20.4 Amín og amíð Námsmarkmið Að loknum þessum kafla munt þú geta:
lýsa byggingu og eiginleikum amíns lýsa byggingu og eiginleikum amíðs Amín eru sameindir sem innihalda tengi milli kolefnis og köfnunarefnis. Köfnunarefnisatómið í amíni hefur eitt stakt rafeindapar og þrjú tengi við önnur atóm, ýmist kolefni eða vetni. Ýmis nafnakerfi eru notuð til að leiða út nöfn á amínum, en öll fela þau í sér viðskeytið -amín sem auðkennir flokkinn, eins og sýnt er hér með nokkrum einföldum dæmum:
Í sumum amínum kemur köfnunarefnisatóm í stað kolefnisatóms í arómatísku kolvetni. Pýridín (mynd 20.17) er dæmi um slíkt misleitt hringamín. Misleitt hringefni inniheldur atóm tveggja eða fleiri mismunandi frumefna í hringbyggingu sinni.
Mynd 20.17. Myndin sýnir eina af ómunarmyndum pýridíns. Hvernig vísindagreinar tengjast DNA í réttarrannsóknum og faðernismálum
Erfðaefni allra lífvera er fjölliða úr fjórum mismunandi sameindum, sem sjálfar eru samsettar úr þremur undireiningum. Erfðaupplýsingarnar, sem eru kóðinn fyrir þroskun lífveru, felast í ákveðinni röð þessara fjögurra sameinda. Þetta svipar til þess hvernig raða má bókstöfum stafrófsins til að mynda orð sem miðla upplýsingum. Upplýsingarnar í DNA-röð eru notaðar til að mynda tvær aðrar gerðir fjölliða, en önnur þeirra eru prótín. Prótínin verka hvert á annað og mynda ákveðna tegund lífveru með einstaklingsbundna eiginleika.
Erfðasameindin kallast DNA, sem stendur fyrir deoxýríbóskjarnsýru. Sameindirnar fjórar sem mynda DNA kallast kirni. Hvert kirni samanstendur af sameind með einum eða tveimur hringjum sem inniheldur köfnunarefni, kolefni, súrefni og vetni og kallast niturbasi. Hver basi tengist fimm kolefna sykru sem kallast deoxýríbósi. Sykran tengist síðan fosfathópi ( −PO 4 3− )
Það er sennilega rökrétt að röð kirna í DNA hjá ketti sé ólík því sem gerist hjá hundi. En það er einnig rétt að DNA-raðir í frumum tveggja mismunandi mopshunda eru ólíkar. Sömuleiðis er DNA-röð þín ólík röð systkinis þíns (nema þið séuð eineggja tvíburar), rétt eins og hún er ólík röð óskylds einstaklings. Hins vegar eru DNA-raðir tveggja skyldra einstaklinga líkari en raðir tveggja óskyldra einstaklinga, og þessi líkindi í röðum má greina á ýmsan hátt. Þetta er grundvöllur DNA-fingrafaragreiningar, sem er aðferð notuð til að ákvarða hvort tvö DNA-sýni komi frá skyldum (eða sömu) einstaklingum eða óskyldum.
Mynd 20.18. DNA er lífræn sameind og erfðaefni allra lífvera. (a) DNA er tvígormur sem samanstendur af tveimur stökum DNA-þráðum sem tengjast með vetnistengjum við hvern niturbasa. (b) Þessi smámynd sýnir vetnistengin (punktalínur) milli niturbasa á hvorum DNA-þræði og hvernig hvert kirni tengist því næsta, sem myndar uppistöðu úr sykrum og fosfathópum eftir endilöngum þræðinum. (c) Þessi smámynd sýnir byggingu eins af fjórum kirnum sem mynda DNA-fjölliðuna. Hvert kirni samanstendur af niturbasa (sameind með tveimur hringjum í þessu tilfelli), fimm kolefna sykru (deoxýríbósa) og fosfathópi.Með því að nota líkindi í röðum geta tæknimenn ákvarðað hvort maður sé faðir barns (sjaldnast leikur vafi á því hver móðirin er, nema í tilfelli ættleidds barns og hugsanlegrar kynmóður). Sömuleiðis geta réttarerfðafræðingar ákvarðað hvort sýni af mannsvef af vettvangi glæps, svo sem blóð eða húðfrumur, innihaldi DNA sem passar nákvæmlega við DNA grunaðs manns.
Tengill á námsefni Horfðu á þessa hreyfimynd af því hvernig DNA er pakkað til að fá sjónræna kennslu í byggingu þess.
Líkt og ammoníak eru amín veikir basar vegna staka rafeindaparsins á köfnunarefnisatómum þeirra:
Basaeiginleikar köfnunarefnisatóms amíns gegna mikilvægu hlutverki í stórum hluta efnafræði efnasambandsins. Amínvirknihópar finnast í fjölmörgum efnasamböndum, þar á meðal náttúrulegum og tilbúnum litarefnum, fjölliðum, vítamínum og lyfjum á borð við pensilín og kódein. Þeir finnast einnig í mörgum sameindum sem eru lífsnauðsynlegar, svo sem amínósýrum, hormónum, taugaboðefnum og DNA.
Hvernig vísindagreinar tengjast Ávanabindandi alkalóíðar
Frá örófi alda hafa plöntur verið notaðar í lækningaskyni. Einn flokkur efna, sem kallast alkalóíðar og finnst í mörgum þessara plantna, hefur verið einangraður. Í ljós hefur komið að þessi efni innihalda hringsameindir með amín-virknihópi. Þessi amín eru basar. Þau geta hvarfast við H3 O+ í daufri sýru og myndað ammóníumsalt. Þessi eiginleiki er nýttur til að draga þau út úr plöntunni:
R 3 N + H 3 O + + Cl − ⟶ [ R 3 NH + ] Cl − + H 2 O
Heitið alkalóíð merkir „eins og alkalí“. Þar af leiðandi hvarfast alkalóíðar við sýru. Hægt er að endurheimta frjálsa efnasambandið eftir útdrátt með því að láta það hvarfast við basa:
[ R 3 NH + ] Cl − + OH − ⟶ R 3 N + H 2 O + Cl −
Bygging margra náttúrulegra alkalóíða hefur djúpstæð lífeðlisfræðileg og geðræn áhrif á menn. Dæmi um slík lyf eru nikótín, morfín, kódeín og heróín. Plöntur framleiða þessi efni, sem kallast einu nafni annars stigs plöntuefni, sem efnafræðilegar varnir gegn þeim fjölmörgu meindýrum sem reyna að nærast á þeim:
Á þessum skýringarmyndum hefur kolefnisatómum í hringjunum og vetnisatómunum sem tengjast þeim verið sleppt til skýringar, eins og algengt er þegar bygging stórra lífrænna efnasambanda er sýnd. Heilu fleygarnir tákna tengi sem standa út úr blaðsíðunni. Brotnu fleygarnir tákna tengi sem ganga inn í blaðsíðuna. Takið eftir að smávægilegar breytingar á hluta sameindarinnar breyta eiginleikum morfíns, kódeíns og heróíns. Morfín er sterkt fíkniefni sem notað er til verkjastillingar. Það inniheldur tvo hýdroxýlhópa og tertíert amín.
Mynd 20.19. Hægt er að nota valmúa við framleiðslu á ópíumi. Það er mjólkursafi úr plöntunni sem inniheldur morfín, en út frá því er hægt að framleiða önnur ópíöt á borð við heróín. (mynd: Karen Roe)Amíð eru sameindir sem innihalda köfnunarefnisatóm tengd við kolefnisatóm karbónýlhóps. Líkt og með amín er hægt að nota ýmsar nafnareglur til að nefna amíð, en þær fela allar í sér notkun viðskeytisins -amíð sem er einkennandi fyrir flokkinn:
Amíð geta myndast þegar karboxýlsýrur hvarfast við amín eða ammoníak í ferli sem kallast amíðun. Vatnssameind klofnar frá í hvarfinu og amíðið myndast úr þeim hlutum karboxýlsýrunnar og amínsins sem eftir standa (takið eftir líkindunum við myndun esters úr karboxýlsýru og alkóhóli sem fjallað var um í fyrri kafla):
Hvarfið milli amína og karboxýlsýra sem myndar amíð er líffræðilega mikilvægt. Það er fyrir tilstilli þessa hvarfs sem amínósýrur (sameindir sem innihalda bæði amín- og karboxýlsýruhópa) tengjast saman í fjölliðu og mynda prótein.
Hvernig vísindagreinar tengjast Prótein og ensím
Prótein eru stórar lífrænar sameindir sem samanstanda af löngum keðjum smærri sameinda sem kallast amínósýrur. Lífverur reiða sig á prótein til margvíslegra starfa — prótein flytja sameindir yfir frumuhimnur, afrita DNA og hvata efnaskiptahvörf, svo aðeins fáein dæmi séu nefnd. Eiginleikar próteina ráðast af þeirri samsetningu amínósýra sem þau eru gerð úr og geta verið mjög breytilegir. Víxlverkanir milli amínósýruraða í próteinkeðjunum verða til þess að keðjan brotnar saman í ákveðna, þrívíða byggingu sem ákvarðar virkni próteinsins.
Amínósýrur eru lífrænar sameindir sem innihalda amínvirknihóp (–NH2 ), karboxýlsýruvirknihóp (–COOH) og hliðarkeðju sem er sérstök fyrir hverja amínósýru. Flestar lífverur byggja prótein úr sömu 20 mismunandi amínósýrunum. Amínósýrur tengjast með myndun peptíðtengis, sem er samgilt tengi sem myndast milli tveggja amínósýra þegar karboxýlsýruhópur annarrar amínósýrunnar hvarfast við amínhóp hinnar. Myndun tengisins leiðir til þess að vatnssameind verður til. Slík efnahvörf kallast þéttihvörf. Sameindin sem myndast úr tveimur amínósýrum með peptíðtengi kallast tvípeptíð.
Mynd 20.20. Þetta þéttihvarf myndar tvípeptíð úr tveimur amínósýrum og leiðir til myndunar vatns.Ensím eru stórar lífrænar sameindir, að mestu leyti gerðar úr próteinum, sem bera ábyrgð á þeim þúsundum efnaskiptaferla sem eiga sér stað í lifandi lífverum. Ensím eru mjög sérhæfðir hvatar; þau auka hraða ákveðinna efnahvarfa. Ensím virka með því að lækka virkjunarorku þess efnahvarfs sem þau hvata, sem getur aukið hvarfhraðann gríðarlega. Flest efnahvörf sem hvötuð eru af ensímum hafa hraða sem er milljónum sinnum meiri en óhvataða útgáfan. Líkt og allir hvatar eyðast ensím ekki í þeim efnahvörfum sem þau hvata. Ensím eru þó frábrugðin öðrum hvötum að því leyti hversu sérhæfð þau eru fyrir hvarfefni sín (þær sameindir sem ensím breytir í aðrar afurðir). Hvert ensím getur aðeins aukið hraða eins eða fárra mjög ákveðinna efnahvarfa eða tegunda efnahvarfa. Þar sem virkni ensíma er svo sérhæfð getur skortur eða bilun í ensími haft alvarlegar heilsufarsafleiðingar í för með sér. Einn sjúkdómur sem hlýst af bilun í ensími er fenýlketónmiga. Í þessum sjúkdómi er ensímið sem hvatar fyrsta skrefið í niðurbroti amínósýrunnar fenýlalaníns óvirkt (mynd 20.21). Sé þetta ómeðhöndlað getur það leitt til uppsöfnunar á fenýlalaníni, sem getur valdið þroskahömlun.
Mynd 20.21. Tölvugerð mynd sýnir þrívíða byggingu ensímsins fenýlalanínhýdroxýlasa. Í sjúkdómnum fenýlketónmigu veldur galli í lögun fenýlalanínhýdroxýlasa því að það missir virkni sína við að brjóta niður fenýlalanín.Efnafræði í daglegu lífi Kevlar
Kevlar (mynd 20.22) er gervifjölliða gerð úr tveimur einliðum, 1,4-fenýlendíamíni og tereftalóýlklóríði (Kevlar er skráð vörumerki DuPont). Efnið var þróað af Stephanie Kwolek þegar hún vann að því að finna staðgengil fyrir stál í dekkjum. Vinna Kwolek fólst í því að framleiða fjölamíð og leysa þau upp í leysum, og spinna síðan lausnina sem myndaðist í trefjar. Ein af lausnum hennar reyndist vera talsvert öðruvísi í upphaflegu útliti og byggingu. Þegar trefjarnar höfðu verið spunnar reyndust þær sérstaklega sterkar. Út frá þessari upphaflegu uppgötvun varð Kevlar til. Efnið hefur hátt hlutfall togstyrks og þyngdar (það er um það bil 5 sinnum sterkara en jafn þungt stál), sem gerir það gagnlegt í margs konar notkun, allt frá reiðhjóladekkjum til segla og skotheldra vesta.
Mynd 20.22. Þessi skýringarmynd sýnir formúluna fyrir fjölliðuna Kevlar.Efnið á mikinn hluta styrks síns að þakka vetnistengjum milli fjölliðukeðja (sjá kaflann um millisameindakrafta). Þessi tengi myndast milli súrefnisatóms karbónýlhópsins, sem hefur hluthleðslu í mínus vegna rafneikvæðni súrefnis, á einni einliðu og vetnisatómsins með hluthleðslu í plús í N–H-tengi aðliggjandi einliðu í byggingu fjölliðunnar (sjá brotalínu á mynd 20.23). Viðbótarstyrkur fæst úr víxlverkun milli óblandaðra p-svigrúma í sexhyrndu hringjunum, sem kallast arómatísk stöflun.
Mynd 20.23. Skýringarmyndin sýnir fjölliðubyggingu Kevlars, þar sem vetnistengi milli fjölliðukeðja eru táknuð með punktalínum.Kevlar er líklega þekktast sem efni í skotheldum vestum, bardagahjálmum og andlitshlífum. Frá níunda áratug 20. aldar hefur bandaríski herinn notað Kevlar sem hluta af PASGT-hjálmum og -vestum. Kevlar er einnig notað til að verja brynvagna og flugmóðurskip. Í borgaralegum notum er það meðal annars notað í hlífðarbúnað neyðarþjónustu, svo sem skotheld vesti fyrir lögreglu og hitaþolinn fatnað fyrir slökkviliðsfólk. Fatnaður úr Kevlar er talinn léttari og þynnri en sambærilegur búnaður úr öðrum efnum.
Mynd 20.24. (a) Þessir hermenn raða brotum úr Kevlar-hjálmi sem hjálpaði til við að taka við sprengikrafti handsprengju. Kevlar er einnig notað til að búa til (b) kanóa og (c) festilínur fyrir skip. (mynd a: breytt verk eftir „Cla68“/Wikimedia Commons; mynd b: breytt verk eftir „OakleyOriginals“/Flickr; mynd c: breytt verk eftir Casey H. Kyhl)Auk þekktari notkunarmöguleika er Kevlar einnig oft notað í lághitafræði vegna mjög lítillar varmaleiðni (ásamt miklum styrk). Kevlar heldur miklum styrk sínum þegar það er kælt niður í hitastig fljótandi köfnunarefnis (–196 °C).
Taflan hér tekur saman þær byggingar sem fjallað er um í þessum kafla:
