Товарищи, я человек технически безграмотный: химию знаю только до чтения структурных формул, физику — до уравнений максвелла, а биологию — так и вообще считай не знаю.

Однако мне очень хочется увязать всё это в своей голове в целостную картину, и я очень надеюсь, что среди нас/вас найдутся люди, способные доступным языком объяснить хотя бы поверхностно следующие явления:

1) Что же, черт возьми, такое ковалентная связь на уровне физики? Какой это вид взаимодействия? И как вообще понимать «электронное облако» — электрон, стало быть, хер пойми где находится и куда движется, стало быть непонятно какой ток и магнитное поле создает, однако как-то с другим электронным облаком взаимодействует?

2) Аналогичный вопрос про водородную связь — не пойму, на чем она держится на уровне классической физики, без всякой этой квантовой требухи.

3) Почему 64 различным кодовым словам в генетическом коде соответствует всего 20 аминокислот? По какому принципу строится избыточность (где то 1 кодон на аминокислоту, а где то 5) и с чего ей вообще приспичило быть? Как вообще на уровне реакций связаны триплеты из 4 нуклеотидов (с учетом порядка же!) и 20 этих канонических аминокислот? Как доступно понять, в чем именно состоит процесс транскрипции/трансляции ДНК, и как из этих кодонов получаются, в конечном счете, белки?

4) И, в конечном счете, как все это превращается в гены, т.е. как синтез белков на основе программы из ДНК связан с особенностями нашего физического тела? Мы же все из одних и тех же белков-то состоим?

Заранее спасибо, мудрейшие

Лучшие умы интернета

38 Responses to В пост призываются молекулярные биологи, физхимики и генетики

  1. RumTunes:

    2) по классической физике атом не существует — в планетарной модели Резерфорда электрон падает на ядро. Чтобы это обойти Бор как раз и ввёл квантование.

  2. RumTunes:

    3-4) по поводу ДНК есть красочные HD-видео

  3. Nodmo:

    ковалентная связь на уровне физики — это электромагнитная сила

  4. Xared:

    Чувааак, люди на понимание этого целую жизнь тратят, а ты хочешь в двух словах узнать.

  5. M2yRain M2yRain:

    : Для того блогу и делали!

  6. M2yRain M2yRain:

    Про ковалентную связь на пальцах

    Сразу скажу, это действительно объяснение на пальцах, т.е. описание сложнейшей системы доступным языком образов и аналогий. На самом деле там все не так просто, но именно для «увязания в голове целостной картины», и «представлении в общих чертах» — самое оно.

    Начнем с начала. Без всякой квантовой механики и корпускулярно-волнового дуализма. По-нашему, по-простецки, по-древнегречески — все тела состоят из молекул, молекулы из атомов, и по-резерфордовски — в центре атомов находятся положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны (которые не участвуют в химии, но за счет сильного взаимодействия удерживают ядро от распада), а «вокруг» ядра летают отрицательно заряженные электроны, которые держатся «на орбите» из-за электромагнитного притяжения к протонам.

    Электроны летают не беспорядочно, и в то же время не по кругу, как планеты вокруг Солнца, а находятся на так называемых орбиталях, причем каждая орбиталь может содержать максимальное количество электронов (первая 2, вторая 8, и так далее).

    Все химические элементы удобно расположены в таблице Менделеева по нарастающему количеству протонов в ядре, и соответственно по нарастающему количеству электронов на орбиталях, ибо в атоме количество протонов должно быть равно количеству электронов, чтобы получить электрически нейтральный атом, а то у нас не атом получится, а какой-то вшивый ион.

    Существует универсальный закон природы — энергия системы всеми силами стремится к минимуму, и только человек плюет на этот закон, и упорно лезет в горы. Но сейчас не об этом.

    Возьмем такой химический элемент, как Магний. Его порядковый номер 12, значит у него 12 протонов в ядре, и 12 электронов вокруг. На первой орбитали 2 электрона, на второй 8, на третьей 2.

    Теперь возьмем такой химический элемент как Кислород. Его порядковый номер 8, у него 2 электрона на первой орбитали, и 6 на второй.

    Не забываем, что чем больше орбиталь, тем дальше электроны «летают» от ядра, а значит тем слабее они к нему притягиваются, и в то же время, тем большей энергией обладают (это называется более высокий энергетический уровень).

