|
Реферат: Химия меди (Химия)
Министерство Образования Республики Беларусь
Белорусский Национальный Технический Университет
Кафедра Химии
Реферат на тему:
Химия меди
Исполнитель: Кузьмич А.Н. гр. 104312
______________________
Руководитель: Медведев Д.И.
______________________
Минск - 2003
Содержание.
| | |стр. |
| |Введение |2 |
|1. |Историческая справка |4 |
|2. |Положение меди в периодической системе Д.И. Менделеева |5 |
|3. |Распространение в природе |6 |
|4. |Получение |8 |
|5. |Физические свойства |10 |
|6. |Химические свойства |11 |
|7. |Применение |16 |
|8. |Сплавы меди |18 |
|8.1 |Латуни |18 |
|8.2 |Оловянные бронзы |19 |
|8.3 |Алюминиевые бронзы |19 |
|8.4 |Кремнистые бронзы |20 |
|8.5 |Бериллиевые бронзы |21 |
|8.6 |Сплавы меди с никелем |21 |
| |Заключение |22 |
| |Литература |24 |
Введение.
Медь (лат. Cuprum) - химический элемент. Один из семи металлов,
известных с глубокой древности. По некоторым археологическим данным -
медь была хорошо известна египтянам еще за 4000 лет до н. э. Знакомство
человечества с медью относится к более ранней эпохе, чем с железом; это
объясняется с одной стороны более частым нахождением меди в свободном
состоянии на поверхности земли, а с другой сравнительной легкостью
получения ее из соединений. Особенно важна медь для электротехники. По
электропроводности медь занимает второе место среди всех металлов, после
серебра. Однако в наши дни во всем мире электрические провода, на которые
раньше уходила почти половина выплавляемой меди, все чаще делают из
алюминия. Он хуже проводит ток, но легче и доступнее. Медь же, как и
многие другие цветные металлы, становится все дефицитнее. Если в 19 в.
медь добывалась из руд, где содержалось 6-9% этого элемента, то сейчас 5%-
ные медные руды считаются очень богатыми, а промышленность многих стран
перерабатывает руды, в которых всего 0,5% меди.
Медь - необходимый для растений и животных микроэлемент. Основная
биохимическая функция меди – это участие в ферментативных реакциях в
качестве активатора или в составе медьсодержащих ферментов. Количество меди
в растениях колеблется от 0,0001 до 0,05 % (на сухое вещество) и зависит от
вида растения и содержания меди в почве. В растениях медь входит в состав
ферментов-оксидаз и белка пластоцианина. В оптимальных концентрациях медь
повышает холодостойкость растений, способствует их росту и развитию. Среди
животных наиболее богаты медью некоторые беспозвоночные (у моллюсков и
ракообразных в гемоцианине содержится 0,15-0,26 % меди). Поступая с пищей,
медь всасывается в кишечнике, связывается с белком сыворотки крови -
альбумином, затем поглощается печенью, откуда в составе белка
церулоплазмина возвращается в кровь и доставляется к органам и тканям.
Содержание меди у человека колеблется (на 100 г сухой массы) от 5 мг в
печени до 0,7 мг в костях, в жидкостях тела - от 100 мкг (на 100 мл) в
крови до 10 мкг в спинномозговой жидкости; всего меди в организме взрослого
человека около 100 мг. Медь входит в состав ряда ферментов (например,
тирозиназы, цитохромоксидазы), стимулирует кроветворную функцию костного
мозга. Малые дозы меди влияют на обмен углеводов (снижение содержания
сахара в крови), минеральных веществ (уменьшение в крови количества
фосфора) и др. Увеличение содержания меди в крови приводит к превращению
минеральных соединений железа в органические, стимулирует использование
накопленного в печени железа при синтезе гемоглобина.
При недостатке меди злаковые растения поражаются так называемой болезнью
обработки, плодовые - экзантемой; у животных уменьшаются всасывание и
использование железа, что приводит к анемии, сопровождающейся поносом и
истощением. Применяются медные микроудобрения и подкормка животных солями
меди. Отравление медью приводит к анемии, заболеванию печени, болезни
Вильсона. У человека отравление возникает редко благодаря тонким механизмам
всасывания и выведения меди. Однако в больших дозах медь вызывает рвоту;
при всасывании меди может наступить общее отравление (понос, ослабление
дыхания и сердечной деятельности, удушье, коматозное состояние).
1. Историческая справка.
Медь относится к числу металлов, известных с глубокой древности. Раннему
знакомству человека с медью способствовало то, что она встречается в
природе в свободном состоянии в виде самородков, которые иногда достигают
значительных размеров. Медь и её сплавы сыграли большую роль в развитии
материальной культуры. Благодаря лёгкой восстановимости окислов и
карбонатов, медь была, по-видимому, первым металлом, который человек
научился восстановлять из кислородных соединений, содержащихся в рудах.
Древняя Греция и Рим получали медь с острова Кипра (Cyprum), откуда и
название ее Сuprum.
В древности для обработки скальной породы её нагревали на костре и
быстро охлаждали, причём порода растрескивалась. Уже в этих условиях были
возможны процессы восстановления. В дальнейшем восстановление вели в
кострах с большим количеством угля и с вдуванием воздуха посредством труб и
мехов. Костры окружали стенками, которые постепенно повышались, что привело
к созданию шахтной печи. Позднее методы восстановления уступили место
окислительной плавке сульфидных медных руд с получением промежуточных
продуктов - штейна (сплава сульфидов), в котором концентрируется медь, и
шлака (сплава окислов).
2. Положение меди в периодической системе Д.И. Менделеева.
Медь (Cuprum), Сu — химический элемент побочной подгруппы первой группы
периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Порядковый номер 29,
атомная масса 63,54. Распределение электронов в атоме меди —
Is22s22p63s23p63d104s1.
Природная медь состоит из смеси 2-х стабильных изотопов с массовыми
числами 63 (69,1%) и 65 (30,9%). Сечение захвата тепловых нейтронов атомов
меди 3,59-10-28 м-2. Путем бомбардировки никеля протонами или дейтронами
искусственно получают радиоактивные изотопы меди 61Сu и 64Сu с периодами
полураспада 3,3 и 12,8 ч соответственно. Эти изотопы обладают высокой
удельной активностью и используются в качестве меченых атомов.
В химическом отношении медь занимает промежуточное положение между
элементами первой плеяды VIII группы и щелочными элементами I группы
периодической системы. Ниже приведены значения потенциалов ионизации атомов
меди (в эВ):
|1-й |
|2-й |
|3-й |
|4-й |
|5-й |
|6-й |
|7-й |
|8-й |
| |
|7,72 |
|20,29 |
|36,83 |
|58,9 |
|82 |
|106 |
|140 |
|169 |
| |
Заполненная d-оболочка меди менее эффективно экранирует s-электрон от
ядра, чем оболочка инертного газа, поэтому первый потенциал ионизации меди
выше, чем у щелочных металлов. Так как в образовании металлической связи
принимают участие и электроны d-оболочки, теплота испарения и температура
плавления меди значительно выше, чем у щелочных металлов, что обусловливает
более «благородный» характер меди по сравнению с последними. Второй и
третий потенциалы ионизации меньше, чем у щелочных металлов, что в
значительной степени объясняет проявление свойств меди как переходного
элемента, который в степени окисления II и III имеет парамагнитные свойства
окрашенных ионов и комплексов. Медь(I) также образует многочисленные
соединения по типу комплексов переходных металлов (табл. 1).
