Chemija · Pamoka

Lipidai, membranos ir molekulinė organizacija

Susiekite lipidų funkcines grupes su molekuline organizacija, atskirai apskaitydami formalų esterio balansą, membranos plotą ir agregatų skaičių. Naudokite aiškias prielaidas, užuot iš formulės priskyrę universalias savybes.

Grįžti į chemijos planą

Baigę pamoką, galėsite

Subalansuoti pasirinkto glicerolio triesterio atomų apskaitą.
Nustatyti vandenilio pokytį dėl nustatyto papildomo C=C ryšio.
Plokščio dvisluoksnio projekcijos plotą paversti molekulių skaičiumi kiekviename monosluoksnyje ir bendrai.
Atskirti agreguotos sudedamosios medžiagos koncentraciją nuo pačių agregatų koncentracijos.

Lipido tapatybė ir jo organizacija yra atskiri klausimai

Lipidai apima skirtingas chemines šeimas. Triacilgliceroliuose glicerolis esterintas trimis acilo grupėmis; jie gali tarnauti energijai kaupti. Amfifiliniai membranų lipidai turi sritis su skirtingu giminingumu vandeninei aplinkai. Triacilglicerolio ir membraninio lipido nereikėtų laikyti ta pačia molekuline architektūra.

Lipido formulė yra viena jo tapatybės dalis. Galvutės chemija, angliavandenilinės grandinės ilgis, dvigubųjų ryšių vietos ir konfigūracija gali suteikti papildomos informacijos. Telkiniai taip pat priklauso nuo sudėties ir sąlygų. Įvardyta šeima nenustato vienintelės lydymosi temperatūros, formos ar membranos veikimo.

Apskaitykite pasirinktą triesterį neišgalvodami paruošimo

Pasirinkite neutralų glicerolį C₃H₈O₃, propan-1,2,3-triolį, ir tris neutralius tiesios grandinės sočiosios oktano rūgšties vienetus C₈H₁₆O₂. Formaliai esterinant kiekvieną glicerolio hidroksilo grupę viena pasirinkta rūgštimi atimamos trys H₂O atomų sumos. Produktas yra pasirinktas glicerolio trioktanoatas C₂₇H₅₀O₆.

Bendra pradinė atomų suma yra C₂₇H₅₆O₉. Atėmus 3H₂O gaunama C₂₇H₅₀O₆ su trimis esterio grupėmis ir be grynojo krūvio pasirinktoje išraiškoje. Ši formali suminė reakcija išlaiko atomų ir elektronų skaičių.

Ji nenurodo paruošimo metodo, reakcijos užbaigtumo ar biologinio kelio. Kitos acilo grupių tapatybės duoda kitus produktus, o acilo grupių mišiniui gali reikėti padėties ir stereocheminės informacijos. Nė viena formali apskaita nepateikia teiginio apie mitybinį ar biologinį poveikį.

Vandenilio skirtumas naudingas, bet neišsamus

Nustatytam kitais atžvilgiais sutampančiam acikliniam C₁₈ monokarboksirūgšties skeletui palyginkite sočiąją C₁₈H₃₆O₂ su C₁₈H₃₄O₂, turinčia vieną papildomą C=C ryšį. Pastaroji turi dviem vandenilio atomais mažiau. Karboksilo karbonilas jau yra abiejose; palyginimas susijęs su pasirinktu papildomu anglies–anglies nesotumu.

Formulė nenustato šio C=C ryšio vietos ir neparenka jo konfigūracijos. Kai kiekvienas alkeno anglies atomas turi du skirtingus pakaitus, gali reikėti E/Z informacijos. Vien dviejų vandenilių skirtumas nėra universalus įrodymas, kad nežinomas junginys turi būtent šį skeletą ir ryšį.

Dvigubojo ryšio geometrija gali paveikti susipakavimą, tačiau tikroji fazinė elgsena priklauso nuo visų molekulių ir sudėties. Teiginio „nesotus reiškia skystas“ nepakanka universaliai išvadai.

Du monosluoksniai dengia tą patį projekcijos plotelį

Įprastoje lipidų dvisluoksnio organizacijoje hidratuotos galvučių sritys nukreiptos į vandeninę aplinką, o angliavandenilių gausios sritys sudaro vidų. Monosluoksnis yra vienas šio dvisluoksnio molekulių sluoksnis. Abu monosluoksniai dengia projekcijos plotelį, todėl bendrajam skaičiui reikia abiejų sluoksnių.

