Informacja

Rozdział 3: Podstawy chemii biologicznej - biologia

Rozdział 3: Podstawy chemii biologicznej - biologia



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

›››

Rysunek 1. Atomy są budulcem cząsteczek znajdujących się we wszechświecie — powietrzu, glebie, wodzie, skałach — a także komórkami wszystkich żywych organizmów. W tym modelu cząsteczki organicznej atomy węgla (czarny), wodoru (biały), azotu (niebieski), tlenu (czerwony) i siarki (żółty) są pokazane w proporcjonalnej wielkości atomowej. Srebrne pręciki reprezentują wiązania chemiczne. (kredyt: modyfikacja pracy Christiana Guthiera)

Struktura atomu

jakiś atom jest najmniejszą jednostką materii, która zachowuje wszystkie właściwości chemiczne pierwiastka. Elementy są formami materii o określonych właściwościach chemicznych i fizycznych, których nie można rozłożyć na mniejsze substancje w zwykłych reakcjach chemicznych.

Chemia omawiana w BIS2A wymaga od nas zastosowania modelu atomu. Chociaż istnieją bardziej wyrafinowane modele, model atomowy użyty w tym kursie zakłada upraszczające założenie, że standardowy atom składa się z trzech cząstek subatomowych, proton, ten neutron, a elektron. Protony i neutrony mają masę około jednej jednostki masy atomowej (a.m.u.). Jedna jednostka masy atomowej to około 1.660538921 x 10-27kg — około 1/12 masy atomu węgla (bardziej dokładna wartość znajduje się w tabeli poniżej). Masa elektronu wynosi 0,000548597 a.m. lub 9,1 x 10-31kg. Neutrony i protony znajdują się w centrum atomu w regionie zwanym jądro podczas gdy elektrony krążą wokół jądra w strefach zwanych orbitale, jak pokazano poniżej. Jedynym wyjątkiem od tego opisu jest atom wodoru (H), który składa się z jednego protonu i jednego elektronu bez neutronów. Atom jest przypisany i Liczba atomowa na podstawie liczby protonów w jądrze. Na przykład obojętny węgiel (C) ma sześć neutronów, sześć protonów i sześć elektronów. Ma liczbę atomową sześć i masę nieco ponad 12 rano.

Tabela 1. Ładunek, masa i lokalizacja cząstek subatomowych

Protony, neutrony i elektrony
OpłataMsza (j.m.)Masa (kg)Lokalizacja
Proton+1~11,6726 x 10-27jądro
Neutron0~11,6749 x 10-27jądro
Elektron–1~09.1094 x 10-31orbitale

Tabela 1 przedstawia ładunek i położenie trzech cząstek subatomowych — neutronu, protonu i elektronu. Jednostka masy atomowej = a.m.u. (alias Dalton [Da]) – definiuje się to jako około jedną dwunastą masy obojętnego atomu węgla lub 1.660538921 x 10−27 kg. Jest to z grubsza masa protonu lub neutronu.

Rysunek 2. Pierwiastki, takie jak przedstawiony tutaj hel, składają się z atomów. Atomy składają się z protonów i neutronów znajdujących się w jądrze oraz elektronów otaczających jądro w obszarach zwanych orbitalami. (Uwaga: ta figura przedstawia model Bohra dla atomu — moglibyśmy użyć nowej figury o otwartym kodzie źródłowym, która przedstawia bardziej nowoczesny model orbitali. Jeśli ktoś go znajdzie, prześlij go dalej.)
Źródło: (https://commons.wikimedia.org/wiki/F...um_atom_QM.svg)
Według użytkownika: Yzmo (Praca własna) [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) lub CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/ 3.0/)], przez Wikimedia Commons

Względne rozmiary i rozkład elementów

Typowy atom ma promień od jednego do dwóch angstremów (Å). 1Å = 1 x 10-10m. Typowe jądro ma promień 1 x 10-5Å lub 10 000 mniejsze niż promień całego atomu. Analogicznie, typowa duża piłka do ćwiczeń ma promień 0,85m. Gdyby to był atom, jądro miałoby promień około 1/2 do 1/10 twojego najcieńszego włosa. Całą tę dodatkową objętość zajmują elektrony w obszarach zwanych orbitale. W przypadku idealnego atomu orbitale są probabilistycznie zdefiniowanymi obszarami w przestrzeni wokół jądra, w których można oczekiwać, że znajdzie się elektron.

Aby uzyskać dodatkowe podstawowe informacje o strukturze atomowej, kliknij tutaj.
Dodatkowe podstawowe informacje na temat orbitali znajdziesz tutaj.

Klipy wideo

Aby zapoznać się z przeglądem struktury atomowej, obejrzyj ten film na Youtube: struktura atomowa.

Właściwości materiałów ożywionych i nieożywionych są w dużej mierze zdeterminowane przez skład i organizację ich elementów składowych. Pięć pierwiastków jest wspólnych dla wszystkich żywych organizmów: tlen (O), węgiel (C), wodór (H), fosfor (P) i azot (N). Inne pierwiastki, takie jak siarka (S), wapń (Ca), chlorek (Cl), sód (Na), żelazo (Fe), kobalt (Co), magnez, potas (K) i kilka innych pierwiastków śladowych są również niezbędne do życia , ale zazwyczaj występują w znacznie mniejszej liczbie niż „najlepsza piątka” wymieniona powyżej. W konsekwencji chemia życia — a co za tym idzie chemia istotna w BIS2A — w dużej mierze skupia się na wspólnych układach i reakcjach między „piątką” atomów rdzenia biologii.

Rysunek 3. Stół ilustrujący bogactwo pierwiastków w ludzkim ciele. Wykres kołowy ilustrujący obfitość relacji między czterema najczęstszymi elementami.
Źródło: dane z Wikipedii (http://en.wikipedia.org/wiki/Abundan...mical_elements); wykres stworzony przez Marca T. Facciotti

Tabela okresowa

Poszczególne elementy są zorganizowane i wyświetlane w układ okresowy pierwiastków. Opracowana przez rosyjskiego chemika Dmitrija Mendelejewa (1834-1907) w 1869 roku, tabela grupuje pierwiastki, które ze względu na pewne podobieństwa ich budowy atomowej mają pewne właściwości chemiczne. Struktura atomowa pierwiastków jest odpowiedzialna za ich właściwości fizyczne, w tym za to, czy istnieją jako gazy, ciała stałe lub ciecze w określonych warunkach i ich reaktywność chemiczna, termin, który odnosi się do ich zdolności do łączenia się i wiązania chemicznego ze sobą i innymi elementami.

W układzie okresowym pierwiastków, pokazanym poniżej, pierwiastki są uporządkowane i wyświetlane zgodnie z ich liczbą atomową i są ułożone w szereg rzędów i kolumn w oparciu o wspólne właściwości chemiczne i fizyczne. Oprócz podania liczby atomowej dla każdego pierwiastka, układ okresowy wyświetla również masę atomową pierwiastka. Na przykład patrząc na węgiel pojawia się jego symbol (C) i nazwa, a także jego liczba atomowa sześć (w prawym górnym rogu wskazująca liczbę protonów w neutralnym jądrze) i masa atomowa 12,11 (suma masy elektronów, protonów i neutronów).

Postać: Układ okresowy pokazuje masę atomową i liczbę atomową każdego pierwiastka. Liczba atomowa pojawia się nad symbolem pierwiastka, a przybliżona masa atomowa pojawia się po lewej stronie.
Źródło: Do ​​2012rc (wykonane samodzielnie przy użyciu inkscape) [domena publiczna], za pośrednictwem Wikimedia Commons Zmodyfikowane przez Marc T. Facciotti - 2016

Elektroujemność

Cząsteczki to zbiory atomów, które są połączone ze sobą wiązaniami. Rozsądne jest oczekiwanie – i przypadek empiryczny – że różne atomy będą wykazywać różne właściwości fizyczne, w tym zdolność do interakcji z innymi atomami. Jedną z takich właściwości, skłonność atomu do przyciągania elektronów, opisuje pojęcie chemiczne i termin elektroujemność. Chociaż opracowano kilka metod pomiaru elektroujemności, najczęściej uczy się biologów metoda opracowana przez Linusa Paulinga.

Opis sposobu obliczania elektroujemności Paulinga wykracza poza zakres BIS2A. Ważne jest jednak, aby wiedzieć, że wartości elektroujemności zostały określone eksperymentalnie i/lub teoretycznie dla prawie wszystkich pierwiastków w układzie okresowym. Wartości są bez jednostek i są podane w odniesieniu do standardowego odniesienia, wodoru, którego elektroujemność wynosi 2,20. Im większa wartość elektroujemności, tym większa skłonność atomu do przyciągania elektronów. Korzystając z tej skali, można ilościowo porównać elektroujemność różnych atomów. Na przykład, korzystając z tabeli 1 poniżej, możesz zgłosić, że atomy tlenu są bardziej elektroujemne niż atomy fosforu.

Tabela 1. Wartości elektroujemności Paulinga dla wybranych pierwiastków istotnych dla BIS2A, jak również pierwiastków na dwóch skrajnościach (najwyższym i najniższym) skali elektroujemności.

Uznanie: Marc T. Facciotti (oryginalna praca)

Użyteczność skali elektroujemności Paulinga w BIS2A polega na zapewnieniu chemicznej podstawy do wyjaśnienia rodzajów wiązań, które tworzą się między powszechnie występującymi pierwiastkami w układach biologicznych, oraz do wyjaśnienia niektórych kluczowych interakcji, które obserwujemy rutynowo. Rozwijamy naszą wiedzę na temat argumentów opartych na elektroujemności dotyczących wiązań i interakcji molekularnych, porównując elektroujemności dwóch atomów. Przypomnijmy, im większa elektroujemność, tym silniejsze „przyciąganie” atomu na pobliskie elektrony.

Rozważmy na przykład wspólne oddziaływanie tlenu (O) i wodoru (H). Załóżmy, że O i H wchodzą w interakcje (tworzą wiązanie) i zapisz tę interakcję jako O-H, gdzie kreska między literami reprezentuje interakcję między dwoma atomami. Aby lepiej zrozumieć tę interakcję, możemy porównać względną elektroujemność każdego atomu. Analizując powyższą tabelę, widzimy, że O ma elektroujemność 3,44, a H ma elektroujemność 2,20.

Opierając się na koncepcji elektroujemności, jaką teraz rozumiemy, możemy przypuszczać, że atom tlenu (O) będzie miał tendencję do „odciągania” elektronów od wodoru (H), gdy wchodzą w interakcje. Spowoduje to powstanie niewielkiego, ale znaczącego ładunku ujemnego wokół atomu O (ze względu na wyższą tendencję elektronów do wiązania się z atomem O). Powoduje to również niewielki ładunek dodatni wokół atomu H (ze względu na zmniejszenie prawdopodobieństwa znalezienia w pobliżu elektronu). Ponieważ elektrony nie są równomiernie rozłożone między dwoma atomami iw konsekwencji ładunek elektryczny również nie jest równomiernie rozłożony, opisujemy tę interakcję lub wiązanie jako polarny. W efekcie działają dwa bieguny: biegun ujemny w pobliżu tlenu i biegun dodatni w pobliżu wodoru.

Aby rozszerzyć użyteczność tej koncepcji, możemy teraz zapytać, czym interakcja między tlenem (O) i wodorem (H) różni się od interakcji między siarką (S) i wodorem (H). Czym więc O-H różni się od S-H? Jeśli przyjrzymy się powyższej tabeli, zobaczymy, że różnica elektroujemności między O i H wynosi 1,24 (3,44 - 2,20 = 1,24), a różnica elektroujemności między S i H wynosi 0,38 (2,58 – 2,20 = 0,38). Możemy zatem stwierdzić, że wiązanie O-H jest bardziej polarne niż wiązanie S-H. Konsekwencje tych różnic omówimy w kolejnych rozdziałach.

Rysunek 2. Układ okresowy pierwiastków z elektroujemnościami każdego z wymienionych atomów.

Uznanie autorstwa: przez DMacks (https://en.wikipedia.org/wiki/Electronegativity) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], przez Wikimedia Commons

Badanie układu okresowego pierwiastków (rysunek 2) pokazuje, że elektroujemność jest związana z niektórymi właściwościami fizycznymi używanymi do uporządkowania pierwiastków w tabeli. Widoczne są pewne trendy. Na przykład atomy o największej elektroujemności zwykle znajdują się w prawym górnym rogu układu okresowego, takie jak fluor (F), tlen (O) i chlor (Cl), podczas gdy pierwiastki o najmniejszej elektroujemności zwykle znajdują się na drugim końcu tabeli, w lewym dolnym rogu, takie jak frans (Fr), cez (Cs) i rad (Ra).

Głównym zastosowaniem koncepcji elektroujemności w BIS2A będzie zatem zapewnienie podstaw koncepcyjnych do omówienia różnych typów wiązań chemicznych występujących między atomami w przyrodzie. Skupimy się przede wszystkim na trzech rodzajach obligacji: Wiązania jonowe, Wiązania kowalencyjne oraz Wiązania wodorowe.

Rodzaje obligacji

W BIS2A skupiamy się przede wszystkim na trzech różnych rodzajach obligacji: wiązania jonowe, wiązania kowalencyjne, oraz wiązania wodorowe. Oczekujemy, że studenci będą w stanie rozpoznać każdy rodzaj wiązania w modelach molekularnych. Ponadto, w przypadku powszechnie spotykanych wiązań w biologii, oczekujemy, że uczeń przedstawi wyjaśnienie chemiczne, zakorzenione w ideach takich jak elektroujemność, na temat tego, w jaki sposób te wiązania przyczyniają się do chemii cząsteczek biologicznych.

Wiązania jonowe

Wiązania jonowe to oddziaływania elektrostatyczne powstające między jonami o przeciwnych ładunkach. Na przykład większość z nas wie, że w chlorku sodu (NaCl) dodatnio naładowane jony sodu i ujemnie naładowane jony chlorku łączą się poprzez oddziaływania elektrostatyczne (+ przyciąga -), tworząc kryształy chlorku sodu lub soli kuchennej, tworząc krystaliczną cząsteczkę o zerowej sieci. opłata. Początki tych oddziaływań mogą wynikać z asocjacji neutralnych atomów, których różnica elektroujemności jest wystarczająco duża. Weź powyższy przykład. Jeśli wyobrazimy sobie, że obojętny atom sodu i obojętny atom chloru zbliżają się do siebie, możliwe jest, że w bliskiej odległości, ze względu na stosunkowo dużą różnicę elektroujemności między dwoma atomami, elektron z obojętnego atomu sodu zostanie przeniesiony do obojętny atom chloru, w wyniku czego powstaje ujemnie naładowany jon chlorkowy i dodatnio naładowany jon sodu. Jony te mogą teraz oddziaływać poprzez wiązanie jonowe.

Rysunek 1. Przedstawiono tworzenie wiązania jonowego między sodem a chlorem. Na panelu A wystarczająca różnica elektroujemności między sodem a chlorem indukuje przeniesienie elektronu z sodu do chloru, tworząc dwa jony, jak pokazano na panelu B. Na panelu C dwa jony łączą się poprzez oddziaływanie elektrostatyczne. Uznanie autorstwa: BruceBlaus (praca własna) [CC BY-SA 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], przez Wikimedia Commons

Ten ruch elektronów z jednego atomu do drugiego nazywa się przeniesieniem elektronów. W powyższym przykładzie, gdy sód traci elektron, ma teraz 11 protonów, 11 neutronów i 10 elektronów, co daje łączny ładunek +1 (sumując ładunki: 11 protonów o ładunku +1 i 10 elektronów o ładunku -1 opłata za każdy = +1). Po naładowaniu atom sodu jest określany jako jon sodu. Podobnie, w oparciu o swoją elektroujemność, atom obojętnego chloru (Cl) ma tendencję do pozyskiwania elektronu, aby wytworzyć jon z 17 protonami, 17 neutronami i 18 elektronami, nadając mu ujemny ładunek netto (–1). Jest teraz określany jako jon chlorkowy.

Powyższy transfer elektronu możemy zinterpretować za pomocą pojęcia elektroujemności. Zacznij od porównania elektroujemności sodu i chloru, badając układ okresowy pierwiastków poniżej. Widzimy, że chlor znajduje się w prawym górnym rogu tabeli, a sód w lewym górnym rogu. Porównując bezpośrednio wartości elektroujemności chloru i sodu, widzimy, że atom chloru jest bardziej elektroujemny niż sód. Różnica elektroujemności chloru (3,16) i sodu (0,93) wynosi 2,23 (przy użyciu skali w tabeli poniżej). Biorąc pod uwagę, że wiemy, że transfer elektronu będzie miał miejsce między tymi dwoma pierwiastkami, możemy wywnioskować, że różnice w elektroujemności ~2,2 są wystarczająco duże, aby spowodować przeniesienie elektronu między dwoma atomami i że interakcje między takimi pierwiastkami są prawdopodobnie za pośrednictwem wiązań jonowych.

Rysunek 2. Układ okresowy pierwiastków zawierający wartości elektroujemności dla każdego pierwiastka. Pierwiastki sodu i chloru są otoczone turkusową granicą. Uznanie autorstwa: przez DMacks (https://en.wikipedia.org/wiki/Electronegativity) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], przez Wikimedia CommonsZmodyfikowane przez Marca T. Facciotti

Uwaga: możliwa dyskusja

Atomy w cegle soli kuchennej o wymiarach 5 cali x 5 cali (NaCl) stojącej na kuchennym blacie są utrzymywane razem prawie całkowicie przez wiązania jonowe. W oparciu o tę obserwację, jak scharakteryzowałbyś siłę wiązań jonowych?

Rozważmy teraz tę samą cegłę soli kuchennej, która została wrzucona do przeciętnego basenu przydomowego. Po kilku godzinach cegła całkowicie się rozpuściła, a jony sodu i chloru byłyby równomiernie rozprowadzone po całym basenie. Jakie wnioski na temat siły wiązań jonowych możesz wyciągnąć z tej obserwacji?

Zaproponuj powód, dla którego wiązania jonowe NaCl w powietrzu mogą zachowywać się inaczej niż w wodzie? Jakie to ma znaczenie dla biologii?

Dodatkowe informacje:

Sprawdź link z Khan Academy na temat wiązań jonowych.

Wiązania kowalencyjne

Możemy również przywołać koncepcję elektroujemności, aby pomóc opisać interakcje między atomami, których różnice w elektroujemności są zbyt małe, aby atomy utworzyły wiązanie jonowe. Tego typu interakcje często skutkują wiązaniem zwanym wiązaniem kowalencyjnym. W tych wiązaniach elektrony są dzielone między dwa atomy - w przeciwieństwie do interakcji jonowej, w której elektrony pozostają na każdym atomie jonu lub są przenoszone między gatunkami, które mają bardzo różne elektroujemności.

Rozpoczynamy badanie wiązania kowalencyjnego od przyjrzenia się przykładowi, w którym różnica elektroujemności wynosi zero. Rozważ bardzo powszechną interakcję w biologii, interakcję między dwoma atomami węgla. W tym przypadku każdy atom ma taką samą elektroujemność 2,55; różnica w elektroujemności wynosi zatem zero. Jeśli zbudujemy nasz mentalny model tego oddziaływania wykorzystując koncepcję elektroujemności, zdamy sobie sprawę, że każdy atom węgla w parze węgiel-węgiel ma taką samą tendencję do „przyciągania” do siebie elektronów. W tym przypadku, gdy tworzy się wiązanie, żaden z dwóch atomów węgla nie będzie miał tendencji do „odciągania” (dobry antropomorfizm) elektronów od drugiego. Zamiast tego będą „dzielić” (kolejny antropomorfizm) elektrony po równo.

Na bok: przykład ograniczający

Dwa powyższe przykłady — (1) interakcja sodu i chloru oraz (2) interakcja między dwoma atomami węgla — tworzą dyskusję na podstawie analizy „ograniczającej” lub asymptotycznej (patrz wcześniejsza lektura). Zbadaliśmy, co dzieje się z systemem fizycznym, rozważając dwie skrajności. W tym przypadku skrajnościami były różnice elektroujemności między oddziałującymi atomami. Oddziaływanie sodu i chloru ilustruje, co się dzieje, gdy dwa atomy mają dużą różnicę elektroujemności, a przykład węgiel-węgiel ilustruje, co się dzieje, gdy różnica ta wynosi zero. Po utworzeniu tych mentalnych słupków celu opisujących, co dzieje się w skrajnościach, łatwiej jest wyobrazić sobie, co może się wydarzyć pomiędzy – w tym przypadku, co się dzieje, gdy różnica w elektroujemności wynosi od 0 do 2,2. Robimy to dalej.

Kiedy podział elektronów między dwoma kowalencyjnie związanymi atomami jest prawie równy, nazywamy te wiązania niepolarnymi wiązaniami kowalencyjnymi. Jeśli natomiast podział elektronów nie jest równy między dwoma atomami (prawdopodobnie z powodu różnicy elektroujemności między atomami), nazywamy te wiązania kowalencyjny polarny obligacje.

W kowalencyjny polarny wiązanie, elektrony są nierówno dzielone przez atomy i są przyciągane do jednego jądra bardziej niż do drugiego.Ze względu na nierówny rozkład elektronów między atomami w polarnym wiązaniu kowalencyjnym, na każdym biegunie wiązania powstaje ładunek lekko dodatni (wskazywany przez δ+) lub lekko ujemny (wskazywany przez δ–). Lekko dodatni (δ+) ładunek rozwinie się na mniej elektroujemnym atomie, ponieważ elektrony będą przyciągane bardziej w kierunku nieco bardziej elektroujemnego atomu. Lekko ujemny ładunek (δ–) rozwinie się na bardziej elektroujemnym atomie. Ponieważ istnieją dwa bieguny (biegun dodatni i ujemny), mówi się, że wiązanie posiada a dipol.

Przykłady niepolarnych wiązań kowalencyjnych i polarnych wiązań kowalencyjnych w biologicznie istotnych cząsteczkach

Niepolarne wiązania kowalencyjne

Tlen cząsteczkowy

Tlen cząsteczkowy (O2) powstaje z połączenia dwóch atomów tlenu. Ponieważ oba atomy mają tę samą elektroujemność, wiązania w tlenie cząsteczkowym są niepolarne kowalencyjne.

Metan

Innym przykładem niepolarnego wiązania kowalencyjnego jest wiązanie CH-H znajdujące się w gazie metanowym (CH4). W przeciwieństwie do tlenu cząsteczkowego, gdzie dwa związane atomy mają tę samą elektroujemność, węgiel i wodór nie mają takiej samej elektroujemności; C = 2,55 i H = 2,20 — różnica elektroujemności wynosi 0,35.

Rysunek 3. Rysunki liniowe molekularne tlenu cząsteczkowego, metanu i dwutlenku węgla. Uznanie: Marc T. Facciotti (praca własna)

Niektórzy z was mogą być teraz zdezorientowani. Jeśli istnieje różnica w elektroujemności między dwoma atomami, to czy wiązanie nie jest z definicji polarne? Odpowiedź brzmi zarówno tak, jak i nie i zależy od definicji bieguna, której używa mówca/pisarz. Ponieważ jest to przykład tego, jak używanie skrótów w użyciu określonego słownictwa może czasami prowadzić do zamieszania, poświęcimy chwilę, aby omówić to tutaj. Aby uzyskać wyjaśnienie, zobacz symulowaną wymianę między uczniem a instruktorem poniżej:

1. Instruktor: „W biologii często mówimy, że wiązanie C-H jest niepolarne”.

2. Student: „Ale istnieje różnica elektroujemności między C i H, więc wydaje się, że C powinien mieć nieco silniejszą tendencję do przyciągania elektronów. Ta różnica elektroujemności powinna wytworzyć mały, ujemny ładunek wokół węgla i mały, dodatni wokół wodoru."

3. Student: „Ponieważ istnieje zróżnicowany rozkład ładunku w wiązaniu, wydaje się, że z definicji należy to uznać za wiązanie polarne”.

4. Instruktor: „W rzeczywistości wiązanie ma niewielki polarny charakter”.

5. Uczeń: „Więc jest polarny? Jestem zdezorientowany”.

6. Instruktor: „Ma niewielką ilość charakteru polarnego, ale okazuje się, że w przypadku większości typowej chemii, z którą się spotkamy, ta niewielka ilość charakteru polarnego jest niewystarczająca, aby doprowadzić do „interesującej” chemii. wiązanie jest, ściśle rzecz biorąc, nieco polarne, z praktycznego punktu widzenia jest faktycznie niepolarne. Dlatego nazywamy to niepolarnym”.

