معلومة

SS1_2018_Lecture_01 - علم الأحياء

SS1_2018_Lecture_01 - 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.

مادة الاحياء

علم الأحياء هو الدراسة العلمية للحياة. إنها فرصة للبحث في بعض أعمق أسئلة البشرية حول أصولنا ، وتاريخ كوكبنا ، وعلاقاتنا بالكائنات الحية الأخرى (الكبيرة والصغيرة / الموجودة أو المنقرضة). إنها أيضًا فرصة للغوص في عالم من الحلول العملية للمشكلات والتفكير الجاد في الحلول الممكنة لتحسين الرعاية الصحية ، والحفاظ على الإمدادات الغذائية المستدامة ، وإنتاج تقنيات الطاقة المتجددة.

تساعدنا دراسة علم الأحياء على فهم المشكلات ومعالجة المشكلات اليومية. على سبيل المثال ، يمكنك أن تفهم بشكل أفضل كيف يؤثر ما تأكله وكمية التمارين الرياضية على صحتك عندما تفهم التفاعلات الكيميائية الحيوية التي تصف كيف يتحول الطعام (المادة) ، وكيف يخزن جسمك الطاقة ، وكيف يمكن أن تكون هذه الطاقة. تنتقل من الطعام إلى عضلاتك. يمكن أن يكون تحديد ما إذا كنت تريد شراء المنتجات المصنفة بعبارات مثل "مضادات الميكروبات" أو "بروبيوتيك" أسهل إذا فهمت ما تفعله الميكروبات التي تعيش فيها وحولنا. يمكن أن يساعدنا فهم المبادئ البيوكيميائية التي تصف التغييرات التي تحدث للبيض أثناء طهيه على فهم كيف يمكن أن تكون العمليات الفيزيائية المتشابهة أساسية لاستجابة الإجهاد الخلوي وبعض الأمراض. يمكن تقدير لون عينيك بشكل أفضل من خلال فهم الآليات الجينية والكيميائية الحيوية التي تربط المعلومات الجينية بالصفات الجسدية.

تساعدنا دراسة علم الأحياء حتى على فهم الأشياء "خارج هذا العالم". على سبيل المثال ، يمكن أن يساعدنا فهم متطلبات الحياة في البحث عن الحياة في أماكن مثل المريخ أو في أعماق قشرة الأرض. عندما نفهم كيفية "إعادة توصيل" شبكات صنع القرار الخلوية بشكل صحيح ، فقد نتمكن أخيرًا من تجديد أطراف أو أعضاء وظيفية من أنسجة شخص ما ، أو إعادة برمجة الأنسجة المريضة إلى الحالة الصحية. هناك العديد من الفرص المثيرة. النقطة الأساسية هي أن إتقان بعض المبادئ الأساسية يساعدك على فهم مجموعة واسعة من الموضوعات والتفكير فيها بعمق أكبر. ضع هذه الفكرة في الاعتبار طوال الدورة.

علم الأحياء: علم متعدد التخصصات

تمتد الأسئلة في علم الأحياء إلى مقاييس الحجم التي تزيد عن عشرة أوامر من حيث الحجم ، من التركيب الذري والسلوك الكيميائي للجزيئات الفردية إلى أنظمة الكواكب ذات النظم البيئية المتفاعلة. مهما كان حجم الاهتمام ، لتطوير فهم عميق وعملي لعلم الأحياء ، يجب علينا أولا أن نقدر المفاهيم البيولوجية. يتضمن ذلك دمج الأفكار والأدوات المهمة من مختلف مجالات العلوم ، بما في ذلك الكيمياء والفيزياء والرياضيات. علم الأحياء هو حقًا علم متعدد التخصصات.

التطبيق المحتمل للمعرفة واسع

قد يعتقد بعض الناس أن دراسة علم الأحياء تتعلق بالطب فقط - ومع ذلك ، يمكن أن تؤدي إلى العديد من المهن المختلفة أو تؤثر عليها. علم الأحياء له تطبيقات واسعة النطاق وواسعة النطاق. تشمل التطبيقات علاج المرضى (البشر أو الحيوانات الأخرى) ، وتحسين الممارسات الزراعية ، وتطوير مواد بناء جديدة ، وكتابة سياسات طاقة جديدة ، ومعالجة تغير المناخ العالمي ، وإنشاء أعمال فنية جديدة - والقائمة تطول وتطول. بالنسبة للفضوليين ، تحتوي البيولوجيا على الكثير من الألغاز غير المستكشفة.

أثناء دراستك لعلم الأحياء ، نقدر أسئلته وموضوعاته المثيرة وكن منفتحًا. على الرغم من أن مواضيع الدورة قد لا تكون دائمًا بدا ذات الصلة في البداية ، فمن المحتمل أن يكونوا كذلك. يساعدك الانفتاح على اكتشاف وتقدير الروابط بين مواضيع الدورة واهتماماتك. يمكن أن يمنحك اكتشاف كيفية ترابط الموضوعات المختلفة على ما يبدو تقديراً أعمق للأشياء التي تستمتع بها وربما يثير شغفًا جديدًا.

BIS2A - من الجزيئات إلى الخلايا

يركز BIS2A على الخلية ، وهي واحدة من أكثر الوحدات الأساسية للحياة. يمكن أن تكون الخلايا بسيطة مثل البكتيريا المسببة للأمراض المفطورة التناسلية، التي يشفر جينومها 525 جينًا فقط (382 منها فقط ضرورية للحياة) ، أو معقدة مثل الخلية التي تنتمي إلى النبات متعدد الخلايا أرز أسيوي (الأرز) ، الذي من المحتمل أن يشفر جينومه حوالي 51000 جين. ومع ذلك ، على الرغم من هذا التنوع ، تشترك جميع الخلايا في بعض الخصائص الأساسية. في BIS2A ، نستكشف المشكلات الأساسية التي يجب أن تعالجها جميع الخلايا. ندرس اللبنات الأساسية للخلايا ، وبعض خصائصها الكيميائية الحيوية الرئيسية ، وكيف يتم تشفير المعلومات البيولوجية والتعبير عنها في المادة الوراثية ، وكيف يتحد كل هذا لتكوين نظام حي. سنناقش أيضًا بعض الطرق التي تتبادل بها الأنظمة الحية المادة والطاقة والمعلومات مع بيئتها (بما في ذلك الكائنات الحية الأخرى). نحن نركز بشكل أساسي على المبادئ الأساسية المشتركة بين جميع أشكال الحياة على الأرض ، وبسبب اتساع نطاق علم الأحياء ، فإننا نضع هذه الأفكار في مجموعة متنوعة من السياقات طوال هذا الربع.

التطور والانتقاء الطبيعي

لمحة موجزة

تطور و الانتقاء الطبيعي هي مفاهيم أساسية في علم الأحياء يتم استدعاؤها عادةً للمساعدة في شرح تنوع الحياة والعلاقات بين الحياة على الأرض ، سواء الموجودة أو المنقرضة. لحسن الحظ ، في BIS2A ، تحتاج إلى فهم واستخدام بعض الأفكار الأساسية المتعلقة بالتطور والانتقاء الطبيعي. نصف هذه أدناه. سوف توسع فهمك وتضيف تفاصيل إلى هذه المفاهيم الأساسية في BIS2B و BIS2C.

الفكرة الأولى التي تحتاج إلى فهمها هي أنه يمكن تعريف التطور ببساطة على أنه تطور / تغيير لشيء ما بمرور الوقت. في صناعة السيارات ، يمكن القول إن أشكال السيارات وميزاتها تتطور (تتغير بمرور الوقت). في الموضة ، يمكن القول أن الأسلوب يتطور. في علم الأحياء ، والحياة ، وعلى وجه الخصوص ، تكاثر السكان من الكائنات الحية سمات مختلفة تطور.

الشيء الثاني الذي يجب فهمه هو أن الانتقاء الطبيعي هو عملية تقوم من خلالها الطبيعة بتصفية الكائنات الحية في مجتمع ما. ما هو الفلتر؟ هنا يصبح الأمر أكثر تعقيدًا قليلاً (لكن قليلاً فقط). أبسط تفسير هو أن المرشح الانتقائي هو مجرد مزيج من جميع العوامل الحية وغير الحية في البيئة ، والتي تؤثر على مدى نجاح الكائن الحي في التكاثر. تُعرف العوامل التي تؤثر على قدرة الكائن الحي على التكاثر باسم ضغوط انتقائية. من المضاعفات الصغيرة ولكن المهمة أن هذه العوامل ليست هي نفسها في كل مكان ؛ يتغيرون في الوقت والمكان. وبالتالي ، فإن الضغوط الانتقائية التي تُنشئ المرشح تتغير باستمرار (أحيانًا بسرعة ، وأحيانًا ببطء) ، وتتغير الكائنات الحية في نفس الوقت التكاثر تعداد السكان يمكن أن يتعرضوا لضغوط مختلفة في أوقات مختلفة وفي مواقع مختلفة.

تجمع نظرية التطور عن طريق الانتقاء الطبيعي هاتين الفكرتين معًا ؛ ينص على أن التغيير في علم الأحياء يحدث بمرور الوقت وأن التباين في المجتمع يخضع باستمرار للاختيار بناءً على كيفية تأثير الاختلافات في السمات على التكاثر. ولكن ما هي هذه الخصائص أو الصفات؟ ما السمات / الميزات / الوظائف التي يمكن أن تخضع للاختيار؟ الإجابة المختصرة هي: أي شيء مرتبط بالكائن الذي يوجد له تباين في مجتمع ما ، والذي يؤدي فيه هذا الاختلاف إلى احتمال تفاضل لتوليد ذرية ، من المحتمل أن يخضع للترشيح عن طريق الانتقاء الطبيعي. كما نسمي هذه الصفات بالوراثة الأنماط الظاهرية. يقال إن الكائنات الحية في المجتمع التي لها أنماط ظاهرية ، والتي تمكنها من اجتياز المرشح الانتقائي بكفاءة أكبر من غيرها ، لديها ميزة انتقائية و / أو لياقة أكبر.

من المهم إعادة التأكيد على أنه في حين أن الأنماط الظاهرية التي تحملها الكائنات الحية الفردية قد تخضع للاختيار ، فإن عملية التطور عن طريق الانتقاء الطبيعي تتطلب وتعمل على الاختلاف المظهرى داخل السكان. إذا لم يكن هناك تباين أو مجموعات يمكن أن يقيم فيها هذا الاختلاف ، فلا توجد فرصة أو حاجة للاختيار. كل شيء ويبقى كما هو.

المفاهيم الخاطئة الشائعة وملاحظة خاصة بالدورة التدريبية

أخيرًا ، نلفت انتباهك إلى نقطة حرجة ومفهوم خاطئ شائع بين الطلاب المبتدئين في علم الأحياء. يمكن أن ينشأ هذا المفهوم الخاطئ عندما نقرر ، من أجل المناقشة ، تجسيد الطبيعة من خلال إعطائها عقلًا. على سبيل المثال ، قد نحاول بناء مثال للتطور عن طريق الانتقاء الطبيعي من خلال اقتراح وجود فائض من طعام معين في بيئة وأن هناك كائنًا قريبًا يتضور جوعاً. سيكون من الصحيح التفكير في أنه إذا كان بإمكان الكائن الحي أن يأكل هذا الطعام ، فقد يمنحه هذا ميزة انتقائية على الكائنات الحية الأخرى التي لا تستطيع ذلك. إذا وجدنا لاحقًا مثالًا للكائنات الحية التي لديها القدرة على تناول هذا الطعام الفائض ، فقد يكون من المغري أن نقول إن الطبيعة تطورت لحل مشكلة فائض الطعام. ومع ذلك ، فإن عملية التطور عن طريق الانتقاء الطبيعي تحدث بشكل عشوائي وبدون اتجاه. أي أن الطبيعة لا تحدد "المشاكل" التي تحد من اللياقة. لا تحدد الطبيعة الميزات التي من شأنها أن تجعل الكائن الحي أكثر نجاحًا ثم تبدأ في إنشاء حلول متنوعة تلبي هذه الحاجة. لا يتم توجيه توليد التباين. يحدث التباين ويقوم الاختيار الطبيعي بتصفية ما يعمل بشكل أفضل. إن ملاحظة وجود كائن حي يمكنه أن يأكل فائض الطعام ليس انعكاسًا للطبيعة التي تحل المشكلة بفعالية ، بل هي انعكاس لأي عمليات أدت إلى تباين في النمط الظاهري في مجموعة أسلاف خلقت - من بين العديد من المتغيرات الأخرى - نمطًا ظاهريًا التي زادت من اللياقة (ربما لأن كائنات الأجداد كانت قادرة على أكل الطعام الفائض).

هذه النقطة من الفقرة السابقة مهمة بشكل خاص لفهمها في سياق BIS2A بسبب الطريقة التي سنستخدم بها تحدي التصميم لفهم علم الأحياء. بينما يهدف تحدي التصميم إلى المساعدة في تركيز انتباهنا على الوظائف قيد الاختيار وعلاقتها بتحديد اللياقة ، فقد يكون من السهل - إذا لم نكن منتبهين - الانزلاق إلى لغة من شأنها أن توحي بأن الطبيعة تصمم حلولاً هادفة لحل مشاكل معينة . تذكر دائمًا أننا ننظر بأثر رجعي إلى ما اخترته الطبيعة وأننا نحاول فهم سبب اختيار نمط ظاهري معين على العديد من الاحتمالات الأخرى. من خلال القيام بذلك ، سوف نستنتج أو نفترض قدر استطاعتنا (وهو أمر خاطئ أحيانًا) سببًا معقولًا لشرح سبب تقديم النمط الظاهري لميزة انتقائية. نحن لا نقول أن النمط الظاهري تطور ليوفر ميزة انتقائية محددة. قد يكون التمييز بين هاتين الفكرتين دقيقًا ، لكنه بالغ الأهمية!

ملاحظة: مناقشة ممكنة

ما هي السمات الجسدية التي يمكنك التفكير بها والتي تمنح ميزة انتقائية لأنواع معينة؟ تحت أي شروط ستمنح هذه السمة تلك المزايا؟ تحت أي ظروف قد تكون هذه السمة عيبًا انتقائيًا؟

ملاحظة: مناقشة ممكنة

إن الأنواع الكبيرة من سلالات الكلاب المستأنسة التي يمكننا أن نختار منها للرفقة هي أيضًا نتيجة لعملية التطور عن طريق الانتقاء. وبالمثل ، فإن تطور العديد من المحاصيل المختلفة للغاية - الملفوف ، وبراعم بروكسل ، والكرنب ، واللفت ، والقرنبيط ، والقرنبيط - هو أيضًا نتيجة للتطور عن طريق الانتقاء. ومع ذلك ، في هاتين الحالتين تتم الإشارة إلى عملية الاختيار أو التصفية الانتقاء الاصطناعي بدلا من الانتقاء الطبيعي. ناقش كيف أن الانتقاء الاصطناعي والطبيعي متشابهان ومختلفان؟

ملاحظة: مناقشة ممكنة

كيف تؤثر العوامل البيئية والسياسية على عمليات التصنيع مثل تصميم السيارات؟ موضة؟ إلخ. ما هي الجوانب المشابهة لتطور الكائن الحي ، وما هي الجوانب المختلفة؟

ملاحظة: مناقشة ممكنة

هناك مفهوم خاطئ مرتبط ولكن مختلف قليلاً حول التطور عن طريق الانتقاء الطبيعي وهو أن هذه العملية تؤدي إلى إنشاء أكثر الحلول كفاءة للمشكلات. ما هي مشكلة هذه الفكرة؟

النهج العام لأنواع الجزيئات الحيوية في BIS2A

قبل ان تبدا

إذا لزم الأمر ، يرجى مراجعة وحدة تحدي التصميم لمراجعة نموذج تقييم تحدي التصميم.

