معلومة

Winter_2021_Bis2A_Facciotti_Reading_10 - علم الأحياء

Winter_2021_Bis2A_Facciotti_Reading_10 - علم الأحياء


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.

أهداف التعلم المرتبطة بـ Winter_2021_Bis2A_Facciotti_Reading_10

  • قارن وقارن الانتشار السلبي والانتشار الميسر والنقل النشط.
  • ناقش المزايا والمفاضلات المرتبطة بالانتشار السلبي والانتشار الميسر والنقل النشط.
  • توقع خصائص مجموعات R على الأحماض الأمينية تقع في مواقع مختلفة داخل ناقلات الغشاء.
  • توقع كيف يمكن لتغيير حمض أميني معين أو مجموعة من الأحماض الأمينية داخل بروتين ناقل عبر الغشاء أن يؤثر على وظيفته.
  • فهم دور غشاء البلازما في الحفاظ على التدرجات الكيميائية والكهربائية.

طاقة النقل

جميع المواد التي تتحرك عبر الغشاء تفعل ذلك بإحدى طريقتين عامتين ، وهمايتم تصنيفهابناءً على ما إذا كانت عملية النقل طاردة للطاقة أو مفاعلة. النقل السلبي هي الحركة المفرطة للمواد عبر الغشاء. فى المقابل، النقل النشط هي الحركة endergonic للمواد عبر الغشاءيقترنلرد فعل مفرط.

النقل السلبي

النقل السلبي لا يتطلب الخليةتنفقطاقة. في النقل السلبي ، تنتقل المواد من منطقة ذات تركيز أعلى إلى منطقة تركيز أقل ، أسفلها تدرج التركيز.اعتمادًا على الطبيعة الكيميائية للمادة ، قد نربط عمليات مختلفة بالنقل السلبي.

تعريف

تعريف هي عملية نقل سلبية. تنتقل مادة واحدة من منطقة ذات تركيز عالٍ إلى منطقة تركيز منخفض حتى يتساوى التركيز عبر مساحة. أنت معتاد على انتشار المواد عبر الهواء. على سبيل المثال ، فكر في شخص يفتح زجاجة من الأمونيا في غرفة مليئة بالناس. يكون غاز الأمونيا عند أعلى تركيز له في الزجاجة ؛ أدنى تركيز له عند أطراف الغرفة. سوف ينتشر بخار الأمونيا أو ينتشر بعيدًا عن الزجاجة ؛ تدريجيا ، سوف يشم المزيد والمزيد من الناس رائحة الأمونيا أثناء انتشارها. تتحرك المواد داخل العصارة الخلوية للخلية عن طريق الانتشار ، وتتحرك مواد معينة عبر غشاء البلازما عن طريق الانتشار.

الشكل 2. يؤدي الانتشار عبر غشاء منفذ إلى نقل مادة من منطقة عالية التركيز (سائل خارج الخلية ، في هذه الحالة) إلى أسفل تدرج تركيزها (إلى السيتوبلازم). كل مادة منفصلة في وسط ، مثل السائل خارج الخلية ، لها تدرج تركيز خاص بها ، بغض النظر عن تدرجات تركيز المواد الأخرى. بالإضافة إلى ذلك ، ستنتشر كل مادة وفقًا لهذا التدرج. داخل النظام ، ستكون هناك معدلات مختلفة لانتشار المواد المختلفة في الوسط. (الائتمان: تعديل العمل بواسطة ماريانا رويز فيلاريال)
العوامل التي تؤثر على الانتشار

إذا كانت الجزيئات غير مقيدة ، فستتحرك وتستكشف الفضاء بشكل عشوائي بمعدل يعتمد على حجمها وشكلها وبيئتها وطاقتها الحرارية. هذه

نوع من

الحركة تكمن وراء الحركة المنتشرة للجزيئات عبر أي وسيط موجود فيه. ولا يعني عدم وجود تدرج تركيز أن هذه الحركة ستتوقف ، فقط أنه قد لا يكون هناك صافي حركة عدد الجزيئات من منطقة إلى أخرى ، وهي حالة تعرف باسم أ توازن ديناميكي.

تشمل العوامل التي تؤثر على الانتشار ما يلي:

  • مدى تدرج التركيز: كلما زاد الاختلاف في التركيز ، زادت سرعة الانتشار. كلما اقترب توزيع المادة من التوازن ، أصبح معدل الانتشار أبطأ.
  • شكل وحجم وكتلة الجزيئات المنتشرة: الجزيئات الكبيرة والثقيلة تتحرك ببطء أكبر ؛ لذلك ، فإنها تنتشر بشكل أبطأ. عادة ما يكون العكس صحيحًا بالنسبة للجزيئات الأصغر والأخف وزنًا.
  • درجة الحرارة: تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى زيادة الطاقة وبالتالي حركة الجزيئات ، مما يزيد من معدل الانتشار. تقلل درجات الحرارة المنخفضة من طاقة الجزيئات ، وبالتالي تقلل من معدل الانتشار.
  • كثافة المذيب: مع زيادة كثافة المذيب ، ينخفض ​​معدل الانتشار. تتباطأ الجزيئات لأنها تواجه صعوبة أكبر في الوصول إلى الوسط الأكثر كثافة. إذا كان الوسط أقل كثافة ، تزداد معدلات الانتشار. نظرًا لأن الخلايا تستخدم الانتشار لنقل المواد داخل السيتوبلازم ، فإن أي زيادة في كثافة السيتوبلازم ستقلل من معدل تحرك المواد في السيتوبلازم.
  • الذوبان: كما نوقش سابقًا ، تمر المواد غير القطبية أو القابلة للذوبان في الدهون عبر أغشية البلازما بسهولة أكبر من المواد القطبية ، مما يسمح بمعدل انتشار أسرع.
  • مساحة سطح وسماكة غشاء البلازما: زيادة مساحة السطح تزيد من معدل الانتشار ، في حين أن الغشاء السميك يقلله.
  • المسافة المقطوعة: كلما زادت المسافة التي يجب أن تقطعها المادة ، كان معدل الانتشار أبطأ. هذا يضع قيودًا عليا على حجم الخلية. تموت الخلية الكروية الكبيرة لأن العناصر الغذائية أو النفايات لا يمكنها الوصول إلى مركز الخلية أو مغادرته ، على التوالي. لذلك ، يجب أن تكون الخلايا إماصغير الحجم، كما هو الحال مع العديد من بدائيات النوى ، أوأن تكون بالارض، كما هو الحال مع العديد من حقيقيات النوى وحيدة الخلية.

سهولة النقل

في النقل الميسر، ويسمى أيضًا بالانتشار الميسر ، تنتشر المواد عبر غشاء البلازما بمساعدة بروتينات الغشاء. يوجد تدرج تركيز يسمح لهذه المواد بالانتشار داخل أو خارج الخلية بدونهاإنفاقالطاقة الخلوية. إذا كانت المواد عبارة عن أيونات أو جزيئات قطبية (مركبات ذلكصدتبواسطة الأجزاء الكارهة للماء من غشاء الخلية) ، تساعد بروتينات النقل الميسر في حماية هذه المواد من القوة الطاردة للغشاء ، مما يسمح لها بالانتشار في الخلية.

القنوات

تتم إحالة البروتينات المتكاملة المشاركة في النقل الميسر بشكل جماعيكأن نقل البروتينات، وتعمل كقنوات للمادة أو المواد الحاملة. في كلتا الحالتين ، فهي بروتينات عبر الغشاء. بروتينات القناة المختلفة لها خصائص نقل مختلفة. تطور بعضها ليكون له خصوصية عالية جدًا للمادة التي يتم نقلها بينما يقوم البعض الآخر بنقل مجموعة متنوعة من الجزيئات التي تشترك في بعض الخصائص المشتركة(س). "الممر" الداخلي بروتينات القناة تم تطويرها لتوفير حاجز طاقة منخفض لنقل المواد عبر الغشاء من خلال الترتيب التكميلي للمجموعات الوظيفية للأحماض الأمينية (لكل من العمود الفقري والسلاسل الجانبية). يسمح المرور عبر القناة للمركبات القطبية بتجنب الطبقة المركزية غير القطبية لغشاء البلازما التي من شأنها أن تبطئ أو تمنع دخولها إلى الخلية. بينما تعبر كميات كبيرة من الماء الغشاء في أي وقت من الأوقات إلى الداخل والخارج ، فإن معدل نقل جزيء الماء الفردي قد لا يكون سريعًا بما يكفي للتكيف مع الظروف البيئية المتغيرة. في مثل هذه الحالات ، طورت الطبيعة فئة خاصة من بروتينات الغشاء تسمى أكوابورينات تسمح بمرور الماء عبر الغشاء بمعدل مرتفع جدًا.

الشكل 3. ينقل النقل الميسر المواد إلى أسفل تدرجات تركيزها. قد يعبرون غشاء البلازما بمساعدة بروتينات القناة. (الائتمان: تعديل العمل لماريانا رويز فيلاريال)
تكون بروتينات القناة إما مفتوحة في جميع الأوقات أو "بوابات". يتحكم الأخير في فتح القناة.قد تشارك آليات مختلفة

في آلية البوابة. قد تكون التغييرات في "إجهاد" الغشاء المحلي أو التغيرات في الجهد عبر الغشاء محفزات لفتح أو إغلاق قناة.

تعبر الكائنات الحية والأنسجة المختلفة في الأنواع متعددة الخلايا عن بروتينات قنوات مختلفة في أغشيتها اعتمادًا على البيئات التي تعيش فيها أو الوظيفة المتخصصة التي تلعبها في الكائن الحي. يوفر هذا لكل نوع من الخلايا ملف تعريف فريد لنفاذية الغشاء يتم تطويره لاستكمال "احتياجاته" (لاحظ التجسيم). على سبيل المثال ، في بعض الأنسجة ، تمر أيونات الصوديوم والكلوريد بحرية عبر القنوات المفتوحة ، بينما في الأنسجة الأخرى ، يجب فتح البوابة للسماح بالمرور. يحدث هذا في الكلى حيث يوجد كلا الشكلين من القنوات في أجزاء مختلفة من الأنابيب الكلوية. الخلايا المشاركة في نقل النبضات الكهربائية ، مثل الخلايا العصبية والعضلية ، لديها قنوات بوابات للصوديوم والبوتاسيوم والكالسيوم في أغشيتها. يؤدي فتح وإغلاق هذه القنوات إلى تغيير التركيزات النسبية على جوانب متقابلة من غشاء هذه الأيونات ، مما يؤدي إلى تغيير في الجهد الكهربائي عبر الغشاء يؤدي إلى انتشار الرسائل مع الخلايا العصبية أو تقلص العضلات مع الخلايا العضلية.

بروتينات الناقل

نوع آخر من البروتين المضمن في غشاء البلازما هو أ البروتين الناقل. هذا البروتين المسمى بشكل مناسب يربط المادة ، وبذلك ، يؤدي إلى تغيير شكلها ، وتحريك الجزيء المرتبط من خارج الخلية إلى داخلها ؛ اعتمادًا على التدرج اللوني ، قد تتحرك المادة في الاتجاه المعاكس. عادة ما تكون البروتينات الحاملة محددة لمادة واحدة. تضيف هذه الانتقائية إلى الانتقائية الشاملة لغشاء البلازما. لا تزال آلية المقياس الجزيئي لوظيفة هذه البروتينات غير مفهومة جيدًا.

الشكل 4. بعض الموادقادرين علىتحرك لأسفل تدرج تركيزها عبر غشاء البلازما بمساعدة البروتينات الحاملة. تغير البروتينات الحاملة شكلها لأنها تحرك الجزيئات عبر الغشاء.(الإئتمان: تعديل العمل بهاماريانا رويزفيلاريال)

يلعب البروتين الناقل دورًا مهمًا في وظيفة الكلى. الجلوكوز والماء والأملاح والأيونات والأحماض الأمينية التي يحتاجها الجسميتم تصفيتهافي جزء واحد من الكلية. هذا المرشح الذي يشمل الجلوكوز ،ثم يعاد امتصاصهفي جزء آخر من الكلى بمساعدة البروتينات الحاملة. نظرًا لوجود عدد محدود فقط من البروتينات الحاملة للجلوكوز ، إذا كان هناك جلوكوز في المرشح أكثر مما تستطيع البروتينات التعامل معه ، فإن الزيادةلا يعاد امتصاصهويفرزمن الجسم في البول. في الفرد المصاب بالسكري ،هذا موصوفمثل "سكب الجلوكوز في البول". مجموعة مختلفة من البروتينات الحاملة تسمى بروتينات نقل الجلوكوز ، أو GLUTs ،متورطونفي نقل الجلوكوز والسكريات السداسية الأخرى عبر أغشية البلازما داخل الجسم.

تنقل البروتينات القناة والبروتينات الحاملة المواد بمعدلات مختلفة. تنتقل بروتينات القناة بسرعة أكبر بكثير من البروتينات الحاملة. تسهل بروتينات القناة الانتشار بمعدل عشرات الملايين من الجزيئات في الثانية ، بينما تعمل البروتينات الحاملة بمعدل ألف إلى مليون جزيء في الثانية.

النقل النشط

النقل النشط تتطلب الآليات استخدام طاقة الخلية ، عادة في شكل أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP). إذا كان لابد من انتقال مادة إلى الخلية مقابل تدرج تركيزها - أي إذا كان تركيز المادة داخل الخلية أكبر من تركيزها في السائل خارج الخلية (والعكس صحيح) - فيجب على الخلية استخدام الطاقة لتحريك المادة. تقوم بعض آليات النقل النشطة بنقل المواد ذات الوزن الجزيئي الصغير ، مثل الأيونات ، عبر الغشاء. آليات أخرى تنقل جزيئات أكبر بكثير.

التحرك ضد الانحدار

لتحريك المواد عكس التركيز أو التدرج الكهروكيميائي ، يجب أن تستخدم الخلية الطاقة. يحصد الناقلون هذه الطاقة من ATP المتولدة من خلال عملية التمثيل الغذائي للخلية. آليات النقل النشطة ، تسمى مجتمعة مضخات، تعمل ضد التدرجات الكهروكيميائية. تمر المواد الصغيرة باستمرار عبر أغشية البلازما. يحافظ النقل النشط على تركيزات الأيونات والمواد الأخرى التي تحتاجها الخلايا الحية في مواجهة هذه الحركات السلبية. قد يكون هناك الكثير من إمداد الخلية بالطاقة الأيضيةتنفقالحفاظ على هذه العمليات. (تُستخدم معظم الطاقة الأيضية لخلايا الدم الحمراء للحفاظ على عدم التوازن بين مستويات الصوديوم والبوتاسيوم الخارجية والداخلية التي تتطلبها الخلية.) نظرًا لأن آليات النقل النشطة تعتمد على استقلاب الخلية للطاقة ، فهي حساسة للعديد من السموم الأيضية التي تتداخل مع توريد ATP.

توجد آليتان لنقل المواد ذات الوزن الجزيئي الصغير والجزيئات الصغيرة. النقل النشط الأساسي يحرك الأيونات عبر الغشاء ويحدث فرقًا في الشحنة عبر هذا الغشاء ، والذي يعتمد بشكل مباشر على ATP. النقل النشط الثانوي يصف حركة المواداجبة إلىالتدرج الكهروكيميائي الذي تم إنشاؤه بواسطة النقل النشط الأولي الذي لا يتطلب ATP بشكل مباشر.

البروتينات الحاملة للنقل النشط

يعد تكيف الغشاء المهم للنقل النشط هو البروتينات أو المضخات الحاملة المحددة لتسهيل الحركة: هناك ثلاثة أنواع من هذه البروتينات أو الناقلون. أ أحادي القارب يحمل أيونًا أو جزيءًا محددًا. أ المتناغم يحمل اثنين من الأيونات أو الجزيئات المختلفة ، وكلاهما في نفس الاتجاه. ان مضاد الحمى يحمل أيضًا اثنين من الأيونات أو الجزيئات المختلفة ، ولكن في اتجاهات مختلفة. يمكن لهذه الناقلات أيضًا نقل جزيئات عضوية صغيرة غير مشحونة مثل الجلوكوز.تم العثور على هذه الأنواع الثلاثة من البروتينات الحاملة أيضًافي الانتشار الميسر ، لكنها لا تتطلب ATP للعمل في هذه العملية. بعض الأمثلة على مضخات النقل النشط هينا++ ATPase الذي يحمل أيونات الصوديوم والبوتاسيوم و H++ ATPase ، الذي يحمل أيونات الهيدروجين والبوتاسيوم. كلاهمامضاد الحمىبروتينات الناقل. نوعان آخران من البروتينات الحاملة هما Ca2+ATPase و H.+ ATPase ، التي تحمل الكالسيوم فقط وأيونات الهيدروجين فقط ، على التوالي. كلاهما مضخات.

الشكل 5. يحمل أحادي القارب جزيء أو أيونًا واحدًا. يحمل المتناظر جزيئين أو أيونات مختلفة ، كلاهما في نفس الاتجاه. يحمل مضاد الحمى أيضًا جزيئين أو أيونات مختلفة ، ولكن في اتجاهات مختلفة. (الائتمان: تعديل العمل بواسطة "Lupask" / ويكيميديا ​​كومنز)

النقل النشط الأساسي

في النقل النشط الأولي ، الطاقةغالبا- بالرغم من عدمفقط- مشتقمباشرة من التحلل المائي لـ ATP. في كثير من الأحيان ، يسمح النقل النشط الأولي ، مثل ذلك الموضح أدناه ، والذي يعمل على نقل أيونات الصوديوم والبوتاسيوم ، بحدوث النقل النشط الثانوي (تمت مناقشته في القسم أدناه).لا يزال يعتبر طريقة النقل الثانيةنشط لأنه يعتمد على استخدام الطاقة من النقل الأساسي.

الشكل 6. يحرك النقل النشط الأساسي الأيونات عبر الغشاء ، مما يخلق تدرجًا كهروكيميائيًا (النقل الكهربائي). (الائتمان: تعديل العمل لماريانا رويز فيلاريال)

تعد مضخة الصوديوم والبوتاسيوم (Na++ ATPase) ، الذي يحافظ على التدرج الكهروكيميائي (والتركيزات الصحيحة لـنا+وك+) في الخلايا الحية. تتحرك مضخة الصوديوم والبوتاسيوم K.+ في الخلية أثناء تحريك Na+ خارجفي نفس الوقت،بنسبة ثلاثة Na+ لكل اثنين ك+ انتقلت الأيونات فيها+-ك+ATPaseيوجد في شكلين اعتمادًا على اتجاهه نحو الداخل أو الخارج للخلية وتقاربها مع أيونات الصوديوم أو البوتاسيوم. تتكون العملية من الخطوات الست التالية.

