Հիմնական նյութ
Կենսաբանություն
Դասընթաց․ (Կենսաբանություն) > Բաժին 4
Դաս 2: Ածխաջրերի կառուցվածքը և գործառութային խմբերըԱծխաջրածնային կառուցվածքներ և իզոմերներ
Ածխաջրածնային կառուցվածքներ և իզոմերների տեսակներ (կառուցվածքային իզոմերներ, ցիս-տրանս իզոմերներ և էնանթիոմերներ)։
Ներածություն
Չնայած ամեն օր հանդիպում ես բենզինով աշխատող մարդատար մեքենաների, սակայն հազվադեպ ես տեսնում, թե ինչի է նման բենզինը։ Անզեն աչքով նայելիս այն բավականին անհրապույր, դեղնաշագանակագույն հեղուկ է։ Սակայն մոլեկուլային մակարդակում բենզինը տարբեր մոլեկուլներից՝ հիմնականում ածխաջրածիններից (մոլեկուլներ, որոնք պարունակում են ածխածնի և ջրածնի ատոմներ) կազմված անսովոր շղթա է։
Բենզինի ածխաջրածիններից որոշները փոքր են և պարունակում են ածխածնի ընդամենը չորս ատոմ, մինչդեռ մյուսներն ավելի մեծ են և ունեն մինչև տասներկու ատոմ։ Որոշ ածխաջրածիններ ձևավորում են ուղիղ շղթաներ, մյուսներն ունեն ճյուղավորված կառուցվածք, որոշներում առկա են միայն միակի կապեր, իսկ մյուսներում՝ կրկնակի, որոշներն էլ օղակներ են պարունակում։ Թեև բենզինի ածխաջրածինները տարբերվում են իրենց հատկանիշներով, օրինակ՝ հալման կամ եռման ջերմաստիճաններով, բոլորն էլ անջատում են էներգիա, երբ այրվում են շարժիչում։
Ածխաջրածինները բազմազան են
Ինչպես ցույց է տալիս բենզինի օրինակը, ածխաջրածինները հանդիպում են տարբեր ձևերով։ Դրանք կարող են տարբերվել իրենց երկարությամբ, լինել ճյուղավորված կամ չճյուղավորված, ձևավորել գծային կամ օղակաձև կառուցվածք (կամ երկուսն էլ), պարունակել միակի, կրկնակի և եռակի ածխածին–ածխածին կապերի տարբեր համադրություններ։ Եթե անգամ երկու ածխաջրածիններ ունեն միևնույն մոլեկուլային բանաձևը, դրանց ատոմները կարող են տարբերվել իրենց դիրքով ու միացման ձևով՝ առաջացնելով իզոմերներ (երբեմն էլ երկու մոլեկուլներին տարբեր հատկանիշներ հաղորդելով)։
Այս կառուցվածքային առանձնահատկություններից յուրաքանչյուրը կարող է ազդել ածխաջրածնի մոլեկուլի եռաչափ կամ երկրաչափական կառուցվածքի վրա։ Կենսաբանական այնպիսի խոշոր մոլեկուլների դեպքում, ինչպիսիք են ԴՆԹ–ն, սպիտակուցները և ածխաջրերը, ածխածնային կմախքի կառուցվածքային տարբերությունները հաճախ ազդում են մոլեկուլի գործառույթների վրա։
Ճյուղավորում, բազմակի կապեր և ածխաջրածնային օղակներ
Ածխաջրածնային շղթաները կազմվում են ածխածնի ատոմների միջև առկա բազմաթիվ կապերի շնորհիվ։ Այս շղթաները կարող են լինել թե երկար և թե կարճ, օրինակ՝ էթանի շղթան պարունակում է ընդամենը երկու ածխածին, մինչդեռ դեկանինը՝ տասը։ Ոչ բոլոր ածխաջրածնային շղթաներն են գծային։ Օրինակ՝ դեկանի շղթայում բոլոր տասը ածխածինները գծային են դասավորված, մինչդեռ միևնույն մոլեկուլային բանաձև (start text, C, end text, start subscript, 10, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 22, end subscript) ունեցող այլ ածխաջրածիններ կազմված են ավելի կարճ հիմնական շղթաներից և տարբեր կողմերում առկա ճյուղավորված հատվածներից։ (Իրականում start text, C, end text, start subscript, 10, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 22, end subscript–ը 75 հնարավոր կառուցվածքային տարբերակ ունի)։