Таблица 1
Состояние окисления и стереохимия соединений меди.
|Состояние |Координационное |Геометрия |Примеры |
|окисления |число | |соединений |
|Cu(I) d10 |2 |Линейная |Cu2O |
| |3 |Плоская |K[Cu(CN)2] |
| |4 |Тетраэдр |Cu(I) |
|Cu(II) d9 |4 |Тетраэдр (искажённый) |Cs[CuCl4] |
| |5 |Тригональная бипирамида|[Cu(Dipy)2I]+ |
| |5 |Квадратная пирамида |[Cu(ДМГ)2]2(тв)|
| |4 |Квадрат |CuO |
| |6 |Октаэдр (искажённый) |K2CuF4, CuCl2 |
|Cu(III) d8 |4 |Квадрат |KCuO2 |
| |6 |Октаэдр |K3CuF6 |
П р и м е ч а н и е. Dipy – дипиридил; ДМГ – диметилглиоксим.
3. Распространение в природе.
Среднее содержание меди в земной коре 4,7-10-3 % (по массе), в нижней
части земной коры, сложенной основными породами, её больше (1-10-2 %), чем
в верхней (2-10-3 %), где преобладают граниты и другие кислые изверженные
породы. Медь энергично мигрирует как в горячих водах глубин, так и в
холодных растворах биосферы; сероводород осаждает из природных вод
различные сульфиды меди, имеющие большое промышленное значение. Среди
многочисленных минералов меди преобладают сульфиды, фосфаты, сульфаты,
хлориды, известны также самородная медь, карбонаты и окислы.
Медь - важный элемент жизни, она участвует во многих физиологических
процессах. Среднее содержание меди в живом веществе 2-10-4 %, известны
организмы - концентраторы меди. В таёжных и других ландшафтах влажного
климата медь сравнительно легко выщелачивается из кислых почв, здесь
местами наблюдается дефицит меди и связанные с ним болезни растений и
животных (особенно на песках и торфяниках). В степях и пустынях (с
характерными для них слабощелочными растворами) медь малоподвижна; на
участках месторождений меди наблюдается её избыток в почвах и растениях,
отчего болеют домашние животные.
В речной воде очень мало меди, 1-10-7 %. Приносимая в океан со стоком
медь сравнительно быстро переходит в морские илы. Поэтому глины и сланцы
несколько обогащены медью (5,7-10-3 %), а морская вода резко недосыщена
медью (3-10-7 %).
В морях прошлых геологических эпох местами происходило значительное
накопление меди в илах, приведшее к образованию месторождений (например,
Мансфельд в Германии). Медь энергично мигрирует и в подземных водах
биосферы, с этими процессами связано накопление руд меди в песчаниках.
Медь образует до 240 минералов, однако лишь около 40 имеют промышленное
значение.
Различают сульфидные и окисленные руды меди. Промышленное значение
имеют сульфидные руды, из которых наиболее широко используется медный
колчедан (халькопирит) CuFeS2. В природе он встречается главным образом в
смеси с железным колчеданом FeS2 и пустой породой, состоящей из оксидов Si,
Al, Ca и др. Часто сульфидные руды содержат примеси благородных металлов
(Аи, Ag), цветных и редких металлов (Zn, Pb, Ni, Co, Mo и др.) и рассеянных
элементов (Ge и др.).
Содержание меди в руде обычно составляет 1—5%, но благодаря легкой
флотируемости халькопирита его можно обогащать, получая концентрат,
содержащий 20% меди и более [1845]. Наиболее крупные запасы медных руд
сосредоточены главным образом на Урале, в Казахстане, Средней Азии, Африке
(Катанта, Замбия), Америке (Чили, США, Канада).
4. Получение.
Медные руды характеризуются невысоким содержанием меди. Поэтому перед
плавкой тонкоизмельчённую руду подвергают механическому обогащению; при
этом ценные минералы отделяются от основной массы пустой породы; в
результате получают ряд товарных концентратов (например, медный, цинковый,
пиритный).
В мировой практике 80 % меди извлекают из концентратов
пирометаллургическими методами, основанными на расплавлении всей массы
материала. В процессе плавки, вследствие большего родства меди к сере, а
компонентов пустой породы и железа к кислороду, медь концентрируется в
сульфидном расплаве (штейне), а окислы образуют шлак. Штейн отделяют от
шлака отстаиванием.
На большинстве современных заводов плавку ведут в отражательных или в
электрических печах. В отражательных печах рабочее пространство вытянуто в
горизонтальном направлении; площадь подачи 300 м2 и более (30 м; 10 м),
необходимое для плавления тепло получают сжиганием углеродистого топлива
(естественный газ, мазут, пылеуголь) в газовом пространстве над
поверхностью ванны. В электрических печах тепло получают пропусканием через
расплавленный шлак электрического тока (ток подводится к шлаку через
погруженные в него графитовые электроды).
Однако и отражательная, и электрическая плавки, основанные на внешних
источниках теплоты, - процессы несовершенные. Сульфиды, составляющие
основную массу медных концентратов, обладают высокой теплотворной
способностью. Поэтому всё больше внедряются методы плавки, в которых
используется теплота сжигания сульфидов (окислитель - подогретый воздух,
воздух, обогащенный кислородом, или технический кислород). Мелкие,
предварительно высушенные сульфидные концентраты вдувают струей кислорода
или воздуха в раскалённую до высокой температуры печь. Частицы горят во
взвешенном состоянии (кислородно-взвешенная плавка). Можно окислять
сульфиды и в жидком состоянии; эти процессы усиленно исследуются в СССР и
за рубежом (Япония, Австралия, Канада) и становятся главным направлением в
развитии пирометаллургии сульфидных медных руд.
Богатые кусковые сульфидные руды (2-3 % Cu) с высоким содержанием серы
(35-42 % S) в ряде случаев непосредственно направляются на плавку в шахтных
печах (печи с вертикально расположенным рабочим пространством). В одной из
разновидностей шахтной плавки (медно-серная плавка) в шихту добавляют
мелкий кокс, восстановляющий в верхних горизонтах печи SO2 до элементарной
серы. Медь в этом процессе также концентрируется в штейне.