  1. مع توجيه الإنزيم نحو الجزء الداخلي للخلية ، يكون للناقل تقارب كبير لأيونات الصوديوم. ترتبط ثلاثة أيونات بالبروتين.
  2. ATPيتحلل بالماءبواسطة حامل البروتين وترتبط به مجموعة فوسفات منخفضة الطاقة.
  3. نتيجة لذلك ، يغير الناقل شكله ويعيد توجيه نفسه نحو الجزء الخارجي من الغشاء. تقل ألفة البروتين للصوديوم وتغادر أيونات الصوديوم الثلاثة الحامل.
  4. يؤدي تغيير الشكل إلى زيادة تقارب الناقل لأيونات البوتاسيوم ، ويرتبط اثنان من هذه الأيونات بالبروتين. بعد ذلك ، تنفصل مجموعة الفوسفات منخفضة الطاقة عن الناقل.
  5. مع إزالة مجموعة الفوسفات وإرفاق أيونات البوتاسيوم ، يعيد البروتين الحامل وضعه نحو داخل الخلية.
  6. البروتين الحامل ، في تكوينه الجديد ، لديه تقارب منخفض للبوتاسيوم ، ويطلق الأيونات في السيتوبلازم. يمتلك البروتين الآن تقاربًا أكبر مع أيونات الصوديوم ، وتبدأ العملية مرة أخرى.

حدثت عدة أشياء بسبب هذه العملية. يوجد عدد أكبر من أيونات الصوديوم خارج الخلية أكثر من الداخل وأيونات البوتاسيوم بالداخل أكثر من الخارج. لكل ثلاثة أيونات من الصوديوم تتحرك للخارج ، يتحرك اثنان من أيونات البوتاسيوم إلى الداخل. ينتج عن ذلك أن يكون الجزء الداخلي أكثر سالبة قليلاً بالنسبة إلى الخارج. هذا الاختلاف في المسؤولية مهم في تهيئة الظروف اللازمة للعملية الثانوية. وبالتالي ، فإن مضخة الصوديوم والبوتاسيوم هي مضخة كهربائية (مضخة تخلق عدم توازن في الشحن) ، مما يؤدي إلى اختلال التوازن الكهربائي عبر الغشاء ويساهم في إمكانات الغشاء.

رابط للتعلم

قم بزيارة الموقع لمشاهدة محاكاة النقل النشط في ATPase الصوديوم والبوتاسيوم.

النقل النشط الثانوي (شارك-المواصلات)

يجلب النقل النشط الثانوي أيونات الصوديوم ، وربما مركبات أخرى ، إلى الخلية. نظرًا لأن تركيزات أيون الصوديوم تتراكم خارج غشاء البلازما بسبب عمل عملية النقل الأولية النشطة ، يتم إنشاء تدرج كهروكيميائي. إذا كان بروتين القناة موجودًا ومفتوحًا ، فستعود أيونات الصوديوم عبر الغشاء أسفل التدرج اللوني. تُستخدم هذه الحركة لنقل المواد الأخرى التي يمكن أن تلتصق ببروتين النقل عبر الغشاء. تدخل العديد من الأحماض الأمينية والجلوكوز إلى الخلية بهذه الطريقة. تُستخدم هذه العملية الثانوية أيضًا لتخزين أيونات الهيدروجين عالية الطاقة في الميتوكوندريا في الخلايا النباتية والحيوانية لإنتاج ATP. يتم ترجمة الطاقة الكامنة التي تتراكم في أيونات الهيدروجين المخزنة إلى طاقة حركية حيث تتدفق الأيونات عبر بروتين القناة سينسيز ATP ، وتستخدم هذه الطاقة لتحويل ADP إلى ATP.

الشكل 7. يمكن للتدرج الكهروكيميائي ، الذي تم إنشاؤه بواسطة النقل النشط الأولي ، تحريك المواد الأخرى ضد تدرجات تركيزها ، وهي عملية تسمى النقل المشترك أو النقل النشط الثانوي. (الائتمان: تعديل العمل لماريانا رويز فيلاريال)

Winter_2021_Bis2A_Facciotti_Reading_10 - علم الأحياء

  • مجلة التحقيقات السريرية
  • أشرطة فيديو
  • المجموعات
  • تفاصيل المجلة
يقيد Baricitinib خلل التنظيم المناعي في المرضى الذين يعانون من COVID-19 الحاد

يقيد Baricitinib خلل التنظيم المناعي في المرضى الذين يعانون من COVID-19 الحاد

الملخص

معلومات أساسية المرضى المصابون بمرض فيروس كورونا 2019 (COVID-19) يصابون بالالتهاب الرئوي المرتبط عمومًا بمرض اللمفاويات والاستجابة الالتهابية الشديدة بسبب إطلاق السيتوكين غير المنضبط. يتم تنظيم هؤلاء الوسطاء نسبيًا بواسطة مسارات إشارات JAK / STAT ، والتي يمكن تعطيلها بواسطة جزيئات صغيرة. الطرق عالجنا مجموعة من المرضى (ن = 20) باستخدام الباريسيتينيب وفقًا لاستخدام الدواء خارج التسمية.صُممت الدراسة على أنها تجربة قائمة على الملاحظة وطولية وتمت الموافقة عليها من قبل لجنة الأخلاقيات المحلية. عولج المرضى بـ 4 ملغ من الباريسيتينيب مرتين يومياً لمدة يومين ، تليها 4 ملغ يومياً لمدة 7 أيام المتبقية. تم تقييم التغيرات في النمط الظاهري المناعي والتعبير عن STAT3 الفسفوري (p-STAT3) في خلايا الدم وربطها بمستويات السيتوكينات المشتقة من المصل والأجسام المضادة ضد المتلازمة التنفسية الحادة الوخيمة - فيروس كورونا 2 (مضاد - SARS-CoV-2). في مريض واحد تم علاجه ، قمنا أيضًا بتقييم التغيير في النشاط الوظيفي للخلايا النخاعية. من ترددات الخلايا T و B المتداولة ، وزيادة إنتاج الأجسام المضادة ضد بروتين السارس SARS-CoV-2 ، وكلها مرتبطة سريريًا بتقليل الحاجة إلى العلاج بالأكسجين وزيادة تدريجية في P / F (PaO2 ، الأكسجين الضغط الجزئي / نسبة FiO2 ، جزء من الأكسجين المستوحى) الخلاصة تشير هذه البيانات إلى أن الباريتسينيب منع التقدم إلى شكل حاد وشديد من المرض الفيروسي عن طريق تعديل المشهد المناعي للمرضى وأن هذه التغييرات كانت مرتبطة بمزيد من الأمان والأكثر ملاءمة. النتائج السريرية لمرضى الالتهاب الرئوي COVID-19.

المؤلفون

فينسينزو برونتي ، ستيفانو أوجيل ، إليسا تيناتزي ، أنطونيو فيلا ، فرانشيسكو دي سانكتيس ، ستيفانيا كاني ، فيرونيكا باتاني ، روزاليندا تروفاتو ، أليساندرا فيوري ، فارفارا بيتروفا ، فرانشيسكا هوفر ، روزا ماريا باروني ، كيارا موسيو ، سيمون كاليجولا ، لورا بيرونتون ، إنريكو بولاتي ، كاتيا دوناديلو ، سيمونيتا فريسو ، فرانشيسكا بيزولو ، مانويلا إيزي ، فيديريكا فاكيوتي ، بيير جوزيبي بيليتشي ، دانييلا ريجيتي ، باولو باتزوني ، ماراليزا رامبودا ، أندريا كوميل ، والتر موسانير ، كلاوديو لوناردي ، أوليفييه

هذا الملف بتنسيق Adobe Acrobat (PDF). إذا لم تقم بتثبيت Adobe Acrobat Reader وتكوينه على نظامك.


عبر الإنترنت من خلال برنامج مؤتمرات الفيديو

  1. الواجبات المنزلية: 40٪
  2. عرض الورقة العلمية: 20٪
  3. عروض مشروع الدورة: 20٪
  4. تقرير المشروع النهائي: 20٪

يتم توفير تفاصيل إضافية حول نظام الدرجات في هذا الجدول (انظر كلا علامتي التبويب).

سياسة الدرجات: نظرًا للخلفية التعليمية المتنوعة للطلاب في GEN242 ، تم تصميم جميع المهام بحيث تكون قابلة للحل من قبل الطلاب من كل من التخصصات التجريبية والكمية ، بما في ذلك أولئك الذين ليس لديهم خبرة سابقة في البرمجة و / أو نمذجة البيانات أو لديهم خبرة محدودة فقط. تم إعطاء وزن كل مكون من المكونات الأربعة القابلة للتقدير في هذه الفئة أعلاه بالنسبة المئوية. (1) تشمل الواجبات المنزلية 8-10 مهام في جميع أنحاء الفصل. وهي تغطي الخوارزميات ومشكلات برمجة تحليل البيانات باستخدام لغة R. يعتمد تصنيف هذه المهام بشكل أساسي على صحة رمز التحليل وإمكانية استنساخه وإعادة استخدامه. (2-4) سيعمل الطلاب على مشروع تحدي (فرديًا أو جماعيًا) يعالج مشكلة تحليل بيانات محددة في علوم بيانات الجينوم. كجزء من مشروعهم ، سيقدم الطلاب ورقة علمية (2) وثيقة الصلة بمشروعهم (انظر قائمة القراءة للحصول على التفاصيل). نتائج مشاريع التحدي (3) سيتم تقديمه ومناقشته من قبل كل طالب في نهاية الدورة. بالإضافة إلى ذلك ، سيكتب كل طالب تقرير تحليل مفصل (4) من مشروع الدورة المعينة. سيتم كتابة الأخير بأسلوب المنشور العلمي ويجب أن يتضمن وصفًا تفصيليًا للنتائج بما في ذلك جميع رموز التحليل لإعادة إنتاج نتائج المشروع بالكامل متبوعة بمناقشة نقدية للنتائج. تصنيف كل من الورقة والعروض التقديمية للمشروع (2-3) يتضمن ملاحظات مجهولة المصدر من جميع الطلاب بالإضافة إلى المعلم ، حيث يكون فهم المادة ووضوح العروض التقديمية الشفوية والتفكير النقدي هي معايير الدرجات الرئيسية. تقارير المشروع النهائية (4) سيصنف من قبل المدرب مع التركيز على الدقة العلمية والترميزية ، والفهم العام للموضوع ، فضلا عن استنساخ النتائج.


Winter_2021_Bis2A_Facciotti_Reading_10 - علم الأحياء

الذرات هي اللبنات الأساسية للجزيئات الموجودة في الكون & # 8212 الهواء والتربة والمياه والصخور. . . وكذلك خلايا جميع الكائنات الحية. في هذا النموذج للجزيء العضوي ، تظهر ذرات الكربون (الأسود) والهيدروجين (الأبيض) والنيتروجين (الأزرق) والأكسجين (الأحمر) والكبريت (الأصفر) في الحجم الذري النسبي. تمثل قضبان الفضة روابط كيميائية. (الائتمان: تعديل العمل من قبل كريستيان جوتييه)

هيكل الذرة

الذرة هي أصغر وحدة من المادة التي تحتفظ بجميع الخصائص الكيميائية للعنصر. العناصر هي أشكال مادة لها خواص كيميائية وفيزيائية معينة لا يمكن تقسيمها إلى مواد أصغر بالتفاعلات الكيميائية العادية.

تتطلب الكيمياء التي تمت مناقشتها في BIS2A استخدام نموذج للذرة. في حين أن هناك نماذج أكثر تعقيدًا ، فإن النموذج الذري المستخدم في هذه الدورة يتكون من ثلاث جسيمات دون ذرية ، البروتون ، والنيوترون ، والإلكترون. توجد النيوترونات والبروتونات في مركز الذرة في منطقة تسمى النواة بينما تدور الإلكترونات حول النواة في مناطق تسمى المدارات ، كما هو موضح أدناه. الاستثناء الوحيد لهذا الوصف هو ذرة الهيدروجين (H) ، والتي تتكون من بروتون واحد وإلكترون واحد بدون نيوترونات. يتم تخصيص عدد ذري ​​للذرة بناءً على عدد البروتونات في النواة.

الشحنة والكتلة وموقع الجسيمات دون الذرية يوضح هذا الجدول شحنة وموقع ثلاث جسيمات دون ذرية - النيوترون والبروتون والإلكترون. AMU = وحدة الكتلة الذرية (ويعرف أيضًا باسم دالتون - الرمز دا) - يُعرَّف هذا على أنه ما يقرب من اثني عشر كتلة ذرة كربون متعادلة أو 1.660538921 (73) & # 21510 & # 872227 كجم. هذه هي كتلة البروتون أو النيوترون تقريبًا.
البروتونات والنيوترونات والإلكترونات
الشحنة الكتلة (amu) موقع
بروتون +1 1 نواة
نيوترون 0 1 نواة
إلكترون 𔂿 0 المدارات

تتكون العناصر ، مثل الهيليوم ، الموضحة هنا ، من ذرات. تتكون الذرات من البروتونات والنيوترونات الموجودة داخل النواة والإلكترونات المحيطة بالنواة في مناطق تسمى المدارات. (ملاحظة: هذا الشكل يصور نموذج بور للذرة - يمكننا استخدام شكل جديد مفتوح المصدر يصور نموذجًا أكثر حداثة للمدارات. إذا وجد أي شخص واحدًا ، فيرجى إعادة توجيهه.)

إذا أخذنا في الحسبان الأحجام النسبية للبروتونات والنيوترونات والإلكترونات ، فإن معظم حجم الذرة & # 8212 أكبر من 99 بالمائة & # 8212 هو ، في الواقع ، مساحة فارغة!

مقاطع فيديو لمراجعة التركيب الذري ، تحقق من مقطع فيديو You-tube هذا: التركيب الذري.

يتم تحديد خصائص المواد الحية وغير الحية إلى حد كبير من خلال تكوين وتنظيم العناصر المكونة لها. هناك خمسة عناصر مشتركة بين جميع الكائنات الحية: الأكسجين (O) والكربون (C) والهيدروجين (H) والفوسفور (P) والنيتروجين (N).

جدول يوضح وفرة العناصر في جسم الإنسان. مخطط دائري يوضح العلاقات بوفرة بين العناصر الأربعة الأكثر شيوعًا.

الائتمان: بيانات من ويكيبيديا (http://en.wikipedia.org/wiki/Abundance_of_the_chemical_elements) مخطط تم إنشاؤه بواسطة Marc T. Facciotti

الجدول الدوري

يتم تنظيم العناصر المختلفة وعرضها في الجدول الدوري. صُمم الجدول الكيميائي الروسي ديمتري مندليف (1834 & # 82111907) في عام 1869 ، ويجمع الجدول العناصر التي تشترك في خصائص كيميائية معينة بسبب بعض القواسم المشتركة في تركيبها الذري. يعتبر التركيب الذري للعناصر مسؤولاً عن خواصها الفيزيائية بما في ذلك ما إذا كانت موجودة كغازات أو مواد صلبة أو سوائل في ظل ظروف محددة وتفاعلها الكيميائي ، وهو مصطلح يشير إلى قدرتها على الاندماج والارتباط الكيميائي مع بعضها البعض وعناصر أخرى .

في الجدول الدوري ، الموضح أدناه ، يتم تنظيم العناصر وعرضها وفقًا لعددها الذري ويتم ترتيبها في سلسلة من الصفوف والأعمدة بناءً على الخصائص الكيميائية والفيزيائية المشتركة. بالإضافة إلى توفير العدد الذري لكل عنصر ، يعرض الجدول الدوري أيضًا العنصر & # 8217s الكتلة الذرية. بالنظر إلى الكربون ، على سبيل المثال ، يظهر رمزه (C) واسمه ، بالإضافة إلى الرقم الذري ستة (في الزاوية اليسرى العلوية التي تشير إلى عدد البروتونات في النواة المحايدة) وكتلته الذرية 12.11 (المجموع من كتلة الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات).

يوضح الجدول الدوري الكتلة الذرية والعدد الذري لكل عنصر. يظهر الرقم الذري أعلى رمز العنصر وتظهر الكتلة الذرية التقريبية تحته.

يمكن أن يعمل الجدول الدوري كأداة لاستنتاج خصائص محددة لمجموعات من العناصر مثل التفاعل. تعتمد الاختلافات في التفاعل الكيميائي بين العناصر على العدد والتوزيع المكاني لذرة & # 8217 إلكترونات. الذرات التي تتفاعل كيميائيا وتترابط مع بعضها البعض تشكل جزيئات. الجزيئات هي ببساطة ذرتان أو أكثر مرتبطتان كيميائيًا معًا. عندما تشكل ذرتان رابطة كيميائية لتكوين جزيء ، تصبح إلكتروناتها مشتركة بين النواتين.

التفاعلات الكيميائية

تكون جميع العناصر أكثر ثباتًا عندما تمتلئ غلافها الخارجي بالإلكترونات وفقًا لقاعدة الثمانيات. هذا لأنه من المفضل بقوة أن تكون الذرات في هذا التكوين وتجعلها مستقرة. ومع ذلك ، نظرًا لأنه لا تحتوي جميع العناصر على ما يكفي من الإلكترونات لملء غلافها الخارجي ، فإن الذرات تشكل روابط كيميائية مع ذرات أخرى وبالتالي الحصول على الإلكترونات التي تحتاجها لتحقيق تكوين إلكتروني ثابت. عندما تترابط ذرتان أو أكثر كيميائيًا مع بعضهما البعض ، فإن التركيب الكيميائي الناتج هو جزيء. جزيء الماء المألوف ، H2يتكون O من ذرتين من الهيدروجين وذرة أكسجين واحدة تترابطان معًا لتكوين الماء ، كما هو موضح أدناه. يمكن للذرات تكوين جزيئات عن طريق التبرع بالإلكترونات أو قبولها أو مشاركتها لملء غلافها الخارجي. (ملاحظة للمدربين: EDT)

قد تترابط ذرتان أو أكثر مع بعضهما البعض لتشكيل جزيء. عندما يتشارك اثنان من الهيدروجين والأكسجين الإلكترونات عبر الروابط التساهمية ، يتشكل جزيء الماء.

