הכימיה של החיים
מהם החיים? יחידה גנטית המסוגלת למטבוליזם, התרבות ואבולוציה. איזה תפקוד היה קיים ראשון בין השלושה?
מטבוליזם - שינויים בחומר ואנרגיה. מטבוליזם הוא כל הפעילות הכימית של אורגניזם חי, כולל אלפי תהליכים כימיים אשר גורמים ללכידת חומר ואנרגיה והפיכתם לצורות שונות. כדי לאפשר חיים התהליכים צריכים להיות מתואמים זה עם זה ולהשתנות באופן שיאפשר לאורגניזם לשרוד גם כשחלים שינויים בסביבה (היכולת לשמור על סביבה פנימית יציבה יחסית, נקראת הומיאוסטזיס). יצור חי שעושה מטבוליזם משתמש באנרגיה חופשית שהוא מקבל מהסביבה ומשתמש בה כדי לשמור על מערכת המבודדת באופן חלקי.
ההרכב האטומי של החיים. למטבוליזם צריך חומרים ושינויים כימיים שיאפשרו חיים. מבין למעלה ממאה היסודות שבמערכה המחזורית רק שישה חשובים במיוחד לחיים. אלו הם: פחמן (C), חמצן (O), מימן (H), זרחן (P), חנקן (N), וגופרית (S). יש בתאים כמויות מזעריות גם של היסודות החיוניים הבאים: מגנזיום (Mg), סידן (Ca), נתרן (Na), כלור (Cl), אשלגן (K), מנגן (Mn) ומעט מאד סלניום (Se).
היסודות המופיעים באורגניזמים חיים
ההרכב המולקולרי של החיים. שילובים של אטומים הנמצאים באינטראקציות חזקות ביניהם נקראים מולקולות. המולקולות שמרכיבות את האורגניזמים החיים הן:
חומרים אורגניים (המכילים מימן, פחמן וחמצן ולפעמים גם חנקן וזרחן): חלבונים, סוכרים (פחמימות), שומנים (ליפידים), ויטמינים וחומצות גרעין
וחומרים אנאורגניים (שאינם אורגניים): מים ומינרלים (מלחים שצריך בגוף כמו זרחן, חנקן, מימן וגופרית)
קשר כימי הוא כוח משיכה המחבר אטומים זה לזה ליצירת מולקולה. ישנם מספר סוגים של קשרים כימיים: קשר קוולנטי, קשרי מימן, קשר יוני, אינטראקציות הידרופוביות וכוחות ון דר וואלס.
קשרים ואינטראקציות כימיות:
קשר קוולנטי נוצר באמצעות שיתוף אלקטרונים בין שני אטומים. סירטון מצוין המסביר מהם קשרים קוולנטים. חמצן יכול לעשות 2 קשרים קוולנטים, פחמן עושה 4 קשרים, מימן אחד וחנקן יכול ליצור שלושה קשרים עם אטום או אטומים אחרים. גופרית יכולה לעשות שני קשרים קוולנטים, אבל לעיתים עושה 6 קשרים (מגייסת אלקטרונים מקליפת אנרגיה פנימית), וכך גם זרחן יכול לעשות 5 קשרים קוולנטים. (C (4), H (1), O (2), P (5), S (6), N (3
שיתוף האלקטרונים בקשר קוולנטי אינו שווה יש יסודות שמושכים חזק יותר את זוג האלקטרונים המשותף לעומת יסודות אחרים ואז זוג האלקטרונים יבלה זמן רב יותר ליד גרעין האטום של היסוד המושך - למשיכה זו של אלקטרונים קוראים אלקטרושליליות. אפשר להשוות את האלקטרושליליות של שני השותפים לקשר הקוולנטי כדי לחזות איזה מהם יהיה יותר שלילי מהשני. למשל בקשר בין מימן לחמצן, כמו במים - מאחר שהאלקטרושליליות של החמצן היא 3.5 ושל המימן היא 2.1. החמצן מושך את זוג האלקטרונים חזק יותר ולכן הם יהיו קרובים אל הגרעין שלו יותר מאשר לגרעין של המימן. לכן במולקולת המים הצד של החמצן יהיה קצת שלילי והצד של המימן יהיה קצת חיובי.
חמצן (O) וחנקן (N) הם אלקטרושליליים יותר מאשר פחמן (C) ומימן (H). הפחמן והמימן דומים באלקטרושליליות שלהם (2.5 לעומת 2.1) ולכן הקשר ביניהם אינו פולרי יחסית. נא ראו למטה היסודות והאלקטרושליליות שלהם.
כששתי מולקולות מים נמצאות זו לצד זו - הקוטב הקצת שלילי (O) של האחת מתקרב כמו מגנט אל הקוטב הקצת חיובי (H) של השניה). בכוס או באוקיאנוס כל מולקולות המים מסתדרות במבנה מסודר כזה היוצר כוח רב.
קשרי מימן הם קשרים בין הקטבים המנוגדים של מולקולות פולריות - בין מימן קצת חיובי לבין אטום קצת שלילי במולקולה פולרית (O, או N). המשיכה הזו של מולקולות המים זו לזו נקראת קוהזיה (הידבקות של מולקולות דומות), והמשיכה של מולק' מים למולק' פולריות אחרות נקראת אדהזיה. ניתן לראות את יצירת קשרי מימן ויצירת מבנה בסירטון (0:57-1:09 ) ואנימצה על הפשרת קרח בסירטון הבא (החל מ- 1:00).
בזכות הפולריות של מולקולות המים הן יכולות להחזיק ביניהן מולקולות פולריות רבות ויונים (חלקיקים טעונים - כמו Na+, HCO3- ions). לעומת זאת מולקולות לא פולריות אשר לא מסוגלות ליצור קשרי מימן עם המים נידחות ולא נכנסות לתמיסה עם המים. למשל צפות כמו שמן על מים. מולקולות פולריות נקראות הידרופיליות (אוהבות מים) ומולקולות לא פולריות נקראות הידרופוביות ("מפחדות" ממים).
צפו בסירטון שמראה יצירת קשרי מימן ויצירת מבנה. ובסירטון אנימציה על הפשרת קרח.
קשרים בין מולקולות הידרופוביות- מאחר שמולק' הידרופוביות לא מתמוססות במים הן מתקרבות ויוצרות קשרים הדרופוביים. אלו הם קשרים חלשים מאד.
וקשרי ון דר וואלס - מולקולות הידרופוביות כמו פחמימנים יכולות ליצור גם כוחות ון דר וואלס שהם אף יותר חלשים.
כוחות ון דר וואלס בסירטון:
מים (Sadava, Life 7th ed). מדוע הטיפה עומדת כך ולא נשפכת במורד העלה?
הנה הסיבה:
אלקטרושליליות
חקר קשרי מימן. במודל שבקישור - The Concord Consortium
מדוע שמן ומים לא מסתדרים יחד? בידקו במודל שבקישור - The concord consortium
על קשרים כימיים. The concord consortium
