كيمياء الحياة

الفكرة الكبرى 4 — تفاعلات الأنظمة: تتفاعل الأنظمة البيولوجية، وتُظهر هذه الأنظمة وتفاعلاتها خصائص معقدة.

هدف التعلم 1.1.A: اشرح كيف تؤثر خصائص الماء الناتجة عن قطبيته ورابط الهيدروجين على وظيفتها البيولوجية.

• 1.1.A.1. تعتمد الأنظمة الحية على خصائص الماء لاستدامة الحياة.
  • 1.1.A.1.i يمتلك الماء قطبية، بسبب تكوين روابط تساهمية قطبية بين الهيدروجين والأكسجين داخل جزيئات الماء. تساهم هذه القطبية في روابط الهيدروجين بين وبين الجزيئات البيولوجية.
  • 1.1.A.1.ii يمتلك الماء سعة حرارية نوعية عالية، مما يسمح بالحفاظ على درجة حرارة الجسم الداخلية ضمن الكائنات الحية.
  • 1.1.A.1.iii يمتلك الماء حرارة تبخر عالية، مما يسمح بالتبريد بالتبخير للبيئة المحيطة. في الكائنات الحية، تسمح هذه الخاصية بالحفاظ على درجة حرارة الجسم.
• 1.1.A.2. تؤدي روابط الهيدروجين بين جزيئات الماء القطبية المجاورة إلى التماسك والالتصاق وتوتر السطح.

الفكرة الكبرى 2 — الديناميكا الحرارية: تستخدم الأنظمة البيولوجية الطاقة والكتل البنائية الجزيئية للنمو والتكاثر والحفاظ على ديناميكية التوازن الداخلي.

هدف التعلم 1.2.A: صف تركيب الجزيئات الكبيرة اللازمة للكائنات الحية.

• 1.2.A.1. الذرات والجزيئات من البيئة ضرورية لبناء جزيئات جديدة. الكربون والهيدروجين والأكسجين هي العناصر الأكثر شيوعًا المستخدمة لبناء الجزيئات البيولوجية مثل الكربوهيدرات والبروتينات والدهون والأحماض النووية. بالإضافة إلى ذلك:
  • 1.2.A.1.i يُستخدم الكبريت في بناء البروتينات.
  • 1.2.A.1.ii يُستخدم الفوسفور في بناء الدهون الفوسفورية (نوع من الدهون) والأحماض النووية.
  • 1.2.A.1.iii يُستخدم النيتروجين في بناء الأحماض النووية.

الفكرة الكبرى 4 — تفاعلات الأنظمة: تتفاعل الأنظمة البيولوجية، وتُظهر هذه الأنظمة وتفاعلاتها خصائص معقدة.

هدف التعلم 1.3.A: صف التفاعلات الكيميائية التي تبني وتكسر الجزيئات الكبيرة البيولوجية.

• 1.3.A.1. التحلل المائي هو تفاعل كيميائي يتضمن قطع الروابط التساهمية. هذا النوع من التفاعلات يكسر الجزيئات إلى جزيئات أصغر. عند إضافة الماء إلى الرابطة بين الوحدات الأحادية في البوليمر، تنقطع الرابطة. يُضاف أيون الهيدروجين من جزيء الماء إلى وحدة أحادية واحدة، ويُضاف مجموعة الهيدروكسيل من جزيء الماء إلى الوحدة الأحادية الأخرى، مما يكمل التفاعل.
• 1.3.A.2. يحدث البناء بفقدان الماء عندما يتم ربط جزيئين أصغر معًا عبر الرابطة التساهمية. يتم إزالة أيون هيدروجين من وحدة أحادية واحدة ومجموعة هيدروكسيل من الأخرى. هذا يسبب فقدان ما يعادل جزيء ماء من المتفاعلات واتصال الوحدتين الأحاديتين المتبقيتين. يُعرف اتصال العديد من الوحدات الأحادية باسم البلمرة.

الفكرة الكبرى 4 — تفاعلات الأنظمة: تتفاعل الأنظمة البيولوجية، وتُظهر هذه الأنظمة وتفاعلاتها خصائص معقدة.

هدف التعلم 1.4.A: وصف بنية ووظائف الكربوهيدرات.

• 1.4.A.1 السكريات الأحادية (السكريات البسيطة) هي الوحدات البنائية للسكريات المتعددة (الكربوهيدرات المعقدة). ترتبط هذه الوحدات بواسطة روابط تساهمية لتكوين بوليمرات مثل الكربوهيدرات المعقدة، والتي قد تكون خطية أو متفرعة.
  • أمثلة توضيحية لـ 1.4.A.1:
    • السليلوز
    • النشا
    • الجلايكوجين
  • عبارة استبعاد: بنية جزيئية للبوليمرات الكربوهيدراتية المحددة تقع خارج نطاق امتحان AP.

الفكرة الكبرى 4 — تفاعلات الأنظمة: تتفاعل الأنظمة البيولوجية، وتُظهر هذه الأنظمة وتفاعلاتها خصائص معقدة.

هدف التعلم 1.5.A: وصف بنية ووظائف الدهون.

