Историческая модель атома углерода; электроны вращаются вокруг ядра, как в маленькой солнечной системе

Р и с у н о к 75

Современная модель, с концентрическими кругами, атома углерода; видны расстояния(орбитальные) между электронами и ядром

Комбинация и сцепление различных атомов дает молекулу, которая становится “химическим соединением”, в случае, если она имеет в своем составе два или более различных типов атомов.

Когда атомы соединяются для образования молекул, самой этой связью они достигают состояния большего электрического равновесия, а следовательно - на фоне снижения электрических влияний в поисках дальнейшего соединения - связь становится более стабильной.

Ионная связь

Когда атом теряет электрон, а другой его приобретает, устанавливается ионная связь. Атом электрически нейтрален, когда имеет одинаковое количество протонов и электронов. Когда атом потерял электрон, он находится в состоянии положительного заряда, потому что у него на один электрон (отрицательный) меньше. Для атома, который приобретает электрон, все происходит в обратном порядке. Эти заряженные атомы называются ионами, точнее, катионами, если их заряд положительный, и анионами, если они заряжены отрицательно. Противоположные заряды взаимно притягиваются и результат притяжения определяет происхождение ионной связи (рис. 76).

Р и с у н о к 76

1- Атом натрия

2- Атом хлора

3- Ионная связь притяжения

4- Ион натрия

5- Ион хлора

Это положение определяет способность электрического притяжения, поскольку между катионами и анионами создается электролитическая ситуация; она представляет собой также самую простую форму связи между атомами. В таблице приведены самые распространенные элементы, присутствующие в форме ионов в организме, с их функцией.

Ионы Химический символ Функция

Кальций Ca 2+ Кости, зубы, коагуляция крови,

мышечное натяжение.

Натрий Na + Потенциал мембраны, водный

баланс.

Калий К + Потенциал мембраны.

Водород Н + Кислотно-основной баланс.

Гидроксид ОН - Кислотно-основной баланс.

Хлор Cl - Кислотно-основной баланс.

Бикарбонат НСО3 - Кислотно-основной баланс.

Аммоний NH4 + Кислотно-основной баланс.

Фосфат РО4 3- Кости, зубы, энергетический

обмен, кислотно-основной баланс.

Железо Fe 2+ Образование красных шариков.

Магний Mg 2+ Необходим для энзимов.

Йод I - Для гормонов щитовидной железы.

Ковалентная связь

Существуют более сложные ситуации, когда два или более электронов пополняют внешнюю орбиту “в общем пользовании”, при котором полученная таким образом связь называется ковалентной.

Ковалентные связи представляют собой сложные соединения, в которых задействованы два или более электронов крайней орбиты атома; эти связи подразделяются на простые и сложные, полярные и неполярные (рис. 77-78).

Р и с у н о к 77

Молекула метана

Р и с у н о к 78

Схемы, обозначающие полярную ковалентную связь молекулы воды

Молекулярная модель

Модель Бора

Углерод легко устанавливает ковалентную связь; этот тип химической реакции с легкостью повторяется в среде организма, определяя исходную базу каждой органической реакции, включая также все то, что связано с метаболическими фазами.

Водородная связь

Нестабильная, хотя играет важную роль в определении формы сложных молекул (протеина, нуклеиновых кислот и др.) с того момента, как водородные связи между различными полярными частями молекулы служат, чтобы соединить саму молекулу.

Химические реакции

Химическая реакция - это процесс, при котором ионы или молекулы взаимодействуют с образованием или разрывом связей. Вещества, участвующие в химической реакции, называются реагентами.

Классификация

Химические реакции обычно классифицируются как реакции обмена, синтеза и распада.

В реакциях синтеза, идущих внутри тела, из-за чего они были названы анаболическими, происходит соединение большого количества атомов с целью формирования более сложных молекул, обычно, более крупных.

