Химические соединения состоящие из называются полимерами: Часть В 1.Заполните пропуски в тексте.1.Химические соединения, состоящие из…………………………,

alexxlab | 31.12.1980 | 0 | Разное

Содержание

Часть В 1.Заполните пропуски в тексте.1.Химические соединения, состоящие из…………………………,

Срочно прошу решите лабараторную по биологии мне очень нужно,от этого будет зависить дальнейшая оценка((( Не обязательно всё,напишите только решение и … всё умоляююююю Дам 48 балов !!!

Пожалуйстааааааа Помогите

Сенквейн на тему океан

К началу осени популяция зайцев-беляков насчитывала 3000 особей. В ходе зимовки погибло 40% особей (из их числа 3 /4 – от охотничьего промысла и 1 /4 … – от пресса хищников, инфекций и погодных условий). К началу весеннего гона 47% от общего количества выживших зайцев составляли способные к размножению самцы, 45% – самки, 8% были неспособны к размножению (старые и больные особи). Половозрелая самка беляка за весну-лето приносит 2два помета, в каждом из которых может быть от 2 до 8 зайчат (в среднем для данной популяции – 4 детёныша), однако второй помёт имеют не все половозрелые самки, а лишь 90% из них. Смертность молодняка от хищников, инфекций и непогоды в первом помёте составляет 45%, а во втором – 50%. К осени 2,5% от количества всех родившихся в этом году зайчат эмигрировали, а 257 молодых особи вселились в данную популяцию из соседней. Кроме того, к сентябрю погибли от разных причин 87,5% не размножавшихся особей (старые и больные), 146 размножавшихся самцов и 128 самок. Ответьте на вопросы: Во сколько раз изменилась численность данной популяции к осени нового года? 15 сентября – открытие осенне-зимней охоты на зайца. Какое количество лицензий на отстрел может быть выдано охотникам с тем, чтобы численность зайцев при равных прочих условиях подошла к весеннему размножению на том же уровне, что и в прошлом году?

задача за виділення води із організму відповідають деякі органи легенями щодоби виділяється 350см3 води кишечником 150см3 потовими залози у 2 рази біл … ьше ніж легенями нирками у 4,6 рази більше ніж потовими залозами визначити скільки відділяється води щодоби ниркам і легеням​

Срочно нужно решение лабораторной по биологии!!!Дам 35 балов!!!

повідомлення про спелеологію​

Один грам гемоглобіна реально зв’язує 1,34 см3 кисню. Скільки кисню може перенести гемоглобін крові людини, якщо в 100 мл його міститься 16 г?​

Укажіть екологічну групу та ознаки адаптованості організмів до середовища існування

Уявіть, що ви – дослідник або дослідниця в галузі зоології. Які території ви оберете для наукових досліджень, аби відкрити й описати якомога більше но … вих видів? Відповідь обґрунтуйте. Пожалуйста по быстрее<3

Урок 19. молекулярная структура живого – Естествознание – 10 класс

Органические соединения – химические соединения, основой строения которых являются атомы углерода; составляют отличительный признак живого.

Полимер – (от греч. поли – много, мерос – часть) – многозвеньевая цепь, образующаяся при соединении друг с другом относительно простых молекул – мономеров. Их называют высокомолекулярными соединениями или макромолекулами.

Мономеры – низкомолекулярные соединения, способные к образованию макромолекул.

Липиды – нерастворимые в воде вещества со свойствами жира или масла. К липидам относятся жиры и жироподобные вещества.

Углеводы (сахариды) – органические соединения, состоящие из углерода, водорода и кислорода, которые входят в состав многих пищевых продуктов.

Белки – биополимеры, высокомолекулярные соединения, мономерами которых являются аминокислоты, соединённые пептидными связями в полипептидные цепи. Соединения, состоящие из большого числа остатков аминокислот, называют полипептидом.

Денатурация – нарушение природной структуры белка (изменение пространственной формы молекулы).

Фермент – белок, являющийся биологическим катализатором (ускорителем реакции).

Нуклеиновые кислоты – сложные биологические полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Нуклеиновые кислоты впервые были обнаружены в ядре клетки и таким образом получили своё название (от лат. нуклеос – ядро).

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) – нуклеиновая кислота, в составе нуклеотидов которой содержится пятиатомный сахар дезоксирибоза; у ДНК различают четыре типа азотистых оснований: аденин, гуанин, тимин, цитозин. Молекула ДНК представляет собой двойную правозакрученную спираль. Она является носителем наследственной информации.

Принцип комплементарности – возможность возникновения водородной связи между определёнными (соответствующими) азотистыми основаниями. Комплементарные основания: А – Т, Г – Ц.

Репликация – свойство молекулы ДНК заключающееся в самодублировании молекулы на основе принципа комплементарности. Этот процесс лежит в основе наследственности.

Готовимся к углубленному изучению химии : 12.1 Высокомолекулярные соединения

1.     Мономер – это:
а) участок цепи макромолекулы б) низкомолекулярное вещество, из которого синтезируют полимер
в) многократно повторяющаяся в макромолекуле группа атомов		 г) нет верного ответа
2.     Для полимеров, полученных реакцией полимеризации, мономер и структурное звено имеют:
а) одинаковое строение б) одинаковые состав и строение
в) одинаковый состав г) все ответы верны
3.     Кристалличность полимеров означает, что:
а) макромолекулы полимеров имеют форму кристаллов б) такие полимеры – твердые вещества
в) макромолекулы полимера расположены упорядоченно г) такие полимеры – летучие вещества
4.     Линейные полимеры при нагревании:
а) сразу подвергаются химическому разложению б) сначала размягчаются, образуют вязкотекучую жидкость, затем разлагаются
в) сначала размягчаются, образуют вязкотекучую жидкость, затем переходят в газообразное состояние г) переходят в газообразное состояние
5.     Широкое применение полимеров обусловлено сочетанием:
а) легкости, химической стойкости и высокой механической прочности б) растворимости, легкости, термостойкости
в) пластичности, термостойкости, растворимости
6.     Полимеризация – это:
а)  процесс соединения крупных молекул в еще более крупные

 б) процесс образования высокомолекулярных соединений из низкомолекулярных без выделения побочных продуктов
в)  процесс образования высокомолекулярных соединений из углекислого газа и воды г) отщепление воды
7.     Степень полимеризации – это:
а) среднее число структурных звеньев в молекуле полимера б) число молекул мономера
в) число  атомов водорода в молекуле г)число атомов кислорода в молекуле
8.     Аморфное состояние полимера характеризуется:
б) отсутствием упорядоченности макромолекул
в) изменением молекулярной массы
9.     Молекулярная масса полимера – средняя величина, потому что:
а) макромолекулы полимера имеют разную длину цепи и, следовательно, разную молекулярную массу б) различные методы исследования позволяют определять молекулярную массу с разной точностью
в) невозможно точно измерить молекулярную массу г)нет верного ответа
10.                        Наиболее прочны полимеры:
а) разветвленные
в) пространственные
г) структурные

Molecular Compounds: Formulas and Nomenclature

3.6: Молекулярные соединения: формулы и номенклатура

Молекулярные соединения или ковалентные соединения приводят к тому, что атомы совместно используют электроны, образуя ковалентные связи. Поскольку переноса электронов не происходит, молекулярные соединения не содержат ионов; вместо этого они состоят из дискретных, нейтральных молекул.  

Поскольку ковалентные соединения образуются из комбинации неметаллов, периодическая таблица может помочь распознать многие из них. Положение элементов соединения в периодической таблице может предсказать, является ли соединение ионным или ковалентным (хотя есть исключения).

Характеристики соединения молекулярных соединений отличаются от ионных соединений, и они называются также с помощью другой системы. Заряды катионов и анионов определяют их отношения в ионных соединениях, поэтому указание имен ионов дает достаточную информацию для определения химических формул. Однако, так как ковалентное связывание позволяет значительно колебаться в коэффициентах комбинации атомов в молекуле, названия молекулярных соединений должны явно идентифицировать эти соотношения.

Молекулярные соединения, состоящие из двух элементов  

Когда два неметаллических элемента образуют молекулярное соединение, часто возможно несколько сочетаний. Например, углерод и кислород могут образовывать соединения CO и CO2. Поскольку эти вещества имеют разные свойства, они не могут иметь одно и то же название (они не могут быть названы окись углерода). Для этого используются префиксы, определяющие количество атомов каждого элемента. Название более металлического элемента (расположенного дальше слева и/или внизу периодической таблицы) следует первым, за которым следует название более неметаллического элемента (расположенного дальше справа и/или сверху) с его концовкой, измененной на суффикс –ide. Греческие префиксы обозначают числа атомов каждого элемента.

При наличии только одного атома первого элемента префикс моно- обычно удаляется из этой детали. Таким образом, CO называется угарным газом, а CO2 называется углекислым газом. Когда рядом находятся два гласных, греческий префикс обычно отбрасывается. Диоксид серы (SO2), гептафторид йода (IF7) и диоксид азота (NО2) — названия некоторых молекулярных соединений, состоящих из двух элементов.

В химии некоторые молекулярные соединения, как правило, представлены с использованием общих имен, а не химических названий. Например, хотя НИ ОДИН из них не называется оксидом азота, его правильным названием является окись азота. Точно так же N2O известен как закись азота, хотя он является моноксидом динитрогена. h3O обычно называется водой, а не диоксидом водорода.

Бинарные кислоты

Некоторые соединения, содержащие водород, являются членами важного класса веществ, известных как кислоты. Многие из этих соединений высвобождение ионов водорода, H+, при растворении в воде. Для обозначения этого отличного химического свойства смеси воды и кислоты присваивается название, производное от названия соединения.

Если соединение представляет собой бинарную кислоту (состоящую из водорода и другого неметаллического элемента), то сначала слово “водород” заменяется на префикс Hydro-. Название неметаллического элемента изменяется путем добавления суффикса -ic, за которым следует добавление слова “acid”. Например, когда газ HBR (бромистый водород) растворяется в воде, раствор называется гидробромической кислотой.

Оксикислоты

Оксикислоты — это соединения, содержащие водород, кислород и, по крайней мере, еще один элемент, и связываются таким образом, чтобы придать соединения кислые свойства. Типичные оксикислоты состоят из водорода в сочетании с полиатомным, кислородосодержащим ионом.  

Чтобы назвать оксикислоты, опустите ‘водород’ , чтобы начать с корневого названия аниона. Замените –ate на –ic или –ite на –ous и добавьте в конце термин «кислота», например, к имени h3CO3, ‘водород’ пропущен, –атт карбоната заменяется на –ic, и добавляется кислота. Таким образом, h3CO3 является карбоновой кислотой.  

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 2.6: Молекулярные и ионные соединения и Openstax, Химия 2е изд., раздел 2.7: Химическая номенклатура.

Радиационная сшивка полимеров в России, услуги радиационной сшивки — Теклеор

Результат радиационной сшивки

  1. Изменение механических свойств: увеличение прочности на разрыв, повышение напряжения на разрыв, уменьшение удлинения на разрыв, сопротивление трещинообразованию;
  2. Тепловая стабильность материалов, в т. ч. находящихся под давлением (например, для HDPE предельная температура продолжительных нагрузок составляет примерно 60°С; после сшивания рабочая температура может достигать 100–120°С), увеличение температуры плавления в несколько раз;
  3. Устойчивость к химическим соединениям благодаря сниженной растворимости в органических растворителях;
  4. Снижение газопроницаемости.
  5. Терморелаксация, или «эффект памяти формы»: макромолекулы сшитого полимера, деформированные вблизи температуры плавления и зафиксированные в этом состоянии резким охлаждением, при повторном нагреве возвращаются в равновесное состояние с восстановлением размеров и формы материала.

Какие материалы подходят

  1. Полимеры — неорганические и органические, аморфные и кристаллические вещества, состоящие из «мономерных звеньев», соединенных в длинные макромолекулы химическими или координационными связями.
  2. Термопластичные полимеры (термопласты) — образованы из длинных, хаотически соединенных цепочек, состоящих из атомов углерода и водорода. К термопластам относятся различные виды полиэтилена (низкой плотности — LDPE, средней плотности — MDPE и высокой плотности — HDPE; линейный низкоплотный — LLDPE), полипропилен, другие виды полиолефинов (полиизобутелен, этилен-пропиленовый каучук, этиленвинилацетат (EVA) и проч.), поливинилхлорид (PVC), полистирол (PS), ABS-пластик и др.

Основными видами изделий из сшитых полимеров являются:

  • Трубы, кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена
  • Термоусаживаемые изделия (трубки, муфты, манжеты, ленты, пленки и т. д.)
  • Вспененные материалы (рулоны, маты, крошка)
  • Шины
  • Изделия медицинской отрасли (ортезы)

Суть процесса радиационной сшивки (cross-linking)

Сшиванием (сшивкой, cross-linking) называется процесс связки звеньев молекул в широкоячеистую трехмерную сетку за счет образования поперечных связей. Поперечные связи образуются в местах, где под воздействием определенных факторов у звеньев молекул полимера отрываются отдельные атомы водорода. Таким образом полимеры приобретают трехмерную структуру (В случае эластомеров вместо понятия «сшивание» используется термин «вулканизация».)

Суть радиационной технологии сшивки полимеров заключается в облучении полимеров (в воздействии на группу C-H) электронами, бета- или гамма-лучами с образованием свободных радикалов, что приводит к появлению структур, схожих с полученными в результате пероксидной сшивки.

Пероксидная и радиационная сшивка

Сшивка полиэтилена с использованием радикалов

Аналоги:

Пероксидная сшивка (химическая) — при помощи органических пероксидов и гидропероксидов. Метод «а» самый дорогой. Он гарантирует полный объёмный охват массы материала воздействием пероксидов, так как они добавляются в исходный расплав. Однако этот метод требует того, чтобы сшивка была не ниже 75% (по российским нормам — не ниже 70%), что делает трубы из данного материала более жёсткими по сравнению с другими способами сшивки.

Силановая сшивка (химическая) — сшивки полиэтилена при помощи органосиланидов. Органосиланиды представляют соединения кремния с органическими радикалами. Силаниды — ядовитые вещества.