Получающийся при плавке жидкий штейн (в основном Cu2S, FeS) заливают в
конвертер - цилиндрический резервуар из листовой стали, выложенный изнутри
магнезитовым кирпичом, снабженный боковым рядом фурм для вдувания воздуха и
устройством для поворачивания вокруг оси. Через слой штейна продувают
сжатый воздух. Конвертирование штейнов протекает в две стадии. Сначала
окисляется сульфид железа, и для связывания окислов железа в конвертер
добавляют кварц; образуется конвертерный шлак. Затем окисляется сульфид
меди с образованием металлической меди и SO2. Эту черновую медь разливают в
формы. Слитки (а иногда непосредственно расплавленную черновую медь) с
целью извлечения ценных спутников (Au, Ag, Se, Fe, Bi и других) и удаления
вредных примесей направляют на огневое рафинирование. Оно основано на
большем, чем у меди, сродстве металлов-примесей к кислороду: Fe, Zn, Co и
частично Ni и другие в виде окислов переходят в шлак, а сера (в виде SO2)
удаляется с газами. После удаления шлака медь для восстановления
растворённой в ней Cu2O "дразнят", погружая в жидкий металл концы сырых
берёзовых или сосновых брёвен, после чего отливают его в плоские формы. Для
электролитического рафинирования эти слитки подвешивают в ванне с раствором
CuSO4, подкислённым H2SO4. Они служат анодами. При пропускании тока аноды
растворяются, а чистая медь отлагается на катодах - тонких медных листах,
также получаемых электролизом в специальных матричных ваннах. Для выделения
плотных гладких осадков в электролит вводят поверхностно-активные добавки
(столярный клей, тиомочевину и другие). Полученную катодную медь промывают
водой и переплавляют. Благородные металлы, Se, Te и другие ценные спутники
меди концентрируются в анодном шламе, из которого их извлекают специальной
переработкой.
Наряду с пирометаллургическими применяют также гидрометаллурги-ческие
методы получения меди (преимущественно из бедных окисленных и самородных
руд). Эти методы основаны на избирательном растворении медьсодержащих
минералов, обычно в слабых растворах H2SO4 или аммиака. Из раствора меди,
либо осаждают железом, либо выделяют электролизом с нерастворимыми анодами.
Весьма перспективны применительно к смешанным рудам комбинированные
гидрофлотационные методы, при которых кислородные соединения меди
растворяются в сернокислых растворах, а сульфиды выделяются флотацией.
Получают распространение и автоклавные гидрометаллургические процессы,
идущие при повышенных температурах и давлении.
5. Физические свойства.
Техническая медь — металл красного, в изломе розового цвета, при
просвечивании в тонких слоях — зеленовато-голубой. Имеет
гранецентрированную кубическую решетку с параметром а = 0,36074 нм,
плотность 8,96 кг/м3 (20° С). Ионные радиусы меди (в нм) приведены ниже:
| |По Белову и Бокию|По Гольдшмидту |По Полингу |
|Cu+ |0,098 |0,095 |0,096 |
|Cu2+ |0,080 |0,070 |— |
Основные физические свойства меди
Температура плавления, °С
1083
Температура кипения, °С
2600
Теплота плавления, кДж/г-ат.
0,7427
Теплота испарения, кДж/г-ат.
17,38
Удельная теплоемкость, Дж/(г.град) (20°С)
0,022
Теплопроводность, Дж/(м.град.с) (20°С)
2,25-10-3
Электрическое сопротивление, Ом.м (20°С)
1,68-Ю-4
Удельная магнитная восприимчивость,
0,086.10-6
абс. эл.-магн. ед./г (18 °С)
Медь — вязкий, мягкий и ковкий металл, уступающий только серебру высокой
теплопроводностью и электропроводностью. Эти качества, а также пластичность
и сопротивление коррозии обусловили широкое применение меди в
промышленности.
6. Химические свойства.
Медь — электроположительный металл. Относительную устойчивость ее ионов
можно оценить на основании следующих данных:
Cu2+ + e > Cu+ E0 = 0,153 B,
Сu+ + е > Сu0 E0 = 0,52 В,
Сu2+ + 2е > Сu0 E0 = 0,337 В.
Медь вытесняется из своих солей более электроотрицательными элементами и
не растворяется в кислотах, не являющихся окислителями. Медь растворяется в
азотной кислоте с образованием Cu(NO3)2 и оксидов азота, в горячей конц.
H2SO4 — с образованием CuSO4 и SO2. В нагретой разбавленной H2SO4 медь
растворяется только при продувании через раствор воздуха.
Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы ионов меди в водных
растворах по отношению к водородному электроду при 25° С приведены в табл.
2.
Таблица 2.
Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы ионов меди.
|Уравнение полуреакции |EL В |
|HCuO2- + ЗН+ + е = Сu+ + 2Н2О |1,73 |
|CuO22- + 4Н+ + е = Сu+ + 2Н2О |2,51 |
|HCuO2- + ЗН+ + 2е = Сu0 + 2Н2О |1,13 |
|СuО22- + 4Н+ + 2е = Сu0 + 2Н2О |1,52 |
|2Сu2+ + Н2О + 2е = Сu2О + 2Н+ |0,20 |
|2НСuО2- + 4Н+ + 2е = Сu2О + ЗН2О |1,78 |
|2CuO22- + 6Н+ +2е = Сu2О + ЗН2О |2,56 |
|СuО + 2Н+ + е = Сu+ + Н20 |0,62 |
|Сu2+ + Вr - + е = СuВr |0,64 |
|Сu2+ + Сl- + е = CuCl |0,54 |
|Сu2+ + I- + е = CuI |0,86 |
|Cu(NH3)42+ + е = Cu(NH3)2+ + 2NH3 |-0,01 |
|Cu(NH3)2+ + е = Сu0 + 2NH3 |-0,12 |
|Cu(NH3)42+ + 2e = Cu0 + 4NH3 |-0,07 |
Химическая активность меди невелика, при температурах ниже 185°С с сухим
воздухом и кислородом не реагирует. В присутствии влаги и СО2 на
поверхности меди образуется зеленая пленка основного карбоната. При
нагревании меди на воздухе идет поверхностное окисление; ниже 375°С
образуется СuО, а в интервале 375—1100°С при неполном окислении меди —
двухслойная окалина (СuО + Сu2О). Влажный хлор взаимодействует с медью уже
при комнатной температуре, образуя хлорид меди(II), хорошо растворимый в
воде. Медь реагирует и с другими галогенами.
Особое сродство проявляет медь к сере: в парах серы она горит. С
водородом, азотом, углеродом медь не реагирует даже при высоких
температурах. Растворимость водорода в твердой меди незначительна и при
400°С составляет 0,06 г в 100 г меди. Присутствие водорода в меди резко
ухудшает ее механические свойства (так называемая "водородная болезнь").
При пропускании аммиака над раскаленной медью образуется Cu2N. Уже при
температуре каления медь подвергается воздействию оксидов азота: N2O и NO
взаимодействуют с образованием Сu2О, a NO2 — с образованием СuО. Карбиды
Сu2С2 и СuС2 могут быть получены действием ацетилена на аммиачные растворы
солей меди. Окислительно-восстановительные равновесия в растворах солей
меди в обеих степенях окисления осложняются легкостью диспропорционирования
меди(I) в медь(0) и медь(II), поэтому комплексы меди(I) обычно образуются
только в том случае, если они нерастворимы (например, CuCN и Cul) или если
связь металл—лиганд имеет ковалентный характер, а пространственные факторы
благоприятны.
