موزیک سه بعدی( با هندزفری گوش بدهید)

00:00 00:00
پاشو ده دقیقه استراحت کن!

توجه:
۱- فضای مجازی را چک نکن
۲- حرکات کششی انجام بده و چند تا نفس عمیق بکش
۳- برو بیرون یکم قدم بزن
۴- چند تا خرما یا کشمش و دمنوش زنجبیل و دارچین با مقداری عسل بخور
۵- ترشی هم نخور که ی چیزی بشی😁

فهرست مطالب فصل

مقدمه ■ ویژگی های مولکول آب
■مکانیسم های تعادل آب بدن
■ نقش آب در هیدرولیز و سنتز بیوپلیمرها
برهمکنش های ضعیف در محیط های آبی ■ پیوند هیدروژنی بین آب و ذرات حل شده قطبی
■ برهمکنش آب با ذرات حل شده باردار
■ انحلال اندک گازهای غیر قطبی در آب
■ اختلال در ساختار آب توسط توسط ترکیبات غیر قطبی
■ برهمکنش های واندروالسی
■ نقش برهمکنش های ضعیف در ساختار و عملکرد ماکرومولکول ها
■ ایجاد فشار اسمزی توسط محلول هایی غلیظ
خودیونش آب، اسیدها و بازهای ضعیف و تعریف pH ■ خودیونش آب و ثابت تعادل آن
■ تعریف pH و pOH
■ اسیدها و بازهای ضعیف
■ محاسبه pKa از طریق منحنی تیتراسیون
سیستم های بافری برای مقابله با تغییرات pH ■ بافرها: ترکیب اسید ضعیف و باز کونژوگه آنها
■ معادله هندرسون هاسلباخ
■ حفاظت اسیدها یا بازهای ضعیف از سلول ها و بافت ها در برابر تغییرات pH
■ اسیدوز و آلکالوز

خلاصه فصل(روی تیترهای فرعی کلیک کنید)

مقدمه
■ ویژگی های مولکول آب
■مکانیسم های تعادل آب بدن
■ نقش آب در سنتز و هیدرولیز بیوپلیمرها
magnified
برهمکنش های ضعیف در محیط های آبی
■ پیوند هیدروژنی بین آب و ذرات حل شده قطبی
■ برهمکنش آب با ذرات حل شده باردار
■ انحلال اندک گازهای غیرقطبی در آب
■ اختلال در ساختار آب توسط ترکیبات غیر قطبی
■ برهمکنش های واندروالسی
■ نقش برهمکنش های ضعیف در ساختار و عملکرد مولکول ها
■ ایجاد فشار اسمزی توسط محلول های غلیظ
magnified
خودیونش آب، اسیدها و بازهای ضعیف و تعریف pH و pOH
■ خودیونش آب و ثابت تعادل آن
■ تعریف pH و pOH
■ اسیدها و بازهای ضعیف
■ محاسبه pKa از طریق منحنی تیتراسیون
magnified
سیستم های بافری برای مقابله با تغییرات pH
■ بافرها: ترکیب اسید ضعیف و باز کونژوگه آن
■ معادله هندرسون - هاسلباخ
■ حفاظت اسیدها یا بازهای ضعیف از سلول ها و بافت ها در برابر تغییرات pH
■ اسیدوز و آلکالوز
magnified
تیترهای فصل در یک نگاه
مقدمه
برهکمنش های ضعیف در محیط های آبی
خودیونش آب ، اسیدها و بازهای ضعیف و تعریف pH
سیستم های بافری برای مقابله با تغییرات pH
مقدمه

ویژگی های مولکول آب
● نکته مهم: آب به دلیل ویژگی هایی که دارد حلالی ایده آل برای سلول هاست
●تشکیل دو قطبی توسط مولکول‌های آب:
1-اتم اکسیژن در مولکول آب دارای هیبریداسیون sp3 است که ساختار معمول آن چهار وجهی منتظم با زاویه 109.5 درجه است اما چون دو جفت الکترون ناپیوندی در مولکول آب وجود دارد ساختار مولکول به شکل خمیده(یا چهاروجهی نامنظم که دو گوشه آن جفت الکترون ناپیوندی است)با زاویه حدود 105 درجه دیده می شود دو گوشه آن جفت الکترون ناپیوندی اکسیژن است و دو گوشه آن اتم هیدروژن است
2-اکسیژن دارای الکترونگاتیویته بالاست که جفت الکترون های پیوندی را به سمت خود می کشد و دارای بار جزئی منفی(-2δ) است و هیدروژن ها دارای بار جزئی مثبت(+δ) هستند
● نتیجه: مولکول آب یک مولکول قطبی است
ساختار قطبی مولکول آب
1X
0:00
0:00
● نکته:به علت دو قطبی بودن، مولکول آب ثابت دی الکتریک بالایی دارد
● ثابت دی الکتریک (ε): نشان‌ دهنده توانایی یک حلال در کاهش نیروی الکتروستاتیکی بین ذرات حل شده باردار در آن است. قدرت برهمکنش بین ذرات باردار یا قطبی حل شده با ثابت دی الکتریک حلال رابطه عکس دارد یعنی هرچقدر حلال ثابت دی الکتریک بالاتری داشته باشد نیروی بین ذرات باردار در آن حلال کمتر است و ذرات حل شده باردار در آن بیشتر به صورت جدا هستند تا به صورت متصل .مثلا نیروی بین دو یون مثبت و منفی اگر در هگزان (که یک مولکول ناقطبی است) حل شده باشند بیشتر از نیروی بین همین دوبار در حالتی که است که در آب حل شده اند.زیرا ثابت دی الکتریک هگزان 1.9 و ثابت دی الکتریک آب 78.5 است و آب هنگام انحلال مواد یونی با آبپوشی یون ها و خنثی کردن بار آنها مانع برهمکنش بین یون ها می شود
ثابت دی الکتریک
1X
0:00
0:00
Computer man
●مولکول های آب قادرند شبکه ای از پیوندهای هیدروژنی تشکیل دهند که باعث می شود آب خواص ویژه ای مثل نقطه جوش بالا نسبت به حلال های معمول داشته باشد
● انرژی پیوند:انرژی لازم برای شکستن یک پیوند که برای پیوند هیدروژنی در مولکول های آب 23کیلوژول بر مول(KJ/mol) است که نسبت به انرژی پیوند O-H که 350 KJ/mol است مقدار بسیار کمی است
● خاصیت پیوند هیدروژنی:پیوند هیدروژنی حدود 10% خاصیت کوالانسی(به علت همپوشانی اوربیتال ها) و حدود 90% خاصیت یونی دارد
● انحلال بیومولکول ها در آب با پیوند هیدروژنی: بسیاری از بیومولکول ها(مثل آلدهیدها، آمیدها و کتون ها، الکل ها ،کربوکسیلیک اسیدها و آمین ها) به علت داشتن گروه عاملی دارای جفت الکترون ناپیوندی با ایجاد پیوند هیدروژنی با مولکول های آب در آن حل می شوند
● برخی پیوندهای هیدروژنی مهم زیستی:
Image to magnify
● در دمای اتاق انرژی گرمایی آب (کینتیک حرکت اتم‌ها و مولکول‌ها) به اندازه انرژی پیوند هیدروژنی است یعنی هنگام گرم کردن آب ، افزایش دما نشانگر حرکت سریع‌تر مولکول‌های آب است
● در هر لحظه بیشتر مولکول‌های آب درگیر پیوند هیدروژنی هستند اما طول عمر هر پیوند بین ۱ تا ۲ پیکوثانیه(12-10) است و با شکسته شدن هر پیوند هیدروژنی مولکول در عرض ٠/۱ پیکو ثانیه با مولکول قبلی یا مولکول دیگر پیوند هیدروژنی برقرار می‌کند به همین دلیل به دسته‌های مولکول‌های آب متصل به هم "خوشه‌های چشمک زن" یا flickering clusters گفته می‌شود
● اثر پیوندهای هیدروژنی بر رفتار مولکول‌های آب:
۱- ایجاد خواص ویژه آب مثل چسبندگی بالا ، نقطه ذوب بالا ،ویسکوزیته بالا ، کشش سطحی زیاد و گرمای تبخیر بالا
۲- ایجاد پل بین ماکرومولکول‌های موجود در محیط سلول(مثل پروتئین ها و DNA) و برهمکنش آنها به یکدیگر بدون تماس فیزیکی
● نکته: هر مولکول آب می تواند حداکثر با ۴ مولکول دیگر پیوند هیدروژنی داشته باشد که در حالت مایع به دلیل حرکت دائمی مولکول‌ها به طور میانگین هر مولکول 3.4 پیوند هیدروژنی دارد اما در یخ هر مولکول با ۴ مولکول دیگر پیوند هیدروژنی دارد که باعث ایجاد ساختار شبکه کریستال در یخ می‌شود
● نکته:انتالپی تبخیر آب (5.9 KJ/mol ) بسیار بالاتر از انتالپی ذوب یخ است ( KJ/mol 44) زیرا برای تبخیر شدن باید تمام پیوندهای هیدروژنی شکسته شود اما وقتی یخ ذوب میشود اکثر پیوندهای هیدروژنی باقی می ماند
● فرایند یخ زدن آب با افزایش نظم(کاهش انتروپی) و ایجاد چهار پیوند هیدروژنی در هر مولکول آب: ● نکته: در دمای اتاق ذوب یخ و تبخیر آب خودبخودی است پس طبق فرمول انرژی آزاد گیبس چون تغییرات انتالپی مثبت است(گرماگیر) پس قطعاً تغییرات انتروپی هم مثبت است(افزایش بی نظمی) که باعث می‌شود انرژی آزاد این دو پدیده منفی باشد
مکانیسم های تعادل آب بدن
●مکانیسم های تنظیم تعادل آب:
۱-مکانیسم های هیپوتالاموسی کنترل تشنگی
۲-تنظیم سطح هورمون ضد ادراری(ADH)
۳-حفظ یا دفع آب توسط کلیه ها
۴- از دست دادن آب از طریق تبخیر(تعریق و بازدم)
●نکته:اختلال در هر کدام از این مکانیسم ها باعث نوعی از دیابت بی مزه مثل نفروژنیک،دیپسوژنیک،مرکزی و... می شود
● دیابت بی مزه نفروژنیک: عدم پاسخگویی گیرنده های هورمون ADH در لوله های نفرون های کلیه و در نتیجه ناتوانی کلیه در تغلیظ ادرار یا سازگاری با تغییرات ظریف در اسمولاریته مایع خارج سلولی و دفع زیاد آب از بدن
● نکته بسیار مهم:دیابت بی مزه هیچ ربطی به قند نداره و در واقع افزایش دفع ادار و ناتوانی کلیه در حفظ آب باعث تشنگی شدید میشه
●انواع دیابت:دو نوع اصلی دیابت داریم :دیابت قندی یا Mellitus که خودش نوع یک و دو داره و دیابت بی مزه یا Insipidus که اولی مربوط به افزایش قند خونه و دومی مربوط به بهم خوردن تعادل آب بدنه و ربطی به قند خون نداره
● چرا بهش میگن دیابت؟ معنی کلمه دیابت یعنی از میان چیزی عبور کردن که به خاطر افزایش دفع ادرار این اسم رو بهش دادن انگار آب "از بدن عبور می‌کند" و بدون توقف دفع می‌شود که هم در دیابت قندی اتفاق میفته هم در دیابت بی مزه یا غیر قندی
نقش آب در سنتز و هیدرولیز بیوپلیمرها

نقش نوکلئوفیلی آب در واکنش های متابولیک

● بسیاری از واکنش‌های متابولیک شامل حمله نوکلوفیل‌ها به الکتروفیل‌هاست
● آب یک نوکلوفیل مهم در بیوشیمی است که در هیدرولیز بیوپلیمرهایی مانند پروتئین‌ها، پلی ساکاریدها و نوکلئیک اسیدها شرکت می‌کند و شکستن پیوندهای آمیدی، گلیکوزیدی و استری در آن ها نقش دارد
● هیدرولیز: شکستن به کمک مولکول آب
● سنتز: برعکس هیدرولیز است و با اتصال هر دو مونومر به یکدیگر یک مولکول آب آزاد می شود
Image to magnify
برهمکنش های ضعیف در محیط های آبی

پیوند هیدروژنی بین آب و ذرات حل شده قطبی
● پیوند هیدروژنی بین اتم‌های الکترونگاتیو (پذیرنده هیدروژن :اکسیژن یا نیتروژن) و هیدروژن متصل به یک اتم الکترونگاتیو دیگر (دهنده هیدروژن) برقرار می‌شود و هیدروژن متصل به کربن به علت اختلاف کم الکترونگاتیویته در پیوند هیدروژنی شرکت نمی‌کند
پیوند هیدروژنی
1X
0:00
0:00
Image to magnify ● دلیل تفاوت زیاد نقطه جوش بوتان و بوتانول(0.5-و 117) به علت وجود پیوند هیدروژنی در بوتانول است
● بیومولکول‌های قطبی غیر باردار مثل قندها به علت ایجاد پیوند هیدروژنی با مولکول‌های آب در آن حل می‌شوند و این انحلال به دلیل جایگزینی پیوند هیدروژنی آب-آب و بیومولکول-بیومولکول با پیوندهای هیدروژنی آب-بیومولکول رخ می دهد یعنی پیوند هیدروژنی آب با بیومولکول قوی تر از پیوندهای هیدروژنی خود آب و خود بیومولکول است
● نکته: قدرت پیوند هیدروژنی وابسته به زاویه بین سه اتم گیرنده هیدروژن ، هیدروژن و اتم دهنده هیدروژن است و قوی‌ترین حالت زمانی است که سه اتم در یک راستا قرار دارند که این ویژگیِ وابسته به جهت بودن قدرت پیوند هیدروژنی عامل تعیین ساختارهای دقیق سه بعدی پروتئین‌ها و نوکلئیک اسید‌هاست
Image to magnify
برهمکنش آب با ذرات حل شده باردار
● آب یک حلال قطبی است پس بیشتر بیومولکول‌ها که معمولا باردار یا قطبی هستند در آب حل می شوند
● نکته: به ترکیبات محلول در آب ترکیبات آبدوست یا هیدروفیل و به ترکیبات نامحلول در آب (و محلول در مواد غیر قطبی مثل کلروفرم و بنزن) مواد آبگریز یا هیدروفوب و به موادی که دارای دو بخش قطبی یا باردار و غیر قطبی هستند دوگانه دوست یا آمفی پاتیک گفته می‌شود
●انحلال ذرات باردار در آب: نمک‌هایی مثل NaCl با آبپوشیده شدن و پایداری یون های جدای Na و Cl با تضعیف نیروی بین آن ها در آب حل می شوند. طبق فرمول انرژی آزاد گیبس دراین فرایند به دلیل مثبت بودن تغییرات انتالپی(H) عامل خودبخودی بودن انحلال نمک در آب افزایش شدید انتروپی و بی نظمی(S) است
●فرمول محاسبه نیروی بر همکنش بین ذرات باردار:
Image to magnify طبق فرمول بالا این نیرو به سه عامل بستگی دارد:
۱ -مقدار بار ذرات باردار
۲ -ثابت دی الکتریک محیطی که ذرات باردار حضور دارند(مثل یک حلال ) .ضمنا ثابت دی الکتریک واحد ندارد
۳ -فاصله بین ذرات باردار
●نکته:طبق فرمول بالا این نیرو با مربع فاصله ذرات(r2) رابطه عکس دارد یعنی با افزایش فاصله به شدت کاهش می یابد .یعنی این نیروها در فاصله های کوتاه (10 تا 40 نانومتر اگر حلال آب باشد)اثرگذاری دارند
●نکته بسیار مهم:در بیومولکول های بزرگ مثل پروتئین ها ثابت دی الکتریک محلی فضای هیدروفوبیک داخل پروتئین تعیین کننده قدرت نیروهای بین ذرات باردار(مثل آمینواسیدهای خود پروتئین) است نه ثابت دی الکتریک آب
رابطه معکوس مربع فاصله یون ها و قدرت پیوند یونی
1X
0:00
0:00
انحلال اندک گازهای غیرقطبی در آب
● گازهای مهم بیولوژیک یعنی ،CO2 O2 و N2 غیر قطبی هستند. در O2 و N2 الکترون‌ها به طور مساوی بین دو اتم یکسان تقسیم شدند اما در CO2 هر پیوند کربن -اکسیژن قطبی است اما چون خلاف جهت هم هستند یکدیگر را خنثی می‌کنند و مولکول کربن دی اکسید غیر قطبی است.از طرفی انحلال هر نوع گاز در آب با کاهش شدید انتروپی به دلیل محدود شدن حرکت مولکول های گازهمراه است
● نتیجه: انحلال بسیار کم این سه گاز در آب به دلیل غیر قطبی بودن و کاهش شدید انتروپی
Image to magnify ● نحوه انتقال O2 و CO2 :پروتئین های محلول در آب مثل هموگلوبین عامل انتقال O2 و CO2 هستند. CO2 در واکنش با آب اسیدکربنیک تولید میکند که به یون بیکربنات(-HCO3) و +H تجزیه می شود و بیکربنات هم به صورت محلول در آب (تقریبا ۱۰۰ گرم در لیتر)و هم از طریق هموگلوبین انتقال می یابد
●نکته:علاوه بر دو روش ذکر شده برای انتقال کربن دی اکسید در خون ، این گاز به مقدار اندک به صورت محلول در پلاسما نیز منتقل می شود
●انحلال گازهای مهم بیولوژیک دیگر در آب:سه گاز نیتروژن مونوکسید (NO)،آمونیاک (NH3) و هیدروژن سولفید(H2S) که در برخی ارگانیسم ها نقش بیولوژیک دارند قطبی هستند و به راحتی در آب حل می شوند
اختلال در ساختار آب توسط ترکیبات غیرقطبی
تغییرات انرژی آزاد و خودبخودی یا غیر خودبخودی بودن پدیده ها
1X
0:00
0:00
●مخلوط شدن مواد غیر قطبی مثل بنزن و هگزان با آب:
انحلال مواد غیر قطبی در آب انرژی خواه و غیر خودبخودی است
1X
0:00
0:00
