מֵידָע

S2019_ הרצאה_01_קריאה - ביולוגיה

S2019_ הרצאה_01_קריאה - ביולוגיה


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.

ביולוגיה

ביולוגיה היא מחקר מדעי על החיים. זוהי הזדמנות לחפור בכמה מהשאלות העמוקות ביותר של האנושות לגבי מוצאנו, ההיסטוריה של כוכב הלכת שלנו והקשרים שלנו עם יצורים חיים אחרים (גדולים וקטנים/קיימים או נכחדים). זו גם הזדמנות לצלול לעולם של בעיות מעשיות ולחשוב היטב על פתרונות אפשריים לשיפור שירותי הבריאות, שמירה על אספקת מזון בת קיימא והפקת טכנולוגיות אנרגיה מתחדשת.

לימודי ביולוגיה עוזרים לנו להבין בעיות ולטפל בבעיות יומיומיות. לדוגמה, תוכל להבין טוב יותר כיצד מה שאתה אוכל והכמות שאתה מתאמן משפיעים על בריאותך כאשר אתה מבין את התגובות הביוכימיות המתארות כיצד המזון (החומר) משתנה, כיצד הוא וגופך אוגרים אנרגיה וכיצד יכולה להיות אנרגיה זו. מועברים מהמזון לשרירים שלך. ההחלטה אם לקנות מוצרים המסומנים במונחים כמו "מיקרוביאלית" או "פרוביוטית" יכולה להיות קלה יותר אם אתה מבין מה החיידקים, החיים, בסביבתנו ובסביבתנו. הבנת העקרונות הביוכימיים המתארים את השינויים שחלים בביצים בזמן הבישול יכולה לעזור לנו להבין כיצד תהליכים פיזיים דומים עשויים להיות מרכזיים בתגובת הלחץ הסלולרי ובחלק מהמחלות. ניתן להעריך את צבע העיניים שלך טוב יותר מתוך הבנה של המנגנונים הגנטיים והביוכימיים המקשרים מידע גנטי לתכונות פיזיות.

לימוד הביולוגיה אפילו עוזר לנו להבין דברים שהם "לא מהעולם הזה". לדוגמה, הבנת הדרישות לחיים יכולה לעזור לנו לחפש חיים במקומות כמו מאדים או עמוק בקרום כדור הארץ. כאשר אנו מבינים כיצד "לחוות מחדש" כראוי רשתות קבלת החלטות סלולריות, אולי סוף סוף נוכל לשקם איברים או איברים תפקודיים מרקמות של מישהו עצמו, או לתכנת מחדש רקמות חולות בחזרה לבריאות. יש הרבה הזדמנויות מרגשות. נקודת המפתח היא ששליטה בכמה עקרונות בסיסיים עוזרת לך להבין ולחשוב יותר לעומק על מגוון רחב של נושאים. זכור מושג זה לאורך כל הקורס.

ביולוגיה: מדע בין-תחומי

שאלות בביולוגיה נפרדות על פני גודל של יותר מעשרה סדרי גודל, מהרכב האטומי וההתנהגות הכימית של מולקולות בודדות ועד למערכות בקנה מידה פלנטרי של אקולוגיות אינטראקציה. יהיה קנה מידה של עניין, לפיתוח הבנה עמוקה ופונקציונלית של הביולוגיה, עלינו קודם כל להעריך מושגים ביולוגיים. זה כולל שילוב של רעיונות וכלים חשובים מכל קשת המדע, כולל כימיה, פיזיקה ומתמטיקה. ביולוגיה היא באמת מדע בין -תחומי.

ההשפעות הפוטנציאליות שיכולות להגיע מלימוד ביולוגיה הן רחבות

יש אנשים שחושבים שלימוד ביולוגיה עוסק רק ברפואה - אולם הוא יכול להוביל או להשפיע על קריירות רבות ושונות. לביולוגיה יש יישומים שהם עצומים ורחבים. היישומים כוללים טיפול בחולים (אנושיים או בעלי חיים אחרים), שיפור שיטות חקלאות, פיתוח חומרי בניין חדשים, כתיבת מדיניות אנרגיה חדשה, תיקון שינויי אקלים עולמיים, יצירת יצירות אמנות חדשות - הרשימה נמשכת ונמשכת. עבור הסקרנים, לביולוגיה יש הרבה תעלומות שלא נחקרו.

בזמן שאתה לומד ביולוגיה, העריך את השאלות והנושאים המרגשים שלה והיה עם ראש פתוח. למרות שאולי לא תמיד נושאי הקורס נראה קרוב לוודאי שהם קשורים בהתחלה. ראש פתוח עוזר לך לגלות ולהעריך את הקשרים בין נושאי הקורס לתחומי העניין שלך. לגלות כיצד נושאים שונים שלכאורה קשורים זה בזה יכולים לתת לך הערכה עמוקה יותר לדברים שאתה נהנה ואולי אפילו לעורר תשוקה חדשה.

BIS2A - ממולקולות לתאים

BIS2A מתמקד בתא, אחת מיחידות החיים הבסיסיות ביותר. תאים יכולים להיות פשוטים כמו החיידק הגורם למחלות Mycoplasma genitalium, שהגנום שלו מקודד רק 525 גנים (רק 382 מהם חיוניים לחיים), או מורכב כמו תא השייך לצמח הרב-תאי אורזה סאטיבה (אורז), שהגנום שלו מקודד ככל הנראה ~51,000 גנים. עם זאת, למרות המגוון הזה, כל התאים חולקים כמה תכונות בסיסיות. ב- BIS2A אנו בוחנים בעיות בסיסיות שצריך להתמודד איתן על ידי כל התאים. אנו חוקרים את אבני הבניין של התאים, חלק מהתכונות הביוכימיות המרכזיות שלהם, כיצד מידע ביולוגי מקודד ומתבטא בחומר גנטי, וכיצד כל זה משתלב ליצירת מערכת חיה. נדון גם בכמה מהדרכים שבהן מערכות חיות מחליפות חומר, אנרגיה ומידע עם הסביבה שלהן (כולל יצורים חיים אחרים). אנו מתמקדים בעיקר בעקרונות הליבה המשותפים לכל החיים על פני כדור הארץ, ובשל רוחבה הגדול של הביולוגיה, אנו מכניסים את הרעיונות הללו למגוון הקשרים לאורך הרבעון.

גישה כללית לסוגי ביו -מולקולה ב- BIS2A

לפני שאתה מתחיל

במידת הצורך, עיין במודול Design Challenge כדי לסקור את הרומן של אתגר Design.

קצת הקשר ומוטיבציה

ב-BIS2A, אנו עוסקים בעיקר בפיתוח הבנה תפקודית של תא ביולוגי. בהקשר של בעיית עיצוב, אפשר לומר שאנחנו רוצים לפתור את בעיית בניית תא. אם נפרק את המשימה הגדולה הזו לבעיות קטנות יותר, או לחילופין, נשאל אילו סוגי דברים אנחנו צריכים להבין כדי לעשות זאת, יהיה סביר להסיק שהבנה ממה מורכב התא תהיה חשובה. עם זאת, לא מספיק להעריך ממה עשוי התא. אנחנו צריכים גם להבין את המאפיינים של החומרים המרכיבים את התא. זה דורש מאיתנו להתעמק קצת בכימיה - מדע ה"חומר "(החומר) המרכיב את העולם שאנו מכירים.

סיכוי זה לדבר על כימיה מולקולרית ותרמודינמיקה גורם לחלק מתלמידי הביולוגיה לחשוש. עם זאת, יש לקוות שנראה שרבים מהמספר העצום של תהליכים ביולוגיים שאכפת לנו מהם נובעים ישירות מהתכונות הכימיות של ה"חומר" המרכיב את החיים ושפיתוח הבנה פונקציונלית של כמה מושגים כימיים בסיסיים יכול להיות שימושי מאוד. בחשיבה כיצד לפתור בעיות ברפואה, באנרגיה ובסביבה על ידי תקיפתן בבסיסן.

חשיבות ההרכב הכימי

כסטודנט ב-BIS2A, תתבקש לסווג מקרומולקולות לקבוצות על ידי התבוננות בהרכב הכימי שלהן, ובהתבסס על הרכב זה, גם להסיק חלק מהתכונות שעשויות להיות להן. לדוגמה, לפחמימות יש בדרך כלל קבוצות הידרוקסיל מרובות. קבוצות הידרוקסיל הן קבוצות תפקודיות קוטביות המסוגלות ליצור קשרי מימן. לכן, ניתן להבין ברמה מסוימת כמה מהמאפיינים הרלוונטיים מבחינה ביולוגית של פחמימות שונות על ידי איזון בין האופן שבו הם עשויים ליצור יצירת קשרי מימן עם מים, עצמם או מולקולות אחרות.

קישור מבנה לתפקוד

כל מקרומולקולה ממלאת תפקיד ספציפי בתפקוד הכללי של התא. התכונות הכימיות והמבנה של מקרומולקולה יהיו קשורים ישירות לתפקוד שלה. לדוגמה, ניתן לחלק את המבנה של פוספוליפיד לשתי קבוצות, קבוצת ראש הידרופילית וקבוצת זנב הידרופובי. כל אחת מהקבוצות הללו ממלאת תפקיד לא רק בהרכבה של קרום התא אלא גם בסלקטיביות של חומרים שיכולים/לא יכולים לחצות את הממברנה.

הטבלה המחזורית

האלמנטים השונים מאורגנים ומוצגים ב- טבלה מחזורית. הטבלה, שפותחה על ידי הכימאי הרוסי דמיטרי מנדלייב (1834–1907) בשנת 1869, מקבצת אלמנטים שבגלל כמה נקודות משותפות במבנה האטומי שלהם, חולקים תכונות כימיות מסוימות. המבנה האטומי של יסודות אחראי לתכונות הפיזיקליות שלהם, לרבות האם הם קיימים כגזים, מוצקים או נוזלים בתנאים ספציפיים. תגובתיות כימית, מונח המתייחס ליכולתם לשלב ולהתחבר כימית זה לזה ואלמנטים אחרים.

בטבלה המחזורית, המוצגת להלן, היסודות מאורגנים ומוצגים לפי מספרם האטומי ומסודרים בסדרה של שורות ועמודות המבוססות על תכונות כימיות ופיזיקליות משותפות. בנוסף לספק את המספר האטומי עבור כל יסוד, הטבלה המחזורית מציגה גם את המסה האטומית של היסוד. בהתבוננות בפחמן, למשל, מופיעים הסמל (C) ושמו, כמו גם המספר האטומי שלו שש (בפינה הימנית העליונה המציין את מספר הפרוטונים בגרעין הנייטרלי) והמסה האטומית שלו היא 12.11 (סכום מסה האלקטרונים, הפרוטונים והניוטרונים).

דמות: הטבלה המחזורית מציגה את המסה האטומית ואת המספר האטומי של כל יסוד. המספר האטומי מופיע מעל הסמל של היסוד והמסה האטומית המשוערת מופיעה משמאל.
מקור: עד 2012rc (תוצרת עצמית באמצעות inkscape) [נחלת הכלל], באמצעות ויקימדיה שינוי על ידי מארק ט. Facciotti - 2016

אלקטרוניטיביות

מולקולות הן אוספים של אטומים הקשורים זה לזה באמצעות קשרים. סביר לצפות - והמקרה מבחינה אמפירית - שאטומים שונים יציגו תכונות פיזיקליות שונות, כולל יכולות לקיים אינטראקציה עם אטומים אחרים. תכונה אחת כזו, הנטייה של אטום למשוך אלקטרונים, מתוארת על ידי הרעיון והמונח הכימי, אלקטרונגטיביות. בעוד שפותחו מספר שיטות למדידת אלקטרושליליות, השיטות הנפוצות ביותר ללמד ביולוגים היא זו שנוצרה על ידי לינוס פאולינג.

תיאור כיצד ניתן לחשב את אלקטרונגטיביות של פאולינג הוא מעבר להיקף BIS2A. עם זאת, מה שחשוב לדעת הוא שערכי האלקטרושליליות נקבעו באופן ניסיוני ו/או תיאורטי עבור כמעט כל היסודות בטבלה המחזורית. הערכים הם חסרי יחידה ומדווחים ביחס להתייחסות הסטנדרטית, מימן, שהאלקטרושליליות שלו היא 2.20. ככל שערך האלקטרונטיביות גדול יותר, כך יש לאטום יותר נטייה למשוך אלקטרונים. באמצעות סולם זה ניתן להשוות כמותית את האלקטרו -שליליות של אטומים שונים. לדוגמה, על ידי שימוש בטבלה 1 להלן, תוכל לדווח כי אטומי חמצן (O) הם אלקטרטיביים יותר מאשר אטומי זרחן (P).

שולחן 1. ערכי אלקטרושליליות פולינג עבור אלמנטים נבחרים הרלוונטיים ל-BIS2A וכן אלמנטים בשני הקצוות (הגבוה והנמוך ביותר) של סולם האלקטרוניטיביות.

ייחוס: Marc T. Facciotti (יצירה מקורית)

התועלת של סולם האלקטרונגטיביות של פאולינג ב- BIS2A היא לספק בסיס כימי להסבר סוגי הקשרים הנוצרים בין האלמנטים הנפוצים במערכות ביולוגיות ולהסביר כמה מאינטראקציות המפתח שאנו מתבוננים בהם באופן שגרתי. אנו מפתחים את ההבנה שלנו לגבי טיעונים המבוססים על אלקטרושליליות על קשרים ואינטראקציות מולקולריות על ידי השוואת האלקטרושליליות של שני אטומים. כזכור, ככל שהאלקטרונטיביות גדולה יותר, כך אטום מפעיל אטום על אלקטרונים סמוכים.

אנו יכולים לשקול, למשל, את האינטראקציה הנפוצה בין חמצן (O) לבין מימן (H). הבה נניח ש-O ו-H מקיימים אינטראקציה (יוצרים קשר) ונכתוב את האינטראקציה הזו כ-O-H, כאשר המקף בין האותיות מייצג את האינטראקציה בין שני האטומים. כדי להבין את האינטראקציה הזו טוב יותר, נוכל להשוות את האלקטרליליות היחסית של כל אטום. בבחינת הטבלה לעיל, אנו רואים של- O יש אלקטרטיביות של 3.44, ול- H יש אלקטרטיביות של 2.20.

בהתבסס על הרעיון של אלקטרושליליות כפי שאנו מבינים אותו כעת, אנו יכולים לשער שאטום החמצן (O) נוטה "למשוך" את האלקטרונים הרחק מהמימן (H) כאשר הם מקיימים אינטראקציה. זה יגרום למטען שלילי קל אך משמעותי סביב אטום O (בשל הנטייה הגבוהה יותר של האלקטרונים להיות קשורים לאטום O). זה גם גורם למטען חיובי קל סביב אטום H (בשל הירידה בהסתברות למצוא אלקטרון בקרבת מקום). מכיוון שהאלקטרונים אינם מתפזרים באופן שווה בין שני האטומים AND, כתוצאה מכך, המטען החשמלי גם אינו מופץ באופן שווה, אנו מתארים את האינטראקציה או הקשר הזה כ קוֹטבִי. ישנם שני קטבים בתוקף: הקוטב השלילי ליד החמצן והקוטב החיובי ליד המימן.

כדי להרחיב את התועלת של מושג זה, אנו יכולים כעת לשאול כיצד אינטראקציה בין חמצן (O) ומימן (H) שונה מאינטראקציה בין גופרית (S) ומימן (H). כלומר, במה שונה או-ה מ-ש-ה? אם נבחן את הטבלה לעיל, נראה כי ההבדל באלקטרונטיביות בין O ל- H הוא 1.24 (3.44 - 2.20 = 1.24) וכי ההבדל באלקטרוניטיביות בין S ל- H הוא 0.38 (2.58 - 2.20 = 0.38). לכן אנו יכולים להסיק כי קשר OH הוא קוטבי יותר מקשר SH. נדון בהשלכות של הבדלים אלה בפרקים הבאים.

איור 2. הטבלה המחזורית עם האלקטרושליליות של כל אטום.

ייחוס: מאת DMacks (https://en.wikipedia.org/wiki/Electronegativity) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], באמצעות ויקימדיה

בחינת הטבלה המחזורית של האלמנטים (איור 2) ממחישה כי אלקטרונגטיביות קשורה לחלק מהמאפיינים הפיזיים המשמשים לארגון האלמנטים לתוך הטבלה. מגמות מסוימות ניכרות. לדוגמה, אותם אטומים בעלי האלקטרונגטיביות הגדולה ביותר נוטים להתגורר בפינה הימנית העליונה של הטבלה המחזורית, כגון פלואור (F), חמצן (O) וכלור (Cl), בעוד שאלמנטים בעלי האלקטרונים השליליים הקטנים ביותר נוטים להימצא. בקצה השני של הטבלה, בפינה השמאלית התחתונה, כגון Francium (Fr), Cesium (Cs) ו- Radium (Ra).

השימוש העיקרי במושג האלקטרו -שליליות ב- BIS2A יהיה אפוא לספק בסיס רעיוני לדיון בסוגים השונים של קשרים כימיים המתרחשים בין אטומים בטבע. נתמקד בעיקר בשלושה סוגי איגרות חוב: קשרים יוניים, איגרות חוב קובלנטיות ו קשרי מימן.

סוגי איגרות חוב

ב-BIS2A, אנו מתמקדים בעיקר בשלושה סוגי אג"ח שונים: קשרים יוניים, קשרים קוולנטיים, ו קשרי מימן. אנו מצפים שהתלמידים יוכלו לזהות כל סוג קשר שונה במודלים מולקולריים. בנוסף, לגבי קשרים נפוצים בביולוגיה, אנו מצפים מהתלמיד לספק הסבר כימי, המושרש ברעיונות כמו אלקטרו -שליליות, לאופן בו קשרים אלה תורמים לכימיה של מולקולות ביולוגיות.

קשרים יוניים

קשרים יוניים הם אינטראקציות אלקטרוסטטיות הנוצרות בין יונים של מטענים מנוגדים. לדוגמא, רובנו יודעים שבנתרן כלוריד (NaCl) יוני נתרן טעונים חיובית ויוני כלוריד טעונים שלילית מתקשרים באמצעות אינטראקציות אלקטרוסטטיות (+ מושכות -) ליצירת גבישים של נתרן כלורי, או מלח שולחן, ויוצרים מולקולה גבישית עם אפס נטו לחייב. מקור האינטראקציות הללו עשוי לנבוע מהקשר של אטומים נייטרליים שההפרש שלהם באלקטרו -שליליות גבוה מספיק. קח את הדוגמה למעלה. אם נדמיין שאטום נתרן נייטרלי ואטום כלור נייטרלי מתקרבים זה לזה, ייתכן שבמרחקים קרובים, בשל ההבדל הגדול יחסית באלקטרוניטיביות בין שני האטומים, אלקטרון מאטום הנתרן הנייטרלי מועבר אל אטום כלור ניטרלי, וכתוצאה מכך יון כלוריד טעון שלילי ויון נתרן טעון חיובי. יונים אלה יכולים כעת לקיים אינטראקציה באמצעות קשר יוני.

איור 1. מתואר היווצרות של קשר יוני בין נתרן לכלור. בלוח א ', הבדל מספיק באלקטרוניטיביות בין נתרן לכלור גורם להעברת אלקטרון מהנתרן לכלור, ויוצר שני יונים, כפי שמודגם בלוח ב' בלוח C, שני היונים מתקשרים באמצעות אינטראקציה אלקטרוסטטית. ייחוס: מאת BruceBlaus (יצירה משלו) [CC BY-SA 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], דרך ויקימדיה

תנועה זו של אלקטרונים מאטום אחד לאחר מכונה העברת אלקטרונים. בדוגמה למעלה, כאשר הנתרן מאבד אלקטרון, יש לו כעת 11 פרוטונים, 11 נויטרונים ו -10 אלקטרונים, ומשאירים אותו עם מטען כולל של +1 (סיכום מטענים: 11 פרוטונים בכל מטען +1 ו -10 אלקטרונים ב -1 לחייב כל אחד = +1). לאחר הטענה, אטום הנתרן מכונה יון נתרן. באופן דומה, בהתבסס על האלקטרושליליות שלו, אטום כלור נייטרלי (Cl) נוטה לצבור אלקטרון כדי ליצור יון עם 17 פרוטונים, 17 נויטרונים ו-18 אלקטרונים, מה שמעניק לו מטען שלילי נטו (-1). כיום הוא מכונה יון כלוריד.

אנו יכולים לפרש את העברת האלקטרונים לעיל באמצעות הרעיון של אלקטרונגטיביות. התחל בהשוואת האלקטרו -שליליות של נתרן וכלור על ידי בחינת הטבלה המחזורית של היסודות להלן. אנו רואים שכלור נמצא בפינה הימנית העליונה של הטבלה, בעוד שנתרן נמצא בפינה השמאלית העליונה. אם משווים את ערכי האלקטרו -שליליות של כלור ונתרן ישירות, אנו רואים שאטום הכלור הוא אלקטרו -שלילי יותר מאשר נתרן. ההבדל באלקטרוניטיביות של כלור (3.16) ונתרן (0.93) הוא 2.23 (באמצעות הסולם בטבלה שלהלן). בהתחשב בעובדה שאנו יודעים כי העברת אלקטרונים תתקיים בין שני היסודות הללו, נוכל להסיק כי הבדלים באלקטרו -שליליות של ~ 2.2 גדולים מספיק בכדי לגרום לאלקטרון לעבור בין שני אטומים וכי סביר להניח כי אינטראקציות בין יסודות כאלה הם באמצעות קשרים יוניים.

איור 2. הטבלה המחזורית של האלמנטים המציגה ערכי אלקטרונגטיביות עבור כל אלמנט. יסודות הנתרן והכלור מסופקים בגבול צהוב. ייחוס: מאת DMacks (https://en.wikipedia.org/wiki/Electronegativity) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], דרך Wikimedia Commonsשונה על ידי Marc T. Facciotti

הערה: דיון אפשרי

האטומים בלבנה של 5 אינץ 'x 5 אינץ' של מלח שולחן (NaCl) היושבים על השיש במטבח שלך מוחזקים זה בזה כמעט כולו על ידי קשרים יוניים. בהתבסס על התצפית זו, כיצד תאפיין את חוזקם של קשרים יוניים?

עכשיו תחשבו על אותה לבנה של מלח שולחן לאחר שנזרקה לבריכת שחייה ממוצעת בחצר האחורית. לאחר מספר שעות, הלבנה הייתה מומסת לחלוטין, ויוני הנתרן והכלוריד יופצו באופן אחיד ברחבי הבריכה. מה תוכל להסיק על חוזקם של קשרים יוניים מהתבוננות זו?

הציעו סיבה לכך שהקשרים היוניים של NaCl באוויר יתנהגו אחרת מאשר במים? מה המשמעות של זה לביולוגיה?

למידע נוסף:

בדוק את הקישור של האקדמיה לחאן בנושא קשרים יוניים.

קשרים קוולנטיים

אנו יכולים גם להפעיל את מושג האלקטרו -שליליות כדי לסייע בתיאור האינטראקציות בין אטומים שיש להם הבדלים באלקטרו -שליליות קטנים מכדי שהאטומים יוצרים קשר יוני. אינטראקציות מסוג זה גורמות לעיתים קרובות לקשר הנקרא קשר קוולנטי. בקשרים אלה, האלקטרונים חולקים בין שני אטומים - בניגוד לאינטראקציה יונית שבה אלקטרונים נשארים על כל אטום של יון או מועברים בין מינים בעלי אלקטרטיביות שונות מאוד.

אנו מתחילים לחקור את הקשר הקוולנטי על ידי הסתכלות על דוגמה שבה ההבדל באלקטרושליליות הוא אפס. שקול אינטראקציה נפוצה מאוד בביולוגיה, האינטראקציה בין שני אטומי פחמן. במקרה זה, לכל אטום יש את אותה אלקטרונגטיביות, 2.55; ההבדל באלקטרוניטיביות הוא אפסי. אם נבנה את המודל המנטלי שלנו של אינטראקציה זו באמצעות המושג של אלקטרושליליות, אנו מבינים שלכל אטום פחמן בצמד הפחמן-פחמן יש אותה נטייה "למשוך" אלקטרונים אליו. במקרה זה, כאשר נוצר קשר, אף אחד משני אטומי הפחמן לא יטה "למשוך" (אנתרופומורפיזם טוב) אלקטרונים מהשני. הם "יחלקו" (אנתרופומורפיזם נוסף) את האלקטרונים באופן שווה, במקום זאת.

בצד: דוגמה תוחמת

שתי הדוגמאות שלמעלה - (1) האינטראקציה של נתרן וכלור, ו- (2) האינטראקציה בין שני אטומי פחמן - מסגרות דיון על ידי ניתוח "מחייב" או אסימפטוטי (ראה קריאה קודמת). בדקנו מה קורה למערכת פיזית כשבוחנים שני קצוות. במקרה זה, הקיצוניות היו בהבדלי אלקטרושליליות בין אטומים המקיימים אינטראקציה. האינטראקציה של נתרן וכלור המחישה מה קורה כאשר לשני אטומים יש הבדל גדול באלקטרושליליות, והדוגמה של פחמן-פחמן המחישה מה קורה כאשר ההבדל הזה הוא אפס. ברגע שאנו יוצרים את הפוסטים המנטליים האלה שמתארים את מה שקורה בקיצוניות, אז קל יותר לדמיין מה עלול לקרות ביניהם - במקרה הזה, מה קורה כשההבדל באלקטרושליליות הוא בין 0 ל-2.2. אנו עושים זאת הלאה.

כאשר השיתוף של אלקטרונים בין שני אטומים הקשורים קוולנטי כמעט שווה, אנו קוראים לקשרים אלה קשרים קוולנטיים לא קוטביים. אם לעומת זאת, שיתוף האלקטרונים אינו שווה בין שני האטומים (כנראה בשל הבדל באלקטרוניטיביות בין האטומים), אנו קוראים לקשרים אלה קוולנטי קוטבי קשרים.

ב קוולנטי קוטבי קשר, האלקטרונים מחולקים בצורה לא שווה על ידי האטומים ונמשכים לגרעין אחד יותר מאשר לשני. בגלל חלוקה לא שוויונית של אלקטרונים בין אטומים בקשר קוולנטי קוטבי, מטען מעט חיובי (מסומן ב-δ+) או מעט שלילי (מסומן ב-δ–) מתפתח בכל קוטב של הקשר. המטען החיובי מעט (δ+) יתפתח באטום הפחות אלקטרו -שלילי, כאשר האלקטרונים יימשכו יותר לכיוון האטום האלקטרו -נגטיבי מעט יותר. מטען מעט שלילי (δ–) יתפתח על האטום האלקטרונילי יותר. מכיוון שיש שני קטבים (הקוטב החיובי והשלילי), אומרים שהקשר הוא בעל a דיפול.

דוגמאות לקשרים קוולנטיים וקוטביים לא קוטביים במולקולות רלוונטיות לביולוגית

קשרים קוולנטיים לא קוטביים

חמצן מולקולרי

חמצן מולקולרי (O2) עשוי מקשר בין שני אטומי חמצן. מכיוון ששני האטומים חולקים את אותה אלקטרוגנטיביות, הקשרים בחמצן המולקולרי הם קוולנטיים לא קוטביים.

מתאן

דוגמה נוספת לקשר קוולנטי לא קוטבי הוא הקשר C-H ​​המצוי בגז המתאן (CH4). שלא כמו במקרה של חמצן מולקולרי שבו שני האטומים המחוברים חולקים את אותה אלקטרטיביות, לפחמן ולמימן אין את אותה אלקטרונגטיביות; C = 2.55 ו-H = 2.20 - ההבדל באלקטרושליליות הוא 0.35.

איור 3. ציורי קו מולקולריים של חמצן מולקולרי, מתאן ופחמן דו חמצני. ייחוס: Marc T. Facciotti (יצירה משלו)

חלק מכם עלול להיות מבולבל כעת. אם יש הבדל באלקטרוניטיביות בין שני האטומים, האם הקשר אינו בהגדרה קוטבי? התשובה היא כן וגם לא ותלויה בהגדרת הקוטב בה משתמש הדובר/כותב. מכיוון שזוהי דוגמה לאופן שבו נטילת קיצורי דרך בשימוש באוצר מילים ספציפי יכול לפעמים להוביל לבלבול, ניקח רגע לדון בכך כאן. ראה להלן את חילופי הדברים המדומה בין תלמיד למדריך להבהרה:

1. מדריך: "בביולוגיה, לעתים קרובות אנו אומרים כי הקשר C-H ​​אינו קוטבי".

2. תלמיד: "אבל יש הבדל אלקטרו -שליליות בין C ל- H, כך שנראה של- C צריכה להיות נטייה מעט חזקה יותר למשוך אלקטרונים. הבדל אלקטרו -שליליות זה אמור ליצור מטען שלילי קטן סביב הפחמן וקטן, חיובי. נטען סביב המימן. "

3. תלמיד: "מכיוון שיש התפלגות דיפרנציאלית של המטען על פני הקשר, נראה שבהגדרה יש לראות בכך קשר קוטבי".

4. מדריך: "למעשה, לקשר יש איזה אופי קוטבי קטן."

5. תלמיד: "אז, אז זה קוטבי? אני מבולבל".

6. מדריך: "יש לו כמות קטנה של אופי קוטבי, אך מסתבר שלרוב הכימיה הנפוצה שנתקל בה, כמות קטנה זו של אופי קוטבי אינה מספיקה להוביל לכימיה" מעניינת ". לכן, בעוד הקשר הוא, בקפדנות, מעט קוטבי, מבחינה פרקטית הוא למעשה לא קוטבי. לכן אנו קוראים לזה לא קוטבי ".

7. תלמיד: "זה מבלבל מיותר; איך אני אמור לדעת כשאתה מתכוון למהדרין 100% לא קוטבי, מעט קוטבי או קוטבי פונקציונלי כשאתה משתמש באותה מילה כדי לתאר שניים משלושת הדברים האלה?"

8. המדריך: "כן, זה מבאס. התיקון הוא שאני צריך להיות ברור ככל שאוכל כשאני מדבר איתך על האופן שבו אני משתמש במונח" קוטביות ". אני גם צריך להודיע ​​לך שתמצא את זה קיצור דרך (ואחרים) המשמש כשאתה יוצא לשטח, ואני ממליץ לך להתחיל ללמוד לזהות את מה שנועד להקשר השיחה.

אנלוגיה בעולם האמיתי של אותה בעיה עשויה להיות השימוש במילה "עיתון". ניתן להשתמש בו במשפט כדי להתייחס לחברה שמפרסמת חדשות, או שהיא יכולה להתייחס לפריט בפועל שהחברה מייצרת. במקרה זה, הפירוק מתבצע בקלות על ידי דוברי אנגלית כשפת אם, מכיוון שהם יכולים לקבוע את המשמעות הנכונה מהקשר; דוברים שאינם שפת אם יכולים להתבלבל יותר. אל תדאג; ככל שתראה דוגמאות נוספות לשימוש מילים טכני במדע, תלמד לקרוא גם משמעויות נכונות מהקשרים. "

בַּצַד:

כמה גדול צריך להיות ההבדל באלקטרושליליות כדי ליצור קשר שהוא "קוטבי מספיק" שנחליט לקרוא לו קוטבי בביולוגיה? כמובן, הערך המדויק תלוי במספר גורמים, אך ככלל אצבע רופף, אנו משתמשים לפעמים בהפרש של 0.4 כהערכה.

מידע נוסף זה נועד אך ורק לידיעתך. לא תתבקש להקצות קוטביות על סמך קריטריון זה ב-BIS2A. עם זאת, עליך להעריך את הרעיון כיצד ניתן לקבוע קוטביות באמצעות מושג האלקטרו -שליליות. אתה צריך גם להעריך את ההשלכות הפונקציונליות של קוטביות (עוד על כך בסעיפים אחרים) ואת הניואנסים הקשורים למונחים אלה (כגון אלה בדיון למעלה).

קשרים קוולנטיים קוטביים

ה קוולנטי קוטבי ניתן להדגים את הקשר על ידי בחינת הקשר בין O ו- H במים (H2O). לחמצן יש אלקטרו -שליליות של 3.44, בעוד שלמימן יש אלקטרו -שליליות של 2.20. ההבדל באלקטרוניטיביות הוא 1.24. מתברר כי גודל זה של הפרש האלקטרו -שליליות הוא גדול מספיק כדי שהדיפול על פני המולקולה תורם לתופעה כימית מעניינת.

זוהי נקודה טובה להזכיר מקור נפוץ נוסף לבלבול התלמידים בנוגע לשימוש במונח קוטב. למים יש קוטב קשרים. הצהרה זו מתייחסת במיוחד לאגרות החוב O-H הבודדות. לכל אחד מהקשרים הללו יש דיפול. עם זאת, התלמידים גם ישמעו שהמים הם קוטב מולקולה. זה גם נכון. משפט אחרון זה מתייחס לעובדה שסכום שני דיפולי הקשר יוצר דיפול על פני כל המולקולה. א מולקולה עשוי להיות לא קוטבי אך עדיין יש לו כמה קשרים קוטביים.

איור 4. למולקולת מים יש שני קשרי O-H קוטביים. מכיוון שחלוקת המטען במולקולה היא א -סימטרית (בשל המספר והכיוונים היחסיים של דיפולות הקשר), המולקולה היא גם קוטבית. שם האלמנט והאלקטרו -שליליות מדווחים בתחום המתאים. Facciotti (עבודה עצמית)

למידע נוסף, צפה בסרטון קצר זה כדי לראות אנימציה של קשר יוני וקולנטי.

רצף הקשרים בין קוולנטי ליוני

הדיון בסוגי הקשר לעיל מדגיש כי בטבע תראו קשרים על רצף מקוולנטי לגמרי לא קוטבי ליוני בלבד, בהתאם לאטומים המתנהלים אינטראקציה. בהמשך הלימודים תגלו עוד כי במולקולות גדולות מרובות אטומים, לוקליזציה של אלקטרונים סביב אטום מושפעת גם מגורמים מרובים. לדוגמה, אטומים אחרים המחוברים גם הם בקרבת מקום ישפיעו על התפלגות האלקטרונים סביב הגרעין באופן שאינו מתחשב בקלות על ידי הפעלת טיעונים פשוטים של השוואות אלקטרו -שליליות. גם לשדות אלקטרוסטטיים מקומיים המיוצרים על ידי אטומים אחרים שאינם קשורים עשויה להיות השפעה. המציאות תמיד מסובכת יותר מהדגמים שלנו. עם זאת, אם המודלים מאפשרים לנו לנמק ולנבא בדיוק "מספיק טוב" או להבין כמה מושגי יסוד מרכזיים שניתן להרחיב מאוחר יותר, הם מועילים למדי.

