Ақпарат

2.3: Атомдық байланыстар – Биология

2.3: Атомдық байланыстар – Биология


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Не істеуді үйренесіз: Атомдық байланыстың әртүрлі түрлерін жіктеңіз

Атомдар бір-бірімен байланысқанда молекулалар түзеді: натрий атомы хлор атомымен байланысып, тұзды (натрий хлориді), екі сутегі атомы оттегі атомымен байланысып, суды (сутек диоксиді) түзеді. Дегенмен, барлық атомдық байланыстар бірдей емес; шын мәнінде тұз және су екі түрлі байланыс түрлерімен (тиісінше иондық және полярлық коваленттік байланыстар) жасалады.

Байланыстың әртүрлі түрлері (иондық, полярлық коваленттік және полюссіз коваленттік байланыстар) әртүрлі әрекет етеді және бұл айырмашылықтар олар жасайтын молекулаларға әсер етеді. Тірі заттарды тудыратын байланыс түрлерін түсіну бізге сол тірі заттардың өзін түсінуге көмектеседі.

үйрену мақсаттары

  • Октет ережесін және оның химиялық байланыстағы рөлін анықтаңыз
  • Иондық байланыстың сипаттамаларын сипаттаңыз және ортақ иондарды анықтаңыз
  • Коваленттік байланыстың сипаттамаларын сипаттап, полюсті және полюссіз байланыстарды ажыратыңыз
  • Сутегі байланысын модельдеңіз және оның ерекше қасиеттерін анықтаңыз
  • Ван дер Ваальс моделінің өзара әрекеттесуі олардың бірегей қасиеттерін анықтайды
  • Тіршілікті сақтау үшін маңызды судың қасиеттерін сипаттаңыз

Химиялық байланыс

Барлық элементтердің ең сыртқы қабықтарын толтыру үшін жеткілікті электрондары жоқ, бірақ Ең сыртқы қабаттағы барлық электрон орындары толтырылған кезде атом ең тұрақты болады. Ең шеткі қабықшалардағы бұл бос орындардың арқасында біз химиялық байланыстардың пайда болуын немесе молекулалардың пайда болуына әкелетін екі немесе одан да көп бірдей немесе әртүрлі элементтердің өзара әрекеттесуін көреміз. Үлкен тұрақтылыққа жету үшін атомдар сыртқы қабықшаларын толығымен толтыруға бейім болады және электрондарды бөлісу, басқа атомнан электрондарды қабылдау немесе басқа атомға электрондарды беру арқылы осы мақсатқа жету үшін басқа элементтермен байланысады. Атомдық нөмірлері төмен элементтердің (кальцийге дейін, атомдық нөмірі 20) ең сыртқы қабықшалары сегіз электронды ұстай алатындықтан, бұл элементтер деп аталады. октет ережесі. Элемент өзінің сыртқы қабығын толтыру және октет ережесін қанағаттандыру үшін электрондарды бере алады, қабылдай алады немесе басқа элементтермен бөлісе алады.

Атомның алғашқы үлгісін 1913 жылы дат ғалымы Нильс Бор (1885–1962) жасаған. Бор моделі атомды протондар мен нейтрондардан тұратын орталық ядро ​​ретінде көрсетеді, электрондар ядродан белгілі бір қашықтықта, күн айналасында айналатын планеталар сияқты дөңгелек электронды қабаттардағы электрондар. Әрбір электронды қабықшаның энергия деңгейі әртүрлі, ядроға жақын қабықшалар ядродан алыстағыларға қарағанда энергиясы төмен. Шарт бойынша әрбір қабықшаға сан және n символы беріледі — мысалы, ядроға ең жақын электронды қабат 1n деп аталады. Қабықтар арасында қозғалу үшін электрон қабықшалар арасындағы энергия айырмашылығына сәйкес келетін энергия мөлшерін жұтуы немесе босатуы керек. Мысалы, егер электрон фотоннан энергияны жұтса, ол қозып, энергиясы жоғары қабатқа ауысуы мүмкін; керісінше, қозған электрон қайтадан төмен энергиялы қабатқа түскенде, ол энергияны, көбінесе жылу түрінде шығарады.

Энергия деңгейлерін ядроны қоршап тұрған концентрлік шеңберлер ретінде көрсететін атомның Бор моделі. Электронды сыртқа жоғары энергетикалық деңгейге жылжыту үшін энергия қосылуы керек және электрон жоғары энергетикалық деңгейден жақынырақ деңгейге түскенде энергия бөлінеді. Сурет кредиті: OpenStax Biology-тен өзгертілген

Атомдар, физика заңдарымен басқарылатын басқа заттар сияқты, ең төменгі энергияға ие, ең тұрақты конфигурацияны қабылдауға бейім. Осылайша, атомның электронды қабықшалары ішінен сыртқа орналасады, электрондар одан әрі жоғары энергиялы қабықтарға қозғалмас бұрын, ядроға жақын төмен энергиялы қабықтарды толтырады. Ядроға ең жақын қабық 1n екі электронды ұстай алады, ал келесі қабат 2n сегізді, ал үшінші қабат 3n он сегізге дейін сақтай алады.

Белгілі бір атомның ең сыртқы қабатындағы электрондар саны оның реактивтілігін немесе басқа атомдармен химиялық байланыс түзу тенденциясын анықтайды. Бұл ең сыртқы қабық ретінде белгілі валентті қабық, ал ондағы электрондар деп аталады валенттік электрондар. Жалпы алғанда, атомдар ең тұрақты, ең аз реактивті, олардың ең сыртқы электрондық қабаты толы болған кезде. Биологиядағы маңызды элементтердің көпшілігі тұрақты болу үшін олардың ең сыртқы қабығында сегіз электрон қажет және бұл негізгі ереже ретінде белгілі октет ережесі. Кейбір атомдар октетпен тұрақты бола алады, бірақ олардың валенттік қабаты 18 электронға дейін ұстай алатын 3n қабықшасы болса да. Төменде электронды орбитальдарды талқылағанда мұның себебін зерттейміз.

Кейбір бейтарап атомдардың мысалдары және олардың электрондық конфигурациялары төменде көрсетілген. Бұл кестеде гелийдің толық валентті қабаты бар екенін, оның бірінші және жалғыз 1n қабатында екі электроны бар екенін көруге болады. Сол сияқты неонның сегіз электроны бар толық сыртқы 2n қабығы бар. Бұл электронды конфигурациялар гелий мен неонды өте тұрақты етеді. Аргонның техникалық жағынан толық сыртқы қабығы болмаса да, 3n қабықша он сегіз электронға дейін сыятындықтан, ол неон және гелий сияқты тұрақты, өйткені оның 3n қабатында сегіз электрон бар және осылайша октет ережесін қанағаттандырады. Керісінше, хлордың ең сыртқы қабығында жеті ғана электрон бар, ал натрийде бір ғана электрон бар. Бұл үлгілер ең сыртқы қабықты толтырмайды немесе октет ережесін қанағаттандырмайды, хлор мен натрийді реактивті етеді, тұрақты конфигурацияға жету үшін электрондарды алуға немесе жоғалтуға ұмтылады.

Әртүрлі элементтердің Бор диаграммалары Сурет несиесі: OpenStax Biology

Электрондық конфигурация және периодтық жүйе

Элементтер периодтық жүйеде олардың атомдық нөміріне, қанша протонға ие болуына байланысты орналасады. Бейтарап атомда электрондар саны протондар санына тең болады, сондықтан біз атом нөмірінен электрон санын оңай анықтай аламыз. Сонымен қатар, элементтің периодтық кестедегі орны — оның бағанасы немесе тобы, жолы немесе периоды — сол электрондардың қалай орналасатыны туралы пайдалы ақпарат береді.

Тіршілік үшін маңызды негізгі элементтерді қамтитын кестенің тек алғашқы үш жолын қарастыратын болсақ, әрбір жол басқа электронды қабаттың толтырылуына сәйкес келеді: гелий мен сутегі өз электрондарын 1n қабықшаға орналастырады, ал екінші қатардағы элементтер Ли 2n қабықты толтыра бастайды, ал Na сияқты үшінші қатардағы элементтер 3n қабығымен жалғасады. Сол сияқты элементтің баған нөмірі оның валенттілік электрондарының саны мен реактивтілігі туралы ақпаратты береді. Жалпы алғанда, валенттік электрондардың саны баған ішінде бірдей және қатарда солдан оңға қарай артады. 1-топ элементтерінде бір ғана валенттік электрон бар, ал 18-топ элементтерінде сегіз бар, тек екі электроны бар гелийден басқа. Осылайша, топ нөмірі әрбір элементтің қаншалықты реактивті болатынын жақсы болжаушы болып табылады:

  • Гелий (He), неон (Ne) және аргон (Ar), 18-топ элементтері ретінде толық немесе октет ережесін қанағаттандыратын сыртқы электрондық қабаттары бар. Бұл оларды жалғыз атомдар ретінде өте тұрақты етеді. Реактивті емес болғандықтан, олар деп аталады инертті газдар немесе асыл газдар.
  • Сутегі (H), литий (Li) және натрий (Na) 1-топ элементтері ретінде олардың ең сыртқы қабаттарында бір ғана электрон бар. Олар жалғыз атомдар сияқты тұрақсыз, бірақ олардың бір валенттілік электронын жоғалту немесе бөлісу арқылы тұрақты бола алады. Егер бұл элементтер әдетте Li және Na сияқты электрондарын толығымен жоғалтса, олар оң зарядталған иондарға айналады: Li+, На+.
  • Фтор (F) және хлор (Cl) 17 топ элементтері ретінде олардың ең шеткі қабаттарында жеті электрон бар. Олар басқа атомдардан электрон алып, теріс зарядталған иондарға айналу арқылы тұрақты октетке жетуге бейім: F: және Cl.
  • Көміртек (С) 14-топ элементі ретінде сыртқы қабатында төрт электроны бар. Көміртек әдетте көптеген басқа атомдармен байланыстар құра отырып, толық валенттілік қабатқа жету үшін электрондарды бөліседі.

Осылайша, периодтық кестенің бағандары әрбір элементтің валенттік қабатында табылған электрондардың санын көрсетеді, бұл өз кезегінде элементтің қалай әрекет ететінін анықтайды.

Иондық байланыстар

Кейбір атомдар электрон алған немесе жоғалтқанда (немесе екі болуы мүмкін) және иондар түзгенде тұрақтырақ болады. Бұл олардың ең сыртқы электронды қабығын толтырады және оларды энергетикалық тұрғыдан тұрақты етеді. Электрондар саны протондар санына тең болмағандықтан, әрбір ионның таза заряды болады. Катиондар электрондарды жоғалту арқылы түзілетін оң иондар. Теріс иондар электрон алу арқылы түзіледі және аниондар деп аталады. Аниондар олардың элементтік атауы «-ide» әрпімен аяқталуымен белгіленеді: мысалы, хлор анионын хлорид деп атайды, ал күкірт анионын сульфид деп атайды.

Бұл электрондардың бір элементтен екінші элементке қозғалысы деп аталады электронды тасымалдау. 1-суретте көрсетілгендей, натрийдің (Na) сыртқы электрондық қабатында бір ғана электрон бар. Натрий бір электронды беру үшін сыртқы қабықты толтыру үшін жеті электронды қабылдауға қарағанда аз энергия қажет. Натрий электронын жоғалтса, онда қазір 11 протон, 11 нейтрон және тек 10 электрон бар және оның жалпы заряды +1 болады. Оны қазір натрий ионы деп атайды. Хлордың (Cl) ең төменгі энергетикалық күйінде (негізгі күй деп аталады) сыртқы қабатында жеті электрон бар. Тағы да, хлордың жеті электрон жоғалтқаннан гөрі бір электрон алуы энергияны үнемдейді. Сондықтан ол 17 протон, 17 нейтрон және 18 электроны бар ион жасау үшін электрон алуға ұмтылады, бұл оған таза теріс (–1) заряд береді. Оны қазір хлорид ионы деп атайды. Бұл мысалда натрий өзінің бір электронын қабығын босату үшін береді, ал хлор бұл электронды қабығын толтыру үшін қабылдайды. Енді екі ион да октет ережесін қанағаттандырады және толық сыртқы қабықтарға ие. Электрондар саны протондар санына тең болмағандықтан, олардың әрқайсысы енді ион және +1 (натрий катионы) немесе –1 (хлорид анионы) зарядына ие. Бұл транзакциялар әдетте бір уақытта ғана жүзеге асуы мүмкін екенін ескеріңіз: натрий атомы электрон жоғалту үшін ол хлор атомы сияқты қолайлы реципиенттің қатысуымен болуы керек.

Иондық байланыстар зарядтары қарама-қарсы иондар арасында түзіледі. Мысалы, оң зарядталған натрий иондары мен теріс зарядталған хлорид иондары натрий хлоридінің немесе ас тұзының кристалдарын жасау үшін бір-бірімен байланысып, таза заряды нөлдік кристалдық молекуланы жасайды.

Кейбір тұздар физиологияда деп аталады электролиттер (соның ішінде натрий, калий және кальций), жүйке импульсінің өткізілуіне, бұлшықет жиырылуына және су балансына қажетті иондар. Көптеген спорттық сусындар мен диеталық қоспалар жаттығу кезінде терлеу арқылы денеден жоғалғандардың орнын толтыру үшін осы иондарды қамтамасыз етеді.

үйрену мақсаттары

Бұл бейне аниондар мен катиондардан иондық қосылыстардың қалай түзілетінін көрсетеді.

YouTube элементі мәтіннің осы нұсқасынан алынып тасталды. Оны мына жерден онлайн қарауға болады: pb.libretexts.org/biowm/?p=62

Коваленттік байланыстар

Октет ережесін қанағаттандырудың тағы бір жолы - атомдар арасында электрондардың пайда болуы коваленттік байланыстар. Бұл байланыстар тірі организмдердің молекулаларындағы иондық байланыстарға қарағанда күшті және әлдеқайда жиі кездеседі. Коваленттік байланыстар әдетте көміртегі негізіндегі органикалық молекулаларда, мысалы, біздің ДНҚ мен ақуыздарда кездеседі. Коваленттік байланыстар H сияқты бейорганикалық молекулаларда да кездеседі2О, CO2, және О2. Бір, екі немесе үш жұп электрондар ортақ болуы мүмкін, сәйкесінше бір, қос және үштік байланыстар жасайды. Екі атом арасындағы коваленттік байланыс неғұрлым көп болса, соғұрлым олардың байланысы күшті болады. Осылайша, үштік байланыстар ең күшті болып табылады.

Әртүрлі деңгейдегі коваленттік байланыстың беріктігі тірі ағзалардың молекулалық азот, N2, атмосферадағы ең көп таралған газ. Молекулярлық азот бір-бірімен үш есе байланысқан екі азот атомынан тұрады және барлық молекулалар сияқты, екі азот атомы арасында осы үш жұп электрондарды бөлісу олардың сыртқы электрондық қабаттарын толтыруға мүмкіндік береді, бұл молекуланы жекеге қарағанда тұрақтырақ етеді. азот атомдары. Бұл күшті үштік байланыс тірі жүйелерге бұл азотты ақуыздар мен ДНҚ құрамдас бөліктері ретінде пайдалану үшін оны бөлшектеуді қиындатады.

Су молекулаларының түзілуі коваленттік байланыстың мысалын береді. Су молекулаларын құрайтын сутегі мен оттегі атомдары бір-бірімен коваленттік байланыстар арқылы байланысады. Сутектен шыққан электрон өз уақытын сутегі атомдарының толық емес сыртқы қабаты мен оттегі атомдарының толық емес сыртқы қабаты арасында бөледі. Сыртқы қабығында алты электроны бар, бірақ сегізімен тұрақтырақ болатын оттегінің сыртқы қабатын толығымен толтыру үшін екі электрон (әр сутегі атомынан бір) қажет: сондықтан белгілі формула H.2O. Электрондар әрқайсысының сыртқы қабығын толтыру үшін екі элемент арасында бөлісіліп, екі элементті де тұрақтырақ етеді.

Иондық және коваленттік байланыстың анимациясын көру үшін осы қысқа бейнені қараңыз.

Интерактивті элементтерге сілтемені осы беттің төменгі жағында табуға болады.

Полярлық және полюссіз коваленттік байланыстар

Коваленттік байланыстың екі түрі бар: полюсті және полюссіз. Полярлы емес коваленттік байланыстар бір элементтің екі атомы арасында немесе электрондарды бірдей бөлісетін әртүрлі элементтер арасында түзіледі. Мысалы, оттегі атомы сыртқы қабықтарын толтыру үшін басқа оттегі атомымен байланыса алады. Бұл байланыс полярлы емес, өйткені электрондар әрбір оттегі атомы арасында бірдей бөлінеді. Екі оттегі атомы арасында екі коваленттік байланыс пайда болады, өйткені оттегіге оның сыртқы қабығын толтыру үшін екі ортақ электрон қажет. Азот атомдары азоттың екі атомы арасында үш коваленттік байланыс (үштік ковалент деп те аталады) түзеді, өйткені әрбір азот атомына сыртқы қабығын толтыру үшін үш электрон қажет. Полярсыз коваленттік байланыстың тағы бір мысалы метанда (CH4) молекула. Көміртек атомының ең сыртқы қабатында төрт электрон бар және оны толтыру үшін тағы төрт электрон қажет. Ол осы төртеуін төрт сутегі атомынан алады, олардың әрқайсысы бір атомды қамтамасыз етеді. Бұл элементтердің барлығы төрт полярлы емес коваленттік байланыстарды құра отырып, электрондарды бірдей бөліседі.

Ішінде полярлық коваленттік байланыс, атомдар бөлісетін электрондар басқа ядроға қарағанда бір ядроға жақынырақ уақыт жұмсайды. Әртүрлі ядролар арасында электрондардың тең емес бөлінуінен сәл оң (δ+) немесе сәл теріс (δ–) заряд дамиды. Судағы сутегі мен оттегі атомдары арасындағы коваленттік байланыстар полярлық коваленттік байланыстар болып табылады. Ортақ электрондар сутегі ядроларының жанында өткізгеннен гөрі оттегі ядросының жанында көбірек уақыт өткізіп, оған шағын теріс заряд береді, бұл молекулаларға аз оң заряд береді. Полярлық коваленттік байланыстар мөлшері бойынша әр түрлі атомдар электрондарды бөліскенде жиі пайда болады.

Байқап көріңіз

үйрену мақсаттары

Коваленттік байланыстарды және олардың қалай пайда болатынын басқа түсіндіру үшін мына бейнені қараңыз:

YouTube элементі мәтіннің осы нұсқасынан алынып тасталды. Оны мына жерден онлайн қарауға болады: pb.libretexts.org/biowm/?p=62

Сутегі байланыстары

Элементтер арасындағы иондық және коваленттік байланыстар үзілу үшін энергияны қажет етеді. Иконикалық байланыстар коваленттік сияқты күшті емес, бұл олардың биологиялық жүйелердегі мінез-құлқын анықтайды. Дегенмен, барлық байланыстар иондық немесе коваленттік байланыстар емес. Әлсіз байланыстар молекулалар арасында да пайда болуы мүмкін. Жиі кездесетін екі әлсіз байланыс – сутегі байланысы және ван-дер-Ваальс әрекеттесуі. Байланыстың осы екі түрі болмаса, біз білетіндей өмір болмас еді. Сутегі байланыстары судың көптеген маңызды, тіршілікті қамтамасыз ететін қасиеттерін қамтамасыз етеді, сонымен қатар жасушалардың құрылыс материалы болып табылатын ақуыздар мен ДНҚ құрылымдарын тұрақтандырады.

Құрамында сутегі бар полярлық коваленттік байланыстар пайда болған кезде, бұл байланыстағы сутегі аздап оң зарядқа ие болады, өйткені сутегі электроны басқа элементке қарай және сутегінен алысырақ тартылады. Сутегі аздап оң болғандықтан, ол көрші теріс зарядтарға тартылады. Бұл орын алғанда, арасында әлсіз өзара әрекеттесу пайда болады δ+ бір молекуладан сутегінің және δ– басқа молекуланың, әдетте оттегінің немесе азоттың немесе бір молекуланың ішіндегі электртеріс атомдарының заряды.

Байқап көріңіз

Бұл әрекеттесу а деп аталады сутектік байланыс. Байланыстың бұл түрі жиі кездеседі және су молекулалары арасында тұрақты түрде болады. Жеке сутегі байланыстары әлсіз және оңай бұзылады; дегенмен, олар суда және органикалық полимерлерде өте көп мөлшерде кездеседі, комбинацияда үлкен күш тудырады. Сутектік байланыстар ДНҚ қос спиралін біріктіруге де жауап береді.

үйрену мақсаттары

YouTube элементі мәтіннің осы нұсқасынан алынып тасталды. Оны мына жерден онлайн қарауға болады: pb.libretexts.org/biowm/?p=62

Ван дер Ваальстың өзара әрекеттесуі

Сутегі байланыстары сияқты, ван-дер-Ваальс әрекеттесулері молекулалар арасындағы әлсіз тартылыс немесе өзара әрекеттесу болып табылады. Оларды молекулааралық күштер деп те атайды. Олар әртүрлі молекулалардағы полярлық, ковалентті байланысқан атомдар арасында кездеседі. Бұл әлсіз аттракциондардың кейбіреулері электрондар ядроның айналасында қозғалған кезде пайда болатын уақытша жартылай зарядтардан туындайды. Молекулалар арасындағы бұл әлсіз өзара әрекеттесулер биологиялық жүйелерде маңызды және физикалық жақындыққа негізделген.

Байқап көріңіз

Сіз немесе сіз білетін кез келген адам магнитті-резонанстық томография (МРТ) сканерлеу, маммограмма немесе рентгендік тексеруден өтті ме? Бұл сынақтар жұтылатын немесе инъекцияға жіберілетін радиотолқындарды немесе арнайы изотоптарды (радио таңбаланған немесе флуоресцентті таңбаланған) пайдалану арқылы жұмсақ тіндеріңіз бен ағзаларыңыздың (МРТ немесе маммограммадағы сияқты) немесе сүйектеріңіздің (рентгендегідей) суреттерін жасайды. дене. Бұл сынақтар ағзаларыңыздың немесе қаңқа жүйесінің суреттерін жасау арқылы ауруды диагностикалау үшін деректерді береді.

МРТ бейнелеу жұмсақ тіндердегі суда көп болатын сутегі ядроларын құбылмалы магнит өрістеріне ұшырату арқылы жұмыс істейді, бұл олардың өздерінің магнит өрісін шығаруына әкеледі. Содан кейін бұл сигнал машинадағы сенсорлар арқылы оқылады және егжей-тегжейлі кескінді қалыптастыру үшін компьютер арқылы түсіндіріледі.

Кейбір радиографиялық технологтар мен техниктер компьютерлік томография, МРТ және маммографияға маманданған. Олар медициналық мамандарға тексеруге және диагностикалауға көмектесетін дененің фильмдерін немесе кескіндерін жасайды. Рентгенологтар пациенттермен тікелей жұмыс істейді, техниканы түсіндіреді, оларды емтиханға дайындайды және қажетті кескіндерді алу үшін олардың денесі немесе дене бөліктері дұрыс орналасуын қамтамасыз етеді. Содан кейін дәрігерлер немесе рентгенологтар сынақ нәтижелерін талдайды.

Рентгенография техниктері ауруханаларда, дәрігерлер кеңселерінде немесе мамандандырылған бейнелеу орталықтарында жұмыс істей алады.Рентгенография бойынша техник болу үшін оқыту сертификаттар, қауымдастырылған ғылыми дәрежелер немесе рентгенография бойынша бакалавр дәрежесін ұсынатын ауруханаларда, колледждерде және университеттерде өтеді.

Неліктен өмір суға байланысты

Ғалымдар неге басқа планеталарда су іздеуге уақыт жұмсайды деп ойлайсыз ба? Өйткені су тіршілік үшін өте қажет; Тіпті оның басқа планетадағы аздаған іздері де сол планетада тіршілік болуы мүмкін екенін немесе болғанын көрсете алады. Су - тірі жасушалардағы ең көп молекулалардың бірі және біз білетіндей тіршілік үшін ең маңыздысы. Сіздің денеңіздің шамамен 60-70 пайызы судан тұрады. Онсыз өмір болмас еді.

Су полярлы

Су молекулаларының құрамындағы сутегі мен оттегі атомдары полярлық коваленттік байланыстар түзеді. Ортақ электрондар сутегі атомдарына қарағанда оттегі атомымен байланысты көбірек уақыт жұмсайды. Су молекуласының жалпы заряды жоқ, бірақ әрбір сутегі атомында аздап оң заряд және оттегі атомында аздап теріс заряд бар. Осы зарядтардың арқасында аздап оң сутегі атомдары бір-бірін итеріп, 6-суретте көрсетілген ерекше пішінді құрайды. Әрбір су молекуласы молекуланың әртүрлі бөліктеріндегі оң және теріс зарядтардың арқасында басқа су молекулаларын тартады. Су басқа полярлы молекулаларды да тартады (мысалы, қант), сутегі байланыстарын құрайды. Зат сумен оңай сутегі байланысын түзсе, ол суда еруі мүмкін және оны гидрофильді («су сүйгіш») деп атайды. Майлар мен майлар сияқты полярлы емес заттармен сутегі байланыстары оңай түзілмейді (5-сурет). Бұл полярлы емес қосылыстар гидрофобты («судан қорқады») және суда ерімейді.

Су температураны тұрақтандырады

Судағы сутегі байланыстары оған жылу энергиясын көптеген басқа заттарға қарағанда баяу сіңіруге және шығаруға мүмкіндік береді. Температура – ​​молекулалардың қозғалысының (кинетикалық энергиясының) өлшемі. Қозғалыс артқан сайын энергия жоғарылайды, сондықтан температура жоғарылайды. Су температурасы көтерілгенге дейін көп энергияны сіңіреді. Энергияның жоғарылауы су молекулалары арасындағы сутектік байланыстарды бұзады. Бұл байланыстарды тез құруға және бұзуға болатындықтан, су энергияның жоғарылауын сіңіреді және температура аз ғана өзгереді. Бұл судың ағзалар мен олардың ортасындағы температуралық өзгерістерді қалыпқа келтіретінін білдіреді. Энергияны енгізу жалғасуда, сутегі-байланыстың түзілуі мен жойылуы арасындағы тепе-теңдік жойылу жағына қарай ауытқиды. Құрылғаннан көп байланыстар үзіледі. Бұл процесс булану деп аталатын процесте сұйықтықтың бетінде (мысалы, су денесі, өсімдік жапырақтары немесе ағзаның терісі) жеке су молекулаларының босатылуына әкеледі. 90 пайыз судан тұратын тердің булануы ағзаның салқындауына мүмкіндік береді, өйткені сутегі байланыстарын бұзу энергияның түсуін талап етеді және денеден жылуды алып тастайды.

Керісінше, молекулалық қозғалыс азайып, температура төмендеген сайын су молекулалары арасындағы сутегі байланыстарын үзу үшін энергия аз болады. Бұл байланыстар өзгеріссіз қалады және қатты, тор тәрізді құрылымды құра бастайды (мысалы, мұз) (7а-сурет). Мұздатылған кезде мұз сұйық суға қарағанда тығыз емес (молекулалар бір-бірінен алшақ орналасқан). Бұл мұздың су айдынының бетінде қалқып жүретінін білдіреді (7б-сурет). Көлдерде, тоғандарда және мұхиттарда су бетінде мұз пайда болып, астындағы жануарлар мен өсімдіктер тіршілігін суда қатып қалудан қорғау үшін оқшаулағыш тосқауыл жасайды. Егер бұл орын алмаса, суда өмір сүретін өсімдіктер мен жануарлар мұздың бір бөлігінде қатып, еркін қозғала алмай, суық температурада өмір сүруді қиындатады немесе мүмкін емес еді.

Су - тамаша еріткіш

Су полярлы болғандықтан, аздаған оң және теріс зарядтары бар, онда иондық қосылыстар мен полярлы молекулалар оңай ери алады. Демек, су еріткіш деп аталады - басқа затты ерітуге қабілетті зат. Зарядталған бөлшектер қоршаған су молекулаларының қабатымен сутектік байланыстар түзеді. Бұл гидратация сферасы деп аталады және суда бөлінген немесе дисперсті бөлшектерді ұстау үшін қызмет етеді. Суға араласқан ас тұзы (NaCl) жағдайында (8-сурет) суда натрий мен хлор иондары бөлінеді немесе диссоциацияланады, ал иондардың айналасында гидратация сфералары түзіледі.

Оң зарядталған натрий ионы су молекулаларындағы оттегі атомдарының ішінара теріс зарядтарымен қоршалған. Теріс зарядталған хлорид ионы су молекулаларындағы сутегі атомдарының жартылай оң зарядтарымен қоршалған. Бұл гидратация сфераларын гидратация қабықшалары деп те атайды. Су молекуласының полярлығы оны тиімді еріткіш етеді және оның тірі жүйелердегі көптеген рөлдерінде маңызды.

Су біртұтас

Сіз бір стақан суды ең жоғарғы жағына дейін толтырып, содан кейін тағы бірнеше тамшысын баяу құйып көрдіңіз бе? Ол толып кетпес бұрын, су шыны жиегінің үстінде күмбез тәрізді пішінді құрайды. Бұл су біріктіру қасиетіне байланысты әйнектің үстінде қалуы мүмкін. Когезияда су молекулалары бір-біріне тартылады (сутегі байланысының арқасында), молекулаларды сұйық-ауа (газ) интерфейсінде сақтайды, бірақ шыныда артық орын жоқ. Когезия беттік керілуді, заттың кернеу немесе кернеу астында тұрған кезде үзілуге ​​төтеп беру қабілетін тудырады. Су тамшысына кішкене қағаз сынығын түсіргенде, зат судан тығызырақ (ауыр) болса да, қағаз су тамшысының үстінде қалқып шығады. Бұл су молекулалары тудыратын беттік керілу салдарынан болады. Когезия және беттік керілу су молекулаларының бұзылмағанын және заттың үстіңгі жағында қалқып тұруын қамтамасыз етеді. Тіпті беттік керілуді бұзбай, жайлап қойсаңыз, стакан судың үстіне болат инені «қалқытуға» болады (9-сурет).

Бұл біріктіруші күштер судың адгезия қасиетімен немесе су молекулалары мен басқа молекулалар арасындағы тартылыспен де байланысты. Бұл стақан суға салынған сабанға су «көтерілгенде» байқалады. Сіз судың ортасына қарағанда, сабанның бүйірлерінде жоғарырақ болып көрінетінін байқайсыз. Себебі су молекулалары сабанға тартылады, сондықтан оған жабысады.

Біріктіруші және адгезиялық күштер өмірді қолдау үшін маңызды. Мысалы, осы күштердің әсерінен су өсімдіктерді қоректендіру үшін тамырдан жоғарғы жағына дейін ағып кетуі мүмкін.

үйрену мақсаттары

YouTube элементі мәтіннің осы нұсқасынан алынып тасталды. Оны мына жерден онлайн қарауға болады: pb.libretexts.org/biowm/?p=62

Практикалық сұрақ

Төмендегі тұжырымдардың қайсысы емес рас па?

  1. Су полярлы.
  2. Су температураны тұрақтандырады.
  3. Су тіршілік үшін қажет.
  4. Су – Жер атмосферасындағы ең көп атом.

[reveal-answer q=”335873″]Жауапты көрсету[/reveal-answer]
[жасырын-жауап a=”335873″]d мәлімдемесі дұрыс емес. Су – жер атмосферасындағы ең көп атом емес – азот.[/hidden-answer]

Түсінігіңізді тексеріңіз

Алдыңғы бөлімде қарастырылған тақырыптарды қаншалықты түсінгеніңізді көру үшін төмендегі сұрақтарға жауап беріңіз. Бұл қысқа сұрақ жауап береді емес сыныптағы бағаңызға қарай есептеңіз және сіз оны шексіз рет қайталай аласыз.

Түсінуіңізді тексеру және (1) алдыңғы бөлімді одан әрі оқу немесе (2) келесі бөлімге өту үшін осы сұрақты пайдаланыңыз.


2.3 Көміртек

Осы бөлімнің соңында сіз келесі әрекеттерді орындай аласыз:

  • Көміртектің тіршілік үшін неліктен маңызды екенін түсіндіріңіз
  • Биологиялық молекулалардағы функционалды топтардың рөлін сипаттаңыз

Белоктар, нуклеин қышқылдары (РНҚ және ДНҚ), көмірсулар және липидтер сияқты макромолекулалар деп аталатын көптеген күрделі молекулалар жасушалардан тұрады. Макромолекулалар тіршілік үшін ерекше маңызды органикалық молекулалардың (кез келген көміртегі бар сұйық, қатты немесе газ) ішкі жиынтығы болып табылады. Барлық осы макромолекулалардың негізгі компоненті көміртек болып табылады. Көміртек атомының төрт түрлі атомдармен коваленттік байланыстар құруға мүмкіндік беретін бірегей қасиеттері бар, бұл әмбебап элементті макромолекулалардың негізгі құрылымдық компоненті немесе «магистральдық» ретінде қызмет ету үшін өте қолайлы етеді.

Жеке көміртегі атомдарының толық емес сыртқы электрондық қабаты болады. Атомдық нөмірі 6 (алты электрон және алты протон) алғашқы екі электрон екінші қабатта төртеуін қалдырып, ішкі қабықты толтырады. Демек, көміртек атомдары октет ережесін қанағаттандыру үшін басқа атомдармен төрт коваленттік байланыс түзе алады. Метан молекуласы мысал келтіреді: оның CH химиялық формуласы бар4. Оның төрт сутегі атомының әрқайсысы электрон жұбын ортақ пайдалану арқылы көміртегі атомымен бір ковалентті байланыс түзеді. Бұл толтырылған ең сыртқы қабықтың пайда болуына әкеледі.

Көмірсутектер

Көмірсутектер толығымен көміртек пен сутектен тұратын органикалық молекулалар, мысалы, метан (CH4) жоғарыда сипатталған. Біз күнделікті өмірде көмірсутектерді отын ретінде жиі пайдаланамыз, мысалы, газ грильіндегі пропан немесе оттықтағы бутан. Көмірсутектердегі атомдар арасындағы көптеген коваленттік байланыстар энергияның үлкен мөлшерін сақтайды, бұл молекулалар жанғанда (тотыққанда) бөлінеді. Метан, тамаша отын, 2.21-суретте көрсетілгендей, орталық көміртегі атомы төрт түрлі сутегі атомдарымен байланысқан қарапайым көмірсутек молекуласы болып табылады. Оның электронды орбитальдарының пішіні атомдар үш өлшемде орналасқан метан молекуласының геометриясының пішінін анықтайды. Көміртектер мен төрт сутегі атомдары төрт үшбұрышты беті бар тетраэдр құрайды. Осы себепті метанды тетраэдрлік геометрия деп сипаттаймыз.

Тірі заттардың үлкен молекулаларының негізі ретінде көмірсутектер сызықты көміртек тізбегі, көміртек сақинасы немесе екеуінің қосындысы ретінде болуы мүмкін. Сонымен қатар, жеке көміртегі-көміртегі байланыстары бір, қос немесе үш ковалентті байланыстар болуы мүмкін және байланыстың әрбір түрі молекуланың геометриясына белгілі бір жолмен әсер етеді. Тіршіліктің үлкен молекулаларының (макромолекулалардың) бұл үш өлшемді пішіні немесе конформациясы олардың қалай жұмыс істейтіні үшін өте маңызды.

