נחזור אל ההידרירים החביבים בהמשך הסמסטר. בינתיים אפשר לשכוח מהם 2. חומצה היא תרכובת המסוגלת לחשרר בתמיסה מימית יוני מימן ( + H(

Transcript

1 חומצות ובסיסים הגדרות הידרידים תרכובות המכילות שני יסודות בלבד, כאשר אחד היסודות הוא מימן. דוגמאות: LiH, CaH2, AlH3 הידרידים של מתכות H2S, PH3 הידרידים 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, Na 2 O, Al 2 O 3 תחמוצות של מתכות N 2 O 5, H 2 O תחמוצות של אל-מתכות חומצות 1. תרכובת של תחמוצת אל-מתכת + מים )H2O( דוגמאות: א. ב. חומצה גופרתית: )חומצה( H 2 SO 4 )מים( + H 2 O )תחמוצת אל-מתכת( S 2 O חומצה זרחתית: )חומצה( 2H 3 PO 4 )מים( + 3 H 2 O )תחמוצת אל-מתכת( P 2 O 5 2. חומצה היא תרכובת המסוגלת לחשרר בתמיסה מימית יוני מימן ( + H( דוגמאות: א. חומצת מלח HCl מסוגלת לשחרר יון אחד של H, ומתקבלת שארית החומצה, יון הכלור Cl + H, ומתקבלת שארית החומצה: H 2 SO 4 מסוגלת לשחרר שני יוני חומצה גופרתית -2 היון הגפרתי So 4 ומתקבלת שארית + H, מסוגלת לשחרר שלושה יוני H 3 PO 4 חומצה זרחתית -3 החומצה: היון הזרחתי PO 4 ב. ג. בתמיסה מימית ניתן להשמיט את המים ולרשום את פירוק החומצה כך: )שארית חומצה( - Cl + )יון מימן( + H )חומצה( HCl - HNO H + )שארית חומצה( + NO 3 )יון מימן( )חומצה( 3 1

2 למעשה, יוני המימן המשתחררים בתמיסה המימית יוצרים תגובה עם המים לקבלת יון הידרוניום ושארית החומצה, כך שהתגובה האמיתית נראית כך: HCl )חומצה( + H H הידרוניום( )יון + Cl - 3 O + )מים( 2 O )שארית חומצה( - HNO H 3 O + )שארית חומצה( + NO 3 )יון הידרוניום( )מים( + H 2 O )חומצה( 3 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 H 2 SO 4 H 2 SO 3 H 3 PO 4 HNO 3 H 2 CO 3 CH 3 COOH HCIO שארית החומצה יון כלור )כלוריד( יון גפרתי יון גפריתי יון זרחתי יון חנקתי יון פחמתי יון אצטט יון היפוכלורי נוסחה Cl - -2 SO 4-2 SO 3-3 PO 4 - NO 3-2 CO 3 CH 3 COO - ClO - בסיסים 1. תרכובות של תחמוצת מתכתית + מים דוגמאות: א. ב. בסיס הנתרן: )בסיס( NaOH )מים( + H 2 O )חומצה מתכתית( NaO בסיס הסידן: )בסיס( Ca(OH) 2 )מים( + H 2 O )חומצה מתכתית( CaO 2. חומר המשחרר בתמיסה מימית יוני הידרוקסיד )OH-( דוגמאות: )שארית בסיס( + 2Na )יון הידרוקסיל( - OH )בסיס( 2NaOH בתגובה עם חומצה נוצר מלח משאריות החומצה והבסיס )יוני + H ו- - OH יוצרים מים( Ca(OH) 2OH -1 )שארית בסיס( + Ca 2 )יון הידרוקסיל( )בסיס( 2 בסיסים משנים את צבעו של צבע צמחי )לדוגמא לקמוס( מאדום לכחול שם הבסיס בסיס הנתרן \ נתרן הידרוקסידי בסיס האשלגן \ אשלגן הידרוקסידי בסיס המגנזיום \ מגנזיום הידרוקסידי בסיס הסידן \ סידן הידרוקסידי בסיס האלומיניום \ אלומיניום הידרוקסידי אמוניה הנוסחה NaOH KOH Mg(OH) 2 Ca(OH) 2 Al(OH) 3 NH 3 2

3 משוואת שווי המשקל של המים מים טהורים אינם מכילים מומסים. 1. הפרוק ליונים )הדיסוציאציה( של המים הוא מועט: OH H 2 O H + + לפיכך, במים טהורים ריכוזיהם של יוני המימן ויוני ההידרוקסיל שווים זה לזה. 3 בטמפ' של 25 מעלות צלזיוס, הריכוז של כל אחד יהיה מכפלת הריכוזים של יוני המימן וההידרוקסיל במים ובתמיסות מימיות מהולות הוא גודל קבוע, K, w הנקרא קבוע הדיסוציאציה בטמפרטורה של 25 מעלות צלזיוס: מתוך משוואה זו ניתן להוציא כי בכל תמיסה מימית מכפלת הריכוזים תמיד קבועה, כלומר החזקות של הריכוזים צריכות להיות תמיד שוות ריכוז + H 10-7 M 10-8 M 10-3 M ריכוז - OH 10-7 M 10-6 M M רמת חומציות )PH( 2H 2 O H 3 O+ + OH - קביעת החומציות או הבסיסיות של תמיסה נעשית בהשוואה למים טהורים. 1. מדידות שבוצעו גילו כי מים מזוקקים עוברים תהליך פירוק )דיסוציאציה( לפי הנוסחה 2. הבאה: מאחר וכאמור, במול אחד של מים בטמפרטורה של 25 מעלות צלזיוס יש M יוני. 3.OH - ומספר שווה של יוני )H + פשוט )או H 3 O + על פי יקבע את רמת החומציות של התמיסה, )+H( יוני המימן שינוי בריכוז 4. ph = -log[h + ] / הנוסחאות הבאות: [H + ] = 10 -ph 3