Озонидная сшивка (химическая)

Мифы о трубах из сшитого полиэтилена

Одним из направлений работы центра является использование радиационной сшивки (cross-linking) полимеров и различных термопластов. Особо интенсивно развиваем направление радиационной сшивки изделий медицинского назначения.

органических соединений | Безграничная анатомия и физиология

Органические молекулы и функциональные группы

Функциональные группы – это группы молекул, присоединенные к органическим молекулам и придающие им определенные свойства или функции.

Цели обучения

Опишите важность функциональных групп для органических молекул

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Функциональные группы – это совокупности атомов, которые прикрепляют углеродный скелет органической молекулы и придают определенные свойства.
  • Каждый тип органической молекулы имеет свой особый тип функциональной группы.
  • Функциональные группы в биологических молекулах играют важную роль в образовании таких молекул, как ДНК, белки, углеводы и липиды.
  • Функциональные группы включают: гидроксил, метил, карбонил, карбоксил, амино, фосфат и сульфгидрил.
Ключевые термины
  • гидрофобный : не имеет сродства к воде; не может впитаться или намокать водой
  • гидрофильный : имеет сродство к воде; может впитывать или намокать водой

Расположение функциональных групп

Функциональные группы – это группы атомов, которые встречаются в органических молекулах и придают этим молекулам определенные химические свойства.Когда показаны функциональные группы, органическая молекула иногда обозначается как «R». Функциональные группы находятся вдоль «углеродного скелета» макромолекул, который образован цепями и / или кольцами атомов углерода с периодическим замещением таким элементом, как азот или кислород. Молекулы с другими элементами в углеродной основе являются замещенными углеводородами. Каждый из четырех типов макромолекул – белков, липидов, углеводов и нуклеиновых кислот – имеет свой собственный характерный набор функциональных групп, который в значительной степени способствует его различным химическим свойствам и функциям в живых организмах.

Свойства функциональных групп

Функциональная группа может участвовать в определенных химических реакциях. Некоторые из важных функциональных групп в биологических молекулах включают: гидроксильные, метильные, карбонильные, карбоксильные, амино, фосфатные и сульфгидрильные группы. Эти группы играют важную роль в образовании таких молекул, как ДНК, белки, углеводы и липиды.

Классификация функциональных групп

Функциональные группы обычно классифицируются как гидрофобные или гидрофильные в зависимости от их заряда или полярности.Примером гидрофобной группы является неполярная молекула метана. Среди гидрофильных функциональных групп есть карбоксильная группа, содержащаяся в аминокислотах, некоторых боковых цепях аминокислот и головках жирных кислот, которые образуют триглицериды и фосфолипиды. Эта карбоксильная группа ионизируется, высвобождая ионы водорода (H + ) из группы COOH, что приводит к образованию отрицательно заряженной группы COO –; это способствует гидрофильному характеру любой молекулы, на которой он находится. Другие функциональные группы, такие как карбонильная группа, имеют частично отрицательно заряженный атом кислорода, который может образовывать водородные связи с молекулами воды, снова делая молекулу более гидрофильной.Показанные здесь функциональные группы присутствуют во многих различных биологических молекулах, где «R» – это органическая молекула.

Водородные связи между функциональными группами

Водородные связи между функциональными группами (внутри одной и той же молекулы или между разными молекулами) важны для функции многих макромолекул и помогают им правильно складываться и сохранять соответствующую форму, необходимую для правильного функционирования. Водородные связи также участвуют в различных процессах распознавания, таких как спаривание комплементарных оснований ДНК и связывание фермента с его субстратом.

Водородные связи в ДНК : Водородные связи соединяют две цепи ДНК вместе, создавая структуру двойной спирали.

Типы биологических макромолекул

Биологические макромолекулы, большие молекулы, необходимые для жизни, включают углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты и белки.

Цели обучения

Определить четыре основных класса биологических макромолекул

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Биологические макромолекулы являются важными клеточными компонентами и выполняют широкий спектр функций, необходимых для выживания и роста живых организмов.
  • Четыре основных класса биологических макромолекул – это углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты.
Ключевые термины
  • полимер : относительно большая молекула, состоящая из цепи или сети многих идентичных или подобных мономеров, химически связанных друг с другом.
  • мономер : относительно небольшая молекула, которая может образовывать ковалентные связи с другими молекулами этого типа с образованием полимера.

Питательные вещества – это молекулы, которые необходимы живым организмам для выживания и роста, но животные и растения не могут синтезировать сами себя.Животные получают питательные вещества, потребляя пищу, а растения извлекают питательные вещества из почвы.

Источники биологических макромолекул : такие продукты, как хлеб, фрукты и сыр, являются богатыми источниками биологических макромолекул.

Многие важные питательные вещества представляют собой биологические макромолекулы. Термин «макромолекула» впервые был введен в употребление в 1920-х годах лауреатом Нобелевской премии Германом Штаудингером. Штаудингер был первым, кто предположил, что многие большие биологические молекулы построены путем ковалентного связывания более мелких биологических молекул вместе.

Живые организмы состоят из химических строительных блоков. : Все организмы состоят из различных биологических макромолекул.

Мономеры и полимеры

Биологические макромолекулы играют решающую роль в структуре и функционировании клеток. Большинство (но не все) биологических макромолекул представляют собой полимеры, которые представляют собой любые молекулы, построенные путем соединения множества более мелких молекул, называемых мономерами. Обычно все мономеры в полимере имеют тенденцию быть одинаковыми или, по крайней мере, очень похожими друг на друга, связанными снова и снова, чтобы создать более крупную макромолекулу.Эти простые мономеры можно соединить во множество различных комбинаций для получения сложных биологических полимеров, точно так же, как из нескольких типов блоков Lego можно построить что угодно, от дома до автомобиля.

Мономеры и полимеры : Множество мелких мономерных субъединиц объединяются с образованием этого углеводного полимера.

Примеры этих мономеров и полимеров можно найти в сахаре, который вы можете добавить в кофе или чай. Обычный столовый сахар – это дисахарид сахароза (полимер), который состоит из моносахаридов фруктозы и глюкозы (которые являются мономерами).Если бы мы соединяли вместе много углеводных мономеров, мы могли бы получить полисахарид, подобный крахмалу. Префиксы «моно-» (один), «ди-» (два) и «поли-» (многие) скажут вам, сколько мономеров было объединено в молекулу.

Молекула сахарозы (обычный столовый сахар) : Углеводные моносахариды (фруктоза и глюкоза) соединяются, чтобы образовать дисахарид сахарозу.

Все биологические макромолекулы содержат углерод в кольцевой или цепной форме, что означает, что они классифицируются как органические молекулы.Обычно они также содержат водород и кислород, а также азот и дополнительные второстепенные элементы.

Четыре класса биологических макромолекул

Существует четыре основных класса биологических макромолекул:

  1. углеводы
  2. липиды
  3. белков
  4. нуклеиновых кислот

Каждый из этих типов макромолекул выполняет широкий спектр важных функций внутри клетки; клетка не может выполнять свою роль в организме без множества различных типов этих важнейших молекул.В сочетании эти биологические макромолекулы составляют большую часть сухой массы клетки. (Молекулы воды составляют большую часть общей массы клетки.) Все молекулы как внутри, так и снаружи клеток находятся в водной (то есть водной) среде, и все реакции биологических систем происходят в той же среде. .

Интерактивное: мономеры и полимеры : углеводы, белки и нуклеиновые кислоты состоят из небольших молекулярных единиц, которые связаны друг с другом прочными ковалентными связями.Небольшие молекулярные единицы называются мономерами (моно означает один или один), и они связаны вместе в длинные цепи, называемые полимерами (поли означает множество или несколько). Макромолекулы разных типов, кроме липидов, построены из разного набора мономеров, которые похожи друг на друга по составу и размеру. Липиды не являются полимерами, потому что они не состоят из мономеров (единиц схожего состава).

Синтез дегидратации

При дегидратационном синтезе мономеры соединяются друг с другом ковалентными связями с образованием полимеров.

Цели обучения

Объясните реакции дегидратации (или конденсации)

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Во время дегидратационного синтеза либо водород одного мономера соединяется с гидроксильной группой другого мономера, высвобождая молекулу воды, либо два атома водорода одного мономера соединяются с одним кислородом другого мономера, высвобождая молекулу воды.
  • Мономеры, которые соединяются посредством реакций синтеза дегидратации, разделяют электроны и образуют ковалентные связи друг с другом.
  • По мере того, как дополнительные мономеры присоединяются посредством множественных реакций синтеза дегидратации, эта цепочка повторяющихся мономеров начинает образовывать полимер.
  • Сложные углеводы, нуклеиновые кислоты и белки – все это примеры полимеров, которые образуются путем дегидратационного синтеза.
  • Мономеры, такие как глюкоза, могут соединяться по-разному и давать различные полимеры. Мономеры, такие как мононуклеотиды и аминокислоты, соединяются в разных последовательностях с образованием множества полимеров.
Ключевые термины
  • ковалентная связь : Тип химической связи, при которой два атома соединяются друг с другом за счет совместного использования двух или более электронов.
  • мономер : относительно небольшая молекула, которая может быть ковалентно связана с другими мономерами с образованием полимера.

Синтез дегидратации

Большинство макромолекул состоит из отдельных субъединиц или строительных блоков, называемых мономерами. Мономеры соединяются друг с другом ковалентными связями с образованием более крупных молекул, известных как полимеры.При этом мономеры выделяют молекулы воды в качестве побочных продуктов. Этот тип реакции известен как синтез дегидратации, что означает «объединение, теряя воду». Это также считается реакцией конденсации, поскольку две молекулы конденсируются в одну большую молекулу с потерей меньшей молекулы (воды).

В реакции синтеза дегидратации между двумя неионизированными мономерами, такими как моносахаридные сахара, водород одного мономера соединяется с гидроксильной группой другого мономера, высвобождая при этом молекулу воды.Удаление водорода из одного мономера и удаление гидроксильной группы из другого мономера позволяет мономерам обмениваться электронами и образовывать ковалентную связь. Таким образом, соединенные вместе мономеры подвергаются дегидратации , чтобы обеспечить синтез более крупной молекулы.

Реакция синтеза дегидратации с участием неионизированных монеров. : В реакции синтеза дегидратации между двумя молекулами глюкозы гидроксильная группа первой глюкозы объединяется с водородом второй глюкозы, создавая ковалентную связь, которая связывает два мономерных сахара (моносахариды) вместе с образованием дисахарида мальтозы.В процессе образуется молекула воды.

Когда мономеры ионизируются, например, в случае с аминокислотами в водной среде, такой как цитоплазма, два атома водорода с положительно заряженного конца одного мономера объединяются с кислородом с отрицательно заряженного конца другого мономера, снова образуя вода, которая выделяется как побочный продукт и снова соединяет два мономера ковалентной связью.

Реакция синтеза дегидратации с участием ионизированных мономеров.: В реакции синтеза дегидратации между двумя аминокислотами, которые ионизируются в водной среде, такой как клетка, кислород из первой аминокислоты объединяется с двумя атомами водорода из второй аминокислоты, создавая ковалентную связь, которая связывает два мономера вместе с образованием дипептида. В процессе образуется молекула воды.

По мере того, как дополнительные мономеры соединяются посредством множественных реакций синтеза дегидратации, цепочка повторяющихся мономеров начинает образовывать полимер. Различные типы мономеров могут сочетаться во многих конфигурациях, давая начало разнообразной группе макромолекул.Три из четырех основных классов биологических макромолекул (сложные углеводы, нуклеиновые кислоты и белки) состоят из мономеров, которые соединяются вместе посредством реакций синтеза дегидратации. Сложные углеводы образуются из моносахаридов, нуклеиновые кислоты – из мононуклеотидов, а белки – из аминокислот.

Существует большое разнообразие способов объединения мономеров с образованием полимеров. Например, мономеры глюкозы входят в состав крахмала, гликогена и целлюлозы.Эти три полисахарида, классифицируемые как углеводы, образовались в результате множественных реакций синтеза дегидратации между мономерами глюкозы. Однако способ, которым мономеры глюкозы соединяются вместе, в частности расположение ковалентных связей между связанными мономерами и ориентация (стереохимия) ковалентных связей, приводит к этим трем различным полисахаридам с различными свойствами и функциями. В нуклеиновых кислотах и ​​белках расположение и стереохимия ковалентных связей, соединяющих мономеры, не различаются от молекулы к молекуле, но вместо этого используются различные типы мономеров (пять различных мономеров в нуклеиновых кислотах: A, G, C, T и U мононуклеотиды; 21 различных мономеров аминокислот в белках) объединены в огромное разнообразие последовательностей.Каждый белок или нуклеиновая кислота с разной последовательностью – это разные молекулы с разными свойствами.

3.4: Биохимические соединения – Biology LibreTexts

Химические соединения в живых существах

Соединения, обнаруженные в живых существах, известны как биохимических соединений. Биохимические соединения составляют клетки и другие структуры организмов и осуществляют жизненные процессы. Углерод является основой всех биохимических соединений, поэтому углерод необходим для жизни на Земле.Без углерода жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, не могла бы существовать.

Почему углерод так важен для жизни? Причина в способности углерода образовывать стабильные связи со многими элементами, в том числе с самим собой. Это свойство позволяет углероду образовывать огромное количество очень больших и сложных молекул. Фактически, в живых существах содержится около 10 миллионов углеродных соединений!

Большинство биохимических соединений представляют собой очень большие молекулы, называемые полимерами. Полимер состоит из повторяющихся звеньев более мелких соединений, называемых мономерами . Мономеры подобны отдельным бусинам на нити бус, а вся нить – это полимер. Нити бус, изображенные ниже, представляют собой простые модели полимеров в биохимических соединениях.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Fio de conta: Бусинки на нити похожи на образование полимеров из повторяющихся звеньев, называемых мономерами.

Классы биохимических соединений

Хотя в живых существах Земли есть миллионы различных биохимических соединений, все биохимические соединения содержат элементы углерод, водород и кислород.Некоторые содержат только эти элементы; другие также содержат дополнительные элементы. Огромное количество биохимических соединений можно разделить всего на четыре основных класса: углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты.

Углеводы

Углеводы включают сахара и крахмалы. Эти соединения содержат только элементы углерод, водород и кислород. Функции углеводов в живых существах включают обеспечение энергией клеток, накопление энергии и формирование определенных структур, таких как клеточные стенки растений.Мономер, из которого состоят крупные углеводные соединения, называется моносахаридом. Глюкоза сахара, представленная химической моделью ниже, является моносахаридом. Он содержит шесть атомов углерода (C) и несколько атомов водорода (H) и кислорода (O). Тысячи молекул глюкозы могут соединяться вместе, образуя полисахарид, такой как крахмал.

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): Модель молекулы моносахарида (глюкозы). Глюкоза имеет 6 атомов углерода, образующих основу. Каждый углерод имеет в общей сложности 4 связи. Каждая связь соединяет углерод с атомом углерода, водорода или кислорода.

Липиды

Липиды включают жиры и масла. Они содержат в основном углерод, водород и кислород, хотя некоторые липиды содержат дополнительные элементы, такие как фосфор. Функции липидов в живых существах включают хранение энергии, формирование клеточных мембран и передачу сообщений. Липиды состоят из повторяющихся единиц, которые объединяются в цепи, называемые жирными кислотами. Большинство встречающихся в природе жирных кислот имеют неразветвленную цепь с четным числом (обычно от 4 до 28) атомов углерода.

Белки

Белки включают ферменты, антитела и многие другие важные соединения живых существ. Они содержат элементы углерод, водород, кислород, азот и серу. Функции белков очень многочисленны. Они включают в себя помощь клеткам в сохранении формы, создание мышц, ускорение химических реакций и передачу сообщений и материалов. Мономеры, из которых состоят крупные белковые соединения, называются аминокислотами. Есть 23 различных аминокислоты, которые объединяются в длинные цепи (называемые полипептидами), чтобы сформировать строительные блоки огромного множества белков в живых организмах.

Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты включают молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). Они содержат элементы углерод, водород, кислород, азот и фосфор. Их функции в живых существах – кодировать инструкции по производству белков, помогать создавать белки и передавать инструкции от родителей потомству. Мономер, из которого состоят нуклеиновые кислоты, – это нуклеотид. Все нуклеотиды одинаковы, за исключением компонента, называемого азотистым основанием.Существует четыре различных азотистых основания, и каждый нуклеотид содержит одно из этих четырех оснований. Последовательность азотистых оснований в цепочках нуклеотидов в ДНК и РНК составляет код синтеза белка, называемый генетическим кодом. На анимации ниже представлена ​​очень сложная структура ДНК, состоящая из двух цепочек нуклеотидов.

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Эта вращающаяся модель ДНК показывает сложность этой двухцепочечной нуклеиновой кислоты. Есть много разных атомов, образующих структуру двойной спирали.

Органическая химия – Американское химическое общество

Что такое органическая химия?

Органическая химия – это изучение структуры, свойств, состава, реакций и получение углеродсодержащих соединений. Большинство органических соединений содержат углерод и водород, но они также могут включать любое количество других элементов (например, азот, кислород, галогены, фосфор, кремний, серу).

Первоначально ограничиваясь изучением соединений, продуцируемых живыми организмами, органическая химия была расширена за счет включения антропогенных веществ (например,г., пластмассы).

Чем занимаются химики-органики?

Органическая химия – это высокоразвитая наука, которая позволяет химикам создавать и исследовать молекулы и соединения. Химики-органики тратят много времени на разработку новых соединений и поиск лучших способов синтеза существующих.

Где используется органическая химия?

Органические соединения повсюду вокруг нас. Многие современные материалы хотя бы частично состоят из органических соединений. Они играют ключевую роль в экономическом росте и лежат в основе областей биохимии, биотехнологии и медицины.Примеры того, где вы можете найти органические соединения, включают агрохимикаты, покрытия, косметику, моющие средства, красители, продукты питания, топливо, нефтехимические продукты, фармацевтические препараты, пластмассы и резину.

Какие отрасли нанимают химиков-органиков?

Биотехнологии

Практически все продукты биотехнологии («биотехнологии») являются результатом органической химии. Биотехнология предполагает использование живых организмов и биопроцессов для создания или модификации продуктов для конкретного использования. Например, биотехнологическая компания может производить семена для сельскохозяйственных культур, устойчивых к болезням, или растений, устойчивых к засухе.

Общие области занятости в биотехнологии включают:

  • Здравоохранение
  • Растениеводство и сельское хозяйство
  • Непищевые виды использования сельскохозяйственных культур
  • Потребительские товары (например, биоразлагаемые пластмассы, растительное масло)
  • Экологический сектор
  • Биотопливо

Потребительские товары

Большинство потребительских товаров, которые мы используем, содержат органическую химию. Возьмем, к примеру, косметическую промышленность. Органическая химия изучает, как кожа реагирует на метаболические факторы и факторы окружающей среды, и химики разрабатывают соответствующие продукты.

Другие примеры повседневных товаров, связанных с органической химией, включают мыло, пластмассовые изделия, духи, уголь и пищевые добавки.

Органическая промышленная химия

Решающее значение для современной мировой экономики, органическая промышленная химия фокусируется на преобразовании сырья (например, нефти, природного газа, воздуха, воды, металлов и минералов) в потребительские и промышленные продукты.

Сегодня органическая промышленная химия основана в основном на нефти и природном газе. Поскольку это ограниченное сырье, промышленность уделяет большое внимание изучению того, как преобразовать возобновляемые ресурсы (например,г., растения) в промышленные органические химикаты.

Основные отрасли органической промышленной химии включают:

  • Резиновые и пластмассовые изделия
  • Текстиль и одежда
  • Нефтепереработка
  • Целлюлоза и бумага
  • Металлы первичные

Нефть

Самыми объемными нефтепродуктами являются мазут и бензин. Нефть также является сырьем для многих химических продуктов (например, фармацевтических препаратов, растворителей, удобрений, пестицидов и пластмасс).

Нефтяную промышленность обычно делят на три основных компонента:

  • Upstream – Разведка и добыча
  • Мидстрим – Транспорт
  • Downstream – Переработка сырой нефти, переработка и очистка природного газа, создание нефтехимических продуктов

Фармацевтическая промышленность

Фармацевтическая промышленность разрабатывает, производит и продает лекарства, используемые в качестве лекарств для людей или животных. Некоторые фармацевтические компании имеют дело с торговыми марками (т.е., имеет торговое название и может производиться и продаваться только компанией, владеющей патентом) и / или генерическими (т.е. химически эквивалентными, более дешевыми версиями фирменного препарата) лекарствами и медицинскими устройствами (действующими агентами). о заболеваниях без химического взаимодействия с организмом).

Фармацевтические препараты (фирменные наименования и генерики) и медицинские устройства регулируются многими национальными законами и постановлениями, касающимися патентования, тестирования, обеспечения безопасности, эффективности, мониторинга и маркетинга.

Правительство

Федеральные ведомства (e.g., Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов, Управление по патентам и товарным знакам), а также государственные и местные органы власти нанимают химиков-органиков в областях специализации, указанных выше.

Глава 10 – Соединения с серой, фосфором и азотом – Химия

Глава 10 – Соединения с серой, фосфором и азотом

Эта глава скоро будет доступна в виде загружаемого файла PDF.

Этот текст опубликован под лицензией Creative Commons, для ссылки и адаптации нажмите здесь.

Вступительное эссе – Органические химические вещества как агенты войны
Горчичный газ
Разработка первого химиопрепарата
Фосфаторганические нервные агенты

10,1 Соединения, содержащие серу
Тиолы и дисульфиды
Тиоэфиры
Тиоэфиры

10,2 Соединения, содержащие фосфор

10.3 соединения, содержащие азот
Амины
Амиды

10.4 Краткое содержание главы

10,5 Ссылки

Вступительное эссе – Органические химические вещества как агенты войны

Напомним, что гетероатом – это любой атом, отличный от углерода или водорода, который находится в органической молекуле. В предыдущей главе мы познакомились с соединениями, содержащими кислород.В этой главе мы сосредоточимся на соединениях, содержащих азот, сульфур и фосфор. Соединения, содержащие эти уникальные гетероатомы, использовались множеством способов, включая смертоносные и разрушительные. Небольшие органические молекулы, содержащие гетероатомы, такие как азот, фосфор и сера, были использованы для создания боевых отравляющих веществ. Сюда входят иприты серные, азотные и органофосфаты (например, газ зарин), представленные следующими соединениями:

Горчичный газ

Серный горчица является прототипом семейства цитотоксических боевых агентов на основе серы, которые способны образовывать большие пузыри на незащищенных участках кожи и в легких.Чистые серные горчицы представляют собой бесцветные вязкие жидкости при комнатной температуре. При использовании в нечистой форме, например, в качестве боевых агентов, они обычно желто-коричневого цвета и имеют запах, напоминающий запах горчицы, чеснока или хрена, отсюда и название. Первоначально серная горчица получила название LOST в честь ученых Вильгельма Ломмеля и Вильгельма Стейнкопфа, которые разработали метод крупномасштабного производства для Императорской немецкой армии в 1916 году.

Горчичные отравляющие вещества регулируются Конвенцией о химическом оружии 1993 года.В соответствии с настоящей Конвенцией осуществляется мониторинг трех классов химикатов, включая серу и азотный иприт, сгруппированные в Списке 1, как вещества, которые не используются, кроме как в химической войне. Горчичные агенты можно было использовать на поле боя с помощью артиллерийских снарядов, авиабомб, ракет или распыления с боевых самолетов.

Рисунок 10.1 Использование иприта во время Первой и Второй мировых войн. A. Газовый идентификационный плакат армии США времен Второй мировой войны, ок. 1941–1945 гг. Б. Волдыри на руке человека, образовавшиеся в результате воздействия иприта.

Фотография опознавательного плаката предоставлена: армией США. Фотография блистеров предоставлена: ClockworkSoul

(Вернуться к началу)

Разработка первого химиопрепарата

Еще в 1919 году было известно, что горчичники подавляют кроветворение, или образование клеток крови. Кроме того, исследователи из Пенсильванского университета, которые сообщили о снижении количества лейкоцитов, провели вскрытие 75 солдат, умерших от горчичного агента во время Первой мировой войны.Это побудило Американское управление научных исследований и разработок (OSRD) профинансировать биологические и химические факультеты Йельского университета для проведения исследований по применению химического оружия во время Второй мировой войны. В рамках этих усилий группа исследовала азотистый иприт в качестве терапии лимфомы Ходжкина и других типов лимфомы и лейкемии, и это соединение было опробовано на своем первом пациенте-человеке в декабре 1942 года. Результаты этого исследования не были опубликованы до тех пор, пока 1946 г., когда они были рассекречены. Параллельно с этим после авианалета на Бари в декабре 1943 года врачи армии США отметили снижение количества лейкоцитов у их пациентов. Через несколько лет после окончания Второй мировой войны инцидент в Бари и работа группы Йельского университета с азотным ипритом совпали, и это побудило к поиску других подобных химических соединений. Из-за использования в предыдущих исследованиях азотистый иприт под названием «HN2», позже известный как мустин, стал первым применяемым химиотерапевтическим препаратом против рака.Мустин (HN2) больше не используется из-за чрезмерной токсичности.

Фосфаторганические нервные агенты

Зарин является фосфорорганическим нервно-паралитическим агентом. Как и все другие нервно-паралитические агенты, зарин атакует нервную систему, препятствуя разложению нейромедиатора ацетилхолина в нервно-мышечных соединениях. Смерть обычно наступает в результате асфиксии из-за неспособности контролировать мышцы, участвующие в дыхательной функции.

Первыми симптомами после воздействия зарина являются насморк, стеснение в груди и сужение зрачков.Вскоре после этого у человека возникнет затрудненное дыхание, тошнота и слюнотечение. Поскольку они продолжают терять контроль над функциями организма, они могут рвать, испражняться и мочиться. За этой фазой следуют подергивания и подергивания. В конечном итоге человек впадает в кому и задыхается от серии судорожных спазмов. Более того, обычная мнемоника для симптоматики отравления фосфорорганическими соединениями, включая газ зарин, является «убийцей В» бронхореи и бронхоспазма, потому что они являются основной причиной смерти, а СЛОЙ – слюноотделение, слезотечение, мочеиспускание, дефекация, желудочно-кишечные расстройства и рвота. .Смерть может наступить через 1-10 минут после прямого вдыхания.

Зарин обладает высокой летучестью (легкостью, с которой жидкость может превращаться в газ) по сравнению с аналогичными нервно-паралитическими веществами, поэтому вдыхание может быть очень опасным, и даже концентрация паров может немедленно проникнуть через кожу. Одежда человека может выделять зарин в течение примерно 30 минут после контакта с газом зарина, что может привести к контакту с другими людьми. Производство и накопление зарина были объявлены вне закона с апреля 1997 года Конвенцией 1993 года о химическом оружии, и он классифицируется как вещество Списка 1.Предполагаемое использование зарина во время недавних терактов в Сирии остается спорной темой в мировой политике.

Кислород является наиболее распространенным и многочисленным гетероатомом, обнаруженным в органических молекулах, и является составной частью всех основных макромолекул, обнаруженных в организме человека (белков, углеводов, жиров / липидов и нуклеиновых кислот). В дополнение к кислороду, сера, фосфор и азот также являются обычными гетероатомами , которые играют особую роль в биологических системах. Азот является ключевым компонентом белков, а фосфор содержится в дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК) и рибонуклеиновой кислоте (РНК).Сера содержится в более ограниченных количествах в белке, а также во многих других небольших молекулах человеческого тела, включая несколько витаминов. Серосодержащие органические соединения также необходимы для биосинтеза многих химических сигнальных молекул, таких как гормоны и нейротрансмиттеры. Таким образом, в этой главе основное внимание будет уделено органическим функциональным группам и связанным с ними химическим реакциям, связанным с молекулами, содержащими азот, серу и фосфор.