تحدث التفاعلات الكيميائية عندما تترابط ذرتان أو أكثر معًا لتكوين جزيئات أو عندما تتفكك الذرات المترابطة. تسمى المواد المستخدمة في بداية تفاعل كيميائي بالمواد المتفاعلة (توجد عادةً في الجانب الأيسر من المعادلة الكيميائية) ، وتعرف المواد الموجودة في نهاية التفاعل باسم المنتجات (توجد عادةً في الجانب الأيمن من معادلة كيميائية). عادةً ما يتم رسم سهم بين المواد المتفاعلة والنواتج للإشارة إلى اتجاه التفاعل الكيميائي ، فإن هذا الاتجاه ليس دائمًا & # 8220 شارع أحادي الاتجاه. & # 8221

يمكن لبعض التفاعلات الكيميائية ، مثل تلك الموضحة أعلاه ، أن تستمر في اتجاه واحد حتى يتم استخدام جميع المواد المتفاعلة. عندما نصور التفاعلات بسهم أحادي الاتجاه (أحادي الاتجاه) يُطلق عليه اسم لا رجوع فيه ويفترض أنه يسير في اتجاه واحد (الاتجاه العكسي غير مرجح للغاية). ردود الفعل العكسية هي تلك التي يمكن أن تستمر في أي اتجاه. في التفاعلات العكوسة ، يتم تحويل المواد المتفاعلة إلى منتجات ، ولكن عندما يتجاوز تركيز المنتج حدًا معينًا (خاصية مميزة لتفاعل معين) ، سيتم تحويل بعض هذه المنتجات مرة أخرى إلى مواد متفاعلة. يستمر هذا ذهابًا وإيابًا حتى يحدث توازن نسبي معين بين المواد المتفاعلة والمنتجات & # 8212a حالة تسمى التوازن. غالبًا ما يتم الإشارة إلى حالات التفاعلات العكوسة هذه بواسطة معادلة كيميائية ذات سهم مزدوج الرأس يشير إلى كل من المواد المتفاعلة والمنتجات. (ملاحظة للمدربين: EDT)

على سبيل المثال ، في دم الإنسان ، ترتبط أيونات الهيدروجين الزائدة (H +) بأيونات البيكربونات (HCO).3 -) تكوين حالة توازن مع حمض الكربونيك (H2كو3). إذا تمت إضافة حمض الكربونيك إلى هذا النظام ، فسيتم تحويل جزء منه إلى بيكربونات وأيونات الهيدروجين.

ومع ذلك ، نادرًا ما يتم الحصول على التوازن في التفاعلات البيولوجية لأن تركيزات المواد المتفاعلة أو المنتجات أو كليهما تتغير باستمرار ، وغالبًا ما يكون ناتج تفاعل واحد متفاعلًا مع آخر. للعودة إلى مثال أيونات الهيدروجين الزائدة في الدم ، سيكون تكوين حمض الكربونيك هو الاتجاه الرئيسي للتفاعل. ومع ذلك ، يمكن لحمض الكربونيك أيضًا أن يترك الجسم كغاز ثاني أكسيد الكربون (عن طريق الزفير) بدلاً من تحويله مرة أخرى إلى أيون بيكربونات ، مما يؤدي إلى رد الفعل إلى اليمين بموجب القانون الكيميائي المعروف باسم قانون العمل الجماعي. ردود الفعل هذه مهمة للحفاظ على توازن دمائنا. (ملاحظة للمدربين: EDT)

C6H12O6 + O2 - & gt CO2 + H2O باستخدام هذه المعادلة ، أي من المواد المتفاعلة التالية؟

  1. C6H12O6
  2. ثاني أكسيد الكربون
  3. H2O
  4. O2
  5. على حد سواء أ و ب
  6. كلا من أ و د
  7. كل ما ورداعلاه

تمرين 2: قراءة تفاعل كيميائي ماذا يمكنك أن تقول أيضًا عن التفاعل أعلاه؟
ما هي المنتجات؟
هل رد الفعل قابل للعكس؟
ما المركب الذي يرمز إليه C6H12O6؟
سيُطلب منك في الفصل أن تصف التفاعلات الكيميائية البسيطة والمعقدة. تأكد من ممارسة هذه المهارة مع زملائك في الفصل.

كهرسلبية

يتم تعريف الكهربية على أنها ميل ذرة في جزيء لجذب الإلكترونات إلى نفسها. تم تطوير العديد من مقاييس الكهربية ، أحد المقاييس الأكثر استخدامًا تم إنشاؤه بواسطة Linus Pauling ، كما هو موضح أدناه. كلما زاد الرقم على المقياس ، كان هذا العنصر أكثر كهربيًا. بهذه الطريقة ، يمكن مقارنة العناصر مع بعضها البعض بناءً على ميلها لجذب الإلكترونات.

الكيميائي الأمريكي لينوس كارل بولينج (1901 & # 82111994) بجانب قيم باولينج الكهربية المختارة.

ميزة مقياس باولينج الكهربية هو أنه يسمح بالتنبؤ بالسلوك العام. عند مقارنة قيم الكهربية بين ذرتين ، كلما كانت القيمة أكبر ، زادت قوة "الجذب" على الإلكترونات وكلما زادت "الطابع الأيوني" الذي يمتلكه التفاعل أو الرابطة. على سبيل المثال ، دعنا نقارن الكهربية لـ O (3.5) و H (2.1). نظرًا لأن O لديها كهرسلبية أعلى ، فإن O سوف تميل إلى "سحب" الإلكترونات من H مما يؤدي إلى ارتفاع شحنة سالبة طفيفة ولكنها مهمة حول ذرة O (بسبب ارتفاع ميل الإلكترونات إلى الارتباط بذرة O). ينتج عن هذا أيضًا شحنة موجبة طفيفة حول ذرة H (بسبب انخفاض احتمال العثور على إلكترون بالقرب من). الكهرسلبية ، الميل لجذب الإلكترونات هو الذي يؤدي إلى مفهوم القطبية وثنائي القطب. وبالتالي ، فإن رابطة H-O (3.5 - 2.1 = 1.4) هي أكثر قطبية من رابطة H-S (2.5 & # 8211 2.1 = 0.4).

الجدول الدوري مع الكهربية لكل ذرة مدرجة.

أخيرًا ، يمكننا استخدام الجدول الدوري للحصول على فكرة عامة عن قوة أو ضعف كهرسلبية الذرة. تميل تلك الذرات ذات القدرة الكهربية الأقوى إلى الإقامة في الزاوية اليمنى العلوية من الجدول الدوري ، مثل الفلور (F) والأكسجين (O) والكلور (Cl) بينما تميل الذرات ذات القدرة الكهربية الأقل إلى التواجد في الطرف الآخر من الجدول ، في أسفل اليسار ، مثل الفرانسيوم (الاب ، 0.7) ، السيزيوم (Cs ، 0.79) والراديوم (رع ، 0.89). يمكن العثور على مزيد من المعلومات حول الكهربية في موقع UC Davis chemwiki: UC Davis Chemwiki Electronegativity

تتمثل العواقب الرئيسية للسلبية الكهربية التي نوقشت في هذه الفئة في تأثيرات الكهربية على أنواع الروابط أو خصائص الروابط التي تحدث بين الذرات. يناقش القسم التالي الروابط الأيونية والروابط التساهمية والروابط الهيدروجينية. يتأثر كل نوع من أنواع الروابط هذه بالقدرة الكهربية للذرات المعنية.

باستخدام الجدول الدوري ، تزداد الكهربية مثل

  1. تنتقل من أعلى البرج إلى أسفله
  2. تنتقل من الأسفل إلى الأعلى
  3. وأنت تنتقل من الأسفل إلى الأعلى ، من اليسار إلى اليمين
  4. وأنت تنتقل من الأعلى إلى الأسفل ، من اليمين إلى اليسار
  5. لا شيء مما بالأعلى

باستخدام جدول دوري ، رتب الذرات التالية من الأكثر إلى الأقل كهرسلبية: N ، P ، O ، F

الرابطة الأيونية

تتشكل الروابط الأيونية بين الأيونات ذات الشحنات المعاكسة. على سبيل المثال ، تترابط أيونات الصوديوم موجبة الشحنة وأيونات الكلوريد سالبة الشحنة معًا لتكوين بلورات من كلوريد الصوديوم ، أو ملح الطعام ، مما يؤدي إلى تكوين جزيء بلوري بدون شحنة صافية. في هذه الحالة ، تم نقل إلكترون من ذرة الصوديوم إلى ذرة الكلوريد ، مما ينتج عنه ذرة كلوريد سالبة الشحنة وذرة صوديوم موجبة الشحنة. لكن لماذا اكتسبت ذرة الكلوريد الإلكترون؟

في تكوين مركب أيوني ، تفقد المعادن الإلكترونات وتكتسب اللافلزات إلكترونات لتصل إلى ثماني بتات.

يشار إلى حركة الإلكترونات هذه من عنصر إلى آخر باسم نقل الإلكترون. كما يوضح الشكل أعلاه ، يحتوي الصوديوم (Na) على إلكترون واحد فقط في غلافه الإلكتروني الخارجي. يستغرق الصوديوم طاقة أقل للتبرع بهذا الإلكترون الواحد مما يتطلبه لقبول سبعة إلكترونات أخرى لملء الغلاف الخارجي. إذا فقد الصوديوم إلكترونًا ، فإنه يحتوي الآن على 11 بروتونًا و 11 نيوترونًا و 10 إلكترونات فقط ، مما يتركه بشحنة إجمالية قدرها +1. يشار إليه الآن باسم أيون الصوديوم. يحتوي الكلوريد (Cl) في أقل حالة طاقة له (تسمى الحالة الأرضية) على سبعة إلكترونات في غلافه الخارجي. مرة أخرى ، من الأكثر كفاءة في استخدام الطاقة للكلوريد أن يكتسب إلكترونًا واحدًا من خسارة سبعة إلكترون. لذلك ، فإنه يميل إلى اكتساب إلكترون لتكوين أيون مكون من 17 بروتونًا و 17 نيوترونًا و 18 إلكترونًا ، مما يمنحه صافي شحنة سالبة (& # 82111). ويشار إليه الآن باسم أيون الكلوريد.

هناك طريقة أخرى لإلقاء نظرة على نقل الإلكترون وهي مقارنة الكهرسلبية الكهربية لهاتين الذرتين. باستخدام الجدول الدوري الموضح أعلاه فقط ، أي الذرة أكثر كهرسلبية ، كلوريد أم صوديوم؟ يوجد الكلوريد في الجانب الأيمن العلوي من الطاولة ، مما يشير إلى أنه أكثر كهرسلبية من الصوديوم. الفرق في الكهربية لكلوريد الصوديوم هو 2.1 (باستخدام مقياس باولينج الموضح أعلاه). هذا الاختلاف كبير بما يكفي للتسبب في انتقال الإلكترون بين الذرتين. ماذا يحدث عندما تتفاعل ذرتان بهما كهرسلبية متشابهة؟

هل يمكنك التفكير في طرق إضافية تكون فيها الروابط الأيونية أو التفاعلات الأيونية مهمة في العمليات البيولوجية؟

سيتم مناقشة هذا في الفصل

لمزيد من المعلومات: تحقق من الرابط من أكاديمية خان حول الروابط الأيونية.

الروابط التساهمية

الروابط التساهمية أكثر شيوعًا من الروابط الأيونية في جزيئات الكائنات الحية. توجد الروابط التساهمية بشكل شائع في الجزيئات العضوية القائمة على الكربون ، مثل الحمض النووي والبروتينات. تم العثور على الروابط التساهمية أيضًا في جزيئات غير عضوية مثل H.2O ، CO2، و O2. في الرابطة التساهمية ، يتم تقاسم إلكترونين بين الذرتين.

هناك نوعان من الروابط التساهمية: القطبية وغير القطبية. في الرابطة التساهمية غير القطبية ، يتم تقاسم الإلكترونين بالتساوي بين الذرتين. على سبيل المثال ، الأكسجين الجزيئي (O2) روابط تساهمية غير قطبية لأن الإلكترونات ستوزع بالتساوي بين ذرتي الأكسجين.ينتج هذا التوزيع المتساوي للإلكترونات من حقيقة أن هاتين الذرتين تسحبان الإلكترونات بنفس القدر من القوة ، فإن سلبيتهما الكهربية متطابقة.

مثال آخر على الرابطة التساهمية غير القطبية هو الميثان (CH4). يحتوي الكربون على أربعة إلكترونات في غلافه الخارجي ويحتاج إلى أربعة إلكترونات أخرى لملئه. تحصل على هذه الأربعة من تكوين روابط تساهمية مع أربع ذرات هيدروجين. توفر كل ذرة إلكترونًا واحدًا لرابطة C-H التي تخلق غلافًا خارجيًا ثابتًا من ثمانية إلكترونات لذرة الكربون. تحتاج كل ذرات الهيدروجين إلى إلكترون واحد لغلافها الخارجي ، والذي يتم ملؤه عندما يحتوي على إلكترونين. لا يمتلك الكربون والهيدروجين نفس القدرة الكهربية ولكنهما متشابهان جدًا (مع اختلاف في

0.4 باستخدام مقياس بولينج). في هذه الفئة ، سننظر في اختلاف 0.4 أو أقل ليكون مساويًا في الكهربية ، مما يعني أن الرابطة المتكونة هنا تساهمية غير قطبية. تشترك هذه العناصر في الإلكترونات بالتساوي بين ذرات الكربون والهيدروجين ، مما يؤدي إلى تكوين جزيء تساهمي غير قطبي.

في الرابطة التساهمية القطبية ، تتقاسم الذرات الإلكترونات بشكل غير متساو وتنجذب إلى نواة واحدة أكثر من الأخرى. ينتج هذا عن ارتباط الذرات بفارق أكبر من 0.4 في الكهربية. بسبب التوزيع غير المتكافئ للإلكترونات بين الذرات في الرابطة التساهمية القطبية ، تكون الموجبة قليلاً (δ+) أو سلبي قليلاً (δ& # 8211) الشحنة تتطور. هذا إيجابي قليلاً (δ+) سوف تتطور الشحنة على الذرة الأقل كهرسلبية والسالبة قليلاً (δ& # 8211) تتطور الشحنة على الذرة الأكثر كهرسلبية. تسمى هذه الشحنات الطفيفة باللحظات ثنائية القطب.

يعتمد ما إذا كان الجزيء قطبيًا أو غير قطبي على نوع الرابطة والشكل الجزيئي. يحتوي كل من الماء وثاني أكسيد الكربون على روابط تساهمية قطبية ، لكن ثاني أكسيد الكربون خطي ، لذا فإن الشحنات الجزئية على الجزيء تلغي بعضها البعض. هناك أمثلة وتفسيرات أخرى في دليل المناقشة الخاص بك مقدمة في الكيمياء.

يمكن وصف لحظات ثنائي القطب بشكل أفضل باستخدام الماء. الماء جزيء قطبي ، حيث تكتسب ذرات الهيدروجين شحنة موجبة جزئية والأكسجين شحنة سالبة جزئية. يمكننا تحديد ذلك من خلال مقارنة الكهربية لهاتين الذرتين. الأكسجين 3.5 والهيدروجين 2.1 ، مما يؤدي إلى اختلاف 1.4. وبالتالي فإن للأكسجين كهرسلبية أعلى من الهيدروجين وتقضي الإلكترونات المشتركة وقتًا أطول بالقرب من نواة الأكسجين مقارنة بنواة ذرات الهيدروجين ، مما يعطي ذرات الأكسجين والهيدروجين شحنة سالبة وإيجابية طفيفة ، على التوالي. هناك طريقة أخرى لتوضيح ذلك وهي أن احتمال العثور على إلكترون مشترك بالقرب من نواة الأكسجين يكون أكثر احتمالًا من العثور عليه بالقرب من نواة الهيدروجين. في كلتا الحالتين ، تساهم السالبية الكهربية النسبية للذرة & # 8217s في تطوير الشحنات الجزئية عندما يكون أحد العناصر أكثر كهرسلبية بشكل ملحوظ من الآخر ، ويمكن بعد ذلك استخدام الشحنات الناتجة عن هذه الروابط القطبية لتكوين روابط هيدروجينية بناءً على جاذبية مقابل رسوم جزئية. (الروابط الهيدروجينية ، التي تمت مناقشتها بالتفصيل أدناه ، هي روابط ضعيفة بين ذرات الهيدروجين موجبة الشحنة إلى ذرات سالبة الشحنة في الجزيئات الأخرى.) نظرًا لأن الجزيئات الكبيرة غالبًا ما تحتوي على ذرات تختلف في الكهربية ، غالبًا ما توجد الروابط القطبية في الجزيئات العضوية .

للحصول على معلومات إضافية: شاهد هذا الفيديو القصير لمشاهدة رسم متحرك للترابط الأيوني والتساهمي.

روابط الهيدروجين

عندما تحتوي الروابط التساهمية القطبية التي تحتوي على شكل هيدروجين ، فإن الهيدروجين الموجود في هذه الرابطة يكون له شحنة موجبة قليلاً لأن إلكترون الهيدروجين & # 8217 ثانية يتم سحبه بقوة أكبر تجاه العنصر الآخر وبعيدًا عن الهيدروجين. لأن الهيدروجين موجب قليلاً ، فإنه سينجذب إلى الشحنات السالبة المجاورة. عندما يحدث هذا ، يحدث تفاعل ضعيف بين & # 948 + للهيدروجين من جزيء واحد و & # 948 - شحنة على ذرة كهربية من جزيء آخر (عادة الأكسجين أو النيتروجين). يسمى هذا التفاعل رابطة هيدروجينية. الروابط الهيدروجينية شائعة وتحدث بانتظام بين جزيئات الماء والمركبات القطبية. الروابط الهيدروجينية الفردية ضعيفة ويمكن كسرها بسهولة ، ولكنها تحدث بأعداد كبيرة جدًا في الماء والبوليمرات العضوية ، مما يخلق قوة رئيسية في التوليفة.

توقع تكوين رابطة الهيدروجين باستخدام تعريف الروابط الهيدروجينية أدناه ، توقع ما إذا كانت الأزواج المركبة أدناه يمكن أن تشكل روابط هيدروجينية.

روابط الهيدروجين: تجاذب يتكون بين ذرة هيدروجين مرتبطة تساهميًا بذرة كهرسلبية وذرة كهرسلبية أخرى يمكن أن تكون جزءًا من مركب مختلف.

تدرب على تحديد شركاء اقتران الروابط الهيدروجينية. في كل مربع أعلاه اثنين من المركبات. هل يمكنهم تكوين رابطة هيدروجينية؟

  1. ارسم & # 948 + و & # 948 - على الذرات المناسبة في كل زوج من الروابط الهيدروجينية المحتملة.
  2. طابق & # 948 + و & # 948 - بين الأزواج المحددة وارسم خطًا متقطعًا. سوف يشير الخط المتقطع دائمًا إلى رابطة هيدروجينية.
  3. في حالة عدم تكوين رابطة هيدروجينية ، حدد قسم تعريف الرابطة الهيدروجينية غير المستوفاة.