4 הרחבה: מה זה ה- log הזה? לוגריתם )או בקיצור )log הוא פונקציה מתימטית ההפוכה לחזקה. ללוגריתם יש תמיד בסיס )b(, ומספר שעליו מפעילים את הלוגריתם )x(. x b )הבסיס( כדי לקבל את תוצאת הפונקציה היא החזקה שבה יש להעלות את )המספר עליו מפעילים את האלגוריתם(. אם לא מצוין מהו הבסיס של ה- log, ברירת המחדל היא בסיס 10. זהו הבסיס שבו משתמשת פונקצית ה- log במחשבון, וזהו גם הבסיס שעימו מחשבים בכימיה. איך משתמשים בזה במחשבון? log )ובנוסחא שלנו, זה יהיה תמיד א. מכניסים את המספר שעליו נרצה להפעיל ריכוז יוני המימן(. X y )שימו לב שלפעמים צריך ב. מעלים אותו בחזקה המתאימה ע"י שימוש במקש להכניס את החזקה לסוגריים כי היא שלילית וזה עשוי להרוס את החישוב(. לוחצים log וקיבלנו תוצאה שלילית. נהפוך אותה לחיובית ונקבל את רמת ה- ph ג. הגדרות בתמיסות חומציות בהן ריכוז יוני המימן הוא יותר מ- M 10, 7- 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- M 10, 7- 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.OH- נתונים ריכוזי +H חומציות עולה: או קבע אם התמיסה היא חומצית או בסיסית וסדר אותן על פי סדר [H + ] = 10-7 [OH - ] = 10-7 [OH - ] = 10-8 [H + ] = 10-2 [OH - ] = [OH - ] = 10-9 [H + ] = [OH - ] = 10-5 [H + ] = 10-9 מערכת חומצה-בסיס כאמור, בתגובה עם מים חומצות עוברות תהליך של פירוק )דיסוציאציה( מימן חיובי + H מתנתק מהחומצה ומתרכב עם המים ליצירת יון הידרוניום אם נסמן חומצה באופן כללי כ- HA, ניתן לרשום את התהליך כך: HA H + + A - או HA + H 2 O H 3 O + + A - יון ליונים: 4

5 3. היון - A שנותר מפירוק החומצה נקרא הבסיס המצומד של החומצה דוגמאות א. ב. - HC C מצומד( )בסיס + H 3 O + )חומצה מצומדת( 2 H 3 O 2 )בסיס( + H 2 O )חומצה( 2 H 3 O )חומצה מצומדת( + H 2 O )בסיס מצומד( CO 3 )חומצה( + HCO 3 )בסיס( - OH נשים לב שמים יכולים לשמש גם כבסיס וגם כחומצה, תלוי בחומר המומס. פעילות חומצית מותנית בנוכחותו של חומר בסיסי במערכת )בסיס = חומר ששואף לקבל פרוטון( פעילות בסיסית מותנית בנוכחותו של חומר חומצי במערכת )חומצה = חומר השואף למסור פרוטון(.6 סוגי חומצות ובסיסים מידת 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- דוגמאות: H 2 SO 4, HNO 3, HCL, KOH, NaOH ב. חומצה חלשה: חומצה אשר כמעט ולא משחררת פרוטונים, ולפיכך כמעט ואינה מתפרקת בתמיסה יהיו גם מגיבים וגם תוצרים. 5

6 חומצה חלשה דיסוציאציה חלקית בכל נקודת זמן רק חלק מהמולקולה תהיה מפורקת ליונים HA H+ A- דוגמאות: CH 3 COOH, NH 4 OH 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. במערכת שבה החומצה היא חומצה חזקה, אשר משחררת בקלות פרוטונים ( + H(, הבסיס המצומד יהיה בסיס חלש, אשר שאיפתו לקבל פרוטון היא קטנה. במערכת 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 ניקח את הדוגמא הקודמת לתגובה כללית: - A HA H החץ הוא דו כיווני משום שהתגובה מתרחשת ללא הרף בשני הכיוונים 3. לפיכך, לא חלים שינויים בריכוזי החומרים במערכת 4. במצב שיווי משקל דינאמי מהירות הריאקציה בכיוון אחד שווה למהירות הריאקציה בכיוון השני 5. שני התהליכים מתקיימים במקביל: דיסוציאציה והרכבה של התוצרים קבוע שיווי משקל מהירות הריאקציה נמצאת ביחס ישר למכפלת הריכוזים של המגיבים בריאקציה כלומר, 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