۱ - به علت عدم برهمکنش مناسب با مولکول‌های آب باعث اختلال در پیوندهای هیدروژنی آب (انتالپی(ΔH) مثبت: گرماگیر) و به علت عدم حل شدن در آب باعث ایجاد دو فاز جدا می شود
۲ - ایجاد ساختار قفس مانند توسط مولکول های آب اطراف مولکول های غیرقطبی برای به حداکثر رساندن پیوندهای هیدروژنی مولکول های آب (افزایش نظم و کاهش انتروپی یا ΔS منفی)
● نتیجه: پس طبق فرمول ΔG = ΔH - TΔS انرژی آزاد این فرایند به دلیل افزایش انتالپی و کاهش انتروپی ،مثبت است پس انرژی خواه و غیرخودبخودی است
● نکته: انحلال مواد قطبی در آب نیز باعث اختلال پیوندهای هیدروژنی آب می‌شود(انتالپی مثبت) اما با تشکیل برهمکنش‌های آب - حل شونده جبران می‌شود(انتالپی منفی).از نظر انتروپی هم انحلال مواد قطبی نیز به علت افزایش نظم باعث کاهش انتروپی مولکول های آب می شود اما این افزایش نظم به اندازه انحلال مواد غیر قطبی نیست و همچنین کاهش انتالپی بر افزایش انتروپی غلبه دارد و انرژی آزاد فرایند منفی و فرایند خودبخودی است
● کلاتریت: به کریستال مواد غیرقطبی و آب گفته می شود که بیشترین افزایش نظم و کاهش آنتروپی را دارد
● مخلوط شدن مواد آمفی پاتیک(دوگانه دوست) مثل اسیدهای چرب با آب:
انحلال مواد آمفی پاتیک در آب: دو فاز غیرخودبخودی و خودبخودی
1X
0:00
0:00
●غلظت بحرانی میسل (CMC یا Critical Micelle Concentration) :غلظتی از مولکول‌های دوگانه‌دوست (آمفی‌فیلیک) در یک محلول (معمولاً آب) است که در آن، این مولکول‌ها شروع به تجمع و تشکیل ساختارهای سازمان‌یافته‌ای به نام میسل می‌کنند
● غلظت کمتر از CMC:
۱ - پراکندگی مونومری در آب و برهمکنش قسمت های قطبی با مولکول های آب (کمی کاهش انتالپی)
۲ - ایجاد ساختار منظم "قفسی" مولکول های آب برای ایجاد حداکثر تعداد پیوند هیدروژنی(کاهش انتروپی و افزایش زیاد انتالپی)
نتیجه: پدیده غیرخودبخودی به علت انتالپی مثبت و انتروپی منفی
●غلظت بالاتر از CMC:
تجمع بخش های غیر قطبی در درون ساختار میسل شامل صدها یا هزاران مولکول دوگانه دوست با دفن زنجیره های آبگریز در داخل میسل و از بین رفتن ساختار قفسی آب (افزایش انتالپی و انتروپی) اما چون افزایش انتروپی بسیار زیاد است بر افزایش انتالپی غلبه میکند و پدیده خودبخودی است
●نکته: چون در این پدیده پیوندهای هیدروژنی ساختار قفسی می شکند انتالپی مثبت است و چون یک ساختار منظم از بین می رود انتروپی هم مثبت است و افزایش انتروپی بر افزایش انتالپی غلبه دارد و پدیده انرژی زا و خودبخودی است و چون به علت افزایش انتروپی خودبخودی است به این پدیده "وابسته به انتروپی " گفته می شود
●نکته:اگر مولکول دوگانه دوست مخروطی باشد میسل شکل می گیرد و اگر استوانه ای باشد غشای دولایه (مثل غشای سلول) شکل می گیرد که با تا شدن روی خود شکل کروی پیدا کرده و ساختار لیپوزوم(نوعی وزیکول) شکل می گیرد
● اثر آبگریزی در غشای سلولی: اثر آبگریزی در تعامل بین لیپیدها و برهمکنش لیپیدها و پروتئین ها تعیین کننده ساختار سه بعدی غشای سلولی است
● بیومولکول های آمفی پاتیک: پروتئین ها، پیگمنت ها(رنگیزه ها)، برخی ویتامین ها، استرول ها و فسفولیپید ها
● نکته بسیار مهم: اختلال پیوندهای هیدروژنی مولکول های آب منظم اطراف سوبستراهای قطبی و آنزیم ها به علت افزایش انتروپی(بی نظمی) یک عامل پیشران برای اتصال سوبستراهای قطبی به آنزیم ها است.یعنی با اینکه شکستن پیوندهای هیدروژنی گرماگیر(انتالپی مثبت) است اما افزایش انتروپی باعث انرژی زا (G منفی) و خودبخودی بودن این فرایند است
برهمکنش های واندروالسی
● برهمکنش های واندروالسی از نوع دوقطبی القایی-دوقطبی القایی(نیروهای نشری لاندن): نزدیکی زیاد دو اتم غیرباردار ، با دفع ابرهای الکترونی یکدیگر باعث ایجاد دوقطبی های موقتی خلاف جهت یکدیگر در دو اتم و جذب دو اتم به سمت یکدیگر می شود و با نزدیکی زیاد ، دو هسته باعث دفع یکدیگر می شوند و در فاصله ای که بیشترین جذب را دارند دو اتم در تماس واندروالسی هستند
● شعاع واندروالسی:نزدیکترین فاصله ای که هر اتم به دیگر اتم ها اجازه نزدیک شدن میده.یا نصف نزدیک‌ترین فاصله بین هسته دو اتم یکسان در برهمکنش‌های غیرپیوندی است، جایی که نیروهای جاذبه و رانش در تعادل هستند و انرژی پتانسیل در کمترین حالت خود قرار دارد
Image to magnify ● نکته: در مدل های فضاپرکن معمولا اندازه اتم ها نسبت به هم متناسب با شعاع واندروالسی آنها نشان داده می شود
نقش برهمکنش های ضعیف در ساختار و عملکرد ماکرومولکول ها
● برهمکنش های غیر کوالانسی (مثل پیوند هیدروژنی،پیوند یونی ، اثر آبگریز و برهمکنش های واندروالسی)بسیار ضعیف‌تر از پیوندهای کوالانسی هستند.مثلا برای شکستن یک مول پیوند C-C نیاز به 350 کیلوژول انرژی دارد اما فقط 4 کیلوژول انرژی برای شکستن یک مول پیوند واندروالسی نیاز است.با وجود ضعیف بودن این برهمکنش ها اثر جمعی تعداد زیادی از آنها بسیار قوی است. مثل پیوندهای متعدد ایجاد شده هنگام اتصال آنزیم به سوبسترا که باعث کاهش انرژی آزاد سیستم می شود
● نکته: اثر آبگریزی در حلال قطبی (مثل محلول آب نمک) قوی تر است اما همچنان از پیوند کوالانسی بسیار ضعیف تر است
● نکته: قدرت برهمکنش های یونی بر اساس قطبیت محلول و پیوندهای هیدروژنی بر اساس زاویه بین اتم های درگیر متغیر است
● نکته: انرژی گرمایی محلول های آبی در دمای 25 درجه سلسیوس در بازه ی همین پیوندهای ضعیف است بنابراین این پیوندها دائما در حال تشکیل و شکسته شدن هستند
● پایداری برهمکنش‌های غیرکووالانسی، مانند پیوند هیدروژنی بین آنزیم و لیگاند، از طریق انرژی آزاد گیبس (ΔG) محاسبه می‌شود که نشان‌دهنده کاهش انرژی سیستم در هنگام تشکیل پیوند است و ثابت تعادل واکنش به‌صورت نمایی با کاهش ΔG افزایش می‌یابد
● برای جدا کردن دو بیومولکول متصل با برهمکنش های ضعیف (مثل انزیم و سوبسترا) باید همه این برهمکنش ها به طور همزمان شکسته شود که به علت نوسان دائمی این برهمکنش ها(تشکیل و تجزیه دائمی یعنی همزمان تعدادی تشکیل و تعدادی شکسته میشن) رخداد چنین اتفاقی به صورت خودبخودی بسیار نامحتمل است. بنابراین پایداری حاصل شده بسیار بیشتر از مقدار مورد انتظار حاصل از جمع پایداری تک تک این برهمکنش هاست
● ماکرومولکول‌هایی مثل پروتئین‌ها،DNA و RNA شامل نواحی متعدد با قابلیت ایجاد پیوندهای هیدروژنی، یونی ،واندروالسی و تجمع آبگریز هستند. پایدارترین ساختار آنها معمولا حالتی است که بیشترین تعداد برهمکنش‌ها ضعیف را دارند و زنجیره های پلی پپتیدی(پروتئینی) و پلی نوکلئوتیدی بر همین اصل(ایجاد حداکثر تعداد برهمکنش های ضعیف) به شکل سه بعدی خود پیچ و تاب میخورند
● کاربردهای برهمکنش های ضعیف:
۱ - اتصال آنتی ژن ها به آنتی بادی ها
۲ - اتصال آنزیم به سوبسترا(منبع اصلی تامین قدرت کاتالیتیک: انرژی برهمکنش های ضعیف)
۳ - پیچ و تاب خوردن (فلدینگ) زنجیره پروتئین ها برای ایجاد ساختار سه بعدی
۴ - اتصال هورمون ها یا نوروترانسمیترها به گیرنده ها
● نکته: یکی از مزایای بزرگتر بودن اندازه آنزیم ها به سوبسترا یا گیرنده ها نسبت به لیگاند افزایش سطح ایجاد برهمکنش های ضعیف است و مکمل بودن بیومولکول ها در سطح مولکولی برای ایجاد برهمکنش های ضعیف بین قسمت های قطبی و نزدیکی قسمت های غیر قطبی است
● هنگام تعیین ساختار پروتئین ها،DNA و RNA با کریستالوگرافی اشعه X تعدادی مولکول آب با اتصال محکم مشاهده می شود که :
۱- عضو ساختار کریستالی آنها هستند(مثل شکل سه بعدی زیر)
۲- قابل شناسایی توسط رزونانس مغناطیسی هسته (NMR)هستند
۳- دارای خواص متفاوت با مولکول‌های آب آزاد (مثل فعال نبودن از نظر اسمزی) هستند
۴- برای عملکرد پروتئین‌ها ضروری هستند(مثال:سیتوکروم f در زنجیره پروتئین های انتقال الکترون فتوسنتز دارای پنج مولکول آب متصل به یکدیگر که باعث ایجاد مسیر برای عبور پروتون ها از عرض غشا می شوند)
Image to magnify
ایجاد فشار اسمزی توسط محلول های غلیظ
● خواص کولیگاتیو: خواص فیزیکی(مثل نقطه جوش،فشار بخار ، نقطه ذوب و فشار اسمزی) که فقط به تعداد ذرات حل شونده بستگی دارند و به خواص شیمیایی ذرات بستگی ندارند. مثلا هر مول NaCl در هنگام انحلال در آب دو مول ذره ایجاد میکند پس اثر آن بر فشار اسمزی دو برابر انحلال یک مول شکر است
● فشار اسمزی: مولکول‌های آب تمایل دارند از محلول رقیق(غلظت کم حل شونده یا غلظت بالای آب) به محلول غلیظ (غلظت بالای حل شونده یا غلظت کم آب) حرکت کنند. اگر دو محلول با غلظت متفاوت توسط یک غشای نیمه تراوا (که فقط به مولکول‌های آب اجازه عبور می‌دهد) جدا شوند اختلاف فشار اسمزی در دو محلول باعث حرکت مولکول‌های آب از محلول رقیق(آب زیاد) به محلول غلیظ (آب کم) می شود
● معادله وانتهوف: معادله ای که مقدار نظری فشار اسمزی یک محلول با غلظت و دمای معین را نسبت به محلول خالص بیان می کند. اما در سنجش آزمایشگاهی با اسمومتر اختلاف فشار اسمزی بین دو محلول را اندازه گیری میکنیم که برابر با حداقل نیروی لازم برای مقابله با جریان آب است و این دو مقدار( نظری و عملی) تقریبا با هم برابر است
Image to magnify ● نکته: فشار اسمزی را مستقیما نمی توانیم اندازه بگیریم بلکه از طریق نیروی لازم برای مقابله با آن مقدارشو اندازه گیری میکنیم
● نکته: فشار اسمزی در واقع نوعی مکش است. تصور کنید هرچقد فشار اسمزی در محلولی بیشتر باشه محلول تشنه تره و دوست داره آب جذب کنه
● اسمز: حرکت آب به علت اختلاف فشار اسمزی
● نکته: غشای سلولی به علت نفوذپذیری بیشتر نسبت به آب (به علت وجود کانال های پروتئینی) در مقایسه با یون ها و مولکول های دیگر یک غشای نیمه تراواست
● انواع محلول ها از نظر فشار اسمزی در مقایسه با فشار اسمزی داخل سلول:
۱ - ایزوتونیک: فشار اسمزی برابر با داخل سلول
۲ - هایپرتونیک: فشار اسمزی بیشتر از سلول، باعث خروج آب از سلول و چروک شدن سلول
۳ - هایپوتونیک: فشار اسمزی کمتر از سلول ، باعث ورود آب به سلول و تورم آن و در صورت ادامه باعث ترکیدن سلول (لیز اسمزی)
● نکته: سلول ها دارای غلظت بالایی از یون ها و بیومولکول ها نسبت به محیط اطرافشان هستند و برای جلوگیری از ورود آب بیش از حد و ترکیدن سلول مکانیسم های خاصی وجود دارد