Көмірсутекті тізбектер

Көміртек атомдары арасындағы дәйекті байланыстар көмірсутек тізбектерін құрайды. Бұлар тармақталған немесе тармақсыз болуы мүмкін. Сонымен қатар, молекуланың бір, қос және үш коваленттік байланыстардың әртүрлі геометриялары 2.22-суретте көрсетілгендей молекуланың жалпы геометриясын өзгертеді. Этан, этен және этил көмірсутектері әртүрлі көміртегі-көміртек байланыстары молекуланың геометриясына қалай әсер ететінінің мысалы ретінде қызмет етеді. Барлық үш молекуланың атаулары екі көміртек көмірсутектерінің префиксі болып табылатын «eth-» префиксінен басталады. «-ane», «-ene» және «-yne» жұрнақтары сәйкесінше бір, қос немесе үштік көміртек-көміртек байланыстарының болуын білдіреді. Осылайша, пропан, пропен және пропин үш көміртегі молекуласымен, төрт көміртегі молекуласы үшін бутан, бутин және бутин және т.б. Қос және үштік байланыстар молекуланың геометриясын өзгертеді: жалғыз байланыстар байланыс осі бойымен айналуға мүмкіндік береді, ал қос байланыстар жазық конфигурацияға, ал үштік байланыстар сызықтыға әкеледі. Бұл геометриялар белгілі бір молекула қабылдай алатын пішінге айтарлықтай әсер етеді.

Көмірсутек сақиналары

Осы уақытқа дейін біз қарастырған көмірсутектер көміртегі атомдарының сызықтық тізбегінен тұратын алифатты көмірсутектер болды. Көмірсутектердің тағы бір түрі, ароматты көмірсутектер, ауыспалы бір және қос байланыстары бар көміртек атомдарының тұйық сақиналарынан тұрады. Алифатты көмірсутектерде сақина құрылымдарын табамыз, кейде қосарланған байланыстар бар, оны 2.23-суретте циклогексанның бензол құрылымын салыстыру арқылы көруге болады. Бензол сақинасын қамтитын биологиялық молекулалардың мысалдарына кейбір амин қышқылдары, холестерин және оның туындылары, соның ішінде эстроген және тестостерон гормондары жатады. Сондай-ақ 2,4-Д гербицидінде бензол сақинасын табамыз. Бензол шикі мұнайдың табиғи құрамдас бөлігі болып табылады және канцероген ретінде жіктелген. Кейбір көмірсутектердің алифатты және ароматты бөліктері болады. Мұндай көмірсутектердің мысалы бета-каротин болып табылады.

Изомерлер

Органикалық молекулалар ішіндегі атомдар мен химиялық байланыстардың үш өлшемді орналасуы олардың химиясын түсіну үшін орталық болып табылады. Химиялық формуласы бірдей, бірақ атомдарының және/немесе химиялық байланыстарының орналасуында (құрылымында) ерекшеленетін молекулаларды изомерлер деп атаймыз. Құрылымдық изомерлер (2.24а-суреттегі бутан және изобутан сияқты) коваленттік байланыстарының орналасуымен ерекшеленеді: екі молекулада төрт көміртегі және он сутегі (С) бар.4Х10), бірақ молекулалардағы атомдардың әртүрлі орналасуы олардың химиялық қасиеттерінің айырмашылығына әкеледі. Мысалы, бутан темекі тұтандырғыштары мен шамдары үшін отын ретінде пайдалануға жарамды, ал изобутан бүріккіш банкаларда салқындатқыш және отын ретінде пайдалануға жарамды.

Геометриялық изомерлер балама түрде коваленттік байланыстарының ұқсас орналасуына ие, бірақ бұл байланыстар қоршаған атомдармен, әсіресе көміртегі-көміртекті қос байланыстарда қалай жасалатынында ерекшеленеді. Қарапайым молекулада бутен (C4Х8), екі метил тобы (CH3) 2.24b суретте көрсетілгендей, молекуланың орталық қос ковалентті байланыстың екі жағында болуы мүмкін. Көміртектер қос байланыстың бір жағында байланысқанда, бұл cis конфигурация. Егер олар қос байланыстың қарама-қарсы жағында болса, бұл а транс конфигурация. Ішінде транс конфигурациясында көміртектер азды-көпті сызықты құрылымды құрайды, ал көміртегілер cis конфигурация көміртегі магистралінің иілуін (бағытын өзгерту) жасайды.

Көрнекі байланыс

Төмендегі тұжырымдардың қайсысы жалған?

  1. CH формулалары бар молекулалар3CH2COOH және C3Х6О2 құрылымдық изомерлер болуы мүмкін.
  2. Молекулаларда қос байланыс болуы керек cis-транс изомерлер.
  3. Энантиомерлер болу үшін молекулада орталық көміртегімен байланысқан кем дегенде үш түрлі атом немесе топ болуы керек.
  4. Энантиомерлер болу үшін молекулада орталық көміртегімен байланысқан кем дегенде төрт түрлі атом немесе топ болуы керек.

Триглицеридтерде (майлар мен майлар) май қышқылдары деп аталатын ұзын көміртек тізбегінде қос байланыстар болуы мүмкін. cis немесе транс 2.25-суретте көрсетілгендей конфигурация. Көміртек атомдары арасында кем дегенде бір қос байланысы бар майлар қанықпаған майлар болып табылады. Осы облигациялардың кейбіреулері cis конфигурациясында, нәтижесінде тізбектің көміртегі магистралінің иілісі триглицерид молекулаларының тығыз орала алмайтынын білдіреді, сондықтан олар бөлме температурасында сұйық (май) болып қалады. Балама ретінде триглицеридтермен транс қос байланыстар (халық арасында транс майлары деп аталады), бөлме температурасында тығыз жиналып, қатты майларды түзе алатын салыстырмалы түрде сызықты май қышқылдарына ие. Адам рационында транс майлары жүрек-қан тамырлары ауруларының қаупінің жоғарылауымен байланысты, сондықтан көптеген азық-түлік өндірушілер соңғы жылдары оларды пайдалануды азайтты немесе жойды. Қанықпаған майлардан айырмашылығы, біз көміртегі атомдары арасында қос байланысы жоқ триглицеридтерді қаныққан майлар деп атаймыз, яғни оларда бар сутегі атомдары бар. Қаныққан майлар бөлме температурасында қатты зат болып табылады және әдетте жануарлардан алынады.

Энантиомерлер

Энантиомерлер - бірдей химиялық құрылымы мен химиялық байланыстары бар, бірақ атомдардың үш өлшемді орналасуында ерекшеленетін молекулалар, олар бір-біріне қосылмайтын айна бейнесі болып табылады. 2.26-суретте аминқышқылдарының аланин үлгісі көрсетілген, мұнда екі құрылым бір-бірімен үйлеспейді. Табиғатта аминқышқылдарының L-формалары белоктарда басым болады. Амин қышқылдарының кейбір D формалары бактериялардың жасуша қабырғаларында және басқа организмдерде полипептидтерде кездеседі. Сол сияқты, глюкозаның D-формасы фотосинтездің негізгі өнімі болып табылады және біз табиғатта молекуланың L-формасын сирек көреміз.

Функционалдық топтар

Функционалдық топтар - молекулалардың ішінде болатын және сол молекулаларға белгілі бір химиялық қасиеттер беретін атомдар топтары. Біз оларды макромолекулалардың «көміртек магистралінің» бойынан табамыз. Көміртек атомдарының тізбектері және/немесе сақиналары азот немесе оттегі сияқты элементтердің оқтын-оқтын алмастырылуымен осы көміртек магистралін құрайды. Молекулалары бар басқа элементтер олардың көміртекті магистральдық болып табылады алмастырылған көмірсутектер.

Макромолекуладағы функционалды топтар, әдетте, көміртегі магистраліне оның тізбегі және/немесе сақина құрылымы бойынша бір немесе бірнеше әртүрлі жерлерде бекітіледі. Макромолекулалардың төрт түрінің әрқайсысының - белоктар, липидтер, көмірсулар және нуклеин қышқылдары - олардың әртүрлі химиялық қасиеттеріне және тірі организмдердегі қызметіне үлкен ықпал ететін функционалды топтардың өзіне тән жиынтығы бар.

Функционалдық топ белгілі бір химиялық реакцияларға қатыса алады. 2.27-суретте биологиялық молекулалардағы кейбір маңызды функционалдық топтар көрсетілген. Оларға: гидроксил, метил, карбонил, карбоксил, амин, фосфат және сульфгидрил жатады. Бұл топтар ДНҚ, ақуыздар, көмірсулар және липидтер сияқты молекулаларды қалыптастыруда маңызды рөл атқарады. Біз әдетте функционалдық топтарды заряд немесе полярлық сипаттамаларына байланысты гидрофобты немесе гидрофильді деп жіктейміз. Гидрофобты топқа мысал ретінде полярлы емес метил молекуласын келтіруге болады. Гидрофильді функционалдық топтарға аминқышқылдарындағы карбоксил тобы, кейбір аминқышқылдарының бүйірлік тізбектері және триглицеридтер мен фосфолипидтер түзетін май қышқылдары жатады. Бұл карбоксил тобы иондалып, СООН тобынан сутегі иондарын (H + ) босатады, нәтижесінде теріс зарядталған COO - тобы пайда болады. Бұл кез келген молекуланың гидрофильдік қасиетіне ықпал етеді. Карбонил тобы сияқты басқа функционалдық топтарда су молекулаларымен сутегі байланыстарын құра алатын ішінара теріс зарядталған оттегі атомы бар, бұл молекуланы қайтадан гидрофильді етеді.

Функционалды топтар арасындағы (бір молекуланың ішінде немесе әртүрлі молекулалар арасындағы) сутегі байланыстары көптеген макромолекулалардың қызметі үшін маңызды және олардың дұрыс бүктелуіне және жұмыс істеуі үшін сәйкес пішінді сақтауға көмектеседі. Сутегі байланыстары сонымен қатар 2.28-суретте көрсетілгендей ДНҚ-ның комплементарлы негіз жұптасуы және ферментті оның субстратымен байланыстыру сияқты әртүрлі тану процестеріне қатысады.


Иондық байланыстар

Кейбір атомдар электрон алған немесе жоғалтқанда (немесе екі болуы мүмкін) және иондар түзгенде тұрақтырақ болады. Бұл олардың ең сыртқы электронды қабығын толтырады және оларды энергетикалық тұрғыдан тұрақты етеді. Электрондар саны протондар санына тең болмағандықтан, әрбір ионның таза заряды болады. Катиондар электрондарды жоғалту арқылы түзілетін оң иондар. Теріс иондар электрон алу арқылы түзіледі және аниондар деп аталады. Аниондар олардың элементтік атауы “-ide”-мен аяқталатындай өзгертіліп белгіленеді: мысалы, хлор анионын хлорид деп атайды, ал күкірт анионын сульфид деп атайды.

Бұл электрондардың бір элементтен екінші элементке қозғалысы деп аталады электронды тасымалдау. 1-суретте көрсетілгендей, натрийдің (Na) сыртқы электрондық қабатында бір ғана электрон бар. Натрий бір электронды беру үшін сыртқы қабықты толтыру үшін жеті электронды қабылдауға қарағанда аз энергия қажет. Натрий электронын жоғалтса, онда қазір 11 протон, 11 нейтрон және тек 10 электрон бар және оның жалпы заряды +1 болады.Оны қазір натрий ионы деп атайды. Хлордың (Cl) ең төменгі энергетикалық күйінде (негізгі күй деп аталады) сыртқы қабатында жеті электрон бар. Тағы да, хлордың жеті электрон жоғалтқаннан гөрі бір электрон алуы энергияны үнемдейді. Сондықтан ол 17 протон, 17 нейтрон және 18 электроны бар ион жасау үшін электрон алуға ұмтылады, бұл оған таза теріс (–1) заряд береді. Оны қазір хлорид ионы деп атайды. Бұл мысалда натрий өзінің бір электронын қабығын босату үшін береді, ал хлор бұл электронды қабығын толтыру үшін қабылдайды. Енді екі ион да октет ережесін қанағаттандырады және толық сыртқы қабықтарға ие. Электрондар саны протондар санына тең болмағандықтан, олардың әрқайсысы енді ион және +1 (натрий катионы) немесе –1 (хлорид анионы) зарядына ие. Бұл транзакциялар әдетте бір уақытта ғана жүзеге асуы мүмкін екенін ескеріңіз: натрий атомы электрон жоғалту үшін ол хлор атомы сияқты қолайлы реципиенттің қатысуымен болуы керек.

Сурет 1. Иондық қосылыс түзілгенде металдар электрондарын жоғалтады, ал бейметалдар октетке жету үшін электрон алады. Зарядтары қарама-қарсы иондар арасында иондық байланыс түзіледі. Мысалы, оң зарядталған натрий иондары мен теріс зарядталған хлорид иондары натрий хлоридінің немесе ас тұзының кристалдарын жасау үшін бір-бірімен байланысып, таза заряды нөлдік кристалдық молекуланы жасайды.

Иондық байланыстар зарядтары қарама-қарсы иондар арасында түзіледі. Мысалы, оң зарядталған натрий иондары мен теріс зарядталған хлорид иондары натрий хлоридінің немесе ас тұзының кристалдарын жасау үшін бір-бірімен байланысып, таза заряды нөлдік кристалдық молекуланы жасайды.

Кейбір тұздар физиологияда деп аталады электролиттер (соның ішінде натрий, калий және кальций), жүйке импульсінің өткізілуіне, бұлшықет жиырылуына және су балансына қажетті иондар. Көптеген спорттық сусындар мен диеталық қоспалар жаттығу кезінде терлеу арқылы денеден жоғалғандардың орнын толтыру үшін осы иондарды қамтамасыз етеді.

Бейне шолу

Бұл бейне аниондар мен катиондардан иондық қосылыстардың қалай түзілетінін көрсетеді.


Иондық байланыстар

Кейбір атомдар электрон алған немесе жоғалтқанда (немесе екі болуы мүмкін) және иондар түзгенде тұрақтырақ болады. Бұл олардың ең сыртқы электронды қабығын толтырады және оларды энергетикалық тұрғыдан тұрақты етеді. Электрондар саны протондар санына тең болмағандықтан, әрбір ионның таза заряды болады. Катиондар электрондарды жоғалту арқылы түзілетін оң иондар. Теріс иондар электрон алу арқылы түзіледі және аниондар деп аталады. Аниондар олардың элементтік атауы “-ide”-мен аяқталатындай өзгертіліп белгіленеді: мысалы, хлор анионын хлорид деп атайды, ал күкірт анионын сульфид деп атайды.

Бұл электрондардың бір элементтен екінші элементке қозғалысы деп аталады электронды тасымалдау. 1-суретте көрсетілгендей, натрийдің (Na) сыртқы электрондық қабатында бір ғана электрон бар. Натрий бір электронды беру үшін сыртқы қабықты толтыру үшін жеті электронды қабылдауға қарағанда аз энергия қажет. Натрий электронын жоғалтса, онда қазір 11 протон, 11 нейтрон және тек 10 электрон бар және оның жалпы заряды +1 болады. Оны қазір натрий ионы деп атайды. Хлордың (Cl) ең төменгі энергетикалық күйінде (негізгі күй деп аталады) сыртқы қабатында жеті электрон бар. Тағы да, хлордың жеті электрон жоғалтқаннан гөрі бір электрон алуы энергияны үнемдейді. Сондықтан ол 17 протон, 17 нейтрон және 18 электроны бар ион жасау үшін электрон алуға ұмтылады, бұл оған таза теріс (–1) заряд береді. Оны қазір хлорид ионы деп атайды. Бұл мысалда натрий өзінің бір электронын қабығын босату үшін береді, ал хлор бұл электронды қабығын толтыру үшін қабылдайды. Енді екі ион да октет ережесін қанағаттандырады және толық сыртқы қабықтарға ие. Электрондар саны протондар санына тең болмағандықтан, олардың әрқайсысы енді ион және +1 (натрий катионы) немесе –1 (хлорид анионы) зарядына ие. Бұл транзакциялар әдетте бір уақытта ғана жүзеге асуы мүмкін екенін ескеріңіз: натрий атомы электрон жоғалту үшін ол хлор атомы сияқты қолайлы реципиенттің қатысуымен болуы керек.

Сурет 1. Иондық қосылыс түзілгенде металдар электрондарын жоғалтады, ал бейметалдар октетке жету үшін электрон алады. Зарядтары қарама-қарсы иондар арасында иондық байланыс түзіледі. Мысалы, оң зарядталған натрий иондары мен теріс зарядталған хлорид иондары натрий хлоридінің немесе ас тұзының кристалдарын жасау үшін бір-бірімен байланысып, таза заряды нөлдік кристалдық молекуланы жасайды.

Иондық байланыстар зарядтары қарама-қарсы иондар арасында түзіледі. Мысалы, оң зарядталған натрий иондары мен теріс зарядталған хлорид иондары натрий хлоридінің немесе ас тұзының кристалдарын жасау үшін бір-бірімен байланысып, таза заряды нөлдік кристалдық молекуланы жасайды.

Кейбір тұздар физиологияда деп аталады электролиттер (соның ішінде натрий, калий және кальций), жүйке импульсінің өткізілуіне, бұлшықет жиырылуына және су балансына қажетті иондар. Көптеген спорттық сусындар мен диеталық қоспалар жаттығу кезінде терлеу арқылы денеден жоғалғандардың орнын толтыру үшін осы иондарды қамтамасыз етеді.

Бейне шолу

Бұл бейне аниондар мен катиондардан иондық қосылыстардың қалай түзілетінін көрсетеді.


2.3 Көміртек

Бұл бөлімде сіз келесі сұрақтарды зерттейсіз:

  • Неліктен көміртегі өмір үшін маңызды?
  • Функционалдық топтар биологиялық молекулалардың қасиеттерін қалай анықтайды?

AP ® курстарына қосылу

Көміртектің бірегей қасиеттері оны биологиялық молекулалардың орталық бөлігіне айналдырады. Төрт валенттік электрондармен көміртегі оттегімен, сутегімен және азотпен ковалентті байланысып, жасуша қызметі үшін маңызды көптеген молекулаларды түзе алады. Көміртек пен сутегі көмірсутекті тізбектерді немесе сақиналарды құра алады. Функционалдық топтар, мысалы –CH3 (метил) және –COOH (карбоксил) – көмірсутек тізбегіне немесе сақиналарына олардың жалпы химиялық сипаттамалары мен қызметін анықтайтын ерекше қасиеттер беретін атомдар топтары. Мысалы, карбоксил тобының (-COOH) қосылуы молекуланы қышқыл етеді, ал амин тобының (NH) болуы2) молекуланы негізді етеді. (Келесі тарауда зерттейтініміздей, амин қышқылдарының карбоксил тобы да, амин тобы да болады.) Изомерлер – молекулалық формулалары бірдей (яғни атомдардың түрлері мен саны бірдей), бірақ қасиеттері әртүрлі болатын молекулалық құрылымдары әртүрлі молекулалар. немесе функциялар. («Изомерді» «изотоппен» шатастырмаңыз!)

Осы бөлімде ұсынылған ақпарат және бөлектелген мысалдар AP ® биология бойынша оқу жоспарының 2-үлкен идеясында баяндалған оқу мақсаттары мен тұжырымдамаларын қолдайды. Оқу жоспарында тізімделген оқу мақсаттары AP ® биология курсы, сұрауға негізделген зертханалық тәжірибе, оқу әрекеттері және AP ® емтихан сұрақтары үшін ашық негізді қамтамасыз етеді. Оқу мақсаты қажетті мазмұнды жеті ғылыми тәжірибенің біреуімен немесе бірнешеуімен біріктіреді.

Үлкен идея 2 Биологиялық жүйелер өсу, көбею және динамикалық гомеостазды сақтау үшін бос энергия мен молекулалық құрылыс блоктарын пайдаланады.
Тұрақты түсіну 2.А Тірі жүйелердің өсуі, көбеюі және сақталуы бос энергия мен заттарды қажет етеді.
Маңызды білім 2.A.3 Организмдер өсу, көбею және ұйымды сақтау үшін қоршаған ортамен зат алмасуы керек.
Ғылыми тәжірибе 4.1 Студент белгілі бір ғылыми сұраққа жауап беру үшін қажетті деректер түрін таңдауды негіздей алады.
Оқу мақсаты 2.8 Студент жануар, өсімдік немесе бактерия қажетті құрылыс блоктары ретінде қабылданатын және қалдық өнімдер ретінде бөлетін молекулалардың түрлеріне қатысты деректерді таңдауды негіздей алады.

Мұғалімге қолдау көрсету

Сынып ретінде көміртектің тіршілік формаларында қаншалықты маңызды екенін талқылаңыз. Талқылауға нәруыздар, ДНҚ, көмірсулар, тіршілікті жансыз заттардан ажырататын биологиялық молекулалар көміртектен қалай тұратынын көрсетіңіз. Сіз студенттерді осы мақаланы катализатор ретінде пайдалана отырып, көміртегі орнына кремнийге негізделген тіршілік формасын қарастыруға шақыра аласыз.

Жасушалар белоктар, нуклеин қышқылдары (РНҚ және ДНҚ), көмірсулар және липидтер сияқты макромолекулалар деп аталатын көптеген күрделі молекулалардан тұрады. Макромолекулалар тіршілік үшін ерекше маңызды органикалық молекулалардың (кез келген көміртегі бар сұйық, қатты немесе газ) ішкі жиынтығы болып табылады. Барлық осы макромолекулалардың негізгі компоненті көміртек болып табылады. Көміртек атомының төрт түрлі атомдармен коваленттік байланыстар құруға мүмкіндік беретін бірегей қасиеттері бар, бұл әмбебап элементті макромолекулалардың негізгі құрылымдық компоненті немесе «магистральдық» ретінде қызмет ету үшін өте қолайлы етеді.

Жеке көміртегі атомдарының толық емес сыртқы электрондық қабаты болады. Атомдық нөмірі 6 (алты электрон және алты протон) алғашқы екі электрон екінші қабатта төртеуін қалдырып, ішкі қабықты толтырады. Демек, көміртек атомдары октет ережесін қанағаттандыру үшін басқа атомдармен төрт коваленттік байланыс түзе алады. Метан молекуласы мысал келтіреді: оның CH химиялық формуласы бар4. Оның төрт сутегі атомының әрқайсысы электрон жұбын ортақ пайдалану арқылы көміртегі атомымен бір ковалентті байланыс түзеді. Бұл толтырылған ең сыртқы қабықтың пайда болуына әкеледі.

Көмірсутектер

Көмірсутектер толығымен көміртек пен сутектен тұратын органикалық молекулалар, мысалы, метан (CH4) жоғарыда сипатталған. Біз күнделікті өмірде көмірсутектерді отын ретінде жиі пайдаланамыз, мысалы, газ грильіндегі пропан немесе оттықтағы бутан. Көмірсутектердегі атомдар арасындағы көптеген коваленттік байланыстар энергияның үлкен көлемін сақтайды, бұл молекулалар жанғанда (тотыққанда) бөлінеді. Метан, тамаша отын, 2.23-суретте көрсетілгендей, орталық көміртегі атомы төрт түрлі сутегі атомдарымен байланысқан қарапайым көмірсутек молекуласы. Атомдары үш өлшемде орналасқан метан молекуласының геометриясы оның электронды орбитальдарының пішінімен анықталады. Көміртектер мен төрт сутегі атомы тетраэдр деп аталатын пішінді құрайды, төрт үшбұрышты беті осы себепті метан тетраэдрлік геометрияға ие деп сипатталады.

Тірі заттардың үлкен молекулаларының негізі ретінде көмірсутектер сызықты көміртек тізбегі, көміртек сақинасы немесе екеуінің қосындысы ретінде болуы мүмкін. Сонымен қатар, жеке көміртегі-көміртегі байланыстары бір, қос немесе үш ковалентті байланыстар болуы мүмкін және байланыстың әрбір түрі молекуланың геометриясына белгілі бір жолмен әсер етеді. Тіршіліктің үлкен молекулаларының (макромолекулалардың) бұл үш өлшемді пішіні немесе конформациясы олардың қалай жұмыс істейтіні үшін өте маңызды.

Көмірсутекті тізбектер

Көмірсутекті тізбектер көміртек атомдары арасындағы бірізді байланыстар арқылы түзіледі және тармақталған немесе тармақсыз болуы мүмкін. Сонымен қатар, молекуланың жалпы геометриясы 2.24-суретте көрсетілген бір, қос және үш ковалентті байланыстың әртүрлі геометриялары арқылы өзгереді. Этан, этен және этил көмірсутектері әртүрлі көміртегі-көміртек байланыстары молекуланың геометриясына қалай әсер ететінінің мысалы ретінде қызмет етеді. Барлық үш молекуланың атаулары екі көміртек көмірсутектерінің префиксі болып табылатын «eth-» префиксінен басталады. «-ane», «-ene» және «-yne» жұрнақтары сәйкесінше бір, қос немесе үштік көміртек-көміртек байланыстарының болуын білдіреді. Осылайша, пропан, пропен және пропин үш көміртегі молекуласымен, төрт көміртегі молекуласы үшін бутан, бутин және бутин және т.б. Қос және үштік байланыстар молекуланың геометриясын өзгертеді: жалғыз байланыстар байланыс осі бойымен айналуға мүмкіндік береді, ал қос байланыстар жазық конфигурацияға, ал үштік байланыстар сызықтыға әкеледі. Бұл геометриялар белгілі бір молекула қабылдай алатын пішінге айтарлықтай әсер етеді.

Көмірсутек сақиналары

Осы уақытқа дейін біз қарастырған көмірсутектер көміртегі атомдарының сызықтық тізбегінен тұратын алифатты көмірсутектер болды. Көмірсутектердің тағы бір түрі, ароматты көмірсутектер, көміртек атомдарының тұйық сақиналарынан тұрады. Көмірсутектерде сақиналы құрылымдар кездеседі, кейде қосарланған байланыстар болады, оны 2.25-суреттегі циклогексан мен бензолдың құрылымын салыстыру арқылы көруге болады. Бензол сақинасын қамтитын биологиялық молекулалардың мысалдарына кейбір амин қышқылдары, холестерин және оның туындылары, соның ішінде эстроген және тестостерон гормондары жатады. Бензол сақинасы 2,4-Д гербицидінде де кездеседі. Бензол шикі мұнайдың табиғи құрамдас бөлігі болып табылады және канцероген ретінде жіктелген. Кейбір көмірсутектердің алифатты және хош иісті бөліктері бар бета-каротин осындай көмірсутектердің мысалы болып табылады.

Изомерлер

Органикалық молекулалар ішіндегі атомдар мен химиялық байланыстардың үш өлшемді орналасуы олардың химиясын түсіну үшін орталық болып табылады. Бірдей химиялық формуласы бар, бірақ атомдарының және/немесе химиялық байланыстарының орналасуында (құрылымында) ерекшеленетін молекулалар изомерлер деп аталады. Құрылымдық изомерлер (суретте көрсетілген бутан және изобутан сияқты).а) коваленттік байланыстарының орналасуы бойынша ерекшеленеді: екі молекулада төрт көміртегі және он сутегі бар (C4Х10), бірақ атомдардың молекулалардағы әртүрлі орналасуы олардың химиялық қасиеттерінің әртүрлілігіне әкеледі. Мысалы, әртүрлі химиялық қасиеттеріне байланысты бутан алауларға жанармай ретінде пайдалануға жарамды, ал изобутан бүріккіш банкаларда салқындатқыш және отын ретінде пайдалануға жарамды.

Геометриялық изомерлер, керісінше, олардың коваленттік байланыстарының ұқсас орналасуына ие, бірақ бұл байланыстар қоршаған атомдармен, әсіресе көміртегі-көміртекті қос байланыстарда қалай жасалатыны бойынша ерекшеленеді. Қарапайым молекулада бутен (C4Х8), екі метил тобы (CH3) суретте көрсетілгендей, молекуланың ортасында орналасқан қос коваленттік байланыстың екі жағында болуы мүмкін.б. Көміртектер қос байланыстың бір жағында байланысқанда, бұл cis конфигурация, егер олар қос байланыстың қарама-қарсы жағында болса, бұл а транс конфигурация. Ішінде транс конфигурациясында көміртектер азды-көпті сызықтық құрылымды құрайды, ал көміртегілер cis конфигурация көміртегі магистралінің иілуін (бағытын өзгерту) жасайды.

Көрнекі байланыс

  1. ext формулалары бар молекулалар_3мәтін_2мәтін және ext_3мәтін_6мәтін_2 құрылымдық изомерлер болуы мүмкін.
  2. Молекулаларда цис-транс изомерлері болу үшін қос байланыс болуы керек.
  3. Энантиомерлер болу үшін молекулада орталық көміртегімен байланысқан кем дегенде үш түрлі атом немесе топ болуы керек.
  4. Энантиомерлер болу үшін молекулада орталық көміртегімен байланысқан кем дегенде төрт түрлі атом немесе топ болуы керек.

Триглицеридтерде (майлар мен майлар) май қышқылдары деп аталатын ұзын көміртек тізбегінде қос байланыстар болуы мүмкін. cis немесе транс конфигурация, 2.27-суретте көрсетілген. Көміртек атомдары арасында кем дегенде бір қос байланысы бар майлар қанықпаған майлар болып табылады. Осы облигациялардың кейбіреулері cis конфигурациясында, нәтижесінде тізбектің көміртегі магистралінің иілісі триглицерид молекулаларының тығыз орала алмайтынын білдіреді, сондықтан олар бөлме температурасында сұйық (май) болып қалады. Екінші жағынан, триглицеридтермен транс қос байланыстар (халық арасында транс майлары деп аталады), бөлме температурасында тығыз жиналып, қатты майларды түзе алатын салыстырмалы түрде сызықты май қышқылдарына ие. Адам рационында транс майлары жүрек-қан тамырлары ауруларының қаупінің жоғарылауымен байланысты, сондықтан көптеген азық-түлік өндірушілер соңғы жылдары оларды пайдалануды азайтты немесе жойды. Қанықпаған майлардан айырмашылығы, көміртегі атомдары арасында қос байланысы жоқ триглицеридтер қаныққан майлар деп аталады, яғни оларда бар сутегі атомдары бар. Қаныққан майлар бөлме температурасында қатты зат болып табылады және әдетте жануарлардан алынады.

Энантиомерлер

Энантиомерлер - бірдей химиялық құрылымы мен химиялық байланыстары бар, бірақ атомдардың үш өлшемді орналасуында ерекшеленетін молекулалар, олар айна бейнесі болып табылады. 2.28-суретте көрсетілгендей, аланин амин қышқылының мысалы, екі құрылым бір-біріне қосылмайды. Табиғатта белоктарды жасау үшін аминқышқылдарының L-формалары ғана қолданылады. Аминқышқылдарының кейбір D формалары бактериялардың жасушалық қабырғаларында кездеседі, бірақ олардың ақуыздарында ешқашан болмайды. Сол сияқты глюкозаның D-формасы фотосинтездің негізгі өнімі болып табылады және молекуланың L-формасы табиғатта сирек кездеседі.

Функционалдық топтар

Функционалдық топтар - молекулалардың ішінде болатын және сол молекулаларға белгілі бір химиялық қасиеттер беретін атомдар топтары. Олар макромолекулалардың «көміртекті арқауы» бойында кездеседі. Бұл көміртекті магистраль көміртегі атомдарының тізбектері және/немесе сақиналары арқылы қалыптасады, азот немесе оттегі сияқты элементтің кездейсоқ алмастырылуы. Молекулалары бар басқа элементтер олардың көміртекті магистральдық болып табылады алмастырылған көмірсутектер.

Макромолекуладағы функционалдық топтар, әдетте, көміртегі магистраліне оның тізбегі және/немесе сақина құрылымы бойынша бір немесе бірнеше әртүрлі жерлерде бекітіледі. Макромолекулалардың төрт түрінің әрқайсысының - белоктар, липидтер, көмірсулар және нуклеин қышқылдары - олардың әртүрлі химиялық қасиеттеріне және тірі организмдердегі қызметіне үлкен ықпал ететін функционалды топтардың өзіне тән жиынтығы бар.

Функционалдық топ белгілі бір химиялық реакцияларға қатыса алады. Биологиялық молекулалардағы маңызды функционалдық топтардың кейбірі 2.29-суретте көрсетілген, олар мыналарды қамтиды: гидроксил, метил, карбонил, карбоксил, амин, фосфат және сульфгидрил. Бұл топтар ДНҚ, ақуыздар, көмірсулар және липидтер сияқты молекулалардың түзілуінде маңызды рөл атқарады. Функционалды топтар заряды немесе полярлық сипаттамаларына байланысты әдетте гидрофобты немесе гидрофильді болып жіктеледі. Гидрофобты топқа мысал ретінде полярлы емес метил молекуласын келтіруге болады. Гидрофильді функционалдық топтардың ішінде амин қышқылдарында, кейбір аминқышқылдарының жанама тізбектерінде және триглицеридтер мен фосфолипидтер түзетін май қышқылдарында кездесетін карбоксил тобы бар. Бұл карбоксил тобы COOH тобынан сутегі иондарын (H +) шығару үшін иондалады, нәтижесінде теріс зарядталған COO тобы пайда болады, бұл кез келген молекуланың гидрофильді табиғатына ықпал етеді. Карбонил тобы сияқты басқа функционалдық топтарда су молекулаларымен сутегі байланыстарын құра алатын ішінара теріс зарядталған оттегі атомы бар, бұл молекуланы қайтадан гидрофильді етеді.

Функционалды топтар арасындағы (бір молекуланың ішінде немесе әртүрлі молекулалар арасындағы) сутегі байланыстары көптеген макромолекулалардың қызметі үшін маңызды және олардың дұрыс бүктелуіне және жұмыс істеуі үшін сәйкес пішінді сақтауға көмектеседі. Сутектік байланыстар сонымен қатар 2.30-суретте көрсетілгендей ДНҚ-ның комплементарлы негіз жұптасуы және ферментті оның субстратымен байланыстыру сияқты әртүрлі тану процестеріне қатысады.

AP® курстарына арналған ғылыми тәжірибе байланысы

Белсенділік

Көміртек маңызды биологиялық молекулалардың негізін құрайды. Қарапайым қоректік тізбектің шағын постерін жасаңыз, онда көміртектің тізбектегі әрбір ағзаға қалай кіріп, қалай шығатыны көрсетілген. Сіз жасаған қоректік тізбекке сүйене отырып, адам әрекетінің қоректік тізбектегі көміртекті жеткізуге әсері туралы болжам жасаңыз.

Мұғалімге қолдау көрсету

Бұл әрекет оқу мақсаттары 2.8 және ғылыми тәжірибе 4.1 қолданбасы болып табылады, себебі студент ағзалар қажетті құрылыс блоктары ретінде алатын немесе қалдықтар ретінде шығаратын молекулалардың түрлерін сипаттайды.

Көміртегі айналымы атмосфера, биосфера және мұхиттар арасындағы көміртектің қозғалысын қамтиды. Адамның іс-әрекеті көміртегі айналымына әсер етеді, нәтижесінде атмосферада көмірқышқыл газының көбеюіне және қазба отындарын жағуға байланысты мұхиттардың қышқылдануына әкеледі. Ормандарды кесу өсімдіктердің фотосинтез үшін көмірқышқыл газын сіңіруінің төмендеуіне әкеледі.

Amazon Associate ретінде біз талапқа сай сатып алулардан пайда аламыз.

Осы кітапты келтіргіңіз, бөліскіңіз немесе өзгерткіңіз келе ме? Бұл кітап Creative Commons Attribution License 4.0 болып табылады және сіз OpenStax атрибуты қажет.