7. Uczeń: "To niepotrzebnie mylące; skąd mam wiedzieć, kiedy masz na myśli ściśle 100% niepolarny, lekko polarny lub funkcjonalnie polarny, kiedy używasz tego samego słowa do opisania dwóch z tych trzech rzeczy?"

8. Instruktor: „Tak, to jest do bani. Poprawka polega na tym, że muszę mówić tak jasno, jak tylko mogę, kiedy rozmawiam z tobą o tym, jak używam terminu „polaryzacja”. Muszę również poinformować, że znajdziesz to skrót (i inne) używany, gdy wychodzisz w teren, i zachęcam Cię do rozpoczęcia nauki rozpoznawania tego, co jest intencją kontekstu rozmowy.

Prawdziwą analogią tego samego problemu może być użycie słowa „gazeta”. Może być użyty w zdaniu, aby odnieść się do firmy, która publikuje jakieś wiadomości, LUB może odnosić się do rzeczywistej pozycji, którą firma produkuje. W tym przypadku ujednoznacznienie jest łatwo dokonywane przez rodzimych użytkowników języka angielskiego, ponieważ mogą oni określić prawidłowe znaczenie z kontekstu; Osoby, które nie są rodzimymi użytkownikami języka, mogą być bardziej zdezorientowane. Nie martw się; gdy zobaczysz więcej przykładów technicznego użycia słów w nauce, nauczysz się również odczytywać poprawne znaczenia z kontekstów”.

Na bok:

Jak duża powinna być różnica w elektroujemności, aby wytworzyć wiązanie, które jest „wystarczająco polarne”, że w biologii decydujemy się nazwać je polarnym? Oczywiście dokładna wartość zależy od wielu czynników, ale jako luźna zasada czasami używamy różnicy 0,4 jako szacunkowej.

Te dodatkowe informacje mają charakter wyłącznie informacyjny. Nie zostaniesz poproszony o przypisanie polaryzacji w oparciu o te kryteria w BIS2A. Powinieneś jednak docenić koncepcję, w jaki sposób można określić biegunowość za pomocą pojęcia elektroujemności. Powinieneś także docenić funkcjonalne konsekwencje polaryzacji (więcej na ten temat w innych sekcjach) i niuanse związane z tymi terminami (takie jak te w dyskusji powyżej).

Polarne wiązania kowalencyjne

ten kowalencyjny polarny wiązanie można zilustrować badając związek między O i H w wodzie (H2O). Tlen ma elektroujemność 3,44, a wodór ma elektroujemność 2,20. Różnica w elektroujemności wynosi 1,24. Okazuje się, że ta wielkość różnicy elektroujemności jest na tyle duża, że ​​dipol w cząsteczce przyczynia się do interesującego zjawiska chemicznego.

Jest to dobry punkt, aby wspomnieć o innym powszechnym źródle zamieszania uczniów w zakresie używania terminu polarny. Woda ma polarność obligacje. To stwierdzenie odnosi się w szczególności do poszczególnych wiązań O-H. Każde z tych wiązań ma dipol. Jednak uczniowie usłyszą również, że woda jest polarna cząsteczka. To również jest prawdą. To ostatnie stwierdzenie odnosi się do faktu, że suma dwóch dipoli wiązania tworzy dipol w całej cząsteczce. A cząsteczka może być niepolarny, ale nadal mieć pewne wiązania polarne.

Rysunek 4. Cząsteczka wody ma dwa polarne wiązania O-H. Ponieważ rozkład ładunku w cząsteczce jest asymetryczny (ze względu na liczbę i względne orientacje dipoli wiązania), cząsteczka jest również polarna. Nazwa pierwiastka i elektroujemności są podane w odpowiedniej sferze. Facciotti (praca własna)

Aby uzyskać dodatkowe informacje, obejrzyj ten krótki film, aby zobaczyć animację wiązania jonowego i kowalencyjnego.

Kontinuum wiązań kowalencyjnych i jonowych

Omówienie typów wiązań powyżej podkreśla, że ​​w naturze zobaczysz wiązania na kontinuum od całkowicie niepolarnych kowalencyjnych do czysto jonowych, w zależności od atomów, które wchodzą w interakcje. Kontynuując swoje badania, odkryjesz, że w większych, wieloatomowych cząsteczkach na lokalizację elektronów wokół atomu ma również wpływ wiele czynników. Na przykład inne atomy, które są również związane w pobliżu, będą wywierać wpływ na rozkład elektronów wokół jądra w sposób, który nie jest łatwy do wyjaśnienia przywołując proste argumenty parzystych porównań elektroujemności. Wpływ mogą mieć również lokalne pola elektrostatyczne wytwarzane przez inne niezwiązane atomy. Rzeczywistość jest zawsze bardziej skomplikowana niż nasze modele. Jeśli jednak modele pozwalają nam rozumować i przewidywać z „wystarczająco dobrą” precyzją lub zrozumieć pewne kluczowe pojęcia, które można później rozszerzyć, są one całkiem przydatne.

Kluczowe obligacje w BIS2A

W BIS2A zajmujemy się chemicznym zachowaniem i wiązaniami między atomami w biocząsteczkach. Na szczęście układy biologiczne składają się ze stosunkowo niewielkiej liczby wspólnych pierwiastków (np. C, H, N, O, P, S itd.) oraz kilku kluczowych jonów (np. Na+, Cl-, Ca2+, K+ itd.). Zacznij rozpoznawać powszechnie występujące wiązania i właściwości chemiczne, które często widzimy. Niektóre typowe wiązania obejmują C-C, C-O, C-H, N-H, C=O, C-N, P-O, O-H, S-H i niektóre warianty. Zostaną one omówione dalej w kontekście grup funkcyjnych. Zadanie nie jest tak trudne, jak się wydaje.

Wiązania wodorowe

Gdy wodór tworzy polarne wiązanie kowalencyjne z atomem o wyższej elektroujemności, obszar wokół wodoru będzie miał ułamkowy ładunek dodatni (określany jako δ+). Gdy ten ułamkowy ładunek dodatni napotyka częściowy ładunek ujemny (określany jako δ-) z innego elektroujemnego atomu, z którym wodór NIE jest związany, I jest prezentowany temu ładunkowi ujemnemu w odpowiedniej orientacji, specjalny rodzaj interakcji zwany wiązanie wodorowe może tworzyć. Podczas gdy chemicy wciąż debatują nad dokładną naturą wiązania wodorowego, w BIS2A lubimy je postrzegać jako słabe oddziaływanie elektrostatyczne między+ wodoru i δ- ładunek na elektroujemnym atomie. Cząsteczka, która wnosi częściowo naładowany atom wodoru, nazywamy „wiązaniem wodorowym dawca” a atom z częściowym ładunkiem ujemnym „wiązanie wodorowe akceptorZostaniesz poproszony o rozpoczęcie nauki rozpoznawania powszechnych biologicznych donorów i akceptorów wiązań wodorowych oraz identyfikowania przypuszczalnych wiązań wodorowych na podstawie modeli struktur molekularnych.

Wiązania wodorowe są powszechne w biologii zarówno wewnątrz, jak i pomiędzy wszystkimi typami biocząsteczek. Wiązania wodorowe są również kluczowymi interakcjami między biocząsteczkami a ich rozpuszczalnikiem, wodą.

Rysunek 1: Przedstawiono dwie cząsteczki wody tworzące wiązanie wodorowe (narysowane przerywaną niebieską linią). Cząsteczka wody na górze „oddaje” częściowo naładowany wodór, podczas gdy cząsteczka wody na dole przyjmuje ten częściowy ładunek, prezentując komplementarny ujemnie naładowany atom tlenu.

Uznanie: Marc T. Facciotti (oryginalna praca)

Woda

Woda to wyjątkowa substancja, której szczególne właściwości są ściśle związane z procesami życiowymi. Życie pierwotnie wyewoluowało w środowisku wodnym, a większość chemii komórkowej i metabolizmu organizmu zachodzi wewnątrz solwatowanej wodą zawartości komórki. Solwaty wodne lub „zwilżają” komórkę i zawarte w niej cząsteczki, odgrywają kluczową rolę jako reagent lub produkt w niezliczonej liczbie reakcji biochemicznych i pośredniczą w interakcjach między cząsteczkami w komórce i poza nią. Wiele ważnych właściwości wody wywodzi się z polarnej natury cząsteczki, którą można wyśledzić do cząsteczek polarnych, których dipol pochodzi z polarnych wiązań kowalencyjnych między wodorem a tlenem.

W BIS2A wszechobecną rolę wody w prawie wszystkich procesach biologicznych można łatwo przeoczyć, zagłębiając się w szczegóły konkretnych procesów, białek, ról kwasów nukleinowych i ekscytacji maszynami molekularnymi (to się stanie). Okazuje się jednak, że woda odgrywa kluczową rolę we wszystkich tych procesach i będziemy musieli stale zdawać sobie sprawę z roli, jaką odgrywa woda, jeśli mamy rozwijać bardziej funkcjonalne zrozumienie. Miej się na baczności, a także zwracaj uwagę, gdy instruktor wskazuje na to.

W stanie ciekłym poszczególne molekuły wody oddziałują ze sobą poprzez sieć dynamicznych wiązań wodorowych, które nieustannie tworzą się i zrywają. Woda oddziałuje również z innymi cząsteczkami, które mają naładowane grupy funkcyjne i/lub grupy funkcyjne z donorami lub akceptorami wiązań wodorowych. Substancja o wystarczająco polarnym lub naładowanym charakterze może rozpuszczać się lub być wysoce mieszalna w wodzie jest określana jako hydrofilowy (hydro- = „woda”; -philic = „kochający”). W przeciwieństwie do tego, cząsteczki o bardziej niepolarnych cechach, takie jak oleje i tłuszcze, nie oddziałują dobrze z wodą i oddzielają się od niej, zamiast się w niej rozpuszczać, jak widzimy w sosach do sałatek zawierających olej i ocet (kwaśny roztwór wodny). Te niepolarne związki nazywane są hydrofobowy (hydro- = „woda”; -fobiczny = „lęk”). Niektóre z energetycznych składników tego typu reakcji rozważymy w innym rozdziale.

Rysunek 1. W stanie ciekłym woda tworzy dynamiczną sieć wiązań wodorowych pomiędzy poszczególnymi cząsteczkami. Pokazano jedną parę dawca-akceptor.
Uznanie: Marc T. Facciotti (oryginalna praca)

Właściwości rozpuszczalnikowe wody

Ponieważ woda jest cząsteczką polarną o lekko dodatnim i lekko ujemnym ładunku, jony i cząsteczki polarne mogą się w niej łatwo rozpuszczać. Dlatego woda jest określana jako rozpuszczalnik, substancja zdolna do rozpuszczania innych cząsteczek polarnych i związków jonowych. Ładunki związane z tymi cząsteczkami utworzą wiązania wodorowe z wodą, otaczając cząsteczkę cząsteczkami wody. Jest to określane jako sfera nawilżenia, lub powłoka hydratacyjna i służy do utrzymywania cząstek w oddzieleniu lub zdyspergowaniu w wodzie.

Po dodaniu związków jonowych do wody poszczególne jony oddziałują z polarnymi obszarami cząsteczek wody, a wiązania jonowe są prawdopodobnie rozrywane w procesie zwanym dysocjacja. Dysocjacja występuje, gdy atomy lub grupy atomów odrywają się od cząsteczek i tworzą jony. Rozważ sól kuchenną (NaCl lub chlorek sodu). Suchy blok NaCl jest utrzymywany razem przez wiązania jonowe i jest trudny do dysocjacji. Jednak po dodaniu kryształów NaCl do wody cząsteczki NaCl dysocjują w Na+ i Cljony i kulki hydratacji tworzą się wokół jonów. Dodatnio naładowany jon sodu jest otoczony częściowo ujemnym ładunkiem tlenu cząsteczki wody. Ujemnie naładowany jon chlorkowy jest otoczony częściowo dodatnim ładunkiem wodoru na cząsteczce wody. Można sobie wyobrazić model, w którym wiązania jonowe w krysztale są „zamieniane” na wiele wiązań jonowych o mniejszej skali z grupami polarnymi na cząsteczkach wody.

Rysunek 2. Kiedy sól kuchenna (NaCl) jest mieszana z wodą, wokół jonów tworzą się kulki hydratacji. Ta figura przedstawia jon sodu (ciemnoniebieska kula) i jon chlorkowy (jasnoniebieska kula) solwatowane w „morze” wody. Zwróć uwagę jak dipole cząsteczek wody otaczające jony są wyrównane tak, że ładunki komplementarne/częściowe łączą się ze sobą (tj. wody wyrównają się z dodatnio naładowanym jonem sodu).
Uznanie: Ting Wang – UC Davis (oryginalne dzieło zmodyfikowane przez Marca T. Facciottiego)

Uwaga: możliwa dyskusja

Rozważmy przedstawiony powyżej model wody rozpuszczającej kryształ soli. Opisz własnymi słowami, w jaki sposób ten model może być wykorzystany do wyjaśnienia, co dzieje się na poziomie molekularnym, gdy do objętości wody dodaje się wystarczającą ilość soli, aby sól już się nie rozpuszczała (roztwór osiąga nasycenie). Pracujcie razem, aby stworzyć wspólny obraz.

Tagi zalecane przez szablon: artykuł:temat

Jaka jest rola chemii kwasowo-zasadowej w Bis2A?

Dowiedzieliśmy się, że zachowanie chemicznych grup funkcyjnych w dużej mierze zależy od składu, porządku i właściwości ich atomów składowych. Jak zobaczymy, niektóre właściwości kluczowych biologicznych grup funkcyjnych mogą ulec zmianie w zależności od pH (stężenia jonów wodorowych) roztworu, w którym są kąpane.

Na przykład niektóre grupy funkcyjne w cząsteczkach aminokwasów, które tworzą białka, mogą występować w różnych stanach chemicznych w zależności od pH. Dowiemy się, że stan chemiczny tych grup funkcyjnych w kontekście białka może mieć głęboki wpływ na kształt białka lub jego zdolność do przeprowadzania reakcji chemicznych. W trakcie kursu zobaczymy liczne przykłady tego typu chemii w różnych kontekstach.

pH jest formalnie zdefiniowane jako:

W powyższym równaniu nawiasy kwadratowe otaczające 9ce{wskazują stężenie. Jeśli to konieczne, spróbuj powtórki matematyki na wiki logarithm lub kahn logarithm. Zobacz także: słownik koncentracji lub koncentracja wiki.

Jony wodoru są spontanicznie generowane w czystej wodzie przez dysocjację (jonizację) niewielkiego procentu cząsteczek wody na równe ilości wodoru (H+) jony i wodorotlenek (OH-) jony. Podczas gdy jony wodorotlenkowe są utrzymywane w roztworze przez wiązanie wodorowe z innymi cząsteczkami wody, jony wodorowe, składające się z nagich protonów, są natychmiast przyciągane do niezjonizowanych cząsteczek wody, tworząc jony hydroniowe (H30+).

Mimo to, zgodnie z konwencją, naukowcy odnoszą się do jonów wodorowych i ich stężenia tak, jakby były w tym stanie wolne w ciekłej wodzie. To kolejny przykład skrótu, którym często się posługujemy – łatwiej jest napisać H+ zamiast H3O+. Musimy tylko zdać sobie sprawę, że idzie się na ten skrót; w przeciwnym razie nastąpi zamieszanie.

Rysunek 1: Woda samorzutnie dysocjuje na grupę protonową i hydroksylową. Proton połączy się z cząsteczką wody, tworząc jon hydroniowy.
Uznanie: Marc T. Facciotti

ten pH roztworu jest miarą stężenia jonów wodorowych w roztworze (lub liczbą jonów hydroniowych). Liczba jonów wodorowych jest bezpośrednią miarą kwasowości lub zasadowości roztworu.

ten Skala pH jest logarytmiczna i mieści się w zakresie od 0 do 14 (Rysunek 2). Jako neutralne określamy pH=7,0. Nazywa się wszystko, co ma pH poniżej 7,0 kwaśny i wszelkie zgłoszone pH powyżej 7,0 jest określane jako alkaliczny lub podstawowy. Ekstremalne wartości pH w obu kierunkach od 7,0 są zwykle uważane za nieprzyjazne do życia, chociaż istnieją przykłady przeciwnie. Poziomy pH w ludzkim ciele zwykle wahają się między 6,8 a 7,4, z wyjątkiem żołądka, gdzie pH jest bardziej kwaśne, zwykle między 1 a 2.

Obejrzyj ten film, aby uzyskać proste wyjaśnienie pH i jego skali logarytmicznej.

Rysunek 2: Skala pH waha się od kwaśnego do zasadowego z różnymi związkami biologicznymi lub substancjami, które istnieją w tym konkretnym pH. Facciotti

Dodatkowe informacje:

Obejrzyj ten film, aby uzyskać alternatywne wyjaśnienie pH i jego skali logarytmicznej.

Stężenie jonów wodorowych dysocjujących z czystej wody wynosi 1 × 10-7 pieprzyki H+ jony na litr wody.

1 mol (mol) substancji (którą mogą być atomy, cząsteczki, jony itp.) jest definiowany jako równy 6,02 x 1023 cząstki substancji. Dlatego 1 mol wody to 6,02 x 1023 cząsteczki wody. Wartość pH oblicza się jako ujemną wartość logarytmu o podstawie 10 tej jednostki stężenia. Dziennik10 z 1 × 10-7 wynosi -7,0, a ujemna z tej liczby daje pH 7,0, które jest również znane jako pH neutralne.

Nieobojętne odczyty pH wynikają z rozpuszczania kwasów lub zasad w wodzie. Wysokie stężenia jonów wodorowych dają niską wartość pH, podczas gdy niskie poziomy jonów wodorowych powodują wysokie pH.

Ta odwrotna zależność między pH a stężeniem protonów dezorientuje wielu uczniów – poświęć trochę czasu, aby przekonać się, że „rozumiesz”.

jakiś kwas jest substancją zwiększającą stężenie jonów wodorowych (H+) w roztworze, zwykle przez dysocjację jednego z jego atomów wodoru. Na przykład dowiedzieliśmy się, że karboksylową grupą funkcyjną jest kwas. Atom wodoru może oddzielić się od atomu tlenu, dając wolny proton i ujemnie naładowaną grupę funkcyjną. A baza dostarcza albo jony wodorotlenkowe (OH) lub inne ujemnie naładowane jony, które łączą się z jonami wodorowymi, skutecznie redukując H+ stężenie w roztworze, a tym samym podniesienie pH.W przypadkach, gdy zasada uwalnia jony wodorotlenowe, jony te wiążą się z wolnymi jonami wodorowymi, tworząc nowe cząsteczki wody. Na przykład dowiedzieliśmy się, że aminowa grupa funkcyjna jest zasadą. Atom azotu przyjmie jony wodorowe w roztworze, zmniejszając w ten sposób liczbę jonów wodorowych, co podnosi pH roztworu.

Rysunek 3: Grupa kwasu karboksylowego działa jak kwas, uwalniając proton do roztworu. Zwiększa to liczbę protonów w roztworze, a tym samym obniża pH. Grupa aminowa działa jak zasada, przyjmując jony wodorowe z roztworu, zmniejszając liczbę jonów wodorowych w roztworach, zwiększając w ten sposób pH.
Uznanie: Erin Easlon

Dodatkowe zasoby pH

Oto kilka dodatkowych linków na temat pH i pKa, które pomogą w nauce materiału. Zauważ, że istnieje dodatkowy moduł poświęcony pKa.

PKa

pKa jest zdefiniowany jako logarytm ujemny10 stałej dysocjacji kwasu, jego Ka. Dlatego pKa jest ilościową miarą tego, jak łatwo lub jak łatwo kwas oddaje swój proton [H+] w roztworze, a zatem miara „siły” kwasu. Silne kwasy mają małe pKa, słabe kwasy mają większe pKa.

Najpopularniejszym kwasem, o którym będziemy rozmawiać w BIS2A, jest grupa funkcyjna kwasu karboksylowego. Te kwasy są zazwyczaj słaby kwasy, co oznacza, że ​​tylko częściowo dysocjują (na H+ kationy i RCOO- aniony) w roztworze obojętnym. HCL (chlorowodór) jest powszechny silny kwas, co oznacza, że ​​całkowicie zdysocjuje do H+ i Cl-.

Zauważ, że kluczowa różnica na poniższym rysunku między mocnym kwasem lub zasadą a słabym kwasem lub zasadą to pojedyncza strzałka (silna) i podwójna strzałka (słaba). W przypadku pojedynczej strzałki można to zinterpretować, wyobrażając sobie, że prawie wszystkie reagenty zostały przekształcone w produkty. Co więcej, trudno jest odwrócić reakcję do stanu, w którym protony są ponownie związane z cząsteczką, z którą były związane wcześniej. W przypadku słabego kwasu lub zasady, dwustronną strzałkę można zinterpretować obrazując reakcję, w której:

  1. obie formy sprzężony kwas lub zasada (tak nazywamy cząsteczkę, która „trzyma” proton - czyli CH3OOH i CH3OO-, odpowiednio na rysunku) są obecne w tym samym czasie i
  2. stosunek tych dwóch wielkości można łatwo zmienić, przesuwając reakcję w dowolnym kierunku.

Rysunek 1. Przykład mocnych kwasów i mocnych zasad w ich stanach protonacyjnych i deprotonacyjnych. Wartość ich pKa jest pokazana po lewej stronie. Facciotti

Elektroujemność odgrywa rolę w sile kwasu. Jeśli weźmiemy pod uwagę grupę hydroksylową jako przykład, większa elektroujemność atomu lub atomów (wskazanych R) przyłączonych do grupy hydroksylowej w kwasowym R-O-H skutkuje słabszym wiązaniem H-O, które w ten sposób jest łatwiej jonizowane. Oznacza to, że przyciąganie elektronów z dala od atomu wodoru staje się większe, gdy atom tlenu przyłączony do atomu wodoru jest również przyłączony do innego atomu elektroujemnego. Przykładem tego jest HOCL. Elektroujemny Cl polaryzuje wiązanie H-O, osłabiając je i ułatwiając jonizację wodoru. Jeśli porównamy to do słabego kwasu, w którym tlen jest związany z atomem węgla (jak w kwasach karboksylowych), tlen jest związany z atomem wodoru i węgla. W tym przypadku tlen nie jest związany z innym atomem elektroujemnym. W ten sposób wiązanie H-O nie ulega dalszej destabilizacji, a kwas jest uważany za słaby kwas (nie oddaje protonu tak łatwo jak mocny kwas).

Rysunek 2. Siła kwasu może być określona przez elektroujemność atomu, z którym związany jest tlen. Na przykład słaby kwas Kwas octowy, tlen jest związany z węglem, atomem o niskiej elektroujemności. W mocnym kwasie, kwasie podchlorawym, atom tlenu jest związany z jeszcze bardziej elektroujemnym atomem chlorku.
Uznanie: Erin Easlon

W Bis2A zostaniesz poproszony o powiązanie pH i pKa ze sobą podczas omawiania stanu protonowania kwasu lub zasady, na przykład w aminokwasach. W jaki sposób możemy wykorzystać informacje podane w tym module, aby odpowiedzieć na pytanie: Czy grupy funkcyjne aminokwasu glutaminianu będą protonowane czy deprotonowane przy pH 2, przy pH 8, przy pH 11?

Aby zacząć odpowiadać na to pytanie, musimy stworzyć związek między pH a pKa. Zależność między pKa i pH jest matematycznie reprezentowana przez równanie Hendersona-Hasselbacha pokazane poniżej, gdzie [A-] reprezentuje zdeprotonowaną formę kwasu, a [HA] reprezentuje protonowaną formę kwasu.

Rysunek 3. Równanie Hendersona-Hasselbacha

Rozwiązanie tego równania uzyskuje się przez ustawienie pH = pKa. W tym przypadku log([A-] / [HA]) = 0, a [A-] / [HA] = 1. Oznacza to, że gdy pH jest równe pKa, występują równe ilości form protonowanych i zdeprotonowanych kwasu. Na przykład, jeśli pKa kwasu wynosi 4,75, przy pH 4,75 ten kwas będzie istniał jako 50% sprotonowany iw 50% zdeprotonowany. Oznacza to również, że wraz ze wzrostem pH większa ilość kwasu zostanie przekształcona w stan zdeprotonowany iw pewnym momencie pH będzie tak wysokie, że większość kwasu będzie istnieć w stanie zdeprotonowanym.