Sukurkite išgalvotą plokščią simetrišką visiškai užpildytą plotelį, kurio projekcijos plotas 1.00 μm², ir nustatykite užimamą plotą 0.500 nm² vienai molekulei kiekviename monosluoksnyje. Kadangi 1 μm=1000 nm, 1 μm²=10⁶ nm². Kiekviename monosluoksnyje yra 10⁶/0.500=2.00×10⁶ molekulių, o abiejuose kartu 4.00×10⁶.

Plotas vienai molekulei yra nustatyta prielaida, o ne išmatuota universali lipidų konstanta. Tikroji sudėtis, paviršiaus sąlygos, baltymai, kreivumas, defektai, nevienodi monosluoksniai ir mainai gali pakeisti kiekį. Čia cituojamas originalus Japonijos monosluoksnio tyrimas parodo, kaip su plotu susijęs matavimas turi apibrėžtą sudėtį ir paviršiaus sąlygas; jo monosluoksnis nėra mūsų išgalvoto dvisluoksnio ploto įrodymas.

Agregatas yra kitoks skaičiuojamas objektas

Naudokite ribotą modelį su bendrąja amfifilo koncentracija 50.0 mmol L⁻¹, monomero koncentracija 10.0 mmol L⁻¹ ir tiksliai 100 sudedamųjų molekulių viename agregate. Agreguotos sudedamosios medžiagos koncentracija yra 50.0−10.0=40.0 mmol L⁻¹. Tada pačių agregatų koncentracija yra 40.0/100=0.400 mmol L⁻¹.

Balansas yra C_T=c_monomer+100c_aggregate. Suskaičiavus vieną agregatą nesuskaičiuojama tik viena amfifilo molekulė: jo sudedamieji vienetai lieka išsaugoti. Ir atvirkščiai, keturiasdešimt milimolių sudedamųjų vienetų agregatuose nėra keturiasdešimt milimolių nepriklausomų agregatų.

Nurodytas monomero lygis ir agregato dydis yra dirbtinai pateikti duomenys. Jie nenustato tikros kritinės micelių susidarymo koncentracijos, formos, dydžių skirstinio ar membranos. Polidispersiniams ir besikeičiantiems telkiniams reikia išsamesnės apskaitos.

Skaičiuojami objektai priklauso nuo nurodytos organizacijos

Pateiktas modelis	Skaičiuojamas objektas	Skaičiavimas	Rezultatas
Plokščias 1.00 μm² dvisluoksnis	Molekulės viename monosluoksnyje	10⁶ nm² / 0.500 nm²	2.00×10⁶ molekulių
Tas pats dvisluoksnis	Molekulės abiejuose monosluoksniuose	2 × 2.00×10⁶	4.00×10⁶ molekulių
50.0 bendra / 10.0 monomero mmol L⁻¹	Sudedamieji vienetai agregatuose	50.0 − 10.0	40.0 mmol L⁻¹
Tiksliai 100 vienetų agregate	Patys agregatai	40.0 / 100	0.400 mmol L⁻¹

Originalios išgalvoto simetriško plokščio dvisluoksnio ir monodispersinių agregatų modelių apskaitos. Plotai ir agregato dydis yra nustatytos prielaidos. Molekulių skaičiai ir medžiagos kiekio koncentracijos priklauso skirtingiems pavyzdžiams; agreguotų sudedamųjų vienetų negalima laikyti nepriklausomais agregatais.

Telkinio indėlis į funkciją priklauso nuo tikrųjų sąlygų

Lipidų organizacija prisideda prie ląstelinių membranų matricos. Todėl membranos sudėtis ir su ja susijusios molekulės priklauso jos struktūriniam aprašymui. Paprastas dvisluoksnio skaičiavimas nenustato pralaidumo, pernašos selektyvumo ar ląstelės atsako.

Susiekite cheminę struktūrą su organizacija nurodydami esančias grupes ir telkinį, tada patikrinkite reikšmingą funkciją. Čia formalus triesteris, nurodytas nesotumas, ploto skaičiavimas ir agregatų balansas kiekvienas išskiria vieną klausimą. Neišvedama jokia tikroji membranos geometrija, fazinis virsmas, pernašos matavimas ar biologinė intervencija.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Išsaugokite glicerolio ir rūgšties atomų sumas

Naudokite glicerolį C₃H₈O₃ ir tris oktano rūgšties C₈H₁₆O₂ vienetus.

Pradinės sumos yra C₂₇H₅₆O₉.
Pašalinkite 3H₂O dėl pasirinktų trijų esterinių jungčių.
Produkto atomų suma yra C₂₇H₅₀O₆; formalioje produktų pusėje išlaikykite tris vandens molekules.

