Hình 4.1 Những đặc tính nào khiến cacbon trở thành nguyên tố cơ bản của mọi sinh vật sống?
Ý chính
4.1 Hóa hữu cơ nghiên cứu các hợp chất cacbon
4.2 Nguyên tử cacbon có thể tạo thành nhiều loại phân tử bằng cách liên kết với bốn nguyên tử khác
4.3 Hoạt động của các phân tử sinh học dựa trên một số nhóm hóa học
Giới thiệu
Carbon: nguyên tố cơ bản của sinh vật sống Nước là môi trường phổ biến của sự sống trên Trái đất, nhưng chính carbon là nguyên tố cơ bản của hầu hết các chất hóa học tạo nên sinh vật sống, chẳng hạn như thực vật và hươu Roosevelt được trình bày trong Hình 4.1 . Carbon đi vào sinh quyển nhờ hoạt động của thực vật thu năng lượng mặt trời để chuyển hóa CO2 trong khí quyển thành các phân tử của sự sống. Những phân tử này sau đó được hấp thụ bởi Động vật tiêu thụ Thực vật. Trong tất cả các nguyên tố hóa học, carbon không có nguyên tố nào sánh bằng trong việc hình thành các phân tử lớn, phức tạp và đa dạng. Sự đa dạng phân tử này tạo nên sự đa dạng của các sinh vật tiến hóa trên Trái đất. Protein, DNA, carbohydrate và các phân tử khác đặc trưng cho vật chất sống đều chứa các nguyên tử carbon. Chúng được liên kết với nhau và với các nguyên tử của các nguyên tố khác. Mặc dù các phân tử phức tạp chứa các nguyên tố khác, chẳng hạn như hydro (H), oxy (O), nitơ (N) và đôi khi là lưu huỳnh (S) hoặc phốt pho (P), nhưng chính nhờ carbon (C), chúng ta có vô số phân tử hữu cơ . Chương 5 sẽ đặc biệt tập trung vào các phân tử sinh học lớn như protein. Trong chương này chúng ta sẽ nghiên cứu tính chất của các phân tử nhỏ hơn. Chúng ta sẽ sử dụng chúng để minh họa các khái niệm của kiến trúc phân tử sẽ giúp giải thích tầm quan trọng của carbon đối với sự sống và một lần nữa sẽ làm nổi bật chủ đề về sự xuất hiện: tổ chức của vật chất sống tiết lộ những đặc tính mà mỗi thành phần của nó khi tách riêng ra không có.
Khái niệm 4.1
Hóa học hữu cơ nghiên cứu các hợp chất cacbon Vì lý do lịch sử, các chất có chứa cacbon được gọi là hợp chất hữu cơ và ngành hóa học nghiên cứu chúng được gọi là hóa học hữu cơ. Các hợp chất hữu cơ bao gồm từ các phân tử đơn giản như metan (CH4) đến các phân tử khổng lồ như protein, mỗi phân tử có hàng nghìn nguyên tử. Ngoài nguyên tử cacbon, hầu hết các hợp chất hữu cơ đều có nguyên tử hydro. Các yếu tố chính của sự sống (C, H, O, N, S và P) được tìm thấy với tỷ lệ gần như giống nhau giữa các sinh vật sống. Tuy nhiên, do tính linh hoạt của carbon, tập hợp các khối xây dựng hạn chế này được sắp xếp theo nhiều cách đến nỗi nó tạo thành vô số phân tử hữu cơ. Các loài khác nhau cũng như các cá thể khác nhau của cùng một loài được phân biệt bởi sự biến đổi của các phân tử hữu cơ của chúng. Trong nhiều thiên niên kỷ, con người đã được hưởng lợi từ những sinh vật có thể cung cấp cho họ những chất quý. Ví dụ, hãy nghĩ đến thực phẩm, thuốc men và sợi dệt. Hóa học hữu cơ có nguồn gốc từ nỗ lực thanh lọc và cải thiện các sản phẩm này. Đầu những năm 1800, các nhà hóa học đã học cách tạo ra nhiều hợp chất đơn giản trong phòng thí nghiệm bằng cách kết hợp các nguyên tố trong điều kiện thích hợp. Việc tổng hợp nhân tạo các phân tử phức tạp, chẳng hạn như những phân tử có thể chiết xuất từ vật chất sống, khi đó dường như là không thể. Vào khoảng thời gian này, nhà hóa học người Thụy Điển Jöns Jakob Berzelius đã đưa ra một sự khác biệt quan trọng. Ông phân biệt giữa các hợp chất hữu cơ mà chỉ sinh vật sống mới có thể tạo ra và các hợp chất vô cơ từ thế giới vô tri.