Rysunek 4. Ten wykres przedstawia stan protonowania kwasu octowego wraz ze zmianami pH. Przy pH poniżej pKa kwas ulega protonowaniu. Przy pH powyżej pKa kwas ulega deprotonowaniu. Jeśli pH jest równe pKa, kwas jest w 50% protonowany iw 50% deprotonowany. Uznanie: Bluszcz Jose

W BIS2A przyjrzymy się stanowi protonacji i deprotonacji aminokwasów. Aminokwasy zawierają wiele grup funkcyjnych, które mogą być kwasami lub zasadami. Dlatego ich status protonacji/deprotonacji może być bardziej skomplikowany. Poniżej znajduje się zależność między pH a pKa aminokwasu Kwas glutaminowy. Na tym wykresie możemy zadać pytanie, które postawiliśmy wcześniej: Czy grupy funkcyjne aminokwasu glutaminianu będą protonowane czy deprotonowane przy pH 2, przy pH 8, przy pH 11?

Rysunek 5. Ten wykres przedstawia stan protonacji glutaminianu w miarę zmian pH. Przy pH poniżej pKa dla każdej grupy funkcyjnej na aminokwasie, grupa funkcyjna jest protonowana. Przy pH powyżej pKa dla grupy funkcyjnej ulega deprotonowaniu. Jeśli pH jest równe pKa, grupa funkcyjna jest w 50% protonowana iw 50% deprotonowana.
Uznanie: Bluszcz Jose

Uwaga: Możliwa dyskusja

  1. Jaki jest całkowity ładunek wolnego glutaminianu przy pH 5?
  2. Jaki jest całkowity ładunek wolnego glutaminianu przy pH 10?

Reakcje chemiczne

Reakcje chemiczne występują, gdy dwa lub więcej atomów łączy się ze sobą, tworząc cząsteczki lub gdy związane atomy zostają rozerwane. Substancje, które „wchodzą w” reakcję chemiczną, nazywane są reagenty (umownie, są one zwykle wymienione po lewej stronie równania chemicznego), a substancje, które „wychodzą” z reakcji, są znane jako produkty (umownie znajdują się one zwykle po prawej stronie równania chemicznego). Strzałka łącząca reagenty i produkty jest zazwyczaj narysowana między nimi, aby wskazać kierunek reakcji chemicznej. Zgodnie z konwencją, w przypadku reakcji jednokierunkowych, reagenty są wymienione po lewej stronie, a produkty po prawej stronie strzałki z jedną strzałką. Jednak powinieneś być w stanie zidentyfikować reagenty i produkty reakcji jednokierunkowych, które są zapisane w dowolnej orientacji (np. od prawej do lewej, od góry do dołu, ukośnie od prawej do lewej, wokół okrągłej strzałki itp. .)

[underbrace{2H_2O_2}_{ ext{nadtlenek wodoru}} → underbrace{2H_2O}_{ ext{woda}} + underbrace{O_2}_{ ext{tlen}}]

(1.2)2h2O2nadtlenek wodoru2h2Owoda+O2tlen

" id="MathJax-Element-3-Frame" role="prezentacja" style="pozycja:względna;" tabindex="0">

Uwaga: praktyka

Zidentyfikuj reagenty i produkty reakcji z udziałem nadtlenku wodoru powyżej.

Uwaga: możliwa dyskusja

Kiedy piszemy h2O2" id="MathJax-Element-4-Ramka" role="prezentacja" style="pozycja:względna;" tabindex="0">

reprezentujący cząsteczkę nadtlenku wodoru, jest to model reprezentujący rzeczywistą cząsteczkę. Jakie informacje o cząsteczce są natychmiast przekazywane przez ten wzór cząsteczkowy? To znaczy, co wiesz o cząsteczce, patrząc tylko na termin h2O2" id="MathJax-Element-5-Frame" role="prezentacja" style="position:relative;" tabindex="0">

?

Jakie informacje nie są wyraźnie przekazywane o tej cząsteczce, patrząc tylko na wzór?

Niektóre reakcje chemiczne, takie jak pokazana powyżej, przebiegają przeważnie w jednym kierunku. Kiedy przedstawiamy reakcje strzałką jednokierunkową (jednokierunkową), sugerujemy, że reakcja jest zasadniczo nieodwracalny. Jednak technicznie wszystkie reakcje mogą przebiegać w obu kierunkach. Reakcje odwracalne to takie, które mogą iść w obu kierunkach. W reakcjach odwracalnych reagenty zamieniają się w produkty, ale gdy stężenie produktu przekroczy pewien próg (charakterystyczną cechę konkretnej reakcji), niektóre z tych produktów zostaną z powrotem przekształcone w reagenty. To trwa tam i z powrotem, aż pojawi się pewna względna równowaga między reagentami i produktami - stan zwany równowaga. Te sytuacje odwracalnych reakcji są często oznaczane równaniem chemicznym z podwójną strzałką skierowaną zarówno w stronę reagentów, jak i produktów. Znajdziesz kontinuum reakcji chemicznych; niektóre postępują głównie w jednym kierunku i prawie nigdy się nie odwracają, podczas gdy inne łatwo zmieniają kierunek, w zależności od różnych czynników, takich jak względne stężenia reagentów i produktów. Oznacza to, że znajdziesz reakcje z różnymi punktami równowagi.

Uwaga: użycie słownictwa

Być może zdałeś sobie sprawę, że terminy „reagenty” i „produkty” odnoszą się do kierunku reakcji. Jeśli jednak masz reakcję, która jest odwracalna, produkty prowadzenia reakcji w jednym kierunku stają się substratami reakcji odwrotnej. Możesz oznaczyć ten sam związek dwoma różnymi terminami. To może być trochę mylące. Co więc robić w takich przypadkach? Odpowiedź brzmi, że jeśli chcesz używać terminów „reagenty” i „produkty”, musisz jasno określić kierunek reakcji, do której się odnosisz.

Spójrzmy na przykład odwracalnej reakcji w biologii. W ludzkiej krwi nadmiar jonów wodorowych (H+) wiążą się z jonami wodorowęglanowymi (HCO3-), tworząc stan równowagi z kwasem węglowym (H2WSPÓŁ3). Ta reakcja jest łatwo odwracalna. Gdyby do tego układu dodano kwas węglowy, część z niego zostałaby przekształcona w jony wodorowęglanowe i wodorowe, ponieważ układ chemiczny dąży do równowagi.

[HCO_3^−+ H^+ ightleftharpoons H_2CO_3 label{2}]

Powyższe przykłady badają „wyidealizowane” systemy chemiczne, jakie mogą wystąpić w probówce. Jednak w układach biologicznych rzadko uzyskuje się równowagę dla pojedynczej reakcji, ponieważ może to być w laboratorium. W układach biologicznych reakcje nie zachodzą w izolacji. Stężenia reagentów i/lub produktów stale się zmieniają, często produkt jednej reakcji jest reagentem innej reakcji. Te połączone reakcje tworzą tak zwane szlaki biochemiczne. Bezpośredni przykład powyżej ilustruje to i inne zastrzeżenie. Podczas gdy reakcja między wodorowęglanem/protonem a kwasem węglowym jest wysoce odwracalna, okazuje się, że fizjologicznie reakcja ta jest zwykle „ciągnięta” w kierunku tworzenia kwasu węglowego. Czemu? Jak pokazano poniżej, kwas węglowy staje się reagentem dla kolejnej reakcji biochemicznej: jego konwersji do CO2 i H2O. Ta konwersja zmniejsza stężenie H2WSPÓŁ3, ciągnąc w ten sposób reakcję między wodorowęglanem a H+ w prawo. Ponadto trzecia reakcja, usuwanie CO2 i H2 z systemu, również ciągnie reakcję dalej w prawo. Tego rodzaju reakcje są ważnymi czynnikami przyczyniającymi się do utrzymania H+ homeostaza naszej krwi.

Charakterystyczne reakcje chemiczne

Wszystkie reakcje chemiczne rozpoczynają się od reagenta — ogólny termin oznaczający jedną lub więcej substancji wchodzących w reakcję. Na przykład jony sodu i chloru są reagentami w produkcji soli kuchennej. Produktem jest jedna lub więcej substancji wytworzonych w wyniku reakcji chemicznej. **Pamiętaj, że w historii o soli kuchennej z dodatkiem wody jest pewne „ukryte” podekscytowanie, które zobaczymy wkrótce.**

W reakcjach chemicznych atomy i pierwiastki obecne w reagentach muszą być również obecne w produkcie (produktach). Podobnie w produktach nie może być nic, czego nie było w reagentach. Dzieje się tak, ponieważ reakcje chemiczne rządzą się prawem zachowania masy, które mówi, że materii nie można stworzyć ani zniszczyć w reakcji chemicznej. Oznacza to, że kiedy badasz reakcję chemiczną, musisz spróbować wyjaśnić wszystko, co wchodzi i upewnić się, że możesz to wszystko znaleźć w materiale, który wychodzi!

Tak jak możesz wyrazić obliczenia matematyczne w równaniach, takich jak 2 + 7 = 9, możesz użyć równań chemicznych, aby pokazać, w jaki sposób reagenty stają się produktami. Zgodnie z konwencją równania chemiczne są zwykle czytane lub zapisywane od lewej do prawej. Reagenty po lewej stronie są oddzielone od produktów po prawej strzałką z jedną lub dwiema grotami, wskazującą kierunek, w którym przebiega reakcja chemiczna. Na przykład reakcja chemiczna, w której jeden atom azotu i trzy atomy wodoru wytwarzają amoniak, można zapisać jako:

[N + 3H→NH_3.]

Odpowiednio rozkład amoniaku na jego składniki można by zapisać jako:

[NH3→N + 3H.]

Zauważ, że w każdym kierunku znajdziesz 1 N i 3 Hs po obu stronach równania.

Odwracalność

Teoretycznie każda reakcja chemiczna może przebiegać w obu kierunkach w odpowiednich warunkach. Reagenty mogą syntetyzować w produkt, który później powraca do substratu. Odwracalność to także jakość reakcji wymiany. Na przykład, A+BC→AB+C może zostać odwrócone do AB+C→A+BC. Tę odwracalność reakcji chemicznej wskazuje podwójna strzałka: A+BC⇄AB+C.

Reakcje syntezy

Wiele makrocząsteczek składa się z mniejszych podjednostek lub cegiełek, zwanych monomerami. Monomery łączą się kowalencyjnie, tworząc większe cząsteczki znane jako polimery. Często synteza polimerów z monomerów wytwarza również cząsteczki wody jako produkty reakcji. Ten typ reakcji jest znany jako synteza odwodnienia lub kondensacja reakcja.

Rysunek 1. W opisanej powyżej reakcji syntezy odwodnienia dwie cząsteczki glukozy są połączone ze sobą, tworząc maltozę disacharydową. W procesie powstaje cząsteczka wody.

Uznanie: Marc T. Facciotti (oryginalna praca)

W reakcji syntezy odwodnienia (Rysunek 1) wodór jednego monomeru łączy się z grupą hydroksylową innego monomeru, uwalniając cząsteczkę wody. Jednocześnie monomery dzielą się elektronami i tworzą wiązania kowalencyjne. Gdy przyłączają się dodatkowe monomery, ten łańcuch powtarzających się monomerów tworzy polimer. Różne typy monomerów mogą łączyć się w wielu konfiguracjach, tworząc zróżnicowaną grupę makrocząsteczek. Nawet jeden rodzaj monomeru może łączyć się na różne sposoby, tworząc kilka różnych polimerów; na przykład monomery glukozy są składnikami skrobi, glikogenu i celulozy.

W powyższym przykładzie monomeru węglowodanowego polimer powstaje w reakcji odwodnienia; ten typ reakcji jest również stosowany do dodawania aminokwasów do rosnącego łańcucha peptydowego i nukleotydów do rosnącego polimeru DNA lub RNA. Odwiedź moduły poświęcone aminokwasom, lipidom i kwasom nukleinowym, aby sprawdzić, czy potrafisz zidentyfikować cząsteczki wody, które są usuwane po dodaniu monomeru do rosnącego polimeru.

Rysunek 2. Przedstawia to, używając słów (oznaczonych grupami funkcyjnymi pokolorowanymi na czerwono) ogólną reakcję syntezy/kondensacji odwodnienia.

Uznanie: Marc T. Facciotti (oryginalna praca)

Reakcje hydrolizy

Polimery są rozkładane na monomery w reakcji znanej jako hydroliza. Reakcja hydrolizy obejmuje cząsteczkę wody jako reagent (Rysunek 3). Podczas tych reakcji polimer może zostać rozbity na dwa składniki: jeden produkt przenosi jon wodorowy (H+) z wody, a drugi produkt przenosi pozostały wodorotlenek wody (OH–).

Rysunek 3. W przedstawionej tutaj reakcji hydrolizy disacharyd maltoza jest rozkładany na dwa monomery glukozy z dodatkiem cząsteczki wody. Zauważ, że ta reakcja jest odwrotnością reakcji syntezy pokazanej na rysunku 1 powyżej.

Uznanie: Marc T. Facciotti (oryginalna praca)

Rysunek 4. Przedstawia to za pomocą słów (oznaczonych grupami funkcyjnymi pokolorowanymi na czerwono) ogólną reakcję hydrolizy.

Uznanie: Marc T. Facciotti (oryginalna praca)

Reakcje syntezy odwodnienia i hydrolizy są katalizowane lub „przyspieszane” przez określone enzymy. Należy zauważyć, że zarówno synteza odwodnienia, jak i reakcje hydrolizy obejmują tworzenie i zrywanie wiązań między reagentami – reorganizację wiązań między atomami w reagentach. W układach biologicznych (włącznie z naszymi ciałami) żywność w postaci polimerów molekularnych jest hydrolizowana do mniejszych cząsteczek przez wodę w reakcjach katalizowanych enzymami w układzie pokarmowym. Pozwala to na wchłanianie i ponowne wykorzystanie mniejszych składników odżywczych do różnych celów. W komórce monomery pochodzące z żywności mogą następnie zostać ponownie złożone w większe polimery, które pełnią nowe funkcje.

Przydatne linki:

Odwiedź tę stronę, aby zobaczyć wizualną reprezentację syntezy odwodnienia i hydrolizy.
Przykład hydrolizy z działaniem enzymu jest pokazany w tym 3-minutowym filmie zatytułowanym: Hydroliza sacharozy przez sachazę.

Reakcje wymiany/przeniesienia

Spotkamy się również z reakcjami zwanymi reakcjami wymiany. W tego typu reakcjach „części” cząsteczek są przenoszone między sobą — wiązania są zrywane, aby uwolnić część cząsteczki i powstają wiązania między uwolnioną częścią a inną cząsteczką. Te katalizowane enzymami reakcje są zwykle dość złożonymi, wieloetapowymi procesami chemicznymi.

Rysunek 5. Reakcja wymiany, w której może zachodzić zarówno synteza, jak i hydroliza, wiązania chemiczne są zarówno tworzone, jak i zrywane, jest przedstawiona za pomocą analogii słów.

Kierunkowość reakcji chemicznych

Reakcje chemiczne

Reakcje chemiczne występują, gdy dwa lub więcej atomów łączy się ze sobą, tworząc cząsteczki lub gdy związane atomy zostają rozerwane. Substancje, które „wchodzą” w reakcję chemiczną, nazywane są reagenty (umownie, są one zwykle wymienione po lewej stronie równania chemicznego), a znalezione substancje, które „wychodzą” z reakcji, są znane jako produkty (umownie znajdują się one zwykle po prawej stronie równania chemicznego). Powinieneś jednak być w stanie zidentyfikować reagenty i produkty reakcji jednokierunkowych, które są zapisane w dowolnej orientacji (np. od prawej do lewej, od góry do dołu, ukośnie od prawej do lewej, wokół okrągłej strzałki itp. )

2H2O2 (nadtlenek wodoru) → 2H2O (woda) + O2 (tlen)

Uwaga: możliwa dyskusja

Ćwiczyć: Zidentyfikuj reagenty i produkty reakcji z udziałem nadtlenku wodoru powyżej.

Uwaga: możliwa dyskusja

Kiedy piszemy H2O2 reprezentujący cząsteczkę nadtlenku wodoru, jest to model reprezentujący rzeczywistą cząsteczkę. Jakie informacje o cząsteczce są natychmiast przekazywane przez ten wzór cząsteczkowy? To znaczy, co wiesz o cząsteczce, patrząc na termin H2O2? Jakie informacje nie są wyraźnie przekazywane o tej cząsteczce, patrząc tylko na wzór?

Niektóre reakcje chemiczne, takie jak pokazana powyżej, przebiegają przeważnie w jednym kierunku. Te sytuacje odwracalnych reakcji są często oznaczane równaniem chemicznym z podwójną strzałką skierowaną zarówno w stronę reagentów, jak i produktów. Znajdziesz kontinuum reakcji chemicznych; niektóre postępują głównie w jednym kierunku i prawie nigdy się nie odwracają, podczas gdy inne łatwo zmieniają kierunek w zależności od różnych czynników, takich jak względne stężenia reagentów i produktów. Oznacza to, że znajdziesz reakcje z różnymi punktami równowagi.

Posługiwać się słownictwa

Być może zdałeś sobie sprawę, że terminy „reagenty” i „produkty” odnoszą się do kierunku reakcji. Co więc robić w takich przypadkach? Odpowiedź brzmi, że jeśli chcesz używać terminów „reagenty” i „produkty”, musisz jasno określić kierunek reakcji, do którego się odnosisz.

Spójrzmy na przykład odwracalnej reakcji w biologii. Gdyby do tego układu dodano kwas węglowy, część z niego zostałaby przekształcona w jony wodorowęglanowe i wodorowe, gdy układ chemiczny szukał równowagi.

[HCO_3^−+ H^+ ightleftharpuons H_2CO_3]

Powyższe przykłady badają „wyidealizowane” układy chemiczne, jakie mogą wystąpić w probówce. Bezpośredni przykład poniżej ilustruje znaczenie szlaków biochemicznych i jeszcze jedno zastrzeżenie. Chociaż reakcja między wodorowęglanem/protonem a kwasem węglowym jest wysoce odwracalna, okazuje się, że fizjologicznie reakcja ta jest zwykle „ciągnięta” w kierunku tworzenia kwasu węglowego. Czemu? Jak pokazano poniżej, kwas węglowy staje się reagentem dla kolejnej reakcji biochemicznej — jego konwersji do CO2 i H2O. Ta konwersja zmniejsza stężenie H2WSPÓŁ3, przeciągając w ten sposób reakcję między wodorowęglanem i H+ w prawo. Ponadto trzecia, jednokierunkowa reakcja, usuwanie CO2 i H2O z systemu, również ciągnie reakcję dalej w prawo. Tego rodzaju reakcje są ważnymi czynnikami przyczyniającymi się do utrzymania homeostazy H+ naszej krwi.

[ HCO_3^- + H^+ ightleftharpoons H_2CO_3 ightleftharpoons CO_2 + H_20 ightarrow waste]

Rysunek 1. Reakcja polegająca na syntezie kwasu węglowego jest w rzeczywistości powiązana z jego rozkładem na (CO_2) i (H_2O). Produkty te są następnie usuwane z organizmu/organizmu podczas wydechu. Razem rozpad kwasu węglowego i akt wydychania produktów przenoszą pierwszą reakcję w prawo.

Współtwórcy

  • Marc T. Facciotti (Inżynieria Biomedyczna, UC Davis)

Równowaga chemiczna — część 1: reakcje w przód i w tył

Zrozumienie pojęcia równowagi chemicznej ma kluczowe znaczenie dla śledzenia kilku dyskusji, które prowadzimy w BIS2A, a także w biologii i naukach. Trudno w pełni opisać pojęcie równowagi chemicznej bez odniesienia do energii układu, ale dla uproszczenia spróbujmy mimo wszystko i omówienie energii zarezerwujmy na inny rozdział. Zacznijmy raczej rozwijać nasze rozumienie równowagi od rozważenia poniższej odwracalnej reakcji:

Hipotetyczna reakcja nr 1: Hipotetyczna reakcja z udziałem związków A, B i D. Jeśli czytamy to od lewej do prawej, powiedzielibyśmy, że A i B łączą się, tworząc większy związek: D. Czytając reakcję od prawej do lewej, powiedzielibyśmy, że związek D rozpada się na mniejsze związki: A i B.

Najpierw musimy zdefiniować, co oznacza „reakcja odwracalna”. Termin „odwracalny” oznacza po prostu, że reakcja może przebiegać w obu kierunkach. Oznacza to, że elementy po lewej stronie równania reakcji mogą reagować razem, aby stać się elementami po prawej stronie równania, ORAZ elementy po prawej stronie równania mogą również reagować razem, aby stać się elementami po lewej stronie równania. równanie. Reakcje, które przebiegają tylko w jednym kierunku, nazywane są reakcjami nieodwracalnymi.

Rozpoczynając naszą dyskusję o równowadze, zaczynamy od rozważenia reakcji, która naszym zdaniem jest łatwo odwracalna. W tym przypadku jest to reakcja przedstawiona powyżej: wyimaginowane tworzenie się związku D ze związków A i B. Ponieważ jest to reakcja odwracalna, możemy ją również nazwać rozkładem D na A i B. Wyobraźmy sobie jednak eksperyment, w którym obserwujemy przebieg reakcji od punktu początkowego, w którym obecne są tylko A i B.

Przykład #1: Reakcja zrównoważona lewostronnie

Reakcja hipotetyczna nr 1: przebieg czasowy
Stężeniet=0t=1t=5t=10t=15t=20t=25t=30t=35t=40
[A]100908070656260606060
[B]100908070656260606060
[C]0102030453840404040

W czasie t = 0 (przed rozpoczęciem reakcji) reakcja ma 100 jednostek stężenia związków A i B oraz zero jednostek związku D. Pozwalamy teraz na przebieg reakcji i obserwujemy poszczególne stężenia trzech związków w czasie (t =1, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 i 40 jednostek czasu). Gdy A i B reagują, formuje się D. W rzeczywistości widać, że D formuje się od t=0 aż do t=25. Po tym czasie jednak stężenia A, B i D przestają się zmieniać. Gdy reakcja osiągnie punkt, w którym stężenia składników przestają się zmieniać, mówimy, że reakcja osiągnęła równowagę. Zauważ, że stężenia A, B i D nie są równe w równowadze. W rzeczywistości reakcja wydaje się być zrównoważona, więc jest więcej A i B niż D.

Notatka

****Ostrzeżenie o powszechnym nieporozumieniu wśród uczniów****

Wielu uczniów pada ofiarą błędnego przekonania, że ​​stężenia reagentów i produktów reakcji muszą być równe w równowadze. Biorąc pod uwagę, że termin równowaga brzmi podobnie do słowa „równy”, nie jest to zaskakujące. Ale jak próbuje zilustrować powyższy eksperyment, to NIE jest poprawne!

Przykład #2: prawo zrównoważona reakcja

Możemy zbadać drugą hipotetyczną reakcję, syntezę związku J ze związków E i F.

Reakcja hipotetyczna nr 2: Hipotetyczna reakcja z udziałem związków E, F i J. Jeśli czytamy to od lewej do prawej, powiedzielibyśmy, że E i F łączą się, tworząc większy związek: J. Czytając reakcję od prawej do lewej, powiedzielibyśmy, że związek J rozkłada się na mniejsze związki: E i F.

Struktura hipotetycznej reakcji nr 2 wygląda identycznie jak hipotetyczna reakcja nr 1, którą rozważaliśmy powyżej — dwie rzeczy łączą się, tworząc jedną większą. Musimy tylko założyć w tym przypadku, że E, F i J mają inne właściwości niż A, B i D. Wyobraźmy sobie eksperyment podobny do opisanego powyżej i przeanalizujmy te dane:

Reakcja hipotetyczna #2: przebieg czasowy


W tym przypadku reakcja również osiąga równowagę. Tym razem jednak równowaga zachodzi w okolicach t=30. Po tym punkcie stężenia E, F i J nie zmieniają się. Zauważ ponownie, że stężenia E, F i J nie są równe w równowadze. W przeciwieństwie do hipotetycznej reakcji #1 (reakcji ABD), tym razem stężenie J, rzecz po prawej stronie strzałek, jest wyższe niż E i F. Mówimy, że dla tej reakcji równowaga leży w prawo.

W tym momencie należy poczynić jeszcze cztery punkty.

Punkt 1: To, czy równowaga reakcji leży po lewej czy po prawej stronie, będzie funkcją właściwości składników reakcji i warunków środowiskowych, w których zachodzi reakcja (np. temperatura, ciśnienie itp.).

Punkt 2: Możemy również mówić o równowadze używając pojęć energii i zrobimy to wkrótce, ale jeszcze nie.

Punkt 3: Chociaż wydaje się, że hipotetyczne reakcje #1 i #2 osiągnęły punkt, w którym reakcja „zatrzymała się”, powinieneś sobie wyobrazić, że reakcje nadal zachodzą, nawet po osiągnięciu równowagi. W stanie równowagi reakcje „do przodu” i „odwrotne” zachodzą po prostu w tym samym tempie. Oznacza to, że w przykładzie nr 2 w równowadze J tworzy się z E i F w takim samym tempie, w jakim rozpada się na E i F. To wyjaśnia, w jaki sposób stężenia związków nie zmieniają się, mimo że reakcje są nadal się dzieje.

