Neviditelný čert

Dříve než se pustíme do molekul, kterým vděčíme za život, shrňme si základní poznatky o chemických vazbách.

Lucifer

Co vede atomy, aby se vzájemně vázaly a vytvářely molekuly? Odpověď, jak jinak, přinesla kvantová mechanika. Atomy mají rády zaplněné elektronové slupky a toho mohou dosáhnout tak, že valenční elektrony spárují s jiným vhodným atomem. Hnacím motorem tohoto procesu je snaha atomů dosáhnout nejstabilnější konfigurace a v atomovém světě je to vždycky ta, která má nejmenší energii. Stav, při kterém je vnější slupka zaplněná, však může atom dosáhnout i jinak, než spárováním elektronů s jiným atomem. Když má například ve vnější slupce pouze jeden elektron, najde si atom, kterému naopak jeden atom k zaplnění vnější slupky chybí, a předá mu ho. Sdílení elektronů ve společné slupce nazýváme vazba kovalentní a přenos elektronu je vazba elektronvalentní či iontová.

Příkladem iontové vazby je chlorid sodný, Na⁺Cl^-, alias kuchyňská sůl. Sodík má atomové číslo 11, dva elektrony zaplňují nejvnitřnější slupku, osm druhou a na třetí zbývá pouze jeden. Chlor má elektronů sedmnáct, takže mu ve třetí slupce chybí jeden elektron (7+1). Když mu ho odevzdá sodík, dosáhnou oba atomy nejnižšího energetického stavu a zároveň je spolu sváže přitažlivost opačných nábojů. Studium difrakčního obrazce rozptýlených paprsků X na chloridu sodném však ukázalo, že jednotlivá molekula NaCl vlastně neexistuje. Místo toho je každý sodíkový atom stejně vzdálen od šesti sousedních atomů chloru a podobně je každý atom chloru stejně vzdálen od šesti sousedních atomů sodíku. V jistém smyslu je celý krystal - každé zrnko soli - jedinou obří molekulou.

Nejjednodušším příkladem kovalentní vazby je vodík. Každý vodíkový atom má jeden elektron, rád by však měl dva, aby dosáhl uzavření slupky se stejnou stavbou, jakou má elektronový oblak kolem heliového atomu. Daří se mu dosáhnout alespoň něčeho podobného tak, že svůj elektron sdílí s jiným vodíkovým atomem, čímž na oplátku získává poloviční podíl na jeho elektronu. Mezi dvěma extrémy, čistě iontovou a čistě kovalentní vazbou však existují nejrůznější kombinace obou typů. A k tomu připočtěte rezonanci a hybridizaci, jak bylo naznačeno v předchozím díle u benzenového prstence. Hlavní roli pro utváření biologicky důležitých molekul však hraje vazba kovalentní. Čistě iontové vazby jako v NaCl nemají žádnou roli, ale rezonance a slabší elektrostatické síly vážnou roli mají, druhá obzvláště v určování přesného tvaru velkých biomolekul.

Díky kombinací kovalentní a iontové vazby může například vzniknou ozon, O₃. K vytvoření kovalentní vazby má kyslík k dispozici pouze dva elektrony, takže může navázat dva vodíky a vznikne voda, nebo dvojnou vazbou jeden kyslík a vznikne molekulární kyslík, který dýcháme. Jak může připojením dalšího kyslíkového atomu vzniknout ozon? Jednoduše tak, že jeden kyslík odevzdá elektron druhému a uvolní se mu další elektron k vytvoření tří kovalentních vazeb. Se třetím atomem kyslíku se spojí dvojnou a s druhým, se záporným nábojem, jednoduchou vazbou. V molekulách zvláště velkých vyvstávají slabé výsledné náboje tohoto druhu běžně. Protože nesouhlasné náboje se navzájem přitahují, zatímco souhlasné odpuzují, mají velké molekuly sklon nejen k sobě lnout, ale i přitáhnout segmenty velmi velkých molekul.

Vraťme se však k benzenovému prstenci. Tato velmi stabilní struktura je základem obrovského počtu molekul včetně molekul života. Když má každý uhlík v řetězci navázaný vodíkový atom, máme benzen. Nahrazením jednoho či více vodíků jiným atomem nebo skupinou atomů, popřípadě nahrazením některého uhlíku můžeme tento základní kámen upravit tak, aby mohly vzniknout složitější struktury. Jedním z nejjednodušších příkladů je nahrazení jednoho vodíku skupinou CH₃. A máme toluen, jehož páry tvoří se vzduchem třaskavou směs. Kdyby jen to, dostali jsme jednoduše i narkotikum, které se používá tak, že ho vdechujeme nejlépe strčením hlavy do plastového sáčku.

Co všechno tenhle prevít dovede, a to je ve skutečnosti jen kombinace uhlíku a vodíku. Pokud si ovšem chceme zatřaskat ještě efektivněji, stačí když další tři vodíky nahradíme skupinou NO₂. Výsledkem je trinitrotoluen, lidově tritol nebo TNT. Důležitým faktorem, který vysvětluje strukturu všech těchto molekul, je rezonanční hybridizace. A platí, že tak jako existují rodiny sloučenin vybudované kolem jednoho benzenového prstence, existuje mnohem více stále složitějších rodin, založených na dvou či více spojených prstencích. Tyto rodiny, jakož i sloučeniny založené na struktuře s jedním benzenovým prstence, se nazývají aromatické uhlovodíky. Nejjednodušší dvojprstencovou verzí je naftalen, C₁₀H₈, lidově naftalín, kterým lze vykuřovat nebo kuličkami bombardovat moly.

Ačkoli je benzenový prstenec po energetické stránce nejstabilnější molekulární forma, uhlíkové atomy se mohou seřadit jinak a vytvořit páteř dlouhého řetězce atomů, polyatomovou molekulu. Nejjednodušší verze zde představují variace na téma metanu CH₄. Říkáme jim nasycené uhlovodíky popřípadě alkany a dalším je ethan, C₂H₆, lidově etan, následuje propan C₃H₈ atd. Stačí u ethanu jeden vodík nahradit hydroxylovou skupinou OH a místo nezajímavého plynu dostaneme pozoruhodnou tekutinu ethylalkohol, C₂H₅OH, lidově líh či alkohol nebo ještě lidověji chlast. Nezkoušejte to však s metanem, a pokud ano, tak si nejdřív sežeňte slepeckou hůl. Jak málo stačí k radosti!

Trochu složitější strukturou je uhlovodíkový řetězec, který má na každém konci jednu víceatomovou skupinu. Například diaminohexan s NH₂ či kyselina adipová s COOH. Kyselina adipová může uvolnit OH, diaminohexan H, uvolněné atomy se sloučí a vytvoří vodu, zatímco konce zmíněných dvou řetězců se spojí a vytvoří delší řetězec. Proces spojování složitých molekul provázený vylučováním jednoduché molekuly, jakou je voda, nazýváme kondenzací; výsledná dlouhá řetězcová molekula se označuje jako polymer. Nejsou to tuhé struktury, uhlíkové vazby totiž zahrnují mnoho volnosti, což umožňuje i výrazné ohýbání. Tímto ohýbáním a proplétáním se dostávají do kontaktu různé atomy bočních skupin řetězce a do hry mohou vstoupit slabé elektrostatické síly.

Benzenové a jiné prstence i jejich odvozeniny vstupují také do aktu polymerizace. Známým příkladem jsou uhlohydráty. Uhlíkové atomy prstence jsou spojeny se dvěma uhlíky jednoduchou vazbou a zbylé dvě vazby jsou využity ke zkombinování s jinými atomy nebo skupinami atomů, na jedné straně OH, na druhé H, dohromady tedy H₂O, proto pojem "uhlohydrát" doslova znamená "zavodněný uhlík". Jednodušší uhlohydráty nazýváme cukry, jako příklad uveďme glukózu. Zde je jeden prstencový atom uhlíku nahrazen kyslíkem a jedna skupina OH složitější skupinou CH₂OH. Z ní může vzniknout disacharid maltóza tak, že skupina OH na konci jednoho řetězce se zkombinuje s vodíkovým atomem ze skupiny OH na konci druhého, vyloučí se voda a zbylý atom kyslíku spojí oba prstence můstkem.

Polymerizace může pokračovat zkombinováním dalších glukózových jednotek a vznikají polysacharidy. Všechny případy zahrnují v každé základní monosacharidové jednotce šest uhlíkových atomů, některé monosacharidy jich však obsahují jenom pět. Čtyři vytvářejí společně as jedním kyslíkovým atomem pětiúhelníkový prstenec, zatímco pátý je součástí boční skupiny CH₂OH. Nazýváme je pentózy. Jednou z nich je přesná obdoba glukózy, až na to, že ji chybí jeden uhlíkový atom a přiřazené boční skupiny. Nazývá se ribóza. Když jedna z bočních skupin OH příjde o kyslíkový atom a zbyde po něm jednoduchá C-H vazba, dostaneme deoxyribózu. Právě tato základní jednotka propůjčuje jméno kyselině deoxyribonukleové čili DNA.

Dostáváme se tak k nejdůležitějším stavebním kamenům, molekulám života. Zdaleka nejdůležitějšími jsou proteiny, které se skládají z aminokyselin. Uvedu zde pouze jeden příklad, protože dalším podrobným výkladem bych už značně přesáhl náplň čertího populárně naučného koutku a koneckonců jsem jenom fyzikem a dál už jsou mnohem lépe obeznámeni biologové. Mám na mysli hemoglobin.

Hemoglobin je příkladem proteinu kombinovaného s jinou látkou. Až dosud nám ke stavbě organických molekul stačilo několik lehkých prvků v čele s uhlíkem. A nyní do hry vstupuje těžší prvek, železo. Atom železa je obklopený šesti či pětiúhelníkovými prstenci, v nichž se střídají uhlíky s dusíkem nebo CH a z venku jsou zavěšeny skupiny obsahující uhlík, vodík a kyslík. Železo zde však nevystupuje jako stavební kámen, ale jako nástroj sloužící k vykonávání pracovní náplně hemoglobinu, která spočívá v zásobování organismu kyslíkem. Železo je vlastně něco jako trakař, na který si hemoglobin naloží kyslík a vyklopí ho tam, kde je ho třeba.

KONEC

P.S.

Ještě bych měl zmínit, že k napsání tohoto elaborátu mě inspirovala četba knížky Pátrání po dvojité šroubovici (kvantová fyzika a život) od neúnavného popularizátora vědy, astrofyzika Johna Gribbina, z níž jsem také použil některé formulace.

18.10.2010, 17:56:00   Publikoval Luciferkomentářů: 0