Атом водорода имеет только один электрон. В основном (невозбуждённом) состоянии этот единственный электрон характеризуется следующим набором из четырёх квантовых чисел:

n = 1; l = 0; ml = 0; ms = + ½.

При возбуждении атома водорода электрон может переходить на уровни с большей энергией, для которых главное квантовое число равно 2, 3, 4, 5 и т.д.

Для наглядного представления электронной структуры атома или другими словами заселенности орбиталей электронами, каждую атомную орбиталь условно изображают в виде квантовой ячейки (см. Рис 2.1.) энергетическое состояние которой характеризуется тремя квантовыми числами n, l, ml.

Ячейка является символическим изображением орбитали. Электрон в квантовой ячейке условно изображают в виде стрелки, направление которой указывает значение спинового квантового числа. Стрелкой вида ↑ условно обозначают электрон со спиновым квантовым числом ms = + ½, а стрелка ↓ обозначает электрон c ms= - ½. Квантовая ячейка может быть свободной, занятой одним или двумя электронами. Причем в последнем случае оба электрона характеризуются противоположными (антипараллельными) спинами.

Возможные состояния электрона в атоме водорода приведены на рисунке

2... для первых четырех значений главного квантового числа. В пределах одного и того же электронного слоя (при одном и том значении главного квантового числа n) s-, p-, d- и f-электронные состояния атома водорода имеют одинаковую энергию, т.е. говорят, что они вырождены.

Каталитические процессы известны издревле. По-видимому, ещё в доисто­рические времена использовали брожение — превращение глюкозы в спирт и углекислый газ под действи­ем биологических катализаторов — ферментов, которые содержатся в дрожжах. Створаживание молока для получения сыра в присутствии фер­ментов сычуга (отдел желудка у тра­воядных животных), применение ферментов солода или плесневых грибов для получения сахаристых веществ из крахмалистого сырья, ис­пользование заквасок при выпечке хлеба — все эти процессы почти ро­весники человеческой цивилизации. Но, проводя столь сложные превра­щения, люди и понятия не имели о сущности того, что они делали.

Лишь в начале XIX в. катализ нача­ли выделять из прочих химических явлений. В 1806 г. было обнаружено, что окисление диоксида серы SO₂ происходит гораздо быстрее в при­сутствии диоксида азота NO₂. В 1811г. русский химик Константин Сигизмундович Кирхгоф выявил ускоряю­щее влияние кислот на гидролиз крах­мала. А в 1817г. Гемфри Дэви провёл окисление водорода, угарного газа и метана на платиновой проволоке, и реакция протекала при комнатной температуре! В 1821 г. немецкий хи­мик Иоганн Вольфганг Дёберейнер (1780—1849) обнаружил каталити­ческое окисление винного спирта в уксусную кислоту в присутствии мел­кораздробленной платины.

В 1831 г. Герман Иванович Гесс в статье «О свойстве весьма мел­ко раздробленной платины способствовать соединению кислоро­да с водородом и о плотности платины» описал катализ как фи­зико-химическое влияние постороннего агента на реакцию. Ученик Гесса Алексей Иванович Ходнев (1818—1883) видел в ка­тализе результат «сгущения» реагентов на поверхности катали­затора с выделением тепла. Николай Николаевич Зинин в 1841 г. отмечал, что «в самом изменяющем теле должен совершаться про­цесс разложения, чтобы произвести действие» на реагенты. По-видимому, это первое опровержение неизменности катализато­ра в ходе химического взаимодействия.

Дмитрий Иванович Менделеев в 1885—1886 гг. предполагал, что первой стадией катализа служит адсорбция исходных веществ на поверхности гетерогенного катализатора или «касание» час­тиц реагента и катализатора в гомогенном катализе. Затем под влиянием катализатора происходит деформация (изменение, ис­кажение формы) молекул реагентов, а создающееся при этом напряжение ведёт к химической реакции. Как и Зинин, Мен­делеев указывал на возможность измене­ния катализатора за счёт энергии самой реакции. Многие из его идей были забы­ты, но впоследствии «открыты» заново.

