מושגי יסוד בביולוגיה ובכימיה

מושגי יסוד בביולוגיה ובכימיהBasic principles of biology and chemistry

134000

מהיסוד ועד המולקולה1(שומנים2(פחמימות3(חלבונים4(אנזימים5( ועד החלבוןDNAמה-6(

עדית קוסטיiditk@tx.technion.ac.il

(04-829 )4258

השקפים הוכנו ע"י נורית לבנת לבנון

מטרת הקורס

הכרת מושגים ראשונים בביולוגיה ובכימיה

לוגיהביו

מהם חיים?

עפ"י מילון אבן שושן: כל אשר נשמה באפו

( הוא אשר מסוגל להתרבות ומקיים אורגניזםיצור חי )=חילוף חומרים

אורגניזםהחיים מוגדרים כמכלול התופעות הקורות למרגע לידתו ועד מותו

משמעותה היכולת ליצור דור בנים, אשר אליו מועברות תכונות כחומר תורשתי.

הוא אשר מסוגל להתרבות ומקיים חילוף חומרים אורגניזם

הוא מכלול התהליכים, המעורבים ביצירת אנרגיה בתא.

(reproduction)רבייה

(metabolism )חילוף חומרים

ההיררכיה הארגונית בטבע

oמהיסוד ועד המולקולה oשומנים oפחמימות oחלבונים oאנזימים o-מה DNAועד החלבון

הכרת מושגי יסוד ראשונים בביולוגיה ובכימיה

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

(element) יסודהצורה 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.

מהיסוד ועד המולקולה

(atoms) אטומים

הם החלקיקים הקטנים ביותר השומרים על תכונות אטומיםהיסוד הכימי.

נתייחס לשלושה סוגים של חלקיקים תת אטומים:

(protons )פרוטונים

(electrons )אלקטרונים

(neutrons )נויטרונים

מספר אטומי מספר הפרוטונים בגרעין של אטום נקרא(atomic number,) .והוא ייחודי לכל יסוד

Zמספר אטומי מסומן באות

( mass number) מספר מסה לכל יסוד יששהוא סכום מספר הפרוטונים והנויטרונים בגרעין האטום שלו.

Aמספר מסה מסומן-

Z= p

A= p + n

בגרעין אטום הפחמן שישה פרוטונים ושישה נויטרונים

Z=6

מהו מספר המסה?

לדוגמא:

מהו המספר האטומי?

A= p + n=12

יסודות מסוימים נבדלים זה מזה במספר הנויטרונים שלהם.

(.isotopes) איזוטופיםאילו

C12: 12לדוגמא אטום פחמן יכול להיות פחמן

C13: 13 פחמן . C14: 14 או פחמן

כל האיזוטופים של יסוד מגיבים עם אטומים אחרים באותן דרכים.

של (Atomic mass or atomic weight)המסה האטומית יסוד היא ממוצע משקלי האיזוטופים שלו על פי שכיחותם בטבע.

,רדיואיזוטופיםישנם איזוטופים הנקראים הפולטים אנרגיה וחלקיקים תת אטומיים באופן ספונטאני ובקצב קבוע.

(,radioactive decayדעיכה רדיואקטיבית )בתהליך זה, הקרוי אטום של יסוד אחד הופך לאטום של יסוד אחר.

הטבלה המחזוריתהטבלה המחזורית היא שיטת מיון שהוצעה לראשונה על ידי הכימאי הרוסי דמיטרי מנדלייב

( והסמל הכימי של האטומים שלהם.Zומציגה את כל היסודות לפי המספר האטומי )19במאה ה-

מספר אטומי

סמל כימי

מסה אטומית

הטבלה המחזורית

הטבלה המחזורית

(- He )פרט ל8 מתחילה עם אלקטרון אחד בקליפה החיצונית ומגיעה עד שורהכל לקליפה מלאה

בעלי אותו מספר אלקטרונים בקליפה החיצונית ולכן עמודההיסודות באותה בעלי תכונות כימיות ופיסיקליות דומות

= מחזוריםשורותהטבלה מסודרת לפי =קבוצותטורים

סידור האלקטרונים באטום

כאשר שני אטומים או יותר יוצרים בניהם קשרים, נוצרת מולקולה molecule .

