывается, что молекулы со структурной формулой приведенного выше типа могут существовать в виде двух так называемых пространственных изомеров — соединений, различающихся пространственным расположением заместителей. Эти изомеры называют зеркальными, или, чаще, стереоизомерами, а атом углерода, о заместителях которого идет речь, — асимметричным. Название это, однако, относится лишь к такому тетраэдрическому углероду, все заместители которого различны.