    Если приблизить два атома Кислорода и Магния друг к другу, электроны Магния с третьей электронной орбитали увидят, что рядом есть вторая электронная орбиталь Кислорода, где как раз не хватает двух электронов. Эти два электрона Магния «перетекают» поближе к атому Кислорода и «посередине между ядрами атомов» образуют общую молекулярную электронную орбиталь, которая хоть и выше энергетически, чем вторая у Кислорода, зато гораздо ниже, чем третья у Магния. Получается стабильная молекула оксида магния MgO, у которой 2 электрона общих, ибо они стремятся занять как можно более нижний энергетический уровень, но в атоме Магния все нижние уровни уже заняты, а тут такая удача — есть два халявных пустых места на более нижнем уровне у Кислорода.

    Если мы вместо Магния возьмем Натрий, у которого на третьей внешней электронной орбитали всего один электрон, то, чтобы образовалась устойчивая молекула, нам придется взять два атома Натрия на один атом Кислорода — получим молекулу Na2O.

    Элементы у которых последняя электронная орбиталь заполнена полностью, плохо вступают в химическую реакцию, ибо им не нужно лишних электронов, но и свои они отдают неохотно. Такие элементы называют инертными (чаще всего в нормальных условиях это газы) они находятся в 8м столбце таблицы Менделеева.

    Резюмируя — ковалентная связь это общая молекулярная (а не атомная) электронная орбиталь.

    Это самое простое возможное объяснение, не только без привлечения квантовой электродинамики, но даже без упоминания в рамках классической физики связывающих молекулярных орбиталей, разрыхляющих молекулярных орбиталей, семиполярных связей, донорно-акцепторных связей и прочих заумных извращений. Чисто на пальцах.

  7. Odaam:

    : С вашей точки зрения, CaO существовать уже не должен, а в BaO кислород должен быть заряжен положительно.

    Объяснение хорошее, но только абсолютно неверное.

  8. M2yRain M2yRain:

    : С чего бы это? Что, у кальция не 2 электрона на внешней электронной орбитали? А у бария?
    Да, там не все так просто (я же предупредил). Но заполнение внешней электронной орбитали — основа химии.

  9. Odaam:

    : тогда аккуратнее с номером орбитали.
    перечитайте свой пассаж, и скажите, какова роль n внешней орбитали в образовании связи:
    Не забываем, что чем больше орбиталь, тем дальше электроны «летают» от ядра, а значит тем слабее они к нему притягиваются, и в то же время, тем большей энергией обладают (это называется более высокий энергетический уровень).

    Если приблизить два атома Кислорода и Магния друг к другу, электроны Магния с третьей электронной орбитали увидят, что рядом есть вторая электронная орбиталь Кислорода, где как раз не хватает двух электронов. Эти два электрона Магния «перетекают» поближе к атому Кислорода и «посередине между ядрами атомов» образуют общую молекулярную электронную орбиталь, которая хоть и выше энергетически, чем вторая у Кислорода, зато гораздо ниже, чем третья у Магния.

  10. M2yRain M2yRain:

    : Я для кого там столько «кавычек» понаставил? Т.е. то что электроны «перетекают» не смутило? Или что они «летают» вокруг ядра, и при этом ничего не излучают, хотя должны были бы…

  11. Odaam:

    : Еще раз, аккуратно:
    все-таки переход со 2 на 3 орбиталь всегда выгоден, или не всегда? а с 3 на 2?

  12. DroPhone:

    : я готов потратить на это целую жизнь, но не всю её. Я хочу узнать не все детали, а лишь те внешние элементы мозаики, которые я не могу сложить воедино, потому что не хватает глубинных знаний. Ну т.е. например если б я закончил 9 классов, а мне начали бы объяснять интегралы, то я бы ничего не понял, но как только привели бы аналогию с площадью — я бы сразу догнал. Собсно так я с интегралами и познакомился 🙂

  13. DroPhone:

    : мм, ну я почти все это слышал на школьной химии, и эта часть в целом мне понятна. Непонятно вот что: что удерживает молекулу от распада? Т.е. если говорить об энергетических состояниях, то, как я понял, чтобы разорвать ковалентную связь, видимо, нужно потратить много больше энергии, чем нужно на её образование, так? И как в этом случае происходит разрыв?

  14. DroPhone:

    : а водородная?

  15. DroPhone:

    : ох ты ж ёжик! Спасибо большое, видимо, у меня уйдет порядочно времени чтобы все это просмотреть и консолидировать 🙂

  16. RetNo:

    : Любая химическая связь по сути электростатическое взаимодействие.

  17. RetNo:

    : как-то я странно выразилась. сама связь определяется не только электростатическим взаимодействием. но в основе лежит именно оно, несколько я помню курс физхимии.