Ածխաջրածինները կարող են պարունակել միակի, կրկնակի և եռակի ածխածին–ածխածին կապերի տարբեր համադրություններ։ Ածխաջրածիններ Էթանը, էթենը (էթիլեն) և էթինը (ացետիլեն) մոլեկուլների երկրաչափական ձևի վրա տարբեր կապերի ազդեցությունը ցուցադրելու լավ օրինակ են։
- Էթանը (start text, C, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 6, end subscript), ունենալով միակի կապ ածխածնի երկու ատոմների միջև, ձևավորում է երկու քառանիստ կառուցվածք (յուրաքանչյուր ածխածին՝ մեկ քառանիստ)։ Կարևոր է նշել, որ ածխածին–ածխածին կապի շուրջը պտույտն ազատ է։
- Ի տարբերություն սրա՝ էթիլենը (start text, C, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 4, end subscript), որ ունի կրկնակի կապ ածխածնի երկու ատոմների միջև, հարթ է (բոլոր ատոմները միևնույն հարթության մեջ են)։ Ավելին՝ ածխածին–ածխածին կրկնակի կապի շուրջը պտույտը սահմանափակ է։ Սա ածխածնի երկու ատոմների միջև կրկնակի կապի հիմնական հատկանիշն է։ Այսպիսով, երբ դու տեսնես այս մոլեկուլներից որևէ մեկը, հիշիր, որ կրկնակի կապ ունեցող մոլեկուլները կլինեն հարթ և պտույտ կատարելու համար անկարող։
- Եվ վերջապես՝ ացետիլենը (start text, C, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript), որը պարունակում է եռակի կապ ածխածնի երկու ատոմների միջև, միաժամանակ և՛ հարթ է, և՛ գծային։ Կրկնակի կապի պատճառով ածխածին–ածխածին եռակի կապի շուրջը պտույտն անհնար է։
Ածխաջրածինների կառուցվածքային առանձնահատկություններից են ածխածնի ատոմներից կազմված տարբեր չափերի օղակները, որոնք իրենց վրա կարող են կրել ճյուղեր կամ էլ պարունակել կրկնակի կապեր։ Զուգորդված ատոմներ ունեցող որոշ հարթ օղակներ, ինչպիսին է ստորև ցույց տրված բենզոլի օղակը, շատ կայուն են։ Այս օղակները կոչվում են արոմատիկ և հայտնաբերվել են որոշ ամինաթթուներում, նաև հորմոններում, ինչպիսիք են տեստեստերոնը և էստրոգենը (համապատասխանաբար, արական և իգական սեռական հորմոնները)։
Որոշ արոմատիկ օղակներ, ինչպես, օրինակ՝ վերևում պատկերված պիրիդինի օղակը, ածխածնի և ջրածնի ատոմներից բացի, նաև այլ ատոմներ են պարունակում։ Հավելյալ ատոմների պատճառով այս օղակները չեն դասակարգվում որպես ածխաջրածիններ։ Արոմատիկ միացությունների մասին ավելին կարող ես իմանալ քիմիայի արոմատիկ միացություններ բաժնից։
Իզոմերներ
Մոլեկուլների ֆիզիկական և քիմիական հատկանիշներն ուղիղ կախում ունեն ածխաջրածինների երկրաչափական կառուցվածքից։ Մոլեկուլները, որոնք ունեն միևնույն մոլեկուլային բանաձևը, բայց տարբեր երկրաչափական կառուցվածք, կոչվում են իզոմերներ։ Տարբերում են իզոմերների երկու հիմնական դասեր՝ կառուցվածքային իզոմերներ և ստերեոիզոմերներ։
Կառուցվածքային իզոմերներ
Կառուցվածքային իզոմերներում իզոմերի ատոմները միացած կամ կապված են տարբեր եղանակներով։ Որպես արդյունք՝ կառուցվածքային իզոմերները հաճախ պարունակում են տարբեր ֆունկցիոնալ խմբեր կամ քիմիական կապեր։ Դիտարկենք բութանն ու իզոբութանը, որոնք պատկերված են վերևում․ երկու մոլեկուլն էլ պարունակում են ածխածնի չորս և ջրածնի տասը ատոմ (start text, C, end text, start subscript, 4, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 10, end subscript), սակայն բութանն ունի գծային, իսկ իզոբութանը՝ ճյուղավորված կառուցվածք, և, որպես հետևանք, երկու մոլեկուլներն ունեն տարբեր քիմիական հատկություններ (իզոբութանի հալման և եռման ջերմաստիճաններն ավելի ցածր են)։ Այս տարբերությունների շնորհիվ է, որ բութանը սովորաբար օգտագործվում է կրակայրիչներում և լապտերներում, իսկ իզոբութանը կիրառվում է որպես սառեցնող նյութ կամ այրիչ աերոզոլներում։
Ստերեոիզոմերներ
Ստերեոիզոմերներում իզոմերի ատոմները միացած են նույն կերպ, սակայն տարբերվում են տարածության մեջ իրենց դիրքով։ Գոյություն ունեն ստերեոիզոմերների բազմաթիվ տեսակներ, սակայն դրանք կարելի է դասակարգել երկու խմբերում՝ էնանթիոմերներ և դիասթերեոմներ։ Էնանթիոմերները ստերեոիզորմերներ են, որոնք միմյանց ոչ վերադրելի հայելապատկերներն են («ոչ վերադրելի» նշանակում է, որ այս երկու մոլեկուլները տարածության մեջ իրար վրա դնելիս ամբողջությամբ չեն վերածածկվում)։ Էնանթիոմերիզմը հաճախ հանդիպում է այն մոլեկուլներում, որոնք պարունակում են մեկ կամ ավելի անհամաչափ ածխածիններ։ Դրանք ածխածնի այն ատոմներն են, որոնք միացած են չորս այլ ատոմների կամ խմբերի։
Վերևում պատկերված մոլեկուլները էնանթիոմերային զույգի օրինակ են։ Երկուսն էլ ունեն միևնույն մոլեկուլային բանաձևը և կազմված են քլորի, ֆտորի, բրոմի և ջրածնի ատոմներից, որոնք էլ իրենց հերթին միացած են ածխածնի կենտրոնական ատոմին։ Չնայած երկու մոլեկուլներն էլ միմյանց հայելապատկերներն են, սակայն եթե փորձես տեղադրել իրար վրա, ապա կնկատես, որ հնարավոր չէ։ Էնաթիոմերները հաճախ համեմատվում են մարդու աջ և ձախ ձեռքերի հետ, որոնք նույնպես հայելապատկերներ են, սակայն չեն կարող վերադրվել։
Սպիտակուցների կառուցվածքային միավորների՝ ամինաթթուների մեծամասնությունը պարունակում է ասիմետրիկ ածխածին։ Ներքևում կարող ես տեսնել ամինաթթու ալանինի երկու էնանթիոմերների տարածական մոդելները։ Պատմականորեն էնանթիոմերները տարբերակելու համար նախկինում օգտագործել են L և D նախածանցները։ Կենսաբանները դեռ օգտագործում են այս նշանակումները ամինաթթուների և շաքարների դեպքում։ Սակայն քիմիայի ընդարձակ աշխարհում D/L համակարգը փոխարինվել է մեկ այլ՝ R/S համակարգով, որն ավելի ճշգրիտ է և կարող է օգտագործվել բոլոր էնանթիոմերների դեպքում։ Էնանթիոմերների և R/S համակարգի մասին կարող ես ավելին իմանալ օրգանական քիմիա բաժնից։
Էնանթիոմերների զույգում տարբերությունը կարող է շատ փոքր թվալ, սակայն երկու տարբեր էնանթիոմերներ կարող են շատ տարբեր կենսաբանական ազդեցություն ունենալ։ Օրինակ՝ էթամբուտոլ դեղամիջոցի D ձևն օգտագործվում է թոքախտի բուժման նպատակով, իսկ L ձևը կուրությունstart superscript, 1, end superscript է առաջացնում։ Բացի այդ, կան բազմաթիվ դեպքեր, երբ միայն մի տեսակի էնանթիոմեր է արտադրվում օրգանիզմում, կամ ընդամենը մի տեսակն է հայտնաբերված բնության մեջ։ Օրինակ՝ ամինաթթուների միայն L ձևերն են մասնակցում սպիտակուցների սինթեզին (թեև D ձևերը հայտնաբերվել են բակտերիաների բջջապատում)։ Նույն կերպ՝ գլյուկոզ շաքարի D էնանթիոմերը լուսասինթեզի հիմնական վերջնանյութն է, իսկ L ձևը հազվադեպ է հանդիպում բնության մեջ։