В чём же секрет этих замечательных веществ — катализаторов? Давайте разберёмся, почему сахар и другие органические вещества самопроиз­вольно не превращаются в углекис­лый газ и воду — гораздо более энер­гетически выгодные (говорят ещё «термодинамически устойчивые») со­единения. Разве это не удивительно? Ведь если положить, скажем, шарик на вершину горки, он тут же займёт более энергетически выгодное поло­жение — скатится вниз. Если же его оградить барьером, он скатиться не сможет. Чтобы оказаться внизу и тем самым уменьшить свою потенци­альную энергию, шарику нужно пре­одолеть барьер, а для этого необхо­дима дополнительная энергия.

В отсутствие катализатора сахар лишь обугливается. При внесении табачного пепла можно наблюдать горение сахара.

Вы когда-нибудь пробовали поджечь сахар? Казалось бы, сильно экзотер­мическая реакция С₁₂Н₂₂О₁₁+12О₂=12СО₂+11Н₂О должна идти легко. Не тут-то было —- при сильном нагре­ве сахар плавится, приобретает ко­ричневую окраску и запах карамели, но не загорается. И всё же сжечь са­хар можно. Для этого надо посыпать его табачным пеплом и внести в пла­мя — тогда сахар загорится. Такое же воздействие на эту реакцию оказыва­ют и некоторые другие вещества, на­пример соли лития или оксид хрома (III).

В 1798 г. английский экономист Томас Мальтус издал книгу «Опыт о народона­селении», где изложил свою знаменитую теорию: численность населения Земли имеет тенденцию возрастать в геомет­рической прогрессии, в то время как средства к существованию увеличивают­ся только в арифметической. Из этой теории следовало, что в будущем чело­вечеству грозит голод. Подобный вывод подтвердил столетием позже английский учёный Томас Гексли, друг Чарлза Дар­вина и пропагандист его учения.

Чтобы избежать «голодной смерти», людям предстояло резко увеличить уро­жайность, а для этого надо было улуч­шить питание растений. Вероятно, пер­вый опыт в данном направлении провёл в начале 30-х гг. XVII в. один из круп­нейших учёных своего времени, нидер­ландский врач и алхимик Ян Баптист ван Гельмонт. Он взял 200 фунтов (около 80 кг) сухой земли, насыпал в большой горшок, посадил ветку ивы и принялся усердно поливать её дожде­вой водой. Ветка пустила корни и нача­ла расти, превращаясь постепенно в де­ревце. Опыт продолжался пять лет. За это время растение прибавило в массе 164 фунта 3 унции (около 66 кг), тогда как земля «похудела» всего на 3 унции, т. е. меньше чем на 100 г. Значит, рас­тения берут питательные вещества толь­ко из воды, решил ван Гельмонт.

Последующие исследования это вроде бы опровергли. Поскольку в во­де нет углерода, который составляет ос­новную массу растений, выходило, что они «питаются воздухом», поглощая из него углекислый газ. Последний, кстати, как раз открыл ван Гельмонт и назвал «лесным воздухом» — совсем не потому, что его много в лесах, а из-за того, что образуется он при горении древесного угля...

Учёные обнаружили, что ДНК неко­торых вирусов кодирует больше белков, чем это позволяет общее количество нуклеотидов. Напри­мер, в ДНК одного вируса зашиф­ровано белков на 2000 аминокис­лот, а нуклеотидов у него всего 5375, т. е. не хватает более 600 нук­леотидов.

Оказывается, одна и та же по­следовательность нуклеотидов мо­жет кодировать сразу несколько белков. Ведь разбить её на нуклеотидные тройки можно разными спо­собами. Точно так же с помощью одной последовательности букв можно записать части двух совершенно разных фраз. В подобных случаях говорят, что у таких виру­сов перекрывающиеся гены. У виру­сов молекулы ДНК самые маленькие, и, используя такой хитрый при­ём, как перекрывающиеся гены, они экономят в своих ДНК место для за­писи генетической информации.

Одна последовательность букв используется для записи частей двух разных фраз.

Одна последовательность нуклеотидов кодирует две разные последовательности аминокислот.

Молекулы, входящие в состав рибосомы, обладают «памятью». Ес­ли смешать отдельные компоненты каждой части рибосомы (мо­лекулы РНК и белки), то они сами соберутся в готовую половин­ку частицы-«завода». А значит, все сведения о строении рибосомы заключены в структуре её компонентов. Этот интересный факт учёные обнаружили в 1968 г. Принято говорить, что образова­ние рибосомы представляет собой процесс самосборки.

