Введение в биохимию

Атомы
Ядро: протоны (+) и нейтроны
Электронное облако (-)

Для измерения массы молекул используется дальтон (атомная единица массы)
Нейтрон и протон почти одинаковы по массе (1.7*10-24 грамм, примерно 1 дальтон)
Атомное число = число протонов = число электронов в нейтральном атоме
Массовое число = число протонов + число нейтронов
Атомная масса в дальтонах приблизительно равна массовому числу

Найдите массовое и атомное число C, O, Ca

Изотопы
Атомы с одинаковым число протонов, но разным числом нейтронов
Радиоактивный изотоп – атом с нестабильным ядром, спонтанно распадающимся с выделением частиц и энергии
Позитронно-эмиссионная томография:
Яркое пятно показывает область с высоким содержанием радиоактивного изотопа глюкозы, что означает высокую метаболическую активность, признак раковых клеток

Энергетические уровни
Электроны обладают различной потенциальной энергией
Чем выше уровень, тем больше энергия

Период (строка в таблице) показывает число электронов на внешнем уровне
Эти электроны называются валентными

Электронные орбитали
Орбиталь – пространство, в котором электрон определенного энергетического уровня находится 90% времени
На одной орбитали могут находиться не больше 2 электронов

Ковалентная связь
Ковалентная связь – обобществление электронов

Ковалентная связь
Способность атома притягивать электроны – электроотрицательность
Неполярная ковалентная связь – между атомами одного элемента (электроотрицательность одинаковая)
Полярная ковалентная связь – между атомами разных элементов, электроны «оттягиваются» к более электроотрицательному

Ионная связь
Атомы настолько разные по своей электроотрицательности, что один забирает у другого электрон

Ионная связь
В результате возникают два иона: катион (положительно заряженный) и анион (отрицательно заряженный)
Из-за разницы зарядов они притягиваются, и формируется связь

Другие взаимодействия
Водородная связь: притяжение частично положительно заряженного водорода к электроотрицательному атому

Другие взаимодействия
Силы Ван-дер-Ваальса: электроны не всегда симметрично распределены по молекуле, они могут случайно скапливаться, из-за чего все атомы и молекулы могут притягиваться
Эти взаимодействия очень слабые и действуют только на очень малых расстояниях
Однако именно они позволяют геккону лазать по стенам

Гибридизация орбиталей
s-орбиталь и 3 p-орбитали, участвующие в ковалентной связи, могут совмещаться, формируя тетраэдр из гибридных орбиталей

Гибридизация орбиталей

Форма молекулы очень важна
Морфин может присоединяться к рецепторам натуральных эндорфинов

Химические реакции
Химические реакции приводят к образованию и разрыву химических связей

Почему вода так необходима для жизни на Земле?

Водородные связи
Свойства воды определяются во многом водородными связями

Когезия
Водородные связи делают воду более структурированной и сдерживают молекулы вместе

Когезия
Водородные связи делают воду более структурированной и сдерживают молекулы вместе
С когезией связано и высокое поверхностное натяжение воды

Большая теплоемкость
Существенное увеличение тепловой энергии вызывает лишь сравнительно небольшое повышение температуры воды, так как значительная часть энергии расходуется на разрыв водородных связей
Таким образом, вода может обеспечивать постоянство условий

Большая теплота испарения
Количество тепловой энергии, необходимой для перехода воды в пар, очень высоко
Энергия для испарения черпается из окружения, то есть испарение сопровождается охлаждением
Таким образом, отдача организмом даже больших количеств тепла сопровождается минимальными потерями воды

Плотность и замерзание
Вода – одно из немногих веществ, обладающих в жидком состоянии большей плотностью, чем в твердом
Благодаря этому, лед сначала формируется на поверхности

Вода как растворитель
Вода – превосходный растворитель для полярных (гидрофильных) веществ
Молекулы воды окружают ионы, отделяя их друг от друга и предоставляя возможность двигаться более свободно
Неполярные вещества вводе притягиваются друг к другу (гидрофобны), что важно для формирования мембран и определения структуры многих молекул

Диссоциация воды
В чистой воде концентрации H+ и OH- равны, но добавление некоторых веществ нарушает этот баланс

Водородный показатель
Кислоты увеличивают концентрацию H+, основания – концентрацию OH-
В любом водном растворе при 25°C произведение концентраций H+ и OH- равно 10-14
В нейтральном растворе они обе равны 10-7
pH = -log[H+] (степень, в которую нужно возвести 10, чтобы получить концентрацию H+)

Чем меньше pH, тем больше кислотность раствора

Углерод
Валентность – 4
Возможность образовывать огромное количество разных «скелетов»

Изомеры
Вещества с одинаковой молекулярной формулой, но разной структурой
Структурные, цис-транс изомеры и оптические изомеры (энантиомеры)