Чому ароматичні сполуки назвали ароматичними – велика загадка. Не всі представники того класу речовин, що потрапляє під сучасне визначення цього терміну, має запах, і навпаки: не все, що пахне, ароматичне.
Критеріїв ароматичності існує кілька, але коротко можна описати всі ароматичні речовини, що складаються з молекул, в яких атоми вишиковуються в кільце, а електрони, які беруть участь в утворенні хімічних зв'язків, узагальнюються. Іншими словами, якщо у формулі речовини є кільце, то з'єднання, швидше за все, ароматичне. Є легенда про те, що кільцева структура відкрилася академіку Кекуле уві сні про мавпочок, які ведуть хоровод, тримаючи один одного за хвости.
Найпростіша ароматична речовина - бензол
Узагальнення електронів надає ароматичним сполукам особливі фізичні та Хімічні властивості- Наприклад, видатну стійкість. Щоб з'єднання стало ароматичним, число електронів, що беруть участь у освіті зв'язків, має відповідати правилу Хюккеля, тобто дорівнювати (4n+2), де n - ціле число. Рідкісні винятки з цього правила пояснюються ароматичністю Мебіуса.
Хюккелівські ароматичні молекули можуть мати у кільці 6, 10, 14, 18, 22 і більше атомів. Проте синтез великих кілець із кількістю атомів понад 22 — справа досить тонка; у великих кільцях ароматичність втрачається. Фіксувати їх можна, якщо замість окремих атомів використовувати складні молекулярні фрагменти із твердою геометрією. Досі найбільшою ароматичною молекулою, яку вдалося синтезувати, був додекафірин — циклічна молекула, що складається з дванадцяти п'ятикутних пірольних фрагментів, з'єднаних за мотивом порфірину (цикл із чотирьох піролів, з'єднаних через містки-атоми вуглецю, входить до складу гему, хлорофілу, феофіту. ).
Martin D. Peeks та ін. / Nature, 2016
На цей раз хіміки пішли на рекорд і «зібрали» з порфіринових структур найбільшу ароматичну молекулу в історії. Її структурна формуланагадує колесо автомобіля з «покришкою» із замкнутих у кільце порфіринів, зсередини укріпленим плоским каркасом.
Молекула містить 78 сполучених електронів. Це абсолютний рекорд. Її величезні для мікросвіту розміри дозволили вченим порівняти магнітні властивості ароматичного з'єднання магнітними властивостямиу нанокільцях з металів та напівпровідникових матеріалів. Раніше це було зробити дуже складно, оскільки розміри нанокілець значно перевищували розміри найбільших наночастинок металів. Дослідження опубліковано у журналі
Перша "молекула життя" на Землі
Ключовою подією зародження життя Землі стала поява молекул, здатних до самовідтворення (реплікації), тобто передачі генетичної інформації потомству. Всі живі істоти на Землі (за винятком кількох груп вірусів, про належність яких до живого досі точаться дискусії), як і всі вимерлі організми, які вдалося виявити, мають ДНК-геноми. Їх фенотип визначається кодованими у цих геномах різноманітними РНК та білками. Проте є вагомі причини вважати, що появі ДНК-білкового світу три з половиною мільярди років тому передували простіші форми життя, заснованої на РНК (див. "Наука і життя" № 2, 2004 р.). А зовсім недавно, у статті Сандри Бенек (Інститут етномедицини, США) із співавторами, опублікованій у листопадовому номері онлайн журналу "PLOS", була підтверджена гіпотеза ще більш ранніх форм життя, що існували до РНК-організмів. Згідно з цією гіпотезою, генетична інформація в перших живих системах могла передаватися за допомогою пептидних нуклеїнових кислот (ПНК). Такі гіпотетичні полімерні молекули, як вважають, побудовані з мономерів (2-аміноетил)гліцину (АЕГ). Ланцюги ПНК на основі АЕГ синтезовані та активно досліджуються. Зокрема, низка фармацевтичних компаній вивчає можливість їх медичного застосуванняяк "генетичні глушники", що блокують роботу певних генів.
Однак для прийняття цієї оригінальної гіпотези донедавна існувала дуже серйозна перешкода - аміноетилгліцин у природі не виявлявся. І ось групі американських та шведських вчених вдалося виявити присутність АЕГ у ціанобактеріях. Це відкриття справді несподівано і може призвести до перегляду наших уявлень про зародження життя Землі.