В пространстве «клеверный лист» транс­портной РНК сложен в более компактную структуру. В результате молекула приобре­тает вид конструкции, состоящей из двух

взаимно перпендикулярных частей. Она напоминает букву «Г» ки­риллицы или латинскую «L». Принято говорить, что у молекулы транспортной РНК L-структура. На одном её конце расположена петля, отвечающая за понимание нуклеотидного языка (петля с ан­тикодоном). Другой конец этой структуры предназначен для свя­зывания аминокислот.

Некоторые вирусы хранят свою наследственную информацию не в ДНК, а в РНК. У них есть специальный фермент, который умеет делать ДНК-копии молекулы РНК. Такая процедура противоположна переписыванию из ДНК в РНК (транскрипции), поэтому фермент получил название «об­ратная транскриптаза». Вместе с РНК фермент проникает в заражённую клетку и там переделывает РНК в ДНК. Получившаяся ДНК тоже обла­дает всеми генетическими сведениями о вирусе, но, в отличие от РНК, может размножаться вместе с заражённой клеткой. К РНК-вирусам от­носится, например, вирус СПИДа.

Во многих генах высших организмов последова­тельности нуклеотидов, кодирующие аминокислоты, чередуются с некодирующими. Кодирующие последо­вательности называются экзонами, а некодирующие — нитронами (см. дополнительный очерк «Самая загадоч­ная молекула»). После переписывания наследственной информации из ДНК в РНК получается «сырой про­дукт» — молекула РНК, в которой также вперемежку расположены экзоны и интроны. Чтобы с такой РНК была считана правильная аминокислотная последова­тельность, из неё необходимо «вырезать» всё ненуж­ное, т. е. интроны, а оставшиеся экзоны «склеить» друг с другом. Иными словами, РНК нуждается в дальней­шей обработке или, как говорят биохимики, созрева­нии. Так и происходит на самом деле. В клетках выс­ших организмов «сырая» РНК разрезается на более короткие кусочки, а потом некоторые из них склеива­ются между собой.

В большинстве случаев в процессе разрезания-склеивания принимают участие целые молекулярные комплексы, состоящие из небольших молекул РНК и белков. Они играют роль ферментов, которые ускоря­ют и контролируют правильное протекание химических реакций, сопровождающих созревание матричной РНК. Но некоторые интроны вырезаются без всякой по­сторонней помощи. Учёные пришли к заключению, что в таких случаях интрон сам выступает в роли фермен­та, отвечающего за собственное удаление из РНК и склеивание двух обрамлявших его экзонов. Это совер­шенно потрясающее явление природы, поскольку ферментативную активность здесь проявляет не белок, а молекула РНК!

Помимо разрезания-склеивания молекулы РНК выс­ших организмов претерпевают и другие химические из­менения в ходе созревания. Только после такой обра­ботки появляется «зрелая» матричная РНК, с которой может работать рибосома. По этой причине, в отличие от своих «коллег» в низших организмах, рибосомы эукариот не могут начать производство белков, пока не за­вершится переписывание из ДНК в РНК: они вынужде­ны ждать созревания матричной РНК.

Австрийский философ Филипп Франк как-то заметил: «Наука похожа на де­тективный рассказ». Пожалуй, в рабо­те сыщика и учёного действительно много общего. В 1961 г. французские учёные Франсуа Жакоб (родился в 1920 г.) и Жак Моно (1910—1976) предположили, что между ДНК и бел­ком существует посредник. Ведь в клетках высших организмов почти вся ДНК находится в ядре, а образова­ние (синтез) новых белков происхо­дит в цитоплазме. То есть гены, коди­рующие белки, и место синтеза этих белков разделены в пространстве! Зна­чит, некий посредник должен достав­лять информацию, зашифрованную в генах, к месту синтеза белков. С другой стороны, раньше уже было известно, что как раз в таких местах в клетке присутствует ещё одна полимерная молекула - - РНК (рибонуклеиновая кислота). Более того, именно эта мо­лекула входит в состав маленьких час­тиц, на которых происходит синтез белка. Ответ напрашивался сам собой: РНК и есть искомый посредник.