الأساس الأساسي للرابطة الهيدروجينية هو:

  1. ميل مجموعة وظيفية قطبية لالتقاط بروتون وتصبح موجبة الشحنة
  2. قدرة الكربون على تكوين أربع روابط تساهمية مع الهيدروجين
  3. المشاركة غير المتكافئة للإلكترونات بواسطة الذرات الكهربية القوية O و N عندما تشكل روابط تساهمية ، مما يؤدي إلى فصل الشحنة
  4. قدرة مجموعة وظيفية قطبية على تكوين رابطة أيونية مع مجموعة وظيفية قطبية أخرى
  5. قدرة H المرتبطة بذرة كهربية لتشكيل جاذبية مع ذرة كهرسلبية لمركب آخر

ماء

قطرات الزيت في الماء.

إن قطبية جزيء الماء والرابط الهيدروجيني الناتج يجعل الماء مادة فريدة لها خصائص خاصة مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بعمليات الحياة. تطورت الحياة في الأصل في بيئة مائية ، وتحدث معظم الكيمياء الخلوية والتمثيل الغذائي للكائن الحي داخل المحتويات المائية للخلية والسيتوبلازم # 8217s. من الخصائص المهمة للمياه & # 8217s أنها تتكون من جزيئات قطبية: الهيدروجين والأكسجين داخل جزيئات الماء (H2س) تشكل روابط تساهمية قطبية. على الرغم من عدم وجود شحنة صافية لجزيء الماء ، فإن قطبية الماء تخلق شحنة موجبة قليلاً على الهيدروجين وشحنة سالبة قليلاً على الأكسجين ، مما يساهم في خصائص جذب الماء. يتم إنشاء شحنات الماء & # 8217s لأن الأكسجين أكثر كهرسلبية من الهيدروجين ، مما يجعل من المرجح أن يتم العثور على إلكترون مشترك بالقرب من نواة الأكسجين أكثر من نواة الهيدروجين ، وبالتالي يولد شحنة سالبة جزئية بالقرب من الأكسجين.

نتيجة لقطبية الماء & # 8217s ، يجذب كل جزيء ماء جزيئات الماء الأخرى بسبب الشحنات المعاكسة بين جزيئات الماء ، مما يؤدي إلى تكوين روابط هيدروجينية. يجذب الماء أيضًا الجزيئات والأيونات القطبية الأخرى أو ينجذب إليها. يشار إلى المادة القطبية التي تتفاعل بسهولة مع الماء أو تذوب فيه على أنها محبة للماء (hydro- = & # 8220water & # 8221 -philic = & # 8220loving & # 8221). بالمقابل فإن الجزيئات غير القطبية كالزيوت والدهون لا تتفاعل بشكل جيد مع الماء وتنفصل عنه ولا تذوب فيه كما نرى في تتبيلات السلطة المحتوية على الزيت والخل (محلول مائي حمضي). تسمى هذه المركبات غير القطبية كارهة للماء (hydro- = & # 8220water & # 8221 -phobic = & # 8220fearing & # 8221).

خصائص مذيب الماء نظرًا لأن الماء جزيء قطبي له شحنة موجبة وسالبة قليلاً ، يمكن للأيونات والجزيئات القطبية أن تذوب فيه بسهولة. لذلك ، يشار إلى الماء على أنه مذيب ، وهو مادة قادرة على إذابة الجزيئات القطبية الأخرى والمركبات الأيونية. ستشكل الشحنات المرتبطة بهذه الجزيئات روابط هيدروجينية بالماء ، وتحيط بالجسيم بجزيئات الماء. يشار إلى هذا باسم مجال الترطيب ، أو غلاف الماء ويعمل على إبقاء الجزيئات منفصلة أو مشتتة في الماء. عند إضافة المركبات الأيونية إلى الماء ، تتفاعل الأيونات الفردية مع المناطق القطبية لجزيئات الماء وتتعطل روابطها الأيونية أثناء عملية التفكك. يحدث التفكك عندما تنفصل الذرات أو مجموعات الذرات من الجزيئات وتشكل الأيونات. ضع في اعتبارك ملح الطعام (كلوريد الصوديوم ، أو كلوريد الصوديوم): عند إضافة بلورات كلوريد الصوديوم إلى الماء ، تنفصل جزيئات كلوريد الصوديوم إلى أيونات Na + و Cl & # 8211 ، وتتشكل كرات الماء حول الأيونات. أيون الصوديوم موجب الشحنة محاط بشحنة سالبة جزئية لجزيء الماء & # 8217s الأكسجين. أيون الكلوريد سالب الشحنة محاط بشحنة موجبة جزئيًا للهيدروجين على جزيء الماء.

عندما يتم خلط ملح الطعام (كلوريد الصوديوم) في الماء ، تتشكل كرات من الماء حول الأيونات.

الأيون الذائب في الماء محاط بقشرة من الماء حيث توجه جميع جزيئات الماء ذرات الهيدروجين نحو الأيون ، لذلك فإن الأيون عبارة عن أنيون.

ما العبارة الصحيحة للروابط في جزيء الماء؟

  1. الروابط أيونية ولا يحدث أي مشاركة للإلكترونات.
  2. تقضي الإلكترونات المشتركة وقتًا أطول حول ذرات الهيدروجين.
  3. تقضي الإلكترونات المشتركة وقتًا متساويًا حول ذرات الأكسجين والهيدروجين
  4. تقضي الإلكترونات المشتركة وقتًا أطول حول ذرة الأكسجين
  5. أ و د

للحصول على معلومات إضافية:

روابط أكاديمية خان لمزيد من المعلومات هنا بعض روابط الفيديو من أكاديمية خان. لعرض مقاطع الفيديو من Khan Academy ، ستحتاج إلى التسجيل والتسجيل. يمكنك التسجيل في Khan Academy. قد تكون هذه مفيدة إذا كنت لا تزال تواجه مشكلة مع بعض المفاهيم الأساسية.

مواقع ChemWiki يمكن أيضًا العثور على العديد من هذه المفاهيم الأساسية في موقع UC Davis Chemwiki. سنوفر روابط لمواضيع مختلفة يمكنك استكشافها بشكل أكبر في Chemwiki. فيما يلي بعض المواقع المحددة التي قد تكون مفيدة إذا كنت لا تزال تواجه صعوبة في التعامل مع هذه الموضوعات:

Bis2A: 2.1 المجموعات الوظيفية والكيمياء للجزيئات الكبيرة

المجموعات الوظيفية

المجموعة الوظيفية هي مجموعة معينة من الذرات داخل الجزيء مسؤولة عن خاصية ذلك الجزيء. تحتوي العديد من الجزيئات النشطة بيولوجيًا على مجموعة وظيفية واحدة أو أكثر. في هذا الفصل سوف نراجع المجموعات الوظيفية الرئيسية الموجودة في الجزيئات البيولوجية. وتشمل هذه: الهيدروكسيل ، والميثيل ، والكربوكسيل ، والكاربونيل ، والأمينو ، والفوسفات.

تم العثور على المجموعات الوظيفية الموضحة هنا في العديد من الجزيئات البيولوجية المختلفة. يمثل "R" أي ذرة أخرى أو امتداد للجزيء.

قد تشارك مجموعة وظيفية في مجموعة متنوعة من التفاعلات الكيميائية. بعض المجموعات الوظيفية المهمة في الجزيئات البيولوجية موضحة أعلاه وهي تشمل: الهيدروكسيل والميثيل والكربونيل والكربوكسيل والأمينو والفوسفات والسلفهيدريل. تلعب هذه المجموعات دورًا مهمًا في تكوين جزيئات مثل الحمض النووي والبروتينات والكربوهيدرات والدهون. يمكن تصنيف المجموعات الوظيفية في بعض الأحيان على أنها ذات خصائص قطبية أو غير قطبية اعتمادًا على تكوينها الذري وتنظيمها. يصف المصطلح Polar شيئًا له خاصية غير متماثلة حوله - يمكن أن يكون له أقطاب مختلفة (أكثر أو أقل من شيء في أماكن مختلفة). في حالة الروابط والجزيئات ، عادة ما تكون الخاصية التي نهتم بها هي توزيع الإلكترونات وبالتالي الشحنة الكهربائية بين الذرات. سيتم توزيع إلكترونات الرابطة غير القطبية أو الجزيئية والشحنة بالتساوي نسبيًا. في الرابطة القطبية أو الجزيء ، تميل الإلكترونات إلى أن تكون أكثر تركيزًا في بعض المناطق من غيرها. مثال على مجموعة غير قطبية هو جزيء الميثان. تمتلك الذرات في الميثان كهروميكانيكية متشابهة نسبيًا ، وبالتالي فإن جميع الروابط في الميثان عبارة عن روابط تساهمية غير قطبية نسبيًا (يتم توزيع الإلكترونات والشحنة بالتساوي تقريبًا بين ذرات الكربون والهيدروجين). من بين المجموعات الوظيفية القطبية مجموعة الكربوكسيل الموجودة في الأحماض الأمينية ، وبعض السلاسل الجانبية للأحماض الأمينية ، والأحماض الدهنية التي تشكل الدهون الثلاثية والفوسفوليبيدات.

المجموعات الوظيفية غير القطبية

ميثيل R-CH3 مجموعة الميثيل هي المجموعة الوظيفية غير القطبية الوحيدة في قائمة فصولنا أعلاه. تتكون مجموعة الميثيل من ذرة كربون مرتبطة بثلاث ذرات هيدروجين. في هذه الفئة سوف نتعامل مع روابط C-H على أنها روابط تساهمية غير قطبية. لذلك يتم تقاسم الإلكترونات في هذه الرابطة التساهمية بالتساوي ولا يوجد ثنائي القطب (& # 948 + أو & # 948 -) يتولد على أي من الكربون أو الهيدروجين. هذا يعني أن مجموعات الميثيل غير قادرة على تكوين روابط هيدروجينية ولن تتفاعل مع المركبات القطبية مثل الماء.

حمض أميني على اليسار وكوليسترول على اليمين. لكل منها مجموعة ميثيل محاطة بدائرة باللون الأحمر.

المصدر: تم إنشاؤه بواسطة إيرين إيسلون (عمل خاص) وتجميعها مع http://blogs.dnalc.org/2012/04/12/bad-cholesterol/

توجد مجموعات الميثيل الموضحة أعلاه في مجموعة متنوعة من المركبات ذات الصلة بيولوجيًا. في بعض الحالات ، يمكن أن يحتوي المركب على مجموعة ميثيل ولكنه لا يزال مركبًا قطبيًا بشكل عام بسبب وجود مجموعات وظيفية أخرى ذات خصائص قطبية (انظر المجموعات الوظيفية القطبية التي تمت مناقشتها أدناه).

المجموعات الوظيفية القطبية

Hydroxyl R-OH A hydroxyl (مجموعة كحول) عبارة عن مجموعة & # 8211OH مرتبطة تساهميًا بذرة كربون. تعتبر ذرة الأكسجين كهرسلبية أكثر بكثير من الهيدروجين أو الكربون ، مما يتسبب في قضاء الإلكترونات في الروابط التساهمية حول الأكسجين أكثر من تلك الموجودة حول C أو H. لذلك ، فإن روابط OH و OC في مجموعة الهيدروكسيل سوف تكون روابط تساهمية قطبية. يوضح الشكل أدناه & # 948 + و & # 948 - لحظات ثنائية القطب في مجموعة الهيدروكسيل.

تتكون مجموعة الهيدروكسيل الوظيفية الموضحة هنا من ذرة أكسجين مرتبطة بذرة كربون وذرة هيدروجين. هذه الروابط تساهمية قطبية ، مما يعني أن أزواج الإلكترون لا يتم تقاسمها بالتساوي بين روابط C-O و O-H.
المصدر: Created Erin Easlon (عمل خاص) يمكن أن تشكل مجموعات الهيدروكسيل الوظيفية روابط هيدروجينية ، كما هو موضح في شكل خط منقط. سوف تتكون الرابطة الهيدروجينية بين & # 948 - من ذرة الأكسجين و & # 948 + من ذرة الهيدروجين.

مجموعات الهيدروكسيل شائعة جدًا في الجزيئات البيولوجية. تظهر مجموعات الهيدروكسيل على الكربوهيدرات (أ) ، وعلى بعض الأحماض الأمينية (ب) ، وعلى الأحماض النووية (ج). هل يمكنك العثور على أي مجموعات هيدروكسيل في الفسفوليبيد في (D)؟

تظهر مجموعات الهيدروكسيل على الكربوهيدرات (الجلوكوز A) ، وعلى بعض الأحماض الأمينية (B Threonine) ، وعلى الأحماض النووية (C Adenine). D هو فوسفوليبيد.

هل يمكنك تحديد أي مجموعات كربونيل على الجزيئات الكبيرة الموضحة أعلاه؟

حمض الكربوكسيل R-COOH الكربوكسيل عبارة عن مزيج من مجموعة الكربونيل ومجموعة الهيدروكسيل المرتبطة بنفس الكربون ، مما ينتج عنه خصائص جديدة. يمكن لمجموعة الكربوكسيل أن تتأين ، مما يعني أنها يمكن أن تعمل كحامض وتحرر ذرة الهيدروجين من مجموعة الهيدروكسيل كبروتون حر (H +). ينتج عن هذا شحنة سالبة على ذرة الأكسجين المتبقية. يمكن لمجموعات الكربوكسيل التبديل ذهابًا وإيابًا بين حالات البروتونات (R-COOH) والحالات المنبثقة (R-COO -) اعتمادًا على الرقم الهيدروجيني للمحلول (انظر الوحدة 2.2).

مجموعة الكربوكسيل متعددة الاستخدامات للغاية. في حالته البروتونية ، يمكنه تكوين روابط هيدروجينية مع مركبات قطبية أخرى. في أحواضه المنفصلة ، يمكنه الروابط الأيونية مع مركبات أخرى موجبة الشحنة. سيكون لهذا العديد من النتائج البيولوجية التي سيتم استكشافها أكثر عندما نناقش الإنزيمات.

هل يمكنك تحديد جميع مجموعات الكربوكسيل في الجزيئات الكبيرة الموضحة أعلاه؟

أمينو R-NH3 تتكون المجموعة الأمينية من ذرة نيتروجين مرتبطة بذرات الهيدروجين بواسطة روابط مفردة. يسمى المركب العضوي الذي يحتوي على مجموعة أمينية بالأمين. مثل الأكسجين ، يكون النيتروجين أيضًا كهربيًا أكثر من كل من الكربون والهيدروجين مما يؤدي إلى أن تكون المجموعة الأمينية مركبًا قطبيًا.

يمكن أن تعمل المجموعات الأمينية أيضًا كقواعد ، مما يعني أن ذرة النيتروجين يمكن أن ترتبط بذرة هيدروجين رابعة كما هو موضح في الصورة أدناه. بمجرد حدوث ذلك ، تكتسب ذرة النيتروجين شحنة موجبة ويمكنها الآن المشاركة في الروابط الأيونية.

يمكن أن توجد المجموعة الوظيفية الأمينية في حالة منقولة أو بروتونية. عند البروتونات ، ترتبط ذرة النيتروجين بثلاث ذرات هيدروجين ولها شحنة موجبة. الشكل المنقول لهذه المجموعة محايد.
المصدر: Created Erin Easlon (عمل خاص)

فوسفات R-PO4 - مجموعة الفوسفات هي ذرة فوسفور مرتبطة تساهميًا بـ 4 ذرات أكسجين وتحتوي على رابطة P = O وثلاث روابط P-O & # 8722. تكون ذرات الأكسجين كهرسلبية أكثر من ذرة الفوسفور مما يؤدي إلى روابط تساهمية قطبية. لذلك فإن ذرات الأكسجين هذه قادرة على تكوين روابط هيدروجينية مع ذرات الهيدروجين القريبة التي تحتوي أيضًا على & # 948 + (ذرات الهيدروجين مرتبطة بذرة كهربية أخرى). تحتوي مجموعات الفوسفات أيضًا على شحنة سالبة ويمكن أن تشارك في الروابط الأيونية.

مجموعات الفوسفات شائعة في الأحماض النووية وعلى الدهون الفوسفاتية (مصطلح "الفوسفو" يشير إلى مجموعة الفوسفات على الدهون). فيما يلي صور للحمض النووي (أ) والفوسفوليبيد (ب).

نيوكليوتيد على اليسار (أ) وفوسفوليبيد على اليمين (ب). يحتوي كل منها على مجموعة فوسفات محاطة بدائرة باللون الأحمر.

المصدر: تم إنشاؤه بواسطة إيرين إيسلون (عمل خاص) بمصادر إضافية:
http://www.chem.ucla.edu/harding/IGOC/N/nucleic_acid.html
https://my.bpcc.edu/content/blgy225/Biomolecules/Biomolecules2014_print.html

هل يمكنك تحديد الجزيء الكبير بناءً على المجموعات الوظيفية؟

حاول تحديد الجزيئات الكبيرة المرقمة هنا بناءً على المجموعات الوظيفية الموجودة.
المصدر: تم إنشاؤه بواسطة Erin Easlon (عمل خاص) مع مصادر إضافية من
http://www.chemicalbook.com/ChemicalProductProperty_EN_CB8721158.htm
http://www.chem.ucla.edu/harding/IGOC/N/nucleic_acid.html
http://2012books.lardbucket.org/books/introduction-to-chemistry-general-organic-and-biological/s22-01-nucleotides.html
http://www.easynotecards.com/notecard_set/7180
http://chemistry.tutorcircle.com/inorganic-chemistry/molecular-structure.html
  1. الفوسفوليبيد
  2. الكربوهيدرات
  3. قاعدة نيتروجينية
  4. الكربوهيدرات
  5. بروتين
  6. حمض نووي

Bis2A: 2.3 تفسير التفاعلات الكيميائية

خصائص التفاعلات الكيميائية

تبدأ جميع التفاعلات الكيميائية بمتفاعل ، وهو المصطلح العام للمادة أو أكثر التي تدخل في التفاعل. أيونات الصوديوم والكلوريد ، على سبيل المثال ، هي المواد المتفاعلة في إنتاج ملح الطعام. تسمى المادة أو أكثر التي ينتجها تفاعل كيميائي بالمنتج. ** لاحظ أن هناك بعض الإثارة "الخفية" في القصة حول استخدام ملح الطعام في الماء والتي سنراها قريبًا. **

في التفاعلات الكيميائية ، يجب أن تكون الذرات والعناصر الموجودة في المادة (المواد) المتفاعلة موجودة أيضًا في المنتج (المنتجات). وبالمثل ، لا يمكن أن يكون هناك أي شيء موجود في المنتجات التي لم تكن موجودة في المواد المتفاعلة. وذلك لأن التفاعلات الكيميائية تخضع لقانون حفظ الكتلة ، والذي ينص على أنه لا يمكن إنشاء المادة أو تدميرها في تفاعل كيميائي. هذا يعني أنه عند فحص تفاعل كيميائي ، يجب أن تحاول حساب كل ما يحدث فيه والتأكد من أنه يمكنك العثور عليه بالكامل في الأشياء التي يخرج منها!

