מושגי יסוד בביולוגיה ובכימיה

מושגי יסוד בביולוגיה ובכימיה Basic principles of biology and chemistry 134000 מהיסוד ועד המולקולה שומנים פחמימות חלבונים אנזימים מה-DNA ועד החלבון עדית קוסטי iditk@tx.technion.ac.il (04-829) 4258 השקפים הוכנו ע"י נורית לבנת לבנון

מטרת הקורס הכרת מושגים ראשונים בביולוגיה ובכימיה לוגיה ביו

מהם חיים? עפ"י מילון אבן שושן: כל אשר נשמה באפו החיים מוגדרים כמכלול התופעות הקורות לאורגניזם מרגע לידתו ועד מותו יצור חי (=אורגניזם) הוא אשר מסוגל להתרבות ומקיים חילוף חומרים

אורגניזם הוא אשר מסוגל להתרבות ומקיים חילוף חומרים רבייה (reproduction) משמעותה היכולת ליצור דור בנים, אשר אליו מועברות תכונות כחומר תורשתי. חילוף חומרים (metabolism) הוא מכלול התהליכים, המעורבים ביצירת אנרגיה בתא.

ההיררכיה הארגונית בטבע

הכרת מושגי יסוד ראשונים בביולוגיה ובכימיה • מהיסוד ועד המולקולה • שומנים • פחמימות • חלבונים • אנזימים • מה-DNA ועד החלבון

http://biology.technion.ac.il/courses/common/index.aspx?CourseID=134000http://biology.technion.ac.il/courses/common/index.aspx?CourseID=134000

מהיסוד ועד המולקולה יסוד(element) הצורה הבסיסית של חומר ביקום. תופס נפח, בעל מסה ואי אפשר לפרקו לצורות אחרות של חומר באמצעים פיזיקליים או כימיים רגילים. יסוד הוא חומר המורכב אך ורק מסוג אחד של אטומים.

אטומים(atoms) אטומים הם החלקיקים הקטנים ביותר השומרים על תכונות היסוד הכימי. נתייחס לשלושה סוגים של חלקיקים תת אטומים: פרוטונים (protons) אלקטרונים (electrons) נויטרונים (neutrons)

מספר הפרוטונים בגרעין של אטום נקראמספר אטומי (atomicnumber),והוא ייחודי לכל יסוד. מספר אטומי מסומן באות Z Z= p לכל יסוד ישמספר מסה(massnumber) שהוא סכום מספר הפרוטונים והנויטרונים בגרעין האטום שלו. מספר מסה מסומן-A A= p + n

לדוגמא: בגרעין אטום הפחמן שישה פרוטונים ושישה נויטרונים Z=6 מהו המספר האטומי? מהו מספר המסה? A= p + n=12

יסודות מסוימים נבדלים זה מזה במספר הנויטרונים שלהם. אילו איזוטופים(isotopes). לדוגמא אטום פחמן יכול להיות פחמן 12: C12 פחמן 13: C13 או פחמן 14: C14. כל האיזוטופים של יסוד מגיבים עם אטומים אחרים באותן דרכים.

המסה האטומית (Atomic mass or atomic weight)של יסוד היא ממוצע משקלי האיזוטופים שלו על פי שכיחותם בטבע. ישנם איזוטופים הנקראים רדיואיזוטופים, הפולטים אנרגיה וחלקיקים תת אטומיים באופן ספונטאני ובקצב קבוע. בתהליך זה, הקרוי דעיכה רדיואקטיבית (radioactive decay), אטום של יסוד אחד הופך לאטום של יסוד אחר.

הטבלה המחזורית הטבלה המחזורית היא שיטת מיון שהוצעה לראשונה על ידי הכימאי הרוסי דמיטרי מנדלייב במאה ה-19ומציגה את כל היסודות לפי המספר האטומי (Z) והסמל הכימי של האטומים שלהם.

הטבלה המחזורית מספר אטומי סמל כימי מסה אטומית

הטבלה המחזורית הטבלה מסודרת לפי שורות= מחזורים טורים=קבוצות כל שורה מתחילה עם אלקטרון אחד בקליפה החיצונית ומגיעה עד 8 (פרט לHe)- לקליפה מלאה היסודות באותה עמודה בעלי אותו מספר אלקטרונים בקליפה החיצונית ולכן בעלי תכונות כימיות ופיסיקליות דומות

סידור האלקטרונים באטום

מאטומים למולקולות כאשר שני אטומים או יותר יוצרים בניהם קשרים, נוצרת מולקולה molecule. מולקולה היא החלק הקטן ביותר של תרכובת מולקולרית השומר על תכונותיו. מולקולה יכולה להיות מורכבת ממספר אטומים זהים (מולקולת חמצן (O2, מעשרות אטומים שונים כמו מולקולת סוכר, או ממיליוני אטומים כמו מולקולת DNA. המולקולה ניתנת לתיאור על ידי נוסחה אמפירית המתארת את היחס בין האטומים המרכיבים אותה. לדוגמא: הנוסחה האמפירית של מים היא H2O לכל תרכובת יש מסה מולקולרית שהיא סכום המסות האטומיות של כל האטומים המרכיבים את המולקולה.

תרכובת ≠ תערובת מולקולות של תרכובות (compound) בנויות משני יסודות שונים או יותר. יחסי הכמויות בין היסודות השונים בתרכובת אינם משתנים לעולם. בתערובת (mixture) יש מספר חומרים שונים, יסודות ותרכובות. לתרכובת תכונות עצמאיות משלה, אשר בדרך כלל שונות מאוד מהתכונות של החומרים המרכיבים אותה.

נומנקלטורה תחיליות המשמשות למינוח תרכובות: למשל: חנקן דו חמצני: NO2 Nitrogen dioxide דו-חנקן חמצני: N2O Dinitrogen oxide

מאטומים למולקולות מה קובע אם אטום מסוים יגיב עם אטום אחר ליצירת מולקולה ובאיזה אופן? אטומים שקליפת האלקטרונים החיצונית שלהם לא מלאה "מחפשים דרך" להשלים אותה קשרים כימיים תוך מולקולרים קשר קוולנטי קשר יוני

קשר יוני (ionic bond) אטום שקיבל או איבד אלקטרון אחד ולכן בעל מטען נקרא יון (ion). קשר יוני הוא קשר בין יונים בעלי מטענים חשמליים מנוגדים. הקשר היוני הוא קשר חזק יחסית והדבר מתבטא בטמפרטורות ההתכה והרתיחה הגבוהות יחסית של התרכובות בהן קיים (נקראות מלחים).

יצירת סריג יוני במלח מוצק כתוצאה מקשר יוני

קשריוני מתפרק בממסים קוטביים (פולריים), מאחר שמולקולות המים מצליחות להתגבר על המשיכה בין היונים החיוביים ליונים השליליים. החומר היוני מתמוסס ונוצרים יונים ניידים בתמיסה.

קשר קוולנטי (covalent bond) בקשר קוולנטי (קו-ולנטי= משתף ערכיות) שני אטומים יוצרים שותפות באלקטרוני הערכיות בקליפה החיצונית קשר קוולנטי הינו קשר חזק ונדרשת השקעת אנרגיה בכדי לפרק אותו. שני אטומי מימן המחוברים בקשר קוולנטי יוצרים את מולקולת הגז של המימן H2.

קשר קוולנטי (covalent bond) קשר קוולנטי יחיד- זוג אלקטרונים משותף קשר קוולנטי כפול - שני זוגות אלקטרונים משותפים קשר קוולנטי משולש - שלושה זוגות

נוסחאות ייצוג אלקטרוניות נוסחת ייצוג אלקטרונית היא נוסחה המייצגת אטומים ומולקולות עם אלקטרוני הערכיות שלהם (האלקטרונים הקושרים והלא קושרים בקליפה החיצונית). ציור האלקטרונים עבור אטומים ציור האלקטרונים עבור מולקולה נוסחת ייצוג אלקטרונית נוסחת מבנה מולקולרית

O O O O O O O O O N N N N N N קשרים(קו-וולנטים) כפולים ומשולשים חמצן O2 פחמן דו חמצני O=C=O CO2 חנקן N2

תרגיל קטן: יצירת מולקולות ציור האלקטרונים עבור אטומים ומולקולות HF H2O CH2O CH4 CH3-NH2

אינטראקציות בין מולקולריות אינטראקציות בלתי קוולנטיות הן חלשות יותר מאשר אינטראקציות קוולנטיות. מדוע אינטראקציות לא-קוולנטיות חשובות כל כך בביולוגיה? אינטראקציות חלשות נחוצות כדי לאפשר את הדינאמיות הנחוצה לקיום החיים.

אינטראקציות בין מולקולריות קשרי מימן (hydrogen bond) קשר מימן הוא סוג של קשר כימי בין-מולקולרי הקיים בין מטענים אלקטרוניים חלקיים בעלי קוטביות הפוכה. מתקיימים כאשר במולקולות יופיעו אטומי N,O,F להם קשורים ישירות אטומי מימן – H הקשרים הם - משיכה חשמלית בין הקוטב החיובי מאד שעל המימן במולקולה אחת לזוג האלקטרונים הלא קושר שעל אחד מאטומי N,O,F במולקולה שכנה בכל קשר חייב להיות מעורב אטום מימן ואטום N,O,F שלו זוג אלקטרונים לא קושר.

N H H F F F H H H H N N N H H H H H H H H H H N H H F H קשרי מימן באמוניה NH3 קשרי מימן בין מולקולות HF

קשרי מימן במים Water is basically one big dynamic molecule

סירטון המדגים את יצירת קשרי המימן בין מולקולות מים http://www.northland.cc.mn.us/biology/Biology1111/animations/hydrogenbonds.html קשרי מימן במים

המסה של חומר יוני במים • כאשר חומר יוני מתמוסס במים חודרות מולקולות המים הקוטביות לבין היונים שבסריג מנתקות את היונים וגורמות למיום - הידראטציה של היונים. • לכל יון חיובי או שלילי נמשכות ומתחברות מספר מולקולות מים. נוצר קשר בגלל המשיכה החשמלית בין היון לקוטב בעל המטען המנוגד במולקולות המים. • היונים הממוימים נעים בשדה חשמלי יחד עם מולקולות המים הקשורות להם. בין היונים הממויימים נמצאות מולקולות מים רבות הקשורות אחת לשניה בקשרי מימן.

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + המסת חומר יוני במים + -

סיכום ביניים קצרצר לפני הסוף.... אטום וחלקיקים תת אטומים מולקולה תרכובת כימית סוגי קשרים כימיים תוך מולקולרים ובין מולקולרים

חומצות בסיסים חומצה (acid): חומר המוסר H+ כאשר הוא מתמוסס במים. תמיסות חומציות מכילות יותר יוני מימן H+ מיוני OH-, וה-pH שלהן נמוך מ-7. בסיס (base): חומר המקבל H+ כאשר הוא מתמוסס במים, בעקבות זאת בצורה ישירה או עקיפה, נוצר OH-. תמיסות בסיסיות מכילות יותר יוני OH- מיוני H+, וה-pH שלהן גבוה מ-7.

pH = -log10[H+] pH (power of hydrogen ) הוא מדד לרמת חומציות של תמיסה, המתבסס על ריכוזם של יוני הידרוניום (H3O+ ) קצוות סולם ה- pH : 0- הריכוז הגבוה ביותר של יוני המימן ו-14 הוא הריכוז הנמוך ביותר של יוני המימן.

בופרים (buffer systems) בופרים הם תמיסות השומרות על pH קבוע, על ידי קליטה או שחרור של יוני מימן (או OH-). מדוע בופרים חשובים במערכות ביולוגיות? תהליכים ביולוגיים רבים מתרחשים בצורה תקינה רק בטווח pH מצומצם. סטייה מרמת ה-pH האופטימלית של חלבון מסוים גורמת לשינוי המטענים החשמליים בחומצות האמינו המרכיבות אותו. דבר זה גורם לשינוי המבנה התלת-ממדי של החלבון, ופעולתו נפגמת או נפסקת כליל.

סיכום שעור ראשון • מטרות הקורס • הגדרת מושגי בסיס (אטום, מולקולה, תרכובת כימית) • קשרים כימיים • חומצות ובסיסים

מושגי יסוד בביולוגיה ובכימיה