Հիշիր, որ բոլոր ստերեոիզոմերները կարող են դասակարգվել որպես էնանթիոմերներ կամ դիաստերեոմերներ։ Դիաստերեոմերներն այն բոլոր ստերեոիզոմերներն են, որոնք էնանթիոմերներ չեն։ Հայտնի դիաստերեոմերի օրինակ է ցիս–տրանս իզոմերը։ Ցիս–տրանս իզոմերն առաջանում է, երբ ատոմները կամ գործառական խմբերը կայուն դիրք ունեցող ածխածին–ածխածին կապի՝ կրկնակի կապի երկու կողմերում են։ Այս դեպքում կապի շուրջը պտտվելու սահմանափակ հնարավորությունը նշանակում է, որ միմյանց միացած ատոմները և խմբերը կարող են գոյություն ունենալ երկու հնարավոր փոխդասավորություններից մեկով։ Եթե ածխածիններից որևէ մեկը միացած է երկու նույն ատոմներին և խմբերին, այդ դեպքում որևէ փոփոխություն չի կարող լինել։ Սակայն եթե ածխածնի երկու ատոմն էլ միացած են երկու տարբեր ատոմների կամ գործառական խմբերի, ապա հնարավոր է երկու տարբեր դասավորություն։
Օրինակ՝ 2–բութենում (start text, C, end text, start subscript, 4, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 8, end subscript) երկու մեթիլ խմբերը (start text, C, H, end text, start subscript, 3, end subscript) կարող են մոլեկուլի կենտրոնում գտնվող կրկնակի կապի նկատմամբ տարբեր տեղադրություններ ունենալ։ Եթե մեթիլ խմբերը կրկնակի կապի միևնույն կողմում են, ապա ստացվում է 2–բութենի ցիս ձևը, իսկ եթե հակադիր կողմերում են, ապա՝ տրանս ձևը։
Տրանս դասավորությունում ածխածնի առաջացրած կապը քիչ թե շատ գծային է, մինչդեռ ցիս դասավորության դեպքում այն թեքված է կամ էլ առաջացնում է հանգույց (որոշ օղակաձև մոլեկուլներ կարող են պարունակել ցիս և տրանս ձևեր, որի դեպքում ատոմներն անշարժ տեղակայված են լինում օղակի համապատասխանաբար նույն կամ հակադիր կողմերում)։
Ճարպերում և բուսայուղերում ածխածնի երկար շղթաները՝ ճարպաթթուները, հաճախ պարունակում են կրկնակի կապեր, որոնք կարող են հանդպել ինչպես ցիս, այնպես էլ տրանս ձևերով (ցույց է տրված ստորև)։ Ճարպաթթուները, որոնք պարունակում են ցիս կրկնակի կապեր, հիմնականում սենյակային ջերմաստիճանի բուսայուղերն են։ Սրա պատճառը կապերի թեքված լինելն է, որը ցիս կրկնակի կապերի արդյունք է և կանխում է ճարպաթթուների՝ իրար հետ սերտ փաթեթավորումը։ Ի հակադրություն սրա՝ այն ճարպաթթուները, որոնք ունեն տրանս կրկնակի կապեր (հայտնի են որպես տրանս ճարպեր), համեմատաբար ավելի գծային կառուցվածք ունեն, այդ պատճառով էլ դրանք փաթեթավորվում են սենյակային ջերմնաստիճանում՝ առաջացնելով պինդ ճարպեր։
Տրանս ճարպերը մեծացնում են սիրտ–անոթային հիվանդությունների հավանականությունը, այդ պատճառով էլ սնունդ արտադրող շատ կազմակերպություններ վերջին տարիներին բացառել են դրանց օգտագործումը։ Տրանս կրկնակի կապեր ունեցող ճարպեր հանդիպում են մարգարինում, իսկ մի շարք բուսայուղեր, ինչպիսիք են ձիթապտղի և կանոլայի յուղերը, պարունակում են ճարպեր, որոնք ունեն ցիս կրկնակի կապեր։ Ճարպերի տարատեսակների մասին ավելին իմանալու համար կարդա լիպիդների մասին հոդվածը։
Ուզո՞ւմ ես միանալ խոսակցությանը։
Առայժմ հրապարակումներ չկան։