Строение электронной оболочки
Согласно квантовой модели строение атома Нильса Бора, электроны в атоме могут двигаться только по определенным (стационарным) орбитам, удаленным от ядра на определенное расстояние и характеризующиеся определенной энергией. Другое название стационарны орбит — электронные слои или энергетические уровни.
Электронные уровни можно обозначать цифрами — 1, 2, 3, …, n. Номер слоя увеличивается мере удаления его от ядра. Номер уровня соответствует главному квантовому числу n.
В одном слое электроны могут двигаться по разным траекториям. Траекторию орбиты характеризует электронный подуровень. Тип подуровня характеризует орбитальное квантовое число l = 0,1, 2, 3 …, либо соответствующие буквы — s, p, d, g и др.
В рамках одного подуровня (электронных орбиталей одного типа) возможны варианты расположения орбиталей в пространстве. Чем сложнее геометрия орбиталей данного подуровня, тем больше вариантов их расположения в пространстве. Общее число орбиталей подуровня данного типа l можно определить по формуле: 2l+1. На каждой орбитали может находиться не более двух электронов.
| Тип орбитали | s | p | d | f | g |
| Значение орбитального квантового числа l | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| Число атомных орбиталей данного типа 2l +1 | 1 | 3 | 5 | 7 | 9 |
| Максимальное количество электронов на орбиталях данного типа | 2 | 6 | 10 | 14 | 18 |
Получаем сводную таблицу:
| Номер уровня, n | Подуровень | Число АО | Максимальное количество электронов |
| 1 | 1s | 1 | 2 |
| 2 | 2s | 1 | 2 |
| 2p | 3 | 6 | |
| 3 | 3s | 1 | 2 |
| 3p | 3 | 6 | |
| 3d | 5 | 10 | |
| 4 | 4s | 1 | 2 |
| 4p | 3 | 6 | |
| 4d | 5 | 10 | |
| 4f | 7 | 14 |
Заполнение электронами энергетических орбиталей происходит согласно некоторым основным правилам. Давайте остановимся на них подробно.
Принцип Паули (запрет Паули):
на одной атомной орбитали могут находиться
не более двух электронов с противоположными спинами (спин — это квантовомеханическая характеристика движения электрона).
Правило
Хунда.
На атомных орбиталях с одинаковой энергией электроны располагаются по одному с параллельными спинами. Т.е. орбитали одного подуровня заполняются так:
сначала на каждую орбиталь распределяется по одному электрону. Только когда во всех орбиталях данного подуровня распределено по одному электрону, занимаем орбитали вторыми электронами, с противоположными спинами.
Таким образом, сумма спиновых квантовых чисел таких электронов на одном энергетическом подуровне (оболочке) будет максимальной.
Например, заполнение 2р-орбитали тремя электронами будет происходить так: , а не так:
Принцип минимума энергии.
Электроны заполняют сначала орбитали с наименьшей энергией. Энергия атомной орбитали эквивалентна сумме главного и орбитального квантовых чисел:
n
+
l
. Если сумма одинаковая, то заполняется первой та орбиталь, у которой меньше главное квантовое число
n
.
| АО | 1s | 2s | 2p | 3s | 3p | 3d | 4s | 4p | 4d | 4f | 5s | 5p | 5d | 5f | 5g |
| n | 1 | 2 | 2 | 3 | 3 | 3 | 4 | 4 | 4 | 4 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 |
| l | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 2 | 0 | 1 | 2 | 3 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| n + l | 1 | 2 | 3 | 3 | 4 | 5 | 4 | 5 | 6 | 7 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
Таким образом, энергетический ряд орбиталей
выглядит так:
1s
< 2s< 2p< 3s< 3p< 4s< 3d< 4p< 5s< 4d< 5p< 6s< 4f~5d< 6p< 7s<5f~6d …
Электронную структуру атома можно представлять в разных формах — энергетическая диаграмма, электронная формула и др. Разберем основные.
Энергетическая диаграмма атома — это схематическое изображение орбиталей с учетом их энергии. Диаграмма показывает расположение электронов на энергетических уровнях и подуровнях. Заполнение орбиталей происходит согласно квантовым принципам.
Например, энергетическая диаграмма для атома углерода:
Электронная формула — это запись распределения электронов по орбиталям атома или иона. Сначала указывается номер уровня, затем тип орбитали. Верхний индекс справа от буквы показывает число электронов на орбитали. Орбитали указываются в порядке заполнения. Запись 1s2 означает, что на 1 уровне s-подуровне расположено 2 электрона.
Например, электронная формула углерода выглядит так: 1s22s22p2.
Для краткости записи, вместо энергетических орбиталей, полностью заполненных электронами, иногда используют символ ближайшего благородного газа (элемента VIIIА группы), имеющего соответствующую электронную конфигурацию.
Например, электронную формулу азота можно записать так: 1s22s22p3 или так: [He]2s22p3.
1s2 = [He]
1s22s22p6 = [Ne]
1s22s22p63s23p6 = [Ar] и так далее.
Основное и возбужденное состояние атома
Электронные формулы, которые мы составляли до этого, соответствуют основному энергетическому состоянию атома. Это наиболее выгодное энергетически состояние атома.
Однако, чтобы образовывать химические связи, атому в большинстве ситуаций необходимо наличие неспаренных (одиночных) электронов. А химические связи энергетически очень для атома выгодны. Следовательно, чем больше в атоме неспаренных электронов — тем больше связей он может образовать, и, как следствие, перейдёт в более выгодное энергетическое состояние.
Поэтому при наличии свободных энергетических орбиталей на данном уровне спаренные пары электронов могут распариваться, и один из электронов спаренной пары может переходить на вакантную орбиталь. Таким образом число неспаренных электронов увеличивается, и атом может образовать больше химических связей, что очень выгодно с точки зрения энергии. Такое состояние атома называют возбуждённым и обозначают звёздочкой.
Например, в основном состоянии бор имеет следующую конфигурацию энергетического уровня:
+5B 1s22s22p1 1s 2s 2p
На втором уровне (внешнем) одна спаренная электронная пара, один одиночный электрон и пара свободных (вакантных) орбиталей. Следовательно, есть возможность для перехода электрона из пары на вакантную орбиталь, получаем возбуждённое состояние атома бора (обозначается звёздочкой):
+5B* 1s22s12p2 1s 2s 2p
Попробуйте самостоятельно составить электронную формулу, соответствующую возбуждённому состоянию атомов. Не забываем проверять себя по ответам!
15. Углерода
16. Бериллия
17. Кислорода
Ядро строение функция
Ядро строение функция
Ядро клетки — важнейшая её органелла, место хранения и воспроизведения наследственной информации. Это мембранная структура, занимающая 10-40 % клетки, функции которой очень важны для жизнедеятельности эукариотов. Однако даже без наличия ядра|ядра реализация наследственной информации возможна. Примером данного процесса является жизнедеятельность бактериальных клеток. Тем не менее особенности строения ядра|ядра и его предназначение очень важны для многоклеточного организма.
Расположение ядра|ядра в клетке и его структура
Ядро располагается в толще цитоплазмы и непосредственно контактирует с шероховатой и гладкой эндоплазматической сетью. Оно окружено двумя мембранами, между которыми находится перинуклеарное пространство. Внутри ядра|ядра присутствует матрикс, хроматин и некоторое количество ядрышек.
Некоторые зрелые человеческие клетки не имеют ядра|ядра, а другие функционируют в условиях сильного угнетения его деятельности. В общем виде строение ядра|ядра (схема) представлено как ядерная полость, ограниченная кариолеммой от клетки, содержащая хроматин и ядрышки, фиксированные в нуклеоплазме ядерным матриксом.
Строение кариолеммы
Для удобства изучения клетки ядра|ядра, последнее следует воспринимать как пузырьки, ограниченные оболочками от других пузырьков. Ядро — это пузырёк с наследственной информацией, находящийся в толще клетки. От её цитоплазмы он ограждается бислойной липидной оболочкой. Строение оболочки ядра|ядра похожее на клеточную мембрану. В действительности их отличает только название и количество слоёв. Без всего этого они являются одинаковыми по строению и функциям.
Строение кариолеммы (ядерной мембраны) двуслойное: она состоит из двух липидных слоёв. Наружный билипидный слой кариолеммы непосредственно контактирует с шероховатым ретикулумом эндоплазмы клетки. Внутренняя кариолемма — с содержимым ядра|ядра. Между наружной и внутренней кариомембраной существует перинуклеарное пространство. Видимо, оно образовалось из-за электростатических явления — отталкивания участков глицериновых остатков.