    Егер сіз осы кітапты толығымен немесе бір бөлігін басып шығару пішімінде қайта таратып жатсаңыз, әрбір физикалық бетте келесі атрибутты қосуыңыз керек:

  • Дәйексөз жасау үшін төмендегі ақпаратты пайдаланыңыз. Осы сияқты дәйексөз құралын пайдалануды ұсынамыз.
    • Авторлары: Джулианна Зедалис, Джон Эггебрехт
    • Баспагер/веб-сайт: OpenStax
    • Кітап атауы: AP® курстарына арналған биология
    • Жарияланған күні: 8 наурыз 2018 ж
    • Орналасқан жері: Хьюстон, Техас
    • Кітаптың URL мекенжайы: https://openstax.org/books/biology-ap-courses/pages/1-introduction
    • Бөлімнің URL мекенжайы: https://openstax.org/books/biology-ap-courses/pages/2-3-carbon

    © 12 қаңтар, 2021 OpenStax. OpenStax шығарған оқулық мазмұны Creative Commons Attribution License 4.0 лицензиясы бойынша лицензияланған. OpenStax атауы, OpenStax логотипі, OpenStax кітап мұқабалары, OpenStax CNX атауы және OpenStax CNX логотипі Creative Commons лицензиясына жатпайды және Райс университетінің алдын ала және тікелей жазбаша келісімінсіз көшіруге болмайды.


    Коваленттік байланыс және сутегі

    Коваленттік байланыс пен сутегі қатар жүреді. Егер сіз коваленттік байланысты қарапайым ұстағыңыз келсе, сутегін пайдалану әрқашан оңай. Сутегінің атомдық нөмірі бірінші болады. Біз бұл санның бір протоны бар ядроны көрсететінін білеміз және сутегінің де бір электроны бар деп болжауға болады. Бір теріс зарядпен (электрон) және бір оң зарядпен (протон) периодтық жүйенің сутегі ион емес, бейтарап атом болып табылады. Бұл металл емес, газ. Демек, сутегі коваленттік байланысқа үміткер болып табылады.

    Жоғарыда айтқанымыздай, сутегі ұзақ уақыт бойы жалғыз қалмайды және әрқашан серіктес табуға дайын. Себебі оның жалғыз қабығында екі орын бар бір атом бар. Х2 екі сутегі атомы коваленттік байланыс арқылы байланысқан кезде пайда болатын газ. Ол сондай-ақ дигидроген немесе молекулалық сутек ретінде белгілі. Н-ның бір молекуласы2 құрамында екі протон және екі электрон бар. Бұл сутегінің ең көп таралған түрі, өйткені ол өте тұрақты. Не алады сутектік байланыс термині шатастырады. Бұл коваленттік байланыс емес және Н-ны сипаттамайды2 бірақ сутегі атомы мен фтор, оттегі немесе азот арасындағы ерекше байланыстар. Біз мұнда сутектік байланыстарды қарастырмаймыз, тек ковалентті.

    Екі Н атомы соқтығысқанда дигидроген молекулалары түзіледі. Екі атомның K-қабықшалары тек бір электронды орналастыратындықтан, әрбір атом бір электронды бөлісіп, екіншісін қарызға алса, олардың екеуі де толық валентті қабаттың тұрақтылығына ие болады. Коваленттік байланысты құру үшін элемент өзінің иондық түрінде болмауы мүмкін, металл емес немесе өтпелі металл болуы керек және жаңа серіктесіне пішіні мен заряды ұқсас болуы керек. Сонымен қатар, металл емес атомдар толық валентті қабықшалары бар жартылай тұрақсыз асыл газдар болуы керек, олар молекулалар түзбейді немесе иондық пішінге ие болмайды.

    Бір элементтің екі атомы коваленттік байланыс түзгенде ғана олардың электрондары бірдей бөлінеді. Егер әртүрлі элементтер коваленттік байланыс арқылы электрондарды ортақ пайдаланса, атом ядросының қоршаған электрондарға жақын орналасуының арқасында бір атомның электрондары жоғары электртерістілікке (жоғары тарту күші) ие болады. Валенттік қабат ядроға неғұрлым жақын болса, оның электртерістігі соғұрлым жоғары болады. Бір атом басқа типтегі атоммен байланыс түзсе, нәтижесінде полярлық коваленттік байланыс пайда болады. Электртерістік деңгейлері бірдей болса, полярлық емес коваленттік байланыстар түзіледі. Сіз облигациялардың осы түрлері үшін оларды егжей-тегжейлі сипаттайтын бөлек мақалаларды таба аласыз. Сонымен қатар, бұл мақалада электртерістігінің болуы коваленттік байланыстың түрін қалай анықтай алатынын қарастыратын қысқаша түйіндеме берілген.


    Коваленттік байланыс - бір немесе бірнеше жұп электрондар екі атомға ортақ болатын байланыс. Оң жақтағы суретте көлеңкелі аймақта көрсетілгендей екі жұп электронның ортақтасуы арқылы ковалентті байланысқан оттегінің екі атомы көрсетілген.

    Төмендегі суретте коваленттік байланыс арқылы түзілген молекулалар қатары көрсетілген. Қысқаша сипаттаманы көру үшін тінтуірді әрбір молекуланың үстіне апарыңыз.

    Су – полярлы молекула

    Сондай-ақ электрондарды бөлісу әрқашан бірдей емес екенін ескеріңіз. Мысалы, су молекуласында теріс зарядталған электрондар ауыр оттегі атомының жанында көбірек уақыт өткізеді.

    Таза нәтиже су молекуласының екінші ұшына қатысты теріс бір ұшы бар. Сондықтан су «полярлы» молекула болып табылады. Бұл полярлықтың көптеген биологиялық құбылыстарға, соның ішінде жасуша құрылымына маңызды салдары бар екенін көреміз. Сіз " өрнекті естіген боларсызсияқты ериді." Бұл полярлы молекулалардың су сияқты полярлы сұйықтықтарда жақсы еритінін білдіреді. Қанттар (мысалы, глюкоза) және тұздар полярлы молекулалар болып табылады және олар суда ериді, өйткені молекулалардың екі түрінің оң және теріс бөліктері бір-біріне ыңғайлы түрде тарай алады.


    Мазмұны

    2,3-BPG 1,3-BPG-ден BPG мутаза ферменті арқылы түзіледі. Содан кейін ол 3-фосфоглицерат түзу үшін 2,3-BPG фосфатазамен ыдырайды. Демек, оның синтезі мен ыдырауы гликолиздің бір сатысы болып табылады, жоғары энергиялы карбон қышқылы-фосфат аралас ангидридті байланыс бисфосфоглицерат мутазасымен ыдырағанда түзілетін 2,3-BPG молекуласына бір АТФ таза шығыны.

    Қалыпты гликолитикалық жол 1,3-BPG түзеді, ол АТФ түзетін фосфоглицераткиназамен (PGK) фосфорсыздандырылуы мүмкін немесе ол Люберинг-Рапопорт жолына шунтталуы мүмкін, мұнда бисфосфоглицерат мутазасы фосфор тобынан фосфор тобына ауысуын катализдейді. C2 1,3-BPG, 2,3-BPG береді. 2,3-БПГ, эритроциттегі ең көп шоғырланған органофосфат, бисфосфоглицератфосфатазаның әсерінен 3-ПГ түзеді. 2,3-BPG концентрациясы [H+] деңгейіне пропорционалды өзгереді.

    Жасуша метаболизмі үшін энергия қажеттіліктерін қолдау үшін АТФ генерациялау қажеттілігі мен гемоглобиннің тиісті оттегімен/оксигенация күйін сақтау қажеттілігі арасында нәзік тепе-теңдік бар. Бұл тепе-теңдік гемоглобиннің оксигенациясын күшейтетін 1,3-BPG-ден 2,3-BPG-ге изомеризациялау арқылы сақталады.

    2,3-BPG дезоксигемоглобинмен байланысқанда, ол оттегі тасымалдаушының төмен оттегіге жақындық күйін (Т күйін) тұрақтандыруға әсер етеді. Ол гемоглобиннің ß суббірліктерінде лизин және гистидин қалдықтарымен тұз көпірлерін құра отырып, молекулалық симметрия мен оң полярлықты пайдалана отырып, дезокси-конформацияның қуысына ұқыпты енеді. Оттегі гем тобымен байланысқан R күйі басқа конформацияға ие және бұл әрекеттесуге жол бермейді.

    Гемоглобиннің өздігінен сигма тәрізді кинетикасы бар. Дезоксигемоглобинмен селективті байланысу кезінде 2,3-BPG T күйінің конформациясын тұрақтандырады, бұл оттегінің гемоглобинді байланыстыруын қиындатады және көрші тіндерге шығарылуы ықтимал. 2,3-BPG тіндік гипоксияның пайда болуы ықтимал жағдайларда алдын алуға көмектесетін кері байланыс циклінің бөлігі болып табылады. Тіндерде оттегінің төмен концентрациясының жағдайлары, мысалы, биіктік (2,3-BPG деңгейлері жоғары биіктікке бейімделген адамдарда жоғары), тыныс алу жолдарының бітелуі немесе тоқырау жүрек жеткіліксіздігі эритроциттердің 2,3-BPG көбірек түзілуіне әкеледі, өйткені өзгерістер рН және оттегі оны жасайтын және бұзатын ферменттерді модуляциялайды. [2] 2,3-BPG жинақталуы гемоглобиннің оттегіге жақындығын төмендетеді. Сайып келгенде, бұл механизм өте қажет болған жағдайда эритроциттерден оттегінің бөлінуін арттырады. Бұл босату Бор эффектімен күшейеді, онда гемоглобиннің оттегімен байланысуы рН төмен және көмірқышқыл газының жоғары концентрациясымен де төмендейді. Энергетикалық сұранысы жоғары тіндерде оттегі тез жұмсалады, бұл H+ және көмірқышқыл газының концентрациясын арттырады. Бор эффектісі арқылы гемоглобин қажет жасушаларды қамтамасыз ету үшін көбірек оттегін шығаруға индукцияланады. Керісінше, 2,3-BPG байланысты миоглобин қосылысына әсер етпейді.(анықтама қажет)

    Жүкті әйелдерде жасушаішілік 2,3-БПГ 30% жоғарылайды. Бұл ананың гемоглобинінің оттегіге жақындығын төмендетеді, демек, ананың жатыр артерияларында ұрыққа оттегінің көбірек түсуіне мүмкіндік береді. Ұрықтың 2,3-BPG-ге сезімталдығы төмен, сондықтан оның гемоглобинінің оттегіге жақындығы жоғары. Сондықтан жатыр артерияларындағы pO2 төмен болғанымен, ұрықтың кіндік артериясы (оттегісіз қанды тасымалдайтын) олардан әлі де оттегін ала алады.

    Ұрық гемоглобинінің (HbF) 2,3-BPG-ге жақындығы төмен, нәтижесінде оттегімен байланысуы жоғары болады. Бұл ересек гемоглобинге (HbA) қатысты оттегімен байланысудың жоғарылауы HbF-де HbA-ның екі α/β димерлеріне қарағанда екі α/γ димеріне ие болуына байланысты. 2,3-BPG байланыстырушы қалтасын қалыптастыру үшін маңызды болып табылатын HbA β-субірліктерінің оң гистидин қалдықтары HbF γ-субірліктеріндегі серин қалдықтарымен ауыстырылады. Осылайша, гистидин nº143 жоғалады, сондықтан 2,3-BPG ұрықтың гемоглобинімен байланысуы қиынға соғады және ол таза гемоглобинге ұқсайды. Осылайша O2 анадан ұрыққа өтеді. Келесі суретте көріп отырғанымыздай, ұрық гемоглобинінің ересек гемоглобинге қарағанда оттегіге жақындығы жоғары. Сонымен қатар, миоглобиннің оттегіге ең жоғары жақындығы бар.

    Миоглобин (Мб), ұрық гемоглобин (Hb F), ересек гемоглобин (Hb A) арасындағы айырмашылықтар

    2004 жылғы зерттеу қалқанша без гормонының 2,3-BPG деңгейіне әсерін тексерді. Нәтиже гипертиреоздың эритроциттердегі in vivo 2,3-BPG мазмұнын фосфоглицерат мутаза (PGM) және 2,3-BPG синтаза экспрессиясының өзгеруі арқылы модуляциялайды. Бұл нәтиже гипертиреозда байқалатын эритроциттердің 2,3-BPG мөлшерінің жоғарылауы айналымдағы гемоглобин жылдамдығының кез келген өзгерісіне байланысты емес екенін көрсетеді, бірақ қалқанша без гормондарының эритроциттердің гликолитикалық белсенділігіне ынталандырушы әсерінің тікелей салдары болып көрінеді. белсенділік. [3]

    Созылмалы анемиямен ауыратын науқастарда қанның оттегін өткізу қабілеті төмендеген кезде эритроциттер жасушаішілік 2,3-BPG концентрациясын бір-екі сағат ішінде бес есеге дейін арттырады. Бұл оттегі диссоциациясының қисығының оңға жылжуына және тіндерге оттегінің көбірек бөлінуіне әкеледі.

    Гипоксиямен жүретін созылмалы респираторлық ауру

    Жақында ғалымдар 2,3-BPG төмен мөлшерінің жоғары биіктікте жоғары биіктіктегі өкпе ісінуінің пайда болуы арасындағы ұқсастықтарды тапты.

    ЗЕРТЕЛГЕН ТҮРЛІ КЛИНИКАЛЫҚ ЖАҒДАЙЛАРДА ТАБЫЛҒАН 2,3-БПГ ЭРИТРОЦИТТЕРДІҢ КОНЦЕНТРАЦИЯСЫ
    n Hb (г/дл) 2,3-BPG (мМ)
    1 Қалыптылық 120 14.2 ± 1.6 4.54 ± 0.57
    2 Гипертиреоз 35 13.7 ± 1.4 5.66 ± 0.69
    3 Темір тапшылығы анемиясы 40 10.0 ± 1.7 5.79 ± 1.02
    4 Гипоксиямен жүретін созылмалы респираторлық ауру 47 16.4 ± 2.2 5.29 ± 1.13

    1998 жылғы зерттеуде гемодиализ процесі кезінде эритроциттердің 2,3-BPG концентрациясы талданған. 2,3-BPG концентрациясы гемоглобин тетрамеріне (Hb4) қатысты 2,3-BPG/Hb4 қатынасы ретінде көрсетілді. Физиологиялық тұрғыдан алғанда, 2,3-BPG деңгейлерінің жоғарылауы осы процесте жиі байқалатын гипоксияға қарсы тұрады деп күтілуде. Дегенмен, нәтижелер 2,3-BPG/Hb4 қатынасының төмендегенін көрсетеді. Бұл процедураның өзіне байланысты: эритроциттердегі механикалық кернеу 2,3-BPG шығуын тудырады, содан кейін ол гемодиализ арқылы жойылады. Кальций, фосфат, креатинин, мочевина және альбумин концентрациялары 2,3-BPG/Hb4 арақатынасының жалпы өзгеруіне айтарлықтай сәйкес келмеді. Дегенмен, диализден бұрын алынған сынамалардың арақатынасы пациенттерге берілген эритропоэтиннің (эритроциттердің түзілуіндегі негізгі гормон) апталық жалпы дозасымен айтарлықтай және оң корреляцияға ие болды. [4]


    Атомдық байланыстар

    Атомдарды біріктіру тәсілін түсінгеннен кейін, олардың бір-бірімен қалай әрекеттесетіні туралы мәселені шешуге болады, атап айтқанда, молекулалар мен макроскопиялық материалдарды жасау үшін олар қалай байланыс жасайды. Атомдардың сыртқы электрондары байланыс түзе алатын үш негізгі әдіс бар:

    Бірінші жол иондық байланыс деп аталатын нәрсені тудырады. Мысал ретінде ең шеткі орбитасында бір электроны бар натрий атомын қарастырайық, ол жеті бар хлор атомына жақын келеді. Бұл атомдардың ең сыртқы қабығын толтыру үшін сегіз электрон қажет болғандықтан, хлор атомын бір электрон жетіспейді деп санауға болады. Натрий атомы хлор қабықшасындағы тесікті толтыру үшін өзінің жалғыз валенттік электронын береді, жалпы энергияның төменгі деңгейінде натрий хлориді жүйесін құрайды.

    Ядросындағы протондарға қарағанда орбитада электрондары көп немесе аз болатын атомды ион деп атайды. Валенттік қабаттағы электрон тасымалданғаннан кейін натрий атомында электрон жетіспейді, сондықтан ол оң зарядқа ие болады және натрий ионына айналады. Сонымен қатар хлор атомы қосымша электрон алып, теріс заряд алып, хлор ионына айналады. Осы екі қарама-қарсы зарядталған иондар арасындағы электрлік күш тартымды және оларды біріктіреді. Алынған натрий хлориді қосылысы әдетте кәдімгі ас тұзы ретінде белгілі текше кристалл болып табылады.

    Жоғарыда аталған екінші байланыс стратегиясы кванттық механикамен сипатталған. Екі атом бір-біріне жақындағанда, олар коваленттік байланыс құру үшін ең сыртқы электрондар жұбын бөлісе алады (атомдарды олардың арасында электрондарды алға-артқа лақтыратын деп ойлаңыз). Коваленттік байланыстар, әсіресе, молекулаларында көміртегі атомдарының ұзын тізбегі (валенттік қабықшаларында төрт электрон бар) болатын органикалық материалдарда жиі кездеседі.

    Соңында, кейбір материалдарда әрбір атом сыртқы электроннан бас тартады, содан кейін ол еркін жүзеді - шын мәнінде, электрон материалдағы барлық атомдармен бөліседі. Электрондар оң иондар мелассадағы мәрмәр тәрізді қалқып жүретін теңіз түрін құрайды. Бұл металдық байланыс деп аталады және аты айтып тұрғандай, бұл металдарды біріктіретін нәрсе.

    Сондай-ақ атомдар мен молекулалардың нақты электрондарды алмаспай немесе бөліспей байланысу жолдары бар. Көптеген молекулаларда ішкі күштер электрондар молекуланың бір ұшында шоғырланып, екінші ұшын оң зарядпен қалдыратындай болады. Тұтастай алғанда, молекуланың таза электр заряды жоқ - тек оң және теріс зарядтар әртүрлі жерлерде кездеседі. Мысалы, суда (H2О) электрондар уақытының көп бөлігін оттегі атомының жанында өткізіп, оң зарядты сутегі атомдарының аймағын қалдырады. Зарядтары осылай орналасқан молекулалар полярлы молекулалар деп аталады. Мысалы, полярлы молекулаға теріс жағынан жақындаған атом немесе ион алыстағы оң электрлік күшке қарағанда күштірек теріс электр күшін сезінеді. Сондықтан көптеген заттар суда ериді: полярлы су молекуласы электрлік күштер түсіру арқылы материалдардан иондарды жұлып алады. Полярлық күштердің ерекше жағдайы сутегі байланысы деп аталатын жағдайда болады. Көптеген жағдайларда, сутегі басқа атоммен коваленттік байланыс түзгенде, электрондар сол атомға қарай жылжиды және сутегі аздап оң заряд алады. Сутегі, өз кезегінде, басқа атомды тартады, осылайша екеуінің арасында өзіндік көпір құрайды. Көптеген маңызды молекулалар, соның ішінде ДНҚ, құрылымы үшін сутектік байланыстарға тәуелді.

    Ақырында, екі электрлік бейтарап атомдар арасында әлсіз байланыстың пайда болу жолы бар. Голланд физигі Йоханнес ван дер Ваальс мұндай байланыстың механизмін алғаш рет 1873 жылы тұжырымдады және ол қазір ван дер Ваальс күштері деп аталады. Екі атом бір-біріне жақындағанда, олардың электрон бұлттары бір-біріне кері итеруші күштер түсіреді, осылайша атомдар поляризацияланады. Мұндай жағдайларда бір атомның ядросы мен екінші атомның электрондары арасындағы электрлік тартылыс электрондар арасындағы кері итеруші күштерді жеңіп, әлсіз байланыс пайда болуы мүмкін. Бұл күштің бір мысалын қарапайым графит қарындаш қорғасынынан көруге болады. Бұл материалда көміртек атомдары күшті коваленттік байланыстар арқылы парақтарда бірге ұсталады, бірақ парақтар тек ван-дер-Ваальс күштерімен бірге ұсталады. Қарындашты қағаз бетіне түсіргенде, ван-дер-Ваальс күштері үзіліп, көміртегі парақтары жарылып кетеді. Бұл қараңғы қарындаш жолағын жасайды.


    2.3. Судың химиясы

    A. Алғашқы жасушалар суда пайда болды
    1. Барлық тіршілік иелерінің 70,90% су.
    2. Су полярлы молекула болғандықтан, су молекулалары бір-бірімен сутегімен байланысқан.
    3. Сутектік байланыс кезінде су 0o C пен 100 C аралығында сұйық күйде болады, бұл өмір үшін өте маңызды.

    B. Судың қасиеттері
    1. Сұйық судың температурасы басқа сұйықтықтардың көпшілігіне қарағанда баяу көтеріледі және төмендейді.
    а. Калория - бұл бір грамм судың температурасын 1oС-қа көтеру үшін қажет жылу энергиясының мөлшері.
    б. Су жылуды көбірек ұстайтындықтан, оның температурасы басқа сұйықтықтарға қарағанда баяу төмендейді, бұл қорғайды
    организмдерді температураның жылдам өзгеруінен қорғайды және қалыпты температураны сақтауға көмектеседі.

    2. Судың булану жылуы жоғары.
    а. Су молекулалары арасындағы сутегі байланыстары үзілу үшін көп жылуды қажет етеді.
    б. Бұл қасиет жер бетінің температурасын қалыпқа келтіреді, мұнда тірі жүйелердің болуына мүмкіндік береді.
    в. Жануарлар терлегенде, тердің булануы дененің жылуын алып тастайды, осылайша жануар салқындайды.

    3. Су әмбебап еріткіш болып табылады, тірі жүйелерден тыс және оның ішінде химиялық реакцияларды жеңілдетеді.
    а. Су әмбебап еріткіш болып табылады, өйткені ол еріген заттардың көп мөлшерін ерітеді.
    б. Суға тартылған иондалған немесе полярлы молекулалар гидрофильді.
    в. Суды тарта алмайтын иондалмаған және полярлы емес молекулалар гидрофобты болып табылады.

    4. Су молекулалары біртұтас және жабысқақ..
    а. Когезия сутектік байланыстың арқасында судың молекулалар бөлінбестен еркін ағуына мүмкіндік береді.
    б. Адгезия - су молекулаларының оң, теріс полюстері бар полярлық беттерге жабысу қабілеті.

    • Су бетінің құрылымы бар, тасты аттап немесе суда жүретін жәндіктерді ойлаңыз
    • Су өзіне жабысады, бұл суды өсімдіктердегі тамырдан жапырақтарға жылжытуға мүмкіндік береді
    • Су қатқан кезде тығыздығы азаяды, сондықтан ол жүзеді

    1. Ковалентті байланысқан су молекулалары иондарға диссоциацияланатын атомдарды иондандырады.
    2. Су иондалған немесе диссоциацияланған кезде аз мөлшерде (107 моль/литр), бірақ бірдей мөлшерде H+ және OH бөледі.
    иондары, сондықтан оның рН бейтарап.
    3. Су сутегі және гидроксид иондарына диссоциацияланады:
    4. Қышқыл молекулалары суда диссоциацияланып, сутегі иондары (Н+) иондарын бөледі: HCl ¨ H+ + Cl-.
    5. Негіздер – сутегі иондарын қабылдайтын немесе гидроксид иондарын бөлетін молекулалар. NaOH ¨ Na+ + OH-.
    6. рН шкаласы ерітіндінің қышқылдығы мен негізділігін (сілтілілігін) көрсетеді.

    1) Бір моль суда 107 моль/литр сутегі иондары бар, сондықтан бейтарап рН 7.
    2) Қышқыл – рН 7-ден төмен зат, негіз – 7-ден жоғары зат.
    3) Логарифмдік шкала ретінде әрбір төменгі бірлікте келесі жоғары рН бірлігі ретінде сутегі иондарының саны 10 есе көп.


    Бейнені қараңыз: Биология. 11 класс. Структурные компоненты хлоропласта и их функции (Мамыр 2022).