Wiązania chemiczne

Wiązanie atomowe, czyli kowalencyjne, powstaje w wyniku uwspólnienia dwóch elektronów o spinie przeciwnym, po jednym od każdego atomu.

Wiązanie jonowe- powstaje w wyniku przeciągania elektrostatycznego odmiennych ładunków.

Siły Van der Waalsa- mają one głównie charakter elektrostatyczny.

Budowa cząsteczki wody:

-nieregularny tetraedr

- hybrydyzacja 2sp^3

-kąt między atomami wodoru a tlenem wynosi 105

- jest dipolem

Właściwości cząsteczki wody:

- charakter polarny,

- silne wzajemne powinowactwo między cząsteczkami,

-wysokie napięcie powierzchniowe (duże powinowactwo cząsteczek wody)

Właściwości wody cd:

- podstawowy składnik każdego żywego organizmu,

- czynne środowisko w wielu reakcjach biochemicznych (substrat lub produkt)

- duże możliwości oddziaływań,

- determinuje właściwości makrocząsteczek,

- duża wartość ciepła właściwego (75,42j/moloC)

- stabilizuje ciśnienie osmotyczne,

- uzyskuje największą gęstość w temperaturze 4st. Celsjusza,

- doskonały rozpuszczalnik dla cząsteczek polarnych (osłabia oddziaływania elektrostatyczne i wodorowe pomiędzy polarnymi cząsteczkami).

Zawartość wody w organizmach żywych:

- procentowa zawartość wody związanej i wolnej zależy od komórki, a u wielokomórkowców od gatunku, do którego należą:

- człowiek od 55 do 65% masy ciała- mężczyźni (mniejsza zawartość u osób otyłych), kobiety o 10% mniej średnio,

- płód (0.1-0.5kg)84-93%

- płód (0.5- 1kg) 79- 91%

- noworodek 60-82%

- dorosły 45-73%, od 10% w szkliwie zębów do 98% we krwi,

- zawartość wody zmienia się z wiekiem

Wiązanie wodorowe- Atom wodoru staje się wspólny dla dwóch innych atomów:

- donor wodoru- atom, z którym wodór jest ściśle związany,

- akceptor wodoru- drugi atom biorący udział w tworzeniu wiązania

Wiązanie wodorowe:

- O-H------N- -N-H-------O-

Tlen- donor wodoru azot- donor wodoru

Azot akceptor wodoru tlen- akceptor wodoru

W wiązaniach wodorowych, w organizmach żywych:

donorem wodoru jest atom tlenu lub atom azotu kowalencyjnie związany z atomem wodoru, akceptorem wodoru jest tlen lub azot.

Wiązanie wodorowe:

- słabe wiązania wodorowe- tworzące je atomy nie są ułożone w linii prostej

O

O-H /

Silne wiązania wodorowe- tworzące je atomy ułożone są w linii prostej

H

O-H……O CH3-CH3-0-H-----0

H

N-H-----0=C R R

C=0-----H-N

R R

Wiązanie koordynacyjne:

- tworząca je para elektronów pochodzi od jednego atomu- donoru

- akceptor uzupełnia swoją ostatnią powłokę elektronową do konfiguracji najbliższego gazu szlachetnego,

- Donor wskutek oddania własnej pary elektronów uzyskuje ładunek dodatni, akceptor uzyskuje ładunek ujemny.

Wiązanie koordynacyjne:

- donorami elektronów mogą być atomy lub jony bogate w elektrony walencyjne z przynajmniej jedną wolną para elektronów, np. azot, tlen, siarka, jon chlorkowy,

- akceptorami zazwyczaj są jony wodoru oraz atomy mające lukę oktetową.

Związki kompleksowe:

Jon centralny:

- najczęściej kationy metali takich jak żelazo, kobalt, nikiel, mangan oraz platynowce miedziowce i cynkowce,

- niemetale, które Torza jony kompleksowe będące resztami odpowiednich kwasów tlenowych.

Związki kompleksowe- ligandy

- Ligandy są to skoordynowane z atomem centralnym postawniki, czyli atomy, grupy atoów lub jony ujemne,

- otaczają one atomy centralne i dostarczają przynajmniej jedną wolną parę elektronów,

- Ligandy znajdują się w bezpośrednim otoczeniu jonu centralnego i są z nim połączone za pomocą wiązania koordynacyjnego.

- w ligandach atomami, które są dawcami elektronów najczęściej są atomy azotu, tlenu, siarki i węgla.

Związki kompleksowe:

Jon kompleksowy, w zależności od rodzaju atomu centralnego może być kationem, anionem, a może być także cząsteczką obojętną. Jeżeli część związku kompleksowego złożonego z jonu centralnego i ligandu jest obdarzona ładunkiem, czyli jest jonem, to sferę zewnętrzną tworza proste jony o przeciwnym znaku.

Związki kompleksowe- w przyrodzie:

-Do najważniejszych z nich zaliczamy kompleks żelazo-partirynowy. Jest on obecny w hemię hemoglobiny i mioglobiny.

Stereochemia

Izomery (gr. Isos-równy)- związki mające ten sam wzór sumaryczny, ale odmienne właściwości fizyczne i chemiczne.

Izomery są różnymi związkami, ponieważ mają odmienną strukturę cząsteczek.

CH3\ /H

C

CH3/ \H

CH3\ /H

C

H/ \CH3

Izomeria:

- konstytucyjna:

Izomery rówżnią się rodzajem i sekwencją wiązań kowalencyjnych:

1. Izomiera łańcuchowa.

2. Izomeria grup funkcyjnych

3. Izomeria położenia

- stereoizomeria:

Izomery posiadają identyczną konstytucję, ale różnią się przestrzennym rozmieszczeniem atomów

I. Izomeria konfiguracyjna:

1.Izomeria optyczna.

2.Izomeria geometryczna

II. Izomeria konformacyjna:

Układów łańcuchowych..

Układów cyklicznych.

III. Konfiguracja absolutna DiL

Izomeria konstytucyjna: izomery różnią się rodzajem i sekwencją wiązań kowalencyjnych:

1. Izomeria łańcuchowa- izomery tworzą łańcuchy proste i rozgałęzione

CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 CH3

\

CH- CH2-CH3

/

CH3

N-pentan izopentan

Izomeria konstytucyjna: izomery różnią się rodzajem I sekwencją wiążań kowalencyjnych.

2. Izomeria grup funkcyjnych- cząsteczka zawiera rózne grupy funkcyjne zbudowane z atomów tych samych pierwiastków.

H-C=O

|

H-C-OH

|

CH3OH aldehyd glikocerynowe

CH2OH

|

C=O

|

CH3OH dihydroksyaceton

Izomeria położenia- różne położenia podstawników w łańuchu lub pierścieniu

HO

\

OH2

H

H

|

OH

O

H OH

Stereoizomeria- poszczególn stereo izomery róznią się jedynie sposobem rozmieszczenia atomów w przestrzeni (przy identycznej kolejności łączenia się tych atomów ze sobą).

1. Stereoizomeria konfiguracyjna- izomery różnią się przestrzennym ułożeniem wiązań kowalencyjnych. Przekształcenie izomerów ma miejsce po zerwaniu wiązania kowalencyjnego.

2. Stereoizomeria konformacyjna- izomery różnią się wzajemnym położeniem grup funkcyjnych, które jest wynikiem rotacji podstawników wokół pojedynczego wiązania.

Czynność optyczna

Substancję określa się jako optycznie czynną, jeżeli wykazuje ona zdolność skręcania płaszczyzny polaryzacji światła.

Światło spolaryzowane jest to światło, którego drgania zachodzą tylko w jednej z wielu możliwych płaszczyzn (np. po przejściu przez soczewkę polaryzacyjną lub pryzmat Nicola).

Czynność optyczna:

Substancja prawoskrętna (+)- powoduje skręcenie płaszczyzny światła spolaryzowanego w prawo (zgodnie z kierunkiem wskazówek zegara).

Substancja lewoskrętna (-)- powoduje skręcenie płaszczyzny światła spolaryzowanego w lewo.

Enancjomery (gr. Enantio- przeciwny)- izomery będące wzajemnymi odbiciami lustrzanymi, które nie dają się na siebie nałożyć, czyli są chiralne. Różnią się one orientacją atomów w przestrzeni, należą więc do grupy stereoizomerów.

X

W Y

Z

Enancjomery- właściwości fizykochemiczne:

Enancjomery mają identyczne właściwości fizyczne z wyjątkiem kierunku skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego. Skręcalność jest dokładnie takiej samej wartości, ale w przeciwnych kierunkach.

Enancjomery wykazują identyczne właściwości chemiczne z wyjątkiem ich zachowania się w stosunku do optycznie czynnych reagentów (różna szybkość z optycznie czynnymi reagentami).