Функцией ядерной мембраны является создание механического барьера, разделяющего ядро и цитоплазму. Внутренняя мембрана ядра|ядра служит местом фиксации ядерного матрикса — цепи белковых молекул, которые поддерживают объёмную структуру. В двух ядерных мембранах существуют специальные поры|поры: через них в цитоплазму к рибосомам выходит информационная РНК. В самой|самой толще ядра|ядра находятся несколько ядрышек и хроматин.
Внутреннее строение нуклеоплазмы
Особенности строения ядра|ядра позволяют сравнить его с самой|самой клеткой. Внутри ядра|ядра также присутствует особая среда (нуклеоплазма), представленная гель-золем, коллоидным раствором белков. Внутри неё есть нуклеоскелет (матрикс), представленный фибриллярными белками|белками. Основное отличие состоит только в том, что в ядре присутствуют преимущественно кислые белки|белки. Видимо, такая реакция среды|среды нужна для сохранения химических свойств нуклеиновых кислот и протекания биохимических реакций.
Ядрышко
Строение клеточного ядра|ядра не может быть завершённым без ядрышка. Им является спирализованная рибосомальная РНК, которая находится в стадии созревания. Позднее|Позднее из неё получится рибосома — органелла, необходимая для белкового синтеза. В структуре ядрышка выделяют два компонента: фибриллярный и глобулярный. Они различаются только при электронной микроскопии и не имеют своих мембран.
Фибриллярный компонент находится в центре ядрышка. Он представляет собой нити РНК рибосомального типа, из которых будут собираться рибосомные субъединицы. Если рассматривать ядро (строение и функции), то очевидно, что из них впоследствии будет образован гранулярный компонент. Это те же созревающие рибосомальные субъединицы, которые находятся на более поздних стадиях своего развития. Из них вскоре образуются рибосомы. Они удаляются из нуклеоплазмы через ядерные поры|поры кариолеммы и попадают|попадают на мембрану шероховатой эндоплазматической сети.
Хроматин и хромосомы
Строение и функции ядра|ядра клетки органично связаны: здесь присутствует только те структуры, которые нужны для хранения и воспроизведения наследственной информации. Также существует кариоскелет (матрикс ядра|ядра), функцией которого является поддержание формы органеллы. Однако самой|самой важной составляющей ядра|ядра является хроматин. Это хромосомы, играющие роль картотек различных групп генов.
Хроматин представляет собой сложный белок|белок, который состоит из полипетида четвертичной структуры, соединённого с нуклеиновой кислотой (РНК или ДНК). В плазмидах бактерий хроматин также присутствует. Почти четверть от всего веса|веса хроматина составляют гистоны — белки|белки, ответственные за «упаковку» наследственной информации. Эту особенность структуры изучает биохимия и биология. Строение ядра|ядра сложное как раз из-за хроматина и наличия процессов, чередующих его спирализацию и деспирализацию.
Наличие гистонов даёт возможность уплотнять и укомплектовать нить ДНК в небольшом месте — в ядре клетки. Это происходит следующим образом: гистоны образуют нуклеосомы, которые представляю собой структуру наподобие бус. Н2В, Н3, Н2А и Н4 — это главные гистоновые белки|белки. Нуклеосома образована четырьмя парами|парами каждого из представленных гистонов. При этом гистон Н1 является линкерным: он связан с ДНК в месте е входа в нуклеосому. Упаковка ДНК происходит в результате «наматывания» линейной молекулы на 8 белков гистоновой структуры.
Строение ядра|ядра, схема которого представлена выше, предполагает наличие соленоидподобной структуры ДНК, укомплектованной на гистонах. Толщина данного конгломерата составляет порядка 30 нм. При этом структура может уплотняться и далее, чтобы занимать меньше места|места и менее подвергаться механическим повреждениям, неизбежно возникающим в процессе жизни клетки.
Фракции хроматина
Структура, строение и функции ядра|ядра клетки зациклены на том, чтобы поддерживать динамические процессы спирализации и деспирализации хроматина. Потому существует две главные его фракции: сильно спирализованная (гетерохроматин) и малоспирализованная (эухроматин). Они разделены как структурно, так и функционально. В гетерохроматине ДНК хорошо защищена от любых воздействий и не может транскрибироваться. Эухроматин защищён слабее, однако гены могут удваиваться для синтеза белка|белка. Чаще всего участки гетерохроматина и эухроматина чередуются на протяжении длины|длины всей хромосомы.