تمرین

فرض کنید حلال‌های اصلی در لیزوزوم‌های سالم KCl (حدود ۰.۱ مولار) و NaCl (حدود ۰.۰۳ مولار) باشند. هنگام جداسازی لیزوزوم‌ها، غلظت ساکارز مورد نیاز در محلول استخراج در دمای اتاق (۲۵ درجه سانتی‌گراد) برای جلوگیری از تورم و لیز شدن چیست؟

نمایش پاسخ ها (😊تقلب نکن )


راه‌حل: ما می‌خواهیم غلظتی از ساکارز پیدا کنیم که قدرت اسمزی برابر با آنچه توسط KCl و NaCl در لیزوزوم‌ها تولید می‌شود، ایجاد کند. معادله محاسبه قدرت اسمزی (معادله وانت هوف) به صورت زیر است:
Π = RT(i₁c₁ + i₂c₂ + i₃c₃ + ⋅ ⋅ ⋅ + iₙcₙ)
پس برای محاسبه میزان ساکارز مورد نیاز باید فشار اسمزی حاصل از محلول حاوی NaCl و KCl را برابر فشار اسمزی ساکارز قرار دهیم:
Image to magnify
Magnified Image
وزن فرمولی ساکارز (FW) یا جرم مولی آن برابر ۳۴۲ گرم بر مول است. بنابراین غلظت مورد نیاز ساکارز Image to magnify است. از آنجا که غلظت‌های حلال‌ها تنها تا یک رقم معنادار دقیق هستند، 0.09=ساکارزc . کیلوگر در لیتر
●نکته:سلول‌های کبد و عضله کربوهیدرات را به‌صورت مونومر گلوکز یا ساکارز ذخیره نمی‌کنند، بلکه به‌صورت پلیمر با وزن مولکولی بالا یعنی گلیکوژن ذخیره می‌کنند. این امر به سلول اجازه می‌دهد تا جرم زیادی گلیکوژن را با اثر حداقلی بر اسمولاریته سیتوسول در خود جای دهد
● روش های مقابله با لیز اسمزی سلول:
۱ - وجود دیواره سلولی سخت اطراف غشای سلولی باکتری‌ها و گیاهان
۲ - واکوئل های انقباضی پمپ کننده آب به بیرون سلول در پروتیست‌های(آغازیان) آب شیرین(چون آب شیرین هایپوتونیک است)
۳ - غلظت بالای پروتئین هایی مثل آلبومین برای افزایش اسمولاریته پلاسمای خون و مایع میان بافتی در جانوران پر سلولی
۴ - پمپ‌های بیرون کننده +Na و دیگر یون‌ها به مایع میان بافتی در جانوران پرسلولی
● نکته: به علت وابسته بودن اسمولاریته به تعداد ذرات حل شده ،ماکرومولکول‌ها اثر بسیار کمتری بر اسمولاریته نسبت به مونومرهای جدا از هم دارند. مثلاً اسمولاریته یک گرم پلی ساکارید متشکل از ۱٠٠٠ گلوکز تقریبا برابر با یک میلی گرم گلوکز است. به همین دلیل ذخیره قندها به شکل پلی ساکارید( نشاسته یا گلیکوژن) باعث جلوگیری از افزایش فشار اسمزی در سلول‌های ذخیره کننده می‌شود
● کاربرد فشار اسمزی در گیاهان: غلظت بالای محلول درون واکوئل‌ها با مکش آب به داخل سلول و تورم غشای سلولی که باعث فشار بر دیواره سلولی می‌شود(فشار تورگر) عامل ایجاد سفتی سلول ها و شادابی برگ ها می شود
● نکته: هنگام مطالعه اندامک‌هایی مثل میتوکندری‌ها، کروپلاست‌ها و لیزوزوم‌ها به علت نیمه تراوا بودن غشای آنها در هنگام جداسازی برای جلوگیری از ترکیدن آنها باید از محلول‌هایی مثل ساکروز با فشار اسمزی برابر با داخل اندامک استفاده کرد
خودیونش آب ، اسیدها و بازهای ضعیف و تعریف pH

خودیونش آب و ثابت تعادل آن
● آب خالص به مقدار کم طی واکنش برگشت پذیر زیر یونیزه می‌شود:
Image to magnify
● و چون مولکول های آب با هم پیوند هیدروژنی دارند پروتون جدا شده از یک مولکول سریعا طی واکنش زیر با مولکول دیگر واکنش می دهد و یون هیدرونیوم تولید می شود:
Image to magnify
● جمع دو واکنش بالا به شکل زیر در می آید:
Image to magnify
یعنی یک مولکول آب یک +H از مولکول دیگر می گیرد و مولکول اول به یون هیدرونیوم(+H3O) و مولکول دوم به یون هیدروکسید(-OH) تبدیل می شود
● نکته: میزان یونیزاسیون آب توسط هدایت الکتریکی آن اندازه‌گیری می‌شود زیرا آب خالص جریان الکتریکی را با حرکت یون هیدرونیوم به طرف کاتد و حرکت یون هیدروکسید به طرف آند انتقال می‌دهد و حرکت این دو یون به دلیل پدیده "جهش پروتون یا پروتون هوپینگ" بسیار سریع‌تر از یون‌های دیگر مثل +Na و -Cl است
● جهش پروتون(Proton Hopping): جهش زنجیره‌ای پروتون‌ها بین مولکول‌های آب دارای پیوند هیدروژنی با یکدیگر که بدون جابجایی زیاد هر پروتون ،باعث حرکت خالص یک پروتون در فاصله طولانی و در زمان کوتاه می‌شود.(انگار دست به دست پروتون هارو میدن بهم و به محض اینکه اولی از یون هیدرونیوم یک پروتون میگیره آخری هم بلافاصله از مولکول قبلش پروتون میگیره یعنی بدون جابجایی فیزیکی طولانی یک پروتون خاص،حرکت خالص پروتون در مسافت‌های زیاد و زمان بسیار کوتاه رخ میده ). به همین دلیل واکنش‌های اسید- باز در محلول‌های آبی بسیار سریع است
Image to magnify ● نکته: یون هیدروکسید هم با جهش پروتون با همین سرعت در خلاف جهت جابجا می‌شود
● موقعیت تعادل هر واکنش برگشت پذیر توسط ثابت تعادل بیان می‌شود. مثلاً برای واکنش زیر:
Image to magnify ثابت تعادل از طریق رابطه زیر محاسبه می‌شود:
Image to magnify
● نکته: برای محلول‌های غیر ایده آل ( که برهمکنش ذرات باعث تغییر غیرعادی خواص کولیگاتیو می شود مثل محلول NaCl غلیظ که یون ها به هم چسبیده و فعالیت آنها کم می شود) در این معادله باید از غلظت‌های موثر یا فعالیت‌ها استفاده کرد اما در کاربردهای عمومی از غلظت‌های تعادلی استفاده می‌شود
● نکته: ثابت تعادل برای هر واکنش خاص در دمای ثابت مقداری ثابت است که ترکیب مخلوط تعادلی نهایی را مشخص می‌کند و برعکس (با داشتن غلظت‌های تعادلی می‌توان ثابت تعادل را محاسبه کرد)


ثابت تعادل خودیونش آب


● در دمای 25 درجه میزان یونش آب بسیار کم است به طوریکه در هر لحظه از هر 109 مولکول آب(یک میلیارد مولکول) تقریبا دو مولکول یونیزه می شود .غلظت آب خالص در این دما برابر 55.5 مولار است که از تقسیم جرم یک لیتر آب(1000 گرم) بر وزن مولکولی آن(18 گرم بر مول) بدست می آید.با قرار دادن این مقدار در فرمول ثابت تعادل آب،"فراورده یونی آب" یا "ثابت یونش آب" بدست می آید که با Kw نمایش داده می شود:
Image to magnify ●نکته: در دمای 25 درجه سلسیوس مقدار Keq با اندازه گیری هدایت الکتریکی بدست آمده که مقدار آن برابر 16-10 × 1.8 است که با جایگذاری این مقادیر در فرمول Kw به شکل زیر در می آید :
Image to magnify ● در نتیجه چون غلظت یون های +H و -OH در آب خالص برابر است مقدار هر کدام 7-10 مولار است
تعریف pH و pOH
● pH:معیاری برای اندازه گیری میزان اسیدیته محلول های آبی که طبق فرمول زیر به صورت منفی لگاریتم غلظت +H تعریف می شود:
Image to magnify ●چرا در تعریف pH از منفی لگاریتم استفاده میکنیم؟چون معمولا غلظت +H در محلول ها کوچکتر از 1 است و لگاریتم اعداد کوچکتر از 1 منفی می شود اگر pH با لگاریتم غلظت تعریف شود مقدار آن منفی خواهد بود که محاسبات آزمایشگاهی را پیچیده می کند.بنابراین در تعریف pH از منفی لگاریتم استفاده میکنیم تا مقدار pH در محاسبات معمول آزمایشگاهی مثبت باشد.و طبق قوانین لگاریتم ضریب لگاریتم می تواند به عنوان توان عدد مقابل لگاریتم قرار بگیرد و توان منفی با معکوس کردن تبدیل به توان مثبت می شود پس pH هم برابر منفی لگاریتم غلظت +H و هم برابر معکوس غلظت+H است:

Image to magnify ● pOH:معیاری برای اندازه گیری میزان قلیائیت محلول های آبی که طبق فرمول زیر به صورت منفی لگاریتم غلظت -OH یا [-OH] تعریف می شود:
Image to magnify ●نکته: در دمای 25 درجه سانتی گراد رابطه زیر برقرار است:
Image to magnify ●چرا؟ این رابطه از فرمول Kw بدست می آید.با جایگذاری مقدار آن در فرمول، رابطه به شکل زیر در می آید : Image to magnify برای بدست آوردن رابطه بین pH و pOH از دو طرف این معادله لگاریتم میگیریم:
●نکته: طبق قوانین لگاریتم، لگاریتم دو عدد ضرب شده در یکدیگر برابر جمع لگاریتم جداگانه آنهاست و همچنین توان عدد مقابل لگاریتم را می توان در خود لگاریتم ضرب کرد: Image to magnify
اسیدها و بازهای ضعیف
●اسیدها و بازهای قوی: اسیدهایی مانند هیدروکلریک اسید،سولفوریک اسید و نیتریک اسید اسیدهای قوی هستند و همچنین بازهایی مثل NaOH و KOH بازهای قوی هستند چون به صورت کامل در محلول آبی یونیزه می‌شوند
●نکته: اسیدها و بازهای ضعیف در بیوشیمی اهمیت بیشتری دارند و در متابولیسم و تنظیم آن نقش دارند
● اسید و باز طبق تعریف لری برونستد: اسیدها دهنده پروتون و بازها پذیرنده پروتون
● اسید و باز کونژوگه یا مزدوج : وقتی اسیدی پروتون(H) از دست می‌دهد به باز کونژوگه خود تبدیل می‌شود مثل استیک اسید(CH3COOH) و استات(CH3COO-)
● ثابت یونیزاسیون یا ثابت تفکیک اسید(Ka): ثابت تعادل واکنش یونیزاسیون اسید که بیانگر میزان تمایل آن برای یونیزاسیون است و هر چقدر بزرگتر باشد اسید قوی‌تر است
● pKa: شبیهpH است و به صورت زیر تعریف می‌شود:
Image to magnify یعنی هر چقدر اسید قوی‌تر باشد تمایل آن برای از دست دادن پروتون بیشتر است پس Ka بزرگتر و pK آن کوچکتر است
● نکته: pKa اسیدهای ضعیف از طریق منحنی تیتراسیون تعیین می شود
● ثابت یونیزاسیون یا ثابت تفکیک اسید(Ka):تعریفی دقیقا مشابه Ka دارد و برای بازها تعریف می شود
محاسبه apK از طریق منحنی تیتراسیون
● تیتراسیون: فرآیندی است که در آن یک باز قوی (مانند NaOH) به یک اسید ضعیف به‌صورت تدریجی اضافه می‌شود تا غلظت اسید موجود در محلول تعیین شود. این فرآیند تا زمانی ادامه می‌یابد که واکنش خنثی‌سازی کامل شود. تغییرات pH در طول تیتراسیون را می‌توان با شناساگر رنگی یا pH متر بررسی کرد. مقدار باز مصرف‌شده برای خنثی‌سازی اسید، برای محاسبه غلظت اسید به‌کار می‌رود
● نکته: مقدار اسید و باز در تیتراسیون به صورت اکی والان بیان می‌شود
● اکی والان(equivalent): مقدار ماده ای که می تواند:
یک مول پروتون (⁺H) آزاد کند یا بگیرد (در واکنش‌های اسید-باز)
یا یک مول الکترون (⁻e) بدهد یا بگیرد (در واکنش‌های اکسایش–کاهش)
یا با یک مول ماده دیگر در یک واکنش خاص (مثل خنثی‌سازی، رسوب‌دهی یا انتقال یون) واکنش دهد یا آن را جابه‌جا کند
. مثلاً برای اسیدهای یک پروتونه مثل HCl هر مول اسید یک اکی والان است اما برای اسیدهای دوپروتونه مثل H2SO4 یک مول برابر دو اکی والان است
● منحنی تیتراسیون: نمودار pH در برابر مقدارNaOH افزوده شده
● مثال: منحنی تیتراسیون محلول 0.1 مولار استیک اسید با محلول 0.1 مولار NaOH که در آن دو واکنش برگشت پذیر زیر رخ می دهد:
Image to magnify که ثابت تعادل آنها به ترتیب Kw= 10-14 و Ka = 1.74 × 10-5 است.یعنی بدون افزودن NaOH میزان تفکیک اسید استیک بسیار کم است و اکثرا به صورت تفکیک نشده (CH3COOH) در محلول دیده می شود
● مراحل :
۱ - اندازه گیری pH اولیه اسید
۲ -افزودن تدریجی NaOH و واکنش -OH های آزاد شده از NaOH با +H های محلول ( حاصل از یونیزاسیون آب و استیک اسید)
۳ - جابجایی تعادل اول به سمت چپ یعنی تولید H2O و کاهش +H در اثر افزایش -OH محلول و جابجایی تعادل دوم به سمت راست برای جبران +H های مصرف شده(اصل لوشاتلیه) و تفکیک بیشتر استیک اسید
Image to magnify ۴ - ادامه افزودن NaOH و ثبت مقدار NaOH افزوده شده و pH نشان داده شده بعد از هر بار افزودن NaOH تا خنثی شده کامل استیک اسید و تغییر ناگهانی pH که نشانگر پایان تیتراسیون است
۵ - ثبت pH نقطه وسط منحنی به عنوان pKa اسید که در مورد استیک اسید برابر 4.76 است
Image to magnify ●نکته:یک واحد از هر طرف نقطه وسط منحنی بازه ی بافری اسید ضعیف و باز کونژوگه آن را نشان می دهد
● چرا در نقطه وسط منحنی مقدار pH با مقدار pKa برابر است؟ پاسخ این سوال رو در قسمت معادله هندرسون-هاسلباخ مطالعه کنید

