Chapter 3 Water: The Matrix of Life Overview

Slides:



Advertisements
Similar presentations
SKKU Physical Pharmacy Laboratory 성균관대학교 물리약학연구실.
Advertisements

전기영동 ELECTROPHORESIS 생물환경학과 김 정 호. 전기영동 (Electrophoresis)  전기영동 (Electrophoresis)  전하를 띤 고분자 물질을 전기장을 띤 매질 ( 젤 ) 에서 이동 ∙ 분리 물질의 분리, 순도 ∙ 특성 분석 물질의 이동.
동물 및 식물 조직으로부터의 지질추출 및 정성분석 Lipid extraction from animal and plant tissues & Qualitative analysis using TLC method 동물 및 식물 조직으로부터의 지질추출 및 정성분석 Lipid extraction.
박웅섭 (1 등 ) 류문영, 마진영, 박주원 4 TEAM.
From McKee and McKee, Biochemistry, International Fifth Edition, © 2012 Oxford University Press - 열역학 : 물질내의 물리적 화학적 변화를 동반하는 에너지변환을 연구하는 학문 - 생체에너지론 :
1 Chapter 2 Basic Physics of Semiconductors  2.1 Semiconductor materials and their properties  2.2 PN-junction diodes  2.3 Reverse Breakdown.
Graphene ( 그래핀 ). Carbon nanotube( 탄소 나노튜브 ) Multi-walled carbon nanotube.
1 As protons are added one by one to the nucleus to build up the elements, electrons are similarly added to these hydrogen-like orbitals. As protons are.
제 12 장. 액체와 고체 12-1 액체와 고체의 분자 운동 고체 (solid) 분자운동에너지
I. 주변의 물질 3-1. 금속 알칼리 금속 (p96~97) Lesson 20.. ■ 이번 시간의 학습 목표 1. 알칼리 금속에 대해 이해한다.
Ch1. 아미노산 1 Chapter 1: Amino Acid  구조단백질  수축  저장  방어  운반  신호  조절 Protein = First / Foremost 7 groups of protein.
제 2 장. 작은 분자. 원소, 원자, 분자  원소 (element): 화학적인 방법으로는 더 이상 간단한 물질로 나눌 수 없는 물질을 말함.  현재 지구상에는 92 가지의 자연 원소가 존재  SPONCH: 황 (sulfur), 인 (phosphorus), 산소.
1 BondsBonds Forces that hold groups of atoms together and make them function as a unit Forces that hold groups of atoms together and make them function.
Copyright © Houghton Mifflin Company. All rights reserved.1 | 1 CHAPTER ONE Bonding and Isomerism.
Theory of Financial Structure
용액의 물리적 성질 12.1 용액의 종류 12.2 용해 과정의 분자적 관찰 12.3 농도 단위
세포와 세포막을 통해서 바라본 생명의 신비 이 수 재 길담서원 발표 녹색아카데미 연구원.
용액 (Solution) Chemistry Chapter 10..
소금의 긍정적/부정적 측면 건국대학교 의학전문대학원 신장내과 박정환.
2010년 1학기 생활속의 미생물-3주차 미생물을 형성하는 분자.
국제 저명인사 초청 멀티스케일 에너지 강좌 미래창조과학부 글로벌 프론티어 멀티스케일 에너지 시스템 연구단/서울대학교
Transformation Biology experiment.
Sources of the Magnetic Field
CHAPTER 13. Spectroscopy 2 : Electronic Resonance
Chapter 1 Organic Chemistry Electronic Structure 5th Edition and
Chapter 2 Living Cells Overview Section 2.1: Basic Themes
Ch. 14 Neutralization 3)Titration error
Chapter 3. Energy Bands and Charge Carriers in Semiconductors
Q1: 플라스틱의 일반적 특성은? Q2: 플라스틱의 구조는? Q3: 유리전이온도 란?
SDS-PAGE analysis.
제 2 장 원자, 분자, 이온.
핵산의 성질과 분리 생물환경학과 김 정 호.
제 16장 산과 염기.
전자기적인 Impedance, 유전율, 유전 손실
전기물리학.
Electrical Properties of Materials (전기물성)
Chapter 6 Chemical Equilibrium
Chapter 3: Enzymes Prof. Jung Hoe Kim.
Ch.4. 결정화학 이온(원자) 반경과 배위수(Coordination Number: CN) 이온반경: CN
Water.
Fourier Transform Nuclear Magnetic Resonance Spectrometer
적외선분광광도법 (infrared spectroscopy)
생화학 1장 생화학이란?.
제 15 장 거시경제의 측정 PowerPoint® Slides by Can Erbil
Chapter 3 Cells and their function -2
분자간 힘과 액체와 고체 Chapter 12.
Chemical Equations Chemical change involves a reorganization of the atoms in one or more substances.
Chapter 11 Theories of Covalent Bonding.
제 1장. Potentiometric techniques
생화학 개론.
박진우 Buffer(완충제).
Physical transformations of pure substances
물질의 자성 자성 – 물질이 자석에 반응하는 성질 자성의 원인 1. 운동하는 전자에 의한 자기
고분자 화학 4번째 시간.
식품에 존재하는 물 결합수(bound water): 탄수화물이나 단백질과 같은 식품의 구성성분과 단단히 결합되어 자유로운 이동이 불가능한 형태 자유수(free water): 식품의 조직 안에 물리적으로 갇혀 있는 상태로 자유로운 이동이 가능한 형태.
1.10 산과 염기: Brønsted–Lowry 정의
생물분리정제공학 생명체 기본구성분자의 이해.
식물의 광합성 식물은 어떻게 영양분을 만들까요? 김 수 기.
제1장 생명체의 특성과 구성성분 식물인가 아니면 동물인가? 잎 모양의 바다용은 그 형태가 마치 주변의 해초를 흉내 낸 것처럼 주위환경에 절묘하게 적응하고 있다.
III. 아름다운 분자 세계 3. 탄소 화합물 … 01. 다양한 탄소 화합물 02. 탄화수소의 다양한 구조
화학평형 15장.
(Nuclear Magnetic Resonance Spectrometry)
DNA의 구조와 역할 (1) DNA : 이중 나선 구조로 수많은 뉴클레오타이드의 결합으로 이루어져 있다.
토양의 화학적 성질 토양미생물학 교재: 토양생물학, 이민웅 3장
III. 아름다운 분자 세계 1. 화학 결합 … 01. 분자 구조의 다양성 02. 화학 결합의 성질 03. 이온 결합
세포막은?     1. Unit Membrane Hypothesis - "all membranes look alike*"                         photomicrographs:          EM*       SEM*       2. Source for.
제16강 전기에너지와 전기용량 보존력: 중력, 정전기력 ↓ 포텐셜 에너지 전기 포텐셜 에너지
제2장. 생명의 화학적 기초 원자와 원소 전자: 화학적 성격의 기초 원자들의 결합 물과 생명현상 수소이온 법칙.
Chapter 2. Coulomb’s Law & Electric Field Intensity
Chapter 4. Energy and Potential
Presentation transcript:

Chapter 3 Water: The Matrix of Life Overview Section 3.1: Molecular Structure of Water Section 3.2: Noncovalent Bonding Section 3.3: Thermal Properties of Water Section 3.4: Solvent Properties of Water Section 3.5: Ionization of Water

3.1 물의 분자구조 -산소원자가 sp3혼성으로 사면체 기하학구조(그림3.1) -산소의 전기음성도가 더 커 전자를 자기;쪽으로, 부분적인 음전하 (그림3.2) 극성(전자의 분포가 비대칭) -물분자는 구부러져 104.50 (그림3.3) -전하가 분리된 쌍극자여서 전기장에서 반대방향(그림3.4) -수소결합: 극성 분자사이의 정전기적 상호작용(그림3.5)

Section 3.1: Molecular Structure of Water Water is essential for life Water’s important properties include: Chemical stability Remarkable solvent properties Role as a biochemical reactant Hydration

Section 3.1: Molecular Structure of Water Water has a tetrahedral geometry Oxygen is more electronegative than hydrogen Figure 3.1 Tetrahedral Structure of Water

Section 3.1: Molecular Structure of Water Larger oxygen atom has partial negative charge (d-) and hydrogen atoms have partial positive charges (d+) Figure 3.2 Charges on a Water Molecule Figure 3.3 Water Molecule

Section 3.1: Molecular Structure of Water Bond between oxygen and hydrogen is polar Water is a dipole because the positive and negative charges are separate Figure 3.4 Molecular Dipoles in an Electric Field

Section 3.1: Molecular Structure of Water An electron-deficient hydrogen of one water is attracted to the unshared electrons of water forming a hydrogen bond Can occur with oxygen, nitrogen, and fluorine Has electrostatic (i.e., opposite charges) and covalent (i.e., electron sharing) characteristics Figure 3.5 Hydrogen Bond

3.2 비공유결합 -약한 결합(표3.1) -생체분자의구조와 기능에 영향줌 (1)이온화 상호작용 상반된 전하를 띤 원자나 화합그룹사이 NaCl, 양전하, 음전하 아미노산곁사슬의 인력을 염다리 혹은 반발력: 단백질접힘, 효소작용, 분자인식 등 (2)수소결합 -수소와 산소, 질소 또는 유황사이의 공유결합은 매우 극성이어, 수소원자가 인접된 O, N, S에 약하게 끌림(그림3.6) -물은 3차원적으로 집합체를 이룸; 높은 끓는점, 녹는점, 기화열

Section 3.2: Noncovalent Bonding Noncovalent interactions are electrostatic Weak individually, but play vital role in biomolecules because of cumulative effects

Section 3.2: Noncovalent Bonding Three most important noncolvalent bonds: Ionic interactions Van der Waals forces Hydrogen bonds

Section 3.2: Noncovalent Bonding Ionic Interactions Oppositely charged ions attract one another Ionized amino acid side chains can form salt bridges with one another Biochemistry primarily investigates the interaction of charged groups on molecules, which differs from ionic interactions like those of ionic compounds (e.g., NaCl)

Section 3.2: Noncovalent Bonding Hydrogen Bonds Electron-deficient hydrogen is weakly attracted to unshared electrons of another oxygen or nitrogen Large numbers of hydrogen bonds lead to extended network Figure 3.6 Tetrahedral Aggregate of Water Molecules

(3)반데르발스힘 -일시적인 정전기적 상호작용, -영구적이거나 일시적으로 유도된 쌍극자사이에 일어남 -거리에 따라 인력 혹은 반발력, 반데르발스 반경에서 가장 큼 -3가지 형태 쌍극자-쌍극자 상호작용: 수소결합이 이의 한 형태(그림3.7a) 쌍극자-유도된 쌍극자 상호작용 -영구적인 쌍극자는 인접한 분자의 전자분포를 뒤틀리게하여 일시적인 쌍극자형성을 유도한다(그림3.7b) 3. 유도된 쌍극자-유도된 쌍극자(그림3.7c) -인접된 무극성분자 내 전자이동은 인접분자 내에 일시적인 분자불균형을 초래한다. -런던 분산력:DNA분자 내 위아래 염기고리의 상호작용

Section 3.2: Noncovalent Bonding Van der Waals Forces Occur between neutral, permanent, and/or induced dipoles Three types: Dipole-dipole interactions Dipole-induced dipole interactions Induced dipole-induced dipole interactions Figure 3.7 Dipolar Interactions

3.3 물의 성질 -녹는점 끓는점이 높다(표3.2); 수소결합 -물 한 분자는 4개의 수소결합(그림3.8) -물 온도를 증가시키는데 에너지가 높다(표3.3) -물은 높은 기화열과 열용량 3.4 물의 용매성질 -이온, 당, 많은 아미노산 등을 녹인다 1)친수성 -용매화 구형(그림3.9) 구조화된 물 (그림3.10) 졸-겔(그림3.11): 아메바의 위족, G-actin F-actin의 가역적중합반응 2)소수성분자 -물의 용매화망상에서 배제되어 작은 방울로 뭉친다 -물이 무극성분자 주위에 새장모양(그림3.12) -무극성물질사이의 인력: 소수성 상호작용 3) 양극성 -극성그룹과 무극성그룹을 포함 -예: 이온화 지방산(카르복실기와 탄화수소, 미셀형성 그림3.11)

Section 3.3: Thermal Properties of Water Water’s melting and boiling points are exceptionally high due to hydrogen bonding Each water molecule can form four hydrogen bonds with other water molecules Extended network of hydrogen bonds

Section 3.3: Thermal Properties of Water Figure 3.8 Hydrogen Bonding Between Water Molecules in Ice Maximum number of hydrogen bonds form when water has frozen into ice Open, less-dense structure

Section 3.3: Thermal Properties of Water Water has an exceptionally high heat of fusion and heat of vaporization Helps to maintain an organism’s internal temperature

Section 3.4: Solvent Properties of Water Figure 3.9 Solvation Spheres Water is the ideal biological solvent Hydrophilic Molecules, Cell Water Structuring, and Sol-Gel Transitions Water can dissolve ionic and polar substances Shells of water molecules form around ions forming solvation spheres

Section 3.4: Solvent Properties of Water Structured Water Water is rarely free flowing Water is associated with macromolecules and other cellular components Forms complex three- dimensional bridges between cellular components Figure 3.10 Diagrammatic View of Structured Water

Section 3.4: Solvent Properties of Water Figure 3.11 Amoeboid Movement Sol-Gel Transitions Cytoplasm has properties of a gel (colloidal mixture) Transition from gel to sol important in cell movement Amoeboid motion provides an example of regulated, cellular, sol-gel transitions

Section 3.4: Solvent Properties of Water Figure 3.12 The Hydrophobic Effect Hydrophobic Molecules and the Hydrophobic Effect Small amounts of nonpolar substances are excluded from the solvation network forming droplets This hydrophobic effect results from the solvent properties of the water and is stabilized by van der Waals interactions

Section 3.4: Solvent Properties of Water Amphipathic Molecules Contain both polar and nonpolar groups Amphipathic molecules form micelles when mixed with water Important feature for the formation of cellular compartments Figure 3.13 Formation of Micelles

(4)삼투압 -반투막에의 물의 통과현상 (그림3.14) -삼투압은 용질농도에 의존(그림3.15) -삼투압=iMRT (i=용질의 이온화정도, M=몰랄농도) -예: 0.1M NaCl의 I 값? (82페이지) -저장,등장, 고장액(그림3.16) -막전위; 세포막표면상의 이온의 불균형으로 전기전도, 능동수송, 수동수송 -삼투압의 조절, 식물은 팽압 -리포트?(문제3.2 - 3.4)

Section 3.4: Solvent Properties of Water Figure 3.14 Osmotic Pressure Osmotic Pressure Osmosis is the spontaneous passage of solvent molecules through a semipermeable membrane Osmotic pressure is the pressure required to stop the net flow of water across the membrane Osmotic pressure depends on solute concentration

Section 3.4: Solvent Properties of Water Can be measured with an osmometer or calculated (=iMRT) Cells may gain or lose water because of the environmental solute concentration Solute concentration differences between the cell and the environment can have important consequences Isotonic solution Hypotonic solution Hypertonic solution Figure 3.16 Effect of Solute Concentration on Animal Cells

Section 3.4: Solvent Properties of Water Proteins with ionizable amino acid side chains affect cellular osmolarity by attracting ions of opposite charge There is asymmetry of charge across the membrane due to ions forming an electrical gradient (membrane potential) Unlike animal cells, plant cells use osmotic pressure to drive growth via turgor pressure

3.5 물의 이온화 -물의 이온화 Keq, 평형상수 Keq x 55.5 은 이온적 Kw pH=-log[H+] (1)산, 염기 그리고 pH -강산 강염기 -약산 약염기 약산과 이의 짝염기 Ka, 산의 해리상수(클수록 강산) pKa= -logKa (pKa가 낮을수록 강산)(표 3.4) - pH척도(그림3.17), 수소이온 농도의 음성로그: pH= -log[H+]

Section 3.5: Ionization of Water Water can occasionally ionize, forming a hydrogen ion (H+) and a hydroxide ion (OH-) In an aqueous solution, a proton combines with a water molecule to form H3O+ (hydronium ion) H2O  H+ + OH- (reversible)

Section 3.5: Ionization of Water The ion product of water is referred to as Keq[H2O] or Kw = [H+][OH-] Kw at 25°C and 1 atm pressure is 1.0  10-14 Kw is temperature-dependent; therefore, pH is temperature-dependent as well

Section 3.5: Ionization of Water Acids, Bases, and pH An acid is a proton donor A base is a proton acceptor Most organic molecules that donate or accept protons are weak acids or weak bases A deprotonated product of a dissociation reaction is a conjugate base

Section 3.5: Ionization of Water The pH scale can be used to measure hydrogen ion concentration pH=-log[H+] Figure 3.17 The pH Scale and the pH Values of Common Fluids

Section 3.5: Ionization of Water pKa is used to express the strength of a weak acid Lower pKa equals a stronger acid pKa=-logKa Ka is the acid dissociation constant Figure 3.17 The pH Scale and the pH Values of Common Fluids

Section 3.5: Ionization of Water

(2) 완충액 -산독증, 알칼리혈증 -완충액 -르샤트리에르의 원리: 평형상태에서 한 반응에 어떤 변화를 주면 그 변화를 제거하는 방향으로 평형이 일어난다. -예: 아세트산과 아세트산염나트륨으로 구성된 아세트산염완충액(그림3.18) 완충용량(buffer capacity) -완충액성분의 농도에 비례 Henderson-Hasselbalch방정식 -HA= H+ + A- -pH=pKa + log[A-]/[HA] [A-]=[HA]이면, pH=pKa (그림3.18) 가장 효과적인 완충액은 pKa값 위아래 1pH범위 리포트?, 문제3.5-3.11

Section 3.5: Ionization of Water Buffers Regulation of pH is universal and essential for all living things Certain diseases can cause changes in pH that can be disastrous Acidosis and Alkalosis Buffers help maintain a relatively constant hydrogen ion concentration Commonly composed of a weak acid and its conjugate base

Section 3.5: Ionization of Water Buffers Continued Establishes an equilibrium between buffer’s components Follows Le Chatelier’s principle Equilibrium shifts in the direction that relieves the stress Au: What exactly establishes an equilibrium between buffer’s components? Figure 3.18 Titration of Acetic Acid with NaOH

Section 3.5: Ionization of Water Henderson-Hasselbalch Equation Establishes the relationship between pH and pKa for selecting a buffer Buffers are most effective when they are composed of equal parts weak acid and conjugate base Best buffering occurs 1 pH unit above and below the pKa Henderson-Hasselbalch Equation pH = pKa + log [A-] [HA]

Section 3.5: Ionization of Water Worked Problem 3.5 (Page 91) Calculate the pH of a mixture of 0.25 M acetic acid (CH3COOH) and 0.1 M sodium acetate (NaC2H3O2) The pKa of acetic acid is 4.76 Solution: pH = pKa + log [acetate] [acetic acid] pH = 4.76 + log [0.1] [0.25] = 4.76 + 0.398 = 4.36

*한 개 이상의 이온화그룹을 갖는 약산 -인산(phosphoric acid, H3PO4), 약한 다양성자 산 -NaOH로 적정(그림3.19), 단계적 이온화 -가장 산성 그룹의 pKa를 pK1으로 표기 -낮은 pH에서 대부분 분자들이 양성자화된다 -pH와 pK1이 동일할 때 H3PO4와 H2PO4-의 양이 동일함 -아미노산의 이온화: 두 기능기, 적정시 –COOH가 먼저 양성자를 잃고 다음으로 –NH3가 다음으로

Section 3.5: Ionization of Water Figure 3.19 Titration of Phosphoric Acid with NaOH Weak Acids with Multiple Ionizable Groups Each ionizable group can have its own pKa Protons are released in a stepwise fashion

(3)생리적인 완충액 중탄산염완충액 CO2 + H2O ↔ H2CO3, Carbonic acid H2CO3 ↔ H+ + HCO3-, Bicarbonate CO2 + H2O ↔ H++ HCO3-, 실제 혈액내 인산완충액 H2PO4-(인산이수소)= H+ + HPO42+ (인산수소) *단백질완충액 -곁사슬의 이온화기 -농도가 많음, 헤모글로빈 알부민 등 *세포의 부피조절과 물질대사 (그림3A) 삼투몰 농도의 작은 변화를 보정하는 기작: 막을 통한 무기이온의 교환 -단백질합성 시: 아미노산 감소로 물 유출, 무기이온의 이입 -단백질분해 시; 반대 -삼투질이라는 다량의 삼투활성물질의 합성: 스트레스를 받으면 다량의 알코올(소비톨 등), 아미노산, 타우린(아미노산유도체)를 만듦

Section 3.5: Ionization of Water Physiological Buffers Buffers adapted to solve specific physiological problems within the body Bicarbonate Buffer One of the most important buffers in the blood CO2 + H2O  H+ + HCO3- (HCO3- is bicarbonate): This is a reversible reaction Carbonic anhydrase is the enzyme responsible

Section 3.5: Ionization of Water Phosphate Buffer Consists of H2PO4-/HPO42- (weak acid/conjugate base) H2PO4-  H+ + HPO42- Important buffer for intracellular fluids Protein Buffer Proteins are a significant source of buffering capacity (e.g., hemoglobin) Figure 3.20 Titration of H2PO4- by Strong Base