Хромосомы
Клеточное ядро, строение и функции которого описываются в данной публикации, содержит хромосомы. Это сложный и компактно упакованный хроматин, увидеть который можно при световой микроскопии. Однако это возможно только в случае, если на предметном стекле расположена клетка в стадии митотического или мейотического деления. Одним их этапов является спирализация хроматина с образованием хромосом. Их структура предельно проста: хромосома имеет теломеру и два плеча. У каждого многоклеточного организма одного вида одинаковое строение ядра|ядра. Таблица хромосомного набора у него также аналогичная.
Реализация функций ядра|ядра
Основные особенности строения ядра|ядра связаны с выполнением некоторых функций и необходимостью их контроля. Ядро играет роль хранилища наследственной информации, то есть это своего рода|рода картотека с записанными последовательностями аминокислот всех белков, которые могут синтезироваться в клетке. Значит, для выполнения какой-либо функции клетка должна синтезировать белок|белок, структура которого закодирована в гене.
Чтобы ядро «понимало», какой конкретно белок|белок нужно синтезировать в нужный час, существует система наружных (мембранных) и внутренних рецепторов. Информация от них поступает к ядру посредством молекулярных передатчиков. Наиболее часто это реализуется посредством аденилатциклазного механизма. Так на клетку воздействуют гормоны (адреналин, норадреналин) и некоторые лекарства с гидрофильной структурой.
Вторым механизмом передачи информации является внутренний. Он свойственен липофильным молекулам — кортикостероидам. Это вещество проникает через билипидную мембрану клетки и направляется к ядру, где взаимодействует с его рецептором. В результате активации рецепторных комплексов, расположенных на клеточной мембране (аденилатциклазный механизм) или на кариолемме, запускается реакция активации определённого гена. Он реплицируется, на его основании строится информационная РНК. Позднее|Позднее по структуре последней синтезируется белок|белок, выполняющий некоторую функцию.
Ядро многоклеточных организмов
В многоклеточном организме особенности строения ядра|ядра такие же, как и в одноклеточном. Хотя существуют некоторые нюансы. Во-первых, многоклеточность подразумевает, что у ряда клеток будет выделена своя специфическая функция (или несколько). Это значит, что некоторые гены постоянно будут деспирализованы, тогда как другие находятся в неактивном состоянии.
К примеру, в клетках жировой ткани синтез белков будет идти малоактивно, а потому большая|большая часть хроматина спирализована. А в клетках, к примеру, экзокринной части поджелудочной железы, процессы биосинтеза белка|белка идут постоянно. Потому их хроматин деспирализован. На тех участках, гены которых реплицируются чаще всего. При этом важна ключевая особенность: хромосомный набор всех клеток одного организма одинаков. Только из-за дифференциации функций в тканях некоторые из них выключаются из работы, а другие деспирализуются чаще прочих.
Безъядерные клетки организма
Существуют клетки, особенности строения ядра|ядра которых могут не рассматриваться, потому как они в результате своей жизнедеятельности либо угнетают его функцию, либо вовсе избавляются от него. Простейший пример — эритроциты. Это кровяные клетки, ядро у которых присутствует только на ранних стадиях развития, когда синтезируется гемоглобин. Как только его количества достаточно для переноса кислорода, ядро удаляется из клетки, дабы облегчить её не мешать транспорту кислорода.
В общем виде эритроцит представляет собой цитоплазматический мешок, наполненный гемоглобином. Похожая структура характерна|характерна и для жировых клеток. Строение клеточного ядра|ядра адипоцитов предельно упрощено, оно уменьшается и смещается к мембране, а процессы белкового синтеза максимально угнетаются. Эти клетки также напоминают «мешки», наполненные жиром, хотя, разумеется, разнообразие биохимических реакций в них чуть большее, чем в эритроцитах. Тромбоциты также не имеют ядра|ядра, однако их не стоит|стоит считать полноценными клетками. Это осколки клеток, необходимые для реализации процессов гемостаза.
Этот сайт использует cookie для хранения данных. Продолжая использовать сайт, Вы даете свое согласие на работу с этими файлами.
Adblock detector