7 קבוע שיווי המשקל )K( הוא קבוע הדיסוציאציה של התגובה הוא מייצג את היחס בין ריכוזי התוצרים לריכוזי המגיבים. לפיכך )בהתאם לסעיף 2( הוא מייצג את היחס בין קצב חיבור היונים לבין קצב הפירוק ליונים: הקבוע 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. לא לשכוח שריכוזים תמיד יימדדו ביחידות של מול לליטר! ריכוז חומצה\בסיס במים הגדרות חומצות חד-פרוטיות: במולקולה שלהן רק מימן אחד. לדוגמא: HCl 1. חומצות רב-פרוטיות: במולקולה שלהן יותר ממימן אחד. לדוגמא: H 2 SO 4 2. בסיס חד-הידרוקסיד: במולקולה קבוצה הידרוקסידית אחת. לדוגמא: NaOH. 3 בסיס רב-הידרוקסיד: במולקולה יותר מקבוצה הידרוקסידית אחת. לדוגמא: Al(OH) 3 4. ריכוז חומצה\בסיס במים הריכוז של יוני חומצה חד-פרוטית שווה לריכוזו המולרי של פרוטון המימן במים. הריכוז של יוני בסיס חד הידרוקסיד שווה לריכוזו המולרי של יון ההידרוקסיד במים. חישוב קבוע שיווי משקל דוגמא נתונה תמיסה של חומצה כלשהי בריכוז 05M, בעלת ph של מהו קבוע שיווי המשקל של התגובה? התגובה תהיה: + H.XH X - + הנוסחא לקבוע שיווי משקל: ידוע לנו ריכוז החומצה הראשוני )05(, וידוע 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-,pH נכפיל את הריכוז בעצמו )ריכוז יונים X ריכוז חומצה מצומדת( ונחלק בריכוז הראשוני )05( פחות ריכוז יוני המימן( ונקבל את קבוע שיווי המשקל. 7

8 תגובת סתירה\ניטרול הגדרה: תגובה של בסיס עם חומצה, בה נוצרים מים ומלח. דוגמא: תגובת הסתירה של מימן כלורי ונתרן הידרוקסידי: HCl + NaOH H 2 O + NaCl רק יוני המימן וההידרוקסיד משתתפים בתגובה )בדוגמא - יוני הנתרן והכלור לא משתתפים( המשתחררים - OH ושל + H כדי לסתור חומצה דרושים ריכוזים שווים של יוני מהחומצה ומהבסיס המגיבים כלומר, בנקודת הסתירה מתקיים שווין ריכוזים בין HCl ו- NaOH )בדוגמא זו( לכן מתקיים: Mole HCl = Mole NaOH M acid X V acid = M base X V base ומאחר ש- )נפח( X V L )ריכוז( Mole = M אז: דוגמא לחישוב נפחים 0M HCl 0M איזה נפח של תמיסת NaOH להגיע לסתירה מלאה? בריכוז יש להוסיף ל- 150 מ"ל תמיסת כדי נשתמש בנוסחא: M acid X V acid = M base X V base.)0m(.)0m( ידוע לנו )150 נפח החומצה והריכוז שלה מ"ל( ידוע גם ריכוז הבסיס נציב בנוסחא ונקבל ש- 0 X 150 = 0 X V base תמיסת בופר )תמיסה מתריסה( בופר Buffer( מתריס( הוא תמיסה המתנגדת לשינוי ברמת החומציות שלה, כלומר לשינוי בריכוז יוני ההידרוניום \ מימן תמיסה זו מסולגת לשמור על ph קבוע בפני שינויים בעת הוספת כמויות לא גדולות של בסיס או חומצה תמיסת בופר יכולה להתקיים בשני הרכבים: א. חומצה חלשה והבסיס המצומד של החומצה דוגמא: תמיסה המכילה חומצה אצטית CH( )COOH 3 - שהיא חומצה חלשה - ויוני אצטט ( - CH )COO 3 שהם הבסיס המצומד של החומצה. או ב. בסיס חלש והחומצה המצומדת של הבסיס )פחות נפוצים( איך פועלת תמיסת הבופר? בבופר יהיה ריכוז שווה המצומדת(. של החומצה ושל הבסיס המצומד )או של הבסיס והחומצה 8

9 אם 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(. ברגע שהתמיסה תתפרק, יווצרו עוד יוני הידרוניום והריכוז יחזור למצבו המקורי. כמובן 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 הן בתוך רוב האורגניזמים דורשים קביעות יחסית של התנאים בסביבת חייהם, התאים והן מחוץ לתאים. בגוף האדם מערכות בופר המאפשרות שמירה על ה- ph הקבוע בדם: מומס במים כך שנוצרת חומצה הנפלט מהרקמות ה- CO 2 מערכת הנשימה: א. פחמתית: )חומצה פחמתית( H 2 CO 3 )מים( H 2 O )פחמן דו חמצני( CO 2 החומצה הפחמתית עוברת דיסוציאציה ומתפרקת ליוני מימן וליוני פחמה ב. - H H + )ביקרבונט(: )ביקרבונט( + HCO 3 )יוני מימן( )חומצה פחמתית( 2 CO 3 יוני הביקרבונט יכולים להתנהג כחומצה )נטייה לשחרר יון מימן בסביבה מימית( ג. או כבסיס )נטייה לקבל יון מימן בסביבה מימית(. כשיתנהגו כחומצה יהפכו ל- 2-3 CO 1( + כשיתנהגו כבסיס יהפכו ל- H 2 CO 3 )2 היבטים רפואיים שני 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