سیستم های بافری برای مقابله با تغییرات pH

بافرها: ترکیب اسیدهای ضعیف و باز کونژوگه آنها
● معنی لغوی کلمه بافر(Buffer): در زبان انگلیسی، "buffer" اگر به عنوان اسم به کار رود به معنای سپر یا حائل میان دو چیز است و معنی فعلی آن یعنی محافظت کردن و یا حائل شدن
●تامپون: معادل فرانسوی بافر است که گاهی در متون فارسی به جای بافر استفاده می شود به علت استفاده منابع قدیمی از متون فرانسوی
● بافر در شیمی: محلول آبی شامل اسید ضعیف(دهنده پروتون) و باز کونژوگه یا مزدوج آن(پذیرنده پروتون) که هنگام افزودن مقدار کم اسید یا باز در برابر تغییرات pH مقاومت می کند
● مثال: مخلوط استیک اسید و استات در pH 4.76 و یک واحد از هر دو طرف(بازه بافری)
● بازه بافری: به بازه ی صاف حدودا دو واحدی وسط منحنی تیتراسیون که یک واحد از دو طرف نقطه وسط را در برمیگیرد و محلول قدرت بافری دارد اما در نقطه وسط بیشترین قدرت بافری را دارد چون غلظت دهنده و گیرنده پروتون یکسان است و pH در این نقطه برابر pKa است
● نکته: بافر حتما باید مخلوط اسید ضعیف و باز کونژوگه آن باشد نه اسید قوی و باز کونژوگه چون ما نیاز داریم که اسید کامل تفکیک نشه و اسید و باز مزدوجش در تعادل باشند تا خاصیت بافری پدید بیاد. اگر اسید قوی باشه کامل تفکیک میشه و دیگه فقط باز مزدوجش در محلول حضور داره که خاصیت بافری نخواهد داشت
● نکته: هنگام افزوده شدن اسید یا باز pH در بافر تغییر می کند اما مقدار تغییر بسیار کم است
● عامل ایجاد بافر تعادل دو واکنش برگشت پذیر زیر در نقطه ی تساوی غلظت اسید ضعیف و بازکونژوگه آن است Image to magnify ● چرا نمک باز مزدوج ؟ چون باز مزدوج به طور یونی تو ظرف نگه داری نمیشه بلکه نمک باز مزدوج رو به صورت خنثی داریم که با افزودن در محلول تبدیل به باز مزدوج میشه
● نکته: واکنش ها در یک محلول اتفاق می افتد پس باز مزدوج حاصل از هر دو واکنش در محلول با هم جمع می شوند البته مقدار باز مزدوج حاصل از تفکیک اسید ضعیف بسیار کم است
● دو عامل اصلی بافر:
۱- اسید ضعیف: وقتی باز به محلول اضافه بشه توسط اسید خنثی میشه
۲- باز کونژوگه: وقتی اسید به محلول اضافه بشه توسط باز کونژوگه خنثی میشه
Image to magnify ● مراحل ساختن محلول بافر از اسید با غلظت نامشخص:
۱ - ابتدا مقداری از اسید را با یک باز قوی تیتر می کنیم تا غلظت و pKa اسید بدست آید
۲ - با داشتن غلظت و حجم اسید تعداد مول آن را با فرمول n = MV محاسبه میکنیم سپس تعداد مول برابری از نمک باز مزدوج آن را به محلول اضافه میکنیم تا با یونیزه شدن نمک و آزاد شدن باز مزدوج در محلول، خاصیت بافری در محلول ظاهر شود
معادله هندرسون-هاسلباخ
● همه منحنی‌های تیتراسیون شکل مشابه دارند و از قوانین و روابط یکسانی پیروی می‌کنند
●معادله هندرسون-هاسلباخ:رابطه بین pKa،pH و غلظت اسید ضعیف و باز کونژوگه یک بافر را نشان می دهد و از ثابت تعادل یونیزاسیون اسید بدست می آید:
Image to magnify
Magnified Image
●کاربردهای معادله هندرسون-هاسلباخ:
۱ - محاسبه pKa با داشتن pH و نسبت غلظت های مولی اسید ضعیف و باز کونژوگه آن
۲ - محاسبه pH با داشتن pKa و نسبت غلظت های مولی اسید ضعیف و باز کونژوگه آن
۳ - محاسبه نسبت غلظت های مولی اسید ضعیف و بازکونژوگه با داشتن pH و pKa
۴ - شناسایی گونه غالب(اسیدی یا بازی) در محلول در یک pH خاص: اگر pK بزرگتر از pH باشد گونه سمت چپ (پروتون دار) غالب است و اگر pH بزرگتر باشد گونه سمت راست واکنش(بدون پروتون) غالب است .
مثال :مراحل مختلف یونیزاسیون فسفریک اسید

H₃PO₄ ⇌ H⁺ + H₂PO₄⁻ (pK₁ ≈ 2.1)

H₂PO₄⁻ ⇌ H⁺ + HPO₄²⁻ (pK₂ ≈ 7.2)

HPO₄²⁻ ⇌ H⁺ + PO₄³⁻ (pK₃ ≈ 12.3)

مثلا در pH = 5 گونه ⁻H₂PO₄ غالب است زیرا از 2.1 بزرگتر و از 7.2 کوچکتر است
●نکته: معادله هندرسون هاسلباخ همچنین نشان می دهد که چرا در نقطه وسط منحنی تیتراسیون pH برابر با pKa است:
Image to magnify
حفاظت اسیدها یا بازهای ضعیف از سلول ها و بافت ها در برابر تغییرات pH
●نقش دفاعی سیستم های بافری زیستی : مایعات درون‌سلولی و برون‌سلولی موجودات چندسلولی دارای pH مشخص و تقریباً ثابتی هستند. اولین خط دفاعی موجود زنده در برابر تغییرات pH داخلی توسط سیستم‌های بافر تأمین می‌شود
● نقش بافری پروتئین های سیتوپلاسمی: سیتوپلاسم اکثر سلول‌ها حاوی غلظت‌های بالایی از پروتئین‌ها است، و این پروتئین‌ها شامل تعداد زیادی اسید آمینه با گروه‌های عاملی هستند که اسیدهای ضعیف یا بازهای ضعیف محسوب می‌شوند
● هیستیدین آمینواسید بافری در pH فیزیولوژیک: زنجیره جانبی هیستیدین دارای pKa برابر با 6.0 است و بنابراین می‌تواند در نزدیکی pH خنثی به‌صورت پروتون‌دار یا غیرپروتون‌دار وجود داشته باشد. در نتیجه، پروتئین‌هایی که حاوی باقی‌مانده‌های هیستیدین هستند، در نزدیکی pH خنثی به‌طور مؤثری به‌عنوان بافر عمل می‌کنند Image to magnify ● دو بافر مهم زیستی:
۱-بافر فسفات در سیتوپلاسم سلول ها شامل -H2PO4 به عنوان دهنده پروتون و -2 HPO4 به عنوان گیرنده پروتون
Image to magnify که این بازه بافری مناسب مایعات بیولوژیک مثل سیتوپلاسم سلول های پستانداران است که بازه pH آن ها بین 6.9 تا 7.4 است
۲-بافر بیکربنات در پلاسمای خون
Image to magnify ● فشار جزئی یا partial pressure:فشار ناشی از یک گاز در مخلوطی از گازها که با افزودن "p" به نام گاز نشان داده می شود. مثلا pCO2 یعنی فشار جزئی کربن دی اکسید در خون حدودا 4.8 کیلوپاسکال هست
● محاسبه pH خون با استفاده از غلظت CO2 و -H2CO3:
رابطه pH خون و غلظت CO2
1X
0:00
0:00
Image to magnify

اسیدوز و آلکالوز
● pH بهینه آنزیم‌ها: آنزیم‌های خون برای فعالیت حداکثری به pH 7.35 تا 7.45 نیاز دارند
Image to magnify ● تأثیر تغییرات pH: تغییرات کوچک در pH می‌تواند نرخ واکنش‌های آنزیمی را به شدت تحت تأثیر قرار دهد
● مثال‌های آنزیمی:
۱- پپسین: در pH اسیدی معده ( 1.5~) بهینه عمل می‌کند
۲- تریپسین: در pH خنثی روده کوچک بهینه عمل می‌کند
●اسیدوز (acidosis) و آلکالوز (alklosis): اسیدوز یعنی کاهش pHپلاسما به زیر 7.35 و آلکالوز هم یعنی افزایش pH پلاسما به بالای 7.45
●انواع اسیدوز و آلکالوز:اسیدوز و آلکالوز هر دو به دو دسته ی تنفسی و متابولیک تقسیم می شوند
Image to magnify ۱-اسیدوز و آلکالوز تنفسی: مشکل از ریه است . کاهش دفع کربن دی اکسید(هایپوونتلاسیون) باعث اسیدوز می شود که کلیه با افزایش بازجذب بیکربنات و افزایش دفع H+آن را جبران می کند و افزایش دفع کربن دی اکسید (هایپرونتیلاسیون) باعث آلکالوز می شود که کلیه با کاهش بازجذب بیکربنات و افزایش دفع H+ آن را جبران میکند
● درمان خانگی آلکالوز تنفسی ملایم: دم و بازدم داخل یک کیسه فریزر که باعث برگشت کربن دی اکسید بازدمی به هوای دمی شده و با افزایش کربن دی اکسید خون باعث کاهش pH و درمان آلکالوز می شود
Image to magnify ۲-اسیدوز و آلکالوز متابولیک: مشکل از کلیه و یا متابولیسم است . کاهش بازجذب بیکربنات یا افزایش مواد اسیدی در بدن مثل کتواسیدوز دیابتی یا لاکتو اسیدوز به علت فعالیت سنگین باعث اسیدوز متابولیک می شود که ریه ها با افزایش دفع کربن دی اکسید باعث جابجایی تعادل به سمت کاهش ⁺H و افزایش pH می شوند و افزایش بازجذب بیکربنات یا دفع ⁺H از بدن مثل استفراغ زیاد باعث آلکالوز متابولیک می شودو ریه ها با کاهش دفع کربن دی اکسید باعث جابجایی تعادل بافری به سمت تولید ⁺H بیشتر برای جبران آن می شوند
Image to magnify ● خلاصه اسیدوز و آلکالوز و تکنیک تشخیص سریع :
Image to magnify
magnified
●دو نکته بسیار مهم:
۱-جابجایی تعادل بافری در اسیدوز و آلکالوز تنفسی هم به عنوان عامل اصلی و هم در جهت معکوس به عنوان عامل جبرانی توسط کلیه عمل میکند اما در اسیدوز و آلکالوز متابولیک فقط به عنوان مکانیسم جبرانی همراه با ریه عمل می کند
۲-هایپوونتیلاسیون به عنوان عامل اصلی در اسیدوز تنفسی و عامل جبرانی در آلکالوز متابولیک است و هایپرونتیلاسیون عامل اصلی آلکالوز تنفسی و عامل جبرانی اسیدوز متابولیک است
●دیابت درمان‌نشده و اسیدوز: در این شرایط کمبود انسولین یا مقاومت به انسولین مانع جذب گلوکز می‌شود و بدن از اسیدهای چرب به عنوان سوخت استفاده می‌کند که باعث تجمع اسیدهای بتا-هیدروکسی‌بوتیریک و استواستیک اسید و در نهایت منجر به اسیدوز می‌شود
● شاخص های بالینی اسیدوز:
۱- سطح پلاسمایی دو اسید ذکر شده: 90 میلی‌گرم در 100 میلی‌لیتر (در مقابل < 3 میلی‌گرم در افراد سالم)
۲- دفع ادراری: 5 گرم در 24 ساعت (در مقابل < 125 میلی‌گرم در افراد سالم)
●علائم بالینی اسیدوز :
۱- علائم اولیه: سردرد، خواب‌آلودگی، تهوع، استفراغ، اسهال
۲- علائم شدید: بی‌حسی، تشنج و کما
۳- علت علائم: کاهش عملکرد آنزیم‌ها در pH پایین
●شاخص های تشخیص دیابت:
۱- گلوکز خون بالا
۲- pH پایین پلاسما
۳- سطوح بالای بتا-هیدروکسی‌بوتیریک اسید و استواستیک اسید در خون و ادرار
●سایر علل اسیدوز:
۱- روزه‌داری و گرسنگی: استفاده از اسیدهای چرب ذخیره‌شده
۲- فعالیت سنگین: تجمع لاکتیک اسید در خون
۳- نارسایی کلیه: کاهش توانایی تنظیم بی‌کربنات
۴- بیماری‌های ریوی: کاهش دفع CO2، منجر به تجمع اسید کربونیک
●درمان اسیدوز:
۱- درمان بیماری های زمینه‌ای مثل دیابت(با تجویز انسولین) و بیماری های ریوی (با تجویز استروئیدها یا آنتی بیوتیک ها)
۲- درمان اسیدوز شدید با تزریق وریدی محلول بی کربنات











0%
درصد پیشرفت