חומצות ובסיסים
Transcription
חומצות ובסיסים
חומצות ובסיסים הגדרות הידרידים תרכובות המכילות שני יסודות בלבד ,כאשר אחד היסודות הוא מימן. דוגמאות: – LiH , CaH2 , AlH3 .1הידרידים של מתכות – H2S , PH3 .2הידרידים של אל-מתכות נחזור אל ההידרירים החביבים בהמשך הסמסטר .בינתיים אפשר לשכוח מהם תחמוצות תרכובות המכילות שני יסודות בלבד ,כאשר אחד היסודות הוא חמצן. דוגמאות: – CaO , Na2O , Al2O3 .1תחמוצות של מתכות – N2O5 , H2O .2תחמוצות של אל-מתכות חומצות .1תרכובת של תחמוצת אל-מתכת +מים ()H2O דוגמאות: א .חומצה גופרתית( :חומצה) ( ↔ H2SO4מים) ( + H2Oתחמוצת אל-מתכת) S2O ב .חומצה זרחתית( :חומצה) ( ↔ 2H3PO4מים) ( + 3H2Oתחמוצת אל-מתכת) P2O5 .2חומצה היא תרכובת המסוגלת לחשרר בתמיסה מימית יוני מימן ()H+ דוגמאות: א .חומצת מלח HClמסוגלת לשחרר יון אחד של ,H+ומתקבלת שארית החומצה ,יון הכלור Cl- ב .חומצה גופרתית H2SO4מסוגלת לשחרר שני יוני ,H+ומתקבלת שארית החומצה: היון הגפרתי So4-2 ג .חומצה זרחתית H3PO4מסוגלת לשחרר שלושה יוני ,H+ומתקבלת שארית החומצה :היון הזרחתי PO4-3 בתמיסה מימית ניתן להשמיט את המים ולרשום את פירוק החומצה כך: ( .1שארית חומצה) ( + Cl-יון מימן) ( ↔ H+חומצה) HCl ( .2שארית חומצה) ( + NO3-יון מימן) ( ↔ H+חומצה) HNO3 1 למעשה ,יוני המימן המשתחררים בתמיסה המימית יוצרים תגובה עם המים לקבלת יון הידרוניום ושארית החומצה ,כך שהתגובה האמיתית נראית כך: ( .1שארית חומצה) ( + Cl-יון הידרוניום) ( ↔ H3O+מים) ( + H2Oחומצה) HCl ( .2שארית חומצה) ( + NO3-יון הידרוניום) ( ↔ H3O+מים) ( + H2Oחומצה) HNO3 תכונות: חומצה גופרתית וזרחתית משנות צבע צמחי (למשל בנייר לקמוס) מכחול לאדום שם החומצה חומצת מלח חומצה גפרתית חומצה גפריתית חומצה זרחתית חומצה חנקתית חומצה פחמתית חומצת חומץ (אצטית) חומצה היפוכלורית נוסחה HCl H2SO4 H2SO3 H3PO4 HNO3 H2CO3 CH3COOH HCIO נוסחה ClSO4-2 SO3-2 PO4-3 NO3CO3-2 CH3COOClO- שארית החומצה יון כלור (כלוריד) יון גפרתי יון גפריתי יון זרחתי יון חנקתי יון פחמתי יון אצטט יון היפוכלורי בסיסים .1תרכובות של תחמוצת מתכתית +מים דוגמאות: א .בסיס הנתרן( :בסיס) ( ↔ NaOHמים) ( + H2Oחומצה מתכתית) NaO ב .בסיס הסידן( :בסיס) ( ↔ Ca(OH)2מים) ( + H2Oחומצה מתכתית) CaO .2חומר המשחרר בתמיסה מימית יוני הידרוקסיד ()OH- דוגמאות: ( .1שארית בסיס) ( + 2Naיון הידרוקסיל) ( ↔ OH-בסיס) 2NaOH בתגובה עם חומצה נוצר מלח משאריות החומצה והבסיס (יוני H+ו OH--יוצרים מים) ( .2שארית בסיס) ( + Ca2יון הידרוקסיל) ( ↔ 2OH-1בסיס) Ca(OH)2 בסיסים משנים את צבעו של צבע צמחי (לדוגמא לקמוס) מאדום לכחול הנוסחה NaOH KOH Mg(OH)2 Ca(OH)2 Al(OH)3 NH3 שם הבסיס בסיס הנתרן \ נתרן הידרוקסידי בסיס האשלגן \ אשלגן הידרוקסידי בסיס המגנזיום \ מגנזיום הידרוקסידי בסיס הסידן \ סידן הידרוקסידי בסיס האלומיניום \ אלומיניום הידרוקסידי אמוניה 2 משוואת שווי המשקל של המים .1מים טהורים אינם מכילים מומסים. .2הפרוק ליונים (הדיסוציאציה) של המים הוא מועטH2O ↔ H + OH : .3לפיכך ,במים טהורים ריכוזיהם של יוני המימן ויוני ההידרוקסיל שווים זה לזה - + .4בטמפ' של 25מעלות צלזיוס ,הריכוז של כל אחד יהיה .5מכפלת הריכוזים של יוני המימן וההידרוקסיל במים ובתמיסות מימיות מהולות הוא גודל קבוע ,Kw ,הנקרא קבוע הדיסוציאציה .6בטמפרטורה של 25מעלות צלזיוס: .7מתוך משוואה זו ניתן להוציא כי בכל תמיסה מימית מכפלת הריכוזים תמיד קבועה, כלומר החזקות של הריכוזים צריכות להיות תמיד שוות -14 ריכוז OH- 10-7M 10-6M 10-11M ריכוז H+ 10-7M 10-8M 10-3M רמת חומציות ()PH .1 .2 .3 .4 קביעת החומציות או הבסיסיות של תמיסה נעשית בהשוואה למים טהורים. מדידות שבוצעו גילו כי מים מזוקקים עוברים תהליך פירוק (דיסוציאציה) לפי הנוסחה הבאה2H2O ↔ H3O+ + OH- : מאחר וכאמור ,במול אחד של מים בטמפרטורה של 25מעלות צלזיוס יש 10-7Mיוני ( H3O+או פשוט )H+ומספר שווה של יוני .OH- שינוי בריכוז יוני המימן ( )H+יקבע את רמת החומציות של התמיסה ,על פי pH = -log[H+] / הנוסחאות הבאות[H+] = 10-pH : 3 הרחבה :מה זה ה log-הזה? .1 .2 .3 .4 .5 לוגריתם (או בקיצור )logהוא פונקציה מתימטית ההפוכה לחזקה. ללוגריתם יש תמיד בסיס ( ,)bומספר שעליו מפעילים את הלוגריתם (.)x תוצאת הפונקציה היא החזקה שבה יש להעלות את ( bהבסיס) כדי לקבל את x (המספר עליו מפעילים את האלגוריתם). אם לא מצוין מהו הבסיס של ה ,log-ברירת המחדל היא בסיס .10זהו הבסיס שבו משתמשת פונקצית ה log-במחשבון ,וזהו גם הבסיס שעימו מחשבים בכימיה. איך משתמשים בזה במחשבון? א .מכניסים את המספר שעליו נרצה להפעיל ( logובנוסחא שלנו ,זה יהיה תמיד ריכוז יוני המימן). y ב .מעלים אותו בחזקה המתאימה ע"י שימוש במקש ( Xשימו לב שלפעמים צריך להכניס את החזקה לסוגריים כי היא שלילית וזה עשוי להרוס את החישוב). ג .לוחצים logוקיבלנו תוצאה שלילית .נהפוך אותה לחיובית ונקבל את רמת הpH- בתמיסה המדוברת. הגדרות .1 .2 .1 .2 בתמיסות חומציות בהן ריכוז יוני המימן הוא יותר מ ,10-7M-יהיה ה pH-קטן מ.7- תמיסות שבהן ריכוז יוני המימן גדול מריכוז יוני הידרוקסיל הן חומצות. דגש :החזקה היא שלילית ,ולכן ככל שהיא קטנה יותר ,המספר גדול יותר! בתמיסות בסיסיות בהן ריכוז יוני המימן הוא פחות מ ,10-7M-יהיה ה pH-גדול מ.7- תמיסות שבהן ריכוז יוני ההידרוקסיל גדול מריכוז יוני המימן הן בסיסים. דגש :החזקה היא שלילית ,ולכן ככל שהיא קטנה יותר ,המספר גדול יותר! תמיסות חומציות או בסיסיות נוצרות מהרכב של בסיס חזק וחומצה חלשה או להיפך. בתמיסה נייטרלית (מים ,מלח של חומצה חזקה ובסיס חזקה או חומצה חלשה ובסיס חלש) ה.pH=7- תרגול נתונים ריכוזי H+או .OH-קבע אם התמיסה היא חומצית או בסיסית וסדר אותן על פי סדר חומציות עולה: [OH-] = 10-8 [OH-] = 10-9 [H+] = 10-9 [OH-] = 10-7 [OH-] = 10-11 [OH-] = 10-5 [H+] = 10-7 [H+] = 10-2 [H+] = 10-13 מערכת חומצה-בסיס .1כאמור ,בתגובה עם מים חומצות עוברות תהליך של פירוק (דיסוציאציה) ליונים :יון מימן חיובי H+מתנתק מהחומצה ומתרכב עם המים ליצירת יון הידרוניום .2אם נסמן חומצה באופן כללי כ ,HA-ניתן לרשום את התהליך כך: HA + H2O ↔ H3O+ + Aאו HA ↔ H+ + A-4 .3היון A-שנותר מפירוק החומצה נקרא הבסיס המצומד של החומצה דוגמאות א( .חומצה מצומדת) ( + H3O+בסיס מצומד) ( C2H3O2-בסיס) ( + H2Oחומצה) HC2H3O2 ב( .חומצה מצומדת) ( + H2Oבסיס מצומד) ( CO3-2חומצה) ( + HCO3-בסיס) OH- .4נשים לב שמים יכולים לשמש גם כבסיס וגם כחומצה ,תלוי בחומר המומס. .5פעילות חומצית מותנית בנוכחותו של חומר בסיסי במערכת (בסיס = חומר ששואף לקבל פרוטון) .6פעילות בסיסית מותנית בנוכחותו של חומר חומצי במערכת (חומצה = חומר השואף למסור פרוטון) סוגי חומצות ובסיסים .1מידת החוזק של החומצה נקבעת לפי מידת הפירוק (דיסוציאציה) שלה: א .חומצה חזקה :חומצה אשר יש לה שאיפה חזקה למסור פרוטון למולקולה אחרת ,ולכן מתפרקת לגמרי – בתמיסה יהיו רק תוצרים. חומצה חזקה – 011%דיסוציאציה HA H+ A- דוגמאותH2SO4 , HNO3 , HCL , KOH , NaOH : ב .חומצה חלשה :חומצה אשר כמעט ולא משחררת פרוטונים ,ולפיכך כמעט ואינה מתפרקת – בתמיסה יהיו גם מגיבים וגם תוצרים. 5 חומצה חלשה – דיסוציאציה חלקית בכל נקודת זמן רק חלק מהמולקולה תהיה מפורקת ליונים HA H+ A- דוגמאותCH3COOH , NH4OH : ג .בסיס חזק :בסיס אשר יש לו שאיפה חזקה לקבל פרוטון. ד .בסיס חלש :בסיס אשר כמעט ואינו מקבל פרוטונים .בתמיסה יהיו גם מגיבים וגם תוצרים. + .2במערכת שבה החומצה היא חומצה חזקה ,אשר משחררת בקלות פרוטונים ( ,)H הבסיס המצומד יהיה בסיס חלש ,אשר שאיפתו לקבל פרוטון היא קטנה. .3במערכת שבה החומצה היא חומצה חלשה ,המשחררת בקושי פרוטונים ,הבסיס המצומד יהיה בסיס חזק ,אשר שאיפתו לקבל פרוטון היא גדולה. תגובת חומצה-בסיס :שיווי משקל דינאמי .1ניקח את הדוגמא הקודמת לתגובה כלליתHA ↔ H+ + A- : .2 .3 .4 .5 החץ הוא דו כיווני משום שהתגובה מתרחשת ללא הרף בשני הכיוונים לפיכך ,לא חלים שינויים בריכוזי החומרים במערכת במצב שיווי משקל דינאמי מהירות הריאקציה בכיוון אחד שווה למהירות הריאקציה בכיוון השני שני התהליכים מתקיימים במקביל :דיסוציאציה והרכבה של התוצרים קבוע שיווי משקל .1מהירות הריאקציה נמצאת ביחס ישר למכפלת הריכוזים של המגיבים בריאקציה .2כלומר ,ככל שיש יותר בסיס\חומצה ,קצב הפירוק שלה ליונים יהיה מהיר יותר ,וככל שיש יותר תוצרי פירוק ,קצב תגובת החיבור שלהם בחזרה לחומצה/בסיס המקוריים מהיר יותר. 6 .3קבוע שיווי המשקל ( )Kהוא קבוע הדיסוציאציה של התגובה – הוא מייצג את היחס בין ריכוזי התוצרים לריכוזי המגיבים .לפיכך (בהתאם לסעיף )2הוא מייצג את היחס בין קצב חיבור היונים לבין קצב הפירוק ליונים: .4הקבוע נמצא ביחס הפוך לחוזקה של החומצה: א .ככל שהקבוע נמוך יותר ,כך היינון (הפירוק ליונים) מועט יותר ,ומדובר בחומצה חלשה יותר. ב .ככל שהקבוע גבוה יותר ,היינון הוא גבוה יותר ,ולפיכך מדובר בחומצה חזקה יותר. .5לא לשכוח שריכוזים תמיד יימדדו ביחידות של מול לליטר! ריכוז חומצה\בסיס במים הגדרות .1חומצות חד-פרוטיות :במולקולה שלהן רק מימן אחד .לדוגמאHCl : .2חומצות רב-פרוטיות :במולקולה שלהן יותר ממימן אחד .לדוגמאH2SO4 : .3בסיס חד-הידרוקסיד :במולקולה קבוצה הידרוקסידית אחת .לדוגמאNaOH : .4בסיס רב-הידרוקסיד :במולקולה יותר מקבוצה הידרוקסידית אחת .לדוגמאAl(OH)3 : ריכוז חומצה\בסיס במים .1הריכוז של יוני חומצה חד-פרוטית שווה לריכוזו המולרי של פרוטון המימן במים. .2הריכוז של יוני בסיס חד הידרוקסיד שווה לריכוזו המולרי של יון ההידרוקסיד במים. חישוב קבוע שיווי משקל – דוגמא נתונה תמיסה של חומצה כלשהי בריכוז ,0.25Mבעלת pHשל .2.72מהו קבוע שיווי המשקל של התגובה? התגובה תהיה .XH ↔ X- + H+ :הנוסחא לקבוע שיווי משקל: ידוע לנו ריכוז החומצה הראשוני ( ,)0.25וידוע לנו ה pH-של התמיסה. דרך ה pH-נחשב את ריכוז יוני המימן והחומצה המצומדת בתמיסה .כעת אנו יודעית שריכוז החומצה הוא הריכוז הראשוני פחות הריכוז של יוני המימן והחומצה המצומדת (מאחר וכל מולקולת חומצה שהתפרקה הפכה ליון מימן ולמולקולת חומצה מצמודת). אז אם ריכוז יוני מימן \ חומצה מצומדת (לשים לב שזהו אותו ריכוז!!!) ידוע דרך חישוב ה- ,pHנכפיל את הריכוז בעצמו (ריכוז יונים Xריכוז חומצה מצומדת) ונחלק בריכוז הראשוני ( )0.25פחות ריכוז יוני המימן) ונקבל את קבוע שיווי המשקל. 7 תגובת סתירה\ניטרול הגדרה :תגובה של בסיס עם חומצה ,בה נוצרים מים ומלח. דוגמא :תגובת הסתירה של מימן כלורי ונתרן הידרוקסידיHCl + NaOH H2O + NaCl : .1רק יוני המימן וההידרוקסיד משתתפים בתגובה (בדוגמא -יוני הנתרן והכלור לא משתתפים) + .2כדי לסתור חומצה דרושים ריכוזים שווים של יוני Hושל OHהמשתחררים מהחומצה ומהבסיס המגיבים .3כלומר ,בנקודת הסתירה מתקיים שווין ריכוזים בין HClו( NaOH-בדוגמא זו) .4לכן מתקיים MoleHCl = MoleNaOH :ומאחר ש( -נפח) ( X VLריכוז) Mole = Mאז: .5 Macid X Vacid = Mbase X Vbase דוגמא לחישוב נפחים איזה נפח של תמיסת NaOHבריכוז 0.5Mיש להוסיף ל 150-מ"ל תמיסת 0.1M HClכדי להגיע לסתירה מלאה? נשתמש בנוסחאMacid X Vacid = Mbase X Vbase : ידוע לנו נפח החומצה ( 150מ"ל) והריכוז שלה ( .)0.5Mידוע גם ריכוז הבסיס ( .)0.5Mנציב בנוסחא ונקבל ש0.5 X 150 = 0.5 X Vbase- תמיסת בופר (תמיסה מתריסה) .1בופר ( – Bufferמתריס) הוא תמיסה המתנגדת לשינוי ברמת החומציות שלה ,כלומר לשינוי בריכוז יוני ההידרוניום \ מימן .2תמיסה זו מסולגת לשמור על pHקבוע בפני שינויים בעת הוספת כמויות לא גדולות של בסיס או חומצה .3תמיסת בופר יכולה להתקיים בשני הרכבים: א .חומצה חלשה והבסיס המצומד של החומצה דוגמא :תמיסה המכילה חומצה אצטית ( - )COOH3CHשהיא חומצה חלשה -ויוני אצטט ( – )COO3CH-שהם הבסיס המצומד של החומצה. או ב .בסיס חלש והחומצה המצומדת של הבסיס (פחות נפוצים) איך פועלת תמיסת הבופר? .1בבופר יהיה ריכוז שווה של החומצה ושל הבסיס המצומד (או של הבסיס והחומצה המצומדת). 8 .2אם תחול ירידה בכמות יוני ההידרוניום (כתוצאה מסתירה על ידי בסיס ,לדוגמא) ,על מנת שקבוע שיווי המשקל יישאר קבוע ,יצטרך לרדת גם ריכוז החומצה (מכיוון שהחומצה נמצאת במכנה וריכוז היונים במונה). .3ברגע שהתמיסה תתפרק ,יווצרו עוד יוני הידרוניום והריכוז יחזור למצבו המקורי. .4כמובן שהדבר אפשרי רק עד גבול מסוים – לכן בגרף שמייצג את ה pH-כפונקציה של נפח הבסיס שמתווסף לתמיסה ,הוספת הבסיס תשנה את ה pH-לאט מאוד (כל עוד הבופר יעיל) וברגע שעוברים נקודה זו – ה pH-עולה בבת אחת. מערכות בופר בטבע .1רוב האורגניזמים דורשים קביעות יחסית של התנאים בסביבת חייהם ,הן בתוך התאים והן מחוץ לתאים. .2בגוף האדם מערכות בופר המאפשרות שמירה על ה pH-הקבוע בדם: א .מערכת הנשימה :ה CO2-הנפלט מהרקמות מומס במים כך שנוצרת חומצה פחמתית( :חומצה פחמתית) ( ↔ H2CO3מים) ( H2Oפחמן דו חמצני) CO2 ב .החומצה הפחמתית עוברת דיסוציאציה ומתפרקת ליוני מימן וליוני פחמה (ביקרבונט)( :ביקרבונט) ( + HCO3-יוני מימן) ( ↔ H+חומצה פחמתית) H2CO3 ג .יוני הביקרבונט יכולים להתנהג כחומצה (נטייה לשחרר יון מימן בסביבה מימית) או כבסיס (נטייה לקבל יון מימן בסביבה מימית). )1כשיתנהגו כחומצה יהפכו לCO3-2- )2כשיתנהגו כבסיס יהפכו לH2CO3+- היבטים רפואיים .1שני הגורמים העיקריים בגוף האדם שמעוברים במאזן החומצי בסיסי הן מערכת הנשימה והכליות ,ששניהם משפיעים על ריכוז יוני הביקרבונט בדם ,שמשפיעים בתורם על רמת החומציות של הדם. 9 .2מערכת הנשימה אחראית על פינוי הפחמן הדו חמצני ,שככל שהוא נמצא יותר בדם, עולה חומציותו של הדם. .3הכליות אחראיות על פינוי יוני הביקרבונט ,וככל שיפנו אותם בקצב מהיר יותר ,יירד ריכוזם בדם והדם ייהפך לחומצי יותר ( pHיירד). .4קיימות 4קטגוריות עיקריות של הפרעה במאזן החומצי בסיסי בתהליך הנשימה: א .חמצת נשימתית :מאופיין בקצב נשימה איטי ,שכתוצאה ממנו חלה ירידה בפינוי הפחמן הדו חמצני מהריאות ,ולפיכך הוא מצטבר בדם ,ומוריד את ה( pH-הופך את הדם לחומצי יותר). על מנת להתמודד ,קיים פיצוי כלייתי של ספיגה חוזרת של יוני הביקרבונט בכליות ,מה שגורם לדם להפוך לבסיסי יותר (מעלה את ה.)pH- ב .בססת נשימתית :מאופיין בקצב נשימה מהיר ,הגורם לפינוי מגובר מדי של פחמן דו חמצני ,ולפיכך לעלייה ב( pH-הופך את הדם לבסיסי יותר) .מצב זה מאופיין בד"כ כהיסטריה. על מנת להתמודד ,קיים פיצוי כלייתי של הפרשה מוגברת של ביקרבונט מהכליות ,מה שגורם לדם להפוך לחומצי יותר ומוריד את ה.pH- ג .חמצת מטבולית :הצטברות של חומצות לא נדיפות עקב הגברה בפינוי הכלייתי של ביקרבונט ,מה שגורם לירידה ב( pH-עלייה בחומציות הדם). כתוצאה מכך יהיה פיצוי נשימתי שיגרום לפליטה מוגברת של פחמן דו חמצני, לפיכך יהיה פחות פחמן דו חמצני בדם ,ה pH-יעלה והדם יהפוך פחות חומצי. ד .בססת מטבולית :ירידה בכמות החומצות הלא נדיפות בדם ,עקב עליה בספיגה החוזרת של ביקרבונט בכליה ,מה שגורם לעלייה ב pH-בדם (ירידה בחומציות הדם). כתוצאה מכך יהיה פיצוי נשימתי של פליטה מוקטנת של פחמן דו חמצני .לפיכך, יהיה יותר פחמן דו חמצני בדם ,שיעלה את חומציות הדם ויוריד את ה.pH- מבוא לכימיה אורגנית הגדרות .1חומרים אנ-אורגניים :חומרים מן הטבע הדומם (מינרלים ,מלחים ,מתכות וכו'). .2חומרים אורגניים :חומרים שניתן להפיק מהחי והצומח (שומנים ,סוכרים וכו'). א .תרכובות אורגניות מכילות את יסודות הפחמן ( ,)Cמימן ( ,)Hויסודות נוספים כגון חמצן ( ,)Oחנקן ( )Nוסולפור (.)S ב .היסוד המרכזי בתרכובות אורגניות הוא הפחמן ,ולכן כימיה אורגנית מוגדרת ככימיה של תרכובות הפחמן. 11 קביעת הרכב תרכובת אורגנית .1קביעת הרכב תרכובת אנ-אורגנית מתבצעת בד"כ הודות להפרדת יונים באלקטרוליזה. .2לעומת זאת ,קביעת הרכב תרכובת אורגנית מחייבת פיענוח פיזיקלי של קבוצות היסוד הבונות את המולקולה כולה .דרך אפשרית היא על ידי אנליזת יסודות :שורפים תרכובת אורגנית בנוכחות חמצן ,ועל פי שקילת תוצרי הבעירה ( CO2ו (H2O-ניתן למדוד את כמות כל יסוד בתרכובת שנשרפה). .3קיימות מספר שיטות להציג מבנה של תרכובת אורגנית: א .נוסחא אמפירית :מציינת את היחסים המספריים הבסיסיים בין האטומים בחומר, אך לא בהכרח את המספר האמיתי של כל אטום במולקולה של החומר. ב .נוסחא מולקולרית :מציינת את המספרים האמיתיים של האטומים במולקולה, ומספקת מידע על מבנה המולקולה. ג .נוסחת מבנה :מתארת את מבנה המולקולה בדו-מימד .כל קו מתאר קשר בין אטומים .ישנן גם תמונות תלת-מימדיות של מולקולות. דוגמא :מולקולה של מי חמצן מורכבת משתי מולקולות מימן ושתי מולקולות חמצן .הנוסחא האמפירית של מי חמצן תהיה ( HOיחס 1:1בין האטומים) ,בעוד שהנוסחא האמפירית תהיה ( H2O2כמות מדויקת של אטומים במולקולה) .נוסחת המבנה תיראה כך: ייחודו של אטום הפחמן .1 .2 .3 .4 .5 .6 .7 רוב היסודות בטבע נוטים האטומים להתקשר יותר לאטומים מסוגים שונים. אטומי הפחמן נוטים להתקשר זה עם זה בצורות שונות. הקשרים בין אטומי הפחמן הינם קוולנטיים וחזקים ביותר. הקשר בין אטומי הפחמן לאטומים אחרים (מימן ,חמצן ,חנקן) הוא קוולנטי גם כן. לפיכך ,תרכובות אלה הם לא אלקטרוליטיים ואין להם נטייה להתפרק ליוניים. ההתקשרות של אטומי הפחמן עם אטומי מימן יוצרת מולקולה מאוזנת ללא מטען. חשוב :כל אטום פחמן מסוגל ליצור ארבעה קשרים כימיים!!! סוגי קשרי פחמן .1 .2 .3 .4 .5 טטראדר :מבנה תלת מימדי של אטום מרכזי שאליו קשורים ארבעה אטומים. פירמידה :מבנה תלת מימדי של אטום מרכזי שאליו קשורים שלושה אטומים. זווית :מבנה דו מימדי של אטום מרכזי שאליו קשורים שני אטומים. משולש :מבנה דו מימדי של אטום מרכזי שאליו קשורים שלושה אטומים. צורה קווית :מבנה חד מימדי שבו אטום מרכזי יוצר קשר יחיד ,כפול או שני קשרים. האלקאנים ( :)Alkanesפחמימנים רוויים .1כאמור ,אטומי פחמן רבים מסוגלים להתקשר ביניהם לשרשראות ,וליצור סידרה שלמה של פחמימנים. 11 .2תרכובות אורגניות הבנויות רק מפחמן ומימן נקראות פחמימנים. .3 הנוסחא הכללית לפחמימנים היא CnH2n+2 .4 .5 .6 הפחמימנים מכילים קשרי פחמן-פחמן יחידים ומימנים בלבד שרשרת הפחמימנים היא רוויה ) (Saturatedבאטומי מימן כאמור ,הקשרים בין הפחמנים למימנים הינם קוולנטיים ,ולכן מדובר במולקולות יציביות מבחינה אנרגטית. שמות האלקינים: א .מתאן CH4 :מת ב .אתאן C2H6 :האתרוג ג .פרופאן C3H8 :של הפרופסור ד .בוטאן C4H10 :לבטוניקה ה .פנטאן( C5H12 :פנטגרם = )5פנטסטי ו .הקסאן( C6H14 :הקסגון = )6הקסילופון ז .הפטאן( C7H16 :הפטגון = )7הפטתי שלך ח .אוקטאן( C8H18 :אוקטגון \ אוקטופוס = )8אוקטובר ט .נונאן( C9H20 :ניין = )9נובמבר י .דקאן( C10H22 :דצימל \ )10 = Decimelדצמבר .7 מתמיר מתמיר הוא אלקאן החסר מימן ,ויש לו יסוד או קבוצה אחרת במקום המימן הזה .מתמיר נקרא אלקיל ,ולכן ייקרא באותו שם כמו האלקאן ,אלא עם סיומת 'יל' :מתיל ,פרופיל ,בוטיל... שינוי בשם יהיה רק לתוספת ,כלומר למתמיר – שמתחבר על השרשרת הגדולה ,שעדיין תקבל (בהתאם לדגשים שיוסברו בהמשך) סיומת אן... איזומרים וקונפורמציות של תרכובות הפחמן .1איזומרים הם חומרים בעלי נוסחה מולקולרית זהה ,אך נוסחת מבנה שונה .כלומר, במקום שכל הפחמנים יתחברו זה לזה בשורה ,אחד מהפחמנים בשרשרת יהיה מחובר לאחד הפחמנים במרכז השרשרת. .2קונפורמציות הם סידורים שונים של המולקולה במרחב הנובעים מסיבוב סביב קשר יחיד. מתן שמות לאלקאנים .1 .2 .3 .4 .5 מוצאים מהי השרשרת הקווית הארוכה ביותר – זהו השלד הפחמני (כל שאר הפחמנים הם מתמירים). על פי מספר הפחמנים בשרשרת ,קובעים את שם השלד הפחמני. ממספרים את פחמני השלד מהצד הקרוב למתמיר. מציינים את שם המתמיר (אלקיל )Methane Methyl :ולפניו את מספר הפחמן שאליו הוא מחובר. כאשר ישנם שני מתמירים זהים נוסיף קידומת ,diכאשר יש שלושה ,triארבעה ,tetraולפניהם את מספרי הפחמנים שאליהם הם מחוברים = dimethyl, trimethyl, .tetramethyl 12 .6כותבים את השם כך: מיקום המתמיר\ים ,שם המתמיר\ים (עם קידומת) ,שם השלד. תכונות האלקאנים .1ככל שהאלקאן נעשה ארוך יותר (יותר פחמנים) נקודת ההתכה והרתיחה שלו עולות. .2נקודת הרתיחה וההתכה של ארבעת האלקנים הקצרים ביותר הן נמוכות מאוד, ורובם גזים בטמפ' החדר. פחמימנים בלתי רוויים :אלקנים ( )Alkenesואלקינים ()Alkynes .1פחמימנים בלתי רוויים הם בעלי קשרים כפולים בין חלק מהפחמנים. .2מאחר וכל פחמן מסוגל ליצור ארבעה קשרים ,אם יש קשר כפול (או משולש) הין שני פחמנים ,בהכרח הם קשורים לפחות מימנים ,ולכן הם אינם רוויים (.)Unsaturated .3מבחינים בין שני סוגים של פחמימנים בלתי רוויים: א .אלקנים ( :)Alkenesפחמימנים בלתי רוויים שלהם קשר כפול בשרשרת .הנוסחא הכללית שלהם תהיה .CnH2nהשרשרת תקבל סיומת '.'ene ב .אלקינים ( :)Alkynesפחמימנים בלתי רויים שלהם קשר משולש בשרשרת. הנוסחא הכללית שלהם תהיה .CnH2n-2השרשרת תקבל סיומת '.'yne איזומרים ציס \ טרנס איזומריה זו מתקיימת כאשר לפחמני הקשר הכפול שני מתמירים שונים .מבחינים בין שני מצבים: .1איזומריה טרנס :כאשר המתמירים נמצאים בשני צדדים שונים של שרשרת הפחמנים. 13 .2איזומריה ציס :כאשר המתמירים נמצאים באותו צד של שרשרת הפחמנים. האיזומרים יהיו דומים בתכונותיהם הכימיות ,אך שונים בתכונותיהם הפיזיקליות (נקודת רתיחה ,קוטביות וכו'). קבוצות פונקציונליות קבוצה פונקציונאלית היא חלק מתרכובת המשפיע באופן מכריע על התכונות הכימיות והפיזיקליות של התרכובת. מאחר ויש אינסוף תרכובות פחמן אפשריות ,נהוג לסווג אותן על פי הקבוצה הפונקציונאלית שלהם ,כמעין תבנית לתכונות הכימיות והפיזיקליות של השרשרת. הקבוצה הפונקציונאלית בשרשרת פחמן תופיע בנוסף או במקום חלק משרשרת הפחמן והמימן ונקראת גם "שארית ."R כהלים .1 .2 .3 .4 קבוצה פונקציונאלית( OH :קבוצה הידרוקסילית) מינוח :סיומת '-ול' ,כאשר לפני שם החומר יצויין מספר הפחמן שעליו יושבת הקבוצה הפונקציונאלית – מתחילים לספור מהצד הקרוב לקבוצה :מתאנול 2 ,פרופנול וכו' תכונות: א .בעלי קשרי מימן ,ולכן יהיו מסיסים במים. ב .בעלי נקודת רתיחה גבוהה יחסית. ג .יכולים לקבל\למסור אלקטרונים עד שיגיעו למצב יציב מבחינה אנרגטית. נחלקים לשלוש קבוצות: א .כוהל ראשוני :הפחמן אליו קשורה קבוצת ההידרוקסיד קשור לפחמן אחד נוסף ב .כוהל שניוני :הפחמן אליו קשורה קבוצת ההידרוקסיד קשור לשני פחמנים ג .כוהל שלישוני :הפחמן אליו קשורה קבוצת ההידרוקסיד קשור לשלושה פחמנים 14 אלדהידים וקטונים .1קבוצה פונקציונאלית( O :קבוצה קרבונילית) א .באלדהיד הקבוצה הקרבונילית נמצאת בקצה השרשרת. ב .בקטון הקבוצה הקרבונילית נמצאת באמצע השרשרת. קבוצה קרבוכסילית .1קבוצה פונקציונאלית( COOH :קבוצה קרבוכסילית) .2מינוח :סיומת –ואית (חומצה מתאנואית ,חומצה אתאנואית ,חומצה פרופאנוארית) .3תכונות: א .מכילות קשרי מימן ב .טמפרטורות היתוך ורתיחה גבוהות מהכהלים ג .מסיסות גבוהה במים (חומצות חלשות) ד .המסיסות במים יורדת ככל שהשייר הפחמני ארוך יותר (פחות קשרי מימן) אמינים .1 .2 .3 .4 האמינים הן נגזרות אורגניות של אמוניה ( ,)NH3בה הוחלפו אחד או יותר מהמימנים בשרשרת פחמנים. מינוח :סיומת 'אמין' (מתיל-אמין ,אתיל-אמין וכו'). תכונות: א .בעלי קשרי מימן ולכן מסיסים במים (בסיסים חלשים) ב .מסיסות יורדת ככל שהשייר הפחמני ארוך יותר (פחות קשרי מימן) ג .בעלי טמפרטורות היתוך ורתיחה נמוכות מהכהלים מתחלקים לשלושה סוגים: א .אמין ראשוני :החנקן קשור לקבוצת אלקיל אחת 15 ב .אמין שניוני :החנקן קשור לשתי קבוצות אלקיל ג .אמין שלישוני :החנקן קשור לשלוש קבוצות אלקיל חלבונים תפקידי החלבונים .1 .2 .3 .4 .5 .6 .7 .8 .9 מתפקדים כנשאים של מולקולות קטנות ויונים רבים (לדוגמא המוגלובין) ומתפקדים כחלבוני ממברנה (משאבות \ תעלות) שמירה על מאזן נוזלים (אלבומין) ומאזן חומצה-בסיס (תמיסות בופר) סיבי השריר הינם סיבי חלבון להם יכולת תנועה (כיווץ) רקמת החיבור בגוף הינה רקמה חלבונית (ייצוב רקמות) קטליזה אנזימתית – קביעת מהלכם של שינויים כימיים בהיותם זרזי תהליכים המערכת החיסונית – נוגדנים הינם חלבונים המסוגלים לזהות ולקשור חומרים זרים המערכת העצבית – תגבותם של תאי עצב לגירויים מתבצעת בעזרת חלבונים בקרת גדילה והתמיינות – ביטוי רצוף ומבוקר של מידע גנטי הכרחי לגדילה מקור לאנרגיה – 4קק"ל לגרם מבנה החלבונים .1יחידות המבנה הבסיסיות של החלבון הן חומצות אמינו. .2חומצה אמינית כוללת: א .קבוצת אמינית ()H3N+ ב .קבוצת קרבוקסיל ()COO- ג .אטום מימן ד .קבוצת Rמסוימת הקשורה לאטום פחמן (נקרא פחמן – )αנקראת קבוצה צדדית .3הקבוצה הצדדית היא המבדילה בין החומצות האמיניות השונות 16 α איזומריה אופטית .1 .2 .3 .4 .5 .6 ברוב חומצות האמינו ,פחמן αקשור ל 4-מתמירים שונים ,ונוצר פחמן א-סימטרי. הקבוצות הקשורות לפחמן αיכולות להסתדר בשני מבנים מרחביים שונים ,כך שהאחד הוא דמות ראי של השני. שתי המולקולות השונות שמתקבלות הן בעלות תכונות כימיות שונות ,והן מסומנות באותיות Dו ,L-על פי כיוון שבירת קרני האור. תופעה זו נקראת איזומריה מרחבית \ אופטית. הדרך היחידה להפוך מולקולה מסוג אחד לשני היא על ידי ניתוק הקשרים הקוולנטיים הקיימים ויצירת קשרים חדשים. חלבונים בנויים אך ורק מחומצות Lאיזומר. מאפייני החומצות האמיניות .1בעלי נקודת היתוך גבוהה יחסית .2בעלי מסיסות מאוד גבוהה במים .3בתמיסה בעלת pHנייטרלי ( )7נמצאות החומצות בעיקר בצורת יונים דו-קוטביים ,כך שהקבוצה הקרבוקסילית מוסרת פרוטון והיא בעלת מטען שלילי ,והקבוצה האמינית מקבלת פרוטון והיא בעלת מטען חיובי .4לעומת זאת ,בתמיסה שאינה נייטרלית ,ישתנה מצב היינון בהתאם לשינוי ב:pH- א .בתמיסה חומצית ( ,)pH = 1קבוצת הקרבוקסיל אינה מיוננת ( ,)COOHוהקבוצה האמינית מיוננת (.)NH3+ ב .בתמיסה בסיסית ( )pH = 11קבוצת הקרבוקסיל מיוננת ( )COO-והקבוצה האמינית אינה מיוננת (.)NH2 17 הקבוצה הצדדית (קבוצת )R .1 .2 .3 .4 כאמור ,הקבוצה הצדדית היא שקובעת את סוג החומצה האמינית. קיימים 20סוגים של קבוצות צדדיות בחלבונים בבעלי חיים ,ולכן קיימות 20חומצות אמיניות שונות. החומצות שונות בגודלן ,בצורתן ,במטען שלהן ,בפעילות הכימית וביכולתן ליצור קשרי מימן. העובדה שחלבונים מבצעים מגוון כה מרשים של תפקידים נובע מהשונות ומהרב גוניות של עשרים הסוגים של אבני הבניין הללו. סוגי חומצות אמיניות .1 .2 .3 .4 .5 חומצות אמיניות בעלות קבוצה צדדית לא קוטבית :וולין ,אלנין ,גליצין ,איסלוצין, מתיונין ,ליוצין .פרט לגליצין ,כולן הידרופוביות. חומצות אמיניות בעלות קבוצה צדדית קוטבית ,לא מיוננת ולא טעונה :ציסטין, תירונין ,סרין ,גלוטמין ,אספרגין ,פרולין .כולן יוצרות קשרי מימן עם מים מאחר והקבוצה הצדדית קוטבית אך אינה עוברת יינון ב pH-פיזיולוגי. חומצות אמיניות בעלות קבוצה צדדית מיוננת וטעונה חיובית ב pH-פיזיולוגי: היסטדין ,ארגינין ,לייזין .מכונות חומצות אמיניות בסיסיות. חומצות אמיניות בעלות קבוצה צדדית מיוננת וטעונה שלילית ב pH-פיזיולוגי: מכונות חומצות אמיניות חומציות. חומצות אמיניות בעלות קבוצה צדדית ארומטית :טריפטופן ,טירוזין ,פנילאלנין. חומצות אלו מכילות טבעת של קשרים כפולים מצומדים .שלושתן בולעות אור בתחום האולטרא-סגול ,וניתן למדוד בעזרתן ריכוז של חלבון באורך גל זה. מבנה החלבון מבנה החלבון מורכב מארבעה מבנים ,אשר קובעים את תפקידו הביולוגי של החלבון: .1 .2 .3 .4 מבנה ראשוני :רצף חומצות האמינו ומיקומם של קשרי הדו-גופרית (דיסולפידים – אם ישנם). מבנה שניוני :יחסים מרחביים בין שיירי חומצות האמינו הקרובים זה לזה. מבנה שלישוני :יחסים מרחביים בין שיירי החומצות האמיניות המרוחקים זה מזה. מבנה רביעוני :בחלבונים עם מספר שרשראות פוליפפטידיות ,כאשר כל שרשרת נקראת תת-יחידה. 18 מבנה ראשוני -קשר פפטידי .1קבוצה הקרבוקסיל של חומצה אמינית אחת קשורה לקבוצה האמינית של חומצה אמינית שניה בקשר פפטידי (נקרא גם קשר אמידי). .2 .3 .4 .5 .6 .7 בתהליך יצירת הקשר הפפטידי משתחררת מולקולת מים. שיווי המשקל של התגובה נוטה לכיוון הפירוק ולא לכיוון ההרכבה ,ולכן יצירת קשרים פפטידיים דורשת השקעה של אנרגיה ,בעוד שפירוק קשרים אלו משחרר אנרגיה. חומצות אמיניות רבות (מעל )100מחוברות ביניהן בקשים פפטידיים ליצירת שרשרת פוליפפטידית ,שהיא מבנה לא מסועף. יחידה אחת של חומצה אמינית בשרשרת פוליפפטידית נקראת שייר. לשרשרת יש כיוון :מקובל לראות את הקצה האמיני כתחילתה של השרשרת. השרשרת מורכבת מחלק שחוזר על עצמו ונקרא שרשרת עיקרית (השלד) ומחלק משתנה שהוא הקבוצות הצדדיות השונות. .8במידה ובחלבון יש שיירים של חומצות אמיניות מסוג ציסטאין ,הקבוצות הצדדיות תיצרנה קשרי דו-גופרית (קוולנטיים) שמייצבים את המבנה הראשוני של החלבונים. מבנה שניוני במבנה שניוני קיימים שלושה מבנים אפשריים בין שיירי חומצות אמינו הקרובים זה לזה: .1סלילי :α א .המבנה השניוני הנפוץ ביותר. ב .בסלילים אלו קשרי המימן נוצרים בין מימן הקשור לחנקן של הקשר הפפטידי, לבין קבוצת הקרבוניל של החומצה האמינית הרביעית שאחריו. 19 ג. ד. ה. ו. הקשרים יוצרים מבנה של סליל ,כאשר הקבוצות הצדדיות פונות החוצה והשרשרת סובבת לכיוון ימין. בכל סיבוב שלם יהיו 3.6חומצות אמינו (סיבוב שלם = .)A = 0.1nm ,5.4A לא ימצאו חומצות אמינו עם מטען מנוגד או זהה בעמדות שיכולות לגרום לעיוות הסליל (נקרא .)α-helix לרוב לא ימצאו חומצאות אמינו גדולות כגון גליצין או פרולין. .2משטחי :β א .מבנה של משטחים הנוצר על ידי קשרי מימן בין מקטעים מקביליים של השרשרת הפוליפפטידית. ב .מורכבים מחומצות אמיניות עם קבוצה צדדית קטנה יחסית. ג .בחלבונים יופיעו שני משטחים או יותר. 21 .3סיבובים ולולאות :מקטעים ללא מבנה קבוע היוצרים חיבורים בין סלילי αומשטחי β ומטרתם להפוך את כיוון השרשרת הפוליפפטידית. מבנה שלישוני גם במבנה השלישוני קיימים שני סוגים של סידור מרחבי: .1חלבונים כדוריים ( )Globular Proteinsהמאורגנים ככדור. החלבונים הפונקציונאליים (כדוריות דם ,אנזימים ,הורמונים וכו') הם לרוב חלבונים כדוריים. .2חלבונים סיביים ( )Fibrous Proteinsהמאורגנים סביב ציר אורך דמיוני. 21 חלבוני המבנה (שיער ,שרירים ,גידים ,ציפורניים) הם לרוב חלבונים סיביים. מבנה רביעוני מספר שרשארות פוליפפטיד סמוכות זו לזו .לדוגמא :בהמוגלובין קיימות ארבע שרשרות של החלבון גלובין (כל אחת מכילה קבוצת הם – תצמיד של ארבעה פירולים ויון ברזל) שמרכיבות ביחד את המולקולה. סיכום המבנה המרחבי של חלבון דוגמא למבנה חלבון חלבון המבנה של השיער :α-kertain .1מבנה ראשוני :קשרי דו-גופרית .2מבנה שניוני :סלילי α .3מבנה שלישוני :סיבי 22 דנטורציה של חלבונים דנטורציה היא שינוי מרחבי של מבנה המולקולה ואובדן תכונותיה ותפקודה כתוצאה מטיפול כימי או פיזיקלי .חלבון יעבור דנטורציה כתוצאה מהגורמים הבאים: .1 .2 .3 .4 חום :משפיע על אינטראקציות חלשות כמו קשרי מימן. pHקיצוני שימוש בממסים ריאגנטים מחזרים השוברים קשרי דו-גופרית חלבון כחלק מתזונת האדם .1 .2 .3 .4 .5 .6 בני האדם מקבלים חלבון משני מקורות :מן החי ומן הצומח. גופנו מורכב מ 20-חומצות אמינו ,שנחלקות בצורה הבאה: א .חיוניות :חומצות אמינו שאיננו מסוגלים ליצור בגופנו ולכן חייבים לקבל אותם במזון שאנו אוכלים. ב .חיוניות למחצה :חומצות שישנם מצבים שבהם לא ניתן ליצור באופן עצמאי (למשל אצל ילדים) ואז יש לקבל אותם כחלק מהמזון שאנו אוכלים. ג .לא חיוניות :חומצות אמינו שניתן ליצור בגוף באופן עצמאי ,ולכן לא הכרחי לקבל אותם במזון שאנו אוכלים. חלבון מלא הוא חלבון הכמיל את כל חומצות האמינו החיוניות לגוף ,והוא חלבון שמגיע בעיקר ממקור החי. חלבון שמגיע ממקור צמחי נקרא חלבון חסר ,משום שהוא אינו מכיל את כל החומצות החיוניות ,ולכן דרושה השלמת חלבון ,כלומר צירוף שני מקורות צמחיים שונים כדי לקבל את כל החומצות הדרושות. לאדם בוגר דרוש 0.8גרם חלבון לכל ק"ג משקל גוף ,כאשר ספורטאי סיבולת יצרכו 1.2-1.4גרם ,וספורטאי כוח יגיעו עד 1.6-1.7גרם. ממוצע הצריכה באוכלוסיה הוא 1גרם לק"ג. אנזימים אנרגיה – מבוא .1 .2 .3 .4 צמחים משתמשים באנרגיית האור לבניית חומרים אורגניים :אנרגית אור מתגלגלת בצמח לאנרגיה כימית זמינה ,שמשמשת לבניית חומרים אורגניים תהליך זה נקרא פוטוסינתזה :אור CO2 + H2O גלוקוז (אורגני) עמילן (צורת אגירה של גלוקוז בצמחים) תרכובות כימיות אורגניות (פחמימות ,חלבונים ,שומנים) אוצרות בתוכן אנרגיה. כדי לשחרר את האנרגיה ,יש צורך בהשקעת אנרגיה נוספת (חימום ,שריפה וכו'). אנזימים אנרגיית הפעלה -הגדרה הגדרה :האנרגיה הדרושה להפעלת תגובות כימיות 23 .1 .2 .3 .4 מאחר שרמת האנרגיה (והחום הנלווה אליה) הנדרשת הינה גבוהה מאוד ,יצור חי לא יוכל לעמוד בהפקתה. על מנת לאפשר הפקת אנרגיה זו ,דרושים זרזים (קטליזטורים). הקטלזיטורים מפחיתים את אנרגית ההפעלה של התגובות שהם מזרזים ,ולפיכך מקצרים את זמן התגובה על יד הפחתת מחסום ההפעלה. ביצורים חיים הקטליזטורים הם אנזימים. אנזימים .1 .2 .3 .4 האנזימים מעלים את קצב הגעת התגובה לשיווי משקל ,איך אינם משנים את קבוע התגובה (שתלוי בסוג החומרים ובריכוזם). גם ללא אנזימים התהליך הכימי היה יוצא אל הפועל ,אולם בזמן רב הרבה יותר, שלא היה מספיק לצורכי התא. לפיכך ,היעדר אנזימים יגרום לתפקוד לקוי של התא. ישנם אנזימים המעורבים באופן פעיל בהמרת אנרגיה מצורה אחת לאחרת .לדוגמא, העת יצירת מולקולת ATPממולקולות המרכיבות את המזון ושימוש בהן לכיווץ שריר – בתהליך זה סייע האנזים להפיכת אנרגיה כימית לאנרגיה מכאנית. תכונות האנזימים .1 .2 .3 .4 .5 האנזימים הם חלבונים מסיסים. האנזימים פועלים בתוך התא ומחוצה לו ואחראים על תהליכים רבים בתא ,ובכלל זה חילוף חומרים = מטבוליזם. האנזימים מחישים תהליכים פי מיליון לפחות! האנזימים הם בעלי ספציפיות גבוהה ,ויפעלו רק בתגובות מסוימות עם חומרים מסוימים. אנזימים שונים יפעלו בתנאי סביבה משתנים ,בהתאם לסביבה שבה הם פועלים (אנזימים בקיבה ,במעי או בתאים יפעלו אופטימלית ב pH-שונים). מנגנון פעולה .1בתהליך התגובה האנזימטית ,האנזימים פועלים על הסובסטרט/מצע (מגיב) והופכים אותו לתוצר התגובה. .2בכל אנזים יש מבנה חלבון המאפשר לאתר הפעיל של האנזים לפעול על הסובסטרט ,בהתאם לעיקרון של מנעול ומפתח. .3האנזים אינו מתבלה במהלך התגובה האנזימטית. מאפייני האתר הפעיל 24 .1 .2 .3 .4 .5 לכל אנזים אתר פעיל אחד או יותר. האתר הפעיל מהווה חלק קטן מהנפח הכולל של האנזים. האתר הפעיל הינו בעל מבנה מורכב תלת מימדי. יצירת תצמיד אנזים סובסטראט היא המאפשרת את פעולת האנזים על הסובסטראט ,שתתבטא לרוב ביצירה או שבירה של קשרים כימיים. ייתכנו שינויים באתר הפעיל בעקבות היקשרות הסובסטרט אליו. קצב פעילות האנזים פעילת האנזים מותאמת לתנאים השוררים בתאי היצורים החיים ,ותלוי במספר גורמים: .1טמפרטורה :ככל שהטמפרטורה עולה ,אנרגיית התנועה של המולקולות גדלה, ולפיכך מהירות פעילות האנזימים עולה .מעל לטמפ' של 40מעלות צלזיוס ,רוב האנזימים עוברים דנטורציה ואינם מתפקדים. .2רמת ה :pH-לכל אנזים יש רמת pHשבה פעילותו אופטימלית – כל תזוזה מרמה זו תוריד את קצב הפעילות ,עד להפסקת פעילות מוחלטת ברמת חומציות גבוהה\נמוכה מסוימת .לדוגמא ,האנזים טריפסין פעיל אופטימלית ב ,pH=8-ויחדול לפעול ב pH-של 11ומעלה או 5ומטה. .3ריכוז המצע (סובסטרט) :ככל שריכוז המצע עולה קצב התגובה עולה ,עד לשלב שבו כל האנזימים מצויים בצורת תצמיד ,ולכן לא ניתן עוד להחיש את התהליך בצורה זו. מצב זה הוא מצב של רווייה ,והוא מהווה את המהירות המירבית של התהליך. בקרה על פעילות האנזימים קיימות מספר דרכים לבקרה על פעולת האנזימים בגוף האדם: .1 .2 .3 .4 אנזימים מסויימים יפעלו רק בזמן ובמקום מתאימים מבחינה פיזיולוגית כתוצאה משינויים סביבתיים. אנזימים מסויימים יעברו שינוי באמצעות קו-אנזים (ויטמינים ומינרלים הנקשרים לאנזים ,משנים את קישורו לסובסטראט ומאפשרים את פעולתו) ורק אז יוכלו לפעול. אנזימים מסויימים יפסיקו לפעול בעקבות עיכוב על ידי משוב כימי ,לדוגמא כתוצאה מהצטברות של תוצרי התגובה. מעכבי אנזימים. 25 מעכבי אנזימים .1עיכוב אנזימים עשוי להתרחש על ידי מולקולות קטנות או יונים ספציפיים ,והוא בעלל חשיבות כמנגנון בקרה ווויסות במערכות ביולוגיות (לדוגמא ,תרופות ורעלנים פועלים על ידי עיכוב של אנזימים). .2מבחינים בין שני סוגים של סוגי עיכוב: א .עיכוב בלתי הפיך :המעכב נקשר לאנזים בקשר חזק ,ששבירתו היא איטית מאוד. ב .עיכוב הפיך :נוצר שיווי משקל בין המעכב והאנזים ,כך שהתנתקותו תלויה לרוב בריכוז בסובסטראט (לדוגמא – מעכב תחרותי). .3צורה נוספת למיין עיכובים: א .עיכוב תחרותי: )1מעכב שדומה לסובסטראט נקשר לאתר הפעיל של האנזים ,ומונע ממנו להיקשר לסובסטראט הייעודי שלו ולבצע את מטרתו. )2המעכב לא מותאם בהרכב הפנימי שלנו לאנזים ,ולכן האנזים יכול רק להיקשר אליו ,אולם לא לבצע עליו פעולות כלשהן. )3המעכב מקטין את מהירות הקטליזה מאחר שהוא מפחית את המספר של מולקולות האנזים שנקשרות לסובסטראט. )4עיכוב זה הלא לרוב מסוג הפיך. ב .עיכוב לא תחרותי: )1מעכב נקשר לאנזים באתר אחר ולא לאתר הפעיל .הקישור גורם לשינוי מרחבי קטן ,שמונע את יצירת התוצר המבוקש. )2המעכב לא נקשר באתר הפעיל ,ולכן האנזים יכול להיקשר לסובסטראט. )3המעכב מקטין את מהירות הקטליזה על ידי הקטנת כמות הסובסטראטים שהופכים לתוצרים הרצויים. אנזימים -מינוח שמות האנזימים מקבלי אם שם הסובסטראט או התגובה אותה הם מאיצים ,בתוספת הסיומת ':'ase .1גלוקוז אוקסידאז :מאיץ את תהליך חימצון הגלוקוז. .2גלוקוז -6פוספטאז :מאיץ את ההידרוליזה של זרחן מגלוקוז-6-פוספאט. .3פוספוטרנספראז :מעביר זרחן מ ATP-למולקולה אחרת (נקרא גם קינאז). פחמימות כללי .1פחמימות הן המרכיב העיקרי בתזונת האדם ( 75%בארצות מתפתחות50% , בארצות מפותחות): א .סיבות פיזיולוגיות: )1יעילות וזמינות גבוהה )2תרכובת אורגנית נפוצה ביותר ב .סיבות היסטוריות/כלכליות: 26 .2 .3 .4 .5 .6 )1מצויות בזרעי דגנים )2עלות נמוכה )3איחסון ארוך טווח תפקידן המרכזי הוא להוות מקור אנרגיה עיקרי לגוף. כל גרם פחמימה = 4קק"ל. בצמחים מופקות הפחמימות בתהליך הפוטוסינתזה ונאגרות כעמילן. בבעלי חיים מופקות בתהליך גלוקוניאוגנזה ונאגרת כגליקוגן בכבד ובשריר. הפחמימות מתחלקות לפשוטות (חד סוכרים ,דו סוכרים) ומורכבות (רב סוכרים). חד סוכרים .1נוסחה אמפירית)CH2O)n : .2רב כהלים המכילים גם קבוצה קרבונילית :אלדהיד או קטון גלוקוז .1מולקולת הגלוקוז מכילה ששה אטומי פחמן ,והיא שייכת לקבוצת הסוכרים המכונים הכסוזות (.)Hex = 6 .2קבוצת האלדהיד על פחמן מספר 1במולקולת הגלוקוז מגיבה עם קבוצת הכהל על פחמן מספר ,5כך שמתקבלת טבעת – טבעת ה D-גלוקוז: .3הטבעת מכילה חמישה אטומי פחמן ואטום חמצן אחד. .4אטום פחמן אחד נמצא מחוץ לטבעת. .5קבוצת ה CH2OH-שנמצאת מחוץ לטבעת נקראת מתילול. .6לכל אטום פחמן יש מספר קבוע. .7כל אטום פחמן שבטבעת קשור בשני קשרים נוספים מחוץ לטבעת( .ל H-ול.)HO- .8על פי שיטת הייוורת לייצוג מבנה הטבעת ,כל מתמיר שרשום מעל הפחמן נמצא מעל מישור הטבעת ,ולהיפך .אוזר מושחר בולט ממישור הדף. .9קיימים שני אנומרים של גלוקוז ,בהתאם למיקום קבוצת ה OH-של פחמן מספר ,1 שנקרא בגלוקוז פחמן אנומרי: א Dβ .גלוקוז :קבוצת ה OH-של C-1נמצאת מעל מישור הטבעת ,בדומה למתילול. ב Dα .גלוקוז :קבוצת ה OH-של C-1נמצאת מתחת למישור הטבעת ,בניגוד למתילול. .10בתמיסה מימית חד סוכר יכול לעבור מאנומר αלאנומר βעד להשגת שיווי משקל דינאמי ,כאשר התהליך מתרחש דרך צורת השרשרת הפתוחה של הסוכר .תהליך זה נקרא מוטרוטציה. פרוקטוז 27 .1בפרוקטוז קיימות שתי קבוצות של ( CH2OHמתילול) וגם לו קיימים שני אנומרים, בהתאם למיקום קבוצת ה OH-של פחמן מספר ,2שהוא הפחמן האנומרי בפרוקטוז: א Dβ .פרוקטוז :קבוצת ה OH-נמצאת מעל מישור הטבעת ,בדומה למתילול שעל ,C-5כאשר המתילול של C-2נמצא מתחת למישור הטבעת. ב Dα .פרוקטוז :קבוצת ה OH-נמצאת מתחת למישור הטבעת ,בניגוד למתילול שעל ,C-5כאשר המתילול של C-2נמצא מעל למישור הטבעת. .2גם בפרוקטוז קיימת תופעה של מוטרוטציה ,כך שבתמיסה מימית קיים שיווי משקל בין האנומרים שמתבצע באמצעות מעבר דרך מצב של שרשרת פתוחה. דו סוכרים .1 .2 .3 .4 דו סוכרים נוצרים בתגובה של תהליך דחיסה של שתי מולקולות חד סוכר. לרוב יהיו מתוקים ומסיסים במים .לדוגמא: א .סוכרוז (מקורו בקנה\סלק) מורכב מגלוקוז ופרוקטוז .קשר זה מסומן כα(1-- ,2)βמשום שפחמן ה C-1-בגלוקוז הוא במצב ,αוהוא מתחבר לפחמן C-2 במולקולת הפרוקטוז שהוא במצב .β ב .לקטוז (סוכר החלב) מורכב מגלוקוז וגלקטוז. קשר זה מסומן כ ,β)1-4(-כאשר קבוצת ה OH-של הפחמן האנומרי C-1 בגלקטוז היא במצב βוהחיבור הוא לפחמן C-4במולקולת הגלוקוז. ג .מלטוז (תוצר פירוק העמילן) מורכב משתי מולקולות של גלוקוז. קשר זה מסומן כ .α(1-4)-ה α-מסמן את מיקום קבוצת ה OH-על הפחמן האנומרי בטבעת השמאלית ( )C-1הקשורה ל C-4-בטבעת השמאלית. הקשר בין שני חדר סוכרים נקרא קשר גילקוזידי ,וכפי שניתן לראות ,הוא יסומן תמיד באמצעות מספרי הפחמנים המחוברים ,בצירוף אות סוג האיזומר. ניתן לפרק את הדו-סוכר לחד-סוכרים המרכיבים אותו באמצעות מולקולת מים. תהליך זה נקרא הידרוליזה. רב סוכרים פחמימות המורכבות מ 3-10-יחידות של חד סוכר נקראות אוליגוסוכרים .