Основы химии

Лекция 1
Основы химии

Необходимость в биоинформатических методах обусловлена:
Накоплением знаний в различных областях биологии, необходимость в систематизации и обработке
2001-2003 Закончено секвенирование человеческого генома. Следующий этап – описание всех белков и их взаимодействий
Необходимость моделирования в процессе создания новых лекарств

Материя
Из чего сделаны живые организмы и Вселенная
Все что имеет массу и занимает место
Виды материи
Твердая – имеет определенный объем и форму
Жидкая – имеет определенный объем и меняющуюся форму
Газовая – имеет меняющуюся форму и объем

Энергия
Способность выполнять какую-либо работу
Типы энергии
Кинетическая – энергия в действии
Потенциальная – энергия позиции; неактивная энергия запаса

Формы энергии
Химическая – энергия, запасенная в химических связях
Электрическая – происходит в результате движения заряженных частиц
Механическая – прямо включена в движение материи
Электромагнетическая – энергия, передвигающаяся в виде волн (например, видимый свет, ультрафиолетовый свет, рентгеновские лучи

Трансформация энергии
Одна форма энергии может легко переходить в другую
В процессе такой трансформации, часть энергии может быть потеряна в виде «тепла»
Клетка – поддерживает внутреннюю упорядоченность как неизолированная система, выделяющая часть энергии в виде тепла

Состав материи
Элементы – уникальные вещества, которые не могут быть разрушены обыкновенными химическими способами
Атомы – более или менее идентичные составные части всех элементов
Одна или две латинские буквы обозначают каждый элемент

Свойства элемента
Каждый элемент имеет уникальные химические и физические свойства
Физические свойства – могут быть восприняты органами чувств
Химические свойства – описывают как атомы реагируют между собой

Основные элементы живой материи
Кислород (O)
Углерод (C)
Водород (H)
Азот (N)

Кислород (O)
Углерод (C)
Водород (H)
Азот (N)
Основные элементы живой материи (~95%)

Менее часто встречающиеся элементы
Составляют до 3,9% организма человека:
Кальций (Ca), фосфор (P), калий (K), сера (S), натрий (Na), хлор (Cl), магний (Mg), йод (I), железо (Fe)

Следовые элементы
Составляют менее 0,01%
Часто являются частями ферментов или ко-ферментов
Примеры: кобальт, медь

Структура атома
Ядро атома состоит из протонов и нейтронов
Нейтроны – не имеют заряда и имеют вес (массу) =1 amu
Протоны – имеют положительный заряд и вес = 1 amu
Электроны – вращаются вокруг ядра
Электроны – имеют отрицательный заряд и вес = 1/2000 массы протона (0 amu)

Модели атома
Планетная – электроны вращаются вокруг ядра по фиксированным орбитам i
Орбитальная (более точная) – участки вокруг ядра, где вероятность нахождения электронов повышена

Модели атома
Figure 2.1

Идентификация элементов
Номер атома – равен числу протонов
Вес атома – равен массе протонов и нейтронов
Атомная масса – среднее масс (веса) всех изотопов

Идентификация элементов
Изотоп – атомы с одинаковым количеством протонов и различным количеством нейтронов
Радиоизотопы – атомы, подвергающиеся спонтанному разложению, называемому радиоактивностью
Примеры – P31, P32, ….

Структура различных атомов
Figure 2.2

Изотопы водорода
Figure 2.3

Молекулы и вещества
Молекула – два или более атомов, соединенных химическими связями
Вещество – складывается из молекул

Смеси и растворы
Смеси – два или более компонента, смешанных физически (не связанных химическими связями)
Растворы – равномерные смеси веществ
Растворитель – присутствует в большем количестве
Растворенное вещество – присутствует в меньших количествах

Концентрация веществ
Молярность – количество молей на литр (M)
1 моль вещества = молекулярному весу (сумме весов всех его атомов) в граммах
Например, молекулярный вес NaCl=58:
22.99 + 35.45 = 58.44 grams/mole
50 M раствор - ?
%, или часть на 100 частей (например, 0,9% раствор NaCl– это?)

Коллоидные растворы и суспензии
Коллоидные растворы и эмульсии – гетерогенные смеси, где растворенные вещества не выпадают из раствора
Суспензии – гетерогенные смеси, где растворенные вещества заметно выпадают из раствора

Сравнение смесей и веществ
В смесях нет химических связей
Большинство смесей могут быть разделены физическими методами
Вещества – не могут быть разделены физически
Вещества – только гомогенные

Химические связи
Ядро атома окружено электронной оболочкой
Связи формируются с использованием электронов наиболее внешнего уровня
Валентная оболочка – внешний уровень, содержащий химически активные электроны
Валентность – количество химических связей, образуемых атомами данного вещества
Примеры - ….

Tипы химических связей
Ионная
Ковалентная
Водородная

Ионные связи
Ионы – это заряженные атомы, полученные путем потери или приобретения электронов
2 типа
Анионы – приобретают электроны
Катионы – теряют электроны

Образование ионных связей
Ионные связи образуются путем отдачи или приобретения одного и более электронов между двумя атомами
Ионные вещества образуют кристаллы вместо индивидуальных молекул
Пример: хлорид натрия (NaCl)

Образование ионных связей
Figure 2.5a

Кристалл NaCl (в отсутствии воды)
Figure 2.5b

Ковалентные связи
Ковалентные связи образуются совместным использованием одного и более электронов
Это образует молекулы, например С2Н5ОН

Образование ковалентных связей
Figure 2.7a

Двойные ковалентные связи
Figure 2.7b

Тройные ковалентные связи
Figure 2.7c

Полярные и неполярные молекулы
Электроны, равно поделенные между атомами, образуют неполярные молекулы
Электроны, неравно поделенные между атомами, образуют полярные молекулы
Атомы с 6-7 электронами валентной оболочки – электронегативные
Атомы с 1-2 электронами валентной оболочки - электропозитивные

Сравнение ионных, полярных ковалентных и неполярных ковалентных связей
Figure 2.9

Водородные связи
Слишком слабые, чтобы связать 2 атома вместе
Но часто встречающиеся в воде
Отвечают за поверхностное натяжение воды
Важны для образования 3-х мерных молекул (интра-молекулярные связи)

Водородные связи
Figure 2.10a

Гидрофильные молекулы

Гидрофобные молекулы

Химические реакции
Происходят, когда химические связи образуются, разрушаются или реорганизуются
Пишутся с использованием химических символов
Уравнение химической реакции содержит:
Номер и количество реагентов и названия продуктов реакции
Относительное количество реагентов и продуктов

Примеры химических реакций

Типы химических реакций
Реакции соединения: реакции синтеза, включающие образование химических связей
A + B → AB

Типы химических реакций
Реакции разложения: Молекулы разрушаются до более маленьких молекул
AB → A + B

Типы химических реакций
Реакции обмена: Связи образуются и разрушаются одновременно
AB + C → AC + B

Реакции окисления-восстановления
Вещества, теряющие электроны, называются электронными донорами и они ОКИСЛЯЮТСЯ
Вещества, принимающие электроны, называются электронными акцепторами, и они ВОССТАНАВЛИВАЮТСЯ
Важно в процессе генерации клеточной энергии – т.н. электронно-транспортная цепь

Перенос энергии в химических реакциях
Экзотермические реакции – реакции, которые выделяют энергию
Эндотермические реакции – реакции, в которых продукты реакции содержат больше энергии, чем реагенты

Обратимость в химических реакциях
Все химические реакции теоретически обратимы
A + B → AB
AB → A + B
Если не одно из направлений не доминантное, то устанавливается химическое равновесие

Факторы, влияющие на скорость химических реакций
Температура – химические реакции идут с более высокой скоростью при высоких температурах
Размер частиц – чем меньше частицы, тем быстрее идет реакция
Концентрация – чем больше концентрация, тем быстрее идут реакции

Факторы, влияющие на скорость химических реакций
Катализаторы – увеличивают скорость реакции, сами при этом не претерпевая химические изменения
Ферменты– биологические катализаторы

Биохимия
Органические вещества
Содержат углерод, ковалентные связи, и часто очень большие
Углерод может образовать 4 ковалентные связи и уникально подходит для создания больших молекул
Неорганические компоненты
Не содержат углерод
Вода, соли, многие кислоты и основания

Свойства воды
Высокая способность сохранять и выделять тепло
Высокая температура испарения
Полярный растворитель – растворяет ионные вещества, образует водородные связи с полярными молекулами и является основным транспортным средством в живых организмах
Живые существа на 70-90% состоят из воды, почему?

Свойства воды
Реактивность – участвует в реакциях гидролиза и дегидратации – важные реакции в метаболизме
Образует защитную «подушку» в некоторых органах

Соли
Содержат катионы (не H+) и анионы (не OH–)
Электролиты – проводят электрический ток

Кислоты и основания
Кислоты выделяют Н+ и следовательно являются донорами протонов
HCl → H+ + Cl –
Основания выделяют ОН- и следовательно являются акцепторами протонов
NaOH → Na+ + OH–
Примеры кислот и оснований

Концентрация кислот-оснований - pH
pH= - lg [H+], измерение кислотности раствора
Кислотные растворы имеют более высокое содержание H+ и следовательно более низкий рН
Основные растворы имеют более низкое содержание H+ и следовательно более высокий рН

pH
Кислота: pH 0–6.99
Основание: pH 7.01–14
Нейтральный раствор: pH 7.00
Figure 2.13

Буферные растворы
Растворы, удерживающие свое значение кислотности в ответ на значительные изменения pH в жидкостях организма

Осмос