Punkt 4: Z tego opisu równowagi możemy zdefiniować coś, co nazywamy stałą równowagi. Zazwyczaj stała jest reprezentowana przez wielką literę K i może być zapisana jako Krówn. Pod względem stężeń Krówn zapisuje się jako iloczyn matematyczny stężeń produktów reakcji (elementy po prawej) podzielony przez iloczyn matematyczny stężeń reagentów (elementy po lewej). Na przykład Krówn, 1 = [D]/[A][B] i Krówn, 2 = [J]/[E][F]. Nawiasy kwadratowe „[]” wskazują „koncentrację” tego, co znajduje się w nawiasie.

Równowaga chemiczna — część 2: swobodna energia

W poprzedniej części rozpoczęliśmy opis równowagi chemicznej w kontekście kursów forward i reverse. Przedstawiono trzy kluczowe idee:

  1. W stanie równowagi stężenia reagentów i produktów w reakcji odwracalnej nie zmieniają się w samą porę.
  2. Reakcja odwracalna w równowadze nie jest statyczna — reagenty i produkty nadal ulegają przemianie w równowadze, ale szybkości reakcji postępującej i odwrotnej są takie same.
  3. NIE wpadliśmy w zwykłą pułapkę studentów zakładania, że ​​równowaga chemiczna oznacza, że ​​stężenia reagentów i produktów są równe w równowadze.

Tutaj rozszerzymy naszą dyskusję i umieścimy koncepcję równowagi w kontekście energii swobodnej, wzmacniając również ćwiczenie Energy Story polegające na rozważaniu stanów reakcji „Przed/Start” i „Po/Koniec” (w tym nieodłączny upływ czasu). .

Rysunek 1. Diagram współrzędnych reakcji dla ogólnej egzergicznej reakcji odwracalnej. Równania dotyczące energii swobodnej i stałej równowagi: R = 8,314 J mol-1 K-1 lub 0,008314 kJ mol-1 K-1; T to temperatura w kelwinach.

Uznanie: Marc T. Facciotti (oryginalna praca)

Powyższy rysunek pokazuje powszechnie przytaczaną zależność między ∆G° i Krówn: ∆G° = -RTlnKrówn. Tutaj G° wskazuje energię swobodną w standardowych warunkach (np. 1 atmosfera ciśnienia, 298 K). W kontekście historii energetycznej równanie to opisuje zmianę energii swobodnej reakcji, której warunek początkowy jest poza równowagą; w szczególności cała materia na „początku” ma postać reagentów, a „koniec” reakcji jest stanem równowagi. Domyślna jest idea, że ​​reakcja może teoretycznie przebiegać w nieskończoność, tak że bez względu na kształt jej powierzchni energetycznej może osiągnąć równowagę. Można również rozważyć reakcję, w której stan „początkowy” znajduje się gdzieś pomiędzy stanem początkowym powyżej a stanem równowagi i być może reakcja nie jest w równowadze. W tym przypadku można zbadać ∆G (nie standardowe warunki) między „pośrednim” stanem początkowym a równowagą, biorąc pod uwagę równanie ∆G = ∆G° + RTlnQ, gdzie Q nazywamy ilorazem reakcji. Z punktu widzenia BIS2A zastosujemy prostą (trochę niepełną, ale funkcjonalną) definicję dla Q = [Produkty]NS/[Reagenty]NS w określonym nierównowagowym stanie „początkowym” ul. Równanie ∆G = ∆G° + RTlnQ można zatem odczytać jako energię swobodną transformacji, która jest równa energii swobodnej związanej z różnicą energii swobodnej dla idealnych warunków standardowych plus udział energii swobodnej, który reprezentuje odchylenie od „idealny” stan początkowy reprezentowany przez rzeczywisty stan początkowy i warunki. W obu przypadkach „ostatecznym” warunkiem jest nadal równowaga; po prostu zmieniamy punkty wyjścia. Można rozszerzyć tę ideę i obliczyć różnicę energii swobodnej między dwoma stanami nierównowagowymi, pod warunkiem, że są one odpowiednio zdefiniowane, ale twój instruktor chemii może ci to zawracać głowę. Kluczową kwestią jest tutaj to, że istnieje sposób zarówno na wyobrażenie sobie, jak i obliczenie zmian energii swobodnej między ściśle określonymi stanami, a nie tylko standardowym stanem początkowym i równowagą jako stanem końcowym.

To prowadzi nas do sedna podsumowania. W wielu książkach o biologii dyskusja na temat równowagi obejmuje nie tylko omówienie szybkości reakcji postępującej i odwrotnej, ale także stwierdzenie, że ∆G = 0 w równowadze. To często dezorientuje niektórych uczniów, ponieważ są oni również uczeni, że niezerowe ∆G może być związane z reakcją zmierzającą do równowagi. Robimy to za każdym razem, gdy raportujemy ∆G reakcji lub badamy diagram współrzędnych reakcji. Tak więc uczniowie mają tendencję do zapamiętywania stwierdzenia „∆G=0 w równowadze” bez doceniania, skąd ono pochodzi. Kluczem do zamknięcia pozornej rozbieżności dla wielu jest zrozumienie, że interpretacja czasami pozornie sprzecznych stwierdzeń w dużej mierze zależy od definicji stanów początkowego i końcowego użytego do obliczenia ∆G. W przypadku zgłaszania ∆G dla reakcji, stan początkowy został opisany w powyższych akapitach (na jeden z dwóch sposobów – albo warunki standardowe, albo niestandardowy stan poza równowagą), a stanem końcowym jest jakiś czas później, gdy reakcja osiągnie równowagę. Ponieważ stany początkowy i końcowy są różne, ∆G może być niezerowe, dodatnie lub ujemne. Natomiast stwierdzenie, które kończy się „∆G=0 w równowadze” uwzględnia inny stan początkowy. W tym przypadku stanem początkowym jest układ już w równowadze. Uważa się, że stan końcowy nastąpił nieco później, ale nadal znajduje się w stanie równowagi. Ponieważ stan początkowy i końcowy są pozornie takie same, ∆G = 0.

Bufory

Ponieważ zmiany pH mogą dramatycznie wpływać na funkcję wielu biocząsteczek, organizmy jednokomórkowe i wielokomórkowe wypracowały różne sposoby ochrony przed zmianami pH. Jednym z tych mechanizmów jest wykorzystanie małych cząsteczek, które na podstawie ich właściwości chemicznych można sklasyfikować jako bufory. Bufory są zazwyczaj małymi cząsteczkami, które mogą odwracalnie wiązać i odczepiać protony w roztworze. Jeśli pH w środowisku jest niższe niż pKa protonowalnej grupy funkcyjnej w cząsteczce buforu, ta grupa będzie miała tendencję do protonowania, a zatem „usuwania” protonu z roztworu. Alternatywnie, jeśli pH w środowisku jest wyższe niż pKa tej samej protonowalnej grupy funkcyjnej w cząsteczce buforu, ta grupa będzie miała tendencję do deprotonowania lub pozostawania w nim, obniżając lokalne pH.

ciała starannie utrzymywane w wąskim zakresie wymaganym do przetrwania. Utrzymanie stałego pH krwi ma kluczowe znaczenie dla dobrego samopoczucia. Bufor utrzymujący pH ludzkiej krwi zawiera kwas węglowy (H2CO3), jon wodorowęglanowy (HCO3–) i dwutlenek węgla (CO2). Gdy jony wodorowęglanowe łączą się z wolnymi jonami wodorowymi i stają się kwasem węglowym, jony wodorowe są usuwane, łagodząc zmiany pH. Podobnie nadmiar kwasu węglowego można przekształcić w gazowy dwutlenek węgla i wydychać przez płuca. Zapobiega to gromadzeniu się zbyt wielu wolnych jonów wodorowych we krwi i niebezpiecznie obniżającym jej pH. Podobnie, jeśli do układu wprowadzi się zbyt dużo OH–, kwas węglowy będzie z nim reagował, tworząc wodorowęglan, obniżając pH. Bez tego systemu buforowego pH organizmu zmieniałoby się na tyle, że zagrażałoby przeżyciu.

Rysunek 1. Ten diagram pokazuje buforowanie poziomu pH krwi przez organizm. Niebieskie strzałki pokazują proces podnoszenia pH w miarę wytwarzania większej ilości CO2.

Innymi przykładami buforów są środki zobojętniające kwas stosowane do zwalczania nadmiaru kwasu żołądkowego. Wiele z tych dostępnych bez recepty leków działa w taki sam sposób, jak bufory krwi, zwykle z co najmniej jednym jonem zdolnym do pochłaniania wodoru i łagodzenia pH, przynosząc ulgę osobom cierpiącym na „zgagę” po jedzeniu. Oprócz wielu korzystnych właściwości wody, jej wyjątkowe właściwości, które przyczyniają się do tej zdolności do równoważenia pH, są niezbędne do podtrzymania życia na Ziemi.

Grupy funkcjonalne

Grupa funkcyjna to określona grupa atomów w cząsteczce, która jest odpowiedzialna za charakterystykę tej cząsteczki. Wiele biologicznie aktywnych cząsteczek zawiera jedną lub więcej grup funkcyjnych. W BIS2A dokonamy przeglądu głównych grup funkcyjnych występujących w cząsteczkach biologicznych. Należą do nich: hydroksyl, metyl, karbonyl, karboksyl, amino i fosforan (patrz rysunek 1).

Rysunek 1. Przedstawione tutaj grupy funkcyjne znajdują się w wielu różnych cząsteczkach biologicznych. „R” oznacza dowolny inny atom lub przedłużenie cząsteczki.
Uznanie: Marc T. Facciotti (praca własna zaadaptowana z poprzedniego obrazu nieznanego źródła)

Grupa funkcyjna może uczestniczyć w różnych reakcjach chemicznych. Niektóre z ważnych grup funkcyjnych w cząsteczkach biologicznych pokazano powyżej: hydroksyl, metyl, karbonyl, karboksyl, amino, fosforan i sulfhydryl (nie pokazano). Grupy te odgrywają ważną rolę w tworzeniu cząsteczek, takich jak DNA, białka, węglowodany i lipidy. Grupy funkcyjne można czasami klasyfikować jako mające właściwości polarne lub niepolarne, w zależności od ich składu atomowego i organizacji. Termin polarny opisuje coś, co ma właściwość, która nie jest w stosunku do niego symetryczna — może mieć różne bieguny (mniej więcej czegoś w różnych miejscach). W przypadku wiązań i cząsteczek, właściwość, na której nam zależy, to zwykle rozkład elektronów, a tym samym ładunek elektryczny między atomami. W niepolarnym wiązaniu lub cząsteczce elektrony i ładunek będą rozłożone stosunkowo równomiernie. W wiązaniu polarnym lub cząsteczce elektrony będą miały tendencję do większej koncentracji w niektórych obszarach niż w innych. Przykładem grupy niepolarnej jest cząsteczka metanu (więcej szczegółów w omówieniu w rozdziale Typy wiązań). Wśród polarnych grup funkcyjnych znajduje się grupa karboksylowa występująca w aminokwasach, niektóre łańcuchy boczne aminokwasów oraz kwasy tłuszczowe tworzące triglicerydy i fosfolipidy.

Niepolarne grupy funkcyjne

Metyl R-CH3

Grupa metylowa jest jedyną niepolarną grupą funkcyjną na naszej liście klas powyżej. Grupa metylowa składa się z atomu węgla związanego z trzema atomami wodoru. W tej klasie będziemy traktować te wiązania C-H jako skutecznie niepolarne wiązania kowalencyjne (więcej na ten temat w rozdziale Rodzaje wiązań). Oznacza to, że grupy metylowe nie są w stanie tworzyć wiązań wodorowych i nie będą oddziaływać ze związkami polarnymi, takimi jak woda.

Rysunek 2. Izoleucyna aminokwasu znajduje się po lewej stronie, a cholesterol po prawej. Każdy ma grupę metylową zakreśloną na czerwono. Uznanie autorstwa: stworzone przez Marc T. Facciotti (praca własna zaadaptowana z Erin Easlon)

Wymienione powyżej grupy metylowe znajdują się w różnych biologicznie istotnych związkach.W niektórych przypadkach związek może mieć grupę metylową, ale nadal może być ogólnie związkiem polarnym ze względu na obecność innych grup funkcyjnych o właściwościach polarnych (patrz omówienie polarnych grup funkcyjnych poniżej).

Gdy dowiemy się więcej o innych grupach funkcyjnych, dodamy do listy niepolarnych grup funkcyjnych. Bądź czujny!

Polarne grupy funkcyjne

Hydroksyl R-OH

Hydroksyl (grupa alkoholowa) to grupa -OH kowalencyjnie związana z atomem węgla. Atom tlenu jest znacznie bardziej elektroujemny niż wodór lub węgiel, co spowoduje, że elektrony w wiązaniach kowalencyjnych będą spędzać więcej czasu wokół tlenu niż wokół C lub H. Dlatego wiązania OH i OC w grupie hydroksylowej będą być polarnymi wiązaniami kowalencyjnymi. Rysunek 3 przedstawia częściowe ładunki, δ+ i-, które są związane z grupą hydroksylową.

Rysunek 3. Pokazana tutaj hydroksylowa grupa funkcyjna składa się z atomu tlenu związanego z atomem węgla i atomem wodoru. Wiązania te są kowalencyjne polarne, co oznacza, że ​​elektron biorący udział w tworzeniu wiązań nie jest równo dzielony między wiązaniami C-O i O-H. Facciotti (praca własna)

Rysunek 4. Funkcjonalne grupy hydroksylowe mogą tworzyć wiązania wodorowe, pokazane jako linia przerywana. Wiązanie wodorowe powstanie między δ - atomu tlenu i δ + atomu wodoru. Dipole są pokazane niebieskimi strzałkami. Facciotti (oryginalna praca)

Grupy hydroksylowe są bardzo powszechne w cząsteczkach biologicznych. Grupy hydroksylowe pojawiają się na węglowodanach (A), niektórych aminokwasach (B) i kwasach nukleinowych (C). Czy możesz znaleźć jakieś grupy hydroksylowe w fosfolipidzie w (D)?

Rysunek 5. Grupy hydroksylowe pojawiają się na węglowodanach (A, glukoza), na niektórych aminokwasach (B, seryna) oraz na nukleotydach (C, trifosforan adenozyny). D jest fosfolipidem.

Karboksyl R-COOH

Kwas karboksylowy to połączenie grupy karbonylowej i grupy hydroksylowej przyłączonej do tego samego węgla, co skutkuje nowymi właściwościami. Grupa karboksylowa może jonizować, co oznacza, że ​​może działać jak kwas i uwalniać atom wodoru z grupy hydroksylowej jako wolny proton (H+). Powoduje to zdelokalizowany ładunek ujemny na pozostałych atomach tlenu. Grupy karboksylowe mogą przełączać się między protonowanymi (R-COOH) i deprotonowanymi (R-COO)-) stany zależne od pH roztworu.

Grupa karboksylowa jest bardzo wszechstronna. W stanie protonowanym może tworzyć wiązania wodorowe z innymi związkami polarnymi. W stanie zdeprotonowanym może tworzyć wiązania jonowe z innymi dodatnio naładowanymi związkami. Będzie to miało kilka biologicznych konsekwencji, które zostaną dokładniej zbadane, gdy będziemy omawiać enzymy.

Czy potrafisz zidentyfikować wszystkie grupy karboksylowe w makrocząsteczkach pokazanych powyżej na Rysunku 5?

Amino R-NH3

Grupa aminowa składa się z atomu azotu połączonego pojedynczymi wiązaniami z atomami wodoru. Związek organiczny zawierający grupę aminową nazywany jest aminą. Podobnie jak tlen, azot jest również bardziej elektroujemny niż węgiel i wodór, co powoduje, że grupa aminowa ma charakter polarny.

Grupy aminowe mogą również działać jako zasady, co oznacza, że ​​atom azotu może wiązać się z czwartym atomem wodoru, jak pokazano na rysunku 6. Gdy to nastąpi, atom azotu zyskuje ładunek dodatni i może teraz uczestniczyć w wiązaniach jonowych.

Rysunek 6. Funkcyjna grupa aminowa może istnieć w stanie zdeprotonowanym lub protonowanym. Po protonowaniu atom azotu jest związany z trzema atomami wodoru i ma ładunek dodatni. Zdeprotonowana forma tej grupy jest neutralna. Uznanie autorstwa: stworzone przez Erin Easlon (praca własna)

Fosforan R-PO4-

Grupa fosforanowa to atom fosforu kowalencyjnie związany z czterema atomami tlenu i zawiera jedno wiązanie P=O i trzy P-O obligacje. Atomy tlenu są bardziej elektroujemne niż atom fosforu, co powoduje powstanie polarnych wiązań kowalencyjnych. Dlatego te atomy tlenu są w stanie tworzyć wiązania wodorowe z pobliskimi atomami wodoru, które również mają δ+(atomy wodoru związane z innym atomem elektroujemnym). Grupy fosforanowe zawierają również ładunek ujemny i mogą uczestniczyć w wiązaniach jonowych.

Grupy fosforanowe są powszechne w kwasach nukleinowych i fosfolipidach (termin „fosfo” odnosi się do grupy fosforanowej w lipidzie). Na Ryc. 7 są obrazy nukleotydu, monofosforanu deoksyadenozyny (po lewej) i fosfoseryny (po prawej).

Rysunek 7. Nukleotyd, monofosforan deoksyadenozyny, znajduje się po lewej stronie, a fosfoseryna po prawej. Każdy ma grupę fosforanową zakreśloną na czerwono.
Uznanie autorstwa: stworzone przez Marc T. Facciotti (praca własna)


25: Chemia życia: chemia organiczna i biologiczna

Węgiel jest wyjątkowy wśród pierwiastków pod względem zdolności do katować, tworząc szeroką gamę związków zawierających długie łańcuchy i/lub pierścienie atomów węgla. Niektóre z najbardziej złożonych znanych struktur chemicznych to cząsteczki organiczne występujące w organizmach żywych. Pomimo swojej wielkości i złożoności te cząsteczki biologiczne podlegają tym samym zasadom chemicznym, co prostsze cząsteczki organiczne. W ten sposób możemy użyć struktur elektronowych Lewisa, aby zrozumieć preferowany tryb reaktywności różnych związków organicznych, względnych elektroujemności i polarności wiązań, aby przewidzieć, jak pewne grupy atomów będą reagować, oraz teorii orbitali molekularnych, aby wyjaśnić, dlaczego niektóre związki organiczne zawierają wiązania wielokrotne są szczególnie stabilne lub ulegają określonym reakcjom, gdy wchodzą w interakcję ze światłem.

W tym rozdziale kontynuujemy nasz opis związków organicznych, koncentrując się na ich strukturach molekularnych i reaktywności, przedstawimy również niektóre z podstawowych typów reakcji i mechanizmów reakcji, które napotkasz w chemii organicznej i biologicznej. Omawiamy, dlaczego masło jest ciałem stałym, a oleje są płynne pomimo widocznych podobieństw w ich strukturze, dlaczego powszechnie stosowany lek przeciwzapalny ibuprofen potrzebuje więcej niż pół godziny na złagodzenie bólu oraz tożsamość głównego czynnika rakotwórczego w grillowanym mięsie i papierosach palić. Rozdział kończy się krótkim wprowadzeniem do molekuł życia, które wyjaśnia, w jaki sposób spożywanie laktozy może powodować upośledzenie umysłowe i marskość wątroby u niektórych osób, jak hibernujące zwierzęta przeżywają zimę i jak niektóre grupy antybiotyków zabijają bakterie szkodliwe dla ludzi.

Miniatura: Podwójna helisa DNA. (Domena Publiczna National Human Genome Research Institute)


Pytania i odpowiedzi dotyczące biologii online – podstawa biologii, część 2 (26-50)

(a) DNA zamknięty w otoczce białkowej (b) Jądro prokariotyczne (c) Pojedynczy chromosom (d) Zarówno DNA, jak i RNA

27) Jak drzewa iglaste zmniejszają tempo transpiracji?

Odpowiedź: Mają liście iglaste, łuskowate lub skórzaste, gruby naskórek, zapadnięte aparaty szparkowe itp.

28) Kto pierwszy wysunął hipotezę mgławicową o pochodzeniu Układu Słonecznego?

20) Gdzie znajduje się „choinka”?

30) Ruchliwe bakterie są w stanie poruszać się poprzez:

a) fimbrie b) wici c) rzęski d) pili

31) Rozróżnij sporofit i gametofit:

Odpowiedź: Sporofit jest diploidalny, Gametofit jest haploidalny.

32) Co na początku pomogło w tworzeniu różnych rodzajów związków organicznych na Ziemi z soli nieorganicznych, minerałów i gazów?

Odpowiedź: Wysoka temperatura, promienie ultrafioletowe i błyskawice.

33) Wymień dowolny poligamiczny rodzaj rośliny:

34) Przykładem jadalnej podziemnej łodygi jest:

a) Marchew b) Orzeszki ziemne c) Słodki ziemniak d) Ziemniak

35) Gdzie są reprezentowane pręciki w Pinus?

36) Kto pierwszy zaproponował, że życie powstało z substancji nieożywionych w wyniku procesów chemicznych?

37) Ile lat temu powstały rośliny kwitnące?

Odpowiedź: Około 130 milionów lat.

38) Prawdziwe jądro jest nieobecne w:

a) Mucor b) Vaucheria c) Volvox d) Anabaena

39) Co masz na myśli przez IUCN

Odpowiedź: Międzynarodowa Unia Konwersacji o Naturze i Zasobach Naturalnych.

40) Jak nazywa się teoria, według której życie powstało z substancji nieorganicznych w wyniku procesów chemicznych?

Odpowiedź: Teoria fizykochemiczna/Teoria naturalistyczna/Teoria pochodzenia chemosyntetycznego.

41) Gdzie znajduje się najstarsze drzewo?

42) Która z poniższych struktur nie występuje w komórce prokariotycznej?

(a) Rybosom (b) Mezosom (c) Błona plazmatyczna (d) Otoczka jądrowa

43) Napisz przykład pasożyta korzeniowego:

44) Dlaczego pierwsze organizmy były tlenowe?

Odpowiedź: Atmosfera ziemska w tym czasie nie posiadała tlenu.

45) Napisz przykład rośliny owadożernej:

46) Do niedoskonałych grzybów, które rozkładają ściółkę i pomagają w obiegu minerałów należą:

(a) Basidiomycetes (b) Phycomycetes (c) Ascomycetes (d) Deuteromycetes

47) Napisz przykład jednoliściennego:

48) Kiedy pojawiły się prokariota na ziemi?

Odpowiedź: 4200 milionów lat wstecz.

49) Napisz przykład dwuliściennego:

50) Struktury, które pomagają niektórym bakteriom przyczepiać się do skał i/lub tkanek gospodarza to:

(a) Fimbrie (b) Mezosomy (c) Mocowanie (d) Ryzoidy


Węglowodany

Węglowodany są makrocząsteczkami, z którymi większość konsumentów jest nieco zaznajomiona. Aby schudnąć, niektóre osoby stosują diety „niskowęglowodanowe”. W przeciwieństwie do tego sportowcy często „ładują się węglowodanami” przed ważnymi zawodami, aby upewnić się, że mają wystarczającą ilość energii, aby rywalizować na wysokim poziomie. Węglowodany są w rzeczywistości istotną częścią naszej diety. Zboża, owoce i warzywa są naturalnymi źródłami węglowodanów. Węglowodany dostarczają organizmowi energii, szczególnie poprzez glukozę, cukier prosty. Węglowodany pełnią również inne ważne funkcje u ludzi, zwierząt i roślin.

Węglowodany można przedstawić wzorem (CH2O)n, gdzie n to liczba atomów węgla w cząsteczce. Innymi słowy, stosunek węgla do wodoru do tlenu w cząsteczkach węglowodanów wynosi 1:2:1. Węglowodany dzieli się na trzy podtypy: monosacharydy, disacharydy i polisacharydy.

Monosacharydy (mono- = „jeden” sachar- = „słodki”) to cukry proste, z których najczęstszym jest glukoza. W monosacharydach liczba atomów węgla zwykle waha się od trzech do sześciu. Większość nazw monosacharydów kończy się przyrostkiem -ose. W zależności od liczby atomów węgla w cukrze, mogą one być znane jako triozy (trzy atomy węgla), pentozy (pięć atomów węgla) i heksozy (sześć atomów węgla).