פחמימות המורכבות מיותר מ 10-יחידות נקראות רב סוכרים. מרבית רבי הסוכרים מורכבים מגלוקוז ,והם נחלקים לשני סוגים: .1רב סוכרים אגירתיים :משמשים כחומרי תשמורת המנוצלים בשעת הצורך להפקת אנרגיה (לדוגמא :עמילן בצמחים ,או גליקוגן בבעלי חיים). .2רב סוכרים מבניים :משמשים למשען ולתמיכה (לדוגמא :תאית הבונה את דופן התא בצמחים ,או כיטין שהוא המרכיב העיקרי של השלד החיצוני של חרקים וסרטנים). עמילן הומו רב סוכר הבנוי מיחידות גלוקוז הקשר הוא בין פחמנים 1-4 סוג הקשר )α(1-4 כל הטבעות פונות לאותו כיוון צורת סלילית או מסועפת תאית הומו רב סוכר הבנוי מיחידות גלוקוז הקשר הוא בין פחמנים 1-4 סוג הקשר )β(1-4 כל טבעת שנייה הפוכה צורה סיבית 28 חומר תשמורת בצמחים חומר מבנה בצמחים סיבים תזונתיים .1 .2 .3 .4 .5 סיבים תזונתיים הם רבי סוכרים לא עמילניים (תאית) שמקורם בצומח – ירקות, קטניות ,פירות ודגנים מלאים. הסיבים התזונתיים אינם מפורקים על ידי אנזימי העיכול של הגוף. תפקידם בגוף האדם הוא לסייע בתהליכים שונים במערכת העיכול ,ולשמור על איזון רמת הסוכר והשומנים בדם. בעלי חוליות (ובכלל זה בני האדם) אינם מסוגלים לעכל תאית ,משום שאין במערכת העיכול שלהם אנזים לפירוק הקשרים בין יחידות הגלוקוז המרכיבות אותה ().)β(1-4 לעומת זאת ,בקרב מעלי הגירה קיים אותו אנזים (צלולוזיס) המאפשרים להם לעכל תאית. מטבוליזם ואנרגיה מבוא .1 .2 .3 .4 .5 מטבוליזם הם תהליכי הפירוק ,והבנייה מחדש של חומרים בתאים החיים. התהליכים מורכבים מתהליכי ביניים רבים המתרחשים במקביל. המטבוליזם מורכב משני תהליכים עיקריים: א .קטבוליזם :שרשרת תהליכי פירוק שבמהלכם משתחררת אנרגיה. ב .אנבוליזם :שרשרת תהליכי בנייה הצורכים אנרגיה. האנרגיה המופקת בתהליכים קטבוליים היא מקור האנרגיה החיצוני ,שמספק את האנרגיה להפעלת התהליכים האנבוליים. במצב יציב ישנו איזון בין האנרגיה המשתחררת לאנרגיה הנצרכת ,כלומר בין הקטבוליזם לאנבוליזם. ATP .1ה ATP-הינו מולקולה האוצרת בתוכה אנרגיה כימית. 29 .2 .3 .4 .5 .6 .7 אנרגיה זו משתחררת כאשר ה ATP-עובר הידרוליזה (פירוק באמצעות מים) והופך ל- ADPאו ל.AMP- כל אחת משלוש התרכובות הנ"ל יכולה להפוך לשתיים האחרות. האנזים אדנילאט קינאז מזרז את התגובה. מכל מול של ATPהמתפרק ל ADP-ו P-משתחררים כ 7-8-קק"ל. בתאי שריר קיימות 4-6מילימול בכל ק"ג של שריר .כמות זו מספיקה בממוצע לשחרר 1.5-2קק"ל ,שמספיק לעבודה למשך שניות ספורות בלבד. כדי ליצור יותר ,ATPהגוף חייב לנצל מאגרי קריאטין פוספאט ( )CPוכן רכיבי מזון שונים (פחמימות/שומנים/חלבונים) בתהליכים מטבוליים: א .קריאטין פוספט יכול לשמש לייצור מחודש של ATPבאופן מהיר. ב .בשריר קיים קריאטין פוספט בשיעור של פי 3מ 15-17( ATP-מילימול בכל ק"ג שריר) ,המאפשרים תוספת אנרגיה של 5-8שניות של פעילות עצימה. ג .תהליך זה מבוצע באמצעות מנגנון ה ,ATP-CP-המאפשר את תהליך הפוספורילציה שבו זרחן עובר ממולקולה אחת לשניה (הענקת אנרגיה). תהליכי יצירת האנרגיה בגוף נתונים .1 .2 .3 .4 .5 1קלוריה :כמות אנרגית החום הדרושה להעלות את הטמפרטורה של 1גרם מים במעלת צלזיוס אחת. 1ג'אול :כמות האנרגיה הדרושה להזזת 1ק"ג למרחק של 1מטר בכוח של 1ניוטון (הכוח המעניק למסה של 1ק"ג תאוצה של 1מ/ש.)2 1000קלוריות = 1קילו קלוריות (קק"ל). 1קק"ל = 4.184ק"ג'אול. 1ק"ג'אול = 0.239קק"ל. על מנת לייצר אנרגיה בגוף ,יש לפרק מולקולות של .ATPמבחינים בין פירוק אנאירובי, המשתמש במנגנון ה ATP-CP-ובגליקוליזה ,לבין פירוק אירובי ,שבו קיים מעגל חומצת לימון וזרחון חיצוני. פירוק אנאירובי -גליקוליזה .1 .2 .3 .4 .5 גליקוליזה הינה רצף התגובות שבמהלכן הופך גלוקוז לפירובאט ,תוך כדי יצירת .ATP הגליקוליזה מתבצעת בתנאים אנאירוביים (ללא נוכחות חמצן). בתהליך הגליקוליזה 'מרוויח' הגוף שתי מולקולות ATPבלבד :בתהליך מושקעות 2 מולקולות ,ובסופו נוצרות 4מולקולות. בגוף האדם מהווה הגליקוליזה הקדמה לתהליכי הפקת אנרגיה במסלולים אירוביים. גורל הפירוברט תלוי בתנאי הסביבה: א .בסביבה אנאירובית יהפוך ללקטאט. ב .בסביבה אירובית ייכנס למיטוכונדריה להמשך פירוק אירובי ויצירת מולקולות ATP נוספות מהגלוקוז. 31 .6לפיכך ,ממולקולת אחת של גלוקוז ייווצרו בשורה התחתונה שתי מולקולות של חומצת חלב ושתי מולקולות של .ATP .7כמות האנרגיה המשתחררת מהווה רק כ 10%-מהאנרגיה האצורה במולקולה. חומצה לקטית .1 .2 .3 .4 .5 החומצה הלקטית (לקטאט) הינה תוצר לוואי של מטבוליזם אנאירובי של גלוקוז. הצטברות החומצה הלקטית בתאי השריר תגרום לתאים להתעייף ,וזאת עקב הירידה ברמת ה( pH-עלייה בחומציות). במנוחה ריכוז החומצה הלקטית יהיה ,1.5Mובמאמץ יכול להגיע עד ,4Mתלוי בכושרו הגופני של האדם. בנוכחות חמצן ,החומצה הלקטית יכולה להפוך בחזרה לפירובאט ולהמשיך לתוך המיטוכונדריה כחלק ממעגל קרבס. באמצעות מעגל קורי בכבד ,תהפוך החומצה הלקטית בחזרה לפירובאט ולגלוקוז. פירוק אירובי .1מעגל חומצת הלימון הוא התחנה הסופית של פירוק המזון. .2במהלכו ,אטומי הפחמן שמקורם בגלוקוז ,בחלבונים ובחומצות השומן מתחמצנים באופן מלא והופכים לפחמן דו חמצני ,ונפלטים מהגוף אל הסביבה. .3כחלק מתהליך החימצון ,מאבדים המגיבים אלקטרונים שמועברים ממעגל קרבס אל השלב הסופי של הנשימה התאית – הזרחון החמצוני – שם הם נמסרים למולקולות החמצן. מעגל חומצת לימון /מעגל קרבס .1 .2 .3 .4 מקור השם: א .חומצת הלימון היא תוצר הביניים הראשון (ציטרט) בתהליך. ב .מעגל קרבס :כיוון שציטרט ,איזוציטרט ואלאפ-קטוגלוטרט הם יונים המכילים שלוש קבוצות רבוקסיל. החוליה המקשרת בין הגליקוליזה למעגל קרבס היא האצטיל קו-אנזים .A המעגל מתרחש במטריקס של המיטוכונדריה ,בסביבה אירובית. המעגל מורכב משרשרת של שמונה תגובות כימיות ,ובמהלכו מתקבלות כ32- מולקולות .ATP 31 .5בכל תהליך החימצון (גליקוליזה +יצירת חומצת לימון +זירחון חימצוני) נוצרות בסה"כ 38מולקולות ATPממולקולת גלוקוז אחת (פחות 2מולקולות שנצרכות במהלך הגליקוליזה). .6החמצן הוא קולט האלקטרונים הסופי בשרשרת הובלת האלקטרונים (הנשימה התאית) ,ולאחר קליטתם הוא הופך למולקולת מים. .7נוכחות החמצן מאפשרת את הובלת האלקטרונים ,ובמידה ואין חמצן ,לא יהיה מי שיקלוט אותם ,התהליך ייפסק ,והתא ימות. שומנים חומצות גרעין 32