1.1: Суміші та сполуки

Last updated
Save as PDF

Page ID: 5715

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Суміші являють собою гетерогенні форми речовини. Суміші складаються з змінних пропорцій молекул і атомів.

альт

Склад суміші мінливий, при цьому кожен компонент зберігає свої характерні властивості. Його складові легко відокремлюються. Приклади сумішей: грунт, океанська вода та інші розчини, повітря, цитозол клітини

Навпаки, сполуки є однорідними формами матерії. Їх складові елементи (атоми і/або іони) завжди присутні в фіксованих пропорціях. Властивості з'єднань включають:

Фіксуються відносні пропорції елементів в з'єднанні.
Компоненти з'єднання не зберігають своїх індивідуальних властивостей. Як натрій, так і хлор отруйні; їх сполука, кухонна сіль (NaCl) абсолютно необхідна для життя.
Це вимагає великих витрат енергії, щоб відокремити компоненти з'єднання.

приклади сполук

вода (Н ₂ О)
кухонна сіль (NaCl)
сахароза (цукор столовий, С ₁₂ Н ₂₂ О ₁₁)

Поділ компонентів суміші

Більшість лабораторних робіт з біології вимагає використання методик поділу компонентів сумішей. Це робиться шляхом використання деякої властивості, яка відрізняє компоненти, наприклад, їх відносні

розмір
щільність
розчинність
електричний заряд

Діаліз

Діаліз - це відділення малих розчинених молекул або іонів (наприклад, глюкози, Na ⁺, Cl ^-) від макромолекул (наприклад, крохмалю) в силу їх різної швидкості дифузії через диференційно проникну мембрану.

альт — Малюнок\(\PageIndex{1}\) *: Дрібномолекулярний діаліз з використанням діалізної трубки. (КС-СА-БАЙ-3.0; Потчербой).*

Як показано на малюнку\(\PageIndex{1}\), целофан, який використовується для побудови мішка, перфорований крихітними порами, які дозволяють іонам та малим молекулам проходити, але виключають молекули з молекулярною масою більше приблизно 12 000. Якщо целофановий пакет змішати з сумішшю цукру і крохмалю і помістити його в солону воду, молекули цукру (чиркові точки) будуть дифундувати у воду до досягнення рівноваги; тобто до тих пір, поки їх концентрації не будуть рівні по обидва боки мембрани. Аналогічно сіль (червоні точки) буде розсіюватися в мішок. Однак через їх великого розміру весь крохмаль (великі сині диски) буде утримуватися всередині трубки.

Хроматографія

Хроматографія - термін, який використовується для декількох методик поділу компонентів суміші. Різні типи методів хроматографії, що використовуються: паперова хроматографія, виключення хроматографії та афінна хроматографія.

Техніка паперової хроматографії забезпечує простий спосіб відокремлення компонентів суміші. Краплю суміші поміщають в один кут квадрата вбирає паперу.

Один край паперу занурюють в розчинник. (а)
Розчинник мігрує вгору по листу шляхом капілярного тяжіння.
Як це робиться, речовини в краплі переносяться з різною швидкістю. (б)
Кожна сполука мігрує зі швидкістю, яка відображає
- розмір його молекули і
- його розчинність в розчиннику.
Після другого запуску під прямим кутом до першого (часто з використанням іншого розчинника) різні речовини будуть розподілятися в чітких плямах по всьому аркушу, утворюючи хроматограму. (c)
Ідентичність кожного плями можна визначити, порівнявши його положення з положенням, зайнятим відомими речовинами при тих же умовах.
У багатьох випадках фрагмент паперу можна відрізати від аркуша і провести хімічний аналіз на крихітну кількість речовини в ньому.

Авторентгенографія

Якщо суміш містить молекули, які були позначені радіоактивним ізотопом, їх можна розташувати, розмістивши хроматограму поруч з листом рентгенівської плівки. Розташування темних плям на розвиненій плівці (через випромінювання, що випромінюється ізотопом) можна співвіднести з положенням речовин на хроматограмі.

альт

Наведені вище цифри (люб'язно доктора Джеймса Басшама) показують авторадіограми типу, які мали важливе значення для розробки темних реакцій фотосинтезу. Темні плями показують радіоактивні сполуки, що утворюються через 10 секунд (зліва) та 2 хвилини (праворуч) фотосинтезу зеленими водоростями Scenedesmus. Водорості забезпечувалися вуглекислим газом, ^{маркованим 14} С, радіоактивним ізотопом вуглецю.

Через 10 секунд велика частина радіоактивності виявляється в 3-фосфогліцериновой кислоті («Р-гліцерик»).
За 2 хвилини були синтезовані фосфорильовані 6-вуглецеві цукру (глюкоза і фруктоза), а також ряд амінокислот.

Маленький прямокутник і коло (праві нижні кути) позначають плями, де був нанесений екстракт клітини.

Виключення хроматографії

альт

Однією з найпоширеніших проблем біохімічних досліджень є відокремлення багатьох компонентів — зазвичай макромолекул — у клітинних екстрактах тощо. Методи поділу компонентів суміші використовують такі відмінності, як розмір, електричний заряд і розчинність в різних розчинниках. молекул в ній. Один із прикладів: електрофорез, який розділяє такі макромолекули, як білки та ДНК, за їх зарядом (а іноді і розміром).