10 מערכת הנשימה אחראית על פינוי הפחמן הדו חמצני, שככל שהוא נמצא יותר בדם, עולה חומציותו של הדם. הכליות אחראיות על פינוי יוני הביקרבונט, וככל שיפנו אותם בקצב מהיר יותר, יירד ריכוזם בדם והדם ייהפך לחומצי יותר ph( יירד(. קיימות 4 קטגוריות 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 בכליות, מה שגורם לדם להפוך לבסיסי יותר )מעלה את ה- ph (. יוני הביקרבונט 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 חומרים אנ-אורגניים: חומרים מן הטבע הדומם )מינרלים, מלחים, מתכות וכו'(. חומרים אורגניים: חומרים שניתן להפיק מהחי והצומח )שומנים, סוכרים וכו'(. א. תרכובות אורגניות מכילות את יסודות הפחמן )C(, מימן )H(, ויסודות נוספים כגון חמצן )O(, חנקן )N( וסולפור )S(. ב. היסוד המרכזי בתרכובות אורגניות הוא הפחמן, ולכן כימיה אורגנית מוגדרת ככימיה של תרכובות הפחמן. 11

11 קביעת הרכב תרכובת אורגנית קביעת הרכב תרכובת אנ-אורגנית מתבצעת בד"כ הודות להפרדת יונים באלקטרוליזה. לעומת 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 ( 2 CO ו- O H) 2 ניתן למדוד את כמות כל יסוד בתרכובת שנשרפה(. קיימות 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 HO )יחס 1:1 בין האטומים(, בעוד שהנוסחא האמפירית תהיה H 2 O 2 )כמות מדויקת של אטומים במולקולה(. נוסחת המבנה תיראה כך: ייחודו של אטום הפחמן 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!!!.6.7 סוגי קשרי פחמן 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 :)Alkanes( פחמימנים רוויים כאמור, אטומי פחמן רבים מסוגלים להתקשר ביניהם לשרשראות, שלמה של פחמימנים. וליצור סידרה 11

12 תרכובות אורגניות הבנויות רק מפחמן ומימן נקראות פחמימנים. 2. הנוסחא הכללית לפחמימנים היא 3. C n H 2n הפחמימנים מכילים קשרי פחמן-פחמן יחידים ומימנים בלבד שרשרת הפחמימנים היא רוויה (Saturated) באטומי מימן ולכן מדובר במולקולות הקשרים בין הפחמנים למימנים הינם קוולנטיים, כאמור, יציביות מבחינה אנרגטית. שמות האלקינים: מתאן: CH 4 מת א. אתאן: C 2 H 6 האתרוג ב. פרופאן: C 3 H 8 של הפרופסור ג. בוטאן: C 4 H 10 לבטוניקה ד. פנטאן: C 5 H 12 )פנטגרם = )5 פנטסטי ה. הקסאן: C 6 H 14 )הקסגון = )6 הקסילופון ו. הפטאן: C 7 H 16 )הפטגון = )7 הפטתי שלך ז. אוקטאן: C 8 H 18 )אוקטגון \ אוקטופוס = )8 אוקטובר ח. נונאן: C 9 H 20 )ניין = )9 נובמבר ט. דקאן: C 10 H 22 )דצימל \ Decimel = )10 דצמבר י. 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 איזומרים 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. קונפורמציות הם סידורים שונים של המולקולה במרחב הנובעים מסיבוב סביב קשר יחיד. מתן שמות לאלקאנים )כל שאר זהו השלד הפחמני מוצאים מהי השרשרת הקווית הארוכה ביותר הפחמנים הם מתמירים(. על פי מספר הפחמנים בשרשרת, קובעים את שם השלד הפחמני. ממספרים את פחמני השלד מהצד הקרוב למתמיר. )Methane Methyl ולפניו את מספר הפחמן מציינים את שם המתמיר )אלקיל: שאליו הוא מחובר.,tri ארבעה,di כאשר יש שלושה כאשר ישנם שני מתמירים זהים נוסיף קידומת dimethyl, trimethyl, = ולפניהם את מספרי הפחמנים שאליהם הם מחוברים,tetra.tetramethyl 12