Izomeria geometryczna:

Izomery geometryczne są diastereoizomerami szczególnego rodzaju, różniącymi się względnym położeniem podstawników połączonych z atomami związanymi wiązaniem podwójnym lub połączonych z płaskim pierścieniem. Mogą tworzyć konfigurację:

- cis- podstawniki są usytuowane po tej samej stronie wiązania podwójnego lub pierścienia.

- trans- podstawniki znajdują się po przeciwnych stronach płaszczyzny wiązania podwójnego lub pierścienia.

Właściwości izomerów geometrycznych:

Izomery geometryczne mają takie same grupy funkcyjne i dlatego wykazują podobne właściwości chemiczne.

Właściwości te nie są jednak identyczne- związki te reagują z różną szybkością z tymi samymi reagentami.

Izomery geometryczne różnią się właściwościami fizycznymi:

- temperaturą topnienia,

- temperaturą wrzenia,

- wartościami współczynnika załamania światła,

- rozpuszczalnością

- gęstością

Podstawowe założenia:

Substancje organiczne mają atom węgla połączony z atomami wodoru, tlenu, azotu i inymi,

Komórki budują swoje makroskopowe składniki z małych cząsteczek zw. Organicznych.

Wiele cząsteczek węglowodanów tworzy polisachardy.

Lipidy rozpuszczają się w niepolarnych rozpuszczalnikach

Komórka używa węglowodanów i lipidów jako swego głównego źródła energii

Białka pełnią rózne funkcje tworząc struktury komórkowe, enzymy, przenośniki substancji i przeciwciała.

ATP jest kluczowym ZWM. Chemicznym z metabolizmie

DNA i RNA są podstawą trwania i reprodukcji białka

Jak komórki budują swoje składniki?

1. Mamy 5 rodzajów reakcji.

- Transfer grup funkcyjnych,

- transport elektronów

- przebudowa substancji,

-zagęszczanie i odwadnianie,

-hydroliza

2. Enzymy pośredniczą w wielu reakcjach i przyspieszają przebieg procesów biochemicznych.

Podstawą większości związków organicznych jest łańcuch węglowy, czyli atomy węgla układające się z w cząsteczce kolejne jeden za drugim. Do takiego łańcucha mogą się przyczepiać różne inne atomy lub grupy atomów. Każdy atom węgla jest czterowartościowy, co oznacza, że ma zdolność wytworzenia Wizan chemicznych z nawet 4 pierwiastkami. Dwa wiązania są czeto zajęte przez sąsiednie atomy węgla, mają więc po dwa wolne wiązania, by przyłączyć coś innego.

Jedynie skrajne atomy węgla w łańcuchu mają trzy wolne miejsca, by stworzyć 3 wiązania chemiczne.

| | | | |

-C-C-C-C-C-

| | | | |

Tworzenie zw. Organicznych:

Podstawowym atome, który przyłącza się do węgla jest wodór- H,

Jeśli cały łańcuch węglowy będzie otoczony tylko atomami wodoru, to będziemy mieć podstawowy związek organiczny należący do grupy węglowodorów.

CH3-CH2-CH2-CH2-CH3.

Takie szkielety węglowe o różnych długościach są podstawą do budowy różnych innych związków organicznych.

Zmiana któregoś z atomów wodoru na inny będzie tworzyć nową grupę związków.

Jedna z podstawowych możliwości jest zamiana wodoru- H na grupę -O-H.

W wyniku takiej zamiany powstają związki należące do grupy alkoholi.

Inną możliwością jest przyłączenie zamiast dwóch atomów wodoru jednego dwuwartościowego atomu tlenu=O.

Jeśli takie podstawienie znajduje się wewnątrz cząsteczki, mamy do czynienia z ketonami.

R1-CO-R2.

Jeśli natomiast podstawienie takie ma miejsce na jej końcu powstaje aldehyd.

R-CHO

Jeśli przy skrajnym atomie węgla przy jednym z atomów ulokuje się grupa -OH a na dwu pozostałych tlen- O, to powstaje bardzo ważna w biochemii grupa karboksylowa- COOH.

Obecność takiej grupy sprawia, że cząsteczka staje się kwasem. Zawierają ją prawie wszystkie kwasy organiczne, w tym również kwasy tłuszczowe.

Do łańcucha węglowego mogą się zasadniczo przyłączać najróżniejsze atomy i grupy chemiczne, tworząc różnorodne związki. Wiele z nich odgrywa ważną rolę w organizmie człowieka,

-grupa fosforanowe H2PO4

-aminowa NH2

Grupa fosforanowa:

- połączenie jej z łańcuchem węglowym tworzy tzw. Wiązanie wysokoenergetyczne.

- odłączenie się grupy fosforanowej połączone jest z wydzielaniem zgromadzonej w tym wiązaniu energii,

Związki posiadają taką grupę gromadzę energię do wykorzystania w rekcjach endoergicznych.

Jednym z najważniejszych takich związków wysokoenergetycznych jest kwas adenozynotrójfosforowy zwany z skrócie ATP= podstawowy przenośnik energii.

Jest on syntetyzowany w trakcie spalania białek, tłuszczów i węglowodanów, a następnie wykorzystywany w komórce do najróżniejszych celów: np. skurczu mięśnia czy syntezy innych związków chemicznych.

Biopolimery- monomery

Kwasy nukleinowe z nukleotydów

Białka z aminokwasów

Polisaharydy z cukrów prostych

Lipidy z kwasów tłuszczowych, ale to nie monomery

Białka:

Elementy strukturalne

Enzymy

Białka mięsni:

-hemoglobina

Węglowodany:

Paliwo komórkowe,

Magazyn energii,

Składnik strukturalny ścian komórkowych u roślin,

Składnik innych związków, takich jak: kwasy nukleinowe i glikoproteiny

Lipidy:

Magazyn energii,

Paliwo komórkowe,

Składniki strukturalne komórek,

Zapewniają izolację termiczną

Kwasy nukleinowe:

Przechowywanie, przekazywanie i ekspresja informacji genetycznej.

Aminokwasy: Budowa chemiczna:

- RCH(NH2)COOH

- 4000 w organizmach żywych- 20 to monomery białek.

- Aminokwasy białkowe- żróznicowana budowa łańcucha bocznego (właściwości)

Zróżnicowany kształt, ładunek elektryczny, zdolność do tworzenia wiązań wodorowych oraz reaktywność chemiczną.

Podział I aminokwasów:

- Alifatyczne: G, A, V, L, I

- Aromatyczne: F,Y, W

- Zawierające sierkę: M,C

- Zasadowe: N, K,H

- Kwasowe i ich pochodne E, Q,D,N

- Amina II-rzędowa P

-charakter łańcuchów: hydrofilowe i hydrofobowe,

-róznica w ładunach: polarne i niepolarne,

-funkcja- egzogenne i endogenne

Właściwości fizyko-chemiczne aminokwasów:

-optycznie czynne- (zawierają węgiel aromatyczny= mają centrum chiralności- wyj. Glicyna)

- jony objoniacze (dwubiegunowe) w roztworze o pH obojętnym jako sustancje amofeteryczne,

Pl= punkt izoelektryczny

Reakcja ninhydrynowa

Normalnie nie absorbują światła (wyj, aromatyczne- ultrafiolet)

Nielotne krystaliczne ciała stałe

Wysoka temperatura topnienia,

Rozpuszczalne w polarnych rozpuszczalnikach, a nierozpuszczalne w niepolarnych,

Duży moment dipolowy,

Połączenia: aa + alkohol= ester,

Aa + amna+ amid

Aa + inny kwas karboksylowy= amid

Pod wpływem kwasu azotowego ulegają dezaminacji, wydzielając azot cząsteczkowy

Sustancjie prekursorowe dla bardzo wielu ważnych reakcji biologicznie związków, różnych od białek i peptydów: witaminy, koenzymy, alkaloidy, porfiryny, puryny, pirymidyny.

Antybiotyki, neurotransmitery, barwniki i hormony.

Otrzymywanie aminokwasów:

- z kwasów karboksylowych,

- z aldehydów w wyniku addycji nukleofilowej amoniaku i nastepnie HCN

Podstawowe reakcje:

Reaktywność chemiczna aminokwasów wynika przede wszystkim z obecności w ich cząsteczkach funkcyjnych grup karboksylowej i aminowej.

Reakcje grupy kwasowej:

- aminokwasy podobnie jak kwasy karboksylowe tworzą poprzed podstawienie grupy OH w grupie karboksylowej estry, amidy, chlorki kwasowe.

Reakcje grupy aminowej:

Grupa aminowa aminokwasów ulega wszystkim charakterystycznym reakcjom dla amin.

Alkilowanie

Acylowanie

H

OH H

---