7.1: Molekuli za kikab

Last updated
Save as PDF

Page ID: 174887

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

Malengo ya kujifunza

Tambua mambo ya kawaida na miundo iliyopatikana katika molekuli za kikaboni
Eleza dhana ya isomerism
Tambua mifano ya makundi ya kazi
Eleza jukumu la makundi ya kazi katika kuunganisha polima

Mtazamo wa kliniki: Sehemu 1

Penny ni mwanafunzi mwenye umri wa miaka 16 ambaye alimtembelea daktari wake, akilalamika juu ya ngozi ya ngozi. Alikuwa na historia ya matukio ya mzio. Daktari aliangalia ngozi yake ya jua na kumwuliza ikiwa amebadilisha jua tofauti. Alisema alikuwa, hivyo daktari aligundua eczema ya mzio. Dalili zilikuwa kali hivyo daktari alimwambia Penny kuepuka kutumia jua lililosababisha mmenyuko na kuagiza cream ya kuchepesha yanayouzwa ili kuweka ngozi yake hidrati na kusaidia na kuwasha.

Zoezi\(\PageIndex{1}\)

Ni aina gani za vitu ambazo unatarajia kupata katika cream ya kuchepesha?
Ni mali gani ya kimwili au kemikali ya vitu hivi itasaidia kupunguza kuchochea na kuvimba kwa ngozi?

Biokemia ni nidhamu inayochunguza kemia ya maisha, na lengo lake ni kueleza umbo na kazi kulingana na kanuni za kemikali. Kemia ya kikaboni ni nidhamu iliyotolewa kwa utafiti wa kemia ya kaboni, ambayo ni msingi wa utafiti wa biomolecules na nidhamu ya biochemistry. Wote biochemistry na kemia ya kikaboni hutegemea dhana za kemia ya jumla, ambayo baadhi yake yanawasilishwa katika Kiambatisho A.

Elements katika seli Hai

Elementi tele zaidi katika seli ni hidrojeni (H), ikifuatiwa na kaboni (C), oksijeni (O), nitrojeni (N), fosforasi (P), na sulfuri (S). Tunaita vipengele hivi macronutrients, na wao akaunti kwa 99% ya uzito kavu wa seli. Baadhi ya vipengele, kama vile sodiamu (Na), potasiamu (K), magnesiamu (Mg), zinki (Zn), chuma (Fe), calcium (Ca), molybdenum (Mo), shaba (Cu), cobalt (Co), manganese (Mn), au vanadium (Va), zinahitajika na seli fulani kwa kiasi kidogo sana na huitwa micronutrients au kufuatilia vipengele. Mambo haya yote ni muhimu kwa kazi ya athari nyingi za biochemical, na kwa hiyo, ni muhimu kwa maisha.

Vipengele vinne vingi zaidi katika suala hai (C, N, O, na H) vina idadi ndogo ya atomia na hivyo ni vipengele vyema vinavyoweza kutengeneza vifungo vikali na atomi nyingine ili kuzalisha molekuli (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Carbon huunda vifungo vinne vya kemikali, ambapo nitrojeni huunda tatu, oksijeni huunda mbili, na hidrojeni huunda moja. Wakati wa kuunganishwa pamoja ndani ya molekuli, oksijeni, sulfuri, na nitrojeni mara nyingi huwa na “jozi pekee” moja au zaidi ya elektroni ambazo zina majukumu muhimu katika kuamua mali nyingi za kimwili na kemikali za molekuli (angalia Kiambatisho A). Tabia hizi kwa pamoja zinaruhusu kuundwa kwa idadi kubwa ya aina mbalimbali za Masi zinazohitajika kuunda miundo na kuwezesha kazi za viumbe hai.

Dioksidi kaboni (CO2) ina atomi ya kaboni katikati. Atomi hii ya kaboni inaunganishwa mara mbili na oksijeni upande wa kushoto na oksijeni nyingine upande wa kulia. Amonia NH3 ina nitrojeni iliyoambatana na atomi 3 za hidrojeni. Oksijeni (O2) ina atomi mbili za oksijeni zilizounganishwa mara mbili kwa kila mmoja. — Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Baadhi ya molekuli ya kawaida ni pamoja na dioksidi kaboni, amonia, na oksijeni, ambayo inajumuisha mchanganyiko wa atomi za oksijeni (nyanja nyekundu), atomi za kaboni (nyanja za kijivu), atomi za hidrojeni (nyanja nyeupe), au atomi za nitrojeni (

Viumbe hai vyenye misombo isokaboni (hasa maji na chumvi; angalia Kiambatisho A) na molekuli za kikaboni. Molekuli za kikaboni zina kaboni; misombo isokaboni haifai. Oksidi za kaboni na kabonati ni tofauti; zina vyenye kaboni lakini huhesabiwa isokaboni kwa sababu hazina hidrojeni. Atomi za molekuli ya kikaboni kawaida hupangwa karibu na minyororo ya atomi za kaboni.