  18. M2yRain M2yRain:

    : Вся химия, вся физика, и вообще — вся Вселенная это стремление нихрена не делать, только бы найти энергетическую ямку поудобней. Если энергетически два атома с общими электронами находят ямку пониже, чем оба атома по раздельности — они тут же объединятся в единое целое.

    С разрывом ковалентных связей все четко подчиняется закону сохранения энергии плюс закону возрастания энтропии. В каждой конкретной реакции требуется считать особо, но обычно, ты прав, для разрыва ковалентной связи нужно приложить энергию.

    Я всегда представляю любую систему (что химическую, что физическую) как некий шарик, который катится по холмистой, но гладкой поверхности. Если он нашел ямку и удобно улегся в нее — система считается стабильной. Чтобы его перекинуть в другое место, нужно как следует толкнуть, чтобы он из ямки выкатился. Обычно, когда выкатится из ямки — то ищет ямку пониже. Но может так статься, что если его толкнуть очень сильно, он подскочит, и найдет ямку повыше, и успокоится уже там.

    Так что для разрыва ЛЮБОЙ ковалентной связи достаточно приложить к молекуле энергию (тупо привнести в систему тепло, т.е. подогреть). Связи разрываются, молекула распадается, отдельные атомы ищут куда бы улечься.

    Если в конечном итоге улеглись в ямки пониже, значит энергия бывшей ковалентной связи рассеется в пространство в виде опять-таки тепла. Если это будет происходить довольно быстро — получим взрыв, так работает взрывчатка.

    Короче считаем общую энергию системы (суть энергию связей между атомами) до толчка (приложения тепла) и общую энергию после толчка. Если вторая получилась ниже — вот вам, к примеру, горение, т.е. окисление. Что с химической точки зрения — разрыв старых связей какого-нибудь химического элемента, и образование новых, с кислородом. Связи с кислородом обычно (я сказал обычно!, не надо на меня нападать, что я опять все неправильно объясняю) довольно низкоэнергетические, поэтому большинство материалов и веществ при горении выделяет тепло. Но чтобы запустить процесс обычно (я сказал обычно, не надо мне тут приводить в пример цезий, который сам по себе загорается в кислороде) нужно сначала приложить немножечко энергии — дать шарику толчок — поднести спичку.

  19. RetNo:

    : ты так забавно объяснял по-простому, без квантовой механики, а потом у тебя появились вдруг орбитали. это каша в лучших традициях худших школьных учебников.

    я расскажу, насколько я помню и понимаю всё. надеюсь, кто-нибудь исправит мои ошибки и неточности.

    химическая связь — перераспределение электронной плотности и обобществление электронов. по-простому, у отдельного атома электрон локализован вблизи ядра и мы можем однозначно говорить, что да, электрон сидит на этом ядре. у двух связанных атомов электрон будет находиться где-то рядом с обоими, ближе к одному, ближе к другому, где-то посредине, но не так, как у отдельного атома. когда я говорю, что электрон находится ближе к одному атому, я имею в виду, конечно же, что вероятность его нахождения вблизи этого атома больше, чем вблизи другого. изменение плотности вероятности обнаружить электрон в той или иной точке пространства и есть изменение электронной плотности. при этом, если атомы объединились, мы не сможем никогда сказать, откуда этот пришёл электрон — от первого или от второго атома. это называется обобществлением.
    распределение электронов в пространстве между атомами определяется природой атомов, т. е. их свойствами:
    направленность участвующих в связи орбиталей: электростатический потенциал иона в свободном пространстве представляет собой квантовую яму. мы можем решить для такой ямы уравнение Шредингера и получить набор уровней и волновые функции, соответствующие этим уровням. если я правильно понимаю, то сами эти волновые функции со своими уровнями энергии и есть те самые орбитали. (и, опять-таки если я верно всё понимаю, в честном расчёте нужно учитывать потенциал не только иона но и остальных электронов).
    потенциал ионизации: насколько просто атому отдать электрон.
    энергия сродства к электрону: насколько просто присоединить электрон.
    Возможно и какие-то другие свойства. Например, в в кристаллах важна ещё симметрия межмолекулярных взаимодействий.

    Есть два крайних случая обобществления электронов: без переноса заряда (ковалентная связь) и с переносом электрона от одного атома к другому (ионная связь). Насколько я понимаю, в реальности ни того, ни другого в чистом виде не происходит. Всегда есть степень ионности связи. Чем более ионная связь, тем меньшее влияние оказывает форма орбиталей, так как электростатический потенциал иона является сферически симметричным (кулоновское взаимодействие). Совсем по-простому, в этом случае у нас есть заряженный шарик, к которому притягиваются шарики с противоположным зарядом. В крайнем случае ковалентной связи наоборот, направленность орбиталей важна и она остаётся у каждого атома такой же, как и у свободного. Подчёркиваю, что речь идёт именно о направленности орбиталей, распределение электронной плотности конечно же меняется.