(Вернуться к началу)

10.1 Соединения, содержащие серу
Тиолы и дисульфиды

Поскольку сера находится в той же группе (6A) периодической таблицы Менделеева, что и кислород, эти два элемента обладают схожими свойствами. Можно ожидать, что сера будет образовывать органические соединения, родственные соединениям кислорода, и это действительно так. Тиолы (также называемые меркаптанами) являются серными аналогами спиртов и имеют общую формулу R-SH. Например, метантиол (также называемый метилмеркаптаном) имеет формулу CH 3 SH.Этантиол (этилмеркаптан или CH 3 CH 2 SH) является наиболее распространенным одорантом для жидкого пропана (LP). Его структура аналогична структуре этанола, но с серой вместо кислорода. Запах CH 3 CH 2 SH печально известен. Этантиол более летуч, чем этанол, из-за пониженной способности участвовать в водородных связях. Этантиол токсичен. Он встречается в природе как второстепенный компонент нефти и обычно добавляется к газообразным продуктам без запаха, таким как сжиженный нефтяной газ (LPG), в очень малых дозах, чтобы предупредить об утечках газа.В этих концентрациях этантиол не опасен.

Тиолы могут подвергаться умеренному окислению с образованием соединений, называемых дисульфидами. Этот тип реакции распространен в белковых структурах, где он образует внутримолекулярные дисульфидные мостиковые структуры. Аминокислоты цистеин [HSCH 2 CH (NH 2 ) COOH] и метионин [CH 3 SCH 2 CH 2 CH (NH 2 ) COOH] содержат атомы серы, как и все белки. которые содержат эти аминокислоты.Дисульфидные связи (–S – S–) между белковыми цепями чрезвычайно важны в структуре белка.

Рис. 10.2. Образование дисульфидов из тиоловых структур. A. изображает общее уравнение образования дисульфида из двух молекул тиола. Обратите внимание, что во время этой реакции требуется окисляющий реагент для удаления 2 атомов водорода и 2 электронов из тиоловых структур с целью образования окисленного дисульфидного продукта. Б. Показывает две цистеиновые аминокислоты, которые образовали дисульфидную связь. C. Когда цистеин присутствует в белковых последовательностях, он может реагировать с другими остатками цистеина в структуре и образовывать внутренние белковые структуры, называемые дисульфидными мостиками. Дисульфидные мостики важны для поддержания правильной трехмерной структуры и, таким образом, общей функции белков в биологических системах.

Изображение дисульфидных белковых мостиков в C, предоставлено: Jü


Дисульфидные связки в волосах и перьях – более внимательный взгляд

Более 90% сухого веса волос составляют белки, называемые кератинами, которые имеют высокое содержание дисульфидов из аминокислоты цистеина.

Устойчивость, частично обеспечиваемая дисульфидными связями, иллюстрируется обнаружением практически неповрежденных волос из древних египетских гробниц. Перья имеют аналогичные кератины и чрезвычайно устойчивы к пищеварительным ферментам, связанным с белками. Различные части волос и пера имеют разный уровень цистеина, что приводит к получению более твердого или мягкого материала. Манипулирование дисульфидными связями в волосах – основа перманентной завивки в прическе. Реагенты, которые влияют на образование и разрыв S – S-связей, являются ключевыми, например.г., тиогликолят аммония. Высокое содержание дисульфидов в перьях обусловливает высокое содержание серы в птичьих яйцах. Высокое содержание серы в волосах и перьях способствует возникновению неприятного запаха, возникающего при их сжигании.

Рис. 10.3 Значение дисульфидных мостиков. Дисульфидные связи очень распространены в волосах и перьях. A. Изображает человеческий волос с увеличением 200X. B. Показывает структуру пера без какой-либо окраски. C. Демонстрирует стойкую прическу.

Фотография увеличенного человеческого волоса предоставлена: Jan Homann Фотография пера предоставлена: Rita Ballantyne Фотография постоянной прически предоставлена: LJP Assistant

В белке волос, кератине, дисульфидные связи образуются в результате окисления сульфгидрильных групп цистеина. Различные белковые цепи или петли внутри одной цепи удерживаются вместе прочными ковалентными дисульфидными связями. В процессе перманентной волны сначала добавляется основное восстанавливающее вещество (обычно тиогликолят аммония) для уменьшения и разрушения дисульфидных поперечных связей.

Рисунок 10.4 Первый шаг в получении перманентного средства для ухода за волосами. Сначала волосы накручиваются на бигуди. Затем к волосам добавляется первый реагент, основной восстанавливающий агент. Восстанавливающий агент разрушает дисульфидные связи в кератиновых белках волос, позволяя сместить структуру складывания кератина и приспособиться к завитой структуре волос.

Для стабилизации волос в новом положении добавляется окислитель, обычно разбавленный раствор перекиси водорода (также называемый нейтрализатором), чтобы восстановить дисульфидные связи в их новых положениях.Перманент будет удерживать эти новые позиции дисульфидных связей до тех пор, пока волосы не отрастут. Новые волосы не обрабатывались и, таким образом, перенимают структуру естественной дисульфидной связи.

Рисунок 10.5 Второй этап перманентного ухода за волосами. После обработки завитых волос восстановителем. К волосам добавляется окислитель для восстановления дисульфидных мостиков, пока волосы находятся в свернутом положении. После раскручивания волосы теперь сохраняют вьющуюся форму из-за образования новых дисульфидных мостиков.

Тиоэфиры

Тиоэфиры, являющиеся серными аналогами простых эфиров, имеют общую формулу RSR ‘. Серный горчица во вступительном эссе является примером тиоэфира. Аналогичным, но нетоксичным тиоэфиром является диметилсульфид (CH 3 SCH 3 ), который вызывает иногда неприятный запах вареной капусты и связанных с ней овощей.

Тиоэфиры

Подобно спиртам, тиолы могут также реагировать с карбоновыми кислотами в реакции дегидратации с образованием сложноэфирной структуры.В этом случае группа -ОН карбоновой кислоты действует как уходящая группа после нуклеофильной атаки серы на карбонильный углерод. Полученный продукт называется тиоэфиром. Общая структура тиоэфира показана ниже:

Реакция дегидратации, необходимая для образования тиоэфира, показана ниже:

Образование тиоэфиров очень важно в биологических системах, особенно в отношении метаболизма жиров. Длинноцепочечные жирные кислоты не могут переноситься через клетку в виде свободных жирных кислот.Структура карбоновой кислоты может нарушить целостность клеточной мембраны. Таким образом, жирные кислоты безопасно перемещаются внутри клетки в виде тиоэфира с важной органической молекулой, известной как кофермент А. Структура кофермента А довольно большая и сложная. Однако важным активным компонентом является ключевая тиоловая группа, указанная стрелкой.

Фактически, кофермент A часто сокращенно называют HSCoA, чтобы подчеркнуть, что именно тиоловая сера обеспечивает критическую связь тиоэфира с группами жирных кислот.Когда жирная кислота присоединена к коферменту А, группа жирной кислоты называется жирной ацил- или более просто группой ацил-. Пример жирной кислоты C 16 , которая была активирована и связана с коферментом A, показан ниже:

Когда ваша пища (углеводы и жиры) расщепляется в вашем теле, она в конечном итоге превращается в простую двухуглеродную единицу, называемую ацетил-КоА, которая по сути является тиоэфирным производным уксусной кислоты:

Ацетил-КоА затем используется в сложном метаболическом цикле, называемом циклом Креба, для производства большого количества аденозинтрифосфата (АТФ).АТФ – основной источник энергии, который поддерживает жизнь и функционирование ваших клеток.

Ключевые вынос

Тиолы, дисульфиды, тиоэфиры и тиоэфиры часто встречаются в биологических соединениях.

2,5 Органические соединения, необходимые для функционирования человека – анатомия и физиология

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Определить органические молекулы, необходимые для функционирования человека
  • Объясните химию, лежащую в основе сродства углерода к ковалентным связям в органических соединениях
  • Приведите примеры углеводов и определите основные функции углеводов в организме
  • Обсудить липиды, важные для функционирования человека
  • Опишите структуру белков и обсудите их важность для функционирования человека
  • Определить строительные блоки нуклеиновых кислот и роль ДНК, РНК и АТФ в функционировании человека

Органические соединения обычно состоят из групп атомов углерода, ковалентно связанных с водородом, обычно с кислородом, а также часто с другими элементами.Созданные живыми существами, они встречаются по всему миру, в почвах и морях, в промышленных продуктах и ​​в каждой клетке человеческого тела. Четыре типа, наиболее важные для структуры и функций человека, – это углеводы, липиды, белки и нуклеотиды. Прежде чем исследовать эти соединения, вам нужно сначала понять химию углерода.

Химия углерода

То, что делает органические соединения повсеместными, – это химический состав их углеродного ядра. Вспомните, что атомы углерода имеют четыре электрона в своей валентной оболочке и что правило октетов диктует, что атомы имеют тенденцию реагировать таким образом, чтобы заполнить свою валентную оболочку восемью электронами.Атомы углерода не завершают свою валентную оболочку, отдавая или принимая четыре электрона. Вместо этого они легко обмениваются электронами через ковалентные связи.

Обычно атомы углерода делятся с другими атомами углерода, часто образуя длинную углеродную цепь, называемую углеродным скелетом. Однако, когда они делятся, они не делят все свои электроны исключительно друг с другом. Скорее, атомы углерода имеют тенденцию делить электроны с множеством других элементов, одним из которых всегда является водород. Углеродные и водородные группы называются углеводородами.Если вы изучите фигуры органических соединений в оставшейся части этой главы, вы увидите несколько с цепочками углеводородов в одной области соединения.

Для заполнения четырех «вакансий» углерода возможно множество комбинаций. Углерод может делить электроны с кислородом, азотом или другими атомами в определенной области органического соединения. Более того, атомы, с которыми связаны атомы углерода, также могут быть частью функциональной группы. Функциональная группа представляет собой группу атомов, связанных прочными ковалентными связями, которые, как правило, действуют в химических реакциях как единое целое.Вы можете думать о функциональных группах как о сплоченных «кликах», члены которых вряд ли разделятся. Для физиологии человека важны пять функциональных групп: гидроксильная, карбоксильная, амино, метильная и фосфатная группы (таблица 2.1).

Функциональная группа Структурный

Формула

 Важность
Гидроксил -O-H Гидроксильные группы полярны. Они являются компонентами всех четырех типов органических соединений, обсуждаемых в этой главе.Они участвуют в реакциях дегидратационного синтеза и гидролиза.
Карбоксил О-С-ОН Карбоксильные группы находятся в жирных кислотах, аминокислотах и ​​многих других кислотах.
Амино —N — H 2 Аминогруппы находятся в аминокислотах, строительных блоках белков.
метил —C — H 3 Метильные группы находятся в аминокислотах.
Фосфат —P — O 4 2– Фосфатные группы находятся в фосфолипидах и нуклеотидах.
 Таблица 2.1: Функциональные группы, важные в физиологии человека

Сродство углерода к ковалентной связи означает, что многие отдельные и относительно стабильные органические молекулы легко образуют более крупные и сложные молекулы. Любая большая молекула обозначается как макромолекула (макро- = «большая»), и все органические соединения в этом разделе соответствуют этому описанию.Однако некоторые макромолекулы состоят из нескольких «копий» единичных единиц, называемых мономером (моно- = «один»; -мер = «часть»). Подобно бусам в длинном ожерелье, эти мономеры связываются ковалентными связями с образованием длинных полимеров (поли- = «много»). Среди органических соединений много примеров мономеров и полимеров.

Мономеры образуют полимеры путем дегидратационного синтеза (см. Рисунок 2.4.1). Как было отмечено ранее, в результате этой реакции выделяется молекула воды. Каждый мономер вносит свой вклад; один отдает атом водорода, а другой отдает гидроксильную группу.Полимеры разделяются на мономеры путем гидролиза (-lysis = «разрыв»). Связи между их мономерами разрываются за счет пожертвования молекулы воды, которая вносит атом водорода в один мономер и гидроксильную группу в другой.

Углеводы

Термин углевод означает «гидратированный углерод». Напомним, что корень гидро- указывает на воду. Углевод – это молекула, состоящая из углерода, водорода и кислорода; в большинстве углеводов водород и кислород находятся в тех же относительных пропорциях два к одному, что и в воде.Фактически, химическая формула «общей» молекулы углевода: (CH 2 O) n .

Углеводы называются сахаридами, что означает «сахара». В организме важны три формы: моносахариды, дисахариды и полисахариды. Моносахариды – это мономеры углеводов. Дисахариды (ди- = «два») состоят из двух мономеров. Полисахариды – это полимеры, которые могут состоять из сотен и тысяч мономеров.

Моносахариды

Моносахарид представляет собой мономер углеводов. Для организма важны пять моносахаридов. Три из них представляют собой гексозные сахара, названные так потому, что каждый из них содержит шесть атомов углерода. Это глюкоза, фруктоза и галактоза, показанные на рис. 2.5.1 a . Остальные моносахариды – это два пентозных сахара, каждый из которых содержит пять атомов углерода. Это рибоза и дезоксирибоза, показанные на рисунке 2.5.1 б .

Рисунок 2.5.1 Пять важных моносахаридов

Дисахариды

Дисахарид представляет собой пару моносахаридов. Дисахариды образуются путем дегидратационного синтеза, и связывающая их связь называется гликозидной связью (глико- = «сахар»). Три дисахарида (показаны на рисунке 2.5.2) важны для человека. Это сахароза, обычно называемая столовым сахаром, лактозой или молочным сахаром, и мальтоза или солодовый сахар.Как вы можете понять из их общих названий, вы потребляете их в своем рационе, однако ваше тело не может использовать их напрямую. Вместо этого в пищеварительном тракте они расщепляются на составляющие их моносахариды посредством гидролиза.

Рисунок 2.5.2 – Три важных дисахарида: Все три важных дисахарида образуются путем дегидратационного синтеза.

Внешний веб-сайт

Посмотрите это видео, чтобы понаблюдать за образованием дисахарида. Что происходит, когда вода встречает гликозидную связь?