13 כותבים את השם כך: מיקום המתמיר\ םי, שם המתמיר\ םי )עם קידומת(, שם השלד..6 תכונות האלקאנים ככל שהאלקאן נעשה ארוך יותר )יותר פחמנים( נקודת ההתכה והרתיחה שלו עולות. נקודת הרתיחה וההתכה של ארבעת האלקנים הקצרים ביותר הן נמוכות מאוד, ורובם גזים בטמפ' החדר. פחמימנים בלתי רוויים: אלקנים )Alkenes( ואלקינים )Alkynes( פחמימנים בלתי רוויים הם בעלי קשרים כפולים בין חלק מהפחמנים. מאחר 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( מבחינים בין שני סוגים של פחמימנים בלתי רוויים: א. אלקנים :)Alkenes( פחמימנים בלתי רוויים שלהם קשר כפול בשרשרת. הנוסחא הכללית שלהם תהיה ב. אלקינים :)Alkynes( הנוסחא הכללית שלהם תהיה.'ene' השרשרת תקבל סיומת.C n H 2n פחמימנים בלתי רויים שלהם קשר משולש בשרשרת..'yne' השרשרת תקבל סיומת.C n H 2n-2 איזומרים ציס \ טרנס איזומריה זו מתקיימת כאשר לפחמני הקשר הכפול שני מתמירים שונים. מצבים: מבחינים בין שני איזומריה טרנס: הפחמנים. כאשר המתמירים נמצאים בשני צדדים שונים של שרשרת 13

14 2. איזומריה 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 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

15 אלדהידים וקטונים קבוצה פונקציונאלית: O )קבוצה קרבונילית( א. באלדהיד הקבוצה הקרבונילית נמצאת בקצה השרשרת. ב. בקטון הקבוצה הקרבונילית נמצאת באמצע השרשרת. קבוצה קרבוכסילית קבוצה פונקציונאלית: COOH )קבוצה קרבוכסילית( מינוח: סיומת ואית )חומצה מתאנואית, חומצה אתאנואית, חומצה פרופאנוארית( תכונות: 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 האמינים הן נגזרות אורגניות של אמוניה ( 3,)NH בה 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

16 ב. אמין שניוני: החנקן קשור לשתי קבוצות אלקיל ג. אמין שלישוני: החנקן קשור לשלוש קבוצות אלקיל חלבונים תפקידי החלבונים 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 4 קק"ל לגרם מבנה החלבונים יחידות המבנה הבסיסיות של החלבון הן חומצות אמינו. חומצה אמינית כוללת: א. קבוצת אמינית ( + )H3N ב. קבוצת קרבוקסיל ( - )COO ג. אטום מימן ד. קבוצת R מסוימת הקשורה לאטום פחמן )נקרא פחמן α( נקראת קבוצה צדדית הקבוצה הצדדית היא המבדילה בין החומצות האמיניות השונות 16

17 α איזומריה אופטית ברוב חומצות האמינו, פחמן α קשור ל- 4 מתמירים שונים, ונוצר פחמן א-סימטרי. הקבוצות הקשורות לפחמן α יכולות להסתדר בשני מבנים מרחביים שונים, כך שהאחד הוא דמות ראי של השני. שתי המולקולות השונות שמתקבלות הן בעלות תכונות כימיות שונות, והן מסומנות באותיות D ו- 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 L איזומר..6 מאפייני החומצות האמיניות בעלי נקודת היתוך גבוהה יחסית בעלי מסיסות מאוד גבוהה במים בתמיסה בעלת ph נייטרלי )7( נמצאות החומצות בעיקר בצורת יונים דו-קוטביים, כך שהקבוצה הקרבוקסילית מוסרת פרוטון והיא בעלת מטען שלילי, והקבוצה האמינית מקבלת פרוטון והיא בעלת מטען חיובי לעומת זאת, בתמיסה שאינה נייטרלית, ישתנה מצב היינון בהתאם לשינוי ב- ph : א. בתמיסה חומצית )1 =,)ph קבוצת הקרבוקסיל אינה מיוננת,)COOH( והקבוצה האמינית מיוננת ( 3 +.)NH ב. בתמיסה בסיסית )11 = )ph קבוצת הקרבוקסיל מיוננת ( - )COO והקבוצה האמינית אינה מיוננת ( 2.)NH 17

18 הקבוצה הצדדית )קבוצת R( כאמור, הקבוצה הצדדית היא שקובעת את סוג החומצה האמינית. קיימים 20 סוגים של קבוצות צדדיות בחלבונים בבעלי חיים, ולכן קיימות 20 חומצות 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 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: 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

19 מבנה ראשוני- קשר פפטידי קבוצה הקרבוקסיל של חומצה אמינית אחת קשורה לקבוצה האמינית אמינית שניה בקשר פפטידי )נקרא גם קשר אמידי(. של חומצה 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 100( מחוברות 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..6.7 במידה ובחלבון יש שיירים של חומצות אמיניות מסוג ציסטאין, הקבוצות הצדדיות תיצרנה קשרי דו-גופרית )קוולנטיים( שמייצבים את המבנה הראשוני של החלבונים..8 מבנה שניוני במבנה שניוני קיימים שלושה מבנים אפשריים בין שיירי חומצות אמינו הקרובים זה לזה: סלילי 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

20 ג. ד. ה. ו. הקשרים יוצרים מבנה של סליל, כאשר הקבוצות הצדדיות פונות החוצה והשרשרת סובבת לכיוון ימין. בכל סיבוב שלם יהיו 3.6 חומצות אמינו )סיבוב שלם = 5A, A(. = 0nm 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. משטחי 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

21 סיבובים ולולאות: מקטעים ללא מבנה קבוע היוצרים חיבורים בין סלילי α ומשטחי β ומטרתם להפוך את כיוון השרשרת הפוליפפטידית. מבנה שלישוני גם במבנה השלישוני קיימים שני סוגים של סידור מרחבי: 1. חלבונים כדוריים Proteins( )Globular המאורגנים ככדור. החלבונים הפונקציונאליים )כדוריות דם, אנזימים, הורמונים וכו'( הם לרוב חלבונים כדוריים. 2. חלבונים סיביים Proteins( )Fibrous המאורגנים סביב ציר אורך דמיוני. 21

22 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 מבנה ראשוני: קשרי דו-גופרית מבנה שניוני: סלילי α מבנה שלישוני: סיבי 22

23 דנטורציה של חלבונים דנטורציה היא שינוי מרחבי של מבנה המולקולה ואובדן תכונותיה ותפקודה כתוצאה מטיפול כימי או פיזיקלי. חלבון יעבור דנטורציה כתוצאה מהגורמים הבאים: חום: משפיע על אינטראקציות חלשות כמו קשרי מימן. ph קיצוני שימוש בממסים ריאגנטים מחזרים השוברים קשרי דו-גופרית חלבון כחלק מתזונת האדם 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 0.8 גרם חלבון לכל ק"ג משקל גוף, כאשר ספורטאי סיבולת יצרכו 1-1 גרם, וספורטאי כוח יגיעו עד גרם. ממוצע הצריכה באוכלוסיה הוא 1 גרם לק"ג..6 אנזימים אנרגיה מבוא צמחים משתמשים באנרגיית האור לבניית חומרים אורגניים: אנרגית אור מתגלגלת בצמח לאנרגיה כימית זמינה, שמשמשת לבניית חומרים אורגניים גלוקוז )אורגני( עמילן CO 2 + H 2 O תהליך זה נקרא פוטוסינתזה: אור )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

24 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 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 ATP ממולקולות המרכיבות את המזון ושימוש בהן לכיווץ שריר בתהליך זה סייע האנזים להפיכת אנרגיה כימית לאנרגיה מכאנית. תכונות האנזימים 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 בתהליך התגובה האנזימטית, האנזימים פועלים על הסובסטרט/מצע )מגיב( והופכים אותו לתוצר התגובה. בכל אנזים יש מבנה חלבון המאפשר לאתר הפעיל של האנזים לפעול על הסובסטרט, בהתאם לעיקרון של מנעול ומפתח. 3. האנזים אינו מתבלה במהלך התגובה האנזימטית. מאפייני האתר הפעיל 24

25 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: טמפרטורה: ככל שהטמפרטורה עולה, אנרגיית התנועה של המולקולות גדלה, ולפיכך מהירות פעילות האנזימים עולה. מעל לטמפ' של 40 מעלות צלזיוס, רוב האנזימים עוברים דנטורציה ואינם מתפקדים. רמת ה- ph : לכל אנזים יש רמת ph שבה 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 11 ומעלה או 5 ומטה. ריכוז 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: 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

26 מעכבי אנזימים עיכוב 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(. מבחינים בין שני סוגים של סוגי עיכוב: א. עיכוב בלתי הפיך: המעכב נקשר לאנזים בקשר חזק, ששבירתו היא איטית מאוד. עיכוב הפיך: נוצר שיווי משקל בין המעכב והאנזים, כך שהתנתקותו תלויה לרוב ב. בריכוז בסובסטראט )לדוגמא מעכב תחרותי(. צורה נוספת למיין עיכובים: עיכוב תחרותי: א. ומונע ממנו לסובסטראט נקשר לאתר הפעיל של האנזים, מעכב שדומה 1( להיקשר לסובסטראט הייעודי שלו ולבצע את מטרתו. ולכן האנזים יכול רק המעכב לא מותאם בהרכב הפנימי שלנו לאנזים, 2( להיקשר אליו, אולם לא לבצע עליו פעולות כלשהן. 3( המעכב מקטין את מהירות הקטליזה מאחר שהוא מפחית את המספר של מולקולות האנזים שנקשרות לסובסטראט. עיכוב זה הלא לרוב מסוג הפיך. 4( עיכוב לא תחרותי: ב. 1( מעכב נקשר לאנזים באתר אחר ולא לאתר הפעיל. הקישור גורם לשינוי מרחבי קטן, שמונע את יצירת התוצר המבוקש. המעכב לא נקשר באתר הפעיל, ולכן האנזים יכול להיקשר לסובסטראט. 2( המעכב מקטין את מהירות הקטליזה על ידי הקטנת כמות הסובסטראטים 3( שהופכים לתוצרים הרצויים. אנזימים - מינוח שמות האנזימים מקבלי אם שם הסובסטראט או התגובה אותה הם מאיצים, הסיומת :'ase' בתוספת גלוקוז אוקסידאז: מאיץ את תהליך חימצון הגלוקוז. גלוקוז 6 -פוספטאז: מאיץ את ההידרוליזה של זרחן מגלוקוז- 6 -פוספאט. פוספוטרנספראז: מעביר זרחן מ- ATP למולקולה אחרת )נקרא גם קינאז(. פחמימות כללי 50% פחמימות הן המרכיב העיקרי בתזונת האדם )75% בארצות מפותחות(: א. סיבות פיזיולוגיות: 1( יעילות וזמינות גבוהה 2( תרכובת אורגנית נפוצה ביותר ב. סיבות היסטוריות/כלכליות: בארצות מתפתחות, 26