Chủ nghĩa sức sống, một học thuyết khẳng định rằng các hiện tượng sự sống thể hiện một lực sống và không thể quy giản thành các định luật lý hóa, đã tạo thành nền tảng cho ngành hóa học hữu cơ mới dựa trên đó. Các nhà hóa học bắt đầu làm mất uy tín của thuyết sức sống khi cuối cùng họ đã học được cách tổng hợp các hợp chất hữu cơ trong phòng thí nghiệm. Năm 1828, Friedrich Wöhler, một nhà hóa học người Đức được Berzelius giảng dạy, đã cố gắng tạo ra một loại muối "vô cơ", amoni cyanate, bằng cách trộn các dung dịch ion amoni (NH4 1) và ion cyanate (CNO2). Ông ngạc nhiên nhận ra rằng mình đã sản xuất ra urê, một hợp chất hữu cơ có trong huyết tương và nước tiểu của Động vật. Ông đặt vấn đề về chủ nghĩa sức sống khi viết: "Tôi phải nói với bạn rằng tôi có khả năng tạo ra urê mà không cần sự trợ giúp của thận hay bất kỳ động vật nào, không hơn người hay chó. . » Tuy nhiên, một trong những thành phần ông sử dụng để tổng hợp urê, cyanate, lại đến từ máu động vật. Do đó, những người theo chủ nghĩa sống còn đã không tính đến khám phá của ông. Vài năm sau, Hermann Kolbe, một học trò của Wöhler, đã tổng hợp được axit axetic (một hợp chất hữu cơ) từ các chất vô cơ được điều chế trực tiếp từ các nguyên tố tinh khiết. Nền tảng của thuyết sức sống hoàn toàn sụp đổ vài thập kỷ sau đó, sau khi các nhà hóa học thành công trong việc tổng hợp các hợp chất hữu cơ ngày càng phức tạp trong phòng thí nghiệm.
Phân tử hữu cơ và nguồn gốc sự sống trên trái đất
Sự tiến hóa
Năm 1953, Stanley Miller, người đang thực hiện nghiên cứu sau đại học dưới sự hướng dẫn của Harold Urey tại Đại học Chicago, đã thúc đẩy mọi việc tiến lên phía trước. Ông đã giúp xác định vị trí tổng hợp phi sinh học (không cần sử dụng sinh vật sống) của các hợp chất hữu cơ trong bối cảnh tiến hóa. Nghiên cứu Hình 4.2 để tìm hiểu về thí nghiệm kinh điển của ông. Từ kết quả của mình, Miller kết luận rằng có thể tổng hợp một cách tự nhiên các phân tử hữu cơ phức tạp trong điều kiện mà ông tin là các điều kiện môi trường của Trái đất sơ khai. Miller cũng thực hiện các thí nghiệm trong đó ông tái tạo các điều kiện núi lửa trong phòng thí nghiệm và thu được kết quả cơ bản tương tự. Năm 2008, một cựu sinh viên của Miller đã phát hiện ra một số mẫu từ thí nghiệm này. Ông phân tích chúng một lần nữa bằng cách sử dụng thiết bị phức tạp hơn, cho phép ông xác định thêm các hợp chất hữu cơ mà Miller không thể phát hiện ra. Mặc dù câu hỏi chưa được giải quyết dứt điểm, nhưng những thí nghiệm này cho thấy rằng quá trình tổng hợp phi sinh học của các hợp chất hữu cơ, có lẽ ở gần núi lửa, có thể tạo thành một trong những bước đầu tiên về nguồn gốc sự sống (xem chương 25). Công trình của những người tiên phong về hóa học hữu cơ đã dẫn đến việc từ bỏ chủ nghĩa sống còn và sự xuất hiện của cơ chế. Cơ chế là một lý thuyết triết học khẳng định rằng mọi hiện tượng tự nhiên, bao gồm cả các quá trình sống, đều bị chi phối bởi các quy luật vật lý và hóa học. Định nghĩa về hóa học hữu cơ được mở rộng để nghiên cứu tất cả các hợp chất cacbon, bất kể nguồn gốc của chúng. Các sinh vật sống tạo ra hầu hết các hợp chất hữu cơ tồn tại trong tự nhiên. Những phân tử này thể hiện sự đa dạng và phức tạp hơn nhiều so với các hợp chất vô cơ. Tuy nhiên, tất cả các phân tử đều tuân theo các định luật hóa học giống nhau. Hóa học hữu cơ không dựa vào bất kỳ nguồn lực sống vô hình nào mà dựa vào tính linh hoạt hóa học độc đáo của carbon.