Полисахариды

Полисахариды могут содержать от нескольких до тысячи и более моносахаридов.Для организма важны три (рис. 2.5.3):

  • Крахмалы – это полимеры глюкозы. Они образуются в виде длинных цепей, называемых амилозой, или разветвленных цепей, называемых амилопектином, которые хранятся в растительных продуктах и ​​относительно легко перевариваются.
  • Гликоген также представляет собой полимер глюкозы, но он хранится в тканях животных, особенно в мышцах и печени. Он не считается диетическим углеводом, потому что после убоя в тканях животных остается очень мало гликогена, однако человеческий организм сохраняет избыток глюкозы в виде гликогена, опять же, в мышцах и печени.
  • Целлюлоза, полисахарид, который является основным компонентом клеточной стенки зеленых растений, является компонентом растительной пищи, называемым «клетчаткой». У людей целлюлоза / клетчатка не усваиваются, однако пищевые волокна имеют много преимуществ для здоровья. Это помогает вам чувствовать себя сытым, поэтому вы меньше едите, способствует здоровому пищеварительному тракту, а диета с высоким содержанием клетчатки, как считается, снижает риск сердечных заболеваний и, возможно, некоторых форм рака.
Рисунок 2.5.3 – Три важных полисахарида: Три важных полисахарида – это крахмал, гликоген и клетчатка.

Функции углеводов

Организм получает углеводы из растительной пищи. Зерновые, фрукты, бобовые и другие овощи обеспечивают большую часть углеводов в рационе человека, хотя лактоза содержится в молочных продуктах.

Хотя большинство клеток организма могут расщеплять другие органические соединения в качестве топлива, все клетки организма могут использовать глюкозу. Более того, нервные клетки (нейроны) головного и спинного мозга и периферической нервной системы, а также красные кровяные тельца могут использовать глюкозу только в качестве топлива.При расщеплении глюкозы для получения энергии образуются молекулы аденозинтрифосфата, более известного как АТФ. Аденозинтрифосфат (ATP) состоит из сахара-рибозы, основания аденина и трех фосфатных групп. АТФ высвобождает свободную энергию, когда его фосфатные связи разрываются, и, таким образом, поставляет готовую энергию клетке. В присутствии кислорода (O2) вырабатывается больше АТФ, чем в путях, в которых кислород не используется. Общая реакция преобразования энергии глюкозы в энергию, запасенную в АТФ, может быть записана:

C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 → 6 CO 2 + 6 H 2 O + ATP

Углеводы не только являются важным источником топлива, но и присутствуют в структуре клеток в очень небольших количествах.Например, некоторые молекулы углеводов связываются с белками с образованием гликопротеинов, а другие соединяются с липидами с образованием гликолипидов, оба из которых находятся в мембране, которая окружает содержимое клеток организма.

Липиды

A липид – одно из очень разнообразных соединений, состоящих в основном из углеводородов. Немногочисленные атомы кислорода, которые они содержат, часто находятся на периферии молекулы. Их неполярные углеводороды делают все липиды гидрофобными.В воде липиды не образуют настоящий раствор, но они могут образовывать эмульсию, что является термином для смеси растворов, которые плохо смешиваются.

Триглицериды

Триглицерид – одна из наиболее распространенных групп пищевых липидов, наиболее часто встречающаяся в тканях организма. Это соединение, которое обычно называют жиром, образуется в результате синтеза двух типов молекул (рис. 2.5.4):

  • Глицериновая основа в основе триглицеридов, состоящая из трех атомов углерода.
  • Три жирные кислоты, длинные цепи углеводородов с карбоксильной группой и метильной группой на противоположных концах, отходящие от каждого из атомов углерода глицерина.
Рисунок 2.5.4 – Триглицериды: Триглицериды состоят из глицерина, присоединенного к трем жирным кислотам посредством синтеза дегидратации. Обратите внимание, что глицерин отдает атом водорода, а каждая карбоксильная группа жирных кислот отдает гидроксильную группу.

Триглицериды образуются посредством синтеза дегидратации. Глицерин отдает атомы водорода из своих гидроксильных групп по каждой связи, а карбоксильная группа на каждой цепи жирной кислоты отдает гидроксильную группу.Таким образом высвобождаются три молекулы воды.

Цепи жирных кислот, которые не имеют двойных углеродных связей по длине и, следовательно, содержат максимальное количество атомов водорода, называются насыщенными жирными кислотами. Эти прямые жесткие цепи плотно соединяются друг с другом и при комнатной температуре являются твердыми или полутвердыми (рис. 2.5.5 a ). Например, масло и сало, а также жир, который содержится в стейке или в вашем собственном теле. Напротив, жирные кислоты с одной двойной углеродной связью изогнуты по этой связи (Рисунок 2.5.5 b ). Следовательно, эти мононенасыщенные жирные кислоты не могут плотно упаковываться вместе и являются жидкими при комнатной температуре. Полиненасыщенные жирные кислоты содержат две или более двойных углеродных связи и также являются жидкими при комнатной температуре. Растительные масла, такие как оливковое масло, обычно содержат как моно-, так и полиненасыщенные жирные кислоты.

Рисунок 2.5.5 – Формы жирных кислот: Уровень насыщения жирной кислоты влияет на ее форму. (а) Цепи насыщенных жирных кислот прямые. (b) Цепи ненасыщенных жирных кислот перекручены.

В то время как диета с высоким содержанием насыщенных жирных кислот увеличивает риск сердечных заболеваний, считается, что диета с высоким содержанием ненасыщенных жирных кислот снижает риск. Это особенно верно в отношении ненасыщенных жирных кислот омега-3, содержащихся в холодноводной рыбе, такой как лосось. Эти жирные кислоты имеют свою первую двойную углеродную связь у третьего углеводорода от метильной группы (называемого омега-концом молекулы).

Наконец, считается, что транс- жирных кислот, содержащихся в некоторых обработанных пищевых продуктах, в том числе в некоторых маргаринах в палочках и тазах, даже более вредны для сердца и кровеносных сосудов, чем насыщенные жирные кислоты. Trans жиры создаются из ненасыщенных жирных кислот (таких как кукурузное масло) при химической обработке для получения частично гидрогенизированных жиров.

Как группа, триглицериды являются основным источником топлива для организма. Когда вы спите или отдыхаете, большая часть энергии, используемой для поддержания вашей жизни, поступает из триглицеридов, хранящихся в ваших жировых (жировых) тканях. Триглицериды также способствуют длительной и медленной физической активности, такой как садоводство или походы, и дают небольшой процент энергии для энергичной физической активности.Пищевой жир также способствует усвоению и транспортировке неполярных жирорастворимых витаминов A, D, E и K. Кроме того, накопленный телесный жир защищает и смягчает кости и внутренние органы тела, а также действует как изоляция для сохранения тепла тела.

Жирные кислоты также являются компонентами гликолипидов, которые представляют собой соединения сахара и жира, обнаруженные в клеточной мембране. Липопротеины – это соединения, в которых гидрофобные триглицериды упакованы в белковые оболочки для транспортировки в жидкостях организма.

Фосфолипиды

Как следует из названия, фосфолипид представляет собой связь между глицериновым компонентом липида и молекулой фосфора.Фактически, фосфолипиды похожи по структуре на триглицериды. Однако вместо трех жирных кислот фосфолипид образуется из диглицерида, глицерина с двумя цепями жирных кислот (рис. 2.5.6). Третий сайт связывания на глицерине захватывается фосфатной группой, которая, в свою очередь, присоединяется к полярной «головной» области молекулы. Напомним, что триглицериды неполярны и гидрофобны. Это все еще справедливо для жирнокислотной части фосфолипидного соединения. Однако головка фосфолипида содержит заряды на фосфатных группах, а также на атоме азота.Эти заряды делают головку фосфолипида гидрофильной. Поэтому говорят, что фосфолипиды имеют гидрофобные хвосты, содержащие нейтральные жирные кислоты, гидрофильные головки, заряженные фосфатные группы и атом азота.

Рисунок 2.5.6 – Другие важные липиды: (a) Фосфолипиды состоят из двух жирных кислот, глицерина и фосфатной группы. (b) Стерины представляют собой липиды кольцевой формы. Здесь показан холестерин. (c) Простагландины получают из ненасыщенных жирных кислот. Простагландин E2 (PGE2) включает гидроксильные и карбоксильные группы.

Стероиды

Стероид , соединение (называемое стеролом) имеет в качестве своей основы набор из четырех углеводородных колец, связанных с множеством других атомов и молекул (см. Рис. 2.5.6 b ). Хотя и растения, и животные синтезируют стерины, наиболее важный вклад в структуру и функции человека вносит холестерин, который синтезируется печенью человека и животных и также присутствует в большинстве продуктов животного происхождения. Как и другие липиды, углеводороды холестерина делают его гидрофобным, однако он имеет полярную гидроксильную головку, которая является гидрофильной.Холестерин – важный компонент желчных кислот и соединений, которые помогают эмульгировать диетические жиры. Фактически, корень этого слова – холе – относится к желчи. Холестерин также является строительным материалом для многих гормонов, сигнальных молекул, которые организм высвобождает для регулирования процессов на удаленных участках. Наконец, как и фосфолипиды, молекулы холестерина находятся в клеточной мембране, где их гидрофобные и гидрофильные участки помогают регулировать поток веществ в клетку и из нее.

Простагландины

Подобно гормону, простагландин является одной из группы сигнальных молекул, но простагландины являются производными ненасыщенных жирных кислот (см. Рисунок 2.5.6 c ). Одна из причин того, что жирные кислоты омега-3, содержащиеся в рыбе, полезны, заключается в том, что они стимулируют выработку определенных простагландинов, которые помогают регулировать аспекты кровяного давления и воспаления и тем самым снижают риск сердечных заболеваний. Простагландины также повышают чувствительность нервов к боли. Один класс обезболивающих, называемых нестероидными противовоспалительными препаратами (НПВП), снижает действие простагландинов.

Белки

Вы можете ассоциировать белки с мышечной тканью, но на самом деле белки являются важнейшими компонентами всех тканей и органов.Белок представляет собой органическую молекулу, состоящую из аминокислот, связанных пептидными связями. Белки включают кератин в эпидермисе кожи, который защищает подлежащие ткани, и коллаген, содержащийся в дерме кожи, в костях и мозговых оболочках, покрывающих головной и спинной мозг. Белки также являются компонентами многих функциональных химических веществ организма, включая пищеварительные ферменты пищеварительного тракта, антитела, нейротрансмиттеры, которые нейроны используют для связи с другими клетками, и гормоны на основе пептидов, которые регулируют определенные функции организма (например, гормон роста ).В то время как углеводы и липиды состоят из углеводородов и кислорода, все белки также содержат азот (N), а многие из них содержат серу (S), помимо углерода, водорода и кислорода.

Микроструктура белков

Белки – это полимеры, состоящие из азотсодержащих мономеров, называемых аминокислотами. Аминокислота представляет собой молекулу, состоящую из аминогруппы и карбоксильной группы вместе с вариабельной боковой цепью. Всего 20 различных аминокислот вносят вклад почти во все тысячи различных белков, важных в структуре и функциях человека.Белки организма содержат уникальную комбинацию от нескольких десятков до нескольких сотен из этих 20 аминокислотных мономеров. Все 20 этих аминокислот имеют схожую структуру (рис. 2.5.7). Все они состоят из центрального атома углерода, с которым связаны:

  • атом водорода
  • щелочная (основная) аминогруппа Nh3 (см. Таблицу 2.1)
  • кислая карбоксильная группа COOH (см. Таблицу 2.1)
  • группа переменных
Рисунок 2.5.7. Структура аминокислоты

Обратите внимание, что все аминокислоты содержат как кислоту (карбоксильная группа), так и основание (аминогруппа) (амин = «азотсодержащий»).По этой причине они создают отличные буферы, помогая организму регулировать кислотно-щелочной баланс. Что отличает 20 аминокислот друг от друга, так это их вариабельная группа, которая называется боковой цепью или R-группой. Эта группа может различаться по размеру и может быть полярной или неполярной, что придает каждой аминокислоте свои уникальные характеристики. Например, боковые цепи двух аминокислот – цистеина и метионина – содержат серу. Сера не участвует в водородных связях, в отличие от всех других аминокислот.Это изменение влияет на способ сборки белков, содержащих цистеин и метионин.

Аминокислоты соединяются посредством синтеза дегидратации с образованием белковых полимеров (рис. 2.5.8). Уникальная связь, удерживающая аминокислоты вместе, называется пептидной связью. Пептидная связь – это ковалентная связь между двумя аминокислотами, образованная дегидратационным синтезом. Пептид, по сути, представляет собой очень короткую цепочку аминокислот. Нити, содержащие менее примерно 100 аминокислот, обычно называют полипептидами, а не белками.

Рисунок 2.5.8 – Структура аминокислоты: Различные аминокислоты соединяются вместе, образуя пептиды, полипептиды или белки посредством синтеза дегидратации. Связи между аминокислотами представляют собой пептидные связи.

Организм способен синтезировать большинство аминокислот из компонентов других молекул, однако девять не могут быть синтезированы и должны потребляться с пищей. Они известны как незаменимые аминокислоты.

Считается, что

свободных аминокислот, доступных для построения белков, находятся в пуле аминокислот в клетках.Структуры внутри клетки используют эти аминокислоты при сборке белков. Однако, если конкретная незаменимая аминокислота недоступна в достаточном количестве в аминокислотном пуле, синтез белков, содержащих ее, может замедлиться или даже прекратиться.

Форма белков

Так же, как вилкой нельзя есть суп и ложку нельзя использовать для разделки мяса, форма белка важна для его функции. Форма белка в основном определяется последовательностью аминокислот, из которых он состоит (рис. 2.5.9 a ). Последовательность называется первичной структурой белка.

Рисунок 2.5.9 – Форма белков: (a) Первичная структура – это последовательность аминокислот, составляющих полипептидную цепь. (b) Вторичная структура, которая может принимать форму альфа-спирали или бета-складчатого листа, поддерживается водородными связями между аминокислотами в различных областях исходной полипептидной цепи. (c) Третичная структура возникает в результате дальнейшего складывания и связывания вторичной структуры.(d) Четвертичная структура возникает в результате взаимодействий между двумя или более третичными субъединицами. Показанный здесь пример – гемоглобин, белок красных кровяных телец, который транспортирует кислород к тканям тела.

