πρωτεϊνες νουκλεϊκά οξέα Βιολογικά Μακρομόρια υδατάνθρακες λιπίδια

πρωτεϊνες νουκλεϊκά οξέα Βιολογικά Μακρομόρια υδατάνθρακες λιπίδια

Περιγραφή μαθήματος Επανάληψη σημαντικών εννοιών από την Οργανική Χημεία Χημική σύσταση των κυττάρων Μονοσακχαρίτες Αμινοξέα Νουκλεοτίδια Λιπαρά οξέα Δομή, χημική και βιολογική συμπεριφορά, ιδιότητες των βιολογικών μακρομορίων Υδατάνθρακες Πρωτεϊνες Νουκλεϊκά οξέα (DNA και RNA) Λιπίδια

Εισαγωγή Βιταλισμός (Vitalism): φιλοσοφική θεωρία σύμφωνα με την οποία οι χαρακτηριστικές ιδιότητες και λειτουργίες των έμβιων οργανισμών οφείλονται στην ύπαρξη μιας Ζωτικής Δύναμης (Vis Vitalis). Ο βιταλισμός έπαιξε σημαντικό ρόλο στην ιστορία της χημείας καθώς από αυτή τη θεωρία προέκυψε η διάκριση μεταξύ οργανικών και ανόργανων ενώσεων. «Οργανικές ενώσεις: αυτές που προέρχονται από έμβιους οργανισμούς, δηλ. ζώα και φυτά, και δεν μπορούν να συντεθούν στο εργαστήριο»

Εισαγωγή To 1828 o Γερμανός χημικός Wohler συνέθεσε (κατά λάθος...) την οργανική ένωση ουρία από ανόργανες ενώσεις Friedrich Wöhler (1828). "Ueber künstliche Bildung des Harnstoffs". Annalen der Physik und Chemie 88 (2): 253 256. Από τότε ολοένα και περισσότερες οργανικές ενώσεις παρασκευάζονταν συνθετικά! Ως τα τέλη του 19ου αιώνα, η θεωρία της Ζωτικής δύναμης εγκαταλείφθηκε και έγινε κοινώς αποδεκτό ότι Τα έμβια όντα είναι χημικά συστήματα! Α. Δέτση, Δέτση, Επικ. Επικ. Καθ. Καθ. ΕΜΠ

Εισαγωγή Όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί, από τα μικρόβια μέχρι τα θηλαστικά, αποτελούνται από χημικές ενώσεις. Η χημική σύσταση των ζωντανών οργανισμών διαφέρει πολύ από τη σύσταση του άβιου, ανόργανου περιβάλλοντος και αποτελεί ένδειξη ενός ξεχωριστού τύπου χημείας. ανθρώπινο σώμα φλοιός της Γης 96.5% του βάρους ενός οργανισμού αντιπροσωπεύουν τα στοιχεία C, H, O, N Σχετική αφθονία (%) ~3% αντιπροσωπεύουν τα στοιχεία P, S

Εισαγωγή Γιατί αυτά τα στοιχεία; Σχηματίζουν σταθερούς ομοιοπολικούς δεσμούς Βρίσκονται στο κέντρο του περιοδικού πίνακα, επομένως έχουν μέτρια ηλεκτραρνητικότητα έχουν μικρή τάση να σχηματίζουν ιόντα Είναι στοιχεία ελαφρά, επομένως σχηματίζουν ισχυρούς δεσμούς και μπορούν να σχηματίσουν και πολλαπλούς δεσμούς (διπλούς ή/και τριπλούς).

Χημική σύσταση των κυττάρων Η, C, N, Ο, P, S νουκλεοτίδια ακετυλο-συνένζυμο Α αμινοξέα μονοσακχαρίτες CH 3 (CH 2 ) 14 COOH λιπαρά οξέα λιπίδια πεπτίδια/πρωτεϊνες πρωτεϊνες νουκλεϊκά οξέα πολυσακχαρίτες

Ενδομοριακές και Διαμοριακές αλληλεπιδράσεις Τα άτομα που συνθέτουν τα μόρια (μονομερή) που περιέχονται στα ζωντανά κύτταρα συνδέονται μεταξύ τους μέσω ομοιοπολικών δεσμών. Τα μονομερή λαμβάνουν μέρος σε αντιδράσεις συμπύκνωσης, που καταλύονται από ένζυμα, με αποτέλεσμα το σχηματισμό μακρομορίων (πολυμερή). Κυριότερες αντιδράσεις συμπύκνωσης βιολογικών μονομερών εστέρες Ένα σύνολο ενδομοριακών και διαμοριακών αλληλεπιδράσεων καθορίζει το τελικό σχήμα των μακρομορίων και τη λειτουργία τους. αμίδια φωσφορικοί εστέρες

Ενδομοριακές και Διαμοριακές αλληλεπιδράσεις Δεσμοί Δια-μοριακοί Δεσμός υδρογόνου Van der Waals Ενδο-μοριακοί ΟΜΟΙΟΠΟΛΙΚΟΙ, Διπόλου-Διπόλου Διπόλου- επαγόμενου διπόλου Παροδικού διπόλου-επαγόμενου διπόλου (Δυνάμεις διασποράς London) Ιόντος-διπόλου Κατιόντος-π π-π Σχετική ισχύς δυνάμεις διασποράς < αλληλεπιδράσεις διπόλου-διπόλου < δεσμοί υδρογόνου

Σχηματισμός ομοιοπολικών δεσμών Υβριδικά τροχιακά του άνθρακα ενέργεια 2s 2p υβριδισμός sp 3 Τροχιακά απομονωμένου ατόμου C Υβριδικά τροχιακά του C στο μόριο του CH 4 υβριδισμός τετραεδρική διάταξη

Σχηματισμός ομοιοπολικών δεσμών Υβριδικά τροχιακά του άνθρακα μη υβριδισμένο τροχιακό p ενέργεια 2s 2p υβριδισμός 2p sp 2 Τροχιακά απομονωμένου ατόμου C Υβριδικά τροχιακά του C στο μόριο του CH 2 =CH 2 υβριδισμός επίπεδη τριγωνική διάταξη

Σχηματισμός σ δεσμών Σχηματισμός ομοιοπολικών δεσμών

Σχηματισμός π δεσμών Σχηματισμός ομοιοπολικών δεσμών p τροχιακό p τροχιακό π δεσμός σ δεσμός

Σχηματισμός π δεσμών Σχηματισμός ομοιοπολικών δεσμών

Υβριδισμός Ν, Ο Σχηματισμός ομοιοπολικών δεσμών

Πολικοί και μη πολικοί ομοιοπολικοί δεσμοί Πολικός ομοιοπολικός δεσμός: ομοιοπολικός δεσμός στον οποίο η κατανομή των ηλεκτρονίων μεταξύ των ατόμων είναι ασύμμετρη. Οφείλεται στη διαφορά ηλεκτραρνητικότητας μεταξύ των ατόμων που συμμετέχουν στο δεσμό. Ηλεκτραρνητικότητα Μερικά φορτία Χάρτης ηλεκτροστατικού δυναμικού για το H 2 Ο Διπολική ροπή

Πολικοί και μη πολικοί ομοιοπολικοί δεσμοί Μη πολικός ομοιοπολικός δεσμός: ομοιοπολικός δεσμός στον οποίο η κατανομή των ηλεκτρονίων μεταξύ των ατόμων είναι ομοιόμορφη. Ηλεκτραρνητικότητα Χάρτης ηλεκτροστατικού δυναμικού για το CH 4

Διαμοριακές αλληλεπιδράσεις Δεσμοί διπόλου-διπόλου Αναπτύσσονται μεταξύ πολικών μορίων ως αποτέλεσμα της ηλεκτροστατικής έλξης μεταξύ των διπόλων. Οι δυνάμεις αυτές μπορεί να είναι ελκτικές ή απωστικές, ανάλογα με τον προσανατολισμό των μορίων στο χώρο. Ελκτικές δυνάμεις μεταξύ μόνιμων διπόλων

Δυνάμεις διασποράς Διαμοριακές αλληλεπιδράσεις Αναπτύσσονται μεταξύ όλων των γειτονικών μορίων λόγω της συνεχούς μεταβολής της ηλεκτρονιακής κατανομής στα μόρια που έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό παροδικών διπόλων. Τα παροδικά δίπολα έχουν μικρό χρόνο ζωής και συνεχώς μεταβάλλονται, όμως συνολικά η επίδρασή τους μπορεί να είναι αρκετά ισχυρή ώστε μια ουσία να είναι υγρή ή και στερεή αντί για αέρια.

Δεσμοί υδρογόνου Διαμοριακές αλληλεπιδράσεις Οι πιο σημαντικές διαμοριακές αλληλεπιδράσεις στα βιολογικά μόρια είναι οι δεσμοί υδρογόνου. Πρόκειται για ελκτικές δυνάμεις που αναπτύσσονται μεταξύ ενός ατόμου υδρογόνου που είναι συνδεδεμένο με ηλεκτραρνητικό άτομο (Ο, Ν ή F) και του μη δεσμικού ζεύγους ηλεκτρονίων ενός άλλου ατόμου Ο, Ν ή F. Δεσμός υδρογόνου Δεσμός υδρογόνου

Δεσμοί υδρογόνου Διαμοριακές αλληλεπιδράσεις Δότης δεσμού υδρογόνου Δέκτης δεσμού υδρογόνου Ισχύς των δεσμών υδρογόνου Ομοιοπολικός δεσμός Μήκος: ~0.1nm Δεσμός υδρογόνου Μήκος: ~0.2nm Ισχυροί μεταξύ φορτισμένων δοτών-δεκτών: 80-170kJ/mol Μέτριοι μεταξύ ουδέτερων δοτών-δεκτών: 20-84 kj/mol. Δότης δεσμού υδρογόνου Δέκτης δεσμού υδρογόνου

Διαμοριακές αλληλεπιδράσεις Δεσμοί υδρογόνου μεταξύ μορίων νερού στην υγρή φάση στον πάγο (σε μία από τις 12 γνωστές κρυσταλλικές μορφές)

Διαμοριακές αλληλεπιδράσεις Δεσμοί υδρογόνου στις πρωτεϊνες και τα πεπτίδια Οι δεσμοί υδρογόνου παίζουν καθοριστικό ρόλο στη δομή των πρωτεϊνών. Η ικανότητα του καρβονυλικού οξυγόνου της κύριας αλυσίδας να σχηματίζει δεσμούς υδρογόνου με τις αμινομάδες δίνει τη δυνατότητα σχηματισμού διαφορετικών δευτεροταγών δομών.

Διαμοριακές αλληλεπιδράσεις Δεσμοί υδρογόνου στα νουκλεϊκά οξέα Οι δεσμοί υδρογόνου που αναπτύσσονται μεταξύ των συμπληρωματικών βάσεων των νουκλεοτιδίων είναι υπεύθυνοι για την τελική διαμόρφωση του DNA στο χώρο. μεταξύ γουανίνηςκυτοσίνης αναπτύσσονται 3 δεσμοί υδρογόνου μεταξύ αδενίνηςθυμίνης αναπτύσσονται 2 δεσμοί υδρογόνου

Υδρόφοβα (ή λιπόφιλα) μόρια Διαμοριακές αλληλεπιδράσεις Τα μη πολικά μόρια είναι υδρόφοβα (δεν διαλύονται στο νερό). Οι μη πολικές επιφάνειες τείνουν να αποβάλλονται από το δίκτυο των δεσμών υδρογόνου του νερού (υδροφοβικές δυνάμεις). Το θερμοδυναμικό αυτό φαινόμενο αυτό είναι σημαντικό για το σχηματισμό των μεμβρανών και το σχηματισμό της διπλής έλικας του DNA. Μη πολική ουσία Πλέγμα μορίων νερού Μόρια νερού που απελευθερώνονται στο διάλυμα Χαμηλότερη εντροπία Υψηλότερη εντροπία

Υδρόφοβα (ή λιπόφιλα) μόρια Διαμοριακές αλληλεπιδράσεις Υδρόφοβο μόριο Δεσμός υδρογόνου Μόριο νερού Διαμόρφωση πρωτεϊνης

Διαμοριακές αλληλεπιδράσεις Υδρόφιλα (ή λιπόφοβα) μόρια Τα πολικά μόρια έχουν σημαντική διαλυτότητα στο νερό, η οποία οφείλεται στην ικανότητά τους να σχηματίζουν ισχυρούς δεσμούς υδρογόνου με τα μόρια του νερού. Σακχαρόζη

Διαμοριακές αλληλεπιδράσεις Αμφίφιλα μόρια Είναι μια ειδική κατηγορία μορίων τα οποία περιέχουν ένα πολικό (υδρόφιλο) και ένα μη πολικό (υδρόφοβο) τμήμα. Υδρόφιλες κεφαλές Υδρόφοβες ουρές νερό υδρόφιλη κεφαλή υδρόφοβες ουρές υδρόφιλη κεφαλή νερό Δομή λιπιδικής διπλοστιβάδας ανιόν δωδεκανοϊκού οξέος (λιπαρό οξύ) δωδεκυλο σουλφονικό ανιόν (απορρυπαντικό) Φωσφατιδυλοαιθανολαμίνη (φωσφολιπίδιο)

Βιβλιογραφία Οργανική Χημεία Ι και ΙΙ John McMurry Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης Βασικές αρχές κυτταρικής βιολογίας Alberts, Bray, et al. Ιατρικές εκδόσεις Π.Χ.Πασχαλίδης Molecular Biology of the Cell. 5th edition. Alberts B, et al. New York: Garland Science; 2007. Lehninger Principles of Biochemistry Dave Nelson and Mike Cox Fifth Edition 2009