    Взаимодействие между электроном и ядром, которое приводит к образованию химической связи, по своей природе является электростатическим. Препятствуют этому очевидно силы электрон-электронного отталкивания. Но на малых расстояниях начинает действовать куда более сильный эффект — небезызвестный принцип Паули. В результате энергия системы, которая складывается из энергии притяжения и энергии отталкивания, будет иметь минимум, который соответствует стабильному состоянию, т. е. образованию связи.
    Кстати, кто-нибудь сравнивал вклад в отталкивание электростатического взаимодействия и квантовомеханичкских ограничений? имеет смысл вообще говорить об электростатическом взаимодействии?

    И я не уверена, что понимаю, как в своё представление вписать гибридные орбитали.

  20. TsaaTa:

    : тут очень доступно изложено по поводу РНК, ДНК, аминокислот. если при прочтении будут вопросы — задавай.

  21. DroPhone:

    : все, понял, спасибо 🙂

  22. DroPhone:

    : давайте только не называть электромагнитное электростатическим) Второе слово подразумевает взаимодействие неподвижных зарядов, а тут все таки электроны, им обидно 🙂 А его интенсивность зависит от заряда ядра, так что для тяжелых элементов им явно нельзя пренебрегать.

  23. RetNo:

    : во-первых, электростатическое частный случай электромагнитного. во-вторых, нет, электростатическое взаимодействие есть и между движущимися зарядами. в-третьих, давай не будем говорить о движении электронов в квантовых системах, движение — понятие классической из механики.

  24. RetNo:

    : из классической

  25. RetNo:

    : про во-вторых я что-то странное написала. я тут про то слагаемое в потенциале лиенара-вихерта, которое не зависит от ускорения. в общем бред. пожалуйста, не обращайте внимания.

    главное то, что в-третьих. это точно правильно.

  26. Odaam:

    : Думал я мастер Йода нам пришел к…

  27. RetNo:

    : я и так обычно пишу одно, думаю другое, потом всё исправляю на что-то третье и в итоге получаю нечто жуткое. а сейчас меня ещё и в сон жутко клонит.

  28. Odaam:

    : Ну тогда цветных вам снов!

  29. UkiRU:

    : Однако при учете энергии электронов на какой-либо орбитали неплохо бы и заряд ядра учитывать, а также экранирование верхних орбиталей нижними, а так — похоже на правду описал.

  30. Ip2Lt:

    > Почему 64 различным кодовым словам в генетическом коде соответствует всего 20 аминокислот?

    Потому что бывает всего 20 аминокислот. Упрощенно говоря, больше в природе просто нет.

    Тут следует понимать, что эволюция генетического кода шла не по принципу «У нас есть крутой код, давайте закодируем им все что можно» а «у нас есть 20 аминокислот, необходимо из закодировать каким-нибудь образом». Одна пара нуклеотидов сможет закодировать только 4 аминокислоты. Две пары смогут закодировать 16. Маловато. Три пары могут закодировать 64 — явный перебор, но что поделаешь! Отсюда и есть пошла избыточность.

    Кроме того, избыточность повышает помехоустойчивость кода — некоторые мутации не приводят к изменению результата. Что тоже плюс.

    > Как доступно понять, в чем именно состоит процесс транскрипции/трансляции ДНК, и как из этих кодонов получаются, в конечном счете, белки?

    Про это есть видео, да. Хорошую ссылку дали уже.

  31. UkiRU:

    : Не стоит совать возрастание энтропии куда попало, система взаимодействующих с помощью полей частиц открыта.

  32. UkiRU:

    : Электростатическое взаимодействие между движущимися зарядами — это сильно.

  33. UkiRU:

    По третьему вопросу смысл по-моему в том, что белки существовали задолго до возникновения ДНК, так что что было, то и кодировалось. А почему разное число — дело скорее всего в различной химической сродственности разных аминокислот к различным триплетам. Как в гостинице — есть мастер ключи, которые подходят ко всем замкам, а есть индивидуальные.
    Я понимаю что аналогия хромая, но что-то в голову ничего лучше не пришло.