Monosacharydy mogą występować jako łańcuchy liniowe lub cząsteczki w kształcie pierścienia w roztworach wodnych, zwykle występują w formie pierścieniowej.

Wzór chemiczny glukozy to C6h12O6. U większości żyjących gatunków glukoza jest ważnym źródłem energii. Podczas oddychania komórkowego z glukozy uwalniana jest energia, która jest wykorzystywana do wytwarzania adenozynotrójfosforanu (ATP). Rośliny syntetyzują glukozę za pomocą dwutlenku węgla i wody w procesie fotosyntezy, a glukoza z kolei jest wykorzystywana do zaspokojenia potrzeb energetycznych rośliny. Nadmiar syntetyzowanej glukozy jest często przechowywany w postaci skrobi, która jest rozkładana przez inne organizmy żywiące się roślinami.

Galaktoza (część laktozy lub cukru mlecznego) i fruktoza (znajdująca się w owocach) to inne powszechne monosacharydy. Chociaż glukoza, galaktoza i fruktoza mają ten sam wzór chemiczny (C6h12O6), różnią się strukturalnie i chemicznie (i są znane jako izomery) ze względu na różne układy atomów w łańcuchu węglowym.

Rysunek 2.14 Glukoza, galaktoza i fruktoza to izomeryczne monosacharydy, co oznacza, że ​​mają ten sam wzór chemiczny, ale nieco inną strukturę.

Disacharydy (di- = „dwa”) tworzą się, gdy dwa monosacharydy ulegają reakcji odwodnienia (reakcji, w której następuje usunięcie cząsteczki wody). Podczas tego procesu grupa hydroksylowa (–OH) jednego monosacharydu łączy się z atomem wodoru innego monosacharydu, uwalniając cząsteczkę wody (H2O) i tworzenie wiązania kowalencyjnego między atomami w dwóch cząsteczkach cukru.

Typowe disacharydy obejmują laktozę, maltozę i sacharozę. Laktoza jest dwucukrem składającym się z monomerów glukozy i galaktozy. Występuje naturalnie w mleku. Maltoza lub cukier słodowy to disacharyd powstały w wyniku reakcji odwodnienia między dwiema cząsteczkami glukozy. Najpopularniejszym disacharydem jest sacharoza, czyli cukier stołowy, który składa się z monomerów glukozy i fruktozy.

Długi łańcuch monosacharydów połączony wiązaniami kowalencyjnymi jest znany jako a polisacharyd (poli- = „wiele”). Łańcuch może być rozgałęziony lub nierozgałęziony i może zawierać różne rodzaje monosacharydów. Polisacharydy mogą być bardzo dużymi cząsteczkami. Skrobia, glikogen, celuloza i chityna to przykłady polisacharydów.

Skrobia jest przechowywaną formą cukrów w roślinach i składa się z amylozy i amylopektyny (oba polimery glukozy). Rośliny są w stanie syntetyzować glukozę, a nadmiar glukozy jest przechowywany w postaci skrobi w różnych częściach roślin, w tym w korzeniach i nasionach. Skrobia spożywana przez zwierzęta jest rozkładana na mniejsze cząsteczki, takie jak glukoza. Komórki mogą następnie wchłonąć glukozę.

Glikogen jest formą przechowywania glukozy u ludzi i innych kręgowców i składa się z monomerów glukozy. Glikogen jest zwierzęcym odpowiednikiem skrobi i jest silnie rozgałęzioną cząsteczką zwykle przechowywaną w komórkach wątroby i mięśni. Ilekroć poziom glukozy spada, glikogen jest rozkładany, aby uwolnić glukozę.

Celuloza jest jednym z najliczniejszych naturalnych biopolimerów. Ściany komórkowe roślin są w większości zbudowane z celulozy, która zapewnia strukturalne wsparcie dla komórki. Drewno i papier mają głównie charakter celulozowy. Celuloza składa się z monomerów glukozy, które są połączone wiązaniami między poszczególnymi atomami węgla w cząsteczce glukozy.

Co drugi monomer glukozy w celulozie jest odwracany i ciasno upakowany jako wydłużone, długie łańcuchy. Nadaje to celulozie sztywność i wysoką wytrzymałość na rozciąganie, co jest tak ważne dla komórek roślinnych. Celuloza przechodząca przez nasz układ pokarmowy nazywana jest błonnikiem pokarmowym. Podczas gdy wiązania glukozowo-glukozowe w celulozie nie mogą zostać rozłożone przez ludzkie enzymy trawienne, roślinożercy, tacy jak krowy, bawoły i konie, są w stanie trawić trawę bogatą w celulozę i wykorzystywać ją jako źródło pożywienia. U tych zwierząt pewne gatunki bakterii bytują w żwaczu (część układu pokarmowego roślinożerców) i wydzielają enzym celulazę. Wyrostek robaczkowy zawiera również bakterie rozkładające błonnik, co nadaje jej ważną rolę w układzie pokarmowym przeżuwaczy. Celulazy mogą rozkładać celulozę na monomery glukozy, które mogą być wykorzystywane przez zwierzę jako źródło energii.

Węglowodany spełniają inne funkcje u różnych zwierząt. Stawonogi, takie jak owady, pająki i kraby, mają zewnętrzny szkielet, zwany egzoszkieletem, który chroni ich wewnętrzne części ciała. Ten egzoszkielet składa się z makrocząsteczki biologicznej chityna, który jest węglowodanem azotowym. Składa się z powtarzających się jednostek zmodyfikowanego cukru zawierającego azot.

Tak więc, dzięki różnicom w strukturze molekularnej, węglowodany są w stanie pełnić bardzo różne funkcje magazynowania energii (skrobia i glikogen) oraz wsparcia i ochrony strukturalnej (celuloza i chityna).

Rysunek 2.15 Chociaż ich struktura i funkcje różnią się, wszystkie węglowodany polisacharydowe składają się z monosacharydów i mają wzór chemiczny (CH2O)n.

Zarejestrowany dietetyk: Otyłość jest problemem zdrowotnym na całym świecie, a wiele chorób, takich jak cukrzyca i choroby serca, staje się coraz bardziej rozpowszechnione z powodu otyłości. Jest to jeden z powodów, dla których zarejestrowani dietetycy są coraz częściej poszukiwani po poradę. Zarejestrowani dietetycy pomagają planować programy żywieniowe i żywieniowe dla osób w różnych warunkach. Często pracują z pacjentami w placówkach służby zdrowia, opracowując plany żywieniowe mające na celu zapobieganie i leczenie chorób. Na przykład dietetycy mogą uczyć pacjenta z cukrzycą, jak kontrolować poziom cukru we krwi poprzez spożywanie odpowiednich rodzajów i ilości węglowodanów. Dietetycy mogą również pracować w domach opieki, szkołach i gabinetach prywatnych.

Aby zostać zarejestrowanym dietetykiem, trzeba mieć co najmniej tytuł licencjata w zakresie dietetyki, żywienia, technologii żywności lub pokrewnej dziedziny. Ponadto zarejestrowani dietetycy muszą odbyć nadzorowany program staży i zdać egzamin państwowy. Ci, którzy robią karierę w dietetyce, uczęszczają na kursy z żywienia, chemii, biochemii, biologii, mikrobiologii i fizjologii człowieka. Dietetycy muszą stać się ekspertami w zakresie chemii i funkcji żywności (białka, węglowodany i tłuszcze).

W obiektywie tubylców (Suzanne Wilkerson i Charles Molnar)

Pracuję w Camosun College w pięknej Wiktorii w Kolumbii Brytyjskiej z kampusami na tradycyjnych terytoriach ludów Lekwungen i W̱SÁNEĆ. Podziemna bulwa magazynowa kwiatu camas, pokazana poniżej, była ważnym źródłem pożywienia dla wielu rdzennych mieszkańców wyspy Vancouver i całej zachodniej części Ameryki Północnej. Żarówki Camas są nadal spożywane jako tradycyjne źródło pożywienia, a przygotowanie cebulek Camas odnosi się do tej sekcji tekstu dotyczącej węglowodanów.

Rysunek 2.16 Obraz niebieskiego kwiatu camas i owada zapylającego. Podziemna bańka camas jest wypalana w palenisku. Ciepło działa jak enzym amylazy trzustkowej i rozkłada długie łańcuchy niestrawnej inuliny na przyswajalne mono- i disacharydy.

Najczęściej rośliny wytwarzają skrobię jako zmagazynowaną formę węglowodanów. Niektóre rośliny, jak camas, wytwarzają inulinę. Inulina jest stosowana jako błonnik pokarmowy, jednak nie jest łatwo trawiona przez ludzi. Jeśli miałbyś wgryźć się w surową cebulę camas, miałaby ona gorzki smak i gumowatą konsystencję. Metodą stosowaną przez rdzenną ludność, aby cama była zarówno strawna, jak i smaczna, jest powolne pieczenie cebulek przez długi czas w podziemnym palenisku pokrytym określonymi liśćmi i glebą. Ciepło działa jak nasz enzym amylazy trzustkowej i rozkłada długie łańcuchy inuliny na przyswajalne mono- i disacharydy.

Prawidłowo upieczone cebulki camas smakują jak połączenie upieczonej gruszki i ugotowanej figi. Należy zauważyć, że chociaż niebieskie camy są źródłem pożywienia, nie należy ich mylić z białymi camami, które są szczególnie toksyczne i śmiertelne. Kwiaty wyglądają inaczej, ale cebulki wyglądają bardzo podobnie.


„… świetny tekst naukowy napisany w stylu przyjaznym dla czytelnika, aby opisać różne role metali w systemach biologicznych, zdrowiu człowieka i środowisku. Uwzględnia również mechanizmy i metody eksperymentalne badania procesów biologicznych z udziałem metali… Gorąco polecam wszystkim zainteresowanym studentom i badaczom biologii i biochemii”. -- Science Progress, tom 97, wydanie 1, 2014

„… świetny tekst naukowy napisany w stylu przyjaznym dla czytelnika, aby opisać różne role metali w systemach biologicznych, zdrowiu człowieka i środowisku… Materiał drugiego wydania tej książki został zaktualizowany i dodano nowe rozdziały …Gorąco polecam wszystkim zainteresowanym studentom i badaczom biologii i biochemii.” -- Postęp nauki, 18 lutego 2014 r.

„Crichton… oferuje ten szczegółowy i obszernie ilustrowany tekst o nieorganicznych składnikach biochemii.Trzy rozdziały wprowadzające wyjaśniają podstawowe znaczenie metali w biologii i ukierunkowują biologów odpowiednio na chemię koordynacyjną, a chemików na biologię molekularną. Omówiono ogólne cechy funkcji metali, w tym wspólne ligandy, ich rolę w metabolizmie, asymilacji i transporcie oraz metody badań.” – Reference & Research Book News, grudzień 2013

„Na pierwszy rzut oka biochemia nieorganiczna może brzmieć jak oksymoron, ale w tym przypadku tak nie jest… Książka Crichtona będzie przydatnym źródłem informacji dla studentów lub badaczy, którzy chcą zrozumieć ekscytujący świat biochemii nieorganicznej”. -- WYBÓR, październik 2012, t. 50, nr 02

„Robert Crichton połączył skoncentrowane na elementach podejście do tematu z wątkiem biologicznym, który jest wciągający i pomocny w szczegółowym zgłębianiu tematów. Tekst jest zarówno przystępny, jak i szczegółowy, ale napisany na poziomie licencjackim”. -- Chemia Świat


Biology An Australian Focus - (Rozdział 3 Chemia życia)

Stan równowagi reakcji określa jej dostępną energię Energia swobodna i stała równowagi Spontaniczne reakcje chemiczne i energia swobodna Szybkości reakcji chemicznych, energia aktywacji i kataliza

Enzymy są katalizatorami biologicznymi Centrum Box 3.1 RNA był pierwszym katalizatorem biologicznym Specyfika działania enzymów Modele działania enzymów Czynniki wpływające na aktywność enzymów

Prawa autorskie © 2014. McGraw-Hill Australia. Wszelkie prawa zastrzeżone.

Centrum Ramka 3.2 Projektowanie leków hamujących aktywność enzymów Kofaktory i koenzymy Focus Ramka 3.3 Główne klasy enzymów

Reakcje chemiczne napędzają zdarzenia w komórkach Metabolizm ATP jest nośnikiem energii Ścieżki transportu elektronów

Reakcje utleniania i redukcji Biologiczne nośniki elektronów Energia w cząsteczkach paliwa

Żywe organizmy składają się z cząsteczek organicznych, które muszą być syntetyzowane przez organizm lub przyjmowane jako pokarm. Synteza biomolekuł wymaga energii, podobnie jak wszystkie procesy życiowe, od podziału komórki, przez kwitnienie rośliny, po orła w locie. Ale czy zastanawiałeś się kiedyś, w jaki sposób jedzenie, które spożywasz, dostarcza energii lub jest przekształcane w żywe tkanki twojego ciała? W jaki sposób twoje komórki pozyskują energię i wykonują różnorodne reakcje biochemiczne, które budują nowe cząsteczki lub rozkładają inne? Jak podobna jest chemia wszystkich form życia? W tym rozdziale przyjrzymy się: naturze energii — w jaki sposób nie można jej stworzyć ani zniszczyć, ale może zmienić formę oraz w jaki sposób jest zaangażowana w reakcje chemiczne podstawowe reakcje chemiczne w komórkach i rola enzymów ATP, cząsteczka dostarczająca natychmiastową energię w formie wykorzystywanej przez komórki, cząsteczki paliwa, ich strukturę i potencjalną energię chemiczną.

Reakcje chemiczne i procesy życiowe zależą od

Energia

Żywe organizmy i ich komórki składowe są wysoce zorganizowane. Główny plan tej organizacji tkwi w genach, a do budowy żywych struktur i utrzymania tych struktur w stanie funkcjonalnym potrzebna jest energia. Druga zasada termodynamiki mówi nam, że siłą napędową wszystkich procesów fizycznych we wszechświecie jest tendencja do stawania się materią.

Prawa autorskie © 2014. McGraw-Hill Australia. Wszelkie prawa zastrzeżone.

Rysunek 3.1 Energia potencjalna. Energia potencjalna wody w tym strumieniu w Parku Narodowym Litchfield na Terytorium Północnym jest przekształcana w energię kinetyczną, gdy spada do niższego poziomu. Ta forma energii jest pozyskiwana przez systemy hydroelektryczne.

Prawa termodynamiki

ten pierwsza zasada termodynamiki stwierdza, że energia nie może być ani stworzona, ani zniszczona. Zgodnie z tym prawem energia może być przekształcana z jednej formy w drugą, ale całkowita energia wszechświata pozostaje stała. Żadna transformacja energetyczna nie jest w 100% wydajna. Kiedy energia zmienia się z jednej postaci w drugą, część jest zawsze tracona w postaci ciepła. W systemach biologicznych wydajność konwersji energii z energii zmagazynowanej na energię użytkową wynosi tylko około 30% lub mniej. Na przykład wszyscy doświadczyliśmy wzrostu temperatury ciała podczas ćwiczeń, kiedy energia chemiczna w mięśniach jest przekształcana w energię mechaniczną w postaci skurczu mięśni, uwalniając znaczną ilość energii w postaci ciepła. Ponieważ wszystkie formy energii można ostatecznie przekształcić w ciepło, energia jest zwykle mierzona jako równoważne ciepło (mierzone w dżulach).

Prawa autorskie © 2014. McGraw-Hill Australia. Wszelkie prawa zastrzeżone.

Rysunek 3.2 Przykłady transformacji energii potencjalnej w energię kinetyczną. (a) Australijski orzeł klino-ogon pikuje, by złapać swoją zdobycz. (b) Wschodząca sadzonka grochu przekształca potencjalną energię chemiczną w energię kinetyczną ruchu, gdy przepycha glebę w kierunku światła.

Pierwsza zasada termodynamiki nie mówi nam nic o kierunek przemian energetycznych. ten druga zasada termodynamiki wyjaśnia to i stwierdza, że entropia wszechświata rośnie. Entropia jest miarą nieporządku. Tak więc, w uproszczeniu, wszystkie procesy fizyczne i chemiczne przebiegają w kierunku maksymalizacji losowości. Na przykład, o ile nie zostanie popchnięta, kulka będzie spływać w dół, ale nie w górę. Pchnięcie to energia, aw żywych systemach złożone struktury ulegną degradacji, jeśli energia nie zostanie włożona do systemu. Marmur Móc iść w górę tak długo, jak dostarczana jest energia, i podobnie systemy mogą być budowane pomimo ich złożoności i niskiej zawartości entropii, o ile zapewniona jest wystarczająca ilość energii. Oczywiście energia musi być zastosowana we właściwym miejscu i ilości, główny plan kontroli wykorzystania energii w konstruowaniu złożonych struktur biologicznych tkwi w DNA każdego organizmu.

Energia to zdolność do wykonywania pracy i występuje w dwóch ogólnych formach: energii potencjalnej i energii kinetycznej. Przemiany energii opisane są prawami termodynamiki. Tendencja do randomizacji materii w dowolnym układzie jest siłą napędową wszystkich procesów fizycznych i chemicznych.

Prawa autorskie © 2014. McGraw-Hill Australia. Wszelkie prawa zastrzeżone.

odwrotnie. Jeśli B i C zostaną usunięte podczas ich tworzenia, reakcja przebiega w prawo i powstaje więcej produktów. Reakcja zachodzi w równowaga gdy nie ma zmiany netto w stężeniu reagentów lub produktów (ryc. 3.3). Dzieje się tak, ponieważ w stanie równowagi szybkości reakcji do przodu i do tyłu są takie same. W ramach układu, w którym zachodzą, reakcje chemiczne w równowadze są w stanie maksymalnego nieuporządkowania (posiadając maksymalną entropię). Zwiększony porządek można osiągnąć, wydając energię, aby wypchnąć reakcję z równowagi. Odwrotnie, energia jest uwalniana z każdej reakcji, gdy zbliża się ona do równowagi, a energia jest potrzebna, aby odsunąć reakcję od równowagi. Dlatego w sensie termodynamicznym reakcja, która nie jest w równowadze, ma energię potencjalną, która może zostać uwolniona, jeśli reakcja przebiega spontanicznie. Pozycja równowagi reakcji chemicznej jest opisana przez stała równowagi ( K eq) i zdefiniowane jako:

gdy szybkości reakcji do przodu i do tyłu są równe. Ponieważ położenie równowagi reakcji jest nieodłączną właściwością tej reakcji, jest to stała termodynamiczna. Za reakcję

gdzie [ ] oznacza stężenie reagentów. Jeśli reagenty i produkty zawierają tę samą energię chemiczną na cząsteczkę, K eq wynosi 1. (rys. 3.3) i reakcja jest swobodnie odwracalna. Jeśli energia A jest większa niż B i C, stała równowagi będzie mniejsza niż 1 i preferowana jest reakcja do przodu. W takiej reakcji uwalniana jest energia, która w systemach biologicznych zostanie uwięziona w sposób, w którym można ją zachować do wykonywania pracy. I odwrotnie, jeśli energia B i C jest większa niż energia A, faworyzowana jest reakcja odwrotna, a stała równowagi będzie większa niż 1. W takiej reakcji powstanie B i C nastąpi tylko wtedy, gdy energia zostanie włożona w reakcja, która popycha reakcję w prawo. Jest to powszechny temat w biologii, w której niekorzystne reakcje działają, aby dostarczyć budulca do życia poprzez dostarczanie energii. Tak więc, aby reakcja zadziałała, musi zostać usunięta z równowagi. Gdy podłoże (A) ma więcej energii niż produkty (B i C), jest ono podobne do marmuru (A) na szczycie wzgórza – energię można uzyskać z reakcji, gdy zbliża się ona do równowagi. Jeśli energia produktów jest większa niż energia podłoża, jest ona podobna do energii marmuru (A) przy

Prawa autorskie © 2014. McGraw-Hill Australia. Wszelkie prawa zastrzeżone.

dolnej części wzgórza, ale reakcja może przejść do tworzenia B + C z A, o ile zapewniona jest wystarczająca energia.

Rysunek 3.3 Co kieruje kierunkiem odwracalnej reakcji chemicznej? Przy wysokim stężeniu reagenta A reakcja będzie przebiegać silnie w kierunku do przodu. Przy wysokim stężeniu produktów B i C reakcja będzie przebiegać silnie w przeciwnym kierunku. W stanie równowagi szybkości reakcji w przód i w tył są takie same. (W tym przykładzie K równ = 1.0.)

Reakcje muszą być poza równowagą, aby mogły działać. Najbardziej użytecznymi reakcjami do dostarczania energii są te ze stałymi równowagi niższymi niż 1,0.

Prawa autorskie © 2014. McGraw-Hill Australia. Wszelkie prawa zastrzeżone.

Zmiana energii swobodnej reakcji jest przydatna w przewidywaniu, czy i w jakim kierunku będzie przebiegać reakcja. Kiedy g jest ujemna (tj. egzergiczny oznacza to, że reakcja jest spontaniczna lub „spada” pod względem energetycznym (ryc. 3.4a). Kiedy g jest dodatnia (tj. >gt 0), energia jest potrzebna do przebiegu reakcji, a reakcja wynosi endergoniczny oznacza to, że reakcja będzie przebiegać tylko przy wprowadzeniu dodatkowej energii swobodnej (rys. 3.4b). Reakcje endergiczne mogą być napędzane przez sprzężenie z reakcjami egzergicznymi, tak aby jedna reakcja dostarczała energii drugiej. W systemach biologicznych sprzęganie W wyniku takich reakcji powstają procesy chemiczne, w których niespontaniczne, wymagające energii reakcje są połączone z reakcjami spontanicznymi, dostarczającymi energii. Jest to klucz do zdolności organizmów do wykonywania reakcji energetycznie niekorzystnych (pod górę). Jeśli reakcja A + X = B + Y ma Δ g 0 ′ = − kJ mol−1 i reakcja Y + M = X + N ma Δ g 0 ′ = +15 kJ mol−1, obie reakcje mogą być sprzężone

przez wspólne półprodukty X i Y. Tutaj reakcja egzergiczna napędza reakcję endergoniczną. Całkowita reakcja A + M = B + N ma Δ g 0 ′ z (-20 + 15)-5 kJ mol-1. Należy zauważyć, że w reakcjach sprzężonych zwykłe związki pośrednie znoszą się w ogólnym równaniu i w takich reakcjach całkowita zmiana energii swobodnej jest sumą zmian energii swobodnej poszczególnych reakcji. Ilość dostępnej energii z reakcji to jej energia swobodna. Reakcja przebiega spontanicznie, jeśli jej produkty zawierają mniej energii swobodnej niż reagenty (reakcja egzoergiczna). W reakcjach spontanicznych Δ g jest zawsze ujemna. Reakcja nie będzie przebiegać bez dodania energii, jeśli jej produkty mają więcej energii niż reagenty (reakcja endergoniczna).

Prawa autorskie © 2014. McGraw-Hill Australia. Wszelkie prawa zastrzeżone.

Rysunek 3.4 Reakcje egzoergiczne i endergoniczne. (a) W reakcji egzergicznej, Δ g jest ujemna, to znaczy energia jest uwalniana. (b) W reakcji endergonicznej, Δ g jest dodatnia, to znaczy energia musi być dostarczona, aby reakcja mogła przebiegać.

Ilość dostępnej energii z reakcji to jej energia swobodna, Δ g. Reakcja przebiega spontanicznie, jeśli jej produkty zawierają mniej energii swobodnej niż reagenty (reakcja egzoergiczna). W reakcjach spontanicznych Δ g jest zawsze ujemna. Reakcja nie będzie przebiegać bez dodania energii, jeśli jej produkty mają więcej energii niż reagenty (reakcja endergoniczna).

Szybkości reakcji chemicznych, energia aktywacji i kataliza

Wiele związków wysokoenergetycznych jest bardzo stabilnych w różnych warunkach występujących w komórce. Możemy to zilustrować, rozpatrując stos cegieł. Zakłócone uwalniają energię (wyobraź sobie, jak lądują na twojej stopie!). Jednak pozostawione w spokoju nie uwalniają żadnej ze swojej potencjalnej energii. Aby uwolnić ich energię, należy zastosować niewielką ilość energii (pchnięcie), a całkowita wydajność energii znacznie przewyższa energię pchnięcia. Związki, które zawierają dużą ilość energii swobodnej, ale są dość stabilne, nazywane są związki metastabilne. Podobnie, wiele reakcji chemicznych zwykle przebiega zbyt wolno, aby mogły być użyteczne dla organizmów, zwłaszcza w temperaturach, w których funkcjonuje większość organizmów. Szybkość lub prędkość, z jaką reakcja chemiczna postępuje w kierunku równowagi lub kinetyka reakcji, jest niezależna od K równ lub Δ g 0 ′ i zależy od energii kinetycznej reagujących cząsteczek. Populacja cząsteczek w roztworze może mieć stałą średnią energię w danym momencie

Prawa autorskie © 2014. McGraw-Hill Australia. Wszelkie prawa zastrzeżone.