Хотя некоторые полипептиды существуют в виде линейных цепей, большинство из них скручены или свернуты в более сложные вторичные структуры, которые образуются, когда происходит связывание между аминокислотами с разными свойствами в разных областях полипептида. Наиболее распространенная вторичная структура – это спираль, называемая альфа-спиралью.Если вы возьмете веревку и просто скрутите ее в спираль, она не сможет удерживать форму. Точно так же цепочка аминокислот не могла бы поддерживать стабильную спиральную форму без помощи водородных связей, которые создают мосты между различными участками одной и той же цепи (см. Рис. 2.5.9 b ). Реже полипептидная цепь может образовывать бета-складчатый лист, в котором водородные связи образуют мостики между различными областями одного полипептида, который сам на себя свернут, или между двумя или более соседними полипептидными цепями.

Вторичная структура белков затем складывается в компактную трехмерную форму, называемую третичной структурой белка (см. Рис. 2.5.9 c ). В этой конфигурации аминокислоты, которые были очень далекими в первичной цепи, могут быть доставлены довольно близко через водородные связи или, в белках, содержащих цистеин, через дисульфидные связи. Дисульфидная связь представляет собой ковалентную связь между атомами серы в полипептиде. Часто два или более отдельных полипептида связываются с образованием еще более крупного белка с четвертичной структурой (см. Рисунок 2.5.9 d ). Полипептидные субъединицы, образующие четвертичную структуру, могут быть одинаковыми или разными. Например, гемоглобин, белок, содержащийся в красных кровяных тельцах, состоит из четырех третичных полипептидов, два из которых называются альфа-цепями, а два – бета-цепями.

Когда они подвергаются воздействию высоких температур, кислот, оснований и некоторых других веществ, белки денатурируют. Денатурация – это изменение структуры молекулы с помощью физических или химических средств.Денатурированные белки теряют свою функциональную форму и больше не могут выполнять свою работу. Обычным примером денатурации белка является свертывание молока при добавлении кислого лимонного сока.

Вклад формы белка в его функцию трудно переоценить. Например, длинная и тонкая форма белковых нитей, из которых состоит мышечная ткань, важна для их способности сокращаться (укорачиваться) и расслабляться (удлиняться). В качестве другого примера, кости содержат длинные нити белка, называемого коллагеном, который действует как каркас, на котором откладываются костные минералы.Эти удлиненные белки, называемые волокнистыми белками, прочны, долговечны и обычно гидрофобны.

Напротив, глобулярные белки представляют собой глобулы или сферы, которые, как правило, обладают высокой реакционной способностью и гидрофильны. Белки гемоглобина, упакованные в эритроциты, являются примером (см. Рис. 2.59 d ), однако глобулярные белки в изобилии присутствуют во всем организме, играя критическую роль в большинстве функций организма. Ферменты, ранее введенные в качестве белковых катализаторов, являются примерами этого.В следующем разделе более подробно рассматривается действие ферментов.

Белки действуют как ферменты

Если вы пытались напечатать бумагу, и каждый раз, когда вы нажимали клавишу на своем портативном компьютере, вам приходилось ждать шесть или семь минут с задержкой, прежде чем вы получали ответ, вы, вероятно, получили бы новый портативный компьютер. Точно так же без ферментов, катализирующих химические реакции, человеческое тело было бы нефункциональным. Он функционирует только потому, что функционируют ферменты.

Ферментативные реакции – химические реакции, катализируемые ферментами, – начинаются, когда субстрат связывается с ферментом.Субстрат является реагентом в ферментативной реакции. Это происходит на участках фермента, известных как активные центры (рис. 2.5.10). Любой фермент катализирует только один тип химической реакции. Эта характеристика, называемая специфичностью, обусловлена ​​тем фактом, что подложка с определенной формой и электрическим зарядом может связываться только с активным центром, соответствующим этой подложке.

Рисунок 2.5.10 – Этапы ферментативной реакции: (a) Субстраты приближаются к активным центрам фермента.(б) Субстраты связываются с активными центрами, образуя комплекс фермент-субстрат. (c) Изменения внутри комплекса фермент-субстрат облегчают взаимодействие субстратов. (d) Продукты высвобождаются, и фермент возвращается в свою первоначальную форму, готовую к другой ферментативной реакции.

Связывание субстрата дает фермент-субстратный комплекс. Вероятно, что ферменты ускоряют химические реакции отчасти потому, что комплекс фермент-субстрат претерпевает набор временных и обратимых изменений, которые заставляют субстраты ориентироваться друг к другу в оптимальном положении, чтобы облегчить их взаимодействие.Это способствует увеличению скорости реакции. Затем фермент высвобождает продукт (продукты) и принимает первоначальную форму. Затем фермент может снова участвовать в процессе, пока остается субстрат.

Другие функции белков

В рекламе протеиновых батончиков, порошков и коктейлей говорится, что белок важен для построения, восстановления и поддержания мышечной ткани, но правда в том, что белки вносят свой вклад во все ткани тела, от кожи до клеток мозга.Кроме того, определенные белки действуют как гормоны и химические посредники, которые помогают регулировать функции организма. Например, гормон роста важен, помимо прочего, для роста скелета.

Как было отмечено ранее, основные и кислотные компоненты позволяют белкам действовать в качестве буферов при поддержании кислотно-щелочного баланса, но они также помогают регулировать баланс жидкости и электролитов. Белки притягивают жидкость, и здоровая концентрация белков в крови, клетках и промежутках между клетками помогает обеспечить баланс жидкости в этих различных «отсеках».«Более того, белки клеточной мембраны помогают транспортировать электролиты в клетку и из клетки, поддерживая здоровый баланс этих ионов. Как и липиды, белки могут связываться с углеводами. Таким образом, они могут производить гликопротеины или протеогликаны, которые выполняют множество функций в организме.

Организм может использовать белки для получения энергии, когда потребление углеводов и жиров недостаточное, а запасы гликогена и жировой ткани истощаются. Однако, поскольку нет места для хранения белка, кроме функциональных тканей, использование белка для получения энергии вызывает разрушение тканей и приводит к истощению организма.

Нуклеотиды

Четвертым типом органических соединений, важных для структуры и функций человека, являются нуклеотиды (рис. 2.5.11). Нуклеотид является одним из класса органических соединений, состоящих из трех субъединиц:

  • одна или несколько фосфатных групп
  • пентозный сахар: дезоксирибоза или рибоза
  • азотсодержащее основание: аденин, цитозин, гуанин, тимин или урацил

Нуклеотиды могут быть собраны в нуклеиновые кислоты (ДНК или РНК) или энергетическое соединение аденозинтрифосфат.

Рисунок 2.5.11 – Нуклеотиды: (a) Строительными блоками всех нуклеотидов являются одна или несколько фосфатных групп, пентозный сахар и азотсодержащее основание. (б) Азотсодержащие основания нуклеотидов. (c) Два пентозных сахара ДНК и РНК.

Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты различаются по типу пентозного сахара. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) – это нуклеотид, хранящий генетическую информацию. ДНК содержит дезоксирибозу (так называемую, потому что она имеет на один атом кислорода меньше, чем рибоза) плюс одну фосфатную группу и одно азотсодержащее основание.«Выбор» основания для ДНК – аденин, цитозин, гуанин и тимин. Рибонуклеиновая кислота (РНК) – это рибозосодержащий нуклеотид, который помогает проявить генетический код в виде белка. РНК содержит рибозу, одну фосфатную группу и одно азотсодержащее основание, но «выбор» основания для РНК – это аденин, цитозин, гуанин и урацил.

Азотсодержащие основания аденин и гуанин классифицируются как пурины. Пурин представляет собой азотсодержащую молекулу с двойной кольцевой структурой, которая вмещает несколько атомов азота.Основания цитозин, тимин (обнаруженный только в ДНК) и урацил (обнаруженный только в РНК) представляют собой пирамидины. Пирамидин представляет собой азотсодержащее основание с одинарной кольцевой структурой

Связи, образованные дегидратационным синтезом между пентозным сахаром одного мономера нуклеиновой кислоты и фосфатной группой другого мономера, образуют «каркас», из которого выступают азотсодержащие основания компонентов. В ДНК два таких скелета прикрепляются к выступающим основаниям посредством водородных связей. Они скручиваются, образуя форму, известную как двойная спираль (Рисунок 2.5.12). Последовательность азотсодержащих оснований в цепи ДНК формирует гены, которые действуют как молекулярный код, инструктирующий клетки по сборке аминокислот в белки. Человеческая ДНК имеет почти 22 000 генов, запертых в 46 хромосомах внутри ядра каждой клетки (за исключением красных кровяных телец, которые теряют свои ядра во время развития). Эти гены несут в себе генетический код для построения тела и уникальны для каждого человека, кроме однояйцевых близнецов.

Рисунок 2.5.12 – ДНК: В двойной спирали ДНК две цепи соединяются посредством водородных связей между основаниями составляющих нуклеотидов.

Напротив, РНК состоит из одной цепи сахарно-фосфатного остова, усеянной основаниями. Информационная РНК (мРНК) создается во время синтеза белка для передачи генетических инструкций от ДНК к заводам-производителям белка клетки в цитоплазме и рибосомах.

Аденозинтрифосфат

Нуклеотид-аденозинтрифосфат (АТФ) состоит из рибозного сахара, аденинового основания и трех фосфатных групп (рис.13). АТФ классифицируется как высокоэнергетическое соединение, потому что две ковалентные связи, связывающие его три фосфата, хранят значительное количество потенциальной энергии. В организме энергия, высвобождаемая из этих высокоэнергетических связей, помогает питать деятельность организма, от сокращения мышц до транспортировки веществ в клетки и из клеток и до анаболических химических реакций.

Рисунок 2.5.13 Структура аденозинтрифосфата (АТФ)

Когда фосфатная группа отщепляется от АТФ, продуктами являются аденозиндифосфат (АДФ) и неорганический фосфат (P i ).Эту реакцию гидролиза можно записать:

ATP + H 2 O → ADP + P i + энергия

Удаление второго фосфата оставляет аденозинмонофосфат (АМФ) и две фосфатные группы. Опять же, эти реакции также высвобождают энергию, которая была сохранена в фосфатно-фосфатных связях. Они также обратимы, например, когда АДФ подвергается фосфорилированию. Фосфорилирование – это присоединение фосфатной группы к органическому соединению, в данном случае приводящее к АТФ.В таких случаях тот же уровень энергии, который был высвобожден во время гидролиза, необходимо реинвестировать в синтез энергии при дегидратации.

Клетки также могут передавать фосфатную группу от АТФ к другому органическому соединению. Например, когда глюкоза впервые попадает в клетку, фосфатная группа переносится из АТФ, образуя фосфат глюкозы (C 6 H 12 O 6 -P) и ADP. Когда глюкоза фосфорилируется таким образом, она может храниться в виде гликогена или метаболизироваться для получения немедленной энергии.

Обзор главы

Органические соединения, необходимые для функционирования человека, включают углеводы, липиды, белки и нуклеотиды. Эти соединения считаются органическими, потому что они содержат как углерод, так и водород. Атомы углерода в органических соединениях легко делятся электронами с водородом и другими атомами, обычно кислородом, а иногда и азотом. Атомы углерода также могут связываться с одной или несколькими функциональными группами, такими как карбоксилы, гидроксилы, амино или фосфаты. Мономеры представляют собой отдельные звенья органических соединений.Они связываются путем дегидратационного синтеза с образованием полимеров, которые, в свою очередь, могут разрушаться при гидролизе.

Углеводные соединения обеспечивают организм жизненно важным топливом. Их структурные формы включают моносахариды, такие как глюкоза, дисахариды, такие как лактоза, и полисахариды, включая крахмалы (полимеры глюкозы), гликоген (форма хранения глюкозы) и клетчатку. Все клетки тела могут использовать глюкозу в качестве топлива. Он превращается через реакцию окисления-восстановления в АТФ.

Липиды – это гидрофобные соединения, которые обеспечивают организм топливом и являются важными компонентами многих биологических соединений.Триглицериды являются наиболее распространенным липидом в организме и состоят из глицериновой основы, присоединенной к трем цепям жирных кислот. Фосфолипиды – это соединения, состоящие из диглицерида с фосфатной группой, присоединенной к голове молекулы. В результате получается молекула с полярными и неполярными областями. Стероиды – это липиды, образованные из четырех углеводородных колец. Самое главное – холестерин. Простагландины – это сигнальные молекулы, полученные из ненасыщенных жирных кислот.

Белки являются важнейшими компонентами всех тканей организма.Они состоят из мономеров, называемых аминокислотами, которые содержат азот, соединенный пептидными связями. Форма белка имеет решающее значение для его функции. Большинство белков тела глобулярны. Примером могут служить ферменты, катализирующие химические реакции.

Нуклеотиды – это соединения с тремя строительными блоками: одна или несколько фосфатных групп, пентозный сахар и азотсодержащее основание. ДНК и РНК – это нуклеиновые кислоты, которые участвуют в синтезе белка. АТФ – это основная молекула организма, передающая энергию.Удаление или добавление фосфатов высвобождает или тратит энергию.

Вопросы по интерактивной ссылке

Посмотрите это видео, чтобы понаблюдать за образованием дисахарида. Что происходит, когда вода встречает гликозидную связь?

Вода гидролизует или разрывает гликозидную связь, образуя два моносахарида.

Контрольные вопросы

Вопросы критического мышления

Если дисахарид мальтоза образован из двух моносахаридов глюкозы, которые представляют собой гексозные сахара, сколько атомов углерода, водорода и кислорода содержит мальтоза и почему?

Мальтоза содержит 12 атомов углерода, но только 22 атома водорода и 11 атомов кислорода, потому что молекула воды удаляется во время ее образования путем дегидратационного синтеза.

Почему пищевые жиры перевариваются и всасываются, почему они не могут попадать непосредственно в кровоток?

Все липиды гидрофобны и не могут растворяться в водянистой среде крови. Они упакованы в липопротеины, внешняя белковая оболочка которых позволяет им переносить жиры в кровоток.

Органическое соединение – Определение и примеры

Определение

существительное
множественное число: органические соединения
Соединение, которое, как правило, содержит углерод, ковалентно связанный с другими атомами, особенно углерод-углерод (CC) и углерод-водород ( CH) (например, в углеводородах)

Подробности

Обзор

Химическое соединение относится к любому веществу, состоящему из двух или более элементов, которые химически связаны друг с другом.Элемент, в свою очередь, относится к тому, что состоит только из одного типа атомов. Элементы, которые удерживаются вместе химической связью, образуют соединение . Один из способов классификации соединений – определить их как органических или неорганических . В общем, органическое соединение – это тип соединения, которое содержит атом углерода. И наоборот, неорганическое соединение – это соединение, не содержащее углерода.

Витализм

На протяжении многих веков многие люди верили в витализм , преобладающее представление о том, что живые существа обладают жизненной силой или жизненной силой – vis-vitalis – что отличает их от неживых. вещи.Эта сила якобы позволяла живым существам производить определенные химические вещества. В противном случае эти химические вещества не образовались бы. Согласно витализму, только живые организмы – поскольку они обладают жизненной силой – будут единственными, способными производить такие соединения. Даже Луи Пастер 1822–1895, который своими экспериментами по ферментации помог положить конец теории спонтанного зарождения и чья работа привела к возникновению пастеризации, считал, что ферментация – это жизненно важное действие, в котором только жизнь была бы способна. 1 Виталисты (сторонники витализма) называли такие соединения органическими и называли те, которые можно было получить химическими манипуляциями, неорганическими .
Витализм в конечном итоге потерял свою поддержку, когда современные эксперименты оспорили его достоверность. Одним из них был Фридрих Вёлер 1800–1882, который в 1828 году открыл, что мочевину можно химически производить из неорганических солей цианата калия и сульфата аммония. Виталисты полагали, что мочевина – это органическое соединение в моче, производимое только живыми организмами.

Неопределенность

Современное определение органических соединений больше не основывается на их источнике. Скорее, органическое соединение – это соединение, в котором соединение содержит атомы углерода, связанные с другими атомами ковалентной связью. Однако химики не могут прийти к единому мнению относительно абсолютного определения органического соединения. Определение органического соединения как любого соединения, содержащего атом углерода, включало бы те, которые классифицируются как неорганические .
К неорганическим углеродсодержащим соединениям относятся: карбонаты, цианиды, цианаты, карбиды, тиоцианаты, монооксид углерода и диоксид углерода. Аллотропы углерода (например, алмаз, графит, уголь) также являются исключением. Они состоят только из одного типа элементов, а именно углерода, и поэтому не могут быть отнесены к категории органических соединений, поскольку они в первую очередь не соединение, а чистый элемент.

Органическое вещество

По сравнению с другими составляющими, составляющими земную кору, органические соединения составляют небольшой ее процент. Тем не менее они имеют жизненно важное значение, потому что все живые существа основаны на этих соединениях.Примерами органических соединений являются углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты.
Поскольку живые существа состоят из соединений на основе углерода, они могут быть разбиты на более мелкие и простые соединения в результате разложения, когда они умирают. Живые организмы также выделяют или выделяют материал, который считается органическим материалом (материей). Органическое вещество относится к любым соединениям на основе углерода, встречающимся в природе. Это органическое вещество живых существ становится частью окружающей среды.Таким образом, в экосистеме много органических веществ, например почвенная экосистема. Он перемещается в почву или в основной поток воды, где затем служит источником питания для живых организмов.

Естественные и синтетические органические соединения

Существует множество способов классификации органических соединений. Один из них основан на том, как они синтезируются. Природное органическое соединение (или просто природное соединение) – это соединение, которое вырабатывается естественным путем, например, растениями или животными. Синтетическое органическое соединение (или синтетическое соединение) – это органическое соединение, которое получают с помощью химических манипуляций (химических реакций).
Природные соединения – это органические соединения, которые могут быть получены из природных источников. Они могут быть произведены искусственно, но процесс этого сделает их довольно дорогими. Примерами природных соединений являются сахара, ферменты, гормоны, липиды, антигены, жирные кислоты, нейротрансмиттеры, нуклеиновые кислоты, белки, пептиды, аминокислоты, витамины, лектины, некоторые алкалоиды, терпеноиды и т. Д.
Синтетические соединения получают, разрешая соединения взаимодействовать в химической реакции. Они могут иметь аналог в натуральных соединениях или без них.Многие полимеры (например, пластмассы, каучуки) производятся синтетическим путем.

Сравнение малых органических молекул и крупных органических соединений

Органические соединения можно также классифицировать как небольшие органические молекулы или большие органические молекулы (например, полимеры) в зависимости от размера или длины соединения.
Малая молекула – это небольшое органическое соединение с молекулярной массой <900 дальтон. 2 Многие из них участвуют в регуляции биологического процесса. Пример небольшой молекулы – фармацевтические препараты.Малые молекулы не следует путать с биомолекулами (например, белками, полисахаридами, нуклеиновыми кислотами, аминокислотами, ДНК и РНК), которые представляют собой более крупные структуры.
Примером крупного органического соединения является полимер (или макромолекула). Полимер состоит из множества повторяющихся субъединиц.

Исследования

Изучение свойств и синтеза органических соединений известно как органическая химия . Биотехнология – это набор биологических методов, разработанных в результате фундаментальных исследований и теперь применяемых в исследованиях и разработке продуктов.Некоторые органические соединения производятся с помощью биотехнологии, в частности, путем изменения ДНК организма для экспрессии желаемых органических соединений, например инсулин и другие соединения, которые не существуют в природе.

Дополнительный

Этимология

  • назван в честь раннего представления о том, что органические соединения могут быть синтезированы в живых организмах только с помощью vis-vitalis (жизненной силы)

Дополнительная литература

Сравнить

См. Также

Каталожный номер

  1. Bechtel, W.И Уильямсон, Р. С. (2018). Витализм. Получено по ссылке
  2. Macielag, M. J. (2012). «Химические свойства антибактериальных средств и их уникальность». В Dougherty TJ, Pucci MJ. Открытие и разработка антибиотиков. С. 801–2. ISBN 978-1-4614-1400-1.

© Biology Online. Контент предоставлен и модерируется Biology Online Editors

organic_chemistry

Органическая химия – это специальная дисциплина в химии, которая включает научное изучение структуры, свойств, состава, реакций и получение (путем синтеза или другими способами) химических соединений, состоящих в основном из углерода и водорода, которые могут содержать любые ряд других элементов, включая азот, кислород, галогены, а также фосфор, кремний и серу. [1] [2] [3]

Первоначальное определение «органической» химии основано на неправильном представлении о том, что органические соединения всегда были связаны с жизненными процессами. Не все органические соединения поддерживают жизнь на Земле, но жизнь, как мы ее знаем, также сильно зависит от неорганической химии; например, многие ферменты основаны на переходных металлах, таких как железо и медь; и материалы, такие как раковины, зубы и кости, являются частично органическими, частично неорганическими по своему составу. Помимо элементарного углерода, неорганическая химия имеет дело только с простыми углеродными соединениями, молекулярные структуры которых не содержат углерод-углеродных связей (его оксидов, кислот, карбонатов, карбидов и минералов).Это не означает, что одноуглеродных органических соединений не существует (а именно метана и его простых производных). Биохимия в основном занимается химией белков (и других крупных биомолекул).

Благодаря своим уникальным свойствам, многоуглеродные соединения обладают чрезвычайно большим разнообразием, а диапазон применения органических соединений огромен. Они составляют основу или являются важными составляющими многих продуктов (краски, пластмассы, продукты питания, взрывчатые вещества, лекарства, нефтехимия и многие другие) и (за очень немногими исключениями) составляют основу всех процессов земной жизни. .

Различные формы и химическая активность органических молекул обеспечивают удивительное разнообразие функций, как у ферментных катализаторов в биохимических реакциях живых систем. Самовоспроизводящаяся природа этих органических химикатов – вот в чем суть жизни.

Тенденции в органической химии включают хиральный синтез, зеленую химию, микроволновую химию, фуллерены и микроволновую спектроскопию.

Рекомендуемые дополнительные знания

Исторические события

См. Также : История химии

В начале девятнадцатого века химики обычно считали, что соединения из живых организмов слишком сложны по структуре, чтобы их можно было искусственно синтезировать из неживых существ, и что «жизненная сила» или витализм наделяет характеристики живых существ на эту форму материи.Они назвали эти соединения «органическими» и предпочли направить свои исследования на неорганические материалы, которые казались более многообещающими.

Органическая химия получила импульс, когда стало понятно, что с этими соединениями можно обращаться так же, как с неорганическими соединениями, и что их можно создавать в лаборатории другими способами, кроме «жизненной силы». Примерно в 1816 году Мишель Шеврёль начал изучение мыла, сделанного из различных жиров и щелочей. Он разделил различные кислоты, которые в сочетании со щелочью дали мыло.Поскольку все это были отдельные соединения, он продемонстрировал возможность химического изменения различных жиров (которые традиционно происходят из органических источников) с образованием новых соединений без «жизненной силы». В 1828 году Фридрих Велер впервые произвел органическую химическую мочевину (карбамид), входящую в состав мочи, из неорганического цианата аммония NH 4 OCN в том, что сейчас называется синтезом Велера. Хотя Велер как в это время, так и впоследствии был осторожен в утверждении, что он тем самым разрушил теорию жизненной силы, большинство рассматривало это событие как поворотный момент.

Следующим большим шагом стало то, что в 1856 году Уильям Генри Перкин, пытаясь произвести хинин, снова случайно пришел к производству органического красителя, который теперь называется розовато-лиловым, что, принося огромные деньги, значительно повысило интерес к органической химии. Другим шагом было лабораторное приготовление ДДТ Отмером Зейдлером в 1874 году, но инсектицидные свойства этого соединения были обнаружены гораздо позже.

Решающим прорывом в теории органической химии стала концепция химической структуры, разработанная независимо и одновременно Фридрихом Августом Кекуле и Арчибальдом Скоттом Купером в 1858 году.Оба мужчины предположили, что четырехвалентные атомы углерода могут связываться друг с другом, образуя углеродную решетку, и что подробные схемы атомных связей могут быть обнаружены путем умелой интерпретации соответствующих химических реакций.

История органической химии продолжается открытием нефти и ее разделением на фракции в соответствии с интервалами кипения. Превращение различных типов соединений или отдельных соединений с помощью различных химических процессов привело к созданию нефтехимической промышленности, которая привела к рождению нефтехимической промышленности, которая успешно производила искусственные каучуки, различные органические клеи, добавки к нефти, изменяющие свойства, и пластмассы.

Фармацевтическая промышленность началась в последнее десятилетие XIX века, когда компания Bayer начала производство ацетилсалициловой кислоты (чаще называемой аспирином) в Германии. Первый раз, когда лекарство было систематически улучшено, это был арсфенамин (сальварсан). Пол Эрлих и его группа систематически синтезировали и тестировали многочисленные производные опасно токсичного атоксила, и для производства было выбрано соединение с лучшими характеристиками эффективности и токсичности.

Ранние примеры органических реакций и применений были случайными, например, случайное открытие Перкином розовато-лилового цвета. Однако с 20-го века прогресс органической химии позволил синтезировать специально отобранные соединения или даже молекулы, разработанные с особыми свойствами, как в дизайне лекарств. Процесс поиска новых путей синтеза данных соединений называется полным синтезом. Полный синтез сложных природных соединений начался с мочевины, увеличился по сложности до глюкозы и терпинеола, а в 1907 году Густав Комппа впервые коммерциализировал полный синтез с камфорой.Фармацевтические преимущества были значительными, например, соединения, связанные с холестерином, открыли пути к синтезу сложных гормонов человека и их модифицированных производных. С начала 20-го века сложность общего синтеза возрастает, включая такие примеры, как лизергиновая кислота и витамин B12. Сегодняшние мишени содержат десятки стереогенных центров, которые необходимо правильно синтезировать с помощью асимметричного синтеза.

Биохимия, химия живых организмов, их структура и взаимодействие in vitro и внутри живых систем, началась только в 20 веке, открыв совершенно новую главу органической химии с огромным размахом.

Классификация органических веществ

Описание и номенклатура

Классификация невозможна без полного описания отдельных соединений. В отличие от неорганической химии, в которой описание химического соединения может быть достигнуто простым перечислением химических символов элементов, присутствующих в соединении, вместе с количеством этих элементов в молекуле, в органической химии относительное расположение атомов внутри молекула должна быть добавлена ​​для полного описания.

Один из способов описать молекулу – нарисовать ее структурную формулу. Из-за молекулярной сложности были разработаны упрощенные системы химических обозначений. Последней версией является формула линейного угла, которая обеспечивает простоту без внесения двусмысленности. В этой системе конечные точки и пересечения каждой линии представляют собой один углерод, и атомы водорода могут быть либо записаны, либо предположительно присутствуют косвенно. Некоторые недостатки химических обозначений состоят в том, что их нелегко описать словами и их нелегко распечатать.Эти проблемы были решены путем описания молекулярных структур с использованием органической номенклатуры.

Из-за трудностей, возникающих из-за очень большого количества и разнообразия органических соединений, химики рано осознали, что создание международно признанной системы обозначений органических соединений имеет первостепенное значение. Женевская номенклатура родилась в 1892 году в результате ряда международных встреч по этому вопросу.

Также было осознано, что по мере роста семейства органических соединений систему необходимо будет расширять и модифицировать.В конечном итоге эту задачу взял на себя Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC). Признавая тот факт, что в области биохимии сложность органических структур возрастает, организация IUPAC объединила усилия с Международным союзом биохимии и молекулярной биологии, IUBMB, чтобы подготовить список совместных рекомендаций по номенклатуре.