Misombo isokaboni hufanya 1% — 1.5% ya molekuli ya seli hai. Wao ni ndogo, misombo rahisi ambayo ina majukumu muhimu katika seli, ingawa haifanyi miundo ya seli. Wengi wa kaboni inayopatikana katika molekuli za kikaboni hutokana na vyanzo vya kaboni isokaboni kama vile dioksidi kaboni iliyotekwa kupitia makaboni

Zoezi\(\PageIndex{2}\)

Eleza mambo mengi zaidi katika asili.
Ni tofauti gani kati ya molekuli za kikaboni na za kikaboni?

Molekuli za kikaboni na Isomerism

Molekuli za kikaboni katika viumbe kwa ujumla ni kubwa na ngumu zaidi kuliko molekuli isokaboni. Mifupa yao ya kaboni hufanyika pamoja na vifungo vya covalent. Wanaunda seli za kiumbe na kufanya athari za kemikali zinazowezesha maisha. Molekuli hizi zote, zinazoitwa biomolecules kwa sababu ni sehemu ya suala hai, zina kaboni, ambayo ni kizuizi cha maisha. Kaboni ni elementi ya pekee sana kwa kuwa ina elektroni nne za valence katika orbitali zake za nje na zinaweza kuunda vifungo vinne vya covalent na atomi nyingine hadi nne kwa wakati mmoja (tazama Kiambatisho A). Atomi hizi ni kawaida oksijeni, hidrojeni, nitrojeni, sulfuri, fosforasi, na kaboni yenyewe; kiwanja rahisi cha kikaboni ni methane, ambayo kaboni hufunga tu kwa hidrojeni (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)).

Kutokana na mchanganyiko wa kipekee wa kaboni wa ukubwa na mali za kuunganisha, atomi za kaboni zinaweza kumfunga pamoja kwa idadi kubwa, hivyo kuzalisha mnyororo au mifupa ya kaboni. Mifupa ya kaboni ya molekuli za kikaboni inaweza kuwa sawa, matawi, au umbo la pete (mzunguko). Molekuli Organic ni kujengwa juu ya minyororo ya atomi kaboni ya urefu tofauti; wengi ni kawaida muda mrefu sana, ambayo inaruhusu kwa idadi kubwa na aina ya misombo. Hakuna elementi nyingine ina uwezo wa kuunda molekuli nyingi tofauti za ukubwa na maumbo mengi tofauti.

Methane hutolewa na C katikati. Mistari minne mradi kutoka C katika maelekezo 4 tofauti, kuna H mwishoni mwa kila mstari. — Kielelezo\(\PageIndex{2}\): atomi ya kaboni inaweza kushikamana na atomi nyingine hadi nne. Molekuli rahisi ya kikaboni ni methane (CH ₄), iliyoonyeshwa hapa.

Molekuli zilizo na umbo la atomiki sawa lakini mpangilio tofauti wa miundo ya atomi huitwa isoma. Dhana ya isomerism ni muhimu sana katika kemia kwa sababu muundo wa molekuli daima unahusiana moja kwa moja na kazi yake. Mabadiliko kidogo katika mipangilio ya kimuundo ya atomi katika molekuli inaweza kusababisha mali tofauti sana. Wanakemia wanawakilisha molekuli kwa formula yao ya kimuundo, ambayo ni uwakilishi wa graphic wa muundo wa Masi, kuonyesha jinsi atomi zinapangwa. Misombo ambayo ina fomula za Masi zinazofanana lakini hutofautiana katika mlolongo wa bonding wa atomi huitwa isoma za kimuundo. Monosaccharides glucose, galactose, na fructose wote wana sawa molekuli formula, C ₆ H ₁₂ O ₆, lakini tunaweza kuona kutoka Kielelezo\(\PageIndex{3}\) kwamba atomi ni Bonded pamoja tofauti.