Когда имеет место реакция синтеза, при которой вода является продуктом реакции, наблюдается обезвоживание (дегидратация). Этот процесс, действительно, ведет к удалению воды; а реакции распада, требующие воды, называются гидролизом.

Явление распада включает в себя расщепление на более мелкие части, следовательно, в противоположность синтезу, все реакции распада названы катаболизмом, включающим разложение жировых отложений, чужеродных тел, микроорганизмов и т.п.

Атомы обычно химически связываются с другими атомами для образования молекул. Случается, что при образовании различных молекул часть одной молекулы замещается частью другой молекулы.

Реакции обмена могут также расцениваться как частный случай реакций синтеза (две аминокислоты, связанные для получения дипептида) или распада (разделение дисахарида на две молекулы глюкозы).

Совокупность всех реакций катаболизма, анаболизма и обмена в целом называется метаболизмом.

Скорость реакции

Может меняться и подвергаться воздействию различных факторов, таких как условия встречи двух веществ-реагентов, температура, наличие катализатора.

Чем больше концентрация реагентов, тем выше будет скорость реакции; например, обычная концентрация кислорода внутри клетки позволяет ему контактировать с другими элементами и вызывать химические реакции, необходимые для жизни; уменьшение же концентрации замедляет скорость химической реакции вплоть до возможности нанести ущерб клеточной функции, а в более тяжелых случаях - спровоцировать смерть.

Температура увеличивает скорость химических реакций и кинетическую энергию имеющихся веществ, а следовательно, частоту столкновений различных реагентов. При нормальной температуре тела реакции были бы сильно замедленными; по этой причине в организме существуют энзимы, являющиеся катализаторами.

Катализатор - это вещество, основным свойством которого является увеличение (до 1миллиона раз) скорости химической реакции.

Катализатор, не участвующий напрямую в химической реакции, выполнив свою задачу, сохраняет неизменными первоначальные качества и, переместившись в другую зону, играет ту же роль.

Обратимость

Некоторые реакции синтеза, распада или обмена обратимы, поскольку реакция может происходить от реагентов к продуктам так же, как и от продуктов к реагентам. Когда скорость двух действий одинакова, это называется “реакцией равновесия”; в ней отношение продуктов к реагентам остается неизменным.

Энергия

Определяется как способность производить работу; в физике работа - это перемещение массы одновременно с преодолением перепадов уровней за счет потребления энергии. Это не устраняет возможности потребления энергии без совершения работы, что обычно случается в большинстве метаболических процессов.

Энергия, в отличие от вещества, не занимает пространства и не обладает собственной массой; она бывает самых разнообразных типов, но в нашей работе мы остановимся только на тех, которые имеют отношение к человеческому телу.

Существует потенциальная и кинетическая энергия:

- потенциальная энергия - это форма накопленной энергии, которая могла бы произвести работу, но в данный момент ее не совершает

- кинетическая энергия - это такая энергетическая форма, которая в момент, когда она становится таковой, способна повлечь за собой работу.

Метаболизм - это совокупность всех преобразований вещества и энергии, происходящих в живых организмах; вещественный метаболизм - это химическое преобразование веществ, а энергетический метаболизм - всякая трансформация энергии, сопровождающая вещественный метаболизм.

Метаболизм лежит в основе всех физиологических явлений, которые могут наблюдаться или быть измерены; поскольку в живом организме идет постоянный обмен веществ и энергии из внешнего мира, из которого организм получает питание (потенциальную энергию) и которому он возвращает продукты деструкции в форме выделений, метаболизм становится тем механизмом, который позволяет клеткам расти, репродуцироваться, уменьшаться в объеме, впитывать, выделять и т.д.

Основные формы энергии в организме следующие: механическая, электрическая, химическая и тепловая; клетки могут использовать только химическую энергию, которая будет в дальнейшем преобразована в механическую, тепловую или электрическую энергию.

Трансформация химической энергии в другие формы - это необратимый процесс и это работа, которую клетки выполняют для поддержания жизненных процессов (рис. 79).

Р и с у н о к 79