Исследование комплексных соединений меди(П) может быть проведено методами
протонного резонанса и ЭПР. Большое число работ по ЭПР комплексных
соединений меди(II) обусловлено устойчивостью этого состояния окисления
меди и относительно узкими линиями спектра ЭПР меди(П) в широком интервале
температур.
Спектры ЭПР комплексов меди(II) в растворах часто имеют хорошо
разрешенную сверхтонкую структуру из четырех линий от ядер 63 Сu и 65Сu,
ядерный спин которых 3/2.Так как магнитные моменты ядер 63Сu и 65Сu
несколько различаются, то в случае узких линий сверхтонкой структуры,
например для серосодержащих комплексов, в спектрах ЭПР видны разрешенные
линии от ядер 63Сu и 65Сu. При интерпретации спектров ЭПР необходимо
учитывать сосуществование в растворах, как правило, нескольких комплексов.
Ниже кратко рассматриваются химические свойства меди в различных степенях
окисления.
Медь(I). Комплексы меди(I) обычно имеют (в зависимости от природы
лиганда) линейное или тетраэдрическое строение. Ионы меди(I) содержат
десять 3d-электронов и обычно образуют четырех координированные
тетраэдрические структуры типа [CuCl4]3-. Однако с сильноосновными
высокополяризованными или легко поляризующимися лигандами медь(I) образует
двухкоординированные линейные комплексы.
В соединениях меди(I) ион имеет конфигурацию 3d'°, поэтому они
диамагнитны и бесцветны. Исключение составляют случаи, когда окраска
обусловлена анионом или поглощением в связи с переносом заряда.
Относительная устойчивость ионов Сu+ и Сu2+ определяется природой анионов
или других лигандов. Примерами устойчивого в воде соединения меди(I)
являются малорастворимые CuCl и CuCN, соли Cu2SO4 и других оксоанионов
можно получить в неводной среде. В воде они быстро разлагаются, образуя
медь металлическую и соли меди(I). Неустойчивость солей меди(I) в воде
обусловлена отчасти повышенными значениями энергии решетки и энергии
сольватации для иона меди(П), вследствие чего соединения меди(I)
неустойчивы.
Оксид меди(I) Сu2О красного цвета, незначительно растворяется в воде. При
взаимодействии сильных щелочей с солями меди(I) выпадает желтый осадок,
переходящий при нагревании в осадок красного цвета, по-видимому, Cu2O.
Гидроксид меди(I) обладает слабыми основными свойствами, он несколько
растворим в концентрированных растворах щелочей.
Медь(II). Двухзарядный положительный ион меди является ее наиболее
распространенным состоянием. Большинство соединений меди(I) очень легко
окисляется в соединения двухвалентной меди, но дальнейшее окисление до
меди(Ш) затруднено.
Конфигурация 3d9 делает ион меди(II) легко деформирующимся, благодаря
чему он образует прочные связи с серосодержащими реагентами (ДДТК,
этилксантогенатом, рубеановодородной кислотой, дитизоном). Основным
координационным полиэдром для двухвалентной меди является симметрично
удлиненная квадратная бипирамида. Тетраэдрическая координация для меди(П)
встречается довольно редко и в соединениях с тиолами, по-видимому, не
реализуется.
Большинство комплексов меди(II) имеет октаэдрическую структуру, в которой
четыре координационных места заняты лигандами, расположенными к металлу
ближе, чем два других лиганда, находящихся выше и ниже металла. Устойчивые
комплексы меди(II) характеризуются, как правило, плоскоквадратной или
октаэдрической конфигурацией. В предельных случаях деформации
октаэдрическая конфигурация превращается в плоскоквадратную. Большое
аналитическое применение имеют внешнесферные комплексы меди.
СuО встречается в природе и может быть получен при накаливании
металлической меди на воздухе, хорошо растворяется в кислотах, образуя
соответствующие соли.
Гидроксид меди(II) Сu(ОН)2 в виде объемистого осадка голубого цвета может
быть получен при действии избытка водного раствора щелочи на растворы солей
меди(II). ПР(Сu(ОН)-) = 1,31.10-20. В воде этот осадок малорастворим, а при
нагревании переходит в СuО, отщепляя молекулу воды. Гидроксид меди(II)
обладает слабо выраженными амфотерными свойствами и легко растворяется в
водном растворе аммиака с образованием осадка темно-синего цвета. Осаждение
гидроксида меди происходит при рН 5,5.
Последовательные значения констант гидролиза для ионов меди(II) равны:
рК1гидр = 7,5; рК2гидр = 7,0; рК3гидр = 12,7; рК4гидр = 13,9. Обращает на
себя внимание необычное соотношение pK1гидр > рК2гидр. Значение рК = 7,0
вполне реально, так как рН полного осаждения Сu(ОН)2 равно 8—10. Однако рН
начала осаждения Сu(ОН)2 равно 5,5, поэтому величина рК1гндр = 7,5,
очевидно, завышена. Гидролиз ионов меди(II) в водных растворах протекает по
схеме:
Сu2+ + n Н20 = Cu(OH)n2-n + n Н+; (n = 1; 2).
1-я и 2-я константы гидролиза равны 109 и 1017 соответственно и не
зависят от концентрации меди в пределах 4-1 0"4 — 1 М.
Медь(III). Доказано, что медь(III) с конфигурацией 3d8 может существовать
в кристаллических соединениях и в комплексах, образуя анионы — купраты.
Купраты некоторых щелочных и щелочноземельных металлов можно получить,
например, нагреванием смеси оксидов в атмосфере кислорода. КСuО2 — это
диамагнитное соединение голубовато-стального цвета.
При действии фтора на смесь КСl и СuСl2 образуются светло-зеленые
кристаллы парамагнитного соединения К3СuF6.
При окислении щелочных растворов меди(II), содержащих периодаты или
теллураты, гипохлоритом или другими окислителями образуются диамагнитные
комплексные соли состава K7[Cu(IO6)2].7H2O. Эти соли являются сильными
окислителями и при подкислении выделяют кислород.
Соединения меди(Ш). При действии спиртового раствора щелочи и пероксида
водорода на охлажденный до 50° спиртовой раствор хлорида меди(II) выпадает
коричнево-черный осадок пероксида меди СuО2. Это соединение в
гидратированной форме можно получить при действии пероксида водорода на
раствор соли сульфата меди, содержащего в небольших количествах Na2CO3.
Суспензия Сu(ОН)2 в растворе КОН взаимодействует с хлором, образуя осадок
Сu2О3 красного цвета, частично переходящий в раствор.
7. Применение.
Большая роль меди в технике обусловлена рядом её ценных свойств и,
прежде всего высокой электропроводностью, пластичностью, теплопроводностью.
Благодаря этим свойствам медь - это основной материал для проводов; свыше
50 % добываемой меди применяют в электротехнической промышленности. Все
примеси понижают электропроводность меди, а потому в электротехнике
используют металл высших сортов, содержащий не менее 99,9 % Cu. Высокие
теплопроводность и сопротивление коррозии позволяют изготовлять из меди
ответственные детали теплообменников, холодильников, вакуумных аппаратов и
т. п. Около 30-40 % меди используют в виде различных сплавов, среди которых
наибольшее значение имеют латуни (от 0 до 50 % Zn) и различные виды бронз;
оловянистые, алюминиевые, свинцовистые, бериллиевые и т. д. (подробнее см.
Сплавы меди). Кроме нужд тяжёлой промышленности, связи, транспорта,
некоторое количество меди (главным образом в виде солей) потребляется для
приготовления минеральных пигментов, борьбы с вредителями и болезнями
растений, в качестве микроудобрений, катализаторов окислительных процессов,
а также в кожевенной и меховой промышленности и при производстве
искусственного шёлка.
Медь как художественный материал используется с медного века (украшения,
скульптура, утварь, посуда). Кованые и литые изделия из меди и сплавов
украшаются чеканкой, гравировкой и тиснением. Лёгкость обработки меди
(обусловленная её мягкостью) позволяет мастерам добиваться разнообразия
фактур, тщательности проработки деталей, тонкой моделировки формы. Изделия
из меди отличаются красотой золотистых или красноватых тонов, а также
свойством обретать блеск при шлифовке. Медь нередко золотят, патинируют,
тонируют, украшают эмалью. С 15 века медь применяется также для
изготовления печатных форм.
В медицине сульфат меди применяют как антисептическое и вяжущее средство
в виде глазных капель при конъюнктивитах и глазных карандашей для лечения
трахомы. Раствор сульфата меди используют также при ожогах кожи фосфором.
Иногда сульфат меди применяют как рвотное средство. Нитрат меди употребляют
в виде глазной мази при трахоме и конъюнктивитах.
8. Сплавы меди.
Для деталей машин используют сплавы меди с цинком, оловом, алюминием,
кремнием и др. (а не чистую медь) из-за их большей прочности: 30-40 кгс/мм2
у сплавов и 25-29 кгс/мм2 у технически чистой меди.
Медные сплавы (кроме бериллиевой бронзы и некоторых алюминиевых бронз) не
принимают термической обработки, и их механические свойства и
износостойкость определяются химическим составом и его влиянием на
структуру. Модуль упругости медных сплавов (900-12000 кгс/мм2 ниже, чем у
стали).
Основное преимущество медных сплавов - низкий коэффициент трения (что
делает особенно рациональным применением их в парах скольжения),
сочетающийся для многих сплавов с высокой пластичностью и хорошей
стойкостью против коррозии в ряде агрессивных сред и хорошей
электропроводностью.
Величина коэффициента трения практически одинакова у всех медных сплавов,
тогда как механические свойства и износостойкость, а также поведение в
условиях коррозии зависят от состава сплавов, а, следовательно, от
структуры. Прочность выше у двухфазных сплавов, а пластичность у
однофазных.
8.1 Латуни.
Латунями называют сплавы меди и цинка. Медь может растворять цинк в любом
количестве. По химическому составу различают латуни простые и сложные, а по
структуре - однофазные и двухфазные. Простые латуни легируются одним
компонентом: цинком.
Однофазные простые латуни имеют высокую пластичность; она наибольшая у
латуней с 30-32% цинка (латуни Л70 , Л67). Латуни с более низким
содержанием цинка (томпаки и полутомпаки) уступают латуням Л68 и Л70 в
пластичности, но превосходят их в электро- и теплопроводности. Они
поставляются в прокате и поковках.
Двухфазные простые латуни имеют хорошие ковкость (но главным образом при
нагреве) и повышенные литейные свойства и используются не только в виде
проката, но и в отливках. Пластичность их ниже, чем у однофазных латуней,
а прочность и износостойкость выше за счет влияния более твердых частиц
второй фазы.
Прочность простых латуней 30-35 кгс/мм2 при однофазной структуре и 40-45
кгс/мм2 при двухфазной. Прочность однофазной латуни может быть значительно
повышена холодной пластической деформацией. Эти латуни имеют достаточную
стойкость в атмосфере воды и пара (при условии снятия напряжений,
создаваемых холодной деформацией).
8.2 Оловянные бронзы.
Однофазные и двухфазные бронзы превосходят латуни в прочности и
сопротивлении коррозии (особенно в морской воде).
Однофазные бронзы в катаном состоянии, особенно после значительной
холодной пластической деформации, имеют повышенные прочностные и упругие
свойства (?>= 40 кгс/мм2).
Для двухфазных бронз характерна более высокая износостойкость.
Важное преимущество двухфазных оловянистых бронз - высокие литейные
свойства; они получают при литье наиболее низкий коэффициент усадки по
сравнению с другими металлами, в том числе чугунами. Оловянные бронзы
применяют для литых деталей сложной формы. Однако для арматуры котлов и
подобных деталей они используются лишь в случае небольших давлений пара.
Недостаток отливок из оловянных бронз - их значительная микропористость.
Поэтому для работы при повышенных давлениях пара они все больше заменяются
алюминиевыми бронзами. Из-за высокой стоимости олова чаще используют
бронзы, в которых часть олова заменена цинком (или свинцом).
8.3 Алюминиевые бронзы.
Эти бронзы (однофазные и двухфазные) все более широко заменяют латуни и
оловянные бронзы.
Однофазные бронзы в группе медных сплавов имеют наибольшую пластичность
(? до 60%). Их используют для листов (в том числе небольшой толщины) и
штамповки со значительной деформацией. После сильной холодной пластической
деформации достигаются повышенные прочность и упругость. Двухфазные бронзы
подвергают горячей деформации или применяют в виде отливок. У алюминиевых
бронз литейные свойства (жидкотекучесть) ниже, чем у оловянных; коэффициент
усадки больше, но они не образуют пористости, что обеспечивает получение
более плотных отливок. Литейные свойства улучшаются введением в указанные
бронзы небольших количеств фосфора. Бронзы в отливках используют, в
частности, для котельной арматуры сравнительно простой формы, но работающей
при повышенных напряжениях.
Кроме того, алюминиевые двухфазные бронзы, имеют более высокие
прочностные свойства, чем латуни и оловянные бронзы. У сложных алюминиевых
бронз, содержащих никель и железо, прочность составляет 55-60 кгс/мм2.
Все алюминиевые бронзы, как и оловянные, хорошо устойчивы против коррозии
в морской воде и во влажной тропической атмосфере.
Алюминиевые бронзы используют в судостроении, авиации, и т.д. В виде
лент, листов, проволоки их применяют для упругих элементов, в частности для
токоведущих пружин.
8.4 Кремнистые бронзы.
Применение кремнистых бронз ограниченное. Используются однофазные бронзы
как более пластичные. Они превосходят алюминиевые бронзы и латуни в
прочности и стойкости в щелочных (в том числе сточных) средах.
Эти бронзы применяют для арматуры и труб, работающих в указанных средах.
Кремнистые бронзы, дополнительно легированные марганцем, в результате
сильной холодной деформации приобретают повышенные прочность и упругость и
в виде ленты или проволоки используются для различных упругих элементов.
8.5 Бериллиевые бронзы.
Бериллиевые бронзы сочетают очень высокую прочность (? до 120 кгс/мм2) и
коррозионную стойкость с повышенной электропроводностью.
Однако эти бронзы из-за высокой стоимости бериллия используют лишь для
особо ответственных в изделиях небольшого сечения в виде лент, проволоки
для пружин, мембран, сильфонов и контактах в электрических машинах,
аппаратах и приборах. Указанные свойства бериллиевые бронзы после закалки и
старения, т.к. растворимость бериллия в меди уменьшается с понижением
температуры.
Выделение при старении частиц химического соединения CuBe повышает
прочность и уменьшает концентрацию бериллия в растворе меди.
8.6 Сплавы меди с никелем.
Никель сильно повышает твердость меди. Сплав 50% Сu и 50% Ni обладает
наибольшей твердостью. Кроме высокой твердости, эти сплавы обладают
пониженной электропроводностью, вследствие чего употребляются в
электротехнике.
Хорошие механические свойства, высокая стойкость против коррозии во
многих средах, ценные физические свойства в сочетании с простотой плавки,
литья и обработки давлением обусловили широкое применение медных сплавов в
многочисленных отраслях техники: в авиа-, авто-, судостроении, химической
промышленности, станкостроении, электротехнике, приборостроении, в
производстве паровой и водяной арматуры, посуды, художественных и других
изделий.
Заключение.
Медь является одним из металлов, известных с древнейших времён, и в
настоящее время занимает второе место (после алюминия) по объёму
промышленного производства.
Медь применяется для изготовления кабелей, токопроводящих частей
электрических установок, теплообменников. Она является основным компонентом
латуней бронз, медно-никелевых и других сплавов, обладающих высокими
антифрикционными свойствами, сочетающимися с хорошей коррозионной
стойкостью на воздухе. Эти сплавы характеризуются, кроме того, хорошей
электрической проводимостью.
Медь - металл сравнительно мало активный. В сухом воздухе и кислороде при
нормальных условиях медь не окисляется. Она достаточно легко вступает в
реакции с галогенами, серой, селеном. А вот с водородом, углеродом и азотом
медь не взаимодействует даже при высоких температурах. Кислоты, не
обладающие окислительными свойствами, на медь не действуют.
Чистая медь - тягучий, вязкий металл красного, в изломе розового цвета, в
очень тонких слоях на просвет медь выглядит зеленовато-голубой. Эти же
цвета, характерны и для многих соединений меди, как в твердом состоянии,
так и в растворах.
Медь широко используется в промышленности из-за:
1. высокой теплопpоводимости
2. высокой электpопpоводимости
3. ковкости
4. хороших литейных качеств
5. большого сопротивления на pазpыв
6. химической стойкости
Физические и химические свойства меди зависят от степени ее чистоты.
Примеси меди в продуктах различных производств также влияют на свойства
этих материалов. Поэтому во многих производственных лабораториях проводится
контроль содержания меди. Большое число публикаций посвящено определению
меди в биологических объектах, особенно в крови, так как медь играет
большую роль в биохимических процессах, протекающих в организме, и является
индикатором некоторых заболеваний. При аналитическом контроле используют
как классические химические методы, так и физические, требующие совершенной
инструментальной техники и позволяющие с высокой чувствительностью
определять медь в присутствии многих других элементов часто без разрушения
образца. Переработка медных руд невозможна без предварительного фазового
анализа.
Медь входит в число жизненно важных микроэлементов. Она участвует в
процессе фотосинтеза и усвоении растениями азота, способствует синтезу
сахара, белков, крахмала, витаминов. Чаще всего медь вносят в почву в
виде пятиводного сульфата - медного купороса. В значительных количествах
он ядовит, как и многие другие соединения меди, особенно для низших
организмов. В малых же дозах медь совершенно необходима всему живому.
Литература.
1. Подчайнова В.Н., Медь, (М., Свердловск: Металургиздат, 1991. – 249с.);
2. Смирнов В. И., Металлургия меди и никеля, (М., Свердловск , 1950. –
234с.);
3. Газарян Л. М., Пирометаллургия меди, (М., 1960. – 189с.);
4. Справочник металлурга по цветным металлам, под редакцией Н. Н. Мурача,
(2 изд., т. 1, М., 1953, т. 2, М., 1947. – 211с.);
Реферат на тему: Химия наследственности. Нуклеиновые кислоты. ДНК. РНК. Репликация ДНК и передача наследственной информации
Министерство высшего и среднего специального образования Российской
Федерации
Волгоградский государственный технический университет
Кафедра органической химии
КУРСОВАЯ РАБОТА
по теме: «Химия наследственности. Нуклеиновые кислоты. ДНК. РНК.
Репликация ДНК и передача наследственной информации.»
Выполнил: студентка
ХХХХХ
Группа ХХХХХХ
Проверил: ХХХХХХ
Волгоград - 2003
СОДЕРЖАНИЕ
|1.ВВЕДЕНИЕ |2 |
|2.ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ |3 |
|2.1.Мир РНК как предшественник современной жизни |4 |
|2.2.Возникновение биосинтеза белка |7 |
|3.НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ |10 |
|3.1.Состав нуклеиновых кислот |10 |
|3.2.Значение нуклеиновых кислот |12 |
|4.ДНК |13 |
|4.1.Состав ДНК |13 |
|4.2.Макромолекулярная структура ДНК |14 |
|4.3.Выделение дезоксирибонуклеиновых кислот |15 |
|4.4.Фракционирование |16 |
|4.5.Функции ДНК |17 |
|5.РНК |18 |
|5.1.Состав РНК |18 |
|5.2.Макромолекулярная структура РНК |18 |
|5.3.Мультифункциональность РНК |20 |
|5.4.Выделение рибонуклеиновых кислот |21 |
|5.5.Фракционирование |22 |
|6.ПРИРОДА МЕЖНУКЛЕОТИДНЫХ СВЯЗЕЙ |25 |
|6.1.Межнуклеотидная связь в ДНК |26 |
|6.2.Межнуклеотидная связь в РНК |28 |
|7.МАТРИЧНЫЙ СИНТЕЗ ДНК |30 |
|7.1.ДНК-полимеразы |31 |
|7.2.Точность синтеза ДНК и механизм коррекции |31 |
|8.ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РЕПЛИКАЦИИ |33 |
|8.1.Инициация цепей ДНК |33 |
|8.2.Расплетение двойной спирали ДНК |34 |
|8.3.Прерывистый синтез ДНК |35 |
|8.4.Кооперативное действие белков репликационной вилки |36 |
|8.5.Согласованность процессов репликации ДНК и клеточного |36 |
|деления | |
|9.ЗАКЛЮЧЕНИЕ |38 |
|10.СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ |39 |
1. ВВЕДЕНИЕ
Мы рождаемся, взрослеем, у нас появляются дети и внуки. Мы ни одни
живые существа на этой планете, вокруг нас ежечасно, ежесекундно происходит
зарождение новой жизни. Этот процесс не прерывается никогда. Наши
соседи по планете – это миллиарды живых существ: растения, животные,
микроорганизмы, вирусы. Нас радует цветущий вишневый сад и шорох желтеющей,
отмирающей листвы под ногами, умиротворяет выпрыгивающие из воды дельфины и
прыгающая белка – летяга. Все мы когда - либо болели гриппом, краснухой и
эти болезни вызваны нахождением в нашем организме болезнетворных микробов и
вирусов, а это тоже живые организмы. Как редко мы задумываемся, откуда
такое разнообразие жизни, и ее форм, так не похожих друг на друга! А между
тем все живые организмы состоят из одних и тех же химических элементов,
объединенных в макромолекы, такие как белки. Только у различных живых
существ белки различны по своей структуре. Но почему клетки определенного
организма синтезируют только свойственные им белки? Как происходит механизм
передачи наследственной информации, а главное – где она хранится? Все эти
вопросы перетекают в еще более важный, интересный и глобальный: жизнь – как
она появилась на этой планете и как происходит ее воспроизведение? Это
вопросы, на которые я постараюсь найти ответы в этой работе.
2. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ
Пожалуй, первая научная, хорошо продуманная теория происхождения
жизни абиогенным путем была предложена биохимиком А.И. Опариным еще в 20-х
годах прошлого века. Теория базировалась на представлении, что все
начиналось с белков, и на возможности в определенных условиях спонтанного
химического синтеза мономеров белков - аминокислот - и белковоподобных
полимеров (полипептидов) абиогенным путем. Публикация теории стимулировала
многочисленные эксперименты в ряде лабораторий мира, показавшие реальность
такого синтеза в искусственных условиях. Теория быстро стала общепринятой и
необыкновенно популярной.
Основным ее постулатом было то, что спонтанно возникавшие в первичном
"бульоне" белковоподобные соединения объединялись в коацерватные капли -
обособленные коллоидные системы, плавающие в более разбавленном водном
растворе. Это давало главную предпосылку возникновения организмов -
обособление некой биохимической системы от окружающей среды, ее
компартментализацию. Так как некоторые белковоподобные соединения
коацерватных капель могли обладать каталитической активностью, то
появлялась возможность прохождения биохимических реакций синтеза внутри
капель - возникало подобие ассимиляции, а значит, роста коацервата с
последующим его распадом на части - размножением. Ассимилирующий, растущий
и размножающийся делением коацерват рассматривался как прообраз живой
клетки (рис. 1)
Все было хорошо продумано и научно обосновано в теории, кроме одной
проблемы, на которую долго закрывали глаза почти все специалисты в области
происхождения жизни. Если спонтанно, путем случайных безматричных синтезов
в коацервате возникали единичные удачные конструкции белковых молекул
(например, эффективные катализаторы, обеспечивающие преимущество данному
коацервату в росте и размножении), то как они могли копироваться для
распространения внутри коацервата, а тем более для передачи коацерватам-
потомкам? Теория оказалась неспособной предложить решение проблемы точного
воспроизведения - внутри коацервата и в поколениях - единичных, случайно
появившихся эффективных белковых структур.
[pic]
Рис. 1. Схематическое представление пути происхождения жизни
согласно белково - коацерватной теории А.И. Опарина
2.1. Мир РНК как предшественник современной жизни
Накопление знаний о генетическом коде, нуклеиновых кислотах и
биосинтезе белков привело к утверждению принципиально новой идеи о том, что
все начиналось вовсе не с белков, а с РНК. Нуклеиновые кислоты являются
единственным типом биологических полимеров, макромолекулярная структура
которых, благодаря принципу комплементарности при синтезе новых цепей,
обеспечивает возможность копирования собственной линейной
последовательности мономерных звеньев, другими словами, возможность
воспроизведения (репликации) полимера, его микроструктуры. Поэтому только
нуклеиновые кислоты, но не белки, могут быть генетическим материалом, то
есть воспроизводимыми молекулами, повторяющими свою специфическую
микроструктуру в поколениях.
По ряду соображений именно РНК, а не ДНК, могла представлять собой
первичный генетический материал.
Во-первых, и в химическом синтезе, и в биохимических реакциях
рибонуклеотиды предшествуют дезоксирибонуклеотидам; дезоксирибонуклеотиды -
продукты модификации рибонуклеотидов.
Во-вторых, в самых древних, универсальных процессах жизненного
метаболизма широко представлены именно рибонуклеотиды, а не
дезоксирибонуклеотиды, включая основные энергетические носители типа
рибонуклеозид-полифосфатов (АТФ и т.п.).
В-третьих, репликация РНК может происходить без какого бы то ни было
участия ДНК, а механизм редупликации ДНК даже в современном живом мире
требует обязательного участия РНК-затравки в инициации синтеза цепи ДНК.
В-четвертых, обладая всеми теми же матричными и генетическими
функциями, что и ДНК, РНК способна также к выполнению ряда функций,
присущих белкам, включая катализ химических реакций. Таким образом, имеются
все основания рассматривать ДНК как более позднее эволюционное приобретение
- как модификацию РНК, специализированную для выполнения функции
воспроизведения и хранения уникальных копий генов в составе клеточного
генома без непосредственного участия в биосинтезе белков.
После того как были открыты каталитически активные РНК, идея
первичности РНК в происхождении жизни получила сильнейший толчок к
развитию, и была сформулирована концепция самодостаточного мира РНК,
предшествовавшего современной жизни. Возможная схема возникновения мира РНК
представлена на рис. 2.
|[pic] |Рис. 2. Схематическое |
| |представление |
| |пути происхождения жизни |
| |согласно современной концепции |
| |первичности мира РНК |
Абиогенный синтез рибонуклеотидов и их ковалентное объединение в
олигомеры и полимеры типа РНК могли происходить приблизительно в тех же
условиях и в той же химической обстановке, что постулировались для
образования аминокислот и полипептидов. Недавно А.Б. Четверин с
сотрудниками (Институт белка РАН) экспериментально показали, что по крайней
мере некоторые полирибонуклеотиды (РНК) в обычной водной среде способны к
спонтанной рекомбинации, то есть обмену отрезками цепи, путем транс-
эстерификации. Обмен коротких отрезков цепи на длинные, должен приводить к
удлинению полирибонуклеотидов (РНК), а сама подобная рекомбинация
способствовать структурному многообразию этих молекул. Среди них могли
возникать и каталитически активные молекулы РНК.
Даже крайне редкое появление единичных молекул РНК, которые были
способны катализировать полимеризацию рибонуклеотидов или соединение
(сплайсинг) олигонуклеотидов на комплементарной цепи как на матрице,
означало становление механизма репликации РНК. Репликация самих РНК-
катализаторов (рибозимов) должна была повлечь за собой возникновение
самореплицирующихся популяций РНК. Продуцируя свои копии, РНК размножались.
Неизбежные ошибки в копировании (мутации) и рекомбинации в
самореплицирующихся популяциях РНК создавали все большее разнообразие этого
мира. Таким образом, предполагаемый древний мир РНК - это "самодостаточный
биологический мир, в котором молекулы РНК функционировали и как
генетический материал, и как энзимоподобные катализаторы".
2.2. Возникновение биосинтеза белка
Далее на основе мира РНК должно было происходить становление
механизмов биосинтеза белка, появление разнообразных белков с наследуемой
структурой и свойствами, компартментализация систем биосинтеза белка и
белковых наборов, возможно, в форме коацерватов и эволюция последних в
клеточные структуры - живые клетки.
Проблема перехода от древнего мира РНК к современному белок-
синтезирующему миру - наиболее трудная даже для чисто теоретического
решения. Возможность абиогенного синтеза полипептидов и белковоподобных
веществ не помогает в решении проблемы, так как не просматривается никакого
конкретного пути, как этот синтез мог бы быть сопряжен с РНК и подпасть под
генетический контроль. Генетически контролируемый синтез полипептидов и
белков должен был развиваться независимо от первичного абиогенного синтеза,
своим путем, на базе уже существовавшего мира РНК. В литературе предложено
несколько гипотез происхождения современного механизма биосинтеза белка в
мире РНК, но, пожалуй, ни одна из них не может рассматриваться как детально
продуманная и безупречная с точки зрения физико-химических возможностей.
Представленная ниже версия наиболее точно отражает процесса эволюции и
специализации РНК, ведущего к возникновению аппарата биосинтеза белка (рис.
3), но и она не претендует на законченность.
Предлагаемая гипотетическая схема содержит два существенных момента,
кажущихся принципиальными.
1. Постулируется, что абиогенно синтезируемые олигорибонуклеотиды
активно рекомбинировали посредством механизма спонтанной неэнзиматической
трансэстерификации , приводя к образованию удлиненных цепей РНК и давая
начало их многообразию. Именно этим путем в популяции олигонуклеотидов и
полинуклеотидов и могли появиться как каталитически активные виды РНК
(рибозимы), так и другие виды РНК со специализированными функциями (см.
рис. 3). Более того, неэнзиматическая рекомбинация олигонуклеотидов,
комплементарно связывающихся с полинуклеотидной матрицей, могла обеспечить
сшивание (сплайсинг) фрагментов, комплементарных этой матрице, в единую
цепь. Именно таким способом, а не катализируемой полимеризацией
мононуклеотидов, могло осуществляться первичные копирование (размножение)
РНК. Разумеется, если появлялись рибозимы, обладавшие полимеразной
активностью, то эффективность (точность, скорость и продуктивность)
копирования на комплементарной матрице должна была значительно возрастать.
[pic]
Рис. 3. Схема эволюции и специализации молекул РНК
в процессе перехода от древнего мира РНК к современному миру
генетически детерминированного биосинтеза белков
2. Первичный аппарат биосинтеза белка возник на базе нескольких
видов специализированных РНК до появления аппарата энзиматической
(полимеразной) репликации генетического материала - РНК и ДНК. Этот
первичный аппарат включал:
V каталитически активную прорибосомную РНК, обладавшую пептидил-
трансферазной активностью;
V набор про-тРНК, специфически связывающих аминокислоты или короткие
пептиды;
V другую прорибосомную РНК, способную взаимодействовать одновременно с
каталитической прорибосомной РНК, про-мРНК и про-тРНК (см. рис. 3).
Такая система уже могла синтезировать полипептидные цепи. Среди
прочих каталитически активных белков - первичных ферментов (энзимов) -
появились и белки, катализирующие полимеризацию нуклеотидов - репликазы,
или НК-полимеразы.
Впрочем, возможно, что гипотеза о древнем мире РНК как предшественнике
современного живого мира так и не сможет получить достаточного обоснования
для преодоления основной трудности - научно правдоподобного описания
механизма перехода от РНК и ее репликации к биосинтезу белка. Имеется
привлекательная и детально продуманная альтернативная гипотеза А.Д.
Альтштейна (Институт биологии гена РАН), в которой постулируется, что
репликация генетического материала и его трансляция - синтез белка -
возникали и эволюционировали одновременно и сопряжено, начиная с
взаимодействия абиогенно синтезирующихся олигонуклеотидов и аминоацил-
нуклеотидилатов - смешанных ангидридов аминокислот и нуклеотидов. Но это
уже следующая сказка... ("И Шахразаду застигло утро, и она прекратила
дозволенные речи".)
3. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ
3.1. Состав нуклеиновых кислот
Нуклеиновые кислоты - это биополимеры, макромолекулы которых состоят
из многократно повторяющихся звеньев - нуклеотидов. Поэтому их называют
также полинуклеотидами. Важнейшей характеристикой нуклеиновых кислот
является их нуклеотидный состав. В состав нуклеотида - структурного звена
нуклеиновых кислот - входят три составные части:
азотистое основание - пиримидиновое или пуриновое. В нуклеиновых кислотах
содержатся основания 4-х разных видов: два из них относятся к классу
пуринов и два – к классу пиримидинов. Азот, содержащийся в кольцах, придает
молекулам основные свойства.
моносахарид - рибоза или 2-дезоксирибоза. Сахар, входящий в состав
нуклеотида, содержит пять углеродных атомов, т.е. представляет собой
пентозу. В зависимости от вида пентозы, присутствующей в нуклеотиде,
различают два вида нуклеиновых кислот – рибонуклеиновые кислоты (РНК),
которые содержат рибозу, и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), содержащие
дизоксирибозу.
остаток фосфорной кислоты. Нуклеиновые кислоты являются кислотами потому,
что в их молекулах содержится фосфорная кислота.
Нуклеотид - фосфорный эфир нуклеозида. В состав нуклеозида входят два
компонента: моносахарид (рибоза или дезоксирибоза) и азотистое основание.
В конце 40-х — начале 50-х годов, когда появились такие методы
исследования, как хроматография на бумаге и УФ-спектроскопия, были
проведены многочисленные исследования нуклеотидного состава НК (Чаргафф, А.
Н. Белозерский). Полученные данные позволили решительно отбросить старые
представления о нуклеиновых кислотах, как о полимерах, содержащих
повторяющиеся тетрануклеотидные последовательности (так называемая
тетрануклеотидная теория строения ПК, господствовавшая в 30—40-е годы), и
подготовили почву для создания современных представлений не только о
первичной структуре ДНК и РНК, но и об их макромолекулярной структуре и
функциях.
Метод определения состава ПК основан на анализе гидролизатов,
образующихся при их ферментативном или химическом расщеплении. Обычно
используются три способа химического расщепления НК. Кислотный гидролиз в
жестких условиях (70%-ная хлорная кислота, 100°С, 1ч или 100%-ная
муравьиная кислота, 175 °C, 2 ч), применяемый для анализа как ДНК, так и
РНК, приводит к разрыву всех N-гликозидных | |