Energia aktywacji wymagana do zerwania istniejących wiązań określa szybkość reakcji. Kataliza to proces obniżania energii aktywacji reagentów, aby reakcja przebiegała łatwiej. Katalizatory to substancje, które zmniejszają energię aktywacji, ale nie wpływają na termodynamiczne właściwości reakcji.

Rysunek 3.6 Energia potrzebna do przebiegu reakcji chemicznej w czasie (→). (a) Aby nastąpiła reakcja, energia musi być dostarczona, aby zmienić wiązania chemiczne. Ta energia jest energią aktywacji. (b) Katalizator przyspiesza reakcję poprzez obniżenie energii aktywacji wymaganej do przebiegu reakcji. Zauważ, że Δ g nie zmienia się w reakcji katalizowanej enzymami.

Enzymy są katalizatorami biologicznymi

Reakcje chemiczne w żywych komórkach są przyspieszane przez katalizatory biologiczne. Katalizatory są cząsteczkami prezentującymi powierzchnie, z którymi reagenty mogą się wiązać w bardzo specyficzny sposób. Pomagają w obniżeniu energii aktywacji reakcji poprzez naprężenie wiązań w reagentach, umożliwiając im reakcję. Większość katalizatorów biologicznych to białka i są nazywane enzymy , (Rozdział 2). Na przykład komórka zwierzęca może zawierać do 4000 różnych typów enzymów, z których każdy jest kodowany przez własny gen i każdy katalizuje inną reakcję chemiczną. Niektóre enzymy są wspólne dla wielu typów komórek, podczas gdy inne znajdują się tylko w komórkach pełniących określone funkcje. Na przykład enzym pepsyna, który bierze udział w trawieniu białek, znajduje się tylko w żołądku, podczas gdy enzymy pełniące funkcje porządkowe, takie jak utlenianie glukozy, znajdują się we wszystkich tkankach. W reakcji enzymatycznej reagenty są określane jako podłoża. Większość enzymów jest wysoce specyficzna pod względem sposobu działania, działając selektywnie tylko na jeden substrat lub na powiązany chemicznie zestaw substratów. Jako katalizatory enzymy zmniejszają energię aktywacji niezbędną do zajścia reakcji w temperaturach fizjologicznych (np. 37°C dla większości ssaków). Jednym ze sposobów, w jaki enzym obniża barierę energii aktywacji, jest stabilizacja produktu pośredniego reakcji.

CENTRUM

Prawa autorskie © 2014. McGraw-Hill Australia. Wszelkie prawa zastrzeżone.

BOX 3.1 RNA był pierwszym katalizatorem biologicznym

Pierwszym katalizatorem biologicznym był RNA (rozdział 2). Uważa się, że kiedy życie wyewoluowało, RNA było zarówno pierwszym materiałem genetycznym, jak i pierwszym katalizatorem. Nic więc dziwnego, że nawet w obecnych formach życia RNA nadal działa jak katalizator. Przykładami są splicing RNA i katalizowanie tworzenia wiązań peptydowych podczas syntezy białek na rybosomach (Rozdział 4). Ponieważ rybosomy zawierają zarówno białka, jak i RNA, początkowo uważano, że RNA ma charakter czysto strukturalny, a białka są składnikami katalitycznymi. Jednak w przypadku rozwiązania struktury rybosomu za pomocą krystalografii rentgenowskiej (ryc. B3.1), heroicznego zadania, biorąc pod uwagę rozmiar i złożoność rybosomu, zaskakujące było stwierdzenie, że w regionie, w którym znajdują się wiązania peptydowe utworzone pomiędzy sąsiadującymi aminokwasami, nie znaleziono białka i stało się jasne, że RNA rzeczywiście był katalizatorem tworzenia wiązań peptydowych. Spojrzenie na strukturę to zobaczenie prehistorycznego reliktu przeszłości, co jest równoznaczne ze znalezieniem dinozaura, który przeżył gdzieś w odległej części świata. Z biegiem czasu DNA przejęło rolę materiału genetycznego u wszystkich gatunków innych niż niektóre wirusy, a białka ze swoją zdolnością do tworzenia prawie nieskończonej liczby unikalnych struktur przejęły rolę katalizatorów biologicznych.

Rysunek B3.1 RNA działa jako katalizator tworzenia wiązania peptydowego w rybosomach. Rybosom jest strukturą odpowiedzialną za syntezę białek (łańcuchów polipeptydowych aminokwasów) w komórkach wszystkich żyjących gatunków. Składają się z rRNA (czerwony) i białek (żółty i niebieski). Rybosomy składają się z dwóch podjednostek, dużej podjednostki 50S pokazanej tutaj i małej podjednostki 30S. Podjednostka 50S zawiera centrum transferazy peptydylowej, w którym tworzy się wiązanie peptydowe między rosnącym łańcuchem peptydowym a nowymi, przychodzącymi aminokwasami. Struktura dużej podjednostki 50S wyraźnie pokazuje, że miejscem katalizowania wiązania peptydowego (PT – transferaza peptydylowa, zaznaczona na zielono) nie jest białko, ale RNA.

Enzymy mają niezwykłą moc katalityczną. Jako przykład rozważmy reakcję dwutlenku węgla i wody z wytworzeniem kwasu węglowego katalizowaną przez anhydrazę węglanową (zauważ, że końcówka „aza” wskazuje na enzym):

Prawa autorskie © 2014. McGraw-Hill Australia. Wszelkie prawa zastrzeżone.

Rysunek 3.7 Struktura globularnego białka enzymatycznego. (a) Model powierzchni molekularnej enzymu (1 → 3)-β-glukanowej hydrolazy z kiełkującego jęczmienia. To globularne białko stanowi miejsce wiązania substratu β-glukanu (polisacharydu) w płytkiej bruździe (miejsce aktywne) na powierzchni enzymu (enzym pokazany na niebiesko). Podłoże β-glukanu pokazano jako model drutu, z atomami węgla reszt glukozy polisacharydu na żółto, atomy tlenu na czerwono. (b) Model pokazujący strukturę drugorzędową polipeptydu hydrolazy (1 → 3)-β-glukanu złożonego z α-helis (czerwony) i β-kartek (niebieski) połączonych pętlami (pokazany jako czerwona lina). Łańcuch polipeptydowy jest zwinięty w kulistą strukturę trzeciorzędową pokazaną na (a) z płytkim rowkiem biegnącym w poprzek jego powierzchni, w którym kwaśne aminokwasy glutaminian 94, glutaminian 231 i glutaminian 288 są umieszczone tak, aby umożliwić udział w katalitycznym rozszczepianiu wiązań glikozydowych w substracie polisacharydowym.

Prawa autorskie © 2014. McGraw-Hill Australia. Wszelkie prawa zastrzeżone.

Rysunek 3.8 Aminokwasy wiążące substrat w miejscu aktywnym enzymu hydrolizującego celulozę (celulaza). Grupy hydroksylowe na jednostkach glukozy substratu celulozowego wiążą się wiązaniami wodorowymi, bezpośrednio lub przez cząsteczki wody (czarne kółka), z grupami R aminokwasów wyścielającymi miejsce aktywne. Linie przerywane wskazują wiązania wodorowe.

Niektóre z grup R wyścielających miejsce aktywne dotyczą specyficznego wiązania i orientacji cząsteczek substratu. Grupy R tworzą w miejscu aktywnym naładowane lub nienaładowane powierzchnie hydrofilowe lub hydrofobowe, które wiążą się precyzyjnie z poszczególnymi częściami cząsteczek substratu. Na przykład, jeśli substrat ma ładunek dodatni na części swojej cząsteczki, która wiąże się z miejscem aktywnym, to odpowiednia część miejsca aktywnego enzymu będzie miała ładunek ujemny. Oprócz takich oddziaływań jonowych, niekowalencyjne wiązania wodorowe i siły van der Waalsa (rozdział 1) są również zaangażowane w specyficzne wiązanie i orientację substratów w miejscu aktywnym. Oprócz aminokwasów biorących udział w wiązaniu substratu, inne aminokwasy w miejscu aktywnym biorą udział w tworzeniu lub zrywaniu wiązań kowalencyjnych. To są aminokwasy katalityczne , które uczestniczą w katalizowanej reakcji chemicznej. W niektórych reakcjach enzymatycznych substrat może tworzyć przejściowy kowalencyjny związek pośredni z katalitycznym aminokwasem w miejscu aktywnym. Aby enzym mógł pełnić swoją funkcję katalityczną, konieczne jest, aby substrat ulegający przemianie chemicznej był umieszczony dokładnie w stosunku do katalitycznych aminokwasów, tak aby mogło nastąpić przegrupowanie atomów w reakcji chemicznej. Rolą wiążących aminokwasów jest skierowanie substratu do tej pozycji.

Prawa autorskie © 2014. McGraw-Hill Australia. Wszelkie prawa zastrzeżone.

Rysunek 3.9 Modele reakcji enzymatycznej. (a) W modelu zamka i klucza działania enzymu, cząsteczka substratu pasuje bezpośrednio do aktywnego miejsca enzymu. (b) W modelu dopasowania wymuszonego o działaniu enzymu, substrat wywołuje zmianę kształtu enzymu, który pozycjonuje substrat w taki sposób, że zachodzi reakcja. (c) W modelu selekcji działania enzymu, forma enzymu, z którą substrat może się związać (A), jest w równowadze z formą, z którą nie może się związać (B). Wiązanie substratu do (A) spowoduje przywrócenie równowagi termodynamicznej między A i B, a teraz więcej substratu zwiąże się z A, aż, w obecności nadmiaru substratu, większość enzymu będzie w postaci ze związanym substratem (C).

Cząsteczki substratu związane w miejscu aktywnym są doprowadzane do stanu, w którym elektrony mogą wymieniać się, rozrywając istniejące wiązania i tworząc nowe wiązania. Ten stan pośredni, w którym cząsteczki substratu są gotowe do zajścia reakcji, nazywa się stan przejściowy (rys. 3.10). W tym stanie reagenty są naprężone i zniekształcone lub mają niekorzystną strukturę elektronową.

Rysunek 3.10 Etapy reakcji katalizowanej enzymami. Kiedy cząsteczka substratu wiąże się w miejscu aktywnym enzymu, przechodzi w stan przejściowy, w którym jest napięta i zniekształcona, istniejące wiązania mogą zostać zerwane, a cząsteczka zdysocjowana na produkty.

Jest to opisane jako aktywacja stanu przejściowego . Katalityczna moc enzymów wynika z wysoce specyficznego wiązania ich stanów przejściowych.

Prawa autorskie © 2014. McGraw-Hill Australia. Wszelkie prawa zastrzeżone.

Czynniki wpływające na aktywność enzymów

Enzymy można ekstrahować z komórek lub tkanek i badać w postaci aktywnej w probówce. W ten sposób możemy dowiedzieć się, w jaki sposób enzymy katalizują określone reakcje i jaki wpływ na proces ma środowisko (np. temperatura, pH, stężenie substratu). Z tego eksperymentalnego podejścia wiemy, że szybkość reakcji enzymatycznej zależy od stężenia substratów, produktów i samego enzymu. Na przykład, w roztworze danej ilości enzymu, im wyższe stężenie cząsteczek substratu, tym częściej cząsteczki substratu prawdopodobnie napotkają miejsca aktywne cząsteczek enzymu. Zatem im wyższe stężenie substratu, tym większa szybkość reakcji enzymatycznej (ryc. 3.11). Jednak szybkość reakcji ostatecznie osiągnie górną granicę, gdy wszystkie miejsca aktywne cząsteczek enzymu są zajęte, to znaczy, gdy jest więcej cząsteczek substratu niż miejsc aktywnych enzymu. Szybkość można zwiększyć tylko wtedy, podnosząc stężenie enzymu (ryc. 3.11).

CENTRUM
RAMKA 3.2 Projektowanie leków hamujących aktywność enzymów

procesy metaboliczne, obejmujące łańcuch sekwencyjnych, katalizowanych enzymatycznie reakcji, są regulowane przez mechanizmy, w których kluczowe enzymy w szlaku są hamowane lub aktywowane. Odkryto lub zsyntetyzowano wiele inhibitorów enzymów, które mają duże zastosowania medyczne i biotechnologiczne. Zrozumienie działania enzymów ma kluczowe znaczenie w opracowywaniu leków do leczenia chorób zwierząt i roślin. W poszukiwaniu nowych leków do leczenia infekcji lub stanów patologicznych, takich jak nowotwory, należy spełnić kilka ważnych kryteriów, zanim będą mogły zostać zastosowane. Na przykład penicylina, odkryta przez Alexandra Fleminga, jest inhibitorem enzymu transpeptydazy. Enzym ten katalizuje tworzenie wiązań krzyżowych między łańcuchami peptydowymi w ścianie komórkowej bakterii. Kiedy enzym jest hamowany przez penicylinę, ściana komórkowa staje się niestabilna i bakterie umierają. Ważnym kryterium stosowania tego leku jest to, że transpeptydaza nie jest obecna u zwierząt, a zatem inhibitor nie szkodzi leczonemu gospodarzowi (chociaż antybiotyk może powodować niefortunne reakcje immunologiczne u niektórych osób). 5-fluorouracyl (5-FU) to lek przeciwnowotworowy, który hamuje jeden z enzymów syntezy DNA, syntazę tymidylanową. Enzym ten bierze udział w wytwarzaniu tyminy (T) dla DNA, a ponieważ tymina występuje wyłącznie w DNA, a nie w RNA, działanie 5-FU jest specyficzne w blokowaniu syntezy DNA, a tym samym proliferacji komórek. W tym przypadku lek nie jest specyficzny dla komórki docelowej (komórki nowotworowej), ponieważ hamuje syntezę DNA we wszystkich komórkach pacjenta. Fakt ten stanowi szczególne wyzwanie dla stosowania tego leku i wszystkich leków cytotoksycznych stosowanych w chemioterapii. To wyzwanie polega na zrównoważeniu ciężkości leczenia, aby zmaksymalizować zabijanie komórek rakowych, z potrzebą utrzymania pacjenta przy życiu. Szczególną cechą 5-FU jest to, że podczas reakcji syntazy tymidylanowej atom fluoru jest aktywowany, a lek zostaje nieodwracalnie połączony z miejscem aktywnym enzymu, co czyni ten lek nieodwracalnym inhibitorem syntezy DNA. Leki te nazywane są inhibitorami samobójstwa i są jednym z najskuteczniejszych rodzajów inhibitorów enzymów.


2.2 Pierwiastki i związki

A. Związki
1. Gdy dwa lub więcej różnych pierwiastków reaguje lub wiąże się ze sobą, tworzą związek (np. H2O).
2. Cząsteczka to najmniejsza część związku, która ma właściwości związku.
3. Elektrony posiadają energię, a wiązania między atomami w cząsteczkach zawierają energię.

B. Wiązanie jonowe
1. Wiązania jonowe tworzą się, gdy elektrony są przenoszone z jednego atomu na drugi.
2. Atomy biorące udział w reakcjach jonowych, tracąc lub zyskując elektrony, wypełniają zewnętrzne powłoki i są bardziej stabilne.
3. Przykład: sód z jednym elektronem mniej ma ładunek dodatni, chlor ma dodatkowy elektron, który ma ładunek ujemny. Takie naładowane cząstki nazywamy jonami.
4. Przyciąganie przeciwnie naładowanych jonów utrzymuje dwa atomy razem w wiązaniu jonowym.

C. Wiązanie kowalencyjne
1. Wiązania kowalencyjne powstają, gdy dwa atomy dzielą elektrony, więc każdy atom ma oktet elektronów w zewnętrznej powłoce.
2. Wodór może oddać elektron, aby stać się jonem wodoru (H+) lub dzielić elektron z innym atomem, aby uzupełnić zewnętrzną powłokę dwóch elektronów.
3. Wzory strukturalne przedstawiają wspólny atom jako linię między dwoma atomami, np. pojedyncze wiązanie kowalencyjne (H-H), podwójne wiązanie kowalencyjne (O=O)
4. Trójwymiarowy kształt cząsteczek nie jest reprezentowany przez wzory strukturalne, ale kształt ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia biologicznego działania cząsteczek: działania insuliny, receptorów HIV itp.

D. Niepolarne i polarne wiązania kowalencyjne
1. W niepolarnych wiązaniach kowalencyjnych podział elektronów jest równy.
2. W przypadku polarnych wiązań kowalencyjnych podział elektronów jest nierówny.
a. W cząsteczce wody (H2O) dzielenie elektronów przez tlen i wodór nie jest równe atomowi tlenu z większą liczbą protonów dominuje asocjację H2O.
b. Przyciąganie atomu do elektronów w wiązaniu kowalencyjnym nazywa się elektroujemnością atom tlenu jest bardziej elektroujemny niż atom wodoru.
C. Tlen w cząsteczce wody, bardziej przyciągany przez parę elektronów, przyjmuje mały ładunek ujemny

E. Wiązanie wodorowe
1. Wiązanie wodorowe to słaba siła przyciągająca między lekko dodatnim atomem wodoru jednej cząsteczki a lekko ujemnym atomem innej lub tej samej cząsteczki.
2. Wiele wiązań wodorowych razem wziętych jest stosunkowo silnych.
3. Wiązania wodorowe między złożonymi cząsteczkami komórek pomagają zachować strukturę i funkcję.


Wykład 2: Biochemia 1

Pobierz wideo z iTunes U lub archiwum internetowego.

Omawiane tematy: Biochemia 1

Instruktorzy: prof. Robert A. Weinberg

Wykład 10: Biolomo molekularne.

Wykład 11: Biolomo molekularne.

Wykład 12: Biolomo molekularne.

Wykład 13: Regulacja genów

Wykład 14: Protein Localiz.

Wykład 15: Rekombinowany DNA 1

Wykład 16: Rekombinowany DNA 2

Wykład 17: Rekombinowany DNA 3

Wykład 18: Rekombinowany DNA 4

Wykład 19: Cykl komórkowy/Sygn.

Wykład 26: Układ nerwowy 1

Wykład 27: Układ nerwowy 2

Wykład 28: Układ nerwowy 3

Wykład 29: Komórki macierzyste/klon.

Wykład 30: Komórki macierzyste/klon.

Wykład 31: Medyk molekularny.

Wykład 32: Evolu molekularna.

Wykład 33: Medyk molekularny.

Wykład 34: Polimorfia człowieka.

Wykład 35: Polimorfia człowieka.

OK. Więc dzisiaj spędzimy trochę czasu na podstawach chemii tylko po to, by rozwinąć nasz język, którego używamy ze sobą. Więc kiedy mówię wiązanie wodorowe, nie patrzysz na mnie tępo i nie drapiesz się po głowie. Wielu z was już to miało.

Dla wielu z was jest to recenzja, ale jest to przydatna recenzja.

W MIT wierzymy, że nauczamy rzeczy dwa lub trzy razy częściej, tego samego przedmiotu, ale na coraz wyższym poziomie zaawansowania.

Więc robię to bez przeprosin. Naszym pierwszym problemem jest to, jak są utrzymywane razem atomy i molekuły? A najbardziej znanym sposobem łączenia atomów i cząsteczek są oczywiście wiązania kowalencyjne. A wiązania kowalencyjne mają energię około 80 kilokalorii na mol. I to jest dość silna energia, aby utrzymać razem dwa atomy, ponieważ energia, energia cieplna, czyli energia, powiedzmy, w temperaturze ciała wynosi około 0,6 kilokalorii na mol. A zatem, gdybyś miał wiązanie, gdyby coś trzymało razem rzeczy, które były w tym zakresie lub dwa, trzy lub cztery razy wyższe, to zwykła energia cieplna w temperaturze pokojowej lub w temperaturze ciała byłaby wystarczająca, aby rozerwać takie obligacja. Ale w rzeczywistości ta energia, energia wiązania kowalencyjnego jest o wiele wyższa, że ​​jest wysoce nieprawdopodobne, aby energia cieplna rozerwała istniejące wcześniej wiązanie kowalencyjne. A wczoraj czytałem o tym, jak ludzie analizowali mitochondrialne DNA z niektórych wykopanych kości neandertalczyków. Ostatni neandertalczyk żył około 30 000 lat temu, nasi niedawno zmarli kuzyni.

I analizowali sekwencje DNA. Wyciągnęli z tych analiz odcinki DNA o długości 200, 300 nukleotydów.

I to naprawdę jest oszałamiające świadectwo faktu, że w bardzo trudnych warunkach, mimo wszystko, złożone cząsteczki biologiczne są w stanie przetrwać przez zdumiewające okresy czasu, w rzeczywistości te, które są utrzymywane razem przez takie wiązania kowalencyjne.

Oczywiście pamiętacie film Jurassic Park, w którym wykorzystano reakcję PCR, aby wskrzesić DNA dinozaurów. To trochę fantazja, odkąd dinozaury opuściły nas, jak sądzę, około 150 milionów lat temu, coś w tym stylu. Oczywiście jest duża różnica między 300 000 a 150 milionów lat temu.

Faktem jest, że jeśli spojrzysz na sposób, w jaki cząsteczki są faktycznie połączone, spójrzmy na przykład na cząsteczkę wody.

W idealnym przypadku ta cząsteczka nie powinna mieć ładunku.

I w rzeczywistości nie ma opłaty netto. Ale prawda jest taka, jeśli ktoś chce być szczery, że cząsteczki tlenu, a my zawsze tu jesteśmy, że cząsteczki tlenu mają większe powinowactwo do elektronów niż atomy wodoru, tj. są elektroujemne.

A zatem oznacza to, że roje elektronów, które trzymają to wszystko razem na orbitalach, są przyciągane bliżej atomów tlenu i wodoru, tj. protony są stosunkowo chętne do oddania swoich elektronów. A to oznacza, że ​​rozkład jest nierówny. W konsekwencji na tym końcu cząsteczki jest ułamek ładunku ujemnego i ułamek ładunku dodatniego, ponieważ nie jest tak, że całkowicie oddają elektrony, ale elektrony są przesunięte bardziej w w tym kierunku. I dlatego ta cząsteczka jest nazywana cząsteczką polarną, ponieważ tutaj ma biegun dodatni, a tutaj biegun ujemny. Istnieją inne pary cząsteczek, które są stosunkowo równie elektroujemne.

Na przykład tutaj, jeśli mamy węgiel i wodór, te dwa atomy są mniej więcej równo dopasowane pod względem ich zdolności do odciągania elektronów od siebie. W konsekwencji nie dochodzi do przerzucania opłat netto.

I pamiętaj, że ta delta, którą tu pokazuję, to tylko ułamek ładunku elektronicznego. To nie cały ładunek elektroniczny został przeniesiony. Ale ma to ważne konsekwencje dla całej biochemii, w którą wejdziemy dziś iw poniedziałek. Ważne, ponieważ cząsteczki polarne, takie jak woda, są w stanie rozpuszczać pewne związki.

Cząsteczki niepolarne, które mają duże układy tego rodzaju wiązań lub wiązań węgiel-węgiel, są stosunkowo nierozpuszczalne w wodzie, co ma ważne konsekwencje dla organizacji błon biologicznych. Możemy mieć tutaj wiązanie karbonylowe, to znaczy C przechodzące do O przez podwójne wiązanie. I tutaj znowu mamy sytuację, w której tlen jest o wiele bardziej chciwy pod względem chęci i zainteresowania przyciąganiem elektronów do siebie.

I dlatego węgiel oddaje trochę chmury elektronowej i staje się nieco elektrododatni.

Natomiast atom tlenu staje się lekko elektroujemny.

Faktem jest, że istnieją również inne wiązania, które są niekowalencyjne i są znacznie mniej energetyczne. Na przykład porozmawiajmy przez chwilę o wiązaniu wodorowym.

I chyba najłatwiej zademonstrować wiązanie wodorowe, patrząc na strukturę dwóch sąsiednich cząsteczek wody w roztworze wody wszystkich rzeczy. I faktem jest, że narysujemy jedną cząsteczkę wody tutaj i jedną cząsteczkę wody tutaj. To, co się stanie, to to, że ten atom tlenu tutaj, dzięki swojej elektroujemności, będzie miał pewne powinowactwo do przyciągania atomu wodoru do siebie. I tak naprawdę to, co faktycznie dzieje się w prawdziwym życiu, cokolwiek to jest na poziomie molekularnym, to to, że ten atom wodoru może faktycznie odbijać się między tymi dwoma tlenami. Może to być szybka wymiana między nimi. Ta wymiana powoduje silny związek między dwiema sąsiednimi cząsteczkami wody. I rzeczywiście, stanowi powód, dla którego woda nie paruje w temperaturze pokojowej, ponieważ cząsteczki wody mają do siebie silne powinowactwo lub zachłanność.

