2 Yaşamın kimyası
Figure 2.1 Helyum Atomu Çekirdek Her madde atomlardan oluşur
2.1 Atom yapısı - madde özelliği Elektron göz ardı edilebilir kütle; eksi yük Çekirdek: Protonlar kütlesi var; artı yük Nötronlar kütlesi var; yüksüz
2.1 Atom yapısı - madde özelliği Elektron sayısı atomların nasıl etkileşeceğini belirler. Kimyasal tepkimeler atomlar arasında elektron dağılımlarının değişimini içerir.
2.2 Molekül bağları Kimyasal bağ: molekül oluştururken atomları birbirine bağlayan çekim kuvveti. Farklı çeşitleri vardır
Table 2.1 Kimyasal bağlar ve etkileşimleri İsim Etkileşimin temeli Yapı Bağ enerjisi Kovalent bağ Elektron çiftleri paylaşılır İyonik bağ Zıt yükler birbirini çeker Hidrojen bağı Kovalent bağlı bir H atomu ile elektronegatif bir atom arasındaki çekim Hidrofobik etkileşim Polar olmayan maddelerin polar bir madde (özellikle su) varlığında etkileşimi Van der Waals kuvveti Polar olmayan maddelerin elektronlarının etkileşimi Bağ enerjisi etkileşim içindeki iki atomu ayırmak için kkal/mol cinsinden gereken enerjidir.
2.2 Molekül bağları Kovalent bağ: Atomlar bir veya daha fazla elektron çiftini paylaşır.
2.2 Molekül bağları Bileşik: iki ya da daha fazla elementin sabit oranda birleştiği moleküllerdir. Örnek: H 2 O
Table 2.2 Biyolojik açıdan önemli bazı elementlerin kovalent bağ kapasitesi Olağan kovalent bağ sayısı
2.2 Molekül bağları Kovalent bağlar çok güçlüdür bağı koparmak için yüksek miktarda enerji gerekir. Doğal yaşam koşullarındaki sıcaklıklarda biyolojik moleküllerin kovalent bağları oldukça kararlıdır.
Figure 2.7 Covalent Bonding Can Form Compounds
2.2 Molekül bağları Kovalent bağlar: Tek, 1 çift elektron paylaşılır C H Çift, 2 çift elektron paylaşılır C C Üçlü, 3 çift elektron paylaşılır N N
2.2 Molekül bağları Bir kovalent bağda elektron paylaşımı her zaman eşit değildir. Elektronegatiflik: Bir atomun çekirdeğinin elektronlar üzerinde uyguladığı çekim kuvveti. Proton sayısı ve elektronlarla çekirdek arasındaki mesafeye dayanır.
Table 2.3
2.2 Molekül bağları Polar kovalent bağ: Bir atom daha elektronegadif ise elektronlar o çekirdeğe doğru çekilir. Nonpolar kovalent bağ: benzer elektronegatifliği olan atomlar arasında elektronlar eşit olarak paylaşılır.
Figure 2.8 Suyun kovalent bağları polardır Nonpolar kovalent bağ polar kovalent bağ İyonik bağ Elektronegatiflik
2.2 Molekül bağları Polar bağda elektronlar eşit paylaşılmadığı için bağın bir tarafı daha eksi ve diğer tarafı daha artı olur. Bu kısmi yükler polar moleküllere veya büyük moleküllerin bazı bölgelerinin polar olmasına yol açar.
2.2 Molekül bağları Bir atom çok elektronegatifse elektronlar tamamen geçiş yapabilir. Ortaya iki ayrı iyon çıkar.
Figure 2.9 Formation of Sodium and Chloride Ions
2.2 Molekül bağları Iyonlar: atomların elektron kaybetmesi veya kazanmasıyla oluşan yüklü parçacıklar. Katyonlar pozitif Anyonlar negatif Kompleks iyonlar: yük taşıyan kovalent bağlı bir grup atom. Ör: NH 4+ and SO 4 2.
2.2 Molekül bağları İyonik bağlar: pozitif ve negatif iyonların birbirini çekmesiyle oluşan bağlar. Tuzlar iyonik bağlı bileşiklerdir.
2.2 Molekül bağları Katı bir maddede iyonlar birbirine yakındır ve çekim kuvvetleri güçlüdür. Suda iyonlar birbirinden uzaktır ve çekim çok daha zayıftır. İyonlar polar moleküllerle etkileşime girerler (Ör: tuzlar suda çözünür)
Figure 2.10 Su molekülleri iyonları çevreler Çözünmemiş sodyum klorür Su molekülleri
2.2 Molekül bağları Hidrojen bağlar: Bir molekülün δ ucu ile diğer molekülün δ + hidrojeni arasındaki çekim. Hidrojen bağları su molekülleri arasında oluşur ve DNA ve proteinlerin yapısı için önemlidir.
Figure 2.11 Hydrogen Bonds Can Form between or within Molecules İki su molekülü Büyük bir molekülün iki ucu veya iki büyük molekül
2.2 Molekül bağları Su ile hidrojen bağ yapabilen polar moleküller hidrofiliktir (suyu seven). Hidrokarbonlar gibi birbiriyle etkileşen fakat su ile bağ yapmayan moleküller hidrofobiktir (suyu sevmeyen).
Figure 2.12 Hydrophilic and Hydrophobic
2.2 Molekül bağları van der Waals güçleri: birbirine yakın non polar moleküller arasındaki çekim. Tek tek etkileşimler kuvvetli değildir fakat büyük bir molekül içerisinde toplandığında önemlidir.
2.3 Kimyasal tepkimeler Kimyasal tepkimeler: atomlar yeterli enerji ile çarpıştığında birbirleriyle birleşmeleri veya bağ yaptıkları molekülleri değişmeleridir.
2.3 Kimyasal tepkimeler Kimyasal tepkimelerde enerji ve madde yok olmaz veya yoktan var olmaz. Enerji: iş yapabilme veya değişebilme kapasitesidir. Kimyasal tepkimelerde enerji genellikle form değiştirir.
2.4 Su yaşam için neden önemlidir? Suyun özel bir yapısı ve özellikleri vardır: Polar molekül Hidrojen bağları yapar Tetrahedral şekil
Paylaşılan elektron çiftleri Bağ yapmayan elektron çiftleri
2.4 Su yaşam için neden önemlidir? Buz yüzer: Her su molekülü 4 ayrı moleküle hidrojen bağı yapar. Kristal sert bir yapı oluşturur. Katı su sıvıdan daha az yoğundur.
Figure 2.14 Hidrojen bağları ve suyun özellikleri Gaz su (su buharı) Katı su (buz) Sıvı su
2.4 Su yaşam için neden önemlidir? Buzun erimesi, hidrojen bağlarının bozulması için çok fazla enerji gerekir. Su donarken çevreye çok fazla enerji verilir.
2.4 Su yaşam için neden önemlidir? Suyun özgül ısısı yüksektir 1 gram suyun sıcaklığını 1 C yükseltmek için gereken ısı enerjisi. Bu yüksek özgül ısı ılıman iklim ve okyanus sıcaklılarını sağlar.
2.4 Su yaşam için neden önemlidir? Suyun buharlaşma ısısı yüksektir: suyu sıvı halden gaz kale dönüştürmek için gereken enerji. Isı enerjisi suya temas eden çevreden emilir ve bu da serinlemeye yol açar ör: terleme
2.4 Su yaşam için neden önemlidir? Kohezyon: su molekülleri birbirinden ayrılmaya karşı direnç gösterir Bitkiler içerisinde suyun hareketini sağlar Yüzey gerilimine yol açar yüzeydeki su molekülleri altlarındaki su molekülleriyle hidrojen bağ yaparlar.
Figure 2.15 Suyun 3 önemli özelliği
2.4 Su yaşam için neden önemlidir? Çözelti bir maddenin (çözülen) bir sıvı içerisinde (çözücü) çözülmesidir. Çoğu önemli biyokimyasal tepkime sulu ortamlarda gerçekleşir çözücü sudur.