Виключення хроматографії відокремлює молекули на основі розміру. Колонка заповнена напівтвердими кульками полімерного гелю, які будуть пропускати іони та малі молекули (сині) у внутрішню частину, але не великі (показано червоним кольором). Коли суміш молекул і іонів, розчинених в розчиннику, наноситься на верхню частину колони, менші молекули (і іони) розподіляються через більший обсяг розчинника, ніж доступний великим молекулам. Отже, великі молекули швидше рухаються по колоні, і таким чином суміш може бути розділена (фракціонована) на її складові. Пористість гелю можна регулювати, щоб виключити всі молекули вище певного розміру. Сефадекс і сефароза - це торгові назви гелів, які продаються в широкому діапазоні пористості.

Афінна хроматографія

альт Мета афінної хроматографії полягає в тому, щоб відокремити всі молекули певної специфічності від всієї гами молекул в такій суміші, як сироватка крові. Наприклад, антитіла в зразку сироватки крові, специфічні для конкретного антигенного детермінанту, можуть бути виділені за допомогою афінної хроматографії.

Для досягнення цього виконуються наступні кроки:

Крок 1

Готується імуноадсорбент. Це складається з твердої матриці, з якою був з'єднаний антиген (показаний синім кольором) (зазвичай ковалентно). В якості матриці можуть використовуватися агароза, сефадекс, похідні целюлози або інші полімери.

Крок 2

Сироватку пропускають над імуноадсорбентом. Поки ємність колонки не перевищена, ті антитіла в суміші, специфічні для антигену (показані червоним кольором) зв'язуватимуться (нековалентно) і зберігатимуться. Антитіла інших специфік (зелені) та інші сироваткові білки (жовті) будуть проходити безперешкодно.

Крок 3

Елюція. У колонку пропускається реагент для вивільнення антитіл з імуноадсорбенту. Буфери, що містять високу концентрацію солей та/або низький рН, часто використовуються для порушення нековалентних взаємодій між антитілами та антигеном. Денатуруючий агент, такий як сечовина 8 М, також порушить взаємодію, змінивши конфігурацію антигензв'язуючого ділянки молекули антитіл.

Інший, більш м'який, підхід полягає в елюції розчинною формою антигену. Вони конкурують з імуноадсорбентом для антигензв'язуючих ділянок антитіл і вивільняють антитіла до рідкої фази.

Крок 4

Діаліз. Потім елюат діалізується проти, наприклад, буферного фізіологічного розчину, щоб видалити реагент, який використовується для елюації.

електрофорез

Електрофорез використовує постійний електричний струм для поділу компонентів суміші різним електричним зарядом.

Приклад електрофорезу

Білки в сироватці крові можна відокремити за допомогою електрофорезу.

альт

Краплю сироватки наносять смугою на тонкий лист підтримуючого матеріалу, як папір, змочений в слаболужному розчині солі.
При рН 8,6, який зазвичай використовується, всі білки негативно заряджені, але деякі сильніше інших.
Через провідність буфера, яким вона зволожена, може протікати постійний струм.
У міру протікання струму білки сироватки рухаються до позитивного електрода.
Чим сильніше негативний заряд на білку, тим швидше він мігрує.
Через деякий час (зазвичай 20 хв) струм вимикається і білки фарбуються, щоб зробити їх видимими (більшість інакше безбарвні).
Відокремлені білки виглядають як окремі смуги.
Найбільш помітним з них і тим, що рухається найближче до позитивного електрода, є сироватковий альбумін.
Інші білки - це різні сироваткові глобуліни.

Чисті речовини

Деякі з чистих речовин, виділених із сумішей, не можуть бути додатково розщеплені. Кисень (O ₂) - приклад. Це один з елементів; основні будівельні блоки питання. Більшість чистих речовин - це сполуки. Прикладом є кухонна сіль, хлорид натрію (NaCl); вода (H ₂ O) - інша. Якщо пропустити електричний струм через розплавлений NaCl, то утворюються два нових речовини:

натрій, блискучий метал настільки реактивний, що він повинен зберігатися поза контактом з повітрям
хлор, жовтуватий отруйний газ.

У цій операції з'єднання було розкладено на його складові елементи. Зверніть увагу на відмінності між розділенням компонентів суміші і компонентів з'єднання. Розпад NaCl вимагав великого введення енергії, оскільки сильні іонні зв'язки, що утримують атоми Na і Cl разом, повинні бути порушені. Співвідношення ваг двох продуктів завжди становить 23 частини натрію до 35,5 частин хлору. Це відображає незмінність співвідношення (1:1 в даному випадку) кількості атомів у з'єднанні та відносних ваг (23: 35,5) атомів у кухонній солі. Властивості компонентів з'єднання не такі, як у самого з'єднання. Як натрій, так і хлор небезпечні для життя; їх з'єднання, хлорид натрію, є життєво важливим інгредієнтом всіх раціонів тварин.