A zatem, żeby wyciągnąć z książki kilka ilustracji, tak to zostało zilustrowane w książce.

Prawdopodobnie dobrze mieć ekran w dół. A tutaj widać sposób, w jaki cząsteczki wody są faktycznie ułożone w wodzie. To jest dolna ilustracja tutaj. Żeby wskazać wam, że atomy wodoru nie są tak naprawdę własnością, własnością jednej cząsteczki wody. Są po prostu ciągle wymieniane tam iz powrotem. I ta wymiana tam i z powrotem, to dzielenie się atomem wodoru umożliwia wiązanie wodorowe o około 5 kilokaloriach energii na mol, aby utrzymać wszystko razem.

5 kilokalorii to niewiele. To tylko jeden rząd wielkości powyżej 0,6, a nie dwa rzędy wielkości.

A zatem, jeśli podnieść temperaturę do poziomu wrzenia, jeśli temperatura jest wystarczająco wysoka, to energia cieplna jest wystarczająco wysoka, aby rozerwać tego rodzaju skojarzenia.

Teraz, gdybyśmy wrócili tutaj, aby spojrzeć na ten atom karbonylowy, znaleźlibyśmy następującą sytuację. Tutaj mamy ten nierówny podział wiązań elektrododatnich i elektroujemnych.

Załóżmy taką grupę kwasową. To jest kwas karboksylowy. Tutaj widzimy wiązanie węgla z hydroksylem poprzez ten atom tlenu. Tutaj ponownie mamy atom elektroujemny. I faktycznie, jeśli mówimy o zjonizowanym kwasie, normalnie przy braku jonizacji byłby tutaj ładunek netto zerowy. Ale przy neutralnym pH może być tak, że związek, z różnych powodów, między tym tlenem a tym wodorem pozwoli wodórowi, a raczej protonowi, jądru atomu wodoru, po prostu oddalić się.

I dlatego możemy sobie wyobrazić, że może tu występować ujemny ładunek netto. Całość ma jeden pełny elektron, tutaj ładunek elektroujemny, ładunek jednego elektronu i ten proton zostanie zjonizowany, opuści grupę karboksylową, w której powstał, a teraz mamy zjonizowaną grupę kwasową. Przed lub nawet po tej jonizacji istnieje silne powinowactwo grupy karboksylowej do otaczającej ją wody, ponieważ spójrzmy, co wydarzyło się przed wystąpieniem jonizacji. Ten węgiel tutaj jest silny i elektroujemny. A zatem będzie uczestniczyć w wiązaniu wodorowym z rozpuszczalnikiem wodnym tutaj, tj.

., ten proton będzie trochę dzielony między tlen cząsteczki wody i tlen tutaj. Podobnie tutaj ten tlen będzie nieco elektroujemny z powodów, które właśnie opisałem.

I tutaj, po raz kolejny, może zachodzić słabe wiązanie wodorowe.

Chociaż nie tak efektywne, jak tutaj, gdzie mamy wiązanie podwójne, gdzie mamy dużą koncentrację chmury elektronów ciągniętych w kierunku atomu tlenu. I to zaczyna nam dawać wskazówki, dlaczego niektóre cząsteczki są rozpuszczalne w wodzie, a inne nierozpuszczalne.

Na przykład, jeśli spojrzymy na związki alifatyczne.

Spójrzmy na związek o takiej strukturze.

Myślę, że większość ludzi nazwałaby to pentanem. I możemy to też tak nazwać. I to nie ma elektroujemności ani dodatniości z powodu równego powinowactwa tych dwóch rodzajów atomów, to znaczy wodoru i węgla dla elektronów. W konsekwencji nie będzie w stanie utworzyć wiązań wodorowych z otaczającym go rozpuszczalnikiem, jeśli rozpuszczalnikiem będzie woda.

Więc nie ma tu dobrej więzi. I to, w rzeczywistości, również, jeśli umieści się to w roztworze wody, spowoduje, że wszystkie cząsteczki wody ułożą się w pewien sposób, prawie quasi-kryształem wokół cząsteczki alifatycznej. Zostaną ułożone w określonej warstwie wokół cząsteczki alifatycznej bez możliwości tworzenia z nimi silnych wiązań wodorowych. A ten porządek reprezentuje utratę chaosu, utratę entropii.Entropia to chaos. To nieporządek.

Tak się dzieje, powiedzmy, o 10:55, kiedy wszyscy wychodzimy z pokoju, nagle porządek staje się chaotyczny. I tutaj, zanim nastąpiło to ustawienie, cząsteczki wody były chaotycznie ułożone w rozpuszczalniku. Po tym ustawieniu nastąpiła utrata entropii, utrata chaosu.

A termodynamika mówi nam, że generalnie porządek cząsteczek jest nieprzychylny. W konsekwencji mamy teraz dwa powody, dla których ta cząsteczka nie lubi przebywać w wodzie.

Przede wszystkim nie jest w stanie tworzyć wiązań wodorowych z rozpuszczalnikiem.

Po drugie, zmniejsza się entropia, chaos, który pojawia się, gdy ta cząsteczka bezpośrednio styka się z wodą.

I z tych dwóch powodów okazuje się, że ta cząsteczka nie lubi przebywać w wodzie. Cząsteczka alifatyczna, jak można by to nazwać w chemii organicznej, nie lubi przebywać w wodzie. A niechęć do wody jest często nazywana jej hydrofobowością, lub często nazywamy ją hydro, równie dobrze można ją poprawnie przeliterować, hydrofobową, tj. Naprawdę nienawidzi być w wodzie.

W rzeczywistości, klasa, istnieje drugie znaczenie dla hydrofobii, a hydrofobowość ma drugie znaczenie.

Co pięć lat proszę klasę o sprawdzenie, kto wie, jakie jest drugie znaczenie hydrofobii. To jest naprawdę niejasne. Przepraszam?

Wścieklizna, prawda. TA nie mogą na to odpowiedzieć.

Jeśli ktoś ma wściekliznę, na pewnym etapie wścieklizny, prawie w końcowej fazie, staje się hydrofobiczny, ponieważ nie lubi pić wody, z powodów, które przynajmniej dla mnie są niejasne. Teraz odwrotnie, cząsteczki, które mają na sobie grupę karboksylową, nazwano by hydrofilowymi.

Jak zobaczymy w tym i następnym wykładzie, te hydrofobowe i hydrofilowe tendencje mają duży wpływ na ogólne zachowanie cząsteczek. Wyobraźmy sobie na przykład sytuację, w której mamy taki długi ogon alifatyczny. W rzeczywistości te ogony mogą być kontynuowane w niektórych związkach alifatycznych. Mogą trwać 20, a nawet 30 węgli. I na koniec umieśćmy arbitralnie grupę karboksylową. I powiedzmy, że to zjonizowaliśmy.

Oto grupa kwasowa, która jest zjonizowana. Zrzuca swój proton.

Właściwie uzyskał ładunek ujemny. A teraz mamy coś, ta cząsteczka jest trochę schizoidalna. Ponieważ z jednej strony uwielbia przebywać w wodzie, az drugiej nienawidzi być w wodzie.

A to ma silne skutki. Czasami nazywa się to amfipatycznym, ale nie musimy się tym martwić. I dlatego ta głowa karboksylowa uwielbia wtykać głowę, zanurzać ją w wodzie. A te rzeczy, część alifatyczna nienawidzi być w wodzie. Teraz, w konsekwencji tych raczej sprzecznych uczuć, jakie te cząsteczki mają na temat wody, możemy zadać pytanie, co się stanie, gdy włożymy takie cząsteczki do wody? A to, co widzimy tutaj, jest następujące. Że gdybyśmy mieli na przykład skonstruować cząsteczkę tego rodzaju, która ma tutaj, w tym przypadku mówimy o cząsteczce, która ma dwa hydrofobowe ogony. Niedługo przejdziemy do jego szczegółowej struktury, ale wyobraźmy sobie przez chwilę dwa długie hydrofobowe ogony zakończone hydrofilową głową.

A w takich sytuacjach, jeśli umieścimy tysiące tych lub miliony tych cząsteczek w roztworze wody, to co wtedy zobaczymy, to brak wskaźnika? W porządku. Wskaźnik?

W porządku. Zobaczymy wtedy, że hydrofilowe grupy głów, które są tutaj przedstawione na czerwono, będą wskazywać drogę na zewnątrz, będą chciały zanurzyć głowy w wodzie.

I odwrotnie, hydrofobowe ogony uciekające z wody faktycznie kojarzą się ze sobą. Masz więc strukturę, która w tym przypadku nazywa się micelą, w której tworzysz małą kulistą kulkę, do której schowane są ogony lipidowe.

I dlatego faktycznie są chronione przed bezpośrednim kontaktem z wodą. Ta struktura na dole, dwuwarstwa lipidowa, jest w rzeczywistości, jak omówimy bardziej szczegółowo wkrótce, ogólną topologią sposobu organizacji większości błon biologicznych.

W rzeczywistości praktycznie wszystkie. Dlaczego? Ponieważ błony biologiczne oddzielają dwie przestrzenie hydrofilowe lub dwie wodne.

Dziękuję Panu. Jesteś dżentelmenem. Więc tutaj jest przestrzeń wodna i tutaj jest przestrzeń wodna. A jak widzimy, głowy hydrofilowe są zanurzone lub wbijają się w przestrzeń hydrofilową.

Nazywa się to dwuwarstwą lipidową. I, oczywiście, jest wysoce skuteczny w przypadku oddzielnych tych dwóch przedziałów wodnych.

W komórkach eukariotycznych, jak wspomniałem ostatnio, ogromną premię przykłada się do oddzielania i segregowania różnych przedziałów wodnych, co niezmiennie osiąga się dzięki urządzeniu do budowy tych dwuwarstw lipidowych. Oto pęcherzyk. Pęcherzyk jest bardziej skomplikowany niż micela. Ponieważ jeśli spojrzysz na błonę wyściełającą pęcherzyk, zobaczysz, że jest to właściwie dwuwarstwa lipidowa, ale taka, która w przestrzeni trójwymiarowej jest w rzeczywistości kulą. A w przypadku tego pęcherzyka możemy sobie wyobrazić, że woda jest przechowywana wewnątrz pęcherzyka, może być przechowywana, a na zewnątrz pęcherzyka może być przechowywana.

Wiele błon, które widzimy w samych cytoplazmach, jest w rzeczywistości skonstruowanych według tego rodzaju konstrukcji.

Kiedy więc rysujemy, na przykład, w tym przypadku aparat Golgiego, o którym wspomniałem podczas ostatniego spotkania, każda z tych membran tutaj jest oczywiście narysowana jako podwójna linia, ale za każdym razem, gdy widzisz wskazaną membranę, w tym rysunku kryje się fakt, że każda z tych membran jest w rzeczywistości dwuwarstwą. W żywych komórkach nigdy nie ma monowarstw lipidów. Każdy z tych pęcherzyków, które tutaj widzisz, jest w rzeczywistości dwuwarstwą lipidową z wodną warstwą wewnątrz i ponownie wodną na zewnątrz. Ponownie, znaczna część stabilności termodynamicznej, która pozwala pęcherzykom pozostać nienaruszonymi, a nie tylko dyfundować, jest tworzona przez te hydrofilowe i hydrofobowe siły, które wiążą takie cząsteczki ze sobą lub rozrywają je.

W rzeczywistości istnieją jeszcze inne rodzaje sił, które rządzą powinowactwem molekuł do siebie. Na przykład wyobraźmy sobie sytuację, w której mamy zjonizowaną grupę kwasową, o której przed chwilą mówiliśmy. A tak przy okazji, powiedzmy, że narysuję ujemny ładunek na jednym z tych dwóch tlenów, jeśli to widzisz. Ale prawda jest taka, że ​​elektrony roją się tam iz powrotem, a więc ujemny ładunek jest dzielony równo, ujemny ładunek jednego elektronu jest równo dzielony między te dwa atomy tlenu. I jest to oczywiście obszar wielkiej elektroujemności. Niezależnie od tego, wyobraźmy sobie, że tutaj mamy podstawową grupę, powiedzmy grupę aminową tutaj. I faktem jest, że grupy aminowe, grupy NH2, oto czym jest amina, oto grupa aminowa. To jest grupa karboksylowa.

A grupa aminowa, która jest bardzo często używana w biochemii, faktycznie ma powinowactwo. Ma niesparowany zestaw elektronów na azocie, więc lubi przyciągać do niego protony, co sprawia, że ​​nazywa się go podstawowym.

A to przyciąganie, wychwytywanie protonów, być może z wody, oczywiście da tej całej grupie dodatni ładunek netto, ładunek równy ładunkowi jednego protonu. Tutaj, po raz kolejny, możemy sobie wyobrazić, że jest to hydrofilowe, ponieważ ta grupa ładunkowa może ponownie łączyć się całkiem blisko z wodnym rozpuszczalnikiem.

Teraz, niezależnie od jakichkolwiek innych sił, które mogą tu istnieć, rzeczywiście można sobie wyobrazić sytuacje, w których występuje współdzielenie protonu.

I dlatego powstało między nimi wiązanie wodorowe. Niezależnie od tego jest proste oddziaływanie elektrostatyczne tych dwóch grup. To jest wzajemne przyciąganie się grup pozytywnych i negatywnych do siebie. W przypadku oddziaływań elektrostatycznych nie można dokładnie określić ilościowo, ile kilokalorii przypada na mol, ponieważ wartość energetyczna w oddziaływaniu elektrostatycznym jest równa jeden przez r kwadrat, gdzie r jest odległością między tymi dwiema naładowanymi grupami. I oczywiście im dalej od siebie, tym słabsze jest wzajemne przyciąganie. Istnieją również tak zwane interakcje van der Walls. W dużej mierze interesuje bardzo mała społeczność biochemików.

Prawdopodobnie nigdy, być może nigdy więcej nie usłyszysz tego terminu w swoim życiu. A interakcje van der Waalsa biorą się z faktu, że gdybyśmy mieli tu na przykład dwie cząsteczki, które normalnie nie są w żaden sposób naładowane, porozmawiajmy jeszcze raz o dwóch łańcuchach alifatycznych. I nie włożę wszystkich protonów iw ogóle, ale wyobraź sobie taką sytuację. To, co się stanie, to to, że z powodu fluktuacji elektronów, ponieważ elektrony przepływają tutaj przez cały czas, przemieszczając się z jednego obszaru do drugiego, nigdy nie są równomiernie rozłożone jednorodnie przez długi czas, będzie krótki przykład w czas, mikrosekundy lub nawet nanosekundy, kiedy akurat jest więcej elektronów tutaj niż tutaj.

Tylko przez przypadek. A ten obszar nierównego rozkładu elektronów będzie z kolei indukował odwrotny rodzaj przesunięcia elektronu w sąsiedniej cząsteczce na dole.

Oczywiście w zależności od odległości między nimi.

Ale ujemny tutaj odpycha elektrony tutaj.

Dodatni tutaj przyciągnie elektrony tutaj.

Tak więc będziecie mieli te dwa quasi-biegunowe układy tu i tutaj, bardzo efemeryczne, które trwają przez bardzo krótki, przejściowy okres czasu. Niemniej jednak wystarczające do uzyskania bardzo słabej interakcji między tymi dwiema cząsteczkami, która może trwać tylko przez mikrosekundę, a następnie zostać rozproszona, ponieważ ładunki następnie ponownie się rozprowadzą.

I w konsekwencji tego mamy bardzo słabe oddziaływania, które w wielkim schemacie rzeczy odgrywają bardzo niewielką rolę w ogólnej energii, która utrzymuje cząsteczki razem. Teraz, mając to tło na uwadze, zacznijmy się rozwijać, w jaki sposób możemy wytwarzać molekuły o ciekawych właściwościach umożliwiających im m.in. udział w budowie dwuwarstw lipidowych, które będą pierwszym obiektem naszego uwagi dzisiaj pod względem rzeczywistej biochemii.

Oto kwas tłuszczowy. Widzimy to tutaj. W efekcie już raz narysowałem tutaj strukturę kwasu tłuszczowego. I to, co widzimy, to wiązanie znane jako estryfikacja, dzięki któremu możemy stworzyć tę cząsteczkę. Więc co mam na myśli przez estryfikację? Cóż, w tym przypadku mówimy o sytuacji, w której mamy tutaj atom węgla z grupą hydroksylową. Widzisz to tutaj. Odwadniamy to, wyciągamy jedną netto cząsteczkę wody. I za każdym razem, gdy to robimy, przy trzech różnych okazjach, kończymy na tym, że zamiast tego tworzymy kowalencyjną więź między tymi dwoma.

I tak końcowym produktem odwodnienia tego, wyciągnięcia jednej netto cząsteczki wody, jest to, że otrzymujemy strukturę, która wygląda tak.

I widzicie to przy co najmniej trzech różnych okazjach, tutaj, tutaj i tutaj. Właściwie to powinienem umieścić tutaj węgiel.

Więc tutaj mamy trzy estryfikacje.

Grupa hydroksylowa w każdym przypadku reaguje z grupą karboksylową, wyciągając jedną wodę i w każdym przypadku tworząc tak zwany triacyloglicerol lub trigliceryd. Trigliceryd odnosi się do faktu, że zaczęliśmy tutaj od glicerolu, a teraz go zestryfikowaliśmy.

Tak naprawdę istnieją dwa kierunki tego rodzaju reakcji. Estryfikacja to rodzaj powiązania, który właśnie tu pokazaliśmy. A prawda jest taka, że ​​ogromna liczba wiązań biochemicznych powstaje w reakcjach estryfikacji i jest odwracana przez reakcje zwane po prostu hydrolizą.

I w tym przypadku mamy na myśli fakt, że gdyby ponownie wprowadzić cząsteczkę wody do każdego z tych trzech wiązań, jednego, dwóch i trzech, rozerwalibyśmy wiązanie i spowodowali, że cała struktura powróci do dwa prekursory, które istniały lub istniały wcześniej przed tymi trzema reakcjami estryfikacji.

I raz za razem zobaczysz, w ciągu następnych tygodni, że reakcje estryfikacji są ważne dla konstruowania różnych rodzajów cząsteczek. Faktem jest, że możemy zrobić inne rodzaje modyfikacji glicerolu, takie jak ta.

Tutaj, co zrobiliśmy, zamiast dodać trzeci kwas tłuszczowy, zwróć uwagę, co zostało zrobione tutaj. Tutaj, poprzez estryfikację, spójrzmy na tę tutaj, zamiast dodawać trzeci kwas tłuszczowy, zaoszczędziliśmy, zarezerwowaliśmy jedną z trzech grup glicerolu.

Oto, co widzieliśmy tuż przed. Uratowaliśmy jedną z trzech grup glicerolu i zamiast tego wstawiliśmy tę wysoce hydrofilową grupę fosforanową, ponownie poprzez reakcję odwodnienia, reakcję estryfikacji. A teraz dodaliśmy obrazę do kontuzji, ponieważ przy braku tego fosforanu miałby tutaj hydroksyl, który jest umiarkowanie hydrofilowy. Ale teraz spójrz, jak mocno to jest naładowane. Oto dwa ładunki ujemne, po jednym elektronu. A to już jest trochę elektroujemne.

Więc tutaj mamy niezwykle silną jednostkę hydrofilową.

I tutaj stopień schizofrenii między jednym końcem cząsteczki a drugim jest mocno przesadzony. Tutaj w rzeczywistości jest to wyjątkowo hydrofilowe.

I w konsekwencji to naprawdę lubi wsadzać głowę do wody. A kiedy mówimy o tym, rysujemy obrazy różnych rodzajów błon, tak jak to pokazałem przed dwoma ogonami. Tutaj widziałeś dwa ogony, które narysowałem wcześniej na tym schemacie.

Oto, jak możemy sobie wyobrazić, że faktycznie wyglądają w bardziej realnych kategoriach molekularnych. A hydrofilowe główki wbijające się w wodę, to tylko powtarzanie tego, co widzieliśmy wcześniej, stają się jeszcze bardziej hydrofilowe, jeśli spojrzymy na taką cząsteczkę.

Spójrzmy na to tutaj. Oto bardzo długi hydrofobowy ogon.

Oto jeszcze raz dwa gliceryny. Oto fosforan.

I pamiętaj, że fosforany oczywiście zawierają dodatkowe tlenki.

Fosforan może reagować z więcej niż jednym partnerem, glicerolem tutaj. W tym przypadku dodaliśmy tę grupę tutaj. I ta grupa tutaj jest, po raz kolejny, to jest seryna, która jest aminokwasem, to również jest dość hydrofilowa. Oto nasz stary przyjaciel podstawowa grupa aminowa. Oto grupa karboksylowa. To jest trochę hydrofobowe, CH2. I znowu mamy tu hydrofilową głowę.

I dlatego wyobrażamy sobie, jeśli spojrzymy na tak zwany model wypełniający przestrzeń, a model wypełniający przestrzeń naprawdę ma na celu pokazanie nam, co można sobie wyobrazić, mając taką wizję, której nie mamy, ile miejsca każdy z tych atomów faktycznie zająłby się, gdyby można było je zobaczyć.

I tutaj widzimy ten model wypełniania przestrzeni. Ta cząsteczka lipidu jest w rzeczywistości lekko załamana, a jej hydrofilowa głowa jest wsunięta w przestrzeń wodną. A więc tak naprawdę wygląda to, jak wiele błon biologicznych wygląda pod względem sposobu, w jaki są zbudowane.

Faktem jest, że umożliwia to również komórce segregację zawartości po jednej lub drugiej stronie każdej dwuwarstwy lipidowej, którą akurat zbudowała. I tutaj możemy zobaczyć o półprzepuszczalności, jak przepuszczalne są te błony dla różnych rodzajów cząsteczek. Przepuszczalność oczywiście odnosi się do zdolności tej błony do blokowania lub umożliwiania migracji cząsteczek z jednej strony na drugą.

Jony, a te jony, które tutaj widzimy, są oczywiście wysoce hydrofilowe ze względu na swój ładunek. To wyjaśnia, dlaczego na przykład sól kuchenna tak łatwo przechodzi do roztworu, ponieważ łatwo jonizuje się w sód, NA i CL, które następnie są chciwie wchłaniane przez cząsteczki wody.

Są to więc jony wysoce hydrofilowe. A pytanie brzmi, czy mogą przejść z jednej strony membrany na drugą?

A odpowiedź brzmi absolutnie nie lub jest wysoce nieprawdopodobna. Czemu?

Ponieważ są one tak wysoce hydrofilowe, cząsteczki wody uwielbiają gromadzić się wokół nich i tworzyć z nimi wiązania wodorowe i wiązania elektrostatyczne. A jeśli jeden z tych jonów zapuszcza się tutaj, przechodzi z obszaru, w którym jest ciepło obejmowany przez cząsteczki rozpuszczalnika, do obszaru, w którym cząsteczki te intensywnie nie lubią tych jonów. I dlatego termodynamicznie wejście któregokolwiek z tych jonów do membrany, do hydrofobowej części membrany jest bardzo niekorzystne, co sprawia, że ​​membrana jest zasadniczo, pod każdym względem praktycznym, nieprzepuszczalna. To samo można powiedzieć o glukozie, która jest węglowodanem. Porozmawiamy o tym wkrótce. Ale jest też ładnie hydrofilowy. Może również wejść do wody. W rzeczywistości może przejść. O ile mi wiadomo, tak naprawdę nie rozumie się do dziś, dlaczego dwuwarstwy lipidowe są w miarę przepuszczalne dla wody.

Powiedziałbyś, że woda nie powinna być w stanie przejść. Oczywiście nie musi mieć dodatniego lub ujemnego ładunku netto, ale fizykochemik, jeśli zapytasz ich, dlaczego woda, dlaczego woda jest w stanie przejść przez dwuwarstwy lipidowe? Powiedzą, no cóż, pracowaliśmy nad tym i otrzymamy odpowiedź w ciągu następnych pięciu lub dziesięciu lat. Powiedzieli to 40 lat temu i 30 lat temu i nadal to mówią. I tak naprawdę nie rozumiemy, dlaczego woda przepływa, co jest kłopotliwe, ponieważ tutaj jest jedna z podstawowych właściwości biochemicznych żywej materii, która jest słabo poznana. Gazy mogą przejść.