2.4 Su yaşam için neden önemlidir? Nitel analiz: kimyasal tepkimelere dahil olan maddelerin belirlenmesi. Nicel analiz: Maddelerin konsantrasyonlarının ölçülmesi.
2.4 Su yaşam için neden önemlidir? Mol: bir maddenin moleküler ağırlığına eşit miktarı (gram cinsinden). 1 mol sodyum iyonu Na + = 23 g 1 mol of hidrojen gazı H 2 = 2 g 1 mol of şeker (C 12 H 22 O 11 ) = 342 g
2.4 Su yaşam için neden önemlidir? 1 molde bulunan molekül sayısı her madde için eşittir. 1 mol 6.02 10 23 molekül içerir = Avogadro sayısı
2.4 Su yaşam için neden önemlidir? 1 molar çözelti (1M) 1 mol maddenin 1 litre olacak şekilde suda çözünmesidir. Örnek: 1 litre suda çözünmüş 342 g şeker Canlı dokularda maddeler mikromolar (μm), ve daha düşük konsantrasyonlarda bulunur.
2.4 Su yaşam için neden önemlidir? Asitler suda çözündüğünde ortama hidrojen iyonları verirler H + (protonlar). H + iyonları başka moleküllere tutunabilir ve özelliklerini değiştirebilirler. Bazlar H + iyonlarını alırlar.
2.4 Su yaşam için neden önemlidir? HCl kuvvetli bir asittir; suda tamamen iyonlaşır. HCl H + + Cl
2.4 Su yaşam için neden önemlidir? Organik asitlerin karboksil grupları bulunur: COOH COO + H + Zayıf asitler: asit moleküllerinin tamamı iyonlara dönüşmez.
2.4 Su yaşam için neden önemlidir? NaOH is a kuvvetli bir bazdır (H + kabul eder). Suda: NaOH Na + + OH OH + H + H 2 O
2.4 Su yaşam için neden önemlidir? Zayıf bazlar: Bikarbonat iyonu Amonyak HCO 3 + H + H 2 CO 3 NH 3 + H + NH 4 + amino gruplu bileşikler NH 2 + H + NH 3 +
2.4 Su yaşam için neden önemlidir? Asit-baz tepkimeleri geri dönüşlüdür. CH 3 COOH CH 3 COO + H + Kuvvetli asit ve bazların iyonlaşması geri dönüşümlü değildir. Zayıf asit ve bazların iyonlaşmaları geri dönebilir.
2.4 Su yaşam için neden önemlidir? Suyun bir miktar iyonlaşma eğilimi vardır. H 2 O H + + OH Aslında 2 su molekülü dahildir: Su molekülü Su molekülü Hidroksit iyonu baz Hidronyum iyonu asit
2.4 Su yaşam için neden önemlidir? Su hem zayıf bir baz ve de zayıf bir asit gibi davranır. Suyun iyonlaşması tüm organizmalar için önemlidir çünkü canlı sistemlerde su miktarı çok fazladır ve H + iyonları tepkimeye girmeye eğilimlidir.
2.4 Su yaşam için neden önemlidir? ph = H + iyon konsantrasyonunun negatif logaritması. ph = log[h + ] Saf suyun H + konsantrasyonu 10 7 M, ph = 7. Düşük ph, yüksek H + konsantrasyonuna yani yüksek asitliği gösterir.
Figure 2.16 ph Values of Some Familiar Substances
2.4 Su yaşam için neden önemlidir? ph biyolojik tepkimelerin hızını etkileyebilir ve moleküllerin 3 boyutlu yapısını değiştirebilir, bu da görevini etkiler. Organizmalar, doku ve hücrelerindeki ph değişimlerini en aza indirmek için çeşitli mekanizmalar kullanırlar.
2.4 Su yaşam için neden önemlidir? Canlı organizmalar iç koşullarını sabit tutar (homeostaz). Tampon çözeltileri sabit ph ayarlanmasında yardımcı olur. Bir tampon zayıf bir asit ve ona karşı gelen bazın çözeltisidir. HCO 3 + H + H 2 CO 3
Figure 2.17 Buffers Minimize Changes in ph