بعض السياق والدافع

في BIS2A ، نحن مهتمون في المقام الأول بتطوير فهم وظيفي للخلية البيولوجية. في سياق مشكلة التصميم ، قد نقول إننا نريد حل مشكلة بناء خلية. إذا قمنا بتقسيم هذه المهمة الكبيرة إلى مشاكل أصغر ، أو بدلاً من ذلك ، نسأل عن أنواع الأشياء التي نحتاج إلى فهمها من أجل القيام بذلك ، سيكون من المعقول أن نستنتج أن فهم ما تتكون منه الخلية سيكون مهمًا. ومع ذلك ، لا يكفي تقدير الشيء الذي تتكون منه الخلية. نحتاج أيضًا إلى فهم خصائص المواد التي تتكون منها الخلية. هذا يتطلب منا التعمق في القليل من الكيمياء - علم "المادة" (المادة) التي تشكل العالم الذي نعرفه.

إن احتمال الحديث عن الكيمياء الجزيئية والديناميكا الحرارية يجعل بعض طلاب علم الأحياء متخوفين. ومع ذلك ، نأمل أن نظهر أن العديد من العمليات البيولوجية التي نهتم بها تنشأ مباشرة من الخصائص الكيميائية "للأشياء" التي تشكل الحياة وأن تطوير فهم وظيفي لبعض المفاهيم الكيميائية الأساسية يمكن أن يكون مفيدًا للغاية في التفكير في كيفية حل المشكلات في الطب والطاقة والبيئة من خلال مهاجمتها في جوهرها.

أهمية التركيب الكيميائي

كطالب في BIS2A ، سيُطلب منك تصنيف الجزيئات الكبيرة إلى مجموعات من خلال النظر في تركيبها الكيميائي ، وبناءً على هذا التركيب ، أيضًا استنتاج بعض الخصائص التي قد تمتلكها. على سبيل المثال ، تحتوي الكربوهيدرات عادةً على مجموعات هيدروكسيل متعددة. مجموعات الهيدروكسيل هي مجموعات وظيفية قطبية قادرة على تكوين روابط هيدروجينية. لذلك ، يمكن فهم بعض الخصائص ذات الصلة بيولوجيًا للكربوهيدرات المختلفة على مستوى ما من خلال التوازن بين كيفية تميلها إلى تكوين روابط هيدروجينية مع الماء أو نفسها أو مع جزيئات أخرى.

ربط الهيكل بالوظيفة

يلعب كل جزيء كبير دورًا محددًا في الأداء العام للخلية. ترتبط الخواص الكيميائية وهيكل الجزيء الضخم ارتباطًا مباشرًا بوظيفته. على سبيل المثال ، يمكن تقسيم بنية الفسفوليبيد إلى مجموعتين ، مجموعة رأس محبة للماء ومجموعة ذيل كارهة للماء. تلعب كل مجموعة من هذه المجموعات دورًا ليس فقط في تجميع غشاء الخلية ولكن أيضًا في انتقائية المواد التي يمكنها / لا يمكنها عبور الغشاء.

هيكل الذرة

ان ذرة هي أصغر وحدة من المادة التي تحتفظ بجميع الخصائص الكيميائية للعنصر. عناصر هي أشكال من المادة ذات خصائص 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 يجعل الافتراض المبسط أن الذرة القياسية تتكون من ثلاثة جسيمات دون ذرية ، بروتون، ال نيوترون، و ال إلكترون. تحتوي البروتونات والنيوترونات على كتلة تساوي تقريبًا وحدة كتلة ذرية واحدة (a.m.u). تبلغ وحدة الكتلة الذرية 1.660538921 × 10 تقريبًا-27كجم - تقريبًا 1/12 من كتلة ذرة كربون (انظر الجدول أدناه للحصول على قيمة أكثر دقة). كتلة الإلكترون 0.000548597 صباحًا. أو 9.1 × 10-31كلغ. توجد النيوترونات والبروتونات في مركز الذرة في منطقة تسمى نواة 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 تعيين ذرة العدد الذري بناءً على عدد البروتونات في النواة. يحتوي الكربون المحايد (C) ، على سبيل المثال ، على ستة نيوترونات وستة بروتونات وستة إلكترونات. لها عدد ذري ​​ستة وكتلة تزيد قليلاً عن 12 صباحًا.

الجدول 1. شحن وكتلة وموقع الجسيمات دون الذرية

البروتونات والنيوترونات والإلكترونات
الشحنةالقداس (صباحًا)الكتلة (كلغ)موقع
بروتون+1~11.6726 × 10-27نواة
نيوترون0~11.6749 × 10-27نواة
إلكترون–1~09.1094 × 10-31المدارات

يوضح الجدول 1 شحنة وموقع ثلاث جسيمات دون ذرية - النيوترون والبروتون والإلكترون. وحدة الكتلة الذرية = a.m.u. (المعروف أيضا باسم دالتون [دا]) - يُعرَّف هذا بأنه حوالي واحد على اثني عشر كتلة ذرة كربون متعادلة أو 1.660538921 × 10−27 كلغ. هذه هي كتلة البروتون أو النيوترون تقريبًا.

الشكل 2. العناصر ، مثل الهيليوم الموضحة هنا ، تتكون 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.)
المصدر: (https://commons.wikimedia.org/wiki/F...um_atom_QM.svg)
حسب المستخدم: Yzmo (عمل خاص) [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) أو CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/ 3.0 /)] ، عبر ويكيميديا ​​كومنز

الأحجام النسبية وتوزيع العناصر

الذرة النموذجية لها نصف قطر من واحد إلى اثنين من الأنجستروم (Å). 1Å = 1 × 10-10م. يبلغ نصف قطر النواة النموذجية 1 × 10-5Å أو 10000 أصغر من نصف قطر الذرة بأكملها. بالقياس ، يبلغ نصف قطر كرة التمرين الكبيرة النموذجية 0.85 متر. إذا كانت هذه ذرة ، فسيكون نصف قطر النواة حوالي 1/2 إلى 1/10 من أرفع شعرك. تشغل الإلكترونات كل هذا الحجم الإضافي في مناطق تسمى المدارات. بالنسبة للذرة المثالية ، المدارات هي مناطق محددة احتماليًا في الفضاء حول النواة حيث يمكن توقع وجود الإلكترون.

للحصول على معلومات أساسية إضافية حول التركيب الذري انقر هنا.
للحصول على معلومات أساسية إضافية عن المدارات هنا.

مقاطع فيديو

لمراجعة التركيب الذري ، تحقق من مقطع فيديو Youtube 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). عناصر أخرى مثل الكبريت (S) والكالسيوم (Ca) والكلوريد (Cl) والصوديوم (Na) والحديد (Fe) والكوبالت (Co) والمغنيسيوم والبوتاسيوم (K) والعديد من العناصر النزرة الأخرى ضرورية أيضًا للحياة ، ولكنها توجد عادةً في وفرة أقل بكثير من "الخمسة الأوائل" المذكورة أعلاه. نتيجة لذلك ، تركز كيمياء الحياة - وبالتالي الكيمياء ذات الصلة في BIS2A - إلى حد كبير على الترتيبات المشتركة والتفاعلات بين "أعلى خمس" ذرات أساسية في علم الأحياء.

الشكل 3. 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/Abundan...mical_elements) ؛ رسم بياني أنشأه Marc T. Facciotti

الجدول الدوري

يتم تنظيم العناصر المختلفة وعرضها بتنسيق الجدول الدوري. قام الكيميائي الروسي ديمتري مينديليف (1834-1907) في عام 1869 بتصميم الجدول ، ويجمع العناصر التي تشترك في خصائص كيميائية معينة بسبب بعض القواسم المشتركة في تركيبها الذري. التركيب الذري للعناصر مسؤول عن خواصها الفيزيائية بما في ذلك ما إذا كانت موجودة كغازات أو مواد صلبة أو سائلة في ظل ظروف محددة و تفاعل كيميائي، وهو مصطلح يشير إلى قدرتها على الاندماج والارتباط الكيميائي مع بعضها البعض والعناصر الأخرى.

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 الكتلة الذرية للعنصر. بالنظر إلى الكربون ، على سبيل المثال ، يظهر رمزه (C) واسمه ، بالإضافة إلى العدد الذري لستة (في الزاوية اليمنى العلوية التي تشير إلى عدد البروتونات في النواة المحايدة) وكتلته الذرية 12.11 (المجموع من كتلة الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات).

شكل: يوضح الجدول الدوري الكتلة الذرية والعدد الذري لكل عنصر. يظهر الرقم الذري أعلى رمز العنصر وتظهر الكتلة الذرية التقريبية إلى اليسار.
المصدر: بحلول عام 2012rc (عصامي باستخدام إنكسكيب) [المجال العام] ، عبر ويكيميديا ​​كومنز تم تعديله بواسطة مارك تي فاكيوتي - 2016

كهرسلبية

الجزيئات عبارة عن مجموعات من الذرات التي ترتبط ببعضها البعض من خلال الروابط. من المعقول أن نتوقع - والحالة تجريبية - أن الذرات المختلفة ستظهر خواصًا فيزيائية مختلفة ، بما في ذلك القدرة على التفاعل مع الذرات الأخرى. إحدى هذه الخصائص ، ميل الذرة لجذب الإلكترونات ، موصوفة بالمفهوم الكيميائي والمصطلح ، الكهربية. في حين تم تطوير عدة طرق لقياس الكهربية ، فإن الطريقة الأكثر شيوعًا التي يتم تدريسها لعلماء الأحياء هي تلك التي أنشأها لينوس بولينج.

إن وصف كيفية حساب باولينج الكهربية خارج نطاق BIS2A. ومع ذلك ، من المهم أن تعرف أن قيم الكهربية قد تم تحديدها تجريبيًا و / أو نظريًا لجميع العناصر تقريبًا في الجدول الدوري. القيم بدون وحدة ويتم الإبلاغ عنها بالنسبة للمرجع القياسي ، الهيدروجين ، الذي تبلغ كهروميته 2.20. كلما زادت قيمة الكهربية ، زاد ميل الذرة لجذب الإلكترونات. باستخدام هذا المقياس ، يمكن مقارنة الكهربية للذرات المختلفة كمياً. على سبيل المثال ، باستخدام الجدول 1 أدناه ، يمكنك الإبلاغ عن أن ذرات الأكسجين (O) أكثر كهرسلبية من ذرات الفوسفور (P).

الجدول 1. قيم Pauling الكهربية لعناصر مختارة ذات صلة بـ BIS2A وكذلك العناصر الموجودة في طرفي نقيض (الأعلى والأدنى) لمقياس الكهربية.

الإسناد: Marc T. Facciotti (العمل الأصلي)

تتمثل فائدة مقياس Pauling الكهربية في BIS2A في توفير أساس كيميائي لشرح أنواع الروابط التي تتشكل بين العناصر الشائعة الحدوث في الأنظمة البيولوجية وشرح بعض التفاعلات الرئيسية التي نلاحظها بشكل روتيني. نقوم بتطوير فهمنا للحجج القائمة على الكهربية حول الروابط والتفاعلات الجزيئية من خلال مقارنة الكهربية الكهربية لذرتين. تذكر أنه كلما زادت الطاقة الكهربية ، زادت قوة "سحب" الذرة على الإلكترونات القريبة.

يمكننا النظر ، على سبيل المثال ، في التفاعل المشترك بين الأكسجين (O) والهيدروجين (H). لنفترض أن O و H يتفاعلان (يشكلان رابطة) ونكتب هذا التفاعل كـ O-H ، حيث تمثل الشرطة بين الحروف التفاعل بين الذرتين. لفهم هذا التفاعل بشكل أفضل ، يمكننا مقارنة الكهربية النسبية لكل ذرة. من خلال فحص الجدول أعلاه ، نرى أن O لها كهرسلبية تبلغ 3.44 ، وأن H لها كهرسلبية تبلغ 2.20.

استنادًا إلى مفهوم الكهربية كما نفهمه الآن ، يمكننا أن نخمن أن ذرة الأكسجين (O) ستميل إلى "سحب" الإلكترونات بعيدًا عن الهيدروجين (H) عندما تتفاعل. سيؤدي هذا إلى ظهور شحنة سالبة طفيفة ولكنها مهمة حول ذرة O (بسبب زيادة ميل الإلكترونات إلى الارتباط بذرة O). ينتج عن هذا أيضًا شحنة موجبة طفيفة حول ذرة H (بسبب انخفاض احتمالية العثور على إلكترون قريب). نظرًا لأن الإلكترونات لا يتم توزيعها بالتساوي بين الذرتين ، ونتيجة لذلك ، فإن الشحنة الكهربائية أيضًا غير موزعة بالتساوي ، فإننا نصف هذا التفاعل أو الرابطة على أنها قطبي. هناك قطبان ساريان: القطب السالب بالقرب من الأكسجين والقطب الموجب بالقرب من الهيدروجين.

لتوسيع فائدة هذا المفهوم ، يمكننا الآن أن نسأل كيف يختلف التفاعل بين الأكسجين (O) والهيدروجين (H) عن التفاعل بين الكبريت (S) والهيدروجين (H). بمعنى ، كيف تختلف O-H عن S-H؟ إذا فحصنا الجدول أعلاه ، نرى أن الفرق في الكهربية بين O و H هو 1.24 (3.44 - 2.20 = 1.24) وأن الفرق في الكهربية بين S و H هو 0.38 (2.58 - 2.20 = 0.38). لذلك يمكننا أن نستنتج أن رابطة O-H هي أكثر قطبية من رابطة S. سنناقش عواقب هذه الاختلافات في الفصول اللاحقة.

الشكل 2. الجدول الدوري مع الكهربية لكل ذرة مدرجة.

الإسناد: بواسطة DMacks (https://en.wikipedia.org/wiki/Electronegativity) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)] ، عبر ويكيميديا ​​كومنز

يوضح فحص الجدول الدوري للعناصر (الشكل 2) أن الكهربية مرتبطة ببعض الخصائص الفيزيائية المستخدمة لتنظيم العناصر في الجدول. بعض الاتجاهات واضحة. على سبيل المثال ، تميل تلك الذرات ذات القدرة الكهربية الأكبر إلى الإقامة في الزاوية اليمنى العلوية من الجدول الدوري ، مثل الفلور (F) والأكسجين (O) والكلور (Cl) ، بينما تميل العناصر ذات القدرة الكهربية الأصغر إلى العثور عليها في الطرف الآخر من الجدول ، في أسفل اليسار ، مثل الفرانسيوم (Fr) والسيزيوم (Cs) والراديوم (Ra).

سيكون الاستخدام الرئيسي لمفهوم الكهربية في BIS2A هو توفير أساس مفاهيمي لمناقشة الأنواع المختلفة من الروابط الكيميائية التي تحدث بين الذرات في الطبيعة. سنركز بشكل أساسي على ثلاثة أنواع من السندات: الرابطة الأيونية, الروابط التساهمية و روابط الهيدروجين.

أنواع السندات

في BIS2A ، نركز بشكل أساسي على ثلاثة أنواع مختلفة من السندات: الروابط الأيونية ، الروابط التساهمية ، و روابط هيدروجينية. نتوقع من الطلاب أن يكونوا قادرين على التعرف على كل نوع من أنواع الروابط المختلفة في النماذج الجزيئية. بالإضافة إلى ذلك ، بالنسبة للروابط الشائعة في علم الأحياء ، نتوقع من الطالب تقديم تفسير كيميائي ، متجذر في أفكار مثل الكهربية ، لكيفية مساهمة هذه الروابط في كيمياء الجزيئات البيولوجية.

الرابطة الأيونية

الرابطة الأيونية هي تفاعلات كهروستاتيكية تتشكل بين أيونات الشحنات المعاكسة. على سبيل المثال ، يعرف معظمنا أنه في كلوريد الصوديوم (NaCl) ، ترتبط أيونات الصوديوم المشحونة إيجابياً وأيونات الكلوريد سالبة الشحنة عبر تفاعلات كهروستاتيكية (+ تجذب -) لتكوين بلورات من كلوريد الصوديوم ، أو ملح الطعام ، مما يؤدي إلى تكوين جزيء بلوري بدون صافي الشحنة. قد تنشأ أصول هذه التفاعلات من ارتباط الذرات المحايدة التي يكون اختلافها في الكهرومغناطيسية مرتفعًا بدرجة كافية. خذ المثال أعلاه. إذا تخيلنا أن ذرة الصوديوم المحايدة وذرة الكلور المحايدة تقترب من بعضها البعض ، فمن الممكن أنه على مسافات قريبة ، بسبب الاختلاف الكبير نسبيًا في الكهربية بين الذرتين ، يتم نقل الإلكترون من ذرة الصوديوم المحايدة إلى ذرة كلور متعادلة ، ينتج عنها أيون كلوريد سالب الشحنة وأيون صوديوم موجب الشحنة. يمكن أن تتفاعل هذه الأيونات الآن عبر رابطة أيونية.

شكل 1. يصور تكوين الرابطة الأيونية بين الصوديوم والكلور. في اللوحة (أ) ، يؤدي الاختلاف الكافي في الكهربية بين الصوديوم والكلور إلى انتقال الإلكترون من الصوديوم إلى الكلور ، مكونًا أيونيين ، كما هو موضح في اللوحة (ب) ، في اللوحة (ج) ، يرتبط الأيونات عبر تفاعل إلكتروستاتيكي. الإسناد: بواسطة BruceBlaus (عمل خاص) [CC BY-SA 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)] ، عبر ويكيميديا ​​كومنز

يشار إلى حركة الإلكترونات هذه من ذرة إلى أخرى باسم نقل الإلكترون. في المثال أعلاه ، عندما يفقد الصوديوم إلكترونًا ، فإنه يحتوي الآن على 11 بروتونًا ، و 11 نيوترونًا ، و 10 إلكترونات ، مما يتركه بشحنة إجمالية قدرها +1 (جمع الشحنات: 11 بروتونًا عند +1 شحنة لكل منها و 10 إلكترونات عند -1. شحن كل = +1). بمجرد الشحن ، يشار إلى ذرة الصوديوم باسم أيون الصوديوم. وبالمثل ، بناءً على سلبيتها الكهربية ، تميل ذرة الكلور المحايد (Cl) إلى اكتساب إلكترون لتكوين أيون مكون من 17 بروتونًا و 17 نيوترونًا و 18 إلكترونًا ، مما يعطيها صافي شحنة سالبة (-1). ويشار إليه الآن باسم أيون الكلوريد.

يمكننا تفسير نقل الإلكترون أعلاه باستخدام مفهوم الكهربية. ابدأ بمقارنة السلبيات الكهربية للصوديوم والكلور من خلال فحص الجدول الدوري للعناصر أدناه. نرى أن الكلور موجود في الزاوية العلوية اليمنى من الجدول ، بينما يوجد الصوديوم في الزاوية اليسرى العليا. بمقارنة قيم السلبية الكهربية للكلور والصوديوم بشكل مباشر ، نرى أن ذرة الكلور كهرسلبية أكثر من الصوديوم. الفرق في كهرسلبية الكلور (3.16) والصوديوم (0.93) هو 2.23 (باستخدام المقياس في الجدول أدناه). بالنظر إلى أننا نعلم أن نقل الإلكترون سيحدث بين هذين العنصرين ، يمكننا أن نستنتج أن الاختلافات في الكهربية بمقدار 2.2 ~ كبيرة بما يكفي لتسبب انتقال الإلكترون بين ذرتين وأن التفاعلات بين هذه العناصر من المحتمل أن تكون من خلال الروابط الأيونية.

الشكل 2. الجدول الدوري للعناصر يسرد قيم الكهربية لكل عنصر. يتم تغليف عنصري الصوديوم والكلور بحدود باللون الأزرق المخضر. الإسناد: بواسطة DMacks (https://en.wikipedia.org/wiki/Electronegativity) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)] ، عبر ويكيميديا ​​كومنزتم التعديل بواسطة Marc T. Facciotti

ملاحظة: مناقشة ممكنة

الذرات الموجودة في لبنة من ملح الطعام بحجم 5 بوصات × 5 بوصات (NaCl) الموجودة على منضدة مطبخك متماسكة بالكامل تقريبًا بواسطة روابط أيونية. بناءً على هذه الملاحظة ، كيف يمكنك تمييز قوة الروابط الأيونية؟

فكر الآن في نفس لبنة ملح الطعام بعد أن تم إلقاؤها في حوض سباحة في الفناء الخلفي. بعد بضع ساعات ، يذوب الطوب تمامًا ، ويتم توزيع أيونات الصوديوم والكلوريد بشكل موحد في جميع أنحاء البركة. ماذا يمكن أن تستنتج عن قوة الروابط الأيونية من هذه الملاحظة؟

اقترح سببًا يجعل الروابط الأيونية لكلوريد الصوديوم في الهواء تتصرف بشكل مختلف عن تلك الموجودة في الماء؟ ما هي أهمية هذا في علم الأحياء؟

للحصول على معلومات إضافية:

تحقق من الرابط من أكاديمية خان حول الروابط الأيونية.

روابط تساهمية

يمكننا أيضًا استدعاء مفهوم الكهربية للمساعدة في وصف التفاعلات بين الذرات التي لها اختلافات في الكهربية صغيرة جدًا بحيث لا تستطيع الذرات تكوين رابطة أيونية. غالبًا ما تؤدي هذه الأنواع من التفاعلات إلى رابطة تسمى الرابطة التساهمية. في هذه الروابط ، يتم مشاركة الإلكترونات بين ذرتين - على عكس التفاعل الأيوني حيث تبقى الإلكترونات على كل ذرة من أيون أو تنتقل بين الأنواع التي لها سلبيات كهربائية مختلفة للغاية.

نبدأ في استكشاف الرابطة التساهمية من خلال النظر في مثال حيث يكون الفرق في الكهربية صفرًا. ضع في اعتبارك تفاعلًا شائعًا جدًا في علم الأحياء ، وهو التفاعل بين ذرتين من الكربون. في هذه الحالة ، كل ذرة لها نفس الكهربية ، 2.55 ؛ وبالتالي فإن الفرق في الكهربية هو صفر. إذا قمنا ببناء نموذجنا العقلي لهذا التفاعل باستخدام مفهوم الكهربية ، فإننا ندرك أن كل ذرة كربون في زوج الكربون والكربون لها نفس الميل إلى "سحب" الإلكترونات إليها. في هذه الحالة ، عندما تتشكل الرابطة ، لن تميل أي من ذرتي الكربون إلى "سحب" (تجسيم جيد) الإلكترونات من الأخرى. سوف "يتشاركون" (تجسيم آخر) الإلكترونات بالتساوي ، بدلاً من ذلك.

جانبا: مثال ملزم

المثالان أعلاه - (1) تفاعل الصوديوم والكلور ، و (2) التفاعل بين ذرتين من الكربون - يشكلان مناقشة عن طريق "الربط" أو التحليل المقارب (انظر القراءة السابقة). لقد درسنا ما يحدث للنظام الفيزيائي عند التفكير في نقيضين. في هذه الحالة ، كان الطرفان في الاختلافات الكهربية بين الذرات المتفاعلة. يوضح تفاعل الصوديوم والكلور ما يحدث عندما يكون لذرتين اختلاف كبير في الكهربية ، ويوضح مثال الكربون والكربون ما يحدث عندما يكون هذا الاختلاف صفراً. بمجرد إنشاء منشورات الهدف الذهني هذه التي تصف ما يحدث في أقصى الحدود ، يصبح من السهل بعد ذلك تخيل ما قد يحدث بينهما - في هذه الحالة ، ماذا يحدث عندما يكون الاختلاف في الكهربية بين 0 و 2.2. سنفعل ذلك بعد ذلك.

عندما تكون مشاركة الإلكترونات بين ذرتين مترابطتين تساهميًا متساوية تقريبًا ، فإننا نطلق على هذه الروابط الروابط التساهمية غير القطبية. على النقيض من ذلك ، إذا لم تكن مشاركة الإلكترونات متساوية بين الذرتين (على الأرجح بسبب اختلاف في الكهربية بين الذرات) ، فإننا نسمي هذه الروابط التساهمية القطبية سندات.

في التساهمية القطبية السندات ، فإن الإلكترونات تتقاسمها الذرات بشكل غير متساو وتنجذب إلى نواة واحدة أكثر من الأخرى. بسبب التوزيع غير المتكافئ للإلكترونات بين الذرات في الرابطة التساهمية القطبية ، تتطور شحنة موجبة قليلاً (يشار إليها بواسطة δ +) أو سالبة قليلاً (يشار إليها بـ δ-) عند كل قطب من الرابطة. سوف تتطور الشحنة الموجبة قليلاً (+) على الذرة الأقل كهرسلبية ، حيث يتم سحب الإلكترونات أكثر نحو الذرة الأكثر كهرسلبية قليلاً. سوف تتطور شحنة سالبة قليلاً (δ -) على الذرة الأكثر كهرسلبية. نظرًا لوجود قطبين (القطبين الموجب والسالب) ، يُقال أن الرابطة تمتلك أ ثنائي القطب.

أمثلة على الروابط التساهمية غير القطبية والقطبية في الجزيئات ذات الصلة بيولوجيًا

الروابط التساهمية غير القطبية

الأكسجين الجزيئي

الأكسجين الجزيئي (O2) من ارتباط بين ذرتين من الأكسجين. نظرًا لأن الذرتين تشتركان في نفس الكهربية ، فإن الروابط في الأكسجين الجزيئي تكون تساهمية غير قطبية.

الميثان

مثال آخر على الرابطة التساهمية غير القطبية هو رابطة الكربون الهيدروجينية الموجودة في غاز الميثان (CH4). على عكس حالة الأكسجين الجزيئي حيث تشترك الذرتان المترابطتان في نفس القدرة الكهربية ، فإن الكربون والهيدروجين لا يتمتعان بنفس القدرة الكهربية ؛ C = 2.55 و H = 2.20 - الفرق في الكهربية 0.35.

الشكل 3. رسومات الخط الجزيئي للأكسجين الجزيئي والميثان وثاني أكسيد الكربون. الإسناد: مارك ت.فاكيوتي (عمل خاص)

قد يكون البعض منكم مرتبكًا الآن. إذا كان هناك اختلاف في الكهربية بين الذرتين ، فهل الرابطة ليست قطبية بالتعريف؟ الإجابة هي نعم ولا وتعتمد على تعريف القطبية التي يستخدمها المتحدث / الكاتب. نظرًا لأن هذا مثال على كيف يمكن أن يؤدي استخدام الاختصارات في استخدام مفردات معينة إلى الارتباك في بعض الأحيان ، فإننا نتوقف لحظة لمناقشة هذا الأمر هنا. انظر إلى التبادل الوهمي بين الطالب والمدرس أدناه للتوضيح:

1. المعلم: "في علم الأحياء ، نقول غالبًا أن رابطة الكربون الهيدروجينية ليست قطبية."

2. الطالب: "ولكن هناك فرق في الكهربية بين C و H ، لذلك يبدو أن C يجب أن يكون لديه ميل أقوى قليلاً لجذب الإلكترونات. يجب أن ينتج عن هذا الاختلاف في الكهربية شحنة سالبة صغيرة حول الكربون وشحنة موجبة صغيرة شحن حول الهيدروجين ".

3. الطالب: "نظرًا لوجود توزيع تفاضلي للشحنة عبر السند ، يبدو أنه ، بحكم التعريف ، يجب اعتبار هذا رابطة قطبية."

4. المعلم: "في الحقيقة ، السند له طابع قطبي صغير."

5. الطالب: "إذن ، إنها قطبية؟ أنا محتار."

6. المعلم: "لديها قدر ضئيل من الشخصية القطبية ، ولكن اتضح أنه بالنسبة لمعظم الكيمياء الشائعة التي سنواجهها ، فإن هذه الكمية الصغيرة من الشخصية القطبية غير كافية لتؤدي إلى كيمياء" مثيرة للاهتمام ". لذا ، في حين أن السندات ، بالمعنى الدقيق للكلمة ، قطبية بعض الشيء ، من وجهة نظر عملية فهي غير قطبية بشكل فعال. لذلك نسميها غير قطبية ".

7. الطالب: "هذا محير بلا داع ؛ كيف لي أن أعرف عندما تقصد بصرامة 100٪ غير قطبي ، أو قطبي قليلاً ، أو قطبي وظيفيًا عندما تستخدم نفس الكلمة لوصف اثنين من هذه الأشياء الثلاثة؟"

8. المعلم: "نعم ، هذا سيء. الحل هو أنني بحاجة إلى أن أكون واضحًا قدر الإمكان عندما أتحدث معك حول كيفية استخدامي لمصطلح" القطبية ". أحتاج أيضًا إلى إخبارك أنك ستجد هذا الاختصار (وغيره) يستخدم عندما تخرج إلى الميدان ، وأنا أشجعك على البدء في التعلم للتعرف على المقصود من سياق المحادثة.

قد يكون التشبيه في العالم الحقيقي لهذه المشكلة نفسها هو استخدام كلمة "صحيفة". يمكن استخدامه في جملة للإشارة إلى الشركة التي تنشر بعض الأخبار ، أو يمكن أن تشير إلى العنصر الفعلي الذي تنتجه الشركة. في هذه الحالة ، يتم توضيح الغموض بسهولة بواسطة متحدثي اللغة الإنجليزية الأصليين ، حيث يمكنهم تحديد المعنى الصحيح من السياق ؛ قد يكون المتحدثون غير الناطقين بها أكثر ارتباكًا. لا تقلق عندما ترى المزيد من الأمثلة على استخدام الكلمات التقنية في العلوم ، ستتعلم قراءة المعاني الصحيحة من السياقات أيضًا ".

جانبا:

إلى أي مدى يجب أن يكون الاختلاف في الكهربية من أجل إنشاء رابطة "قطبية كافية" نقرر تسميتها قطبية في علم الأحياء؟ بالطبع ، تعتمد القيمة الدقيقة على عدد من العوامل ، ولكن كقاعدة عامة فضفاضة ، نستخدم أحيانًا فرقًا قدره 0.4 كتقدير.

هذه المعلومات الإضافية هي لمعلوماتك فقط. لن يُطلب منك تعيين قطبية بناءً على هذه المعايير في BIS2A. ومع ذلك ، يجب أن تقدر مفهوم كيفية تحديد القطبية باستخدام مفهوم الكهربية. يجب عليك أيضًا تقدير النتائج الوظيفية للقطبية (المزيد حول هذا في أقسام أخرى) والفروق الدقيقة المرتبطة بهذه المصطلحات (مثل تلك الموجودة في المناقشة أعلاه).

الروابط التساهمية القطبية

ال التساهمية القطبية يمكن توضيح الرابطة من خلال فحص الارتباط بين O و H في الماء (H2س). تبلغ كهرسلبية الأكسجين 3.44 ، بينما تبلغ كهرسلبية الهيدروجين 2.20. الفرق في الكهربية هو 1.24. اتضح أن هذا الحجم من فرق الكهربية كبير بما يكفي لأن ثنائي القطب عبر الجزيء يساهم في ظاهرة كيميائية مهمة.

هذه نقطة جيدة لذكر مصدر شائع آخر لارتباك الطلاب فيما يتعلق باستخدام المصطلح قطبي. الماء له قطبي سندات. يشير هذا البيان تحديدًا إلى روابط O-H الفردية. كل من هذه الروابط لها ثنائي القطب. ومع ذلك ، سوف يسمع الطلاب أيضًا أن الماء قطبي مركب. هذا صحيح أيضا. يشير هذا البيان الأخير إلى حقيقة أن مجموع ثنائيات أقطاب الرابطة يخلق ثنائي القطب عبر الجزيء بأكمله. أ مركب قد يكون غير قطبي ولكن لا يزال لديه بعض الروابط القطبية.

الشكل 4. يحتوي جزيء الماء على روابط قطبية O-H. نظرًا لأن توزيع الشحنة في الجزيء غير متماثل (نظرًا للعدد والتوجهات النسبية لثنائيات أقطاب الرابطة) ، يكون الجزيء أيضًا قطبيًا. يتم الإبلاغ عن اسم العنصر و electronegativities في المجال المعني. Facciotti (العمل الخاص)

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

سلسلة الروابط بين التساهمية والأيونية

توضح مناقشة أنواع الروابط أعلاه أنه في الطبيعة سترى روابط على سلسلة متصلة من التساهمية غير القطبية تمامًا إلى الأيونية البحتة ، اعتمادًا على الذرات التي تتفاعل. أثناء تقدمك في دراستك ، ستكتشف أيضًا أنه في الجزيئات الكبيرة متعددة الذرات ، يتأثر توطين الإلكترونات حول الذرة أيضًا بعوامل متعددة. على سبيل المثال ، الذرات الأخرى التي يتم ربطها أيضًا في مكان قريب ستؤثر على توزيع الإلكترون حول النواة بطريقة لا يمكن تفسيرها بسهولة من خلال استدعاء الحجج البسيطة للمقارنات الزوجية للسلبية الكهربية. قد يكون للحقول الكهروستاتيكية المحلية التي تنتجها ذرات أخرى غير مرتبطة أيضًا تأثير. الواقع دائمًا أكثر تعقيدًا من نماذجنا. ومع ذلك ، إذا سمحت لنا النماذج بالتفكير والتنبؤ بدقة "جيدة بما فيه الكفاية" أو لفهم بعض المفاهيم الأساسية الأساسية التي يمكن تمديدها لاحقًا ، فهي مفيدة جدًا.

السندات الرئيسية في BIS2A

في BIS2A ، نحن مهتمون بالسلوك الكيميائي والروابط بين الذرات في الجزيئات الحيوية. لحسن الحظ ، تتكون الأنظمة البيولوجية من عدد صغير نسبيًا من العناصر المشتركة (على سبيل المثال ، C ، H ، N ، O ، P ، S ، إلخ) وبعض الأيونات الرئيسية (على سبيل المثال ، Na + ، Cl- ، Ca2+ ، K + ، إلخ.). ابدأ في التعرف على الروابط التي تحدث بشكل شائع والخصائص الكيميائية التي نراها تظهر في كثير من الأحيان. تتضمن بعض الروابط الشائعة C-C و C-O و C-H و N-H و C = O و C-N و P-O و O-H و S-H وبعض المتغيرات. ستتم مناقشة هذه بشكل أكبر في سياق المجموعات الوظيفية. المهمة ليست شاقة كما تبدو.

لاحظ النقطة المشتركة لإرباك الطلاب

في هذه القراءة كنا نتحدث عن قطبية سندات. أي أننا تعلمنا كيفية وصف قطبية رابطة واحدة تربط ذرتين (أي كيف يتم توزيع الإلكترونات بين ذرتين حول النواة المعنية؟). في علم الأحياء ، نتحدث أيضًا في بعض الأحيان عن قطبية أ مركب. تختلف قطبية الجزيء عن قطبية الرابطة داخل الجزيء. هذا الأخير يسأل عما إذا كان للجزيء كله صافي ثنائي القطب. ال جزيء يمكن اعتبار ثنائي القطب تقريبًا مجموع كل من رابطة ثنائيات القطب. على سبيل المثال ، دعونا نفحص جزيء ثاني أكسيد الكربون الموضح في الشكل أعلاه. إذا سألنا ما إذا كان أحد C = O سندات هو قطبي يمكننا أن نستنتج أنه نظرًا لأن الأكسجين أكثر كهرسلبية بشكل ملحوظ من الكربون الذي يرتبط به تساهميًا. ومع ذلك ، إذا سألنا ما إذا كان مركب O = C = O قطبي استنتجنا أنه ليس كذلك. لماذا ا؟ انظر إلى رقم ثاني أكسيد الكربون أعلاه. كل شركة رابطة لديه ثنائي القطب. ومع ذلك ، يتم توجيه هذين القطبين في اتجاهين متعاكسين مباشرة. إذا أضفنا هذين رابطة ثنائيات الأقطاب معًا للحصول على ثنائي القطب الصافي لـ مركب لا نحصل على شيء - الاثنين رابطة ثنائيات الأقطاب "تلغي" بعضها البعض. على النقيض من ذلك ، إذا فحصنا بنية الماء أعلاه ، فإننا نرى أيضًا أن كل O-H رابطة لديه ثنائي القطب. في هذه الحالة عندما نسأل ما إذا كان مركب لديه صافي ثنائي القطب (يتم عن طريق إضافة رابطة ثنائيات الأقطاب معًا) نرى أن الإجابة هي نعم. مجموع الاثنين رابطة لا تزال ثنائيات الأقطاب تنتج عزمًا صافيًا ثنائي القطب. لذلك نقول هذا مركب قطبي. يمكننا القيام بهذا التمرين نفسه لأجزاء من الجزيئات طالما أننا نحدد الجزء المحدد الذي ننظر إليه.

روابط الهيدروجين

عندما يشكل الهيدروجين رابطة تساهمية قطبية مع ذرة ذات كهرسلبية أعلى ، فإن المنطقة المحيطة بالهيدروجين سيكون لها شحنة موجبة جزئية (تسمى δ+). عندما تواجه هذه الشحنة الموجبة الجزئية شحنة سالبة جزئية (تسمى δ-) من ذرة كهرسلبية أخرى لا يرتبط بها الهيدروجين ، ويتم تقديمها إلى تلك الشحنة السالبة في اتجاه مناسب ، وهو نوع خاص من التفاعل يسمى رابطة الهيدروجين يمكن أن تشكل. بينما لا يزال الكيميائيون يناقشون الطبيعة الدقيقة لرابطة الهيدروجين ، في BIS2A ، نود أن نتصورها على أنها تفاعل إلكتروستاتيكي ضعيف بين δ+ من الهيدروجين و δ- شحنة على ذرة كهربية. نسمي الجزيء الذي يساهم في ذرة الهيدروجين المشحونة جزئيًا "رابطة الهيدروجين جهات مانحةوالذرة ذات الشحنة السالبة الجزئية هي الرابطة الهيدروجينية متقبل. "سيُطلب منك البدء في تعلم التعرف على المتبرعين والمقبولين لسندات الهيدروجين البيولوجية الشائعة وتحديد روابط الهيدروجين المفترضة من نماذج الهياكل الجزيئية.

الروابط الهيدروجينية شائعة في علم الأحياء داخل وبين جميع أنواع الجزيئات الحيوية. الروابط الهيدروجينية هي أيضًا تفاعلات مهمة بين الجزيئات الحيوية ومذيبها ، الماء. من الشائع ، كما هو موضح في الشكل أدناه ، تمثيل روابط الهيدروجين بأشكال ذات خطوط متقطعة.

شكل 1: تم تصوير جزيئين من الماء يشكلان رابطة هيدروجينية (مرسومة بخط أزرق متقطع). جزيء الماء الموجود في الأعلى "يتبرع" بهيدروجين مشحون جزئيًا بينما يقبل جزيء الماء الموجود في الأسفل تلك الشحنة الجزئية عن طريق تقديم ذرة أكسجين سالبة الشحنة مكملة.

الإسناد: Marc T. Facciotti (العمل الأصلي)

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 BIS2A ، سنراجع المجموعات الوظيفية الرئيسية الموجودة في الجزيئات البيولوجية. وتشمل هذه ما يلي: الهيدروكسيل والميثيل والكربونيل والكربوكسيل والأمينو والفوسفات (انظر الشكل 1).

شكل 1. تم العثور على المجموعات الوظيفية الموضحة هنا في العديد من الجزيئات البيولوجية المختلفة. يمثل "R" أي ذرة أخرى أو امتداد للجزيء.
الإسناد: Marc T. Facciotti (عمل خاص مقتبس من صورة سابقة لمصدر غير معروف)

قد تشارك مجموعة وظيفية في مجموعة متنوعة من التفاعلات الكيميائية. بعض المجموعات الوظيفية المهمة في الجزيئات البيولوجية موضحة أعلاه: الهيدروكسيل والميثيل والكربونيل والكربوكسيل والأمينو والفوسفات والسلفهيدريل (غير موضح). تلعب هذه المجموعات دورًا مهمًا في تكوين الجزيئات 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 بشأنه - 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. في رابطة أو جزيء غير قطبي ، سيتم توزيع الإلكترونات 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 (انظر المناقشة في فصل أنواع السندات لمزيد من التفاصيل). 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 الوحيدة غير القطبية في قائمة فصولنا أعلاه. تتكون مجموعة الميثيل من ذرة كربون مرتبطة بثلاث ذرات هيدروجين. في هذا الفصل ، سوف نتعامل مع روابط C-H على أنها روابط تساهمية غير قطبية فعالة (المزيد حول هذا في فصل أنواع Bond). هذا يعني أن مجموعات الميثيل غير قادرة على تكوين روابط هيدروجينية ولن تتفاعل مع المركبات القطبية مثل الماء.

الشكل 2. يوجد الأحماض الأمينية آيسولوسين على اليسار ، والكوليسترول على اليمين. لكل منها مجموعة ميثيل محاطة بدائرة باللون الأحمر. الإسناد: تم إنشاؤه بواسطة Marc T. Facciotti (عمل خاص مقتبس من Erin Easlon)

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 المناقشة حول المجموعات الوظيفية القطبية أدناه).

عندما نتعلم المزيد عن المجموعات الوظيفية الأخرى ، سنضيف إلى قائمة المجموعات الوظيفية غير القطبية. البقاء في حالة تأهب!

المجموعات الوظيفية القطبية

هيدروكسيل R-OH

الهيدروكسيل (مجموعة الكحول) هو مجموعة -OH مرتبطة تساهميًا بذرة أخرى. في الجزيئات البيولوجية ، غالبًا ما يتم العثور على مجموعة الهيدروكسيل (ولكن ليس دائمًا) مرتبطة بذرة كربون ، كما هو موضح أدناه. 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. الشكل 3 يصور الشحنات الجزئية ، δ+ و δ-، المرتبطة بمجموعة الهيدروكسيل.

الشكل 3. تتكون مجموعة الهيدروكسيل الوظيفية الموضحة هنا من ذرة أكسجين مرتبطة بذرة كربون وذرة هيدروجين. هذه الروابط تساهمية قطبية ، مما يعني أن الإلكترون المتورط في تكوين الروابط لا يتم تقاسمه بالتساوي بين روابط C-O و O-H. Facciotti (العمل الخاص)

الشكل 4. يمكن أن تشكل مجموعات الهيدروكسيل الوظيفية روابط هيدروجينية ، كما هو موضح في شكل خط منقط. سوف تتشكل رابطة الهيدروجين بين δ - من ذرة الأكسجين و δ + من ذرة الهيدروجين. تظهر ثنائيات الأقطاب في الأسهم الزرقاء. Facciotti (عمل أصلي)

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)؟

الشكل 5. تظهر مجموعات الهيدروكسيل على الكربوهيدرات (أ ، الجلوكوز) ، وعلى بعض الأحماض الأمينية (ب ، سيرين) ، وعلى النيوكليوتيدات (ج ، أدينوزين ثلاثي الفوسفات). D هو فوسفوليبيد. الإسناد: تم إنشاؤه بواسطة Marc T. Facciotti (عمل خاص)

كربوكسيل R-COOH

حمض الكربوكسيل هو مزيج من مجموعة كربونيل ومجموعة هيدروكسيل مرتبطة 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 غير محددة على ذرات الأكسجين المتبقية. يمكن لمجموعات الكربوكسيل التبديل ذهابًا وإيابًا بين البروتونات (R-COOH) والمنزوعة (R-COO-) الدول اعتمادًا على الرقم الهيدروجيني للمحلول.

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

هل يمكنك تحديد جميع مجموعات الكربوكسيل على الجزيئات الكبيرة الموضحة أعلاه في الشكل 5؟

أمينو R-NH3

تتكون المجموعة الأمينية من ذرة نيتروجين مرتبطة بذرات الهيدروجين بواسطة روابط مفردة. مركب عضوي يحتوي على مجموعة أمينية يسمى أمين. مثل الأكسجين ، فإن النيتروجين أيضًا أكثر كهربيًا من الكربون والهيدروجين ، مما ينتج عنه المجموعة الأمينية التي تظهر بعض السمات القطبية.

يمكن أن تعمل المجموعات الأمينية أيضًا كقواعد ، مما يعني أن ذرة النيتروجين يمكن أن ترتبط بذرة هيدروجين رابعة ، كما هو موضح في الشكل 6. بمجرد حدوث ذلك ، تكتسب ذرة النيتروجين شحنة موجبة ويمكنها الآن المشاركة في الروابط الأيونية.

الشكل 6. يمكن أن توجد المجموعة الوظيفية الأمينية في حالة منقولة أو بروتونية. عندما يتم البروتونات ، ترتبط ذرة النيتروجين بثلاث ذرات هيدروجين ولها شحنة موجبة. الشكل المنقول لهذه المجموعة محايد. الإسناد: تم إنشاؤه بواسطة Erin Easlon (عمل خاص)

فوسفات R-PO4-

مجموعة الفوسفات هي ذرة فوسفور مرتبطة تساهميًا بأربع ذرات أكسجين وتحتوي على رابطة P = O وثلاث P-O سندات. 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 δ+(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). في الشكل 7 توجد صور للنيوكليوتيدات وديوكسيادينوسين أحادي الفوسفات (يسار) وفوسفوسرين (يمين).

الشكل 7. يوجد نيوكليوتيد ، ديوكسيادينوسين أحادي الفوسفات ، على اليسار ، والفوسفوسرين على اليمين. يحتوي كل منها على مجموعة فوسفاتية محاطة بدائرة باللون الأحمر.
الإسناد: تم إنشاؤه بواسطة Marc T. Facciotti (عمل خاص)


شاهد الفيديو: المحاضرة الاولى لعلم الاحياء الدقيقة جزء2 (كانون الثاني 2023).