• 1.5.A.1 الدهون عادة ما تكون جزيئات غير قطبية كارهة للماء، وتشتق بنيتها ووظيفتها من طريقة تجميع مكوناتها الفرعية. يمكن وصف الأحماض الدهنية بأنها مشبعة أو غير مشبعة.
  • 1.5.A.1.i تحتوي الأحماض الدهنية المشبعة على روابط أحادية فقط بين ذرات الكربون.
  • 1.5.A.1.ii تحتوي الأحماض الدهنية غير المشبعة على رابطة مزدوجة واحدة على الأقل بين ذرات الكربون، مما يسبب انحناءً في سلسلة الكربون.
  • 1.5.A.1.iii كلما زادت الروابط المزدوجة في ذيل الحمض الدهني، أصبحت الدهون أكثر عدم تشبع.
  • 1.5.A.1.iv كلما كانت الدهون أكثر عدم تشبعًا، كانت أكثر سيولة في درجة حرارة الغرفة.
• 1.5.A.2 توفر الدهون وظائف متنوعة للكائنات الحية. بعض أمثلة الدهون هي الدهون (الدهون الثلاثية)، والستيرويدات بما في ذلك الكوليسترول، والفوسفوليبيدات.
  • 1.5.A.2.i توفر الدهون تخزين الطاقة ودعم وظيفة الخلية. في بعض الحالات، يمكنها أيضًا توفير العزل للمساعدة في الحفاظ على دفء الثدييات.
  • 1.5.A.2.ii الستيرويدات هرمونات تدعم الوظائف الفسيولوجية بما في ذلك النمو والتطور، واستقلاب الطاقة، والاستتباب.
  • 1.5.A.2.iii يوفر الكوليسترول استقرارًا بنيويًا أساسيًا لأغشية خلايا الحيوانات.
  • 1.5.A.2.iv تتجمع الفوسفوليبيدات معًا لتكوين الطبقات الثنائية الدهنية الموجودة في أغشية البلازما والخلايا.
  • عبارة استبعاد: بنية جزيئية للدهون المحددة تقع خارج نطاق امتحان AP.

الفكرة الكبرى 3 — تخزين المعلومات ونقلها: تخزن الأنظمة الحية وتسترجع وتُنتقل وتُرد على المعلومات الأساسية لعمليات الحياة.

هدف التعلم 1.6.A: وصف بنية ووظيفة DNA وRNA.

• 1.6.A.1 في الأحماض النووية (DNA وRNA)، يتم ترميز المعلومات البيولوجية في تسلسلات وحدات بناء نيوكليوتيدية. يحتوي كل نيوكليوتيد على المكونات الهيكلية التالية: سكر خماسي الكربون (ديوكسيريبوز أو ريبوز)، وفوسفات، وقاعدة نيتروجينية (أدينين، ثايمين، غوانين، سايتوسين، أو يوراسيل).
• 1.6.A.2 تحتوي الأحماض النووية على تسلسل خطي من النيوكليوتيدات التي لها نهايات، محددة بواسطة الهيدروكسيل عند 3' (ثلاثة بريمي) والفوسفات عند 5' (خمسة بريمي) للسكر في النيوكليوتيد. أثناء بناء الحمض النووي، تُضاف النيوكليوتيدات إلى النهاية 3' للسلسلة النامية، مما يؤدي إلى تكوين روابط تساهمية بين النيوكليوتيدات.
  • عبارة استبعاد: بنية جزيئية للنيوكليوتيدات المحددة تقع خارج نطاق امتحان AP.
• 1.6.A.3 يتكون DNA كحلزون مزدوج متعاكس الاتجاه، مع سلسلتين من النيوكليوتيدات تسيران في اتجاهين متعاكسين من 5' إلى 3'. في DNA، يرتبط نيوكليوتيدات الأدينين مع نيوكليوتيدات الثايمين عبر روابط هيدروجينية (A-T)، ويرتبط نيوكليوتيدات السايتوسين مع نيوكليوتيدات الغوانين عبر روابط هيدروجينية (C-G). في RNA، يرتبط الأدينين باليوراسيل (A-U).
• 1.6.A.4 تشمل الاختلافات الهيكلية بين DNA وRNA ما يلي:
  • 1.6.A.4.i يحتوي DNA على سكر الديوكسيريبوز، بينما يحتوي RNA على سكر الريبوز.
  • 1.6.A.4.ii يحتوي DNA على القاعدة النيتروجينية الثايمين، بينما يحتوي RNA على القاعدة النيتروجينية اليوراسيل.
  • 1.6.A.4.iii يكون DNA عادةً مزدوج الشريط، بينما يكون RNA عادةً أحادي الشريط.

الفكرة الكبرى 3 — تخزين المعلومات ونقلها: تخزن الأنظمة الحية وتسترجع وتُنتقل وتُرد على المعلومات الأساسية لعمليات الحياة.

هدف التعلم 1.7.A: وصف بنية ووظائف البروتينات.

• 1.7.A.1 تتكون البروتينات من سلاسل خطية من الأحماض الأمينية مرتبطة بتكوين روابط تساهمية (ببتيد) تنشأ بين مجموعة كربوكسيل ($-\text{COOH}$) من حمض أميني ومجموعة أمين ($-\text{NