18.6: Vikosi vya Umeme katika Biolojia

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza jinsi molekuli ya maji ni polar.
• Eleza uchunguzi wa umeme na molekuli ya maji ndani ya seli hai.

Electrostatics ya kawaida ina jukumu muhimu la kucheza katika biolojia ya kisasa ya Masi. Molekuli kubwa kama vile protini, asidi nucleic, na kadhalika-hivyo muhimu kwa maisha-kwa kawaida hushtakiwa kwa umeme. DNA yenyewe ina chaji sana; ni nguvu ya umeme ambayo si tu inashikilia molekuli pamoja lakini inatoa muundo wa molekuli na nguvu. Kielelezo\(\PageIndex{1}\) ni schematic ya DNA mara mbili helix.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): DNA ni molekuli yenye kushtakiwa sana. DNA mara mbili helix inaonyesha mbili coiled strands kila zenye safu ya besi nitrojeni, ambayo “code” habari maumbile zinahitajika na viumbe hai. Mikanda ni kushikamana na vifungo kati ya jozi ya besi. Wakati mchanganyiko wa kuunganisha kati ya besi fulani ni fasta (C-G na A-T), mlolongo wa nucleotides katika strand hutofautiana. (mikopo: Jerome Walker)

Msingi wa nucleotide nne hutolewa alama A (adenine), C (cytosine), G (guanine), na T (thymine). Utaratibu wa besi nne hutofautiana katika kila strand, lakini kuunganisha kati ya besi daima ni sawa. C na G daima zimeunganishwa na A na T daima huunganishwa, ambayo husaidia kuhifadhi utaratibu wa besi katika mgawanyiko wa seli (mitosis) ili kupitisha habari sahihi za maumbile. Kwa kuwa nguvu ya Coulomb inapungua kwa umbali (\(F \propto 1/r^{2}\)), umbali kati ya jozi za msingi lazima iwe ndogo ya kutosha kwamba nguvu ya umeme inatosha kuwashikilia pamoja.

DNA ni molekuli yenye kushtakiwa sana, yenye takriban\(2q_e\) (malipo ya msingi) kwa\(0.3\times 10^{-9}\) m. umbali wa kutenganisha vipande viwili vinavyotengeneza muundo wa DNA ni karibu 1 nm, wakati umbali wa kutenganisha atomi za mtu binafsi ndani ya kila msingi ni karibu 0.3 nm.

Mtu anaweza kushangaa kwa nini vikosi vya umeme havikuwa na jukumu kubwa katika biolojia kuliko wanavyofanya ikiwa tuna molekuli nyingi za kushtakiwa. Sababu ni kwamba nguvu ya umeme ni “diluted” kutokana na uchunguzi kati ya molekuli. Hii ni kutokana na kuwepo kwa mashtaka mengine katika kiini.

Polarity ya Molekuli ya Maji

Mfano bora wa uchunguzi huu malipo ni molekuli ya maji, kuwakilishwa kama\(\mathrm{H_{2}O}\). Maji ni molekuli yenye nguvu ya polar. Elektroni zake 10 (8 kutoka atomi ya oksijeni na 2 kutoka atomi mbili za hidrojeni) huwa na kubaki karibu na kiini cha oksijeni kuliko viini vya hidrojeni. Hii inajenga vituo viwili vya malipo sawa na kinyume - kile kinachoitwa dipole, kama inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{2}\). Ukubwa wa dipole huitwa wakati wa dipole.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Mpangilio huu unaonyesha maji (\(\mathrm{H_{2}O}\)) kama molekuli ya polar. Ushirikiano usio sawa wa elektroni kati ya atomi za oksijeni (O) na hidrojeni (H) husababisha kujitenga wavu wa malipo chanya na hasi- kutengeneza dipole. Ishara\(\delta ^{-}\) na\(\delta ^{+}\) zinaonyesha kuwa upande wa oksijeni wa\(\mathrm{H_{2}O}\) molekuli huelekea kuwa hasi zaidi, ilhali mwisho wa hidrojeni huwa na chanya zaidi. Hii inasababisha mvuto wa mashtaka kinyume kati ya molekuli.

Vituo hivi viwili vya malipo vitakoma baadhi ya mistari ya uwanja wa umeme inayotokana na malipo ya bure, kama kwenye molekuli ya DNA. Hii inasababisha kupungua kwa nguvu ya mwingiliano wa Coulomb. Mtu anaweza kusema kwamba uchunguzi hufanya Coulomb nguvu ya aina fupi badala ya muda mrefu. Ions nyingine ya umuhimu katika biolojia ambayo inaweza kupunguza au screen Coulomb mwingiliano ni\(\mathrm{Na^{+}}\), na\(\mathrm{K^{+}}\), na\(\mathrm{Cl^{-}}\). Ions hizi ziko ndani na nje ya seli zilizo hai. Mwendo wa ions hizi kupitia membrane za seli ni muhimu kwa mwendo wa msukumo wa neva kupitia axons za neva.

Uchunguzi wa hivi karibuni wa electrostatics katika biolojia unaonekana kuonyesha kwamba mashamba ya umeme katika seli yanaweza kupanuliwa juu ya umbali mkubwa, licha ya uchunguzi, na “microtubules” ndani ya seli. Mikrotubuli hizi ni zilizopo mashimo linajumuisha protini zinazoongoza mwendo wa kromosomu wakati seli zinagawanyika, mwendo wa viumbe vingine ndani ya seli, na kutoa taratibu za mwendo wa baadhi ya seli (kama motors).

Muhtasari

• Molekuli nyingi katika viumbe hai, kama vile DNA, hubeba chaji.
• Usambazaji usiofaa wa mashtaka mazuri na hasi ndani ya molekuli ya polar hutoa dipole.
• Athari ya shamba la Coulomb linalozalishwa na kitu kilichoshtakiwa inaweza kupunguzwa au kuzuiwa na vitu vingine vya kushtakiwa vilivyo karibu.
• Mifumo ya kibaiolojia ina maji, na kwa sababu molekuli za maji ni polar, zina athari kubwa kwenye molekuli nyingine katika mifumo hai.

faharasa

dipole

ukosefu wa molekuli wa usambazaji wa malipo ya usawa, na kusababisha upande mmoja kuwa chanya zaidi na mwingine kuwa hasi zaidi

molekuli ya polar

molekuli yenye usambazaji usio wa kawaida wa malipo mazuri na hasi

uchunguzi

dilution au kuzuia nguvu ya umeme kwenye kitu cha kushtakiwa kwa kuwepo kwa mashtaka mengine karibu

Coulomb mwingiliano

mwingiliano kati ya chembe mbili kushtakiwa yanayotokana na vikosi vya Coulomb, wanajitahidi kila mmoja;