Hình 4.2 Liệu các phân tử hữu cơ có thể hình thành trong những điều kiện được cho là mô phỏng những điều kiện của trái đất nguyên thủy hay không? KINH NGHIỆM Năm 1953, Stanley Miller đã phát triển một hệ thống khép kín để mô phỏng trong phòng thí nghiệm điều mà ông tin là các điều kiện môi trường của Trái đất sơ khai. Bóng nước mô phỏng vùng biển nguyên sinh. Miller sau đó đun nóng bình cho đến khi hỗn hợp sôi. Sau đó, hơi nước đi vào quả bóng thứ hai nằm ở vị trí cao hơn chứa hỗn hợp khí (“khí quyển”). Sự phóng điện trong khí quyển tổng hợp mô phỏng tia sét.
Kết quả: Miller đã xác định được nhiều phân tử hữu cơ thường có trong các sinh vật sống. Ông đã phân lập được các hợp chất đơn giản, chẳng hạn như formaldehyde (CH2O) và hydro xyanua (HCN), và nhiều phân tử phức tạp hơn, chẳng hạn như axit amin và chuỗi dài cacbon và hydro gọi là hydrocarbon.
Kết luận: Rất có thể các điều kiện phổ biến trên Trái đất sơ khai đã cho phép sự tổng hợp phi sinh học của các phân tử hữu cơ, bước đầu tiên trong nguồn gốc của sự sống. (Chúng ta sẽ khám phá giả thuyết này chi tiết hơn ở Chương 25.)
Nguồn: S. L. Miller, Sản xuất axit amin trong điều kiện Trái đất nguyên thủy có thể có, Khoa học 117: 528€529 (1953). và nếu? Nếu Miller tăng nồng độ NH3 trong thí nghiệm của mình thì lượng tương đối của các sản phẩm HCN và CH2O sẽ thay đổi như thế nào?
Quay lại Concept 4.1
1. Tại sao Wöhler lại ngạc nhiên khi biết mình đã sản xuất được urê?
2. và nếu tôi? Khi Miller thử thí nghiệm không phóng điện, ông không tìm thấy hợp chất hữu cơ nào. Điều gì có thể giải thích kết quả này?
Xem câu trả lời gợi ý ở cuối chương.
Khái niệm 4.2
Các nguyên tử carbon có thể tạo thành nhiều loại phân tử bằng cách liên kết với bốn nguyên tử khác Chìa khóa cho các tính chất hóa học của nguyên tử là cấu hình điện tử của nó. Điều này xác định loại và số lượng liên kết mà nguyên tử hình thành với các nguyên tử khác.
Sự hình thành liên kết với carbon Carbon có tổng cộng sáu electron: hai ở lớp vỏ điện tử thứ nhất và bốn ở lớp vỏ thứ hai; do đó nó có bốn electron hóa trị trong một lớp vỏ có thể chứa 8. Để lấp đầy mức năng lượng cuối cùng, nó chia sẻ bốn electron với các nguyên tử khác, do đó thu được tám electron ở cấp độ này. Mỗi cặp electron dùng chung tạo thành một liên kết cộng hóa trị (xem Hình 2.12b, trang 40). Trong các phân tử hữu cơ, carbon thường hình thành liên kết cộng hóa trị đơn hoặc đôi. Trên thực tế, mỗi nguyên tử carbon hoạt động giống như một điểm giao nhau mà từ đó phân tử có thể phân nhánh theo bốn hướng. Carbon có được tính linh hoạt một phần nhờ khả năng hình thành bốn liên kết, giúp cho sự tồn tại của các phân tử phức tạp trở nên khả thi.