Fomu ya kemikali ya glucose ni 6 C katika mlolongo. C juu ina mara mbili Bonded O. C ya ina OH upande wa kulia, C ya ina OH upande wa kushoto, na mwisho 3 Cs na OHs upande wa kulia. Fomu ya kemikali ya galactose ni 6 Cs katika mlolongo. C juu ina mara mbili Bonded O, C ya pili ina OH upande wa kulia, ya 2 Cs na OHs upande wa kushoto, na mwisho 2 Cs na OHs upande wa kulia. Fomu ya kemikali ya fructose pia ina 6 Cs katika mlolongo. C ya juu ina OH upande wa kulia. C ijayo ina mara mbili Bonded O na haki. C ijayo ina OH upande wa kushoto. Cs ya mwisho ya 3 ina OHs kwa haki. Vifungo vingine vyote kwenye molekuli hizi ni kwa Hs. — Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Glucose, galactose, na fructose zina formula sawa ya kemikali (C ₆ H ₁₂ O ₆), lakini isoma hizi za kimuundo zinatofautiana katika mali zao za kimwili na kemikali.

Isoma zinazotofautiana katika mpangilio wa anga wa atomi huitwa stereoisoma; aina moja ya pekee ni enantiomers. Mali ya enantiomers awali iligunduliwa na Louis Pasteur mwaka 1848 huku wakitumia darubini kuchambua bidhaa za fermentation zilizofunikwa za divai. Enantiomers ni molekuli ambazo zina tabia ya chirality, ambayo miundo yao ni picha zisizo na uwezo wa kioo za kila mmoja. Chirality ni tabia muhimu katika molekuli nyingi za kibiolojia muhimu, kama ilivyoonyeshwa na mifano ya tofauti za miundo katika aina za enantiomeric za glucose ya monosaccharide au alanine ya amino asidi (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)).

Viumbe vingi vinaweza kutumia aina moja ya enantiomeric ya aina fulani za molekuli kama virutubisho na kama vitalu vya ujenzi kutengeneza miundo ndani ya seli. Aina zingine za enantiomeric za amino asidi zina ladha tofauti na harufu wakati zinazotumiwa kama chakula. Kwa mfano, L-aspartame, inayoitwa aspartame, hupendeza tamu, wakati D-aspartame haipatikani. Enantiomers ya madawa ya kulevya inaweza kuwa na athari tofauti za pharmacologic. Kwa mfano, methorphan kiwanja ipo kama enantiomers mbili, moja ambayo hufanya kazi kama antitussive (dextro methorphan, kikohozi suppressant), wakati mwingine vitendo kama analgesic (levo methorphan, dawa sawa na athari kwa codeine).

Michoro kuonyesha enantiomers; kila mchoro ina 2 molekuli na line dashed kinachoitwa “kioo” katika kati yao. Fomu ya kemikali ya D na L glucose wote wana mnyororo wa 6 C na O iliyofungwa mara mbili kwenye kaboni ya juu. Kila moja ya kaboni nyingine ina OH upande wa pili — kwa mfano OH kwenye kaboni ya pili iko upande wa kulia katika D-glucose na upande wa kushoto katika L-glucose. D-alanine na L-alanine zote mbili zina mnyororo wa kaboni 3, lakini kikundi cha NH2 kina pande tofauti za mnyororo katika kila moja ya haya. — Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Enantiomers ni stereoisomers kwamba kuonyesha chirality. Miundo yao ya kemikali ni picha zisizo na uwezo wa kioo za kila mmoja. (a) D-glucose na L-glucose ni monosaccharides ambazo ni enantiomers. (b) Enantiomers D-alanine na L-alanine ni enantiomers zinazopatikana katika kuta za seli za bakteria na seli za binadamu, kwa mtiririko huo.

Enantiomers pia huitwa isomers macho kwa sababu wanaweza kugeuza ndege ya mwanga polarized. Baadhi ya fuwele Pasteur aliona kutoka Fermentation mvinyo kuzungushwa mwanga clockwise wakati wengine kuzungushwa mwanga kinyume. Leo, sisi kuashiria enantiomers kwamba mzunguko polarized mwanga clockwise (+) kama d aina, na kioo picha ya molekuli huo kwamba rotates polarized mwanga kinyume chake (-) kama aina l. Maandiko ya d na l yanatokana na maneno ya Kilatini dexter (upande wa kulia) na laevus (upande wa kushoto), kwa mtiririko huo. Isoma hizi mbili tofauti za macho mara nyingi zina tabia na shughuli tofauti za kibiolojia. Aina fulani za molds, chachu, na bakteria, kama vile Rhizopus, Yarrowia, na Lactobacillus spp., kwa mtiririko huo, zinaweza tu metabolize aina moja ya isoma ya macho; isoma kinyume haifai kama chanzo cha virutubisho. Sababu nyingine muhimu ya kuwa na ufahamu wa isoma za macho ni matumizi ya matibabu ya aina hizi za kemikali kwa ajili ya matibabu ya madawa ya kulevya, kwa sababu baadhi ya microorganisms zinaweza kuathiriwa na isoma moja maalum ya macho.

Zoezi\(\PageIndex{3}\)

Tunasema kwamba maisha ni msingi wa kaboni. Ni nini kinachofanya kaboni kufaa kuwa sehemu ya macromolecules yote ya viumbe hai?

Vikundi vya Kibiolojia muhimu

Mbali na zenye atomi za kaboni, biomolecules pia huwa na vikundi vya kazi-vikundi vya atomi ndani ya molekuli ambazo zinajumuishwa na kemikali zao maalum na athari za kemikali wanazofanya, bila kujali molekuli ambayo kundi hupatikana. Baadhi ya makundi ya kawaida ya kazi yameorodheshwa kwenye Kielelezo\(\PageIndex{5}\). Katika formula, ishara R inasimama kwa “mabaki” na inawakilisha salio la molekuli. R inaweza kuashiria atomi moja tu ya hidrojeni au inaweza kuwakilisha kundi la atomi nyingi. Kumbuka kwamba baadhi ya makundi kazi ni rahisi kiasi, yenye atomi moja au mbili tu, wakati baadhi wanaunda mbili ya makundi haya rahisi kazi. Kwa mfano, kundi la kabonili ni kundi la kazi linajumuisha atomu ya kaboni mara mbili iliyounganishwa na atomi ya oksijeni: C=O. Katika ketoni, carbonyl iko kama kikundi cha ndani, wakati katika aldehydes ni kundi la terminal.

Jedwali lililojulikana: Makundi ya kawaida ya kazi yaliyopatikana katika biomolecules; Nguzo 3, jina, kikundi cha kazi na darasa la kiwanja. Aldehyde ina nyekundu C mara mbili Bonded O na H; C pia amefungwa kwa R. nyeusi Hii hupatikana katika wanga. Amine ina nyekundu C mara mbili Bonded kwa O na moja Bonded kwa NH. C na N kila mmoja pia amefungwa kwa R. nyeusi Hii hupatikana katika protini. Amino ina NH2 nyekundu inayofungwa na R. nyeusi Hii hupatikana katika amino asidi na protini. Phosphate ina PO3H2 nyekundu; P pia amefungwa na R. nyeusi Hii hupatikana katika asidi nucleic, phospholipids na ATP. Carbonyl ina nyekundu C mara mbili Bonded kwa O; C pia amefungwa kwa 2 nyeusi Rupia. Hii inapatikana katika ketoni, aldehydes, asidi ya carboxylic, amides. Asidi ya kaboksili ina C nyekundu iliyofungwa mara mbili kwa O na kwa OH; C pia imefungwa kwa R. nyeusi Hii hupatikana katika amino asidi, protini, na asidi ya mafuta. Ester ina nyekundu C mara mbili Bonded kwa O na moja Bonded kwa O. C ni wajibu wa R nyeusi na moja Bonded O pia uwezekano wa R. nyeusi Hii hupatikana katika lipids na asidi nucleic. Ether ina nyekundu O amefungwa kwa 2 Rupia nyeusi. Hii inapatikana katika disaccharides, polysaccharides, na lipids. Hydroxyl ina OH nyekundu iliyofungwa kwa R nyeusi; hii inapatikana katika alkoholi, monosaccharides, amino asidi, na asidi nucleic. Ketone ina nyekundu C mara mbili Bonded kwa O; C pia amefungwa kwa 2 nyeusi Rupia. Hii inapatikana katika wanga. Methyl ina CH3 nyekundu inayofungwa R. nyeusi Hii inapatikana katika misombo methylated kama vile alkoholi methyl na esta methyl. Sulfhydryl ina nyeusi R amefungwa kwa SH nyekundu. Hii hupatikana katika amino asidi na protini. — Kielelezo\(\PageIndex{5}\): Makundi ya kazi.

Macromolecules

Minyororo ya kaboni huunda mifupa ya molekuli nyingi za kikaboni. Makundi ya kazi yanachanganya na mnyororo ili kuunda biomolecules. Kwa sababu hizi biomolecules ni kawaida kubwa, tunawaita macromolecules. Macromolecules nyingi za kibiolojia zinaundwa kwa kuunganisha pamoja idadi kubwa ya molekuli zinazofanana, au zinazofanana sana, ndogo za kikaboni. Molekuli ndogo hufanya kazi kama vitalu vya ujenzi na huitwa monoma, na macromolecules zinazotokana na uhusiano wao huitwa polima. Viini na miundo ya seli ni pamoja na makundi manne makuu ya macromolecules zenye kaboni: polysaccharides, protini, lipids, na asidi nucleic. Makundi matatu ya kwanza ya molekuli yatasomwa katika sura hii. Biochemistry ya asidi nucleic itajadiliwa katika Biochemistry ya Genome.

Kati ya njia nyingi zinazowezekana ambazo monoma zinaweza kuunganishwa ili kuzalisha polima, mbinu moja ya kawaida iliyokutana katika malezi ya macromolecules ya kibiolojia ni awali ya kutokomeza maji mwilini. Katika mmenyuko huu wa kemikali, molekuli za monoma hufunga mwisho hadi mwisho katika mchakato unaosababisha kuundwa kwa molekuli za maji kama byproduct:

\[\text{H—monomer—OH} + \text{H—monomer—OH} ⟶ \text{H—monomer—monomer—OH} + \ce{H2O}\]

Kielelezo\(\PageIndex{6}\) inaonyesha upungufu wa maji mwilini awali ya glucose kisheria pamoja na kuunda maltose na molekuli maji. \(\PageIndex{1}\)Jedwali linafupisha macromolecules na baadhi ya kazi zao.

Mchoro unaoonyesha awali ya upungufu wa maji mwilini. Kwenye kushoto ni molekuli mbili za glucose. OH iliyoambatanishwa na kaboni 1 katika molekuli ya kwanza ni nyekundu; kama ilivyo H iliyoambatanishwa na O juu ya kaboni 4 katika molekuli ya pili. Mshale unaonyesha molekuli mpya ambayo haipo OH na H nyekundu kutoka picha ya awali. Katika nafasi yao, O iliyounganishwa na H juu ya kaboni 4 sasa imeunganishwa pia na kaboni 1 ya molekuli nyingine. — Kielelezo\(\PageIndex{6}\): Katika mmenyuko huu wa awali wa maji mwilini, molekuli mbili za glucose zinaunganishwa pamoja ili kuunda maltose. Katika mchakato, molekuli ya maji huundwa.

Jedwali\(\PageIndex{1}\): Kazi za Macromolecules
Macromolecule	Kazi
Karodi	Uhifadhi wa nishati, receptors, chakula, jukumu la miundo katika mimea, kuta za seli za vimelea, mifupa ya wadudu
Lipids	Uhifadhi wa nishati, muundo wa membrane, insulation, homoni, rangi
Nucleic asidi	Uhifadhi na uhamisho wa habari za maumbile
Protini	Enzymes, muundo, receptors, usafiri, jukumu la miundo katika cytoskeleton ya seli na tumbo la ziada

Zoezi\(\PageIndex{4}\)

Je, ni matokeo gani ya mmenyuko wa awali wa maji mwilini?

Dhana muhimu na Muhtasari

Mambo mengi zaidi katika seli ni hidrojeni, kaboni, oksijeni, nitrojeni, fosforasi, na sulfuri.
Maisha ni makao ya kaboni. Kila atomu ya kaboni inaweza kumfunga kwa mwingine inayozalisha mifupa ya kaboni ambayo inaweza kuwa sawa, matawi, au umbo la pete.
Nambari na aina zileile za atomi zinaweza kushikamana pamoja kwa njia tofauti ili kuzalisha molekuli tofauti zinazoitwa isoma. Isoma zinaweza kutofautiana katika mlolongo wa bonding wa atomi zao (isoma za kimuundo) au katika mpangilio wa anga wa atomi ambao utaratibu wa kuunganisha ni sawa (stereoisomers), na mali zao za kimwili na kemikali zinaweza kutofautiana kidogo au kwa kasi.
Makundi ya kazi hutoa mali maalum za kemikali kwa molekuli zinazozaa. Makundi ya kawaida ya kazi katika biomolecules ni hidroxyl, methyl, carbonyl, carboxyl, amino, phosphate, na sulfhydryl.
Macromolecules ni polima zilizokusanywa kutoka vitengo vya mtu binafsi, monomers, ambazo hufunga pamoja kama vitalu vya ujenzi. Macromolecules nyingi za kibiolojia hutengenezwa na awali ya kutokomeza maji mwilini, mchakato ambao monoma hufunga pamoja kwa kuchanganya makundi yao ya kazi na kuzalisha molekuli za maji kama bidhaa.