کتاب زیست شناسی لودیش ترجمه فارسی
کاربران گرامی،محصول مورد نظر شامل کتاب زیست شناسی سلولی مولکولی لودیش جلد 1 و 2 ترجمه سمیه جهاندیده با کیفیت بسیار بالا می باشد که با فرمت پی دی اف به زبان فارسی در حجم 2235 صفحه با کیفیت عالی در اختیار شما عزیزان قرار گرفته است.
بخشی از فایل:
ستاره دیوید کاتنان. دو حلقه سه گانه در هم آمیخته از کربن ، هیدروژن و ازت از طریق یک مسیر مصنوعی پیچیده شیمیایی با یکدیگر پیوند داده شده اند تا شش بار از یکدیگر عبور کرده و یک هگزاگرام (ستاره شش پر) ایجاد کنند. ساختار شیمیایی در سمت چپ نشان داده شده است ، جایی که دو حلقه مستقل به رنگ آبی و نارنجی هستند. در سمت راست ، ساختار سه بعدی با کریستالوگرافی اشعه ایکس با اتمهای کربن یک حلقه به رنگ آبی و دیگری با رنگ خاکستری روشن مشخص شده است. آهن ها صورتی و نیتروژن ها بنفش هستند. در مرکز آن یک هگزافلورید فسفر با بار منفی غیر هم ظرفی قرار دارد (فیروزه ای و سبز). به D. A. Leigh ، R. G. Pritchard و A. J. Stephens ، 2014 ، Nature Chem مراجعه کنید.
عمر یک سلول به هزاران فعل و انفعالات شیمیایی و واکنش هایی بستگی دارد که تحت تأثیر دستورالعمل های ژنتیکی سلول ها و محیط آن ، از نظر زمانی و مکانی با یکدیگر هماهنگ هستند. با درک این فعل و انفعالات و واکنش ها در سطح مولکولی ، می توانیم به سوالات اساسی در مورد زندگی سلولی پاسخ دهیم: چگونه یک سلول مواد مغذی و اطلاعات را از محیط خود استخراج می کند؟ چگونه سلول انرژی ذخیره شده در مواد مغذی را به کار حرکت یا متابولیسم تبدیل می کند؟ چگونه یک سلول مواد مغذی را به اجزای سلولی مورد نیاز بقای خود تبدیل می کند؟ چگونه سلول خود را به سلول های دیگر پیوند می دهد تا بافت ایجاد کند؟ چگونه سلول ها با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند تا یک ارگانیسم پیچیده و با عملکرد کارآمد بتواند رشد کند؟ یکی از اهداف زیست شناسی سلول های مولکولی پاسخ به این سوالات و سوالات دیگر در مورد ساختار و عملکرد سلول ها و ارگانیسم ها از نظر خواص تک مولکول ها و یون ها است.
شکل 2-1 شیمی زندگی: چهار مفهوم کلیدی. (الف) مکمل مولکولی در قلب همه اثرات متقابل بیومولکولی نهفته است (به بخش 2.1 مراجعه کنید) ، مانند زمانی که دو پروتئین با اشکال مکمل و خصوصیات شیمیایی در کنار هم قرار می گیرند و یک مجموعه کاملاً پیوند خورده را تشکیل می دهند. (ب) مولکول های کوچک به عنوان بلوک های سازه های بزرگتر عمل می کنند (بخش 2.2 را ببینید). به عنوان مثال : برای تولید DNA ماکرومولکول حامل اطلاعات ، چهار بلوک ساختمانی کوچک نوکلئوتیدی به صورت کووالانسی به رشته های طولانی (پلیمرها) متصل می شوند ، سپس آن ها به دور یکدیگر می پیچند و مارپیچ دوتایی را تشکیل می دهند. (ج) واکنش های شیمیایی برگشت پذیر هستند و توزیع مواد شیمیایی بین واکنش دهنده های شروع (چپ) و محصولات واکنش (راست) به سرعت ثابت های جلو( پیکان بالا) و معکوس (، پیکان پایین) بستگی دارد . واکنش ها نسبت این ها ، ، اندازه گیری آموزنده ای از مقادیر نسبی محصولات و واکنش دهنده هایی است که در تعادل وجود خواهد داشت (بخش 2.3 را ببینید). (د) در بسیاری از موارد ، منبع انرژی واکنش های شیمیایی در سلول ها ، هیدرولیز مولکول ATP است (به بخش 2.4 مراجعه کنید). این انرژی هنگامی آزاد می شود که پیوند فسفو هیدرید با انرژی بالا که فسفات های b و g را در مولکول ATP (قرمز) متصل می کند با افزودن یک مولکول آب شکسته و تشکیل ADP و Pi می دهد
. بسیاری از مولکول های زیستی سلول ها (مانند قندها) به راحتی در آب حل می شوند. این مولکول ها آب دوست نامیده می شوند. برخی دیگر (مانند کلسترول) مواد روغنی مانند چربی هستند که از آب دوری می کنند. گفته می شود این مولکول ها آبگریز هستند (ترس از آب). هنوز مولکول های زیستی دیگر (مانند فسفولیپیدها) حاوی مناطق آب دوست و آبگریز هستند. گفته می شود که این مولکول ها آمفیپاتیک یا آمفیفلیک هستند (هر دو دوست دارند). عملکرد روان سلول ها ، بافت ها و ارگانیسم ها به کلیه این مولکول ها از کوچکترین تا بزرگترین آنها بستگی دارد. در واقع ، شیمی پروتون ساده () می تواند برای بقای سلول انسانی به اندازه هر مولکول غول پیکر DNA مهم باشد (جرم مولکول DNA در کروموزوم 1 انسان 6.8 * برابر پروتون است!) . اثر متقابل شیمیایی تمام این مولکول های بزرگ و کوچک با آب و با یکدیگر ماهیت زندگی را تعریف می کنند.
خوشبختانه ، اگرچه بسیاری از انواع مولکول های زیستی در مسیرهای متعدد و پیچیده ای برای ایجاد سلول های عملکردی و ارگانیسم ها با یکدیگر تعامل و واکنش نشان می دهند ، اما برای درک فرآیندهای سلولی در سطح مولکولی ، تعداد نسبتاً کمی اصول شیمیایی لازم است (شکل 2-1) در این فصل ، این اصول کلیدی را مرور می کنیم ، برخی از آنها را به خوبی می دانید. ما با پیوندهای کووالانسی که اتم ها را به مولکول ها متصل می کند و اثرات متقابل غیرکووالانسی که گروه های اتم را درون و بین مولکول ها تثبیت می کنند ، شروع می کنیم. سپس ما عناصر اساسی شیمیایی ساخت ماکرومولکول ها و مجموعه های ماکرومولکولی را در نظر می گیریم. پس از بررسی جنبه های تعادل شیمیایی که بیشترین ارتباط را با سیستم های بیولوژیکی دارند ، فصل را با اصول اساسی انرژی بیوشیمیایی ، از جمله نقش مرکزی ATP (آدنوزین تری فسفات) در گرفتن و انتقال انرژی در متابولیسم سلولی به پایان می رسانیم.
2.1 پیوند کووالانسی و تعاملات غیرکوالانسی
نیروهای جذاب و ضعیف بین اتم ها چسبی است که مولکول های منفرد را در کنار هم نگه می دارد و برهم کنش بین مولکول های مختلف را امکان پذیر می کند. وقتی دو اتم یک جفت الکترون مشترک دارند ، نتیجه یک نوع نیرومند باند کووالانسی است که اتم ها را در مولکول ها نگه می دارد. به اشتراک گذاری چندین جفت الکترون منجر به پیوندهای کووالانسی متعدد می شود (به عنوان مثال پیوندهای دو یا سه گانه). نیروهای جذاب ضعیف اثرات متقابل غیرتوسطی در تعیین خصوصیات و عملکرد مولکول های زیستی مانند پروتئین ها ، اسیدهای نوکلئیک ، کربوهیدرات ها و لیپیدها به همان اندازه مهم هستند. در این بخش ، ما ابتدا پیوندهای کووالانسی را بررسی می کنیم و سپس چهار نوع عمده اثرات متقابل غیر کووالانسی را مورد بحث قرار می دهیم: پیوندهای یونی ، پیوندهای هیدروژنی ، تعاملات ون دروالس و اثر آبگریزی.
ساختار الکترونیکی یک اتم تعداد و هندسه پیوندهای کووالانسی را که می تواند ایجاد کند تعیین می کند
هیدروژن ، اکسیژن ، کربن ، نیتروژن ، فسفر و گوگرد فراوان ترین عناصر در مولکول های بیولوژیکی هستند. این اتم ها که به ندرت به عنوان موجوداتی جدا شده وجود دارند ، با استفاده از الکترون در بیرونی ترین اوربیتال های الکترونی که هسته های آنها را احاطه کرده اند ، به راحتی پیوندهای کووالانسی تشکیل می دهند (شکل 2-2) به طور معمول ، هر نوع اتم تعداد مشخصی پیوند کووالانسی با سایر اتم ها تشکیل می دهد. این پیوندها دارای هندسه کاملاً مشخصی هستند که با توجه به اندازه اتم ها و هم از طریق توزیع الکترون در اطراف هسته و هم از طریق تعداد الکترون هایی که می تواند به اشتراک بگذارد تعیین می شود. در بعضی موارد ، تعداد پیوندهای کووالانسی پایدار که یک اتم می تواند ایجاد کند ثابت است. به عنوان مثال : کربن همیشه چهار پیوند کووالانسی تشکیل می دهد. در موارد دیگر ، تعداد مختلف پیوندهای کووالانسی پایدار امکان پذیر است. به عنوان مثال : گوگرد می تواند دو ، چهار یا شش پیوند کووالانسی پایدار ایجاد کند.
تمام بلوک های سازنده بیولوژیکی در اطراف اتم کربن ، که چهار پیوند کووالانسی تشکیل می دهد ، سازمان یافته اند. در این مولکول های زیستی آلی ، هر کربن معمولاً به سه یا چهار اتم دیگر پیوند می خورد. [کربن همچنین می تواند به دو اتم دیگر پیوند یابد ، مانند مولکول خطی دی اکسید کربن ، که دارای دو پیوند دوگانه اکسیژن کربن است (). با این حال ، چنین آرایش پیوندهای کربن در بلوک های سازنده بیولوژیکی یافت نمی شود.] همانطور که در شکل 2-3aبرای فرمالدئید نشان داده شده است ، کربن می تواند به سه اتم پیوند یابد ، همه در یک صفحه مشترک. اتم کربن دو پیوند منفرد با دو اتم و یک پیوند دوتایی (دو جفت الکترون مشترک) با اتم سوم تشکیل می دهد. در غیاب محدودیت های دیگر ، اتم های متصل به یک پیوند واحد می توانند آزادانه در مورد محور پیوند بچرخند ، در حالی که کسانی که با پیوند دوگانه متصل شده اند نمی توانند. مسطح بودن سفت و سخت تحمیل شده توسط پیوندهای مضاعف برای شکل ها و انعطاف پذیری مولکول های زیستی مانند فسفولیپیدها ، پروتئین ها و اسیدهای نوکلئیک اهمیت زیادی دارد.
شکل 2-2 پیوندهای کووالانسی با تقسیم الکترون تشکیل می شوند. پیوندهای کووالانسی ، نیروهای محکمی که اتم ها را در مولکول ها به هم می چسباند ، هنگامی تشکیل می شود که اتم ها الکترون ها را از خارجی ترین اوربیتال های الکترون تقسیم کنند. هر اتم تعداد مشخص و هندسه پیوندهای کووالانسی را تشکیل می دهد.