27 ל) 1( מצויות בזרעי דגנים 2( עלות נמוכה 3( איחסון ארוך טווח תפקידן המרכזי הוא להוות מקור אנרגיה עיקרי לגוף. כל גרם פחמימה = 4 קק"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(..6 חד סוכרים נוסחה אמפירית: )CH 2 O)n רב כהלים המכילים גם קבוצה קרבונילית: אלדהיד או קטון גלוקוז מולקולת הגלוקוז מכילה ששה אטומי פחמן, והיא שייכת לקבוצת הסוכרים המכונים הכסוזות 6( =.)Hex קבוצת האלדהיד על פחמן מספר 1 במולקולת הגלוקוז מגיבה עם קבוצת הכהל על פחמן מספר 5, כך שמתקבלת טבעת טבעת ה- D גלוקוז: הטבעת מכילה חמישה אטומי פחמן ואטום חמצן אחד. 3. אטום פחמן אחד נמצא מחוץ לטבעת. 4. קבוצת ה- OH CH 2 שנמצאת מחוץ לטבעת נקראת מתילול. 5. לכל אטום פחמן יש מספר קבוע. 6. -H ול- HO (. כל אטום פחמן שבטבעת קשור בשני קשרים נוספים מחוץ לטבעת. 7. על פי שיטת הייוורת לייצוג מבנה הטבעת, כל מתמיר שרשום מעל הפחמן נמצא 8. מעל מישור הטבעת, ולהיפך. אוזר מושחר בולט ממישור הדף. 9. קיימים שני אנומרים של גלוקוז, בהתאם למיקום קבוצת ה- OH של פחמן מספר 1, שנקרא בגלוקוז פחמן אנומרי: Dβ גלוקוז: קבוצת ה- OH של 1-C נמצאת מעל מישור הטבעת, בדומה למתילול. א. בניגוד נמצאת מתחת למישור הטבעת, 1-C של קבוצת ה- OH גלוקוז: Dα ב. למתילול. 10.בתמיסה מימית חד סוכר יכול לעבור מאנומר α לאנומר β עד להשגת שיווי משקל דינאמי, כאשר התהליך מתרחש דרך צורת השרשרת הפתוחה של הסוכר. תהליך זה נקרא מוטרוטציה. פרוקטוז 27

28 בפרוקטוז קיימות שתי קבוצות של CH 2 OH )מתילול( וגם לו קיימים שני אנומרים, בהתאם למיקום קבוצת ה- OH של פחמן מספר 2, שהוא הפחמן האנומרי בפרוקטוז: א. Dβ פרוקטוז: קבוצת ה- OH נמצאת מעל מישור הטבעת, בדומה למתילול שעל 5-C, כאשר המתילול של 2-C נמצא מתחת למישור הטבעת. ב. Dα פרוקטוז: קבוצת ה- OH נמצאת מתחת למישור הטבעת, בניגוד למתילול שעל 5-C, כאשר המתילול של 2-C נמצא מעל למישור הטבעת. גם בפרוקטוז קיימת תופעה של מוטרוטציה, כך שבתמיסה מימית קיים שיווי משקל בין האנומרים שמתבצע באמצעות מעבר דרך מצב של שרשרת פתוחה. דו סוכרים 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 כ-- α(1 והוא מתחבר לפחמן 2-C α, הוא במצב בגלוקוז משום שפחמן ה- C-1 β(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 1-C בגלקטוז היא במצב β והחיבור הוא לפחמן 4-C במולקולת 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 )1-C( הקשורה 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 יחידות של חד סוכר המורכבות מיותר מ- 10 יחידות נקראות רב סוכרים. נקראות אוליגוסוכרים. פחמימות מרבית רבי הסוכרים מורכבים מגלוקוז, והם נחלקים לשני סוגים: רב סוכרים אגירתיים: משמשים כחומרי תשמורת המנוצלים בשעת הצורך להפקת אנרגיה )לדוגמא: עמילן בצמחים, או גליקוגן בבעלי חיים(. רב סוכרים מבניים: משמשים למשען ולתמיכה )לדוגמא: תאית הבונה את דופן שהוא המרכיב העיקרי של השלד החיצוני של חרקים כיטין או התא בצמחים, וסרטנים(. 28 תאית הומו רב סוכר הבנוי מיחידות גלוקוז הקשר הוא בין פחמנים 1-4 סוג הקשר (1-4)β כל טבעת שנייה הפוכה צורה סיבית עמילן הומו רב סוכר הבנוי מיחידות גלוקוז הקשר הוא בין פחמנים 1-4 סוג הקשר (1-4)α כל הטבעות פונות לאותו כיוון צורת סלילית או מסועפת