ціанобактерія земля метаболічний гліцин
Ціанобактерії – примітивні живі організми, які були одними з найважливіших продуцентів атмосферного кисню на ранніх етапах розвитку нашої планети. Найдавніші скам'янілі залишки ціанобактерій, виявлені в ранньоархейських шарах породи в Західній Австралії, датуються 3,5 мільярдами років. Деякі їх представники, наприклад, становлять значну частину океанічного пікопланктону, до якого відносять бактерії та найбільш дрібні одноклітинні водорості, що вільно переміщаються в товщі води. Інші населяють екстремальні екосистеми, такі як геотермальні джерела, гіперсолені озера та вічна мерзлота
Oscillatoria – представник роду ціанобактерій. Ця синьо-зелена водорість зазвичай мешкає у сховищах з питною водою. Фото Боба Блейлока (Вов Blaylock).
Автори публікації вивчали вміст АЕГ у чистих культурах ціанобактерій та виявили його у восьми штамах із п'яти існуючих морфологічних груп. Причому вміст АЕГ був досить суттєвим – від 281 до 1717 нг/г загальної маси бактерій. Для підтвердження спостереження аналогічне дослідження провели на ціанобактерії, що мешкають у природних умов- водоймища пустель Монголії, морських водах Катару (затоках Бахрейну, Сальва та Перській) і річках Японії, і виявили, що вміст АЕГ у них у середньому навіть вищий, ніж у чистих культурах.
Геноми двох штамів (Nostос РСС 7120 і Sуптсhосуstis РСС 6803), на щастя, повністю розшифровані, що дозволило авторам співвіднести рівень вмісту АЕГ зі ступенем філогенетичної спорідненості ціанобактерій. Виявилося, що, незважаючи на всього 37% схожість геномів, рівень продукції АЕГ у цих штамів був дуже близьким. Виявлення АЕГ у всіх п'яти морфологічних групахціанобактерій свідчить, що його продукція - незмінно присутня (високо консервативна) і еволюційно примітивна особливість цих мікроорганізмів.
Метаболічні функції та еволюційна роль АЕГ поки що залишаються невідомими. Проте отримані результати дозволяють принаймні не відкидати спокусливу гіпотезу, що присутність АЕГ у ціанобактеріях - "луна" ранніх етапів зародження життя Землі, що мали місце до появи РНК-світу.
Ми звикли до того, що молекула – це щось крихітне, незриме, що існує скоріше в уяві бородатих хіміків, ніж у реальності. Однак найбільша молекула в природі – ДНК – витягнеться на довжину сірника, а це понад 4 см! Читайте про гігантські молекули та їх винятковий вплив на спадковість людини. Дізнайтеся про їхню участь у розслідуванні злочинів, про штучно створені молекули, і про те, від якої отрути мало не помер мандрівник Кук.
1. ДНК – сховище відомостей про влаштування організму
ДНК набуває вигляду нескінченної гвинтові сходиз мільйонами сходів, хімічної структурияких зберігається інформація про кожну нашу властивість, будь то кількість пальців, дислокація печінки або відтінок шкіри. Коли робочий білок-фермент рухається сходами, клітина штампує копію цієї інформації – своєрідне креслення, згідно з яким відбувається будь-яка дія в організмі.
Кожна спіраль може міняти свою довжину. Розтягнемо добре ДНК і вразимося її габаритам:
- 10 млрд. атомів містить ДНК першої хромосоми людини;
- 46 шт. - так мало ДНК потрібно, щоб записати повне досьє на його тіло;
- 2 м – на таку довжину розтягуються ці 46 молекул, зчеплені разом;
- 30 разів за маршрутом "Земля - Сонце" і назад - така довжина ДНК із усіх клітин однієї людини;
- 700 терабайт даних зберігається в 1 г ДНК.
Навіщо криміналісти беруть ДНК на аналізи
Зловмисники акуратно стирають відбитки пальців та користуються рукавичками, але нікому ще не вдавалося стерти свої генетичні сліди. Експерту достатньо вії, обрізання нігтя, краплини слини, залишеної на сигареті або жувальній гумці, щоб встановити винуватця. Зі взятого на місці злочину біоматеріалу виділяють ДНК, багаторазово копіюють її і в спеціальному гелі під впливом електричного поля "ранжують" по довжині і масі.
Потім молекули фарбують та порівнюють зразки з хромосомами передбачуваних "господарів". У кожного індивіда на ДНК проявляється неповторний смугастий візерунок, і якщо виявляються збіги, значить, власник зразка знайдений.