Позже, по мере роста количества и сложности органических молекул, в ИЮПАК были сделаны новые рекомендации по упрощению.Первая такая рекомендация была представлена ​​в 1951 году, когда циклическую бензольную структуру назвали циклофаном. Более поздние рекомендации расширили метод до упрощения других сложных циклических структур, включая гетероциклические, и назвали такие структуры , фенами, .

Для обычного общения, чтобы избавить от утомительного описания, официальные рекомендации ИЮПАК по присвоению имен не всегда соблюдаются на практике, за исключением случаев, когда необходимо дать краткое определение соединению или когда имя ИЮПАК более простое (т. Е. этанол против этилового спирта ). В противном случае можно использовать общее или тривиальное имя, часто производное от источника соединения.

Таким образом, органические вещества классифицируются по их молекулярному структурному расположению и по тому, какие другие атомы присутствуют вместе с главным (углеродным) компонентом в их составе, в то время как в структурной формуле неявно предполагается, что водород занимает все свободные валентности соответствующий атом углерода, который остается после учета разветвления, другого элемента (ов) и / или множественных связей.

Углеводороды и функциональные группы

Классификация обычно начинается с углеводородов: соединений, содержащих только углерод и водород. Подклассы см. Ниже. Другие элементы представлены в атомных конфигурациях, называемых функциональными группами, которые имеют решающее влияние на химические и физические характеристики соединения; таким образом, те, которые содержат одинаковые атомные образования, имеют сходные характеристики, которые могут быть: смешиваемость с водой, кислотность / щелочность, химическая реакционная способность, стойкость к окислению и другие.Некоторые функциональные группы также являются радикалами, подобными радикалам в неорганической химии, определяемым как полярных атомных конфигураций , которые переходят во время химических реакций из одного химического соединения в другое без изменений.

Некоторые из элементов функциональных групп (O, S, N, галогены) могут стоять отдельно, и название группа не совсем подходит, но из-за их решающего влияния на то, как они изменяют характеристики углеводородов в какие они присутствуют, они классифицируются по функциональным группам, и их специфическое влияние на свойства предоставляет отличные средства для характеристики и классификации.

Ссылаясь на приведенные ниже типы углеводородов, многие, если не все функциональные группы, которые обычно присутствуют в алифатических соединениях, также представлены в ароматической и алициклической группе соединений, если только они не дегидратированы, что приведет к отсутствию реакции -опциональные группы.

Здесь снова делается ссылка на органическую номенклатуру, которая показывает обширное (если не исчерпывающее) количество классов соединений в зависимости от наличия различных функциональных групп, основанных на рекомендациях IUPAC, а также некоторых основанных на тривиальных названиях.Помещение соединений в подклассы становится более трудным, когда присутствует более одной функциональной группы.

Существуют две всеобъемлющие категории типов цепей: алифатические соединения с открытой цепью и циклические соединения с замкнутой цепью. Те, в которых присутствуют как разомкнутые цепи, так и циклические части, обычно относятся к последним.

Алифатические соединения

Алифатические углеводороды подразделяются на три группы, гомологические ряды в соответствии с их состоянием насыщения: алканы парафинов без каких-либо двойных или тройных связей, алкены олефинов с двойными связями, которые могут быть моноолефинами с одинарной двойной связью, диолефины, или диены с двумя, или полиолефины с несколькими.Третья группа с тройной связью названа по имени самого короткого члена гомологичного ряда как ацетилены-алкины. Остальная часть группы классифицируется в соответствии с присутствующими функциональными группами.

С другой стороны, алифатические соединения могут быть соединениями с прямой или разветвленной цепью, и степень разветвления также влияет на характеристики, такие как октановое число или цетановое число в нефтехимии.

Соединения ароматические и алициклические

Циклические соединения могут быть насыщенными или ненасыщенными.Из-за угла связывания углерода наиболее стабильные конфигурации содержат шесть атомов углерода, но хотя кольца с пятью атомами углерода также встречаются часто, другие встречаются реже. Циклические углеводороды делятся на алициклические и ароматические (также называемые аренами).

Из алициклических соединений циклоалканы не содержат кратных связей, в то время как циклоалкены и циклоалкины содержат. Обычно этот последний тип существует только в форме больших колец, называемых макроциклами. Самым простым членом семейства циклоалканов является трехчленный циклопропан.


Ароматические углеводороды содержат сопряженные двойные связи. Одним из простейших примеров является бензол, структура которого была сформулирована Кекуле, который первым предложил принцип делокализации или резонанса для объяснения его структуры. Для «обычных» циклических соединений ароматичность обеспечивается наличием 4n + 2 делокализованных пи-электронов, где n – целое число. Особая нестабильность (антиароматичность) обеспечивается наличием 4n сопряженных пи-электронов.

Характеристики циклических углеводородов снова изменяются, если присутствуют гетероатомы, которые могут существовать либо как заместители, присоединенные извне к кольцу (экзоциклический), либо как член самого кольца (эндоциклический). В последнем случае кольцо называют гетероциклом. Пиридин и фуран являются примерами ароматических гетероциклов, тогда как пиперидин и тетрагидрофуран представляют собой соответствующие алициклические гетероциклы. Гетероатом гетероциклических молекул обычно представляет собой кислород, серу или азот, причем последний особенно часто встречается в биохимических системах.

Кольца могут сливаться с другими кольцами на краю с образованием полициклических соединений. Основания пуриновых нуклеозидов представляют собой заметные полициклические ароматические гетероциклы. Кольца также могут сливаться на «углу», так что один атом (почти всегда углерод) имеет две связи, идущие к одному кольцу, и две – к другому. Такие соединения называются спиро и важны для ряда натуральных продуктов.

Полимеры

Одним из важных свойств углерода в органической химии является то, что он может образовывать определенные соединения, отдельные молекулы которых способны присоединяться друг к другу, образуя цепь или сеть.Процесс называется полимеризацией и цепями или сетками полимеров, в то время как исходное соединение является мономером. Существуют две основные группы полимеров: искусственно произведенные полимеры называются промышленными полимерами [4] или синтетические полимеры и те, которые встречаются в природе в виде биополимеров.

С момента изобретения первого искусственного полимера, бакелита, семейство быстро выросло с изобретением других. Обычными синтетическими органическими полимерами являются полиэтилен или полиэтилен, полипропилен, нейлон, тефлон или ПТФЭ, полистирол, полиэфиры, полиметилметакрилат (обычно известный как плексиглас), поливинилхлорид или ПВХ, а также полиизобутилен, важный искусственный или синтетический каучук, а также полимеризованный бутадиен, каучуковый компонент.

Примеры являются общими терминами, и может существовать множество разновидностей каждого из них, с их физическими характеристиками, точно настроенными для конкретного использования. Изменение условий полимеризации изменяет химический состав продукта за счет изменения длины цепи, разветвления или тактичности. При использовании единственного мономера в качестве исходного продукта продукт представляет собой гомополимер. Кроме того, вторичный компонент (ы) может быть добавлен для создания гетерополимера (сополимера), и степень кластеризации различных компонентов также может контролироваться.Физические характеристики, такие как твердость, плотность, механическая прочность или прочность на разрыв, сопротивление истиранию, термостойкость, прозрачность, цвет и т.д., будут зависеть от конечного состава.

Биомолекулы

Биомолекулярная химия – одна из основных категорий органической химии, которую часто изучают биохимики. Многие сложные молекулы с многофункциональными группами важны для живых организмов. Некоторые из них представляют собой длинноцепочечные биополимеры, и они включают белки, ДНК, РНК и полисахариды, такие как крахмалы у животных и целлюлозы у растений.Другие основные классы – это аминокислоты (мономерные строительные блоки белков), углеводы (включая полисахариды), нуклеиновые кислоты (которые включают ДНК и РНК в качестве полимеров) и липиды. Кроме того, биохимия животных содержит множество низкомолекулярных промежуточных продуктов, которые способствуют выработке энергии через цикл Кребса и производят изопрен, наиболее распространенный углеводород у животных. Изопрены у животных образуют важные структурные стероиды (холестерин) и соединения стероидных гормонов; и в растениях образуют терпены, терпеноиды, некоторые алкалоиды и уникальный набор структурных углеводородов, называемых биополимерными полиизопреноидами, присутствующими в латексном соке, который является основой для производства каучука.

прочие

Органические соединения, содержащие связи углерода с азотом, кислородом и галогенами, обычно отдельно не группируются. Другие иногда объединяются в основные группы в рамках органической химии и обсуждаются под такими названиями, как химия органо-серы, металлоорганическая химия, химия фосфорорганических соединений и химия кремнийорганического соединения.

Характеристики органических веществ

Органические соединения обычно связаны ковалентной связью. Это позволяет создавать уникальные структуры, такие как длинные углеродные цепи и кольца.Причина, по которой углерод превосходно формирует уникальные структуры и так много углеродных соединений, заключается в том, что атомы углерода образуют очень стабильные ковалентные связи друг с другом (катенация). В отличие от неорганических материалов, органические соединения обычно плавятся, кипятят, сублимируют или разлагаются при температуре ниже 300 ° C. Нейтральные органические соединения, как правило, менее растворимы в воде по сравнению со многими неорганическими солями, за исключением некоторых соединений, таких как ионные органические соединения и низкомолекулярные спирты и карбоновые кислоты, в которых происходит образование водородных связей.

Органические соединения имеют тенденцию растворяться в органических растворителях, которые являются либо чистыми веществами, такими как простой эфир или этиловый спирт, либо смесями, такими как парафиновые растворители, такие как различные петролейные эфиры и уайт-спирит, либо рядом чистых или смешанных ароматических растворителей, полученных из фракции нефти или гудрона путем физического разделения или химического превращения. Растворимость в различных растворителях зависит от типа растворителя и от функциональных групп, если они присутствуют. Растворы изучаются наукой физической химии.Подобно неорганическим солям, органические соединения также могут образовывать кристаллы. Уникальное свойство углерода в органических соединениях состоит в том, что его валентность не всегда должна приниматься атомами других элементов, а когда это не так, возникает состояние, называемое ненасыщенностью. В таких случаях мы говорим о двойных или тройных связях углерод-углерод. Двойные связи, чередующиеся в цепи с одинарными, называются сопряженными двойными связями. Ароматическая структура – это частный случай, когда сопряженная цепь представляет собой замкнутое кольцо.

Выяснение молекулярной структуры

Органические соединения состоят из атомов углерода, атомов водорода и функциональных групп. Валентность углерода равна 4, а водорода равна 1, функциональные группы обычно равны 1. По количеству атомов углерода и атомов водорода в молекуле можно определить степень ненасыщенности. Многие, но не все структуры можно представить с помощью простого правила валентности, согласно которому для каждого числа валентности будет одна связь. Знание химической формулы органического соединения не является достаточной информацией, потому что может существовать много изомеров.Органические соединения часто существуют в виде смесей. Поскольку многие органические соединения имеют относительно низкие температуры кипения и / или легко растворяются в органических растворителях, существует множество методов разделения смесей на чистые составляющие, которые специфичны для органической химии, такие как методы дистилляции, кристаллизации и хроматографии. Существует несколько методов определения структуры органического соединения. Обычно используются (в алфавитном порядке):

  • Кристаллография: это наиболее точный метод определения геометрии молекул; однако очень трудно вырастить кристаллы достаточного размера и высокого качества, чтобы получить четкую картину, поэтому это остается вторичной формой анализа.Кристаллография нашла особенно широкое применение в биохимии (для определения структуры белков) и для характеристики металлоорганических катализаторов, которые часто обладают значительной симметрией.
  • Элементный анализ: разрушающий метод, используемый для определения элементного состава молекулы. См. Также масс-спектрометрию ниже.
  • Инфракрасная спектроскопия: в основном используется для определения наличия (или отсутствия) определенных функциональных групп.
  • Масс-спектрометрия: Используется для определения молекулярной массы соединения и его структуры на основе модели фрагментации.Масс-спектрометрия высокого разрешения часто позволяет определить точную формулу соединения, зная изотопные массы и содержания; поэтому его иногда используют вместо элементного анализа.
  • Спектрометрия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) идентифицирует различные ядра на основе их химического окружения. Это наиболее важный и часто используемый спектроскопический метод для химиков-органиков, часто позволяющий полностью определить связь атомов и даже стереохимию при наличии надлежащего набора спектроскопических экспериментов (например,грамм. корреляционная спектроскопия).
  • Оптическое вращение: Различает два энантиомера хирального соединения на основе знака вращения плоскополяризованного света. Если удельное вращение энантиомера известно, величина вращения также дает соотношение энантиомеров в смешанном образце, хотя ВЭЖХ с хиральной колонкой также может предоставить эту информацию.
  • УФ / видимая спектроскопия: Используется для определения степени конъюгации в системе. Хотя УФ / видимое излучение все еще иногда используется для характеристики молекул, оно чаще используется для количественного определения количества известного соединения, присутствующего в (обычно жидком) образце.

Дополнительные методы предоставляет аналитическая химия.

Органические реакции

Органические реакции – это химические реакции с участием органических соединений. В то время как чистые углеводороды подвергаются определенным ограниченным классам реакций, многие другие реакции, которым подвергаются органические соединения, в значительной степени определяются функциональными группами. Общая теория этих реакций включает тщательный анализ таких свойств, как сродство к электрону ключевых атомов, прочность связи и стерические препятствия.Эти проблемы могут определять относительную стабильность короткоживущих реакционноспособных промежуточных продуктов, которые обычно напрямую определяют путь реакции. Пример общей реакции – реакция замещения, записанная как:

Nu – + C-X → C-Nu + X –

где X – некоторая функциональная группа, а Nu – нуклеофил.

Есть много важных аспектов конкретной реакции. Произойдет ли это спонтанно или нет, определяется изменением свободной энергии Гиббса реакции. “Промышленные полимеры, химия”. Британская энциклопедия. 2006

  • MIT OpenCourseWare: органическая химия I
  • Лекции, видео и текст по органической химии
  • Журнал органической химии (содержание)
  • Органические буквы (содержание)
  • Synlett
  • Синтез
  • Портал по органической химии – последние рефераты и (название) реакции
  • Главная страница полного рецензируемого онлайн-текста по органической химии.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *