معلومة

S2018_Lecture03_Reading - علم الأحياء

S2018_Lecture03_Reading - 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.

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 من خلال 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

هيدروكسيل (مجموعة كحول) عبارة عن مجموعة -OH 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. الشكل 3 يصور الشحنات الجزئية ،+ 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. الإسناد: Marc T. Facciotti (العمل الأصلي)

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.

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. 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. يسمى المركب العضوي الذي يحتوي على مجموعة أمينية بالأمين. 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. عند بروتوناتها ، 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)

ماء

الماء مادة فريدة ترتبط خصائصها الخاصة ارتباطًا وثيقًا بعمليات الحياة. تطورت الحياة في الأصل في بيئة مائية ، وتحدث معظم الكيمياء الخلوية والتمثيل الغذائي للكائن داخل محتويات الخلية المذيبة بالماء. يذوب الماء أو "يبلل" الخلية والجزيئات الموجودة فيها ، ويلعب دورًا رئيسيًا كمتفاعل أو منتج في عدد لا يحصى من التفاعلات الكيميائية الحيوية ، ويتوسط التفاعلات بين الجزيئات داخل وخارج الخلية. تنبع العديد من الخصائص المهمة للمياه من الطبيعة القطبية للجزيء ، والتي يمكن تتبعها وصولاً إلى الجزيئات القطبية التي ينشأ ثنائي القطب من الروابط التساهمية القطبية بين الهيدروجين والأكسجين.

في BIS2A ، من السهل التغاضي عن الدور الشامل للمياه في جميع العمليات البيولوجية تقريبًا من خلال الانغماس في تفاصيل العمليات المحددة ، والبروتينات ، وأدوار الأحماض النووية ، وفي الإثارة الخاصة بك للآلات الجزيئية (سيحدث ذلك). ومع ذلك ، فقد اتضح أن المياه تلعب أدوارًا رئيسية في كل هذه العمليات وسنحتاج إلى البقاء على دراية مستمرة بالدور الذي تلعبه المياه إذا أردنا تطوير فهم وظيفي أكثر. كن على اطلاع وانتبه أيضًا عندما يشير معلمك إلى ذلك.

في الحالة السائلة ، يتفاعل جزيء الماء الفردي مع بعضه البعض من خلال شبكة من الروابط الهيدروجينية الديناميكية التي تتشكل وتتكسر باستمرار. يتفاعل الماء أيضًا مع الجزيئات الأخرى التي تحتوي على مجموعات وظيفية و / أو مجموعات وظيفية مشحونة مع مانحين أو متقبلين لرابطة الهيدروجين. مادة ذات صفة قطبية أو مشحونة كافية قد تذوب أو تكون شديدة الامتزاج في الماء يشار إليها على أنها موجودة محبة للماء (hydro- = "ماء" ؛ -philic = "محب"). على النقيض من ذلك ، فإن الجزيئات ذات الخصائص غير القطبية مثل الزيوت والدهون لا تتفاعل جيدًا مع الماء وتنفصل عنه بدلاً من أن تذوب فيه ، كما نرى في تتبيلات السلطة المحتوية على الزيت والخل (محلول مائي حمضي). تسمى هذه المركبات غير القطبية نافرة من الماء (مائي- = "ماء" ؛ -رهاب = "خوف"). سننظر في بعض المكونات النشطة لهذه الأنواع من التفاعلات في فصل آخر.

شكل 1. في الحالة السائلة ، يشكل الماء شبكة ديناميكية من الروابط الهيدروجينية بين الجزيئات الفردية. يظهر زوج واحد من المتبرعين والمقبولين.
الإسناد: Marc T. Facciotti (العمل الأصلي)

خصائص مذيبات الماء

نظرًا لأن الماء جزيء قطبي له شحنة موجبة وسالبة قليلاً ، يمكن للأيونات والجزيئات القطبية أن تذوب فيه بسهولة. لذلك ، يشار إلى الماء باسم أ مذيب، مادة قادرة على إذابة الجزيئات القطبية والمركبات الأيونية الأخرى. ستشكل الشحنات المرتبطة بهذه الجزيئات روابط هيدروجينية بالماء ، وتحيط بالجسيم بجزيئات الماء. يشار إلى هذا باسم أ مجال الترطيب، أو غلاف ترطيب ويعمل على إبقاء الجزيئات منفصلة أو مشتتة في الماء.

عند إضافة المركبات الأيونية إلى الماء ، تتفاعل الأيونات الفردية مع المناطق القطبية لجزيئات الماء ، ومن المحتمل أن تتعطل الروابط الأيونية في العملية المسماة التفكك. يحدث التفكك عندما تنفصل الذرات أو مجموعات الذرات من الجزيئات وتشكل الأيونات. ضع في اعتبارك ملح الطعام (كلوريد الصوديوم أو كلوريد الصوديوم). يتم تثبيت كتلة جافة من كلوريد الصوديوم معًا بواسطة روابط أيونية ويصعب فصلها. عندما تضاف بلورات كلوريد الصوديوم إلى الماء ، تتفكك جزيئات كلوريد الصوديوم إلى Na+ و Clتتشكل الأيونات وكرات الماء حول الأيونات. أيون الصوديوم موجب الشحنة محاط بالشحنة السالبة جزئيًا لأكسجين جزيء الماء. أيون الكلوريد سالب الشحنة محاط بشحنة موجبة جزئيًا للهيدروجين على جزيء الماء. قد يتخيل المرء نموذجًا يتم فيه "تداول" الروابط الأيونية في البلورة للعديد من الروابط الأيونية الأصغر حجمًا مع المجموعات القطبية على جزيئات الماء.

الشكل 2. عندما يتم خلط ملح الطعام (NaCl) في الماء ، تتشكل كرات من الماء حول الأيونات. يصور هذا الشكل أيون الصوديوم (كرة زرقاء داكنة) وأيون كلوريد (كرة زرقاء فاتحة) مذابة في "بحر" من الماء. لاحظ كيف يتم محاذاة ثنائيات أقطاب جزيئات الماء المحيطة بالأيونات بحيث ترتبط الشحنات التكميلية / الشحنات الجزئية مع بعضها البعض (أي أن الشحنات الموجبة الجزئية على جزيئات الماء تتماشى مع أيون الكلوريد السالب بينما الشحنات السالبة الجزئية على الأكسجين من الماء تتماشى مع أيون الصوديوم موجب الشحنة).
الإسناد: Ting Wang - UC Davis (العمل الأصلي تم تعديله بواسطة Marc T. Facciotti)

ملاحظة: مناقشة ممكنة

ضع في اعتبارك نموذج إذابة الماء بلورة الملح الموضح أعلاه. صِف بكلماتك الخاصة كيف يمكن استخدام هذا النموذج لشرح ما يحدث على المستوى الجزيئي عند إضافة كمية كافية من الملح إلى حجم من الماء لم يعد يذوب فيه الملح (يصل المحلول إلى التشبع). اعملوا معًا لصياغة صورة مشتركة.