Block A - Molecular Interactions.docx

Module I Molecular Interactions INTRODUCTION: As noted in Unit 1, cells are composed of molecules. Therefore, we will begin our study of cells with a  brief introduction to the chemistry of cells. In this unit, you will probably recognize terms and concepts that you learned in high school chemistry.  Your goals are to refresh your memory in the areas covered by the unit objectives, and to inform yourself of the  textbook location of other information that may be of interest later on in the course. The Atom:              This unit starts with an examination of the 3 major components of the atom ­ protons, neutrons, and  electrons. Protons determine the element, varying neutron numbers create isotopes, and electrons allow atoms to  bond together as molecules. Atoms and molecules that gain or lose an electron are called ions. Table 2­1 lists  the important anions and cations of the body. • The building blocks of all matter • Composed of 3 particles 1. Protons • Positively charged • Found in the nucleus 2. Neutrons • Uncharged • Found in the nucleus 3. Electrons • Negatively charged  • Orbit around the nucleus o Covalent bonds, ions, high­E electrons, free radicals Chemical Elements & Associated Symbols: C Carbon H Hydrogen O Oxygen N Nitrogen Ca Calcium K Potassium Mg Magnesium Cl Chlorine Fe Iron Na Sodium I Iodine P Phosphorus Differentiate Between the Following: Atom • The building blocks of all matter composed of protons, neutrons & electrons Ion • An atom with a net positive or negative charge due to gain or loss of 1+ electrons Anion • An atom that gains electrons & therefore acquires a negative charge Cation • An atom that loses electrons & therefore acquires a positive charge Molecule • When 2+ atoms link by sharing electrons 1 Module I Molecular Interactions 4 Bonds Found in Molecules: Covalent Bonds • Strong bonds that result when atoms share 1+ electrons • Result in polar or non­polar molecules • Most common molecular bond • Example? H O2 Ionic Bonds • Strong bonds that result when atoms completely gain/lose 1+ electrons • Oppositely charged molecules attract • Example? Na  + Cl  ▯NaCl Hydrogen Bonds • Weak attractive bonds occurring between H & nearby O, N or F • Occurs between atoms in parts of the same or neighboring molecules • Example? 1 H O2molecule may H­bond w/ up to 4 other H O 2olecules o Responsible for the surface tension of H O 2 Van der Waals Forces • Weak, non­specific attractions between the nucleus of an atom & the  electrons of nearby atoms • 2 atoms weakly attracted to one another move closer until electrons begin to  repel one another • Allow atoms to pack closely together while occupying minimum space • Single VDW attraction very weak, but multiple stronger • Example? VWD supplement H­bonds that hold proteins in 3­D shape Polar vs. Non­Polar Molecules: The polar bonds of the water molecule, shown in figure 2­3, allow other molecules to dissolve, forming  a solution. IP Fluid & Electrolytes: Introduction to Body Fluids, page 7 describes an animation of water as a  solvent. The concentration of the solution is often expressed as molarity, a term you will encounter throughout  + the course. The concentration of hydrogen ions ([H ]) in solution determines whether a solution is acid or  alkaline (basic). This concentration is measured in terms of pH. IP Fluid & Electrolytes: Acid­Base  Homeostasis, pages 3­12 includes interactive activities in its exploration of the pH of body fluids. It also  introduces the concept of strong and weak acids and bases. The topic of buffers is also introduced. These will be  important in Block C ­ Module 12 Polar Non­Polar Uneven distribution of electrons Even distribution of electrons Poles δ+ or δ– No poles Hydrophilic Hydrophobic 2 Module I Molecular Interactions N & O often found in polar molecules C & H often found in non­polar molecules Example? H O2 Example?  Oil Aqueous Solutions: Solution The combination of solutes in solvent Solute Substances that dissolve in liquids Solvent Liquids which solutes dissolve into (water is the universal solvent) Solubility The degree to which a molecule is able to dissolve in a solvent Hydrophilic Molecules that dissolve readily in water Hydrophobic Molecules that do not dissolve readily in water Concentrations of Solutions: • Often expressed as molarity Mole • 6.02 x 10  atoms, ions or molecules of a substance • 1 mole of a substance has the same # particles as 1 mole of any other substance • However, the mass of 1 mole of a substance depends on the mass of its individual  particles Molarity • The # of moles of solute in a liter of solution • Abbreviated as mol/L or M • Typical biological solution are often expressed as millimoles per liter (mmol/L) o 1/1000 of a mole Acids, Bases & Buffers: Acid Base (Alkaline) Molecules that contribute H  to a solution Solutions that remove H  from a solution pH 0­7 pH 7­14 Example? Saliva Example? Soap pH: • “Power of hydrogen” + • The measure of the concentration of H  in body fluids • Scale from 0­14 o 7 – 7.7 is compatible with human life • Logarithmic o A change in 1 unit of pH = 10x Æ or  ▯in H  ion concentration o pH = ­log [H ] • Reciprocal o As the H  ion concentration Æ, the pH number  ▯ Biomolecules: 3 Module I Molecular Interactions This unit includes a brief look at the basic structure and function of the biomolecules ­ carbohydrates,  lipids (fats), proteins, and nucleotides. Noncovalent bonds ­­ ionic bonds, hydrogen bonds, van der Waals forces  ­­ allow molecules to maintain complex shapes (figure 2­10). Figure 2­13 is a map of how all the chemical  components are related. Carbohydrates • The most abundant biomolecules used for E, E­storage & structure • General formula = (CH2O)n • 3 types of carbohydrate (2 classifications) o Monosaccharides are the building blocks of complex carbs  Simple sugar ending in ­ose  5­C (ribose) or 6­C (glucose AKA dextrose or galactose) o Disaccharides are formed when glucose combines with another  monosaccharide  Simple sugar ending in ­ose o Polysaccharides are used for E­storage or structure  Complex glucose polymer  Glycogen in animals, starch in plants for E­storage  Cellulose in plants, chitin in invertebrates for structure Lipids • The most structurally diverse biomolecules • Composed of C, H & O but contain much less oxygen than carbohydrates do • Non­polar & therefore not very soluble in water • Fats if solid at room temperature, oils if liquid at room temperature • Lipid = glycerol + FA o Saturated (no DB), monounsat.(1 DB), poly