Nếu một nguyên tử carbon tạo thành bốn liên kết cộng hóa trị đơn, thì những liên kết này hướng về các đỉnh của một tứ diện tưởng tượng do vị trí của bốn obitan lai hóa (xem Hình 2.17b, trang 43). Trong metan (CH4), các góc liên kết là 109,5° (Hình 4.3a), và chúng gần như giống nhau trong tất cả các phân tử trong đó cacbon tạo ra bốn liên kết đơn. Ví dụ, etan (C2H6) có dạng hai tứ diện nối với nhau bằng một đỉnh của chúng (hình 4.3b).
Hình 4.3 Hình dạng của ba phân tử hữu cơ đơn giản.
Trong các phân tử chứa nhiều nguyên tử cacbon tham gia vào các liên kết đơn, mỗi nhóm gồm một nguyên tử cacbon liên kết với bốn nguyên tử khác tạo thành một khối tứ diện. Tuy nhiên, khi hai nguyên tử cacbon liên kết với nhau bằng liên kết đôi, như trong ethene (C2H4), thì tất cả các nguyên tử liên kết với các nguyên tử cacbon này đều nằm trong cùng một mặt phẳng (hình 4.3c). Mặc dù công thức cấu trúc của chúng được viết như thể chúng phẳng, nhưng hầu hết các phân tử hữu cơ đều chứa ít nhất một vài nhóm nguyên tử tạo cho chúng hình dạng ba chiều, và chính hình dạng của các phân tử ba chiều này thường quyết định chức năng của chúng trong một tế bào. Nguyên tử cacbon có cấu hình điện tử cho phép nó hình thành liên kết cộng hóa trị với các nguyên tử cacbon khác hoặc với nguyên tử của một số nguyên tố khác nhau. Hình 4.4 trình bày số oxi hóa của carbon và các đối tác thường xuyên nhất của nó: oxy, hydro và nitơ. Bốn nguyên tử này là thành phần chính của các phân tử hữu cơ. Các số oxi hóa này xác định sự hình thành liên kết cộng hóa trị và theo một cách nào đó, chúng là mã xây dựng chi phối cấu trúc của các phân tử hữu cơ. Bây giờ chúng ta hãy xem xét cách áp dụng các quy tắc hình thành liên kết cộng hóa trị giữa các nguyên tử cacbon và các nguyên tử khác ngoài hydro. Chúng ta sẽ xem xét hai ví dụ: các phân tử đơn giản của carbon dioxide và urê. Trong phân tử carbon dioxide (CO2), một nguyên tử carbon duy nhất được nối với hai nguyên tử oxy bằng liên kết cộng hóa trị đôi. Do đó công thức cấu tạo của CO2 là:
O = C = O
Mỗi dòng đại diện cho một cặp electron dùng chung. Do đó, hai liên kết đôi trong CO2 có cùng số electron dùng chung với bốn liên kết đơn. Sự sắp xếp này cho phép tất cả các nguyên tử của phân tử lấp đầy mức năng lượng cuối cùng của chúng. Bởi vì nó là một phân tử rất đơn giản không chứa hydro nên carbon dioxide thường được coi là vô cơ, mặc dù nó có chứa carbon. Tuy nhiên, dù chúng ta gọi nó là hữu cơ hay vô cơ thì CO2 rất cần thiết cho thế giới sống, bởi vì nó tạo thành nguồn carbon của tất cả các phân tử hữu cơ tạo nên sinh vật sống.