29 חומר מבנה בצמחים חומר תשמורת בצמחים סיבים תזונתיים 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 )(1-4)β(. לעומת זאת, בקרב מעלי הגירה קיים אותו אנזים )צלולוזיס( המאפשרים להם לעכל תאית. מטבוליזם ואנרגיה מבוא 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 1. ה- ATP הינו מולקולה האוצרת בתוכה אנרגיה כימית. 29

30 אנרגיה זו משתחררת כאשר ה- ATP עובר הידרוליזה )פירוק באמצעות מים( והופך ל- או ל- AMP. ADP כל אחת משלוש התרכובות הנ"ל יכולה להפוך לשתיים האחרות. האנזים אדנילאט קינאז מזרז את התגובה. מכל מול של ATP המתפרק ל- ADP ו- P משתחררים כ- 7-8 קק"ל. בתאי שריר קיימות 4-6 מילימול בכל ק"ג של שריר. כמות זו מספיקה בממוצע לשחרר 1-2 קק"ל, שמספיק לעבודה למשך שניות ספורות בלבד. כדי ליצור יותר,ATP הגוף חייב לנצל מאגרי קריאטין פוספאט )CP( וכן רכיבי מזון שונים )פחמימות/שומנים/חלבונים( בתהליכים מטבוליים: א. קריאטין פוספט יכול לשמש לייצור מחודש של ATP באופן מהיר. ב. בשריר קיים קריאטין פוספט בשיעור של פי 3 מ- ATP )15-17 מילימול בכל ק"ג שריר(, המאפשרים תוספת אנרגיה של 5-8 שניות של פעילות עצימה. ג. תהליך זה מבוצע באמצעות מנגנון ה- ATP-CP, המאפשר את תהליך הפוספורילציה שבו זרחן עובר ממולקולה אחת לשניה )הענקת אנרגיה(..6.7 תהליכי יצירת האנרגיה בגוף נתונים 1 קלוריה: כמות אנרגית החום הדרושה להעלות את הטמפרטורה של 1 גרם מים במעלת צלזיוס אחת. 1 ג'אול: כמות האנרגיה הדרושה להזזת 1 ק"ג למרחק של 1 מטר בכוח של 1 ניוטון 2 )הכוח המעניק למסה של 1 ק"ג תאוצה של 1 מ/ש ( קלוריות = 1 קילו קלוריות )קק"ל(. 1 קק"ל = 484 ק"ג'אול. 1 ק"ג'אול = 039 קק"ל. על מנת לייצר אנרגיה בגוף, יש לפרק מולקולות של.ATP מבחינים בין פירוק אנאירובי, המשתמש במנגנון ה- ATP-CP ובגליקוליזה, לבין פירוק אירובי, שבו קיים מעגל חומצת לימון וזרחון חיצוני. פירוק אנאירובי - גליקוליזה 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 ATP בלבד: בתהליך מושקעות 2 מולקולות, ובסופו נוצרות 4 מולקולות. 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

31 לפיכך, ממולקולת אחת של גלוקוז ייווצרו בשורה התחתונה שתי מולקולות של חומצת חלב ושתי מולקולות של.ATP כמות האנרגיה המשתחררת מהווה רק כ- 10% מהאנרגיה האצורה במולקולה..6.7 חומצה לקטית החומצה הלקטית )לקטאט( הינה תוצר לוואי של מטבוליזם אנאירובי של גלוקוז. וזאת עקב הצטברות החומצה הלקטית בתאי השריר תגרום לתאים להתעייף, הירידה ברמת ה- ph )עלייה בחומציות(. תלוי 4M, ובמאמץ יכול להגיע עד 1M, במנוחה ריכוז החומצה הלקטית יהיה 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 מעגל חומצת הלימון הוא התחנה הסופית של פירוק המזון. במהלכו, אטומי הפחמן שמקורם בגלוקוז, בחלבונים ובחומצות השומן מתחמצנים באופן מלא והופכים לפחמן דו חמצני, ונפלטים מהגוף אל הסביבה. כחלק 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 מקור השם: חומצת הלימון היא תוצר הביניים הראשון )ציטרט( בתהליך. א. 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. מתקבלות כ- 32 ובמהלכו המעגל מורכב משרשרת של שמונה תגובות כימיות, מולקולות.ATP 31

32 בכל תהליך החימצון )גליקוליזה + יצירת חומצת לימון + זירחון חימצוני( נוצרות בסה"כ 38 מולקולות ATP ממולקולת גלוקוז אחת )פחות 2 מולקולות שנצרכות במהלך הגליקוליזה(. החמצן הוא קולט האלקטרונים הסופי בשרשרת הובלת האלקטרונים )הנשימה התאית(, ולאחר קליטתם הוא הופך למולקולת מים. נוכחות החמצן מאפשרת את הובלת האלקטרונים, ובמידה ואין חמצן, לא יהיה מי שיקלוט אותם, התהליך ייפסק, והתא ימות..6.7 שומנים חומצות גרעין 32