کربن همچنین می تواند به چهار اتم متصل شود. همانطور که توسط متان () نشان داده شده است ، وقتی کربن به چهار اتم دیگر پیوند می خورد ، زاویه بین هر دو پیوند 109.5 است و موقعیت های اتم های پیوند خورده چهار نقطه یک چهار ضلعی را مشخص می کند (شکل 2-3b). این هندسه ساختار بسیاری از مولکول های زیستی را تعریف می کند. گفته می شود که یک اتم کربن (یا هر ماده دیگر) متصل به چهار اتم یا گروه غیر مشابه در یک پیکربندی غیرخطی ، نامتقارن است. جهت چهار ضلعی پیوندهای تشکیل شده توسط یک اتم کربن نامتقارن را می توان در فضای سه بعدی از دو طریق مختلف مرتب کرد ، مولکول هایی را تولید می کند که تصاویر آینه ای از یکدیگر هستند ، خاصیتی به نام chirality (دست غالب ، از کلمه یونانی cheir ، به معنی دست) (شکل 4-2). به چنین مولکول هایی ایزومرهای نوری یا استریوایزومر گفته می شود. بسیاری از مولکول های موجود در سلول ها حاوی حداقل یک اتم نامتقارن کربن هستند که غالباً به آنها اتم کربن کایرال گفته می شود. استریوایزومرهای مختلف یک مولکول معمولاً فعالیت های بیولوژیکی کاملاً متفاوتی دارند زیرا آرایش اتم ها در ساختار آنها و در نتیجه توانایی تعامل آنها با سایر مولکول ها متفاوت است.
کتاب زیست شناسی لودیش ترجمه فارسی
شکل 3-2 هندسه پیوندها هنگامی که کربن به طور کووالانسی با سه یا چهار اتم دیگر مرتبط شود. (الف) یک اتم کربن می تواند به سه اتم پیوند یابد ، مانند فرمالدئید ( ). در این حالت ، الکترون های پیوند کربن در دو پیوند منفرد و یک پیوند دوتایی شرکت می کنند که همه در یک صفحه قرار دارند. برخلاف اتم های متصل به یک پیوند واحد ، که معمولاً می توانند آزادانه در مورد محور پیوند بچرخند ، آنهایی که با پیوند دوتایی متصل شده اند نمی توانند. (ب) هنگامی که یک اتم کربن مانند پیوند متان () چهار پیوند منفرد ایجاد می کند ، اتم های پیوند یافته (در این حالت تمام H) در فضا به صورت چهار ضلعی جهت می گیرند. نمایش نامه های سمت چپ به وضوح ترکیب اتمی هر مولکول و الگوی پیوند آن را نشان می دهد. مدل های توپی و چوبی در مرکز ترتیب هندسی اتم ها و پیوندها را نشان می دهد ، اما قطر توپ های نمایانگر اتم ها و الکترون های غیر پیوند دهنده آنها در مقایسه با طول پیوندها غیر واقعی است. اندازه ابرهای الکترون در مدل های پر کننده فضا در سمت راست با دقت بیشتری ساختار را در سه بعد نشان می دهد.
شکل 2-1 استریوایزومرها. بسیاری از مولکول های موجود در سلول ها حداقل حاوی یک اتم نامتقارن کربن هستند. جهت چهار ضلعی پیوندهای تشکیل شده توسط یک اتم کربن نامتقارن را می توان در فضای سه بعدی از دو طریق مختلف مرتب کرد ، مولکول هایی را که تصاویر آینه ای یا استریوایزومرهای یکدیگر هستند تولید کرد. در اینجا ساختار مشترک اسید آمینه نشان داده شده است ، با کربن نامتقارن مرکزی و چهار گروه متصل ، از جمله گروه R ، که در بخش 2.2 بحث شده است. اسیدهای آمینه می توانند به دو شکل آینه ای ، L و D مشخص شده وجود داشته باشند. گرچه خصوصیات شیمیایی این استریوایزومرها یکسان است ، اما فعالیت های بیولوژیکی آنها مشخص است. فقط اسیدهای آمینه L در پروتئین ها یافت می شوند.
برخی از داروها مخلوطی از استریوایزومرهای مولکول های کوچک هستند که در آنها فقط یک استریوایزومر فعالیت بیولوژیکی مورد علاقه را دارد. استفاده از یک استریوایزومر منفرد خالص از ماده شیمیایی به جای مخلوط ممکن است منجر به دارویی قوی تر با کاهش عوارض شود. به عنوان مثال : یک استریوایزومر داروی ضد افسردگی سیتالوپرام (Celexa) 170 برابر قوی تر از دیگری است. برخی از استریوایزومرها فعالیت های بسیار متفاوتی دارند. داروون یک مسکن درد است ، در حالی که استریوایزومر آن ، Novrad (داروون به عقب هجی می شود) ، یک داروی ضد سرفه است. یک استریوایزومر کتامین بی حس کننده است ، در حالی که دیگری باعث توهم می شود.
تعداد معمول پیوندهای کووالانسی تشکیل شده توسط سایر اتمهای رایج در مولکولهای زیستی در جدول2-1نشان داده شده است. یک اتم هیدروژن فقط یک پیوند کووالانسی تشکیل می دهد. یک اتم اکسیژن معمولاً فقط دو پیوند کووالانسی تشکیل می دهد اما دارای دو جفت الکترون اضافی است که می توانند در اثرات متقابل غیر کووالانسی شرکت کنند. گوگرد دو پیوند کووالانسی در سولفید هیدروژن (S) تشکیل می دهد اما می تواند شش پیوند کووالانسی را در خود جای دهد ، مانند اسید سولفوریک (S) و مشتقات سولفات آن. نیتروژن و فسفر هر کدام پنج الکترون برای به اشتراک گذاشتن دارند. در آمونیاک (N) ، اتم نیتروژن سه پیوند کووالانسی تشکیل می دهد. جفت الکترون های اطراف اتم که در پیوند کووالانسی دخیل نیستند می توانند در اثرات متقابل غیرتوسطی شرکت کنند. در یون آمونیوم (N) ، نیتروژن چهار پیوند کووالانسی تشکیل می دهد که دارای هندسه چهار ضلعی هستند. فسفر معمولاً پنج پیوند کووالانسی ایجاد می کند ، مانند اسید فسفریک (P) و مشتقات فسفات آن که ستون فقرات اسیدهای نوکلئیک را تشکیل می دهند. گروه های فسفات متصل به کووالان به پروتئین ها نقشی اساسی در تنظیم فعالیت بسیاری از پروتئین ها دارند و مولکول مرکزی در انرژی سلول ، ATP ، شامل سه گروه فسفات است (بخش 2.4 را ببینید). خلاصه ای از پیوندهای کووالانسی مشترک و گروههای عملکردی ، که خصوصیات شیمیایی متمایزی را به مولکول هایی که بخشی از آنها هستند ، اعطا می کنند ، در جدول 2-2 ارائه شده است.
پیوندهای کووالانسی بسیار قوی تر و پایدارتر از تعاملات غیرکووالانسی هستند
پیوندهای کووالانسی قوی در نظر گرفته می شوند زیرا انرژی مورد نیاز برای شکستن آنها بسیار بیشتر از انرژی گرمایی موجود در دمای اتاق (25 درجه سانتیگراد) یا دمای بدن (37 درجه سانتیگراد) است. در نتیجه ، آنها در این دما پایدار هستند. به عنوان مثال : انرژی گرمایی موجود در 25 درجه سانتیگراد تقریباً 0.6 کیلو کالری در هر مول (کیلو کالری در مول) است ، در حالی که انرژی مورد نیاز برای شکستن پیوند C__C در اتان حدود 140 برابر بیشتر است (شکل6-2). در نتیجه ، در دمای اتاق (25 درجه سانتیگراد) ، کمتر از 1 در مولکول اتان به یک جفت مولکول تقسیم می شود ، هر کدام حاوی یک الکترون غیر پیوندی غیر جفت شده (رادیکال نامیده می شود).
پیوندهای تک کووالانسی در مولکول های بیولوژیکی دارای انرژی هایی مشابه انرژی پیوند C__C در اتان هستند. از آنجا که الکترون های بیشتری در پیوندهای دوتایی بین اتم ها تقسیم شده اند ، برای شکستن انرژی بیشتری به پیوندهای منفرد نیاز دارند به عنوان مثال : برای شکستن یک پیوند C=O تنها 84 کیلوکالری در مول لازم است اما برای شکستن پیوند دوگانه C = O ، 170 کیلو کالری در مول است. رایج ترین پیوندهای دوگانه در مولکول های بیولوژیکی C = O ، C = N ، C = C و P = O است.
در مقابل ، انرژی مورد نیاز برای شکستن فعل و انفعالات غیرکوالانسی تنها 15 کیلوکالری در مول است ، که بسیار کمتر از انرژی پیوند پیوندهای کووالانسی است (شکل 6-2 را ببینید). در واقع ، فعل و انفعالات غیرتوسطی به اندازه کافی ضعیف است که به طور مداوم در دمای اتاق شکل گرفته و شکسته می شود. اگرچه این فعل و انفعالات ضعیف است و در دماهای فیزیولوژیکی (2537 درجه سانتیگراد) وجود گذرا دارد ، اما فعل و انفعالات غیرتوسطی متعدد می توانند با هم عمل کنند تا ارتباطات بسیار پایدار و خاصی بین بخش های مختلف یک مولکول بزرگ یا بین ماکرومولکول های مختلف ایجاد کنند. فعل و انفعالات پروتئین-پروتئین و پروتئین-نوکلئیک اسید نمونه های خوبی از چنین فعل و انفعالات غیر کووالانسی هستند. در زیر ، چهار نوع اصلی فعل و انفعالات غیرکوالانسی را مرور می کنیم و سپس نقش آنها را در اتصال مولکول های زیستی به یکدیگر و مولکول های دیگر در نظر می گیریم.
فعل و انفعالات یونی جاذبه های بین یون های دارای بار مخالف است
فعل و انفعالات یونی از جاذبه بین یون کاتیون با بار مثبت و آنیون یون با بار منفی حاصل می شود. به عنوان مثال: در کلرید سدیم (NaCl) ، الکترون پیوندی که توسط اتم سدیم کمک می کند ، کاملاً به اتم کلر منتقل می شود (شکل 2-7a). برخلاف پیوندهای کووالانسی ، فعل و انفعالات یونی جهت گیری هندسی ثابت یا خاصی ندارند زیرا میدان الکترواستاتیک اطراف یک جاذبه یونی برای یکنواخت شارژ مخالف از همه جهات است. در نمک طعام جامد ، یون های متضاد بار کاملاً محکم در یک الگوی متناوب قرار می گیرند و آرایه بلوری یا شبکه ای را که مرتب شده است ، تشکیل می دهند ، که معمولاً در مورد بلورهای نمک است (شکل 2-7b). انرژی مورد نیاز برای شکستن فعل و انفعالات یونی به فاصله بین یون ها و خصوصیات الکتریکی محیط یون ها بستگی دارد.
وقتی نمک های جامد در آب حل می شوند ، یون ها از یکدیگر جدا می شوند و با فعل و انفعالات با مولکول های آب تثبیت می شوند. در محلول های آبی ، یون های ساده با اهمیت بیولوژیکی ، مانند ، ، ، و ، هیدراته می شوند و توسط یک پوسته پایدار از مولکول های آب احاطه شده اند که توسط فعل و انفعالات یونی بین یون در مرکز و بار مخالف نگه داشته می شوند. انتهای مولکول های آب ، که دو قطبی هستند (شکل 2-7c). اکثر ترکیبات یونی به راحتی در آب حل می شوند زیرا انرژی هیدراتاسیون انرژی آزاد شده هنگام یون ها به سختی به مولکول های آب متصل می شود و در یک محلول آبی پخش می شود ، بیشتر از انرژی شبکه ای است که ساختار بلوری را تثبیت می کند. قسمت هایی یا تمام پوسته هیدراتاسیون آبی باید مستقیماً با پروتئین ها در ارتباط باشند از محلول های یون خارج شوند. به عنوان مثال : آب هیدراتاسیون هنگام عبور یون از طریق منافذ پروتئین در غشای سلول عبور می کند.