A aminokwasy, ATP, glukozo-6-fosforan, wysoce hydrofilowy, również nie mogą przejść. Zaletą tego jest to, że komórka może gromadzić duże stężenia tych cząsteczek wewnątrz lub pompować je na zewnątrz. Innymi słowy, może tworzyć duże gradienty stężeń różnych rodzajów jonów. Na przykład w wielu komórkach stężenie wapnia CA++ jest tysiąc razy wyższe na zewnątrz komórki niż wewnątrz komórki, co świadczy o tym, jak nieprzepuszczalne są te dwuwarstwowe błony lipidowe.

Faktem jest, że trochę tu przekręcam, bo w dwuwarstwie lipidowej błony komórkowej komórki, zewnętrznej błonie komórki, o której ostatnio rozmawialiśmy, są pompy jonowe, które ciągle pracują pompowanie jonów z jednej strony na drugą pokonuje niewielki wyciek, który mógł wystąpić, gdyby jon wapnia przedostał się w jednym lub drugim kierunku. W końcu zużywamy dużo energii, aby utrzymać gradienty jonów w odpowiednich stężeniach na zewnątrz i wewnątrz. W rzeczywistości praktycznie cała energia zużywana w naszym mózgu, prawie cała jest zużywana na zasilanie pomp jonowych, które stale zapewniają, że stężenia niektórych jonów na zewnątrz i wewnątrz neuronów są utrzymywane na odpowiednim poziomie .

Może więc być tak, że w rzeczywistości ponad połowa naszego obciążenia metabolicznego każdego dnia jest zużywana tylko na utrzymywanie segregacji jonów na zewnątrz i wewnątrz komórek. Na przykład potas jest na wysokim poziomie wewnątrz komórek, sód jest na wysokim poziomie na zewnątrz komórek, żeby wskazać kilka arbitralnych przykładów. Są też, tak przy okazji, jak wspomniałem ostatnio, kanały.

A kanały to w rzeczywistości tylko małe obiekty w kształcie pączka, które są umieszczane, umieszczane w dwuwarstwach lipidowych w błonach plazmatycznych i po prostu pozwalają na pasywną dyfuzję jonu przez nie, przez otwór w pączku, umożliwiając jon, więc jeśli tutaj jest dwuwarstwa lipidowa, nie pokazując swoje dwie rzeczy, tego rodzaju agregaty białkowe w kształcie pączka pozwolą na przechodzenie jonów w jednym lub drugim kierunku. I tutaj energia nie jest zużywana na umożliwienie tego przejścia. Może to być po prostu przez dyfuzję.

Jeśli po stronie dwuwarstwy lipidowej występuje wyższe stężenie jonów, a niższe po tej stronie, ta dyfuzja pozwoli jonowi na migrację przez otwór kanału jonowego z jednej strony na drugą.

W rzeczywistości, nawet jeśli nie wiąże się to z wydatkowaniem energii ze strony komórki, komórka może faktycznie wykorzystywać mechanizm bramkowania do otwierania lub zamykania tych kanałów.

Gdy kanały są zamknięte, jony nie mogą się przez nie przemieszczać.

Kiedy kanały są otwarte, wówczas dyfuzja może przejąć kontrolę i zapewnić transfer, transport jonów z jednej strony na drugą. Teraz, powiedziawszy to, możemy zacząć przyglądać się jeszcze innym strukturom wyższego poziomu.

Tutaj, nawiasem mówiąc, jest lepszy rysunek niż ten, który ci dostarczyłem.

To pochodzi z twojej książki o tym, jak wygląda pęcherzyk.

Oto jak to wygląda pod mikroskopem elektronowym, a oto jak to wygląda, gdy utalentowany, a nie nieszczęsny i beznadziejny artysta jak ja próbuje to narysować. Powiedzmy, że to nasz wstęp do lipidów i błon. Przejdźmy do kolejnej warstwy złożoności. A kolejna warstwa złożoności pod względem cząsteczek to węglowodany.

A kiedy mówimy między sobą o węglowodanach, mówimy o cząsteczce, która z grubsza ma jeden atom węgla na każdą cząsteczkę wody. I niedługo porozmawiamy o różnych rodzajach cząsteczek węglowodanów.

Oto naprawdę jedna z najważniejszych cząsteczek węglowodanów, glukoza. A co powinniśmy zwrócić uwagę na glukozę?

Cóż, pierwszą rzeczą, którą powinieneś zobaczyć, jest to, że glukoza ma sześć atomów węgla. I dlatego w konsekwencji nazywa się to heksozą. Porozmawiamy wkrótce o pentozach. Mają tylko pięć, żeby stwierdzić oczywistość. Glicerol, o którym mówiliśmy wcześniej, jest również uważany w pewnym sensie za węglowodan, ale niektórzy nazywają go triozą.

Ma tylko trzy atomy węgla. Można więc sobie wyobrazić, że w zasadzie istnieją pewne mechanizmy biochemiczne, które umożliwiają połączenie dwóch cząsteczek glicerolu ze sobą, tworząc coś w rodzaju heksozy, glukozy.

W rzeczywistości to, co widzimy na tym rysunku, naprawdę narysowanym przez was, to to, że cząsteczka heksozy nie jest tak naprawdę liniową cząsteczką w roztworze. Dzieje się tak, że z powodu różnych sił sterycznych i termodynamicznych lubi cyklizować. Wspomnę więc, że właśnie użyłem dwóch słów, o których warto wiedzieć.

Steric lub stereochemia odnosi się do trójwymiarowej struktury cząsteczki. I oczywiście stereochemia cząsteczki jest podyktowana elastycznością, z jaką uczestniczące atomy mogą tworzyć wiązania, niezależnie od tego, czy mamy atom trójwartościowy, taki jak azot, czy atom czterowartościowy, taki jak węgiel, lub jednowartościowy, taki jak wodór. A te struktury, stereochemia, jest podyktowana zarówno tym, jakie atomy są tutaj obecne, jak i względami termodynamicznymi, które powodują cyklizację tej konkretnej heksozy, a właściwie wszystkich heksoz. Kiedy mówię cyklizować, oczywiście mam na myśli uformowanie kolistej struktury. Tutaj zwracamy uwagę na jedną rzecz.

Możesz zobaczyć, jak hydroksyl tutaj faktycznie atakuje dodatnio naładowany węgiel, aby utworzyć tę cykliczną strukturę.

Widzisz, że jednym z sześciu punktów na tej sześciokątnej strukturze jest tlen. To wcale nie jest węgiel. Więc jest jeden tlen i pięć węgli. A jeden z węglach zostaje zdegradowany, wygnany poza krąg. Czasem nazywa się to nadcyklicznym, ponieważ wystaje poza krąg. I to jest struktura, w której glukoza faktycznie istnieje wewnątrz komórek. W rzeczywistości istnieją dwa alternatywne sposoby cyklizacji glukozy, niezależnie od tego, czy tlen atakuje węgiel znajdujący się na dolnej lub górnej grupie karbonylowej.

Widzisz, to daje nam dwie alternatywne struktury.

Co się w nich wyróżnia? Cóż, jeśli pomyślimy o tej heksozie jako istniejącej w płaszczyźnie, lub sześciokąt jest w płaszczyźnie, w tym przypadku tlen znajduje się nad płaszczyzną, a wodór jest poniżej płaszczyzny. Z równym prawdopodobieństwem możesz odwrócić te dwa atomy, gdzie wodór znajduje się teraz nad płaszczyzną, a hydroksyl poniżej płaszczyzny. I obie te struktury, te alternatywne struktury można śmiało uznać za glukozę. Teraz przejdźmy trochę bardziej skomplikowanie. Tutaj mamy fruktozę i galaktozę.

A tak przy okazji, widzimy, że mamy dokładnie taką samą liczbę atomów węgla, wodoru i tlenu, ale są one podłączone nieco inaczej. I tutaj zaczynamy być bardzo wybredni co do rozmieszczenia, orientacji tych różnych rodzajów hydroksyli i wodorów.

Przy okazji zauważ, że w wielu przypadkach nie wstawia się nawet H dla wodoru. Jest to po prostu sugerowane na końcu tej linii. A tutaj, gdybyś na to spojrzał, zobaczysz, że mamy teraz dwa dodatkowe węgle cykliczne.

Oto galaktoza, która jest kolejną heksozą.

To wszystko są heksozy, ale ich stereochemia tworzy zupełnie inne rodzaje struktur. I okazuje się, że ta stereochemia jest niezwykle ważna. Te cząsteczki działają bardzo różnie, jedna od drugiej.

I na przykład, o ile glukoza jest wykorzystywana w różnych rodzajach metabolizmu energetycznego, a galaktoza nie jest, muszą istnieć pewne mechanizmy biochemiczne, w których mamy katalizatory, katalizatory, które nazywamy enzymami, które zapewniają, że możemy przekształcić jedną z tych heksoz poprzez enzym w mniej użyteczną w bardziej użyteczną glukozę, która może być łatwo spalona przez maszynerię wytwarzającą energię. Tutaj przeszliśmy o kolejny rząd wielkości, bardziej złożony, ponieważ przeszliśmy od monosacharydu, tj. jednej lub drugiej heksozy, do disacharydu. A oto zwykły cukier stołowy.

I tutaj widzicie, że ponownie powstaje w wyniku reakcji estryfikacji, tj. zachodzi reakcja odwodnienia pomiędzy tym hydroksylem tutaj i tym hydroksylem tutaj.

Biochemicy bardzo poważnie traktują orientację tych grup hydroksylowych i wodorowych. Teraz możesz powiedzieć, że są trochę obsesyjne. Rzeczywiście prawdopodobnie są.

Niemniej jednak możemy przyznać, że specyficzne orientacje wszystkich tych rzeczy bardzo istotnie dyktują różnicę między tutaj, w tym przypadku sacharozą, a w tym przypadku laktozą. Dlaczego to jest ważne? Cóż, to jest cukier w cukrze mlecznym. Jest to cukier dominujący w cukrze mlecznym, laktozie. A połowa świata, jako dorośli, nie może tego wchłonąć.

Kiedy piją mleko, dzieją się wszelkiego rodzaju nieprzyjemne rzeczy. Ile osób tutaj nie toleruje laktozy? Nie ma się czego wstydzić. Jestem żoną osoby bardzo nietolerującej laktozy. Poza tym jest bardzo miła.

Faktem jest, że enzym rozkładający laktozę to enzym zwany laktazą. I tu mamy jeszcze jedną pozycję nomenklatury. Tak więc laktaza jest enzymem rozkładającym laktozę. A tak przy okazji, jest to tylko zwiastun wielu innych enzymów, o których będziemy rozmawiać w przyszłości, które kończą się na A-S-E. Podczas gdy węglowodany, wiele z nich kończy się na O-S-E, jak już wyczułeś.

Okazuje się więc, że enzym laktaza jest wytwarzany w dużych ilościach przez większość ssaków na bardzo wczesnym etapie życia. Czemu? Umiejętność rozkładania cukru zawartego w mleku matki.

Ale kiedy ssaki są odstawione od piersi, nie ma powodu, aby nadal wytwarzały laktazę, na przykład w żołądku.

W konsekwencji u większości ssaków produkcja laktazy zostaje wstrzymana w późniejszym życiu. I w przypadku jakiegoś dziwnego dziwactwa w historii ludzkości, znaczna część ludzkości nauczyła się, jak zachować zdolność do wytwarzania laktozy w wieku dorosłym. W rezultacie ludzie mogą chodzić i jeść lody do wieku 70, 80 lub 90 lat bez nadmiernego wzdęcia. I nie musimy wchodzić w szczegóły, ale możesz zacząć sobie wyobrażać. W ich żołądku następuje wyłączenie enzymu laktazy.

To zależy. Czasami tracą ją w wieku 10, 15 lub 20 lat.

A potem, przez resztę życia, kiedy mają produkt zawierający mleko, tak naprawdę mój syn też nie toleruje laktozy. Otaczają mnie ci ludzie. Znowu, poza tym jest osobą tolerancyjną, ale nie toleruje laktozy.

Więc ta cząsteczka laktozy trafi do żołądka, pozostanie niestrawiona, pozostanie disacharydem zamiast być podzielona na dwa monosacharydy.

Te dwa monosacharydy nie stanowią problemu, ponieważ można je łatwo przekształcić. Galaktozę można łatwo przekształcić w glukozę, a glukoza jest uniwersalną walutą energii węglowodanów. I tak ten disacharyd przechodzi przez żołądek w niezmienionej postaci i dostaje się do jelit, w jelicie cienkim i jelicie grubym.

Okazuje się, że w jelitach mamy więcej komórek bakteryjnych niż w reszcie ciała. Wyobraź sobie, że.

I jest wiele bakterii, które czekają w jelitach tylko na mały łyk laktozy. I nigdy tego nie dostają, ponieważ większość ludzi rozkłada laktozę na długo przed tym, zanim dostanie się do jelita.

Ale tutaj mamy tych ludzi nietolerujących laktozy.

Disacharyd dostaje się do jelita, a bakterie do miasta.

Czekają od lat, dziesięcioleci na odrobinę laktozy. A teraz w końcu przybywa i jadą do miasta, zaczynają go metabolizować, fermentują i produkują dużo gazu i innych produktów ubocznych. W konsekwencji sprawia to, że ludzie czują się bardzo niekomfortowo. Żeby ci teraz pokazać, faktem jest, że osoby z nietolerancją laktozy mogą oczywiście doskonale rozkładać sacharozę. To jedno z najlepszych źródeł energii z roślin. Ale nie mogą tego rozbić.

I podkreślam ten punkt, aby wskazać, że różnice stereochemiczne między różnymi rodzajami węglowodanów stanowią bardzo istotną różnicę. Enzym taki jak sacharaza rozkłada sacharozę, ale nie dotyka laktozy.

Więc istnieje wysoki stopień stereospecyficzności, jak to się nazywa w branży. Przechodzimy teraz do kolejnego kroku naprzód, który następnym razem zajmiemy się dużo bardziej szczegółowo.

Bo tutaj po raz pierwszy mówimy o polimeryzacji. Robimy polimery. Tam, gdzie duża liczba grup hydroksylowych na tych monosacharydach daje wiele możliwości tworzenia bardzo długich liniowych agregatów typu koniec do końca, takich jak ten, a nawet rozgałęzień bocznych. Jeśli wyobrazisz sobie, że każdy z tych hydroksyli w zasadzie reprezentuje miejsce możliwej estryfikacji, tj. tworzenia wiązania z sąsiednim łańcuchem bocznym.

Tutaj widzimy te dwa liniowe łańcuchy, a tutaj widzimy gałąź, która jest zapewniona, co jest możliwe dzięki dostępności tych niewykorzystanych hydroksylowych łańcuchów bocznych, które tylko czekają, aby wziąć udział, jeśli pozwala im na to okazja, w jakimś rodzaju reakcji estryfikacji tworząc wiązanie kowalencyjne. Oto, nawiasem mówiąc, glikogen, czyli sposób, w jaki przechowujemy dużo cukru w ​​naszej wątrobie.

Oto skrobia, którą otrzymujemy z wielu roślin. A oto kolejny bardzo interesujący polisacharyd.

Nazywa się celulozą. A my nie możemy trawić celulozy, ale termity mogą. A dlaczego mogą, jest czymś, o czym będziemy musieli poczekać do następnego razu, aby się o tym dowiedzieć. Miłego weekendu. Widzimy się w poniedziałek.


Tkanki, narządy, układy narządów i organizmy

Organizmy jednokomórkowe (jednokomórkowe) mogą funkcjonować niezależnie, ale komórki organizmów wielokomórkowych są od siebie zależne i są zorganizowane na pięciu różnych poziomach w celu koordynowania ich specyficznych funkcji i przeprowadzania wszystkich procesów biologicznych życia (patrz rysunek 2.3 &# 8220 Organizacja Życia”.

  • Komórki są podstawową jednostką strukturalną i funkcjonalną wszelkiego życia. Przykłady obejmują czerwone krwinki i komórki nerwowe. Istnieją setki rodzajów komórek. Wszystkie komórki człowieka zawierają tę samą informację genetyczną w DNA. Jednak każda komórka wyraża tylko kody genetyczne, które odnoszą się do specyficznej struktury i funkcji komórki. to grupy komórek, które mają wspólną strukturę i funkcję oraz współpracują ze sobą. Istnieją cztery podstawowe typy tkanek ludzkich: łączne, które łączą tkanki nabłonkowe, które wyścielają i chronią narządy, mięśnie, które kurczą się dla ruchu i wsparcia oraz nerwy, które reagują i reagują na sygnały z otoczenia.
  • Organy to grupa tkanek ułożonych w specyficzny sposób, aby wspierać wspólną funkcję fizjologiczną. Przykłady obejmują mózg, wątrobę i serce.
  • Układy narządów to dwa lub więcej narządów, które wspierają określoną funkcję fizjologiczną. Przykłady obejmują układ pokarmowy i ośrodkowy układ nerwowy. W ludzkim ciele znajduje się jedenaście układów narządów (patrz Tabela 2.1 „Jedenaście układów narządów w ludzkim ciele i ich główne funkcje”).
  • Organizm to kompletny żywy system zdolny do prowadzenia wszystkich biologicznych procesów życia.

Rysunek 2.3 Organizacja życia

“Poziomy organizacji ludzkiego ciała” autorstwa Laia Martinez / CC BY-SA 4.0

Tabela 2.1 Jedenaście układów narządów w ludzkim ciele i ich główne funkcje

Układ narządów Składniki narządów Główna funkcja
Układ sercowo-naczyniowy serce, naczynia krwionośne/limfatyczne, krew, limfa Transportuj składniki odżywcze i produkty odpadowe
Trawienny usta, przełyk, żołądek, jelita Trawienie i wchłanianie
Wewnątrzwydzielniczy wszystkie gruczoły (tarczyca, jajniki, trzustka) Wytwarzaj i uwalniaj hormony
Odporny białe krwinki, tkanka limfatyczna, szpik Broń się przed obcymi najeźdźcami
Pokrywający skóra, paznokcie, włosy, gruczoły potowe Ochronna, regulacja temperatury ciała
Muskularny mięśni szkieletowych, gładkich i sercowych Ruch ciała
Nerwowy mózg, rdzeń kręgowy, nerwy Interpretuje i reaguje na bodźce
Rozrodczy gonady, genitalia Cechy rozrodcze i płciowe
Oddechowy płuca, nos, usta, gardło, tchawica Wymiana gazowa
Szkieletowy kości, ścięgna, więzadła, stawy Struktura i wsparcie
Moczowy nerki, pęcherz moczowy, moczowody Wydalanie odpadów, bilans wodny

Jak dym tytoniowy powoduje choroby: Biologia i behawioralna podstawa chorób związanych z paleniem: Raport naczelnego chirurga.

W niniejszym rozdziale podsumowano stan wiedzy na temat chemii i toksykologii dymu papierosowego oraz przedstawiono dane istotne dla ocen i wniosków przedstawionych w rozdziałach niniejszego raportu dotyczących poszczególnych chorób. Literatura przejrzana w tym rozdziale ogranicza się do produkowanych papierosów i nie obejmuje publikacji na temat ręcznie robionych (samodzielnie) papierosów ani innych produktów zawierających nikotynę. Kolejna sekcja, 𠇌hemistry”, zawiera krótki opis technologii stosowanych przez producentów papierosów w ograniczonej liczbie marek papierosów sprzedawanych jako produkty o ograniczonej ekspozycji lub o niższej wydajności. Te produkty komercyjne nie spotkały się z powszechną akceptacją konsumentów. Poniższa sekcja „Biomarkery” koncentruje się na wytwarzanych papierosach do spalania tytoniu, spożywanych przez większość palaczy w Stanach Zjednoczonych i innych krajach.

Sekcja dotycząca 𠇌hemii” opisuje chemiczne składniki dymu papierosowego i zajmuje się aspektami projektowania produktu, które zmieniają składniki dymu papierosowego i czynniki wpływające na dostarczanie dymu palaczowi. W większości przypadków dane dotyczące poziomów substancji chemicznych w głównym strumieniu dymu zostały uzyskane w standardowych warunkach palenia opisanych przez amerykańską Federalną Komisję Handlu (FTC) i Międzynarodową Organizację Normalizacyjną (ISO). Te standardowe warunki to: objętość zaciągnięcia się 35 mililitrów (ml), czas zaciągnięcia się przez dwie sekundy, częstotliwość zaciągania się w ciągu jednej minuty i długość niedopałka zdefiniowana jako 23 milimetry (mm) dla papierosów bez filtra lub długość bibuły owiniętej filtrem plus 3 mm . Gdy stosowane są alternatywne schematy palenia, poziomy potencjalnie szkodliwych substancji w emisji dymu zwykle różnią się od tych mierzonych w standardowych warunkach. (Aby uzyskać więcej informacji, patrz „Dostarczanie składników chemicznych do dymu tytoniowego” w dalszej części tego rozdziału.) Kiedy ludzie palą, nie używają zaprogramowanej w maszynach do palenia objętości i częstotliwości zaciągania, a nawyki palenia różnią się znacznie w zależności od osoby. osoba i papieros na papierosa. W konsekwencji rzeczywistych narażeń i dawek składników dymu nie można wyprowadzić z wartości uzyskanych przy wędzeniu maszynowym.

Sekcja dotycząca 𠇋iomarkerów” zawiera przegląd danych in vitro i in vivo dotyczących genotoksyczności i cytotoksyczności oraz przegląd literatury na temat testów biologicznych na zwierzętach, oprócz ogólnych koncepcji biomarkerów narażenia, dawki biologicznie skutecznej i potencjalnego szkody, jako wstęp do bardziej szczegółowych opisów biomarkerów w kolejnych rozdziałach niniejszego raportu Chirurga Generalnego.

Dym papierosowy to złożona mieszanina związków chemicznych, które są związane z cząsteczkami aerozolu lub są wolne w fazie gazowej. Związki chemiczne zawarte w tytoniu mogą być destylowane do dymu lub mogą reagować, tworząc inne składniki, które są następnie destylowane do dymu. Naukowcy oszacowali, że dym papierosowy zawiera 7357 związków chemicznych z wielu różnych klas (Rodgman i Perfetti 2009). Oceniając naturę dymu tytoniowego, naukowcy muszą wziąć pod uwagę skład chemiczny, stężenia składników, wielkość cząstek i ładunek cząstek (Dube i Green 1982). Te cechy różnią się w zależności od projektu papierosa i chemicznego charakteru produktu.

Fowles i Dybing (2003) zasugerowali podejście do identyfikacji składników chemicznych w dymie tytoniowym o największym potencjale skutków toksycznych. Rozważali ryzyko raka, chorób układu krążenia i chorób serca. Stosując to podejście, badacze stwierdzili, że 1,3-butadien stanowiący zdecydowanie największe ryzyko zachorowania na raka, akroleina i aldehyd octowy mają największy potencjał podrażniania dróg oddechowych, a cyjanek, arsen i krezole są głównymi źródłami ryzyka sercowo-naczyniowego. Inne niebezpieczne klasy chemiczne obejmują inne metale, n-nitrozoaminy i wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA). Ta ocena, wraz z listą substancji biologicznie czynnych Hoffmanna (Hoffmann i Hoffmann 1998), została wykorzystana do wybrania substancji chemicznych opisanych w tym rozdziale. Inne składniki chemiczne, które mogą być szkodliwe, zostaną zidentyfikowane, gdy analiza dymu tytoniowego stanie się pełniejsza, a konstrukcja papierosów i dodatki zmienią się.


To jeden z ponad 2400 kursów na OCW. Przeglądaj materiały do ​​tego kursu na stronach, do których linki znajdują się po lewej stronie.

MIT OpenCourseWare to bezpłatna i otwarta publikacja materiałów z tysięcy kursów MIT, obejmująca cały program nauczania MIT.

Brak rejestracji lub rejestracji. Swobodnie przeglądaj i korzystaj z materiałów OCW we własnym tempie. Nie ma rejestracji ani dat rozpoczęcia ani zakończenia.

Wiedza jest twoją nagrodą. Korzystaj z OCW, aby kierować własnym uczeniem się przez całe życie lub uczyć innych. Nie oferujemy kredytu ani certyfikacji za korzystanie z OCW.

Stworzony do udostępniania. Pobierz pliki na później. Wyślij znajomym i współpracownikom. Modyfikuj, remiksuj i wykorzystuj ponownie (pamiętaj, aby jako źródło podać OCW).

O MIT OpenCourseWare

MIT OpenCourseWare to internetowa publikacja materiałów z ponad 2500 kursów MIT, swobodnie dzieląca się wiedzą z uczniami i nauczycielami na całym świecie. Dowiedz się więcej »

&skopiuj 2001&ndash2018
Instytut Technologii w Massachusetts

Korzystanie z witryny i materiałów MIT OpenCourseWare podlega naszej licencji Creative Commons i innym warunkom użytkowania.


Obejrzyj wideo: JAK POPRAWNIE STRZELAĆ NA EGZAMINIE? (Sierpień 2022).