מאטומים למולקולות

היא החלק הקטן ביותר של תרכובת מולקולרית השומר על מולקולהתכונותיו.

מולקולה יכולה להיות מורכבת ממספר אטומים זהים )מולקולת חמצן (O2 מעשרות אטומים שונים כמו מולקולת סוכר, או ממיליוני אטומים ,

.DNAכמו מולקולת

שהיא סכום המסות האטומיות של כל מסה מולקולריתלכל תרכובת יש האטומים המרכיבים את המולקולה.

המתארת את נוסחה אמפיריתהמולקולה ניתנת לתיאור על ידי היחס בין האטומים המרכיבים אותה. לדוגמא: הנוסחה האמפירית

H2Oשל מים היא

בנויות משני יסודות שונים או (compoundתרכובות )מולקולות של יותר. יחסי הכמויות בין היסודות השונים בתרכובת אינם משתנים

לעולם.

יש מספר חומרים שונים, (mixtureבתערובת )יסודות ותרכובות. לתרכובת תכונות עצמאיות

משלה, אשר בדרך כלל שונות מאוד מהתכונות .של החומרים המרכיבים אותה

תרכובת ≠ תערובתתרכובת ≠ תערובת

נומנקלטורה

ערךעבריתלועזית

mono1חד

di2דו

tri3תלת

tetra4ארבע

penta5חמש

hexa6שש

hepta7שבע

octa8שמונה

nona9תשע

deca10עשר

למשל:NO2חנקן דו חמצני:

Nitrogen dioxideN2Oדו-חנקן חמצני:

Dinitrogen oxide

תחיליות המשמשות למינוח תרכובות:תחיליות המשמשות למינוח תרכובות:

אטומים שקליפת האלקטרונים החיצונית שלהם לא מלאה "מחפשים דרך" להשלים אותה

מאטומים למולקולות

מה קובע אם אטום מסוים יגיב עם אטום אחר ליצירת מולקולה ובאיזה אופן?

קשרים כימיים תוך מולקולרים

קשר קוולנטי קשר יוני

(ionic bondקשר יוני )

(. ion ) יוןאטום שקיבל או איבד אלקטרון אחד ולכן בעל מטען נקרא

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

מתפרק בממסים קוטביים )פולריים(, מאחר שמולקולות המים מצליחות יוני קשרלהתגבר על המשיכה בין היונים החיוביים ליונים השליליים.

החומר היוני מתמוסס ונוצרים יונים ניידים בתמיסה.

(covalent bondקשר קוולנטי )

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

.H2המימן

קשר קוולנטי יחיד- זוג אלקטרונים משותף

קשר קוולנטי כפול - שני זוגות אלקטרונים משותפים

קשר קוולנטי משולש - שלושה זוגות

(covalent bondקשר קוולנטי )

נוסחאות ייצוג אלקטרוניות

ציור האלקטרונים עבור מולקולה

נוסחת מבנה נוסחת מבנה מולקולריתמולקולרית

נוסחת ייצוג נוסחת ייצוג אלקטרוניתאלקטרונית

היא נוסחה המייצגת אטומים ומולקולות עם נוסחת ייצוג אלקטרוניתאלקטרוני הערכיות שלהם )האלקטרונים הקושרים והלא קושרים בקליפה

החיצונית(.

ציור האלקטרונים עבור אטומים

)קו-וולנטים( כפולים קשריםומשולשים

OOOO O OOOOO2

N N N N N2

חמצן

חנקן

O=C=O CO2

N N

פחמן דו חמצני

תרגיל קטן: יצירת מולקולות

ציור האלקטרונים עבור אטומים ומולקולות

HFHF

HH22OO

CHCH44

CHCH33-NH-NH22

CHCH22OO

אינטראקציות בין מולקולריות

אינטראקציות בלתי קוולנטיות הן חלשות יותר מאשר אינטראקציות קוולנטיות.

מדוע אינטראקציות לא-קוולנטיות חשובות כל כך בביולוגיה?

הנחוצה הדינאמיותאינטראקציות חלשות נחוצות כדי לאפשר את לקיום החיים.

הקיים בין מטענים בין-מולקולריקשר מימן הוא סוג של קשר כימי אלקטרוניים חלקיים בעלי קוטביות הפוכה.

להם קשורים ישירות N,O,Fמתקיימים כאשר במולקולות יופיעו אטומי Hאטומי מימן –

הקשרים הם - משיכה חשמלית בין הקוטב החיובי מאד שעל המימן N,O,Fבמולקולה אחת לזוג האלקטרונים הלא קושר שעל אחד מאטומי

במולקולה שכנה

שלו זוג אלקטרונים N,O,Fבכל קשר חייב להיות מעורב אטום מימן ואטום לא קושר.

(hydrogen bondקשרי מימן )

אינטראקציות בין מולקולריות

NN HH

HH

HH

NN HH

HH

HHHHNN

HHHH

HHNN

HHHH

HHNN

HHHH

NH3קשרי מימן באמוניה

קשרי מימן בין מולקולות HF

H F H F H F

HF

קשרי מימן במים

Water is basically one big dynamic molecule

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

קשרי מימן במים

המסה של חומר יוני במיםכאשר חומר יוני מתמוסס במים חודרות מולקולות המים הקוטביות לבין היונים •

למיום - הידראטציה של היונים.שבסריג מנתקות את היונים וגורמות 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 אטומיםמולקולה

תרכובת כימיתסוגי קשרים כימיים תוך מולקולרים ובין מולקולרים

כאשר הוא מתמוסס במים. +H חומר המוסר (:acidחומצה ), -OH מיוני +Hתמיסות חומציות מכילות יותר יוני מימן

.7 שלהן נמוך מ-pHוה-

כאשר הוא מתמוסס במים, +H חומר המקבל (:baseבסיס ). -OHבעקבות זאת בצורה ישירה או עקיפה, נוצר

, +H מיוני -OHתמיסות בסיסיות מכילות יותר יוני .7 שלהן גבוה מ-pHוה-

חומצות בסיסים

: pHקצוות סולם ה- - הריכוז הגבוה ביותר של יוני המימן 0 הוא הריכוז הנמוך ביותר של יוני המימן.14ו-

pH

1.0 – 3.6-מי מכרות חומציים

0.5-מצבר רכב

2.0קיבה

2.4מיץ לימון

2.5קולה

2.9חומץ

3.5מיץ תפוזים

4.5בירה

5.0גשם חומצי

5.0קפה

5.5תה

6.5חלב

7.0מים מזוקקים

7.4 – 6.5רוק

7.45 – 7.34דם

8.0מי ים

10.0 – 9.0סבון ידיים

11.5אמוניה

12.5אקונומיקה

13.5מסירי שומנים

pH )power of hydrogen ( הוא מדד לרמת חומציות של  (+H3Oתמיסה, המתבסס על ריכוזם של יוני הידרוניום )

pH = -log10[H+]pH = -log10[H+]

קבוע, על ידי קליטה או שחרור של יוני pHבופרים הם תמיסות השומרות על (. -OHמימן )או

(buffer systemsבופרים )

מצומצם.pH בטווח רקתהליכים ביולוגיים רבים מתרחשים בצורה תקינה

האופטימלית של חלבון מסוים גורמת לשינוי המטענים pHסטייה מרמת ה-החשמליים

בחומצות האמינו המרכיבות אותו. דבר זה גורם לשינוי המבנה התלת-ממדי של החלבון, ופעולתו נפגמת או נפסקת כליל.

מדוע בופרים חשובים במערכות ביולוגיות?

סיכום שעור ראשון

מטרות הקורס

)הגדרת מושגי בסיס )אטום, מולקולה, תרכובת כימית

קשרים כימיים

חומצות ובסיסים