Subalansuota formali suminė reakcija nėra paruošimas ar biologinis mechanizmas.

Apskaitykite nurodytą papildomą nesotumą

Palyginkite priskirtas aciklinių rūgščių formules C₁₈H₃₆O₂ ir C₁₈H₃₄O₂.

Abi turi nurodytą C₁₈ monokarboksilinį skeletą.
Vienas papildomas nustatytas C=C sumažina H skaičių dviem.
Ryšio padėtis ir konfigūracija lieka nenurodytos.

Vien vandenilio skirtumas nesuteikia universalios fazinės ar biologinės savybės.

Apskaitykite abu plokščius monosluoksnius

Naudokite projekcijos plotą 1.00 μm² ir nustatytą užimamą plotą 0.500 nm² vienai molekulei kiekviename monosluoksnyje.

Pakelkite ilgio perskaičiavimą kvadratu: 1.00 μm²=10⁶ nm².
Viename monosluoksnyje yra 2.00×10⁶ molekulių.
Dviejuose vienodai užpildytuose monosluoksniuose yra 4.00×10⁶ molekulių.

Rezultatas priklauso išgalvotam visiško, plokščio ir simetriško užpildymo modeliui.

Atskirkite agregatų ir sudedamosios medžiagos koncentracijas

Naudokite bendrą 50.0, monomero 10.0 mmol L⁻¹ ir 100 sudedamųjų vienetų viename agregate.

Agreguotos sudedamosios medžiagos koncentracija yra 40.0 mmol L⁻¹.
Agregatų koncentracija yra 0.400 mmol L⁻¹.
Patikrinkite 10.0+100×0.400=50.0 mmol L⁻¹.

Balansas išlaiko sudedamuosius vienetus ir kartu suskaičiuoja mažiau pačių agregatų.

Pabandykite patys

Formaliai sujunkite glicerolį su dviem C₈H₁₆O₂ rūgštimis ir viena nustatyta C₈H₁₄O₂ rūgštimi, pašalindami tris vandens molekules. Raskite neutralaus triesterio formulę.
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
C₂₇H₄₈O₆.
Sudėkite pateiktas atomų sumas ir atimkite 3H₂O. Nustatytas papildomas rūgšties nesotumas duoda dviem H mažiau nei visiškai sočiame pavyzdyje; padėtys lieka nenurodytos.
Tam pačiam pasirinktam acikliniam C₁₈ monokarboksiliniam skeletui pridėkite du C=C ryšius, palyginti su C₁₈H₃₆O₂. Raskite formulę ir nurodykite neišspręstas struktūros detales.
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
C₁₈H₃₂O₂, keturiais H mažiau; ryšių padėtys ir taikytinos E/Z konfigūracijos lieka neišspręstos.
Kiekvienas papildomas nustatytas C=C pakeičia formalų sočiosios formos H skaičių dviem. Vien iš šio skaičiavimo neišplaukia joks fazinis ar biologinis poveikis.
Idealus plokščias simetriškas dvisluoksnis dengia 2.00 μm², kai nustatyta 0.400 nm² vienai molekulei kiekviename monosluoksnyje. Suskaičiuokite molekules viename monosluoksnyje ir bendrai.
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
5.00×10⁶ viename monosluoksnyje; 1.00×10⁷ iš viso.
Projekcijos plotas yra 2.00×10⁶ nm². Padalykite iš 0.400, tada padauginkite iš dviejų monosluoksnių.
Monodispersiniame modelyje bendroji koncentracija yra 30.0 mmol L⁻¹, monomero 6.00 mmol L⁻¹, o agregate yra 60 sudedamųjų vienetų. Raskite agreguotos sudedamosios medžiagos ir pačių agregatų koncentracijas.
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
24.0 mmol L⁻¹ agreguotų sudedamųjų vienetų; 0.400 mmol L⁻¹ pačių agregatų.
Iš bendros koncentracijos atimkite monomerų koncentraciją, tada padalykite iš 60. Nurodyti duomenys nenustato tikros micelės ar kritinės koncentracijos.

Ką verta įsidėmėti

Skirtingos lipidų šeimos turi skirtingas molekulines architektūras.
Prieš aptardami pasirinkto esterio savybes subalansuokite jo apskaitą.
Nesotumo skaičius nenurodo ryšių padėčių ar geometrijos.
Dvisluoksnio apskaita turi apimti abu monosluoksnius.
Patys agregatai ir juos sudarantys vienetai yra skirtingi skaičiuojami dydžiai.

Šaltiniai

Mokomoji medžiaga ir žinynai, kuriais remiasi pamokos paaiškinimai ir pavyzdžiai.