التفاعلات التركيبية العديد من الجزيئات الكبيرة مصنوعة من وحدات فرعية أصغر ، أو كتل بناء ، تسمى المونومرات. ترتبط مونومرات تساهميًا لتشكيل جزيئات أكبر تُعرف بالبوليمرات. غالبًا ما ينتج عن تخليق البوليمرات من المونومرات جزيئات الماء كمنتجات للتفاعل.يُعرف هذا النوع من التفاعل باسم تخليق الجفاف أو تفاعل التكثيف.

في تفاعل تخليق التجفاف الموضح أعلاه ، تم ربط جزيئين من الجلوكوز معًا لتكوين المالتوز ثنائي السكاريد. في هذه العملية ، يتم تكوين جزيء ماء.

في تفاعل تخليق الجفاف ([رابط]) ، يتحد هيدروجين أحد المونومر مع مجموعة الهيدروكسيل لمونومر آخر ، مما يؤدي إلى إطلاق جزيء من الماء. في الوقت نفسه ، تشترك المونومرات في الإلكترونات وتشكل روابط تساهمية. مع انضمام المونومرات الإضافية ، تشكل هذه السلسلة من المونومرات المتكررة بوليمرًا. يمكن أن تتحد أنواع مختلفة من المونومرات في العديد من التكوينات ، مما يؤدي إلى ظهور مجموعة متنوعة من الجزيئات الكبيرة. حتى نوع واحد من المونومر يمكن أن يتحد بطرق متنوعة لتشكيل عدة بوليمرات مختلفة: على سبيل المثال ، مونومرات الجلوكوز هي مكونات النشا والجليكوجين والسليلوز.

في مثال مونومر الكربوهيدرات أعلاه يتكون البوليمر عن طريق تفاعل الجفاف ، ويستخدم هذا النوع من التفاعل أيضًا لإضافة الأحماض الأمينية إلى سلسلة الببتيد النامية ، والنيوكليوتيدات إلى الحمض النووي أو بوليمر الحمض النووي الريبي المتنامي. قم بزيارة الوحدات الموجودة على الأحماض الأمينية والدهون والأحماض النووية لمعرفة ما إذا كان بإمكانك تحديد جزيئات الماء التي تتم إزالتها عند إضافة مونومر إلى البوليمر المتنامي.

تفاعلات التحلل المائي تنقسم البوليمرات إلى مونومرات في تفاعل يعرف باسم التحلل المائي. يتضمن تفاعل التحلل المائي جزيء ماء كمتفاعل ([رابط]). خلال هذه التفاعلات ، يمكن تقسيم البوليمر إلى مكونين: منتج واحد يحمل ذرة هيدروجين (H +) من الماء بينما يحمل المنتج الثاني مجموعة الهيدروكسيل المتبقية في الماء (OH & # 8211).

في تفاعل التحلل المائي الموضح هنا ، يتم تكسير المالتوز ثنائي السكاريد لتشكيل اثنين من مونومرات الجلوكوز مع إضافة جزيء ماء. لاحظ أن هذا التفاعل هو عكس تفاعل التوليف الموضح في الشكل 1 أعلاه.

يتم تحفيز تخليق الجفاف وتفاعلات التحلل المائي ، أو تسريعها & # 8221 بواسطة إنزيمات معينة. لاحظ أن كلاً من تخليق التجفاف وتفاعلات التحلل المائي تتضمن تكوين وكسر الروابط بين المواد المتفاعلة - إعادة تنظيم لكيفية ارتباط الذرات الموجودة في المواد المتفاعلة ببعضها البعض. في الأنظمة البيولوجية (بما في ذلك أجسامنا) ، يتم تحلل الطعام على شكل بوليمرات جزيئية إلى جزيئات أصغر بواسطة الماء والإنزيمات في الجهاز الهضمي. هذا يسمح بامتصاص العناصر الغذائية الأصغر وإعادة استخدامها لمجموعة متنوعة من الأغراض. في الخلية ، يمكن إعادة تجميع المونومرات المشتقة من الطعام في بوليمرات أكبر تخدم وظائف جديدة.

لمزيد من المعلومات: قم بزيارة هذا الموقع لمشاهدة التمثيلات المرئية لتخليق الجفاف والتحلل المائي.
يتم عرض مثال على التحلل المائي باستخدام Enzyme Action في هذا الفيديو الذي مدته 3 دقائق بعنوان: التحلل المائي للسكروز بواسطة السكروز.

يمكن تخيل الذرات والجزيئات المشاركة في التفاعلات الكيميائية الأساسية الثلاثة على أنها كلمات. تفاعل تخليقي (أ) هو تفاعل كيميائي ينتج عنه تخليق (انضمام) مكونات كانت منفصلة سابقًا. تفاعل التحلل المائي (ب) هو تفاعل كيميائي يكسر أو & # 8220lyses & # 8221 شيئًا أكبر في الأجزاء المكونة له. تفاعل التبادل (ج) حيث يمكن أن يحدث كل من التوليف والتحلل المائي ، وتتشكل الروابط الكيميائية وتتكسر ، ويتم إعادة توزيع الطاقة.

راجع الأسئلة

ما الدور الذي تلعبه الإلكترونات في تخليق الجفاف والتحلل المائي؟

في تفاعل تخليق الجفاف ، يتحد هيدروجين أحد المونومر مع مجموعة الهيدروكسيل لمونومر آخر ، مما يؤدي إلى إطلاق جزيء من الماء. هذا يخلق فتحة في الغلاف الخارجي للذرات في المونومرات ، والتي يمكن أن تشارك الإلكترونات وتشكل روابط تساهمية.

الطاقة في التفاعلات الكيميائية

تتضمن التفاعلات الكيميائية عادةً إعادة توزيع الطاقة داخل المواد الكيميائية المتفاعلة والمنتجات ومع بيئتها. لذا ، سواء أحببنا ذلك أم لا ، نحتاج إلى تطوير بعض النماذج التي يمكن أن تصف مكان وجود الطاقة في النظام (ربما كيف يتم تخزينها) وكيف يمكن نقلها حول مجموعات من الجزيئات. لن تكون النماذج التي نطورها مفصلة بشكل مفرط - بمعنى أنها سترضي كيميائيًا أو فيزيائيًا متشددًا بتفاصيل تقنية - لكننا نتوقع أنها يجب أن تظل صحيحة تقنيًا وتساعد على عدم البدء في تشكيل نماذج عقلية غير صحيحة من شأنها أن تجعل الحصول على "التصفيات" لاحقًا. في هذا الصدد ، فإن أحد المفاهيم الأساسية التي يجب فهمها هو أننا سننظر إلى الطاقة على أنها شيء يتم نقله بين الأشياء في النظام. لا يتحول إلى أشياء مختلفة. التحويل مقابل التحويل - هذا مهم. هذا الأخير يعطي انطباعًا بأن الطاقة شيء موجود في أشكال مختلفة ، وأنه يتم إعادة تشكيلها بطريقة ما. لا ، من الصعب التعامل مع شيء يتم الحفاظ عليه في عملية ما إذا كان يتغير شكله باستمرار. هاتان الفكرتان غير متسقتين. لذلك ، سننقل الطاقة بين أشياء مختلفة بدلاً من ذلك ويمكن تخزينها في أماكن مختلفة. نأمل أن يجعل ذلك المحاسبة أسهل.

نظرًا لأننا غالبًا ما نتعامل مع تحولات الجزيئات الحيوية ، يمكننا أن نبدأ بالتفكير في مكان وجود / تخزين الطاقة في هذه الأنظمة. سنبدأ بفكرتين ونضيف المزيد إليها لاحقًا.

دعونا نقترح أن مكانًا واحدًا يمكن تخزين الطاقة فيه هو حركة المادة. للإيجاز ، سنعطي الطاقة المخزنة في الحركة اسمًا: الطاقة الحركية. تكون الجزيئات في علم الأحياء في حالة حركة ثابتة ، وبالتالي لها قدر معين من الطاقة الحركية (الطاقة المخزنة في الحركة) المرتبطة بها.

دعنا نقترح أيضًا أن هناك قدرًا معينًا من الطاقة المخزنة في الجزيئات الحيوية نفسها وأن كمية الطاقة المخزنة في تلك الجزيئات مرتبطة بأنواع وأعداد الذرات في الجزيئات وتنظيمها (عدد وأنواع الروابط بينهم). إن مناقشة المكان المحدد لتخزين الطاقة في الجزيئات هو خارج نطاق هذه الفئة ولكن يمكننا تقريبها من خلال اقتراح وجود وكيل جيد في الروابط. قد ترتبط أنواع مختلفة من الروابط بتخزين كميات مختلفة من الطاقة. في بعض السياقات ، يمكن تسمية هذا النوع من تخزين الطاقة بالطاقة الكامنة أو الطاقة الكيميائية. من خلال هذا الرأي ، فإن أحد الأشياء التي تحدث أثناء تكوين وكسر الروابط في تفاعل كيميائي هو أن الطاقة تنتقل حول النظام إلى أنواع مختلفة من الروابط. في سياق قصة الطاقة (موضوع للمحاضرة التالية) يمكن نظريًا حساب كمية الطاقة المخزنة في الروابط وحركة المواد المتفاعلة والطاقة المخزنة في الروابط وطاقة المنتجات.

في بعض الحالات ، قد تجد أنه عند إضافة الطاقة المخزنة في المنتجات والطاقة المخزنة في المواد المتفاعلة ، فإن هذه المبالغ غير متساوية. إذا كانت الطاقة في المواد المتفاعلة أكبر من المنتجات ، فأين ذهبت هذه الطاقة؟ كان لا بد من نقلها إلى شيء آخر. من المؤكد أن البعض قد انتقل إلى أجزاء أخرى من النظام مخزنة في حركة جزيئات أخرى (تسخين البيئة) أو ربما في الطاقة المرتبطة بفوتونات الضوء. أحد الأمثلة الجيدة على الحياة الواقعية هو التفاعل الكيميائي بين الخشب والأكسجين في الهواء وتحويله إلى ثاني أكسيد الكربون والماء. في البداية ، تكون الطاقة في النظام إلى حد كبير في الروابط الجزيئية للأكسجين والخشب (المواد المتفاعلة). لا تزال هناك طاقة متبقية في ثاني أكسيد الكربون والماء (المنتجات) ولكن أقل مما كانت عليه في البداية. نقدر جميعًا أن جزءًا من تلك الطاقة قد تم تحويله إلى طاقة في الضوء والحرارة. يسمى هذا التفاعل حيث يتم نقل الطاقة إلى البيئة طاردة للحرارة. على النقيض من ذلك ، في بعض التفاعلات تنتقل الطاقة من البيئة. تسمى ردود الفعل هذه ماصة للحرارة. إن نقل الطاقة داخل أو خارج التفاعل من البيئة ليس الشيء الوحيد الذي يحدد ما إذا كان التفاعل سيكون تلقائيًا أم لا. سنناقش ذلك قريبًا. في الوقت الحالي ، من المهم أن تشعر بالراحة مع فكرة أنه يمكن نقل الطاقة بين المكونات المختلفة للنظام أثناء التفاعل وأنك يجب أن تكون قادرًا على تصور تتبعها.

الانزيمات والمحفزات

لكي يحدث تفاعل كيميائي ، يجب أن تجد الركائز أولاً بعضها البعض في الفضاء. في الواقع ، في كثير من الحالات يكون الأمر أكثر تعقيدًا. لا تحتاج الركائز فقط إلى الالتقاء ببعضها البعض ولكن يجب أن تتلامس في اتجاه معين. نظرًا لأن المواد الكيميائية لا "تخطط" ، يجب أن تحدث هذه الاصطدامات بشكل عشوائي نسبيًا. إذا كانت المواد المتفاعلة مخففة جدًا ، فسيكون معدل التفاعل بطيئًا - وستحدث الاصطدامات بشكل غير منتظم. ستؤدي زيادة التركيزات إلى زيادة معدل الاصطدامات المنتجة. هناك طريقة أخرى لتغيير معدل التفاعل وهي زيادة معدل الاصطدامات عن طريق زيادة المعدل الذي تستكشف به المواد المتفاعلة فضاء التفاعل - عن طريق زيادة سرعة الجزيئات أو طاقتها الحركية. يمكن تحقيق ذلك عن طريق نقل الحرارة إلى النظام. هذان الأسلوبان هما في بعض الأحيان استراتيجيات جيدة لزيادة معدلات التفاعلات الكيميائية التي تحدث في الأنبوب. ومع ذلك ، قد لا يكون نقل الحرارة في الخلية عمليًا (قد يؤدي إلى تلف المكونات الخلوية) ويؤدي إلى الوفاة. تستخدم الخلايا أحيانًا آليات لزيادة تركيزات المواد المتفاعلة (سنرى بعض الأمثلة) ولكن نادرًا ما يكون هذا كافيًا لدفع معدلات التفاعل في نظام ذي صلة بيولوجيًا. هذا هو المكان الذي تأتي فيه المحفزات.

المحفز هو شيء يساعد على زيادة معدل التفاعل الكيميائي دون أن يخضع نفسه لأي تغيير. يمكنك التفكير في المحفز كعامل تغيير كيميائي.

أهم المحفزات في علم الأحياء تسمى الإنزيمات. الإنزيم هو عامل مساعد للبروتين. تشمل المحفزات الخلوية الأخرى جزيئات تسمى الريبوزيمات. الريبوزيم هو محفز يتكون من الحمض النووي الريبي (RNA). سيتم مناقشة كلاهما بمزيد من التفصيل لاحقًا في الدورة. مثل جميع المحفزات ، تعمل الإنزيمات عن طريق خفض مستوى الطاقة التي يجب نقلها إلى تفاعل كيميائي لتحقيق ذلك. التفاعل الكيميائي & # 8217s طاقة التنشيط هو & # 8220 العتبة & # 8221 مستوى الطاقة اللازمة لبدء التفاعل.

تقلل الإنزيمات من طاقة التنشيط المطلوبة لبدء تفاعل كيميائي معين. (أ) بدون إنزيم ، تكون مدخلات الطاقة اللازمة لبدء التفاعل عالية. (ب) بمساعدة إنزيم ، هناك حاجة إلى طاقة أقل لبدء التفاعل.


Winter_2021_Bis2A_Facciotti_Reading_10 - علم الأحياء

Metabolsim في Bis2A التمثيل الغذائي الخلوي يمثل تقريبًا 1/3 من منهج Bis2A. على الرغم من أن هذا قد يبدو كثيرًا ، إلا أننا نغطي القليل جدًا مما ستغطيه الدورة التدريبية الكلاسيكية في التمثيل الغذائي (مثل BIS103) وجزءًا أصغر (صغيرًا جدًا) من التمثيل الغذائي الذي يحدث على هذا الكوكب. ومع ذلك ، فإن ما نغطيه هو معرفة أساسية مهمة جدًا. سوف تتعلم عن بعض التحولات الكيميائية الشائعة المرتبطة بتحول اللبنات الأساسية الجزيئية للحياة وحول الأنماط الأساسية المختلفة لنقل الطاقة التي ستواجهها غالبًا في علم الأحياء. ستصبح قصة الطاقة ونماذج تحدي التصميم المقدمة سابقًا ذات أهمية متزايدة في هذه الوحدات القليلة التالية وما بعدها.

  1. لقد ركزنا على تحديد الخصائص الكيميائية للمجموعات الوظيفية البيولوجية الشائعة. بينما نغوص في عملية التمثيل الغذائي ، سيساعدك هذا على أن تكون مألوفًا وأحيانًا يتنبأ بالطبيعة الكيميائية / تفاعل المركبات التي لم ترها من قبل.
  2. لقد تدربنا على التعرف على الجزيئات وتصنيفها إلى أربع مجموعات وظيفية رئيسية. سيساعدك هذا عندما نبدأ في مناقشة كيفية بناء وتفكيك هذه الجزيئات.
  3. لقد تعلمنا بعض الديناميكا الحرارية الأساسية التي تعطينا مجموعة مشتركة من المفاهيم التي يمكن من خلالها مناقشة ما إذا كان من المرجح أن يسير تفاعل أو عملية كيميائية حيوية ، وإذا كان الأمر كذلك ، في أي اتجاه وفي أي سرعة. سيكون هذا أمرًا بالغ الأهمية عندما نبدأ في النظر في بعض الأنواع الرئيسية من التفاعلات التي تحدث في عملية التمثيل الغذائي.
  4. لقد تعلمنا وتدربنا على عنوان قصة الطاقة. سيسمح لنا هذا أيضًا بفحص التفاعلات والعمليات الكيميائية الحيوية الجديدة بشكل منهجي ومناقشتها بلغة مشتركة ونهجًا متسقًا ويعزز الدروس التي تعلمناها حول الديناميكا الحرارية.
  • سيتم تعريفك بمفهوم مهم يسمى إمكانات التخفيض وستتاح لك الفرصة لاستخدام برج الأكسدة والاختزال. هناك أيضًا مناقشة حول كيمياء الأكسدة والاختزال في دليل المناقشة الخاص بك. تأكد من استخدام كلا المصدرين.
  • سوف تتعرف على لاعبين رئيسيين في التمثيل الغذائي ، ATP و NADH. يُتوقع منك التعرف على هياكلها إذا تم عرضها في الامتحان.
  • سيتم تغطية تحلل السكر في المسار الأيضي بالتفصيل. ضع في اعتبارك أننا نريدك أن تكون قادرًا على النظر إلى أي تفاعل وإخبارنا بقصة طاقة عن هذا التفاعل. لا ينبغي بأي حال من الأحوال قضاء الوقت في محاولة حفظ هذه المسارات (على الرغم من أنه سيساعد بشكل كبير على تذكر بعض الأشياء ذات الصورة الكبيرة - سيتم التأكيد عليها). غالبًا ما نعطيك المسار كشخصية في الامتحانات. ينتج تحلل السكر في النهاية 2 ATP عبر عملية تسمى الفسفرة على مستوى الركيزة ، 2 NADH و 2 من مركبات البيروفات.
  • سنستخدم تفاعلات دورة TCA لإنشاء أمثلة متعددة لقصص الطاقة. ستنتج دورة TCA أيضًا المزيد من ATP و NADH وتؤكسد الجلوكوز تمامًا في CO2.
  • سننظر في مسار بديل لمسار دورة TCA ، التخمير. في التخمير لأول مرة سنرى NADH يستخدم كمتفاعل في تفاعل التمثيل الغذائي.
  • سوف نتبع NADH حتى نهاية رحلتها ، حيث تتبرع بإلكتروناتها إلى سلسلة نقل الإلكترون (ETC). في هذه الوحدة ، ستحتاج إلى أن تكون قادرًا على استخدام برج الأكسدة والاختزال. ينتج ETC تدرج بروتون. لا يتم إنشاء ATP مباشرة في هذه العملية. ومع ذلك ، يتم استخدام التدرج البروتوني من قبل الخلية (من بين أشياء أخرى) لتشغيل إنزيم يسمى سينسيز ATP الذي يحفز التفاعل ADP + Pi - & gt ATP. ينتج عن طريقة إنتاج ATP (تسمى التنفس التأكسدي) إنتاج المزيد من ATP أكثر من الفسفرة على مستوى الركيزة.
  • وأخيرًا ، سوف نمر بعملية التمثيل الضوئي.

نظرة عامة موجزة عن كيمياء الأكسدة والاختزال وبرج الأكسدة تفاعل الأكسدة والاختزال (الأكسدة) هو نوع من التفاعل الكيميائي الذي يتضمن نقل الإلكترونات بين مركبين أو ذرات. على سبيل المثال ، يعتبر انتقال الإلكترون من الصوديوم المحايد (Na) إلى الكلور المحايد (Cl) مما يؤدي إلى وجود أيون الصوديوم (Na +) والشحنة السالبة الشحنة (Cl -) أيون تفاعل الأكسدة والاختزال. يزيل تفاعل الأكسدة إلكترونًا من ذرة في مركب ، وإضافة هذا الإلكترون إلى مركب آخر هو تفاعل اختزال. نظرًا لأن الأكسدة والاختزال يحدثان معًا عادةً ، فإن هذه الأزواج من التفاعلات تسمى تفاعلات تقليل الأكسدة ، أو تفاعلات الأكسدة والاختزال. تفاعلات الأكسدة والاختزال شائعة وحيوية لبعض الوظائف الأساسية للحياة ، بما في ذلك التمثيل الضوئي ، والتنفس ، والاحتراق ، والتآكل أو الصدأ.

يمكن اعتبار كل تفاعل أحمر / ثور على أنه تفاعلان نصفيان ، وفي نصف تفاعل يفقد المركب الإلكترونات وفي النصف الثاني من التفاعل يكتسب مركب مختلف الإلكترونات. ترتبط كمية الطاقة المنقولة في تفاعل الأكسدة والاختزال بالاختلاف في احتمال اختزال كل نصف تفاعلات ، E0 ". برج الإلكترون هو أداة تصنف تفاعلات نصف مشتركة مختلفة (وبالتالي مركبات مختلفة) بناءً على مدى احتمالية التبرع أو قبول الإلكترونات. كلما كانت الإمكانات الكهروكيميائية أقل ، وأكثر سالبة ، لكل نصف تفاعل ، قل احتمال "قبول" المركب للإلكترون. عادة ، يمكن للمركبات المختزلة (على سبيل المثال لديها إلكترونات "إضافية") "التبرع" بالإلكترونات إلى مركبات مؤكسدة (على سبيل المثال "مفقودة" بعض الإلكترونات) التي لها إمكانات اختزال أعلى. بشكل عام ، يمكن للمركبات المؤكسدة "قبول" الإلكترونات من المركبات المختزلة التي لها إمكانات اختزال أقل. سيكون استخدام برج الإلكترون أكثر وضوحًا عندما نناقش سلاسل نقل الإلكترون في عدد قليل من الوحدات.

تفاعلات الأكسدة والاختزال

في هذا الفصل سنركز على تفاعلات REDOX المرتبطة بيولوجيًا. تحدث غالبية التفاعلات التي نناقشها في سياق المسارات الأيضية (مجموعات متصلة من التفاعلات الأيضية) حيث يمكن للخلية أن تستهلك المركبات ، وتنقسم إلى أجزاء أصغر ثم يعاد تجميعها إلى جزيئات كبيرة.

لنبدأ ببعض التفاعلات العامة يؤدي نقل الإلكترونات بين مركبين إلى فقدان أحد هذين المركبين لإلكترونًا ، ويكتسب أحد المركبات إلكترونًا. على سبيل المثال ، انظر إلى الشكل أدناه. إذا استخدمنا نموذج تقييم قصة الطاقة لإلقاء نظرة على التفاعل الكلي ، فيمكننا مقارنة خصائص المواد المتفاعلة والمنتجات قبل وبعد. ماذا يحدث للمادة (الأشياء) قبل وبعد التفاعل؟ يبدأ المركب A كمحايد ويصبح مشحونًا بشكل إيجابي. يبدأ المركب B كمحايدة ويصبح سالبًا. نظرًا لأن الإلكترونات مشحونة سالبًا ، يمكننا متابعة حركة الإلكترونات من المركب A إلى B من خلال النظر إلى التغير في الشحنة. يفقد A إلكترونًا (يصبح شحنة موجبة) ، وبذلك نقول إن A قد أصبح مؤكسدًا. ترتبط الأكسدة بفقدان الإلكترون (الإلكترونات). يكتسب B الإلكترون (يصبح سالبًا) ، ونقول أن B قد انخفض. يرتبط الاختزال باكتساب الإلكترونات. نعلم أيضًا ، نظرًا لحدوث شيء ما ، يجب نقل الطاقة و / أو إعادة تنظيمها في هذه العملية وسننظر في ذلك قريبًا.

نتوقع منك في Bis2a التعرف على هذه المصطلحات. حاول تعلمها وتعلم كيفية استخدامها في أسرع وقت ممكن - سنستخدم المصطلحات بشكل متكرر ولن يكون لدينا الوقت لتعريفها في كل مرة.

تفاعل عام الأكسدة والاختزال. رد الفعل الكامل هو أن A + B ينتقل إلى A + + B -. يظهر نصفي ردود الفعل في المربع الأزرق. يتأكسد A بالتفاعل ويقلل B بالتفاعل.

عندما يفقد إلكترون (إلكترون) ، أو يتأكسد الجزيء ، يجب أن ينتقل الإلكترون (الإلكترونات) إلى جزيء آخر. يقال إن الجزيء الذي يكتسب الإلكترون قد انخفض. تقترن تفاعلات الأكسدة والاختزال دائمًا فيما يُعرف باسم تفاعل الأكسدة والاختزال (يُسمى أيضًا تفاعل الأحمر / الثور).

للتأكيد: في Bis2a نتوقع منك التعرف على هذه المصطلحات. حاول تعلمها وتعلم كيفية استخدامها في أسرع وقت ممكن - سنستخدم المصطلحات بشكل متكرر ولن يكون لدينا الوقت لتعريفها في كل مرة.

تذكر التعاريف: الأكسدة = فقدان اختزال الإلكترونات = اكتساب أكسدة الإلكترونات = فقدان الإلكترونات = اكتساب الإلكترونات

رد الفعل النصف

لإضفاء الطابع الرسمي على فهمنا المشترك لتفاعلات الأحمر / الثور ، نقدم مفهوم نصف رد الفعل. مطلوب نصفي رد الفعل لعمل تفاعل أحمر / ثور كامل. يمكن اعتبار كل نصف تفاعل على أنه وصف لما يحدث لأحد الجزيئين المتورطين في تفاعل الأحمر / الثور. هذا موضح أدناه. في هذا المثال ، يتم أكسدة المركب AH بواسطة المركب B + تتحرك الإلكترونات من AH إلى B + لتوليد A + و BH. يمكن اعتبار كل تفاعل على أنه تفاعلان نصفيان: حيث يتم أكسدة AH وتفاعل ثان حيث يتم تقليل B + إلى BH.يعتبر هذان التفاعلان متقارنين ، وهو مصطلح يشير إلى أن هذين التفاعلين يحدثان معًا في نفس الوقت.

تفاعل أحمر / ثور عام حيث يتم أكسدة مركب AH بواسطة المركب B +. يمثل كل نصف تفاعل نوعًا واحدًا أو مركبًا إما لفقد أو اكتساب إلكترونات (وبروتون لاحق كما هو موضح في الشكل أعلاه). في نصف التفاعل # 1 ، تفقد AH بروتونًا وإلكترونين: في النصف الثاني من رد الفعل ، يكتسب B + إلكترونين وبروتونًا. في هذا المثال ، يتم أكسدة HA إلى A + بينما يتم تقليل B + إلى BH.

إمكانية التخفيض

وفقًا للاتفاقية ، نقوم بتحليل ووصف تفاعلات الأحمر / الثور فيما يتعلق بإمكانيات الاختزال ، وهو مصطلح يصف كميًا "قدرة" المركب على اكتساب الإلكترونات. يتم تحديد قيمة إمكانية الاختزال هذه تجريبيًا ولكن لغرض هذه الدورة التدريبية ، نفترض أن القارئ سيقبل أن القيم المبلغ عنها صحيحة بشكل معقول. يمكننا تجسيد إمكانات الاختزال بالقول إنها مرتبطة بالقوة التي يمكن للمركب من خلالها & # 8220 جذب & # 8221 أو & # 8220 سحب & # 8221 أو & # 8220 التقاط & # 8221 إلكترونات. ليس من المستغرب أن يرتبط هذا بالسلبية الكهربية ولكنه لا يتطابق معها.

ما هي هذه الخاصية الجوهرية لجذب الإلكترونات؟ المركبات المختلفة ، بناءً على بنيتها وتكوينها الذري ، لها عوامل جذب جوهرية ومميزة للإلكترونات. تسمى هذه الجودة بإمكانية الخفض أو E0 & # 8217 وهي كمية نسبية (مقارنة ببعض تفاعلات & # 8220 القياسية & # 8221). إذا كان لمركب الاختبار "جاذبية" أقوى للإلكترونات من المعيار (إذا تنافس الاثنان ، فإن مركب الاختبار "يأخذ" الإلكترونات من المركب القياسي) ، فإننا نقول إن مركب الاختبار لديه إمكانية تخفيض موجبة يتناسب حجمها مع فكم بالحري الذي يريده من الإلكترونات أكثر من المركب القياسي. يتم قياس القوة النسبية للمركب مقارنة بالمعيار والإبلاغ عنها بوحدات فولت (V) (تُكتب أحيانًا على شكل إلكترون فولت أو eV) أو مللي فولت (mV). المركب المرجعي في معظم أبراج الأكسدة والاختزال هو H2.

برج الأكسدة

يمكن لجميع أنواع المركبات المشاركة في تفاعلات الأكسدة والاختزال. تم تطوير أداة لجدولة بيانية نصف تفاعلات الأكسدة والاختزال بناءً على E.0 ومساعدتنا على التنبؤ باتجاه تدفق الإلكترون بين المتبرعين والمقبولين للإلكترون المحتملين. يعتمد ما إذا كان مركب معين يمكن أن يعمل كمتبرع للإلكترون (مختزل) أو متقبل للإلكترون (مؤكسد) بشكل حاسم على المركب الآخر الذي يتفاعل معه. عادةً ما يصنف برج الإلكترون مجموعة متنوعة من المركبات الشائعة (تفاعلاتها النصفية) من معظم E سالب0 '، المركبات التي تتخلص بسهولة من الإلكترونات ، إلى E الأكثر إيجابية0 ، المركبات الأكثر احتمالاً لقبول الإلكترونات. بالإضافة إلى ذلك ، تتم كتابة كل نصف تفاعل بالاتفاق مع الشكل المؤكسد على اليسار / متبوعًا بالصيغة المختصرة على يمين الشرطة المائلة.
على سبيل المثال ، يتم كتابة نصف رد الفعل لتقليل NAD + إلى NADH:
NAD + / NADH. في البرج أدناه ، يتم أيضًا سرد عدد الإلكترونات التي يتم نقلها. على سبيل المثال ، يتضمن اختزال NAD + إلى NADH إلكترونين ، مكتوبين في الجدول كـ 2e -.

يظهر برج الإلكترون أدناه.

برج الثور الأحمر الشائع المستخدم في Bis2A. وفقًا للاتفاقية ، تتم كتابة تفاعلات نصف البرج بالشكل المؤكسد للمركب على اليسار والشكل المختزل على اليمين. تم العثور على المركبات التي تجعل مانحًا ممتازًا للإلكترون في الجزء العلوي من البرج. تعتبر المركبات مثل الجلوكوز وغاز الهيدروجين مانحين ممتازين للإلكترون. لاحظ أنه تم العثور عليها على الجانب الأيمن من تفاعلات نصف زوج الثور / الأحمر. في الطرف الآخر من البرج توجد المركبات التي تصنع مستقبلات إلكترون نهائية ممتازة ، مثل الأكسجين والنتريت ، وتوجد هذه المركبات على الجانب الأيسر من الزوج الأحمر / الثور ولها E موجبة0 ' القيمة.

فيديو عن برج الإلكترون للحصول على فيديو قصير حول كيفية استخدام برج الإلكترون في مشاكل الأحمر / الثور ، انقر هنا. هذا الفيديو من صنع د. إيسلون لطلاب Bis2A. (هذا مفيد للغاية.)

يتم فصل الجانبين الأيمن والأيسر من التفاعلات الكيميائية في برج الأكسدة والاختزال بواسطة "/". شكل المركب الموجود على يسار الشرطة المائلة هو ______ ، وشكل المركب الموجود على يمين الشرطة المائلة _______________.

  1. مؤكسد ، مخفض
  2. مخفض ، مؤكسد
  3. يتأكسد في الجزء العلوي من البرج ، ويختزل في أسفل البرج
  4. في الجزء العلوي من البرج ، يتأكسد في أسفل البرج

ما هي العلاقة بين & # 916E0 و & # 916G؟ يصبح السؤال الآن: كيف نعرف ما إذا كان أي تفاعل معطى للأكسدة والاختزال عفويًا بقوة أم لا (طارد للطاقة أو مفاقم الطاقة) وبغض النظر عن الاتجاه ، ما هو فرق الطاقة الحرة؟ تكمن الإجابة في الاختلاف في إمكانات الاختزال للمركبين. الفرق في احتمال الاختزال للتفاعل أو E0 لرد الفعل ، هو الفرق بين E.0 المؤكسد (المركب الذي يحصل على الإلكترونات ويسبب أكسدة المركب الآخر) والمختزل (المركب الذي يفقد الإلكترونات). في المثال العام أدناه ، AH هو الاختزال و B + هو المؤكسد. تتحرك الإلكترونات من AH إلى B +. باستخدام حرف E.0 'من -0.32 للمختزل و 0.82 للمؤكسد ، التغيير الكلي في E0 أو & # 916E0 هو 1.14 فولت.

تفاعل الأكسدة والاختزال العام مع نصف تفاعلات مكتوبة بإمكانية الاختزال (E.0 ') من نصفي ردود الفعل المشار إليها.

التغيير في & # 916E0 يرتبط بالتغيرات في طاقة جيبس ​​الحرة ، & # 916G. بشكل عام إيجابية كبيرة & # 916E0 يتناسب مع قيمة سالبة كبيرة & # 916G. ردود الفعل مفرطة وعفوية.

لكي يكون رد الفعل مفرطًا ، يجب أن يكون للتفاعل تغير سلبي في الطاقة الحرة أو - & # 916G ، سيتوافق هذا مع & # 916E موجب0 ". بعبارة أخرى ، عندما تتدفق الإلكترونات "منحدرًا" في تفاعل أكسدة اختزال من مركب بقدرة اختزال أعلى (أكثر إيجابية) إلى مركب ثانٍ بإمكانية اختزال أقل (أقل إيجابية) ، فإنها تطلق طاقة مجانية (مراجعة الوحدة 4.0 و 4.1 ).
كلما زاد الجهد ، & # 916E0 بين المكونين ، كلما زادت الطاقة المتاحة عند حدوث تدفق الإلكترون. في الواقع ، من الممكن تحديد كمية الطاقة المجانية المتاحة. يتم إعطاء العلاقة بواسطة معادلة Nernst:

ترتبط معادلة نرنست بالطاقة الحرة لتفاعل الأكسدة والاختزال إلى الاختلاف في جهد الاختزال بين المنتجات المختزلة للتفاعل والمتفاعل المؤكسد.
الإسناد: Marc T. Facciotti (العمل الأصلي)

  • ن هو عدد مولات الإلكترونات المنقولة
  • F هو ثابت فاراداي البالغ 96.485 كيلو جول / فولت. في بعض الأحيان يتم إعطاؤه بوحدات kcal / V وهي 23.062 kcal / V ، وهي كمية الطاقة (بالكيلو جول أو كيلو كالوري) التي يتم إطلاقها عندما يمر مول واحد من الإلكترونات عبر انخفاض محتمل قدره 1 فولت

يشير استخدام الجدول إلى أي مما يلي يمكن استخدامه كمتقبل للإلكترون لنقل الإلكترون من Ubiquinoneأحمر. يشير الرمز "الأحمر" المنخفض إلى أن يوبيكوينون في حالة مختصرة - حيث يحتوي على إلكترون يعطيه للمستقبل "الصحيح". إذا كنت قد رأيت "الثور" المنخفض فهذا يشير إلى أن يوبيكوينون قد تأكسد وبالتالي لم يكن متاحًا للتبرع بالإلكترونات ، بل تقبلها.

مقدمة عن ناقلات الطاقة المتنقلة

ملخص القسم يتم تحريك الطاقة ونقلها داخل الخلية بعدة طرق. إحدى الآليات المهمة التي طورتها الطبيعة هي استخدام ناقلات الطاقة الجزيئية القابلة لإعادة التدوير. في حين أن هناك العديد من ناقلات الطاقة الرئيسية القابلة لإعادة التدوير ، فإنها تشترك جميعًا في بعض الميزات الوظيفية المشتركة:

  • نعتقد أن ناقلات الطاقة موجودة في "مجمعات" من شركات النقل المتاحة. يمكن للمرء ، على سبيل القياس ، اعتبار ناقلات الطاقة المتنقلة هذه مماثلة لمركبات توصيل ناقلات الطرود - تمتلك الشركة "مجموعة" معينة من المركبات المتاحة في أي وقت لالتقاط وتسليم الشحنات.
  • يمكن أن يوجد كل ناقل فردي في البركة في واحدة من حالات متميزة متعددة: إما أنه يحمل "حمولة" من الطاقة ، أو حمولة جزئية ، أو "فارغة". يمكن للجزيء أن يتحول بين "محمّل" وفارغ وبالتالي يمكن إعادة تدويره. مرة أخرى عن طريق القياس ، يمكن أن تكون مركبات التوصيل إما تحمل طرودًا أو تكون فارغة وتتحول بين هذه الحالات.
  • التوازن أو النسبة في المجموعة بين الحاملات "المحملة" و "غير المحملة" مهمة للوظيفة الخلوية ، تنظمها الخلية ويمكنها في كثير من الأحيان إخبارنا بشيء عن حالة الخلية. وبالمثل ، تحتفظ خدمة نقل الطرود بعلامات تبويب قريبة حول مدى امتلاء أو تفريغ مركبات التوصيل الخاصة بهم - إذا كانت ممتلئة جدًا ، فقد لا تكون الشاحنات "الفارغة" كافية لالتقاط طرود جديدة إذا كانت فارغة جدًا ، يجب ألا تسير الأعمال على ما يرام أو يتم إغلاقه وهناك توازن مناسب لمواقف مختلفة.

في هذه الدورة سوف ندرس نوعين رئيسيين من ناقلات الطاقة الجزيئية القابلة لإعادة التدوير: (1) نيوكليوتيدات الأدينين ، على وجه التحديد: نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد (NAD +) ، وهو قريب من نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد فوسفات (NADP +) ، وفلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد (FAD) 2+) و (2) النوكليوتيدات أحادية وثنائية وثلاثي الفوسفات ، مع إيلاء اهتمام خاص للأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP). يشارك كل نوع من هذين النوعين من الجزيئات في نقل الطاقة الذي يتضمن فئات مختلفة من التفاعلات الكيميائية. ترتبط نيوكليوتيدات الأدينين بشكل أساسي بكيمياء الأكسدة والاختزال بينما ترتبط النوكليوتيدات ثلاثية الفوسفات بنقل الطاقة المرتبطة بالتحلل المائي أو تكثيف الفوسفات غير العضوي.

كيمياء الأكسدة والاختزال وحاملات الإلكترون

تؤدي أكسدة أو إزالة إلكترون من جزيء (سواء كان مصحوبًا بإزالة البروتون المصاحب أم لا) إلى تغيير الطاقة الحرة لذلك الجزيء - تغيرت المادة والطاقة الداخلية والإنتروبيا في هذه العملية . وبالمثل ، يؤدي تقليل (اكتساب الإلكترون على) الجزيء أيضًا إلى تغيير طاقته الحرة. يحدد حجم التغيير في الطاقة الحرة واتجاهها (موجب أو سلبي) لتفاعل الأكسدة والاختزال عفوية التفاعل ومقدار الطاقة المنقولة. في الأنظمة البيولوجية ، حيث يحدث قدر كبير من نقل الطاقة عبر تفاعلات الأكسدة والاختزال ، من المهم أن نفهم كيف يتم التوسط في هذه التفاعلات والبدء في التفكير في الأفكار أو الفرضيات عن سبب توسط هذه التفاعلات في كثير من الحالات بواسطة عائلة صغيرة من ناقلات الإلكترون .

  • ما هي المشكلة (المشكلات) التي ساعد تطور حاملات الإلكترون / الأكسدة والاختزال في حلها؟
  • تطلب منك الخطوة التالية من تحدي التصميم تحديد معايير الحلول الناجحة. ما هي معايير النجاح في المشكلة التي حددتها؟
  • تطلب منك الخطوة 3 في تحدي التصميم تحديد الحلول الممكنة. حسنًا ، حددت الطبيعة بعضًا لنا - نعتبر ثلاثة في القراءة أدناه. يبدو أن الطبيعة سعيدة بوجود حلول متعددة لهذه المشكلة.
  • تطلب منك الخطوة قبل الأخيرة من نموذج تقييم تحدي التصميم تقييم الحلول المقترحة وفقًا لمعايير النجاح. هذا يجب أن يجعلك تفكر / تناقش سبب وجود العديد من ناقلات الإلكترون المختلفة؟ هل هناك معايير مختلفة للنجاح؟ هل كل منهما يحل مشاكل مختلفة قليلاً؟ ماذا تعتقد؟ كن على اطلاع بينما نمر بعملية التمثيل الغذائي بحثًا عن أدلة.

NAD + / H و FADH / H.2

في الأنظمة الحية ، تعمل فئة صغيرة من المركبات كمكوكات إلكترونية: فهي تربط الإلكترونات وتحملها بين المركبات في مسارات أيضية مختلفة. ناقلات الإلكترون الرئيسية التي سننظر فيها مشتقة من مجموعة فيتامين ب وهي مشتقات من النيوكليوتيدات. يمكن اختزال هذه المركبات (أي أنها تقبل الإلكترونات) أو تتأكسد (تفقد الإلكترونات) اعتمادًا على إمكانات الاختزال لمتبرع أو متقبل للإلكترون محتمل أنها قد تنقل الإلكترونات من وإلى. النيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد (NAD +) (الهيكل موضح أدناه) مشتق من فيتامين ب3النياسين. NAD + هو الشكل المؤكسد للجزيء NADH هو الشكل المختزل للجزيء بعد أن يقبل إلكترونين وبروتون (وهما معًا ما يعادل ذرة هيدروجين مع إلكترون إضافي).

نتوقع منك أن تحفظ شكلي NAD + / NADH ، وأن تعرف أيهما مؤكسد وأيهما هو الشكل المختزل ، وأن تكون قادرًا على التعرف على أي من الشكلين على الفور في سياق تفاعل كيميائي.

يمكن أن يقبل NAD + الإلكترونات من جزيء عضوي وفقًا للمعادلة العامة:

القليل من مراجعة المفردات: عندما تُضاف إلكترونات إلى مركب ، يُقال أن المركب قد تم اختزاله. يسمى المركب الذي ينقص آخر (يتبرع بالإلكترونات) بالعامل المختزل. في المعادلة أعلاه ، RH هو عامل مختزل ، ويتم تقليل NAD + إلى NADH. عندما تُزال الإلكترونات من المركب ، تتأكسد. يسمى المركب الذي يؤكسد آخر عامل مؤكسد. في المعادلة أعلاه ، NAD + هو عامل مؤكسد ، ويتأكسد RH إلى R.

تحتاج إلى الحصول على هذا! سنقوم (أ) باختبار قدرتك على القيام بذلك تحديدًا - كأسئلة "سهلة" و (ب) سنستخدم المصطلحات مع توقع أنك تعرف ما تعنيه ويمكن ربطها بالتفاعلات الكيميائية الحيوية بشكل صحيح (في الفصل وعلى مدار اليوم) الاختبارات).

ستواجه أيضًا شكلًا ثانيًا من NAD + و NADP +. إنه مشابه جدًا من الناحية الهيكلية لـ NAD + ولكنه يحتوي على مجموعة فوسفات إضافية ويلعب دورًا مهمًا في التفاعلات الابتنائية مثل التمثيل الضوئي. حامل إلكترون آخر قائم على النوكليوتيدات ستواجهه أيضًا في هذه الدورة التدريبية وما بعدها ، مشتق من فيتامين ب فلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد (FAD +)2، ويسمى أيضًا الريبوفلافين. شكله المصغر هو FADH2. تعلم كيفية التعرف على هذه الجزيئات كحاملات للإلكترون أيضًا.

يظهر الشكل المؤكسد لحامل الإلكترون (NAD +) على اليسار والشكل المختزل (NADH) يظهر على اليمين. تحتوي القاعدة النيتروجينية في NADH على أيون هيدروجين واحد واثنين من الإلكترونات أكثر من NAD +.

يتم استخدام NAD + بواسطة الخلية "لسحب" الإلكترونات من المركبات و "نقلها" إلى مواقع أخرى داخل الخلية ، وبالتالي يطلق عليها حاملات الإلكترون. تستخدم مركبات NAD + / H في العديد من عمليات التمثيل الغذائي التي سنناقشها في هذه الفئة. على سبيل المثال ، في شكله المؤكسد يستخدم NAD + كمتفاعل في تحلل السكر ودورة TCA ، بينما في شكله المختزل (NADH) هو متفاعل في التخمير وسلسلة نقل الإلكترون (ETC). ستتم مناقشة كل من هذه العمليات في وحدات لاحقة.

قصة الطاقة لتفاعل الأكسدة والاختزال *** كقاعدة عامة ، عندما نرى NAD + / H كمتفاعل أو منتج نعلم أننا ننظر إلى تفاعل الأكسدة والاختزال. *** عندما يكون NADH منتجًا و NAD + هو المتفاعلة نعلم أن NAD + قد انخفض (مكونًا NADH) لذلك يجب أن يكون المتفاعل الآخر هو المتبرع للإلكترون وأصبح مؤكسدًا. والعكس صحيح أيضًا. إذا أصبح NADH NAD + ، فيجب أن يكون المتفاعل الآخر قد اكتسب الإلكترون من NADH وأصبح مخفضًا.

يوضح هذا التفاعل تحويل البيروفات إلى حمض اللاكتيك إلى جانب تحويل NADH إلى NAD
المصدر: https: //en.wikibooks.org/wiki/Structural_Biochemistry/Enzyme/sequential_reactions

في الشكل أعلاه ، نرى تفاعل البيروفات يتحول إلى حمض اللاكتيك ، إلى جانب تحويل NADH إلى NAD +. يتم تحفيز هذا التفاعل بواسطة LDH. باستخدام "القاعدة الأساسية" أعلاه ، نصنف رد الفعل هذا على أنه تفاعل أكسدة واختزال. NADH هو الشكل المصغر لحامل الإلكترون ويتم تحويل NADH إلى NAD +. ينتج عن هذا النصف من التفاعل أكسدة حامل الإلكترون.
يتم تحويل البيروفات إلى حمض اللاكتيك في هذا التفاعل. كل من هذه السكريات مشحونة سالبة لذلك سيكون من الصعب معرفة المركب الذي يتم تقليله بشكل أكبر باستخدام شحنات المركبات. ومع ذلك ، فإننا نعلم أن البيروفات قد تقلص لتكوين حمض اللاكتيك لأن هذا التحويل يقترن بأكسدة NADH إلى NAD +. ولكن كيف يمكننا معرفة أن حمض اللاكتيك أقل من البيروفات؟ الجواب هو النظر إلى روابط الكربون والهيدروجين في كلا المركبين. أثناء نقل الإلكترونات ، غالبًا ما تكون مصحوبة بذرة هيدروجين. يوجد إجمالي 3 روابط C-H في البيروفات ويوجد إجمالي 4 روابط C-H في حمض اللاكتيك. عندما نقارن هذين المركبين في الحالة السابقة واللاحقة ، نرى أن حمض اللاكتيك يحتوي على رابطة C-H أخرى ، وبالتالي ، يكون حمض اللاكتيك أقل من البيروفات. هذا صحيح بالنسبة للمركبات المتعددة. على سبيل المثال ، الشكل أدناه ، يجب أن تكون قادرًا على ترتيب المركبات من الأكثر إلى الأقل مخفضة باستخدام روابط C-H كدليل لك.

أعلاه عبارة عن سلسلة من المركبات التي يمكن تصنيفها أو إعادة تنظيمها من الأكثر إلى الأقل تخفيضًا. قارن عدد روابط C-H في كل مركب. لا يحتوي ثاني أكسيد الكربون على روابط C-H وهو أكثر أشكال الكربون المؤكسدة التي سنناقشها في هذه الفئة.
الإجابة: الأكثر اختزالًا هو الميثان (المركب 3) ، ثم الميثانول (4) ، والفورمالديهايد (1) ، وحمض الكربوكسيل (2) ، وأخيراً ثاني أكسيد الكربون (5). يوضح هذا التفاعل تحويل G3P و Pi و NAD + إلى NADH و 1،3-BPG. يتم تحفيز هذا التفاعل بواسطة Glyceraldehyde -3-phosphate dehydrogenase.

قصة الطاقة: لنصنع قصة طاقة للتفاعل أعلاه.

أولاً ، دعنا نميز المتفاعلات والمنتجات. المتفاعلات هي Glyceraldehyde-3-phosphate (مركب كربون) ، Pi (فوسفات غير عضوي) و NAD +. تدخل هذه المواد المتفاعلة الثلاثة في تفاعل كيميائي لإنتاج منتجين ، NADH و 1،3-Bisphosphoglycerate. إذا نظرت عن كثب ، يمكنك أن ترى أن 1،3-BPG تحتوي على اثنين من الفوسفات. هذا مهم عندما نتحقق مرة أخرى من عدم فقدان أي كتلة. هناك نوعان من الفوسفات في المواد المتفاعلة لذلك يجب أن يكون هناك فوسفاتان في المنتجات (حفظ الكتلة!). يمكنك التحقق مرة أخرى من احتساب جميع الذرات الأخرى أيضًا. الإنزيم الذي يحفز هذا التفاعل يسمى Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase. التغيير القياسي للطاقة الحرة لهذا التفاعل هو

6.3kJ / mol لذلك في ظل الظروف القياسية يمكننا القول أن الطاقة الحرة للمنتجات أعلى من تلك الخاصة بالمواد المتفاعلة وأن هذا التفاعل ليس تلقائيًا في ظل الظروف القياسية.

ماذا يمكننا أن نقول عن هذا التفاعل المحفز بواسطة glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase؟ هذا هو رد فعل الأكسدة والاختزال. نحن نعلم ذلك لأننا أنتجنا ناقل إلكترون مخفض (NADH) كمنتج و NAD + متفاعل. من أين أتى الإلكترون ليصنع NADH؟ يجب أن يأتي الإلكترون من المتفاعل الآخر (مركب الكربون).

+ 6.3 كيلو جول / مول. في ظل الظروف القياسية ، لا يكون هذا التفاعل تلقائيًا. ومع ذلك ، يعد هذا أحد التفاعلات الرئيسية في أكسدة الجلوكوز. يحتاج للذهاب في الخلية. الأسئلة هي: لماذا من المهم ملاحظة أشياء مثل "التغيير القياسي للطاقة الحرة" أو "في ظل الظروف القياسية" عند الإبلاغ عن ذلك & # 916G & # 176؟ ما الذي يمكن أن يحدث في الخلية ليجعل ما هو تحت الظروف القياسية رد فعل مائي "يذهب"؟

تفاعل كيميائي مختزل ________.

  1. تصغير المركب إلى شكل أبسط
  2. يضيف إلكترونًا إلى الركيزة
  3. يزيل ذرة الهيدروجين من الركيزة
  4. هو رد فعل تقويضي

مركب كيميائي آخر نحتاج إلى التعرف عليه هو الأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP).يتمثل الدور الخلوي الرئيسي لـ ATP في كونه جهاز نقل طاقة "قصير المدى" للخلية. تفاعلات التحلل المائي التي تحرر واحدًا أو أكثر من فوسفات ATP هي تفاعلات مفرطة الطاقة والعديد من البروتينات الخلوية قد تطورت لتتفاعل مع ATP بطرق تساعد على تسهيل نقل الطاقة من التحلل المائي إلى عدد لا يحصى من الوظائف الخلوية الأخرى. بهذه الطريقة ، غالبًا ما يُطلق على ATP اسم & # 8220energy Currency & # 8221 للخلية - فهي تتمتع بقيم ثابتة بشكل معقول من الطاقة لنقلها من أو إلى نفسها ويمكنها تبادل هذه الطاقة بين العديد من المتبرعين والمتقبلين المحتملين. سنرى العديد من الأمثلة على ATP "أثناء العمل" في الخلية - كن على اطلاع عليها وكما تراهم حاول أن تفكر فيها على أنها أمثلة وظيفية لاستخدامات الطبيعة لـ ATP التي يمكن أن تتوقع رؤيتها في تفاعل آخر أو سياق الكلام.

هيكل ووظيفة ATP

في قلب ATP يوجد نيوكليوتيدات أدينوزين أحادي الفوسفات (AMP). مثل النيوكليوتيدات الأخرى ، يتكون AMP من قاعدة نيتروجينية (جزيء أدينين) مرتبط بجزيء ريبوز ومجموعة فوسفات واحدة. تؤدي إضافة مجموعة فوسفات ثانية إلى هذا الجزيء الأساسي إلى تكوين الأدينوزين ديالفوسفات (ADP) إضافة مجموعة فوسفات ثالثة تشكل الأدينوزين ثلاثيالفوسفات (ATP).

يحتوي ATP (أدينوزين ثلاثي الفوسفات) على ثلاث مجموعات فوسفات يمكن إزالتها عن طريق التحلل المائي لتشكيل ADP (ثنائي فوسفات الأدينوزين) أو AMP (أدينوزين أحادي الفوسفات).

الفسفرة أو تكثيف مجموعات الفوسفات على AMP هي عملية endergonic. على النقيض من ذلك ، فإن التحلل المائي لمجموعة واحدة أو مجموعتين من الفوسفات من ATP ، وهي عملية تسمى نزع الفسفرة ، تكون مفرطة الطاقة. لماذا ا؟ دعنا نتذكر أن المصطلحين endergonic و exergonic يشيران إلى علامة الاختلاف في الطاقة الحرة للتفاعل بين المنتجات والمواد المتفاعلة ، & # 916G. في هذه الحالة ، نحدد صراحة اتجاه التفاعل ، إما في اتجاه الفسفرة أو نزع الفسفرة للنيوكليوتيدات. في تفاعل الفسفرة ، المواد المتفاعلة هي النيوكليوتيدات والفوسفات غير العضوي بينما المنتجات عبارة عن نيوكليوتيدات فسفرة وماء. في تفاعل نزع الفسفرة / التحلل المائي ، تكون المواد المتفاعلة عبارة عن نيوكليوتيدات فسفرة وماء بينما المنتجات عبارة عن فوسفات غير عضوي ونيوكليوتيد مطروحًا منه فوسفات واحد.