Вперше методом ДНК-дактилоскопії скористався англійський генетик Алек Джефріс. 1985 року у нього попросили допомоги в ідентифікації серійного вбивці, з чим вчений блискуче впорався. Метод також застосовують для пізнання останків жертв катастроф та терористичних актів, для встановлення спірного батьківства.
2. Сполучний білок титин
Сенс існування ДНК у тому, що з ній клітини створюють основні будматеріали – білки. Білкові молекули скромніші за свою матрицю, але й коротунами їх не назвеш. Найдовший білок виявлений у камбалоподібному м'язі гомілки. Це титин, який складається з 38 тисяч амінокислот і досягає 3 млн. атомних одиниць маси.
Коротші різновиди титину виявлено в інших м'язах і навіть у серці. Завдання цього білка - з'єднати воєдино рухові білки м'язової клітини, щоб забезпечити їх потужні скорочення.
Чи можна створити людськими руками білкову молекулу
Так можна. Першим штучно отримали крихітний за мірками органічної хіміїбілок інсулін, який відповідає за стабільність рівня цукру в крові. Однак ресурси для цього витратили чималі:
- 10 років пішло на розшифровку складу інсуліну;
- 227 хімічних реакцій знадобилося для збирання білка;
- 0,001% - таку кількість інсуліну від запланованої кількості отримали у результаті.
А жива кліткапідшлункової залози витрачає синтез необхідного обсягу інсуліну 10 секунд. Тому набагато вигідніше виявилося генетично модифікувати кишкову паличку, щоб бактерія взяла на себе працю зі створення медичного білка.
3. Молекула-змія з картоплі
Прозовий продукт, що виділяє дражливі запахи на сковорідці, ховає в бульбах одну з найдовших молекул у світі. Картопляний крохмаль за структурою схожий на намисто без кінця та краю. Десятки тисяч намистин, роль яких виконує глюкоза, вишиковуються в нескінченні ланцюги, забезпечуючи рослину запасом харчування до весни.
Живі організми схильні створювати довгі полімерні вуглеводи. Порахуємо їхню молекулярну масу:
- компонент крохмалю амілопектин – до 6 млн. атомних одиниць;
- целюлоза, за рахунок якої досягається твердість дерева – до 2 млн;
- хітин, що утворює феноменально легкий панцир краба та жука – 260 тис.
Але навіть їм далеко до глікогену, 100 г якого здатна накопичити печінку. Гілляста, немов клубок водоростей, куляста молекула глікогену важить до 100 млн. атомних одиниць!
Крохмаль на службі у людини
Найперше навчилися використовувати крохмаль у їжу. Для цього природа надала людині сотні їстівних рослин: пшеницю, кукурудзу, рис, каштани, квасолю, банани. Щоправда, для кращого засвоєння крохмаль піддають тепловій обробці, коли частина хімічних зв'язків між намистинами-глюкозами розривається, і молекули коротшають.
Приємна оку білизна та щільність постільної білизни, мережив, сорочок та скатертин досягається за рахунок підкрохмалювання. Для такої процедури крохмаль розводять у холодній воді, тканину прополіскують у ній, сушать, а потім відгладжують. На целюлозно-паперових комбінатах цю речовину додають до паперової маси для жорсткості.
У радянські часи на основі крохмалю варили шпалерний клей. У дитячих садках за допомогою крохмального клейстера вчили малюків мистецтву аплікації та пап'є-маше.
4. Синтетичні полімери
Штучний білок створити складно, але якщо речовина має менш складну структуру, то хімічне підприємство впорається з цим завданням. Виробництво полімерів, від довоєнних целулоїду та плексигласу до сучасних термостійких пластмас, забезпечує людину тисячами предметів.
Молекули полімерів досягають значної величини:
- поліакриламід – до 850 тис. атомних одиниць;
- поліпропілен – до 700 тис.;
- нейлон – до 80 тис.
Як полімери людям жити допомагають
Невелика перебудова структури полімеру спричиняє кардинальну зміну його властивостей. З полімерних речовин одержують пластмаси, гуму, клеї, лаки, тканини. Наприкінці минулого століття хімічні технології дісталися зубних кабінетів. Тепер нові матеріали перетворюються на пломби, штифти, вкладки, протези та спеціальну масу для відбитку щелепи.
Останній десяток років ознаменувався практичним застосуваннямтривимірного друку, за допомогою якого виготовляють не тільки елементи конструктора лего, а й деталі космічних апаратів. Фотополімери, призначені для цієї мети, дають точність 16 мікрон.
5. Ботулотоксин, що причаївся у здутій банці
Маса молекули цього отруйного білка – 150 тис. атомних одиниць. Виробляють його бактерії клостридії, характерна особливістьяких – непереносимість кисню. Вони охоче розмножуються в консервах, особливо грибних, товстих ковбасах, що залежалися. Пригостившись їжею, яку уподобали клостридії, людина гине від паралічу дихальних м'язів.
Ботулотоксин швидко потрапляє в організм не тільки через слизову оболонку кишечника, але і через поверхню очей і шкіри. Під час Другої світової американські військові всерйоз розглядали її як біологічну зброю.
6. Небілковий нейротоксин
1774 року капітан британських королівських військово-морських сил Джеймс Кук отруївся печінкою морської риби, яку в той день готували на вечерю. Судновий хірург врятував його блювотними засобами, але через 100 років виявили причину раптового паралічу капітана. З'ясувалося, що риба харчувалася молюском сигуатерою, а той – водоростями-динофлагелятами, які виробляють майтотоксин.
Молекулярна масамайтотоксин становить 3700 атомних одиниць, і це найбільша молекула небілкової природи, яку виробляє живий організм. 1993 року хіміки Токійського університету досліджували її структуру за допомогою технології ядерного магнітного резонансу. Виявилося, що молекула виглядає, як ланцюжок з 32 шестикутних кілець, вигнутий на зразок гусениці, що підняла голову.
Загадковий світ гігантських молекул не розкрито остаточно. Вчені знайдуть нові властивості, видозмінять структуру і обов'язково поставлять на службу людині.
«Хімічні елементи» - Неметали здатні приймати і віддавати електрони. Підгрупа Скандія Sc, Y, La, Ac. Підгрупа вуглецю. періодичний закон. Гвинтова лінія Шанкарту. Загальна формулаоксидів Е2О7. Найпростіше водневе з'єднання ВН3-бороводень. Підгрупа галогенів (фтору). Водневі сполуки МеН-гідриди.
«Теорія з молекулярної фізики» - Об'єднаний газовий закон(Закон Клапейрона). Тепло, що підводиться, йде на нагрівання газу. Розподіл Максвелла. Барометричні формули. Матеріальна точказадається трьома координатами. Температура. Формула визначає ентропію. Перший початок термодинаміки. Термодинаміка. Робота А не визначається знанням початкового та кінцевого стану.
«Маса та розміри молекул» - Розмір молекули. Молекули. Число молекул. Постійна Авогадро. Маси молекул. Синквейн. Кількість речовини. Маса та розміри молекул. Розв'язати задачі. Об'єм шару олії. Найменша молекула. Знайти формули. Фотографії молекул. Вчитель.
«Закони молекулярної фізики» – Основні положення МКТ. Гази. ДНК молекули. Докази основних положень МКТ. Молекулярна фізика Три стани речовини. Маса та розміри молекул. Ступінь нагрітості тіла. Абсолютна температура. Теплові явища. Тиск газу. Тверді тіла. Молекулярна взаємодія. Маса одного молячи речовини.
«Розділ молекулярна фізика» - ДОСВІДНІ ОБГРУНТУВАННЯ: 1. Дифузія. 2. Випаровування. 3. Тиск газу. 4. Броунівський рух. Пара конденсується. У рідині є частинки, здатні подолати силу тяжіння сусідніх частинок. У твердих тілахПроходить дуже довго (роки). При охолодженні пари енергія частинок зменшується, взаємодія частинок збільшується.
«Молекулярні основи» – ізотермічний процес. Вологість. Маса газу залишається незмінною. Молекулярно-кінетична теорія. Властивості. Крапка роси – це температура. Аморфні тіла. Частинки розташовані впритул один до одного. Якщо процес не є ізобарним, використовується графічний метод. Плавлення. Середнє значення квадрата швидкості молекул.
Всього у темі 21 презентація
Нове дослідження, присвячене природі лівосторонньої хіральності органічних молекул Землі показує, що й походження пов'язані з областями космосу, у яких відбувається активне звездообразование. Таким чином будівельні матеріалидля земного життя можуть мати космічне походження, і ймовірно потрапили на молоду у метеоритах та залишках комет.
Вчені проводять дослідження, присвячені цікавому питанню: звідки взялися будівельні блоки життя та наскільки вони поширені у Всесвіті? Визначаючи походження всіх елементів, що використовуються життям – від вуглецю та фосфору до білків та нуклеїнових кислот, вчені намагаються з'ясувати – коли вони потрапили на Землю? Як потрапили? І звідки?
Нещодавнє дослідження, опубліковане на сайті «Earth» та «Platinum Science Letters», може містити деякі відповіді на ці запитання. Сандра Піццарелло зі Школи молекулярних наук при Державний університетАрізони і Крістофер Ярнес з Департаменту планетних наук Університету Каліфорнії вивчали уламки Мерчисонського метеорита, який впав в Австралії в 1969 році і є одним з найбільш вивчених метеоритів. Метеорит має вагу близько 90 кілограмів і дуже багатий на вуглецеві сполуки. Усередині осколків вчені виявили присутність хіральних молекул, виявлених також у віддалених зіркоутворюючих областях.
Хіральність пов'язана з розташуванням атомів у молекулі. Подайте дзеркальне зображення симетричного об'єкта, такого як стілець. Його дзеркальне зображення може бути ідеально накладене на оригінальне. Однак, дзеркальне зображення хірального об'єкта не може бути точно накладене на оригінал.
Гомохіральність відіграє ключову роль у клітинних хімічних реакціях, і всі живі організми (які ми знаємо) містять «лівосторонні» молекули. Вчені до кінця не розуміють, чому це так, але деякі з них вважають, що відповідь може мати якесь відношення до космічного походження молекул. У 2016 році дослідники виявили пропіленоксид, хіральну молекулу, в об'єкті Стрілець B2, який є масивною хмарою молекулярного газу. Воно знаходиться на відстані приблизно 25 000 світлових років від Землі, недалеко від центру нашої Чумацький Шлях. Отримані дані свідчать про те, що хіральні молекули, необхідні для виникнення життя, можливо, походять з космосу, з його зіркоутворювальних областей.
Молекули з космосу
Дослідники обробляли пил, отриманий з Мерчисонського метеориту етанолом, а потім тестували на наявність пропіленоксиду, хіральної молекули, раніше виявленої в хмарі Стрілець B2. Вони виявили дві похідні пропіленоксиду в отриманих сполуках, і при проведенні їх гідролізу (руйнування хімічних речовин водою) відбувалося отримання пропіленгліколю, що ще раз підтверджувало наявність у зразках метеориту пропіленоксиду.
Одним із цікавих результатів дослідження було утворення полімерних сполук у зразку, який перебував у охолодженому стані протягом чотирьох тижнів, перш ніж піддавався гідролізу, – і це ще одна вказівка на присутність пропіленгліколю. Такі сполуки можуть, як вважають дослідники, «сформуватися з метеоритного пропіленоксиду як у батьківських астероїдах, так і на ранній Землі». Це говорить про те, що молекула має здатність протистояти суворому середовищу простору та тривалим космічним подорожам.
Одним із висновків дослідження є також те, що метеорити містять «ще багато невідомих складних композицій». Вчені не знають, які ще існують молекулярні секрети у метеоритів, і як вони можуть змінити наше розуміння життя. Стало лише зрозуміло, що метеорити, схоже, мають інгредієнти для синтезу або створення сполук з неживих молекул.
"Метеорити містять все, що ми шукали для з'ясування природи різноманітності органічних молекул на Землі", - заявляє Піццарелло. Іншими словами, саме хімічні процеси, а не біологічні, можливо, породили перші живі клітини, усі з яких є гомохіральними.
Причина хіральності молекул земного життя все ж таки до кінця неясна. Професор астробіології з Університету Единбурзької школи фізики та астрономії Чарльз Кокелл вважає, що «є сенс у тому, що життя використовуватиме одну хіральну форму для спрощення біохімічного розпізнавання».
Глибоке коріння виникнення життя
Хоча метеорити несуть молекули, необхідні для життя, Піццарелло каже, що ми досі не знаємо, чи вони відповідають за виникнення. І чи є вони єдиним космічним. транспортним засобом», що доставило хіральні молекули на Землю. Поки що відповіді на ці питання важко отримати, але вчені вважають, що зможуть вирішити це завдання, зрозумівши, які молекули мають вирішальне значення для життя в космосі, і які процеси призводять до виникнення хіральності.
Незалежно від відповіді, дослідження передбачає існування «дуже глибокого коріння хімічного, яке передувало життю». Існує гіпотеза, що хіральність, властива всього відомого нам життя, виникала у процесі народження Галактики Чумацький Шлях близько 13,6 млрд. років тому, і забезпечила можливість виникнення життя. Як казав Карл Саган – «ми зроблено із зіркової речовини».
Вам можуть сподобатися ці статті:
Виявлено простий хімічний процес, який…