  34. Ip2Lt:

    : > дело скорее всего в различной химической сродственности разных аминокислот к различным триплетам

    Это тут не при чем, ДНК и аминокислоты вообще при производстве белков не контактируют. И РНК не контактирует. Они соприкасаются только через молекулу-посредник тРНК

  35. Ef7No:

    1) Электронное облако — так и понимать, что облако, а не боровская материальная точка, носящаяся по окружности. Вначале Бор просто каким-то образом угадал последствия волновых свойств электронов в виде правила квантования орбитального момента. После этого де-Бройль предположил наличие волновых свойств у всех частиц, а спустя пару лет его предположение отлично подтвердилось в экспериментах по дифракции электронов на кристаллах. Заодно правило квантования Бора-Зоммерфельда получило очень понятную интерпретацию в виде условия стоячей волны де-Бройля. Получился фундамент для современной квантовой механики, и она не замедлила появиться. При этом корпускулярно-волновой дуализм тоже не стоял на месте, и, раз уж частицы были уподоблены фотонам, то и описание частиц при помощи некоторой полевой характеристики всем показалось вполне естественным. Так появляется волновая функция и уравнение Шредингера, описывающее её эволюцию. После решения уравнения Шредингера и блестящего заполнения дыр в теории Бора (например, нахождение заселенностей уровней энергии, нахождение вероятностей переходов) всем стало хорошо, а описание частиц волновыми функциями стало стандартом де-факто. Осталось решить, что же там за фигня колеблется. И тут начинаются трудности. Первая очевидная аналогия электромагнитного поля и волновой функции, приводящая к представлению о частице, как о волновом пакете, не позволяет полноценно объяснить многие эксперименты (например, описанный во многих учебниках по квантовой механике эксперимент с двухщелевой дифракцией одиночных электронов). Опуская детали — остановились на интерпретации, предложенной Борном. По ней волновая функция описывает вероятность обнаружить частицы в разных точках пространства, количественно вероятность находится по правилу «квадрат модуля комплексной волновой функции на элемент объема». Но и эта трактовка не до конца решает все вопросы, в том же эксперименте с двумя щелями электрон как бы одновременно движется по всем возможным траекториям, чего борновская интерпретация не предполагает. В итоге этот парадокс так и остался парадоксом, но был принят на веру после работ Фейнмана, в которых он показал, что дружба с этим противоречием позволяет многое объяснять количественно. Что же там колеблется и почему — до сих пор никто толком не знает, имхо.
    Итог — электрон нельзя считать точкой. Это волновое поле, ведущее себя часто подобно электромагнитному полю. Так, если электрон ограничить в объеме, он сможет существовать в этом ограниченном объеме лишь в форме стоячей волны, наподобие электромагнитных волн в резонаторе. Отсюда и волновые функции, «облака», всего лишь показывающие трехмерные стоячие волны. И соотношение неопределенностей Гейзенберга, кстати, тоже отсюда можно вывести.

    Для объяснения ковалентной связи к «облакам» обращаться даже не нужно. Представьте себе два протона на некотором расстоянии, между которыми ровно посередине определенную долю времени k находится электрон. В итоге получаем как бы три заряда, выстроенные в ряд: +e, -ke, +e. Теперь если k более одной четверти — имеем эффективную силу притяжения протонов. Грубо, но в целом верно вроде.

    PS: да, издалека начал и много написал, но это на самом деле мизерная часть того, что нужно было написать.

  36. Gnied:

    : Терминологическое дополнение.
    В атомах — атомные орбитали.
    В молекулах — молекулярные.
    Для простоты считается, что в молекулах только некоторые орбитали, соответствующие валентным электронам образуют молекулярные орбитали. Для простых расчетов существует метод МОЛКАО (метод молекулярных орбиталей, линейной комбинации атомных орбиталей). В органике этот метод зачастую не работает из-за того, что во многих соединениях локализация электронов в молекуле очень замысловата.
    Формой орбиталей — считается область, ограниченная эквивероятностной поверхностью, ограничивающей объем, вероятность нахождения электрона(-ов) в котором равна 95%.

    Еще стоит упомянуть, что на самом деле химические связи в комплексах бывают очень любопытные и уже значительно отличаются от классических ковалентной и ионной связей. Я в детстве восхищался довольно таки простым ионом [ReH9]2-.

  37. RetNo:

    : у меня бывает, да. Я не то имела в виду.

  38. UkiRU:

    : Мои поздравления Капитану Очевидность.
    РНК разумеется от ДНК отличается принципиально, ну как же вместо дезоксирибозы рибоза и вместо тимина его производная — урацил. Триплетов ведь там нет, да?
    Просьба КО не напоминать мне о структурных отличиях, знаю.

    А РНК тоже совершенно не контактирует, тРНК это ведь не РНК.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.