Hình 4.4 Sơ đồ vỏ điện tử thể hiện số oxi hóa của các nguyên tố chính cấu tạo nên phân tử hữu cơ. Số oxi hóa của một nguyên tử quyết định khả năng liên kết của nó. Nó biểu thị số electron mà một nguyên tử phải mất (dấu 1), tăng (dấu 2) hoặc chia sẻ (dấu 6) để lấp đầy mức năng lượng cuối cùng của nó (xem hình 2.9). Đối với mỗi nguyên tử, tất cả các electron được hiển thị trong sơ đồ phân bố electron (trên cùng). Mặt khác, sơ đồ Lewis (phía dưới) chỉ làm nổi bật các electron ở mức năng lượng cuối cùng. Lưu ý rằng carbon có thể tạo thành bốn liên kết.
TẠO KẾT NỐI Tham khảo Hình 2.9 (tr. 38) và vẽ biểu đồ Lewis cho natri, phốt pho, lưu huỳnh và clo.
Urê, CO(NH2)2, là hợp chất hữu cơ có trong huyết tương và nước tiểu, được Wöhler tổng hợp vào đầu những năm 1800. Một lần nữa, mỗi nguyên tử có số lượng liên kết cộng hóa trị phù hợp. Ở đây, nguyên tử carbon tham gia vào hai liên kết đơn và một liên kết đôi. Các phân tử urê và carbon dioxide chỉ có một nguyên tử carbon. Tuy nhiên, như trong Hình 4.3, một nguyên tử cacbon cũng có thể sử dụng một hoặc nhiều electron hóa trị để hình thành liên kết cộng hóa trị với các nguyên tử cacbon khác. Chúng có thể tạo thành chuỗi đa dạng gần như không giới hạn. Sự đa dạng của các phân tử hữu cơ phát sinh từ sự biến đổi trong chuỗi carbon tạo thành xương sống của hầu hết các phân tử hữu cơ. Chúng có chiều dài khác nhau và có thể là tuyến tính, phân nhánh hoặc tuần hoàn (hình 4.5). Một số mang liên kết đôi, số lượng và vị trí của chúng khác nhau. Những khác biệt như vậy góp phần đáng kể vào sự phức tạp và đa dạng của phân tử đặc trưng cho vật chất sống. Ngoài ra, các nguyên tử của các nguyên tố khác có thể liên kết thành chuỗi, đơn lẻ hoặc theo nhóm nguyên tử, nơi có các vị trí tự do. Hydrocarbon Tất cả các phân tử được minh họa trong Hình 4.3 và 4.5 đều là hydrocarbon, tức là các phân tử hữu cơ được hình thành chỉ từ carbon và hydro. Các nguyên tử hydro liên kết với chuỗi carbon ở bất cứ nơi nào có sẵn các electron để tạo thành liên kết cộng hóa trị. Hydrocarbon là thành phần chính của dầu mỏ, được gọi là nhiên liệu hóa thạch vì nó đến từ tàn tích bị phân hủy một phần của các sinh vật sống cách đây hàng triệu năm. Mặc dù hydrocarbon không có nhiều trong hầu hết các sinh vật sống, nhưng một số phần của phân tử hữu cơ được tìm thấy trong tế bào chủ yếu bao gồm carbon và hydro. Ví dụ, các phân tử được gọi là chất béo có chuỗi hydrocacbon dài, gọi là axit béo, liên kết với một thành phần không phải là hydrocacbon (hình 4.6). Cả dầu và chất béo đều không tan trong nước. Chúng là các hợp chất kỵ nước, vì phần lớn liên kết của chúng là liên kết cacbon-hydro không phân cực. Hydrocarbon còn được đặc trưng bởi khả năng phản ứng bằng cách giải phóng một lượng năng lượng tương đối cao. Vì vậy, xăng mà chúng ta sử dụng làm nhiên liệu trong ô tô có thành phần là hydrocarbon; Ở động vật, dự trữ các phân tử chất béo chứa chuỗi hydrocarbon đóng vai trò là nguồn năng lượng. Đồng phân Đồng phân là những hợp chất có cùng công thức phân tử nhưng có tính chất khác nhau do chúng không có cùng cấu hình. Chúng minh họa rõ ràng những biến thể tồn tại trong cấu trúc của các phân tử hữu cơ.