نظرًا لأن طاقة جيبس ​​الحرة هي وظيفة حالة ، فلا يهم كيف يحدث التفاعل ، فأنت تفكر فقط في حالات البداية والنهاية. لذلك ، دعنا على سبيل المثال نفحص التحلل المائي لـ ATP. تتميز المواد المتفاعلة ATP والماء بتركيبها الذري وأنواع الروابط بين الذرات المكونة ويمكن أن ترتبط بعض الطاقة الحرة بكل من الروابط وتكويناتها المحتملة - وبالمثل بالنسبة للمنتجات. إذا فحصنا التفاعل من وجهة نظر المنتجات والمواد المتفاعلة وسألنا "كيف يمكننا إعادة تجميع الذرات والروابط في المواد المتفاعلة للحصول على النواتج؟" ، نجد أنه يجب كسر رابطة الفوسفوهيدريد بين الأكسجين والفوسفور في ATP ، رابطة بين الأكسجين والهيدروجين المكسور في الماء ، رابطة بين OH (التي جاءت من انقسام الماء) والفوسفور (من PO المحررة)3 -2) ، ويجب تكوين رابطة بين H (المشتق من انقسام الماء) ، والأكسجين النهائي على النيوكليوتيدات الفسفورية. إن مجموع الطاقات المرتبطة بكل عمليات إعادة ترتيب الروابط (بما في ذلك تلك المرتبطة مباشرة بالماء) هي التي تجعل هذا التفاعل مفرطًا. يمكن إجراء تحليل مماثل مع رد الفعل العكسي.

هل هناك شيء خاص بشأن الروابط المحددة التي تدخل في هذه الجزيئات؟ تم عمل الكثير في نصوص مختلفة حول أنواع الروابط بين فوسفات ATP. بالتأكيد ، تساعد خصائص الروابط في ATP في تحديد الطاقة والتفاعلية الحرة للجزيء. ومع ذلك ، في حين أنه من المناسب تطبيق مفاهيم مثل كثافة الشحنة وتوافر هياكل الرنين على هذه المناقشة ، فإن خبب هذه المصطلحات كـ "تفسير" دون فهم شامل لكيفية تأثير هذه العوامل على الطاقة الحرة للمتفاعلات هو نوع خاص من التلويح باليد الذي نفضل عدم المشاركة فيه. لم يكن لدى معظم طلاب BIS2A أي كلية كيمياء ومن غير المحتمل أن يكونوا قد ناقشوا هذه المصطلحات بأي طريقة ذات معنى. لذا ، فإن محاولة شرح العملية باستخدام الأفكار المذكورة أعلاه لن تفعل شيئًا سوى إعطاء إحساس زائف بالفهم ، وتميل إلى تخصيص بعض الصفة الغامضة لـ ATP وهي روابط "خاصة" غير موجودة ، وتشتيت الانتباه عن النقطة الحقيقية ، يكون تفاعل التحلل المائي مفرطًا للطاقة بسبب خصائص ATP ولكن أيضًا بسبب الخواص الكيميائية للماء وتلك الخاصة بمنتجات التفاعل. بالنسبة لهذه الفئة ، يكفي أن نعرف أن الكيميائيين الفيزيائيين المتخصصين لا يزالون يدرسون عملية التحلل المائي لـ ATP في المحلول وفي سياق البروتينات وأنهم ما زالوا يحاولون حساب المكونات الرئيسية للحمولات الحرارية والنتروبية للطاقات الحرة المكونة. سنحتاج فقط إلى قبول درجة معينة من الجهل الكيميائي الميكانيكي والاكتفاء بوصف الخصائص الديناميكية الحرارية الإجمالية. هذا الأخير كافٍ تمامًا لإجراء مناقشات عميقة حول البيولوجيا ذات الصلة.

روابط "عالية الطاقة" ماذا عن مصطلح "روابط الطاقة العالية" الذي كثيرًا ما نسمعه مرتبطًا بـ ATP؟ إذا لم يكن هناك شيء "خاص" بشأن الروابط في ATP ، فلماذا نسمع دائمًا مصطلح "روابط عالية الطاقة" المرتبطة بالجزيء؟ الجواب بسيط بشكل مخادع. في علم الأحياء ، يستخدم مصطلح "رابطة الطاقة العالية" لوصف تفاعل طارد للطاقة يتضمن التحلل المائي للرابطة المعنية والذي ينتج عنه تغير سلبي "كبير" في الطاقة الحرة. تذكر أن هذا التغيير في الطاقة الحرة لا يتعلق فقط بالرابطة المعنية بل يتعلق بمجموع كل عمليات إعادة ترتيب الروابط في التفاعل. ما الذي يشكل تغييرا كبيرا؟ يبدو أن هذا تعيين تعسفي إلى حد ما يرتبط عادةً بكمية من الطاقة مرتبطة بأنواع التفاعلات الابتنائية التي نلاحظها عادةً في علم الأحياء. إذا كان هناك شيء مميز حول الروابط في ATP فهو غير مرتبط بشكل فريد بالطاقة الحرة للتحلل المائي حيث أن هناك الكثير من الروابط الأخرى التي ينتج عن التحلل المائي فيها اختلافات سلبية أكبر في الطاقة الحرة.

يمكن مقارنة الطاقة الحرة للتحلل المائي لأنواع مختلفة من الروابط بتلك الموجودة في التحلل المائي لـ ATP.

المصدر: http://biowiki.ucdavis.edu/Biochemistry/Oxidation_and_Phosphorylation/ATP_and_Oxidative_Phosphorylation/Properties_of_ATP جدول الجزيئات الخلوية المُفسفرة الشائعة والطاقات الحرة الخاصة بالتحلل المائي.

فيديو عن ناقلات الإلكترون والإلكترون / البروتون للحصول على مقطع فيديو مدته 7 دقائق على YouTube حول دور الناقلات في التنفس ، انقر هنا.

ركوب الدراجات في أحواض ATP

تقديرات عدد جزيئات ATP في نطاق الخلايا البشرية النموذجي من

5x10 -17 مول ATP / خلية) في خلية دم بيضاء إلى 5x10 9 (

9x10 -15 مول ATP / خلية) في خلية سرطانية نشطة. في حين أن هذه الأرقام قد تبدو كبيرة ومذهلة بالفعل ، ضع في اعتبارك أنه من المقدر أن يتحول هذا التجمع من ATP (يصبح ADP ثم يعود إلى ATP) 1.5x في الدقيقة. يؤدي توسيع هذا التحليل إلى تقدير أن معدل الدوران اليومي هذا يعادل تقريبًا وزن جسم واحد من ATP يتم تدويره يوميًا. بمعنى ، إذا لم يحدث دوران / إعادة تدوير لـ ATP ، فسيحتاج الجسم البشري إلى وزن واحد بقيمة ATP ليعمل - ومن هنا جاء وصفنا السابق لـ ATP بأنه جهاز نقل طاقة "قصير المدى" للخلية.

بينما يمكن إعادة تدوير مجموعة ATP / ADP ، يتم أيضًا نقل بعض الطاقة التي يتم نقلها في العديد من التحويلات بين ATP و ADP والجزيئات الحيوية الأخرى إلى البيئة. من أجل الحفاظ على الطاقة الخلوية ، يجب أن تنتقل الطاقة من البيئة أيضًا. من اين تاتي هذه الطاقة؟ تعتمد الإجابة كثيرًا على مكان توفر الطاقة والآليات التي طورتها الطبيعة لنقل الطاقة من البيئة إلى الناقلات الجزيئية مثل ATP. ومع ذلك ، في جميع الحالات تقريبًا ، تطورت آلية النقل لتشمل شكلاً من أشكال كيمياء الأكسدة والاختزال. في هذا والأقسام التالية ، نحن مهتمون بتعلم بعض الأمثلة الهامة لنقل الطاقة من البيئة ، والأنواع الرئيسية للكيمياء والتفاعلات البيولوجية المشاركة في هذه العملية ، وبعض التفاعلات البيولوجية الرئيسية والمكونات الخلوية المرتبطة بتدفق الطاقة بين أجزاء مختلفة من نظام المعيشة. نحن نركز أولاً على التفاعلات المتضمنة في (إعادة) توليد ATP في الخلية (ليس تلك التي تشارك في تكوين النيوكليوتيدات بحد ذاتها بل تلك المرتبطة بنقل الفوسفات إلى AMP و ADP).

رابط الفيديو للحصول على شرح أكثر تفصيلاً لـ ATP وكيف يخزن هذا الجزيء الطاقة ، ألق نظرة على هذا الفيديو (10 دقائق) بالنقر هنا. (تحذير - لم يتم التحقق من صحة مدرب BIS2A بعد)

كيف تولد الخلايا ATP؟

ظهرت مجموعة متنوعة من الآليات على مدى 3.25 مليار سنة من التطور لإنشاء ATP من ADP و AMP. غالبية هذه الآليات عبارة عن تعديلات على موضوعين: التوليف المباشر لـ ATP أو التوليف غير المباشر لـ ATP بآليتين أساسيتين تعرفان على التوالي باسم: الفسفرة على مستوى الركيزة (SLP) والفسفرة المؤكسدة. هذه الموضوعات موضوعية بدرجة كافية بحيث تتم مناقشتها بالتفصيل في الوحدات القليلة القادمة. يكفي أن نقول إن كلا الآليتين تعتمدان على التفاعلات الكيميائية الحيوية التي تنقل الطاقة من بعض مصادر الطاقة إلى ADP أو AMP ، لتخليق ATP.

الفسفرة على مستوى الركيزة

أبسط طريقة لتجميع ATP هي الفسفرة على مستوى الركيزة. يتم إنشاء جزيئات ATP (أي ، يتم تجديدها من ADP) كنتيجة مباشرة لتفاعل كيميائي يحدث في مسارات تقويضية. تتم إزالة مجموعة الفوسفات من مادة متفاعلة وسيطة في المسار ، وتستخدم الطاقة الحرة للتفاعل لإضافة الفوسفات الثالث إلى جزيء ADP متاح ، مما ينتج عنه ATP. هذه الطريقة المباشرة جدًا للفسفرة تسمى الفسفرة على مستوى الركيزة. يمكن العثور عليه في مجموعة متنوعة من ردود الفعل التقويضية ، وعلى الأخص في تفاعلين محددين في تحلل السكر (والذي سنناقشه على وجه التحديد لاحقًا). يكفي أن نقول إن المطلوب هو وسيط عالي الطاقة يكون أكسدة كافية لدفع تخليق ATP.

الفسفرة الركيزة في تحلل السكر. فيما يلي مثال واحد على مستوى الفسفرة على مستوى الركيزة الذي يحدث في تحلل السكر. نقل مباشر لمجموعة فوسفات من مركب الكربون إلى ADP لتكوين ATP.
الإسناد: Marc T. Facciotti (عمل خاص)

في هذا التفاعل ، تكون المواد المتفاعلة عبارة عن مركب كربون فسفري يسمى G3P (من تفاعل 6 لتحلل السكر) ، وجزيء ADP والمنتجات هي 1،3BPG و ATP. نقل الفوسفات من G3P إلى ADP لتشكيل ATP في الموقع النشط للإنزيم هو الفسفرة على مستوى الركيزة. يحدث هذا مرتين في تحلل السكر ومرة ​​واحدة في دورة TCA.


تعيين عالمة الأحياء الدقيقة ميشيل إيجو عميدًا مشاركًا للبرامج الأكاديمية الجامعية

لمدة سبع سنوات ، قامت الأستاذة ميشيل إيجو بتدريس BIS 2A ، وهي دورة تمهيدية للطلاب الجامعيين في كلية العلوم البيولوجية. مع وجود ما يصل إلى 500 طالب في كل فصل ، فإن مهمة Igo هي تزويد الطلاب الجدد بأساس في علم الأحياء الحديث.

ولكن كيف يمكن للأساتذة قياس فهم مواد الدورة بدقة مع العديد من الطلاب؟ مثل العديد من الأساتذة ، تريد Igo من طلابها المشاركة بشكل نقدي مع مواد الدورة التدريبية بدلاً من مجرد إعادة تعريفات ونظريات. لكن في بعض الأحيان ، يواجه الطلاب حواجز عندما يتعلق الأمر بالمشاركة. في التعليم ، حجم واحد لا يناسب الجميع.

تعمل Igo ، الحاصلة على موعد في قسم علم الأحياء الدقيقة وعلم الوراثة الجزيئية ، وزملاؤها على تحسين بيئة التعلم في جامعة كاليفورنيا في ديفيس ، من خلال مشاريع تركز على تطوير البرامج لتعزيز مشاركة الطلاب وخلق بيئة تعليمية أكثر شمولاً.

تجعلها الأبحاث التربوية التي أجرتها Igo مناسبة طبيعية لقيادة الكلية ، وتم مؤخرًا تعيينها عميدًا مشاركًا للبرامج الأكاديمية الجامعية لكلية العلوم البيولوجية ، لمدة أربع سنوات.

"الدكتور. قال مارك وايني ، عميد كلية العلوم البيولوجية ، "لقد قدمت Igo خبرات بحثية هادفة وإرشادًا للعديد من طلاب علوم الحياة ، وكانت رائدة في برامجنا التعليمية". "نحن متحمسون لانضمامها إلى صفوف قيادة الكلية ونتطلع إلى مساهماتها في هذا المنصب."

حلت Igo محل سوزان كين ، قسم التطور والبيئة ، التي ستواصل إلقاء المحاضرات وإجراء أبحاثها التعليمية الخاصة في جامعة كاليفورنيا في ديفيس.

قال كين: "سأفتقد فرصة التفاعل ، كجزء من الوظيفة ، مع العديد من الزملاء من أعضاء هيئة التدريس والموظفين في الكلية وعبر الحرم الجامعي". "إن مراجعة السياسات والعمليات بطرق تعمل على تحسين الحياة الأكاديمية للطلاب ليس بالأمر السهل دائمًا ، ولكنه مرضي للغاية. كان من الرائع أيضًا مقابلة هذا العدد الكبير من الطلاب والتعرف على حياتهم وطموحاتهم ومساراتهم المهنية ".

قال إيغو: "أحد الأشياء التي لطالما أعجبت بها في سوزان هو أن الطلاب يأتون أولاً لها". "وأنا أتفق مع هذه الأيديولوجية."

الأستاذان لوكا كوماي وميشيل إيغو يقفان أمام لوحة جدارية للفصل الدراسي BIS 2A. ديفيد سليفر / جامعة كاليفورنيا ديفيس

من البكتيريا إلى تعليم أفضل في الفصول الدراسية

ركزت Igo على البحث التربوي منذ بضع سنوات بعد تحقيقها في Xylella fastidiosa، وهي بكتيريا تسبب مرض بيرس في العنب. تنتقل البكتيريا إلى أشجار العنب عن طريق القناص ذو الجناحين الزجاجي ، وهو حشرة نطاط الأوراق الكبيرة. في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين ، عندما انضم إيجو إلى فريق من العلماء في جامعة كاليفورنيا في ديفيس لمكافحة المرض ، كانت أكثر من 1100 فدان من كروم العنب في كاليفورنيا موبوءة بالفعل. ركزت أبحاث Igo على تحديد البروتينات الموجودة على سطح الخلية البكتيرية وتطوير استراتيجيات للتدخل في قدرة البكتيريا على غزو النباتات المضيفة الحساسة.

X. fastidiosa مسؤول عن عدد من الأمراض في المحاصيل المهمة للاقتصاد الزراعي في كاليفورنيا ، بما في ذلك اللوز والعنب "قال إيجو. "كما تم تحديده على أنه العامل المسبب لمرض قاتل للحمضيات والبن في أمريكا الجنوبية والزيتون في إيطاليا. إن فهم كيفية تطور هذا العامل الممرض لإصابة أنواع نباتية جديدة أمر بالغ الأهمية إذا أردنا منع ظهور أمراض جديدة في كاليفورنيا ".

بالإضافة إلى بحثها العلمي ، كان لدى Igo اهتمام طويل الأمد بتطوير طرق جديدة لزيادة المشاركة المعرفية للطلاب في الفصل الدراسي. يتضمن التركيز الرئيسي لأبحاثها التعليمية الحالية تطوير أدوات حسابية جديدة تكتشف الدرجة التي يتفاعل بها الطلاب بشكل معرفي وهادف مع مواد الدورة التدريبية عبر الإنترنت. هذا المشروع عبارة عن تعاون مع Marc Faccioti ، الأستاذ المشارك في الهندسة الطبية الحيوية في UC Davis ، وكوبي غال ، والأستاذ المشارك في هندسة البرمجيات وهندسة نظم المعلومات في جامعة بن غوريون ، وديفيد كراجر ، أستاذ وعضو في علوم الكمبيوتر. ومختبر الذكاء الاصطناعي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

مادة الدورة التدريبية عبر الإنترنت المستخدمة في هذه الدراسة هي "BIS 2A: علم الأحياء التمهيدي" ، والتي تعمل باستمرار على تطوير كتاب مدرسي مفتوح الوصول مكتوب من قبل مدربي BIS2A. قبل كل محاضرة ، يُطلب من الطلاب تسليط الضوء والتعليق على ثلاثة مجالات من مهمة القراءة المعينة. في الفصول الدراسية الصغيرة ، يمكن للأساتذة قراءة التعليقات وتقييم ليس فقط ما إذا كانت تعليقات الطلاب صحيحة ، ولكن أيضًا ما إذا كان الطلاب يتفاعلون مع المحتوى بشكل نقدي ثم يدمجون أفكارهم في محاضرتهم التالية.

يعد هذا الأمر أكثر صعوبة في بيئة الفصل الدراسي الأكبر.

الهدف من مشروع Igo وزملائها الحالي هو تطوير نظام ذكاء اصطناعي يمكنه تقييم عمل الطلاب في فصل دراسي كبير أو إعداد عبر الإنترنت والتفاعل مع الطلاب الفرديين أثناء قراءة مواد الدورة التدريبية. في النهاية ، نأمل أن يتمكن النظام من حث الطلاب على التفاعل مع المحتوى بشكل أكثر عمقًا إذا كانوا يقدمون إجابات على مستوى السطح فقط.

يتمثل دور Igo في المشروع في تعليم الكمبيوتر كيفية التمييز بين هذه التعليقات. علاوة على ضمان تفاعل الطلاب مع المواد ، يأمل الباحثون أن يساعدهم نظام الذكاء الاصطناعي في التعرف على الطلاب المتعثرين في وقت مبكر من هذا الربع ، بحيث يمكن للأساتذة ومساعدي التدريس التدخل والمساعدة قبل النصف الأول من الفصل الدراسي.

الهدف الآخر هو استخدام نظام الذكاء الاصطناعي لتحديد حواجز الاتصال التي يواجهها أحيانًا الطلاب الذين يتحدثون اللغة الإنجليزية كلغة ثانية. وهذا يشمل التقييم المستمر لنثر الكتاب المدرسي والقضاء على استخدامات العامية والمصطلحات.

عندما تقوم بالتدريس بالمقاييس التي نحن عليها ، لا سيما في دورات الالتحاق الكبيرة مثل BIS 2A ، فإن التحدي يكمن في معرفة كيفية مساعدة الطالب الفردي ، "قال Igo. "كيف يمكننا تحديد ما هي القضايا؟ الذكاء الاصطناعي هو وسيلة واضحة للذهاب ".