איגרות חוב מפתח ב- BIS2A

ב-BIS2A, אנו עוסקים בהתנהגות הכימית של והקשרים בין אטומים בביו-מולקולות. למרבה המזל, מערכות ביולוגיות מורכבות ממספר קטן יחסית של יסודות נפוצים (למשל, C, H, N, O, P, S וכו') וכמה יוני מפתח (למשל, Na+, Cl-, Ca2+, K+ וכו'). התחל לזהות קשרים הנפוצים ואת התכונות הכימיות שאנו רואים אותם לעתים קרובות. כמה קשרים נפוצים כוללים C-C, C-O, C-H, N-H, C = O, C-N, P-O, O-H, S-H, וכמה גרסאות. אלה יידונו עוד בהקשר של קבוצות פונקציונליות. המשימה לא מרתיעה כפי שהיא נראית.

הערה: נקודה נפוצה של בלבול התלמידים

בקריאה זו דיברנו על הקוטביות של קשרים. כלומר, למדנו כיצד לתאר את הקוטביות של קשר יחיד המחבר בין שני אטומים (כלומר כיצד מתחלקים האלקטרונים בין שני אטומים סביב הגרעינים המתאימים?). בביולוגיה גם מדברים לפעמים על הקוטביות של א מולקולה. הקוטביות של מולקולה שונה מהקוטביות של קשר בתוך המולקולה. האחרונה שואלת האם במולקולה כולה יש דיפול נטו. ה של מולקולה אפשר לחשוב בערך על דיפול כסכום של כל זה אגרת חוב דיפולים. לדוגמה, הבה נבחן מולקולה של CO2 המתוארת באיור לעיל. אם נשאל אם אחד מה-C=O קשרים הוא קוטבי היינו מסיקים כי מכיוון שהחמצן אלקטרו -שלילי יותר באופן משמעותי הוא הפחמן אליו הוא נקשר קוולנטית. עם זאת, אם נשאל האם מולקולה O = C = O הוא קוטבי היינו מסיקים שזה לא. למה? תסתכל על נתון ה- CO2 למעלה. כל CO אגרת חוב יש דיפול. עם זאת, שני הדיפולים הללו מכוונים לכיוונים מנוגדים ישירות. אם נוסיף את שני אלה אגרת חוב דיפולים יחד כדי לקבל את הדיפול נטו של מולקולה אנחנו לא מקבלים כלום - השניים אגרת חוב דיפולים "מבטלים" אחד את השני. לעומת זאת, אם נבחן את מבנה המים למעלה, נראה גם כי כל O-H אגרת חוב בעל דיפול. במקרה זה כאשר אנו שואלים האם ה מולקולה יש דיפול קוטב (נעשה על ידי הוספת אגרת חוב דיפולים יחד) אנו רואים שהתשובה היא כן. הסכום של השניים אגרת חוב דיפולים עדיין מניבים מומנט דיפול נטו. לכן אנו אומרים כי זה מולקולה הוא קוטבי. אנחנו יכולים לעשות את אותו תרגיל עבור חלקים של מולקולות כל עוד אנחנו מגדירים על איזה חלק ספציפי אנחנו מסתכלים.

קשרי מימן

כאשר מימן יוצר קשר קוולנטי קוטבי עם אטום בעל אלקטרושליליות גבוהה יותר, לאזור סביב המימן יהיה מטען חיובי חלקי (המכונה δ+). כאשר מטען חיובי שברירי זה נתקל במטען שלילי חלקי (המכונה δ-) מאטום אלקטרו -שלילי אחר שהמימן אינו נקשר אליו, והוא מוצג למטען השלילי הזה בכיוון מתאים, סוג מיוחד של אינטראקציה הנקראת קשר מימן יכול להיווצר. While chemists are still debating the exact nature of the hydrogen bond, in BIS2A, we like to conceive of it as a weak electrostatic interaction between the δ+ of the hydrogen and the δ- charge on an electronegative atom. We call the molecule that contributes the partially charged hydrogen atom "the hydrogen bond תוֹרֵם" and the atom with the partial negative charge the "hydrogen bond acceptor." You will be asked to start learning to recognize common biological hydrogen bond donors and acceptors and to identify putative hydrogen bonds from models of molecular structures.

Hydrogen bonds are common in biology both within and between all types of biomolecules. Hydrogen bonds are also critical interactions between biomolecules and their solvent, water. It is common, as seen in the figure below, to represent hydrogen bonds in figures with dashed lines.

איור 1: Two water molecules are depicted forming a hydrogen bond (drawn as a dashed blue line). The water molecule on top "donates" a partially charged hydrogen while the water molecule on the bottom accepts that partial charge by presenting a complementary negatively charged oxygen atom. Facciotti (original work)


צפו בסרטון: מבנה התא (פברואר 2023).