1.2: מבוא - כימיה בסיסית

Last updated
Save as PDF

Page ID: 207798

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

מקור: BiochemFFA_1_2.pdf. ספר הלימוד כולו זמין בחינם מהמחברים בכתובת http://biochem.science.oregonstate.edu/content/biochemistry-free-and-easy

"כימיה אורגנית היא הכימיה של תרכובות פחמן. ביוכימיה היא הכימיה של תרכובות פחמן הזוחלות "-מייקל אדמס.

כדי להבין את הביוכימיה, יש להחזיק לפחות הבנה בסיסית של כימיה אורגנית וכללית. בחלק קצר זה נספק סקירה מהירה של המושגים הפשוטים הדרושים להבנת הכימיה התאית. כימיה היא כימיה, בין אם בתא או מחוצה לו, אבל כימיה ביולוגית היא תת-קבוצה מסוימת של כימיה אורגנית שלעתים קרובות כוללת מקרומולקולות עצומות, וזה קורה בסביבה המימית של התא.

איור 1.18 מציג את הקבוצות התפקודיות האורגניות השונות הנפוצות בביוכימיה. אתה תיתקל בקבוצות הפונקציונליות הללו כשאתה לומד את המסלולים הביוסינתטיים והפירוק הבונים וממחזרים את התרכובות הכימיות שמהן עשויים תאים. בנוסף להכרת השמות והמבנים של קבוצות אלה, התלמידים זקוקים להבנה בסיסית של קשרים קוולנטיים ויוניים.

איור 1.18 - קבוצות פונקציונליות חשובות בביוכימיה תמונה מאת אליה קים

קשרים קוולנטיים, כידוע, הם תוצאה של שיתוף אלקטרונים בין שני אטומים. קשרים יוניים, לעומת זאת, נוצרים כאשר אטום אחד תורם אלקטרון לאחר, כמו למשל ביצירת נתרן כלורי. קשרים קוולנטיים בודדים יכולים להסתובב בחופשיות, אך קשרים כפולים אינם יכולים. קשרים בודדים סביב אטום פחמן מסודרים בטטרהדרון עם זוויות קשר של 109.5 מעלות ביחס זה לזה, כאשר הפחמן במרכז (איור 1.19). פחמנים קשורים כפולים יוצרים מבנה מישורי עם זוויות קשר בדרך כלל של כ -120 מעלות.

אלקטרושליליות

אלקטרושליליות היא מדד לזיקה שיש לגרעין לאלקטרוני קליפה חיצונית (טבלה 1.2). אלקטרושליליות גבוהה תואמת זיקה גבוהה. אלקטרונים בקשר קוולנטי מוחזקים קרוב יותר לגרעין עם אלקטרושליליות גדולה יותר בהשוואה לגרעין בעל אלקטרושליליות נמוכה יותר.

טבלה 1.2 תמונה מאת אליה קים

לדוגמה, במולקולת מים, עם מימן הקשור באופן קוולנטי לחמצן, האלקטרונים "נמשכים" לעבר החמצן, שהוא יותר אלקטרונגטיבי. בגלל זה, יש מטען שלילי מעט גדול יותר ליד אטום החמצן של המים, בהשוואה למימן (אשר, בהתאמה יש מטען חיובי מעט גבוה יותר). התפלגות המטען הלא שוויונית הזו מגדירה דיפול, כאשר צד אחד שלילי במקצת והשני חיובי במקצת. בגלל זה, המולקולה מתוארת כקוטבית.

קשרי מימן בין מולקולות מים הם תוצאה של משיכת המטענים החלקיים החיוביים והחלקיים השליליים על מולקולות מים שונות (איור 1.20). קשרי מימן יכולים להיווצר גם בין מימנים בעלי מטען חיובי חלקי לבין אטומים אלקטרונגטיביים חזקים אחרים, כמו חנקן, עם מטען שלילי חלקי. חשוב לזכור שקשרי מימן הם אינטראקציות בין מולקולות (או חלקי מולקולות) ואינם קשרים בין אטומים, כמו קשרים קוולנטיים או יוניים. קשרים בין מימן לפחמן אינם יוצרים מטענים חלקיים משמעותיים מכיוון שהאלקטרושליליות של שני האטומים דומה. כתוצאה מכך, מולקולות המכילות קשרי פחמן-מימן רבים לא יווצרו קשרי מימן ולכן אינן מתערבבות היטב עם מים. מולקולות כאלה נקראות הידרופוביות. תרכובות אחרות בעלות יכולת ליצור קשרי מימן הן קוטביות ויכולות להתמוסס במים. הם נקראים הידרופיליים. מולקולות בעלות שני המאפיינים נקראות אמפיפיליות.

איור 1.20 קשרי מימן (קווים מנוקדים) בין מולקולות מים ויקיפדיה

אינטראקציות חלשות

קשרי מימן הם סוג אחד של אינטראקציה אלקטרוסטטית (כלומר, מבוססת על מטען) בין דיפולים. צורות אחרות של אינטראקציות אלקטרוסטטיות החשובות בביוכימיה כוללות אינטראקציות חלשות בין מולקולה קוטבית לדיפול חולף, או בין שני דיפולים זמניים. דיפולים זמניים אלה נובעים מתנועת אלקטרונים במולקולה. כאשר אלקטרונים מסתובבים, המקום בו הם נמצאים, בזמן נתון, הופך להיות טעון שלילי יותר באופן זמני ויכול כעת למשוך מטען חיובי זמני על מולקולה אחרת. מכיוון שאלקטרונים לא נשארים במקום, הדיפולים הללו הם קצרי מועד. לפיכך, האטרקציה התלויה בדיפולים אלה משתנה והיא חלשה מאוד. אינטראקציות חלשות כמו אלה נקראות לפעמים כוחות ואן דר ואלס. אינטראקציות מולקולריות רבות בתאים תלויות באינטראקציות חלשות. למרות שקשרי המימן הבודדים או אינטראקציות דיפול-דיפול אחרות חלשות, בגלל מספרם הגדול, הן עלולות לגרום לאינטראקציות חזקות למדי בין מולקולות.

חמצון/הפחתה

חמצון כרוך באובדן אלקטרונים והפחתה גורמת לרווח של אלקטרונים. לכל חמצון ביולוגי יש הפחתה מקבילה - מולקולה אחת מאבדת אלקטרונים למולקולה אחרת. תגובות חמצון נוטות לשחרר אנרגיה ומהוות מקור לביו-אנרגיה לתאים כימוטרופיים.

יינון

יינון של ביומולקולות, לעומת זאת אינו כרוך בחמצון/הפחתה. ביינון, יון מימן (H+) משאיר אחריו את האלקטרון שלו כשהוא יוצא (משאיר אחריו מטען שלילי) או מצטרף לקבוצה (מוסיף מטען חיובי). יינונים ביולוגיים כוללים בדרך כלל קבוצות קרבוקסיל או אמינים, אם כי ניתן גם ליינן פוספטים או סולפטים. לקבוצת קרבוקסיל יכולים להיות שני מצבי יינון - מטען של -1 תואם את הקרבוקסיל ללא הפרוטון שלו ומטען של אפס תואם את המטען של הקרבוקסיל עם הפרוטון שלו דולק. לאמין יש גם שני מצבי יינון. מטען של אפס מתאים לחנקן בעל שלושה קשרים קוולנטיים (בדרך כלל בצורה של C-NH2) ומטען של +1 מתאים לחנקן שיוצר ארבעה קשרים קוולנטיים (בדרך כלל X-NH3 +).

סטריאוכימיה

לפחמן יש את היכולת ליצור ארבעה קשרים בודדים (יוצרים מבנה טטרהדרלי) ואם הוא נקשר לארבע קבוצות כימיות שונות, ניתן לסדר את האטומים שלהם סביב הפחמן בשתי דרכים שונות, מה שמוליד "ידיים" סטריאוכימית (איור 1.21). כל פחמן בעל תכונה כזו מכונה מרכז אסימטרי. תכונת הידיים מתרחשת רק כאשר לפחמן יש ארבע קבוצות שונות הקשורות אליו. לאנזימים יש מבנים תלת-ממדיים מאוד ספציפיים, ולכן עבור מולקולות ביולוגיות שיכולות להתקיים בצורות סטריאואיזומריות שונות, אנזים שמסנתז אותו ייצור רק אחד מהאיזומרים האפשריים. לעומת זאת, אותן מולקולות המיוצרות כימית (לא באמצעות אנזימים) מסתיימות בכמויות שוות של שני האיזומרים, הנקראים תערובת גזעית.

אנרגיה חופשית של גיבס

חישוב האנרגיה החופשית של גיבס מאפשר לנו לקבוע אם תגובה תהיה ספונטנית, על ידי התחשבות בשני גורמים, שינוי באנטלפיה (ΔH) ושינוי באנטרופיה (ΔS). תכולת האנרגיה החופשית של מערכת ניתנת על ידי האנרגיה החופשית של גיבס (\(G\)) והיא שווה לאנטלפיה (\(H\)) לתהליך מינוס הטמפרטורה המוחלטת (T) כפול האנטרופיה (S)

\[G = H = TS\]

עבור תהליך, השינוי באנרגיה החופשית של גיבס ΔG ניתן על ידי

\[ΔG = ΔH - TΔS\]

שלילי \(ΔG\) מתאים לשחרור של אנרגיה חופשית. תגובות המשחררות אנרגיה הן אקסרגוניות, ואילו אלו הסופגות אנרגיה נקראות אנדרגוניות.

התקן הביולוגי שינוי אנרגיה חופשית של גיבס (ΔG° ') מתאים ל- ΔG לתהליך בתנאים סטנדרטיים של טמפרטורה, לחץ וב- pH = 7. לתגובה

\[aA + bB \rightleftharpoons cC + dD,\]

קבוע שיווי המשקל, \(K_{eq}\) שווה ל

\[K_{eq} = \dfrac{ [C]^c_{eq} [D]^d_{eq}}{[A]^a_{eq} [B]^b_{eq}}\]

איפה\(a\),\(b\),\(c\), \(d\) והם מספרים שלמים במשוואה המאוזנת. ערכים גדולים של \(K_{eq}\) תואמים לתגובות חיוביות (יותר C ו- D המיוצרים מ- A ו- B) וערכים קטנים של \(K_{eq}\) פירושו ההפך. בשיווי משקל,

\[ΔG^{o\prime} = -RT \ln K_{eq}\]

אם לתהליך יש a \(ΔG = Z\) ולתהליך שני יש a\(ΔG = Y\), אז אם שני התהליכים מקושרים, \(ΔG\) \(ΔG^{o \prime} \) וערכים עבור התגובה הכוללת יהיו סכום הערכים ΔG ו- ΔG°' הבודדים.

\[ΔG_{total} = ΔG_1+ ΔG_2 = Z + Y\]

\[ΔG^{o \prime }_{total} = ΔG_1^{o \prime}+ ΔG_2^{o\prime}\]

קטליזה

קטליזה היא עלייה בקצב התגובה הנגרמת על ידי חומר שהוא, עצמו, ללא שינוי על ידי התגובה. מכיוון שזרזים נשארים ללא שינוי בסוף התגובה, ניתן לעשות שימוש חוזר במולקולת זרז אחת במשך מחזורי תגובה רבים. חלבונים המזרזים תגובות בתאים נקראים אנזימים, בעוד ריבוזימים הם מולקולות RNA הפועלות כזרזים.

אלקטרושליליות

אינטראקציות חלשות

אנרגיה חופשית של גיבס

קטליזה

תורמים