Informacija

S2019_Lecture_01_Reading - Biologija

S2019_Lecture_01_Reading - Biologija


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.

Biologija

Biologija yra mokslinis gyvenimo tyrimas. Tai galimybė įsigilinti į kai kuriuos giliausius žmonijos klausimus apie mūsų kilmę, planetos istoriją ir ryšius su kitomis gyvomis būtybėmis (didelėmis ir mažomis/išlikusiomis arba išnykusiomis). Tai taip pat galimybė pasinerti į praktinio problemų sprendimo pasaulį ir gerai pagalvoti apie galimus sprendimus, kaip pagerinti sveikatos priežiūrą, išlaikyti tvarų maisto tiekimą ir gaminti atsinaujinančios energijos technologijas.

Biologijos studijos padeda suprasti problemas ir spręsti kasdienes problemas. Pavyzdžiui, jūs galite geriau suprasti, kaip tai, ką valgote ir kiek mankštinatės, daro įtaką jūsų sveikatai, kai suprantate biochemines reakcijas, apibūdinančias, kaip maistas (medžiaga) virsta, kaip jis ir jūsų kūnas kaupia energiją ir kaip ši energija gali būti perkeliamas iš maisto į raumenis. Nuspręsti, ar pirkti produktus, pažymėtus tokiais terminais kaip „antimikrobinis“ ar „probiotikas“, gali būti lengviau, jei suprantate, ką veikia mikrobai, gyvenantys mumyse, ant jų ir aplink mus. Suprasti biocheminius principus, apibūdinančius kiaušinių pokyčius, kai jie verda, gali padėti suprasti, kaip panašūs fiziniai procesai gali būti svarbiausi ląstelių atsakui į stresą ir kai kurioms ligoms. Jūsų akių spalvą galima geriau įvertinti supratus genetinius ir biocheminius mechanizmus, susiejančius genetinę informaciją su fiziniais bruožais.

Biologijos studijos netgi padeda suprasti dalykus, kurie yra „ne šio pasaulio“. Pavyzdžiui, gyvenimo reikalavimų supratimas gali padėti mums ieškoti gyvybės tokiose vietose kaip Marsas ar giliai Žemės plutoje. Kai suprasime, kaip tinkamai „perjungti“ korinio sprendimų priėmimo tinklus, pagaliau galėsime atkurti funkcines galūnes ar organus iš kažkieno audinių arba perprogramuoti sergančius audinius į sveikatą. Yra daug įdomių galimybių. Svarbiausia yra tai, kad kelių pagrindinių principų įsisavinimas padeda suprasti ir giliau apgalvoti įvairias temas. Visą kursą atminkite šią mintį.

Biologija: tarpdisciplininis mokslas

Biologijos klausimai apima daugiau nei dešimt dydžių, pradedant nuo atominės sudėties ir atskirų molekulių cheminio elgesio iki planetinio masto sąveikaujančių ekologijų sistemų. Kad ir koks būtų susidomėjimo mastas, išsiugdyti gilų ir funkcionalų biologijos supratimą, pirmiausia turime įvertinti biologines sąvokas. Tai apima svarbių idėjų ir įrankių integravimą iš visų mokslo sričių, įskaitant chemiją, fiziką ir matematiką. Biologija yra tikrai tarpdisciplininis mokslas.

Galimas poveikis, kurį gali sukelti biologijos studijos, yra platus

Kai kurie žmonės gali manyti, kad biologijos studijos yra tik medicina, tačiau tai gali paskatinti arba turėti įtakos daugeliui skirtingų karjeros sričių. Biologija turi platų ir platų pritaikymą. Taikymas apima (žmonių ar kitų gyvūnų) pacientų gydymą, žemės ūkio praktikos tobulinimą, naujų statybinių medžiagų kūrimą, naujų energetikos politikos krypčių rašymą, pasaulinės klimato kaitos šalinimą, naujų meno kūrinių kūrimą – sąrašas tęsiasi ir tęsiasi. Smalsiems biologija turi daug neištirtų paslapčių.

Studijuodami biologiją įvertinkite jos įdomius klausimus bei temas ir būkite atviri. Nors kurso temos gali ne visada atrodo iš pradžių susiję, greičiausiai jie yra. Atviras mąstymas padeda atrasti ir įvertinti ryšius tarp kurso temų ir jūsų interesų. Sužinoję, kaip atrodo skirtingos temos, galima giliau įvertinti tai, kas jums patinka, ir galbūt netgi sužadinti naują aistrą.

BIS2A – nuo ​​molekulių iki ląstelių

BIS2A orientuojasi į ląstelę, vieną iš pagrindinių gyvenimo vienetų. Ląstelės gali būti tokios paprastos kaip ligą sukelianti bakterija Genitalijų mikoplazma, kurio genomas koduoja tik 525 genus (tik 382 iš jų yra gyvybiškai svarbūs) arba yra tokie sudėtingi kaip ląstelė, priklausanti daugialąsčiui augalui Oryza sativa (ryžiai), kurių genomas greičiausiai koduoja ~ 51 000 genų. Tačiau, nepaisant šios įvairovės, visos ląstelės turi tam tikrų pagrindinių savybių. BIS2A tyrinėjame pagrindines problemas, kurias turi spręsti visos ląstelės. Mes tiriame ląstelių statybinius blokus, kai kurias jų pagrindines biochemines savybes, kaip biologinė informacija yra užkoduota ir išreikšta genetinėje medžiagoje ir kaip visa tai sujungia, kad sukurtų gyvą sistemą. Taip pat aptarsime kai kuriuos būdus, kuriais gyvos sistemos keičiasi medžiaga, energija ir informacija su savo aplinka (įskaitant kitus gyvus dalykus). Pirmiausia mes sutelkiame dėmesį į pagrindinius principus, kurie yra bendri visam gyvenimui Žemėje, ir dėl didelio biologijos pločio šias idėjas per ketvirtį įtraukiame į įvairius kontekstus.

Bendras požiūris į biomolekulių tipus BIS2A

Prieš tau pradedant

Jei reikia, peržiūrėkite „Design Challenge“ modulį ir peržiūrėkite „Design Challenge“ rubriką.

Kažkoks kontekstas ir motyvacija

BIS2A pirmiausia rūpinamės funkcinio biologinės ląstelės supratimo kūrimu. Projektavimo problemos kontekste galime pasakyti, kad norime išspręsti ląstelės kūrimo problemą. Jei šią didelę užduotį suskirstysime į smulkesnes problemas arba, kaip alternatyvą, paklaustume, kokius dalykus turime suprasti, kad tai padarytume, būtų pagrįsta daryti išvadą, kad būtų svarbu suprasti, iš ko susideda ląstelė. Tačiau nepakanka įvertinti, iš ko ląstelė pagaminta. Taip pat turime suprasti ląstelių, sudarančių medžiagas, SAVYBES. Tam reikia šiek tiek įsigilinti į chemiją - mokslą apie „daiktus“ (materiją), sudarančius žinomą pasaulį.

Ši perspektyva kalbėti apie molekulinę chemiją ir termodinamiką kai kuriuos biologijos studentus verčia sunerimti. Tačiau tikimės, kad parodysime, kad daugelis mums rūpimų biologinių procesų kyla tiesiogiai dėl gyvybę sudarančių „daiktų“ cheminių savybių ir kad kai kurių pagrindinių cheminių sąvokų funkcinio supratimo ugdymas gali būti nepaprastai naudingas. mąstant apie tai, kaip išspręsti problemas medicinoje, energetikoje ir aplinkoje, jas puolant.

Cheminės sudėties svarba

Kaip BIS2A studentas, jūsų bus paprašyta suskirstyti makromolekules į grupes, atsižvelgiant į jų cheminę sudėtį ir, remiantis šia sudėtimi, taip pat nuspręsti apie kai kurias jų savybes. Pavyzdžiui, angliavandeniai paprastai turi kelias hidroksilo grupes. Hidroksilo grupės yra polinės funkcinės grupės, galinčios sudaryti vandenilio jungtis. Todėl kai kurias biologiškai svarbias įvairių angliavandenių savybes tam tikru lygmeniu galima suprasti iš pusiausvyros tarp to, kaip jie gali sudaryti vandenilinius ryšius su vandeniu, savimi ar kitomis molekulėmis.

Struktūros susiejimas su funkcija

Kiekviena makromolekulė atlieka specifinį vaidmenį bendrame ląstelės veikime. Makromolekulės cheminės savybės ir struktūra bus tiesiogiai susijusios su jos funkcija. Pavyzdžiui, fosfolipido struktūrą galima suskirstyti į dvi grupes - hidrofilinę galvos grupę ir hidrofobinę uodegos grupę. Kiekviena iš šių grupių atlieka ne tik ląstelių membranos surinkimą, bet ir medžiagų, kurios gali/negali kirsti membraną, selektyvumą.

Periodinė lentelė

Įvairūs elementai yra sutvarkyti ir rodomi Periodinė elementų lentelė. Lentelėje, kurią 1869 m. sukūrė rusų chemikas Dmitrijus Mendelejevas (1834–1907), sugrupuoti elementai, kurie dėl kai kurių atominės struktūros ypatumų turi tam tikrų cheminių savybių. Elementų atominė struktūra yra atsakinga už jų fizines savybes, įskaitant tai, ar tam tikromis sąlygomis jie egzistuoja kaip dujos, kietos medžiagos ar skysčiai ir cheminis reaktyvumas, terminas, nurodantis jų gebėjimą sujungti ir chemiškai susieti vienas su kitu ir kitais elementais.

Žemiau esančioje periodinėje lentelėje elementai yra suskirstyti ir rodomi pagal jų atominį skaičių ir yra išdėstyti eilėmis ir stulpeliais, remiantis bendromis cheminėmis ir fizinėmis savybėmis. Periodinėje lentelėje pateikiamas ne tik kiekvieno elemento atominis skaičius, bet ir elemento atominė masė. Pavyzdžiui, žiūrint į anglį, pasirodo jos simbolis (C) ir pavadinimas, taip pat atominis skaičius šeši (viršutiniame dešiniajame kampe, nurodantis protonų skaičių neutraliame branduolyje) ir atominė masė 12,11 (suma elektronų, protonų ir neutronų masės).

Paveikslas: Periodinė lentelė rodo kiekvieno elemento atominę masę ir atominį skaičių. Virš elemento simbolio rodomas atominis skaičius, o kairėje – apytikslė atominė masė.
Šaltinis: iki 2012rc (savarankiškai sukurta naudojant inkscape) [viešasis domenas], per Wikimedia Commons, modifikuotas Marc T. Facciotti – 2016 m.

Elektronegatyvumas

Molekulės yra atomų, susietų viena su kita ryšiais, rinkiniai. Galima pagrįstai tikėtis - ir empiriškai -, kad skirtingi atomai pasižymės skirtingomis fizinėmis savybėmis, įskaitant gebėjimą sąveikauti su kitais atomais. Viena iš tokių savybių - atomo polinkis pritraukti elektronus - apibūdinama chemine sąvoka ir terminu, elektronegatyvumu. Nors buvo sukurti keli elektronegatyvumo matavimo metodai, dažniausiai biologų mokomas Linuso Paulingo sukurtas metodas.

Aprašymas, kaip galima apskaičiuoti Paulingo elektronegatyvumą, nepatenka į BIS2A taikymo sritį. Tačiau svarbu žinoti, kad beveik visų periodinės lentelės elementų elektronegatyvumo vertės buvo eksperimentiškai ir (arba) teoriškai nustatytos. Vertės yra be vienetų ir pateikiamos lyginant su standartiniu etalonu vandeniliu, kurio elektronegatyvumas yra 2,20. Kuo didesnė elektronegatyvumo vertė, tuo didesnė atomo tendencija pritraukti elektronus. Naudojant šią skalę, galima kiekybiškai palyginti skirtingų atomų elektronegatyvumą. Pavyzdžiui, naudodami 1 lentelę, galite pranešti, kad deguonies atomai (O) yra labiau elektroneigiami nei fosforo atomai (P).

1 lentelė. Paulingo elektronegatyvumo vertės tam tikriems BIS2A svarbiems elementams, taip pat elementams dviejuose kraštutinumuose (aukščiausiame ir žemiausiame) elektronegatyvumo skalėje.

Priskirti: Marc T. Facciotti (originalus kūrinys)

Paulingo elektronegatyvumo skalės BIS2A naudingumas yra suteikti cheminį pagrindą paaiškinti ryšių tipus, kurie susidaro tarp dažniausiai pasitaikančių elementų biologinėse sistemose, ir paaiškinti kai kurias pagrindines sąveikas, kurias mes reguliariai stebime. Mes plėtojame savo supratimą apie elektronegatyvumu pagrįstus argumentus apie ryšius ir molekulinę sąveiką, lygindami dviejų atomų elektronegatyvumą. Prisiminkime, kuo didesnis elektronegatyvumas, tuo stipresnis atomo „traukimas“ veikia netoliese esančius elektronus.

Pavyzdžiui, galime apsvarstyti bendrą deguonies (O) ir vandenilio (H) sąveiką. Tarkime, kad O ir H sąveikauja (sudaro ryšį), ir parašykite tą sąveiką kaip O-H, kur brūkšnys tarp raidžių reiškia dviejų atomų sąveiką. Norėdami geriau suprasti šią sąveiką, galime palyginti santykinį kiekvieno atomo elektronegatyvumą. Nagrinėdami aukščiau pateiktą lentelę, matome, kad O elektronegatyvumas yra 3,44, o H - 2,20.

Remdamiesi dabar suprantama elektronegatyvumo koncepcija, galime daryti prielaidą, kad deguonies (O) atomas bus linkęs „atitraukti“ elektronus nuo vandenilio (H), kai jie sąveikauja. Dėl to aplink O atomą atsiras nedidelis, bet reikšmingas neigiamas krūvis (dėl didesnės elektronų tendencijos būti susietoms su O atomu). Taip pat atsiranda nedidelis teigiamas krūvis aplink H atomą (dėl to, kad sumažėja tikimybė rasti elektroną netoliese). Kadangi elektronai nėra tolygiai pasiskirstę tarp dviejų atomų IR dėl to elektros krūvis taip pat nėra tolygiai paskirstytas, šią sąveiką arba ryšį apibūdiname kaip poliarinis. Yra du poliai: neigiamas polius prie deguonies ir teigiamas polius prie vandenilio.

Norėdami išplėsti šios sąvokos naudingumą, dabar galime paklausti, kuo deguonies (O) ir vandenilio (H) sąveika skiriasi nuo sieros (S) ir vandenilio (H) sąveikos. Tai yra, kuo OH skiriasi nuo SH? Jei panagrinėsime aukščiau pateiktą lentelę, matysime, kad O ir H elektronegatyvumo skirtumas yra 1,24 (3,44 - 2,20 = 1,24), o S ir H elektronegatyvumo skirtumas yra 0,38 (2,58 - 2,20 = 0,38). Todėl galime daryti išvadą, kad OH ryšys yra labiau polinis nei SH ryšys. Tolesniuose skyriuose aptarsime šių skirtumų pasekmes.

2 pav. Periodinė lentelė su kiekvieno išvardyto atomo elektronegatyvumu.

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

Periodinės elementų lentelės tyrimas (2 pav.) rodo, kad elektronegatyvumas yra susijęs su kai kuriomis fizinėmis savybėmis, naudojamomis elementams suskirstyti į lentelę. Akivaizdžios tam tikros tendencijos. Pvz., Tie atomai, kurių elektronegatyvumas yra didžiausias, paprastai yra viršutiniame dešiniajame periodinės lentelės kampe, tokie kaip fluoras (F), deguonis (O) ir chloras (Cl), o elementai, turintys mažiausią elektronegatyvumą kitame lentelės gale, apatiniame kairiajame kampe, pvz., Francio (Fr), Cezio (Cs) ir Radžio (Ra).

Todėl pagrindinis elektronegatyvumo sąvokos panaudojimas BIS2A bus suteikti konceptualų pagrindą aptarti įvairius cheminių ryšių tipus, atsirandančius tarp atomų gamtoje. Mes daugiausia dėmesio skirsime trijų rūšių obligacijoms: Joninės jungtys, Kovalentinės obligacijos ir Vandenilio jungtys.

Obligacijų rūšys

BIS2A daugiausia dėmesio skiriame trims skirtingiems obligacijų tipams: joninės, kovalentinės jungtys, ir vandeniliniai ryšiai. Mes tikimės, kad studentai sugebės atpažinti kiekvieną skirtingą jungčių tipą molekuliniuose modeliuose. Be to, apie dažnai biologijoje matomus ryšius tikimės, kad studentas pateiks cheminį paaiškinimą, paremtą tokiomis idėjomis kaip elektronegatyvumas, kaip šie ryšiai prisideda prie biologinių molekulių chemijos.

Joninės jungtys

Joninės jungtys yra elektrostatinė sąveika, susidariusi tarp priešingo krūvio jonų. Pavyzdžiui, dauguma iš mūsų žino, kad natrio chloride (NaCl) teigiamai įkrauti natrio jonai ir neigiamai įkrauti chlorido jonai susijungia elektrostatinės (+ traukia -) sąveikos būdu, sudarydami natrio chlorido arba valgomosios druskos kristalus, sudarydami kristalinę molekulę su nuliniu grynumu. mokestis. Šių sąveikų kilmė gali kilti dėl neutralių atomų, kurių elektronegatyvumo skirtumas yra pakankamai didelis, asociacijos. Paimkite aukščiau pateiktą pavyzdį. Jei įsivaizduosime, kad neutralus natrio atomas ir neutralus chloro atomas artėja vienas prie kito, gali būti, kad esant artimam atstumui dėl santykinai didelio abiejų atomų elektronegatyvumo skirtumo elektronas iš neutralaus natrio atomo perkeliamas į neutralaus chloro atomo, todėl susidaro neigiamo krūvio chlorido jonas ir teigiamai įkrautas natrio jonas. Šie jonai dabar gali sąveikauti per joninę jungtį.

Figūra 1. Pavaizduotas jonų jungties tarp natrio ir chloro susidarymas. A skydelyje pakankamas elektronegatyvumo skirtumas tarp natrio ir chloro skatina elektrono perkėlimą iš natrio į chlorą, suformuojant du jonus, kaip parodyta B skydelyje. C skydelyje du jonai susijungia elektrostatinės sąveikos būdu. Priskyrimas: pateikė BruceBlausas (savo darbas) [CC BY-SA 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], per „Wikimedia Commons“

Šis elektronų judėjimas iš vieno atomo į kitą vadinamas elektronų perdavimu. Anksčiau pateiktame pavyzdyje, kai natris praranda elektroną, dabar jis turi 11 protonų, 11 neutronų ir 10 elektronų, o bendras jo krūvis yra +1 (sumuojant krūvius: 11 protonų esant kiekvienam +1 įkrovimui ir 10 elektronų esant -1) įkrauti kiekvieną = +1). Kai įkraunamas, natrio atomas vadinamas natrio jonu. Taip pat, remiantis savo elektronegatyvumu, neutralus chloro (Cl) atomas linkęs įgyti elektroną, kad sukurtų joną su 17 protonų, 17 neutronų ir 18 elektronų, suteikdamas jam grynąjį neigiamą (–1) krūvį. Dabar jis vadinamas chlorido jonu.

Mes galime interpretuoti aukščiau esantį elektronų perdavimą, naudodami elektronegatyvumo sąvoką. Pradėkite palygindami natrio ir chloro elektronegatyvumą, nagrinėdami toliau pateiktą periodinę elementų lentelę. Matome, kad chloras yra viršutiniame dešiniajame lentelės kampe, o natris yra viršutiniame kairiajame kampe. Tiesiogiai lyginant chloro ir natrio elektronegatyvumo vertes, matome, kad chloro atomas yra labiau elektroneigiamas nei natris. Chloro (3.16) ir natrio (0.93) elektronegatyvumo skirtumas yra 2,23 (naudojant toliau pateiktos lentelės skalę). Atsižvelgiant į tai, kad tarp šių dviejų elementų įvyks elektronų perdavimas, galime daryti išvadą, kad ~ 2,2 elektronegatyvumo skirtumai yra pakankamai dideli, kad elektronas galėtų persikelti tarp dviejų atomų ir kad tokių elementų sąveika yra tikėtina per jonines jungtis.

2 pav. Periodinė elementų lentelė, kurioje pateikiamos kiekvieno elemento elektronegatyvumo reikšmės. Elementai natris ir chloras yra dėžutėje su žalsvai žalios spalvos riba. Priskyrimas: „DMacks“ (https://en.wikipedia.org/wiki/Electronegativity) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], per „Wikimedia Commons“Modifikavo Marc T. Facciotti

Pastaba: galima diskusija

Ant jūsų virtuvės stalviršio stovinčios 5 x 5 colių valgomosios druskos (NaCl) plytos atomai yra laikomi kartu beveik vien joninėmis jungtimis. Remdamiesi tuo pastebėjimu, kaip apibūdintumėte joninių ryšių stiprumą?

Dabar pagalvokite apie tą pačią stalo druskos plytą, kai ji buvo įmesta į vidutinį kiemo baseiną. Po poros valandų plyta visiškai ištirps, o natrio ir chlorido jonai tolygiai pasiskirstys visame baseine. Ką iš šio stebėjimo galėtumėte padaryti išvadą apie joninių ryšių stiprumą?

Pasiūlykite priežastį, kodėl NaCl joninės jungtys ore gali elgtis kitaip nei vandenyje? Kokia tai reikšmė biologijai?

Norėdami gauti papildomos informacijos:

Peržiūrėkite Khan akademijos nuorodą apie jonines jungtis.

Kovalentinės obligacijos

Taip pat galime remtis elektronegatyvumo sąvoka, kuri padės apibūdinti sąveiką tarp atomų, kurių elektronegatyvumo skirtumai yra per maži, kad atomai galėtų sudaryti joninę jungtį. Šios sąveikos rūšys dažnai sukelia ryšį, vadinamą kovalentiniu ryšiu. Šiose jungtyse elektronai yra dalijami tarp dviejų atomų, priešingai nei joninė sąveika, kai elektronai lieka kiekviename jono atome arba yra perkeliami tarp rūšių, turinčių labai skirtingą elektronegatyvumą.

Kovalentinio ryšio tyrinėjimą pradedame žvelgdami į pavyzdį, kuriame elektronegatyvumo skirtumas yra lygus nuliui. Apsvarstykite labai paplitusią sąveiką biologijoje, dviejų anglies atomų sąveiką. Šiuo atveju kiekvienas atomas turi tą patį elektronegatyvumą, 2,55; todėl elektronegatyvumo skirtumas lygus nuliui. Jei mes sukuriame savo psichinį šios sąveikos modelį, naudodamiesi elektronegatyvumo koncepcija, suprantame, kad kiekvienas anglies atomas anglies ir anglies poroje turi tą pačią tendenciją „traukti“ elektronus. Šiuo atveju, kai susidaro ryšys, nė vienas iš dviejų anglies atomų nebus linkęs „traukti“ (geras antropomorfizmas) elektronus iš kito. Vietoj to jie „dalinsis“ (kitas antropomorfizmas) elektronais.

Šalia: ribojantis pavyzdys

Du aukščiau pateikti pavyzdžiai - (1) natrio ir chloro sąveika ir (2) dviejų anglies atomų sąveika - aptaria diskusiją „ribojančia“ arba asimptomine analize (žr. Ankstesnį skaitymą). Išnagrinėjome, kas atsitinka su fizine sistema, kai svarstome du kraštutinumus. Šiuo atveju kraštutinumai buvo elektronegatyvumo skirtumai tarp sąveikaujančių atomų. Natrio ir chloro sąveika parodė, kas atsitinka, kai dviejų atomų elektronegatyvumas skiriasi, o anglies ir anglies pavyzdys iliustruoja, kas nutinka, kai skirtumas yra lygus nuliui. Sukūrę tuos protinio tikslo įrašus, kuriuose aprašoma, kas vyksta kraštutinumuose, tada lengviau įsivaizduoti, kas gali nutikti tarp jų - šiuo atveju, kas atsitinka, kai elektronegatyvumo skirtumas yra nuo 0 iki 2,2. Mes tai darome toliau.

Kai elektronų pasidalijimas tarp dviejų kovalentiškai sujungtų atomų yra beveik vienodas, šias jungtis vadiname nepolinėmis kovalentinėmis jungtimis. Jei, priešingai, elektronų pasidalijimas tarp dviejų atomų nėra lygus (greičiausiai dėl atomų elektronegatyvumo skirtumo), mes vadiname šiuos ryšius poliarinis kovalentas obligacijų.

A poliarinis kovalentas ryšį, atomai nevienodai dalijasi elektronais ir juos traukia vienas branduolys labiau nei kitas. Dėl nevienodo elektronų pasiskirstymo tarp atomų poliniame kovalentiniame ryšyje, kiekviename jungties poliuje atsiranda šiek tiek teigiamas (pažymėtas δ+) arba šiek tiek neigiamas (žymimas δ–) krūvis. Šiek tiek teigiamas (δ+) krūvis susidarys ant mažiau elektroneigiamo atomo, nes elektronai labiau traukiami link šiek tiek daugiau elektroneigiamo atomo. Ant šiek tiek neigiamo (δ–) krūvio atsiras daugiau neigiamo atomo. Kadangi yra du poliai (teigiamasis ir neigiamas), sakoma, kad ryšys turi a dipolis.

Nepolinių kovalentinių ir polinių kovalentinių ryšių pavyzdžiai biologiškai svarbiose molekulėse

Nepolinės kovalentinės jungtys

Molekulinis deguonis

Molekulinis deguonis (O.2) yra sudarytas iš dviejų deguonies atomų asociacijos. Kadangi abu atomai turi tą patį elektronegatyvumą, molekulinio deguonies jungtys yra nepolinės kovalentinės.

Metanas

Kitas nepolinės kovalentinės jungties pavyzdys yra CH jungtis, randama metano dujose (CH4). Skirtingai nei molekulinio deguonies atveju, kai du sujungti atomai turi tą patį elektronegatyvumą, anglies ir vandenilio elektronegatyvumas nėra toks pat; C = 2,55 ir H = 2,20 - elektronegatyvumo skirtumas yra 0,35.

3 pav. Molekulinio deguonies, metano ir anglies dioksido molekulinės linijos brėžiniai. Priskyrimas: Marc T. Facciotti (savo darbas)

Kai kurie iš jūsų dabar gali būti supainioti. Jei yra skirtumas tarp dviejų atomų elektronegatyvumo, ar ryšys pagal apibrėžimą nėra polinis? Atsakymas yra ir taip, ir ne, ir priklauso nuo garsiakalbio / rašytojo naudojamo polinio apibrėžimo. Kadangi tai yra pavyzdys, kaip nuorodų naudojimas naudojant specifinį žodyną kartais gali sukelti painiavą, skiriame šiek tiek laiko tai aptarti čia. Norėdami paaiškinti, žr. toliau pateiktą studento ir dėstytojo apsikeitimą:

1. Instruktorius: "Biologijoje mes dažnai sakome, kad CH ryšys yra nepolinis."

2. Studentas: "Tačiau tarp C ir H yra elektronegatyvumo skirtumas, todėl atrodytų, kad C turėtų turėti šiek tiek stipresnę tendenciją pritraukti elektronus. Šis elektronegatyvumo skirtumas turėtų sukurti nedidelį neigiamą krūvį aplink anglį ir mažą teigiamą įkrauti aplink vandenilį“.

3. Studentas: „Kadangi yra skirtingas krūvio pasiskirstymas tarp obligacijų, atrodytų, kad pagal apibrėžimą tai turėtų būti laikoma poline obligacija“.

4. Instruktorius: „Tiesą sakant, obligacija turi tam tikrą mažą polinį pobūdį“.

5. Studentas: "Taigi, tada tai poliarinė? Aš sutrikęs."

6. Instruktorius: "Jis turi šiek tiek poliarinio pobūdžio, bet pasirodo, kad daugumai įprastos chemijos, su kuria susidursime, šio nedidelio poliarinio charakterio kiekio nepakanka, kad susidarytų "įdomi" chemija. Taigi, nors ryšys, griežtai tariant, yra šiek tiek polinis, praktiniu požiūriu jis iš tikrųjų yra nepolinis. Todėl mes jį vadiname nepoliniu. "

7. Mokinys: "Tai be reikalo painu; kaip aš turėčiau žinoti, kada jūs turite omenyje griežtai 100% nepoliarinį, šiek tiek polinį ar funkcionaliai polinį, kai tuo pačiu žodžiu apibūdinate du iš tų trijų dalykų?"

8. Instruktorius: „Taip. spartųjį klavišą (ir kitus), naudojamus išeinant į lauką, ir raginu jus pradėti mokytis atpažinti tai, kas numatyta pokalbio kontekste.

Tos pačios problemos reali analogija gali būti žodžio „laikraštis“ vartojimas. Jis gali būti naudojamas sakinyje, nurodant įmonę, kuri skelbia kai kurias naujienas, ARBA gali reikšti tikrąją įmonės gaminamą prekę. Šiuo atveju išaiškinimą nesunkiai padaro anglakalbiai, nes jie gali nustatyti teisingą reikšmę iš konteksto; negimtakalbiai gali būti labiau sutrikę. Nesijaudink; pamatę daugiau techninių žodžių naudojimo pavyzdžių moksle, išmoksite skaityti teisingas reikšmes ir iš konteksto “.

Šalia:

Koks turėtų būti elektronegatyvumo skirtumas, kad būtų sukurtas „pakankamai poliarinis“ ryšys, kurį biologijoje nusprendžiame pavadinti poliniu? Žinoma, tiksli vertė priklauso nuo daugelio veiksnių, tačiau kaip laisva nykščio taisyklė kartais tariamai naudojame 0,4 skirtumą.

Ši papildoma informacija skirta tik jūsų informacijai. Jūsų nebus prašoma priskirti poliškumą pagal šiuos BIS2A kriterijus. Tačiau turėtumėte suprasti, kaip poliškumą galima nustatyti naudojant elektronegatyvumo sąvoką. Taip pat turėtumėte įvertinti funkcines poliškumo pasekmes (daugiau apie tai kituose skyriuose) ir su šiais terminais susijusius niuansus (pvz., aptartus aukščiau).

Kovinės poliarinės jungtys

The poliarinis kovalentas ryšį galima iliustruoti tiriant ryšį tarp O ir H vandenyje (H2O). Deguonies elektronegatyvumas yra 3,44, o vandenilio - 2,20. Elektronegatyvumo skirtumas yra 1,24. Pasirodo, kad tokio dydžio elektronegatyvumo skirtumas yra pakankamai didelis, todėl molekulės dipolis prisideda prie dominančio cheminio reiškinio.

Tai yra geras dalykas paminėti dar vieną dažną studentų painiavos šaltinį, susijusį su poliarinio termino vartojimu. Vanduo turi polinį obligacijas. Šis teiginys konkrečiai susijęs su atskiromis O-H jungtimis. Kiekviena iš šių jungčių turi dipolį. Tačiau studentai taip pat išgirs, kad vanduo yra poliarinis molekulė. Tai taip pat tiesa. Pastarasis teiginys susijęs su tuo, kad dviejų jungčių dipolių suma sukuria dipolį visoje molekulėje. A molekulė gali būti nepolinis, bet vis tiek turėti tam tikrų polinių ryšių.

4 pav. Vandens molekulė turi dvi polines OH jungtis. Kadangi krūvio pasiskirstymas molekulėje yra asimetriškas (dėl jungties dipolių skaičiaus ir santykinės orientacijos), molekulė taip pat yra polinė. Elemento pavadinimas ir elektronegatyvumas pateikiami atitinkamoje srityje. Facciotti (savo darbas)

Norėdami gauti daugiau informacijos, peržiūrėkite šį trumpą vaizdo įrašą, kad pamatytumėte joninių ir kovalentinių jungčių animaciją.

Ryšių tarp kovalentinio ir joninio tęstinumas

Anksčiau aptartos obligacijų rūšys pabrėžia, kad gamtoje pamatysite ryšius tęstinume nuo visiškai nepolinio kovalentinio iki grynai joninio, priklausomai nuo sąveikaujančių atomų. Tęsdami studijas, jūs dar labiau sužinosite, kad didesnėse kelių atomų molekulėse elektronų lokalizaciją aplink atomą taip pat įtakoja keli veiksniai. Pavyzdžiui, kiti atomai, kurie taip pat yra surišti netoliese, turės įtakos elektronų pasiskirstymui aplink branduolį tokiu būdu, kuris nėra lengvai paaiškinamas remiantis paprastais porinio elektronegatyvumo palyginimo argumentais. Vietiniai elektrostatiniai laukai, kuriuos sukuria kiti nesusiję atomai, taip pat gali turėti įtakos. Tikrovė visada yra sudėtingesnė nei mūsų modeliai. Tačiau jei modeliai leidžia mums pagrįstai ir pakankamai tiksliai numatyti arba suprasti kai kurias pagrindines sąvokas, kurias vėliau galima išplėsti, jos yra gana naudingos.

Pagrindinės BIS2A obligacijos

BIS2A mums rūpi biomolekulių atomų cheminis elgesys ir ryšiai. Laimei, biologines sistemas sudaro palyginti nedaug bendrų elementų (pvz., C, H, N, O, P, S ir kt.) Ir kai kurie pagrindiniai jonai (pvz., Na+, Cl-, Ca2+, K+ ir kt.). Pradėkite atpažinti dažniausiai pasitaikančias obligacijas ir chemines savybes, kurias dažnai matome. Kai kurios įprastos obligacijos yra C-C, C-O, C-H, N-H, C = O, C-N, P-O, O-H, S-H ir kai kurie variantai. Jie bus toliau aptariami funkcinių grupių kontekste. Užduotis nėra tokia bauginanti, kaip atrodo.

Pastaba: Dažnas studentų painiavos dalykas

Šiame skaityme mes kalbėjome apie poliškumą obligacijas. Tai yra, mes mokėmės apibūdinti vienos jungties, jungiančios du atomus, poliškumą (ty kaip elektronai pasiskirsto tarp dviejų atomų atitinkamuose branduoliuose?). Biologijoje taip pat kartais kalbame apie a poliškumą molekulė. Molekulės poliškumas skiriasi nuo jungties molekulėje poliškumo. Pastarasis klausia, ar visa molekulė turi grynąjį dipolį. The molekulės Dipolis gali būti apytiksliai laikomas visų jo suma obligacija dipoliai. Pavyzdžiui, panagrinėkime aukščiau esančiame paveikslėlyje pavaizduotą CO2 molekulę. Jei paklaustume, ar vienas iš C=O obligacijas yra poliarinis, darytume išvadą, kad dėl to, kad deguonis yra žymiai labiau elektroneigiamas, anglies, prie kurios jis yra kovalentiškai prijungtas, yra. Tačiau jei paklaustume, ar molekulė O = C = O yra poliarinis, padarytume išvadą, kad taip nėra. Kodėl? Pažvelkite į aukščiau pateiktą CO2 skaičių. Kiekvienas CO obligacija turi dipolį. Tačiau šie du dipoliai yra nukreipti tiesiai priešingomis kryptimis. Jei pridėsime šiuos du obligacija dipolius kartu, kad gautumėte grynąjį dipolį molekulė nieko negauname - du obligacija dipoliai "atšaukia" vienas kitą. Priešingai, jei išnagrinėsime aukščiau esančią vandens struktūrą, taip pat pamatysime, kad kiekvienas O-H obligacija turi dipolį. Šiuo atveju, kai klausiame, ar molekulė turi neto dipolį (atliekama pridedant obligacija dipoliai kartu) matome, kad atsakymas yra taip. Dviejų suma obligacija dipoliai vis tiek duoda grynąjį dipolio momentą. Todėl sakome, kad tai molekulė yra poliarinis. Tą patį pratimą galime atlikti ir molekulių dalims, jei tik apibrėžiame, į kokią konkrečią dalį žiūrime.

Vandenilio jungtys

Kai vandenilis sudaro polinį kovalentinį ryšį su didesnio elektronegatyvumo atomu, sritis aplink vandenilį turės dalinį teigiamą krūvį (vadinamą δ+). Kai šis dalinis teigiamas krūvis susiduria su daliniu neigiamu krūviu (vadinamu δ-) iš kito elektroneigiamo atomo, prie kurio NĖRA prijungtas vandenilis, IR jis pateikiamas tam neigiamam krūviui tinkama orientacija, ypatinga sąveika, vadinama vandenilio ryšys gali susidaryti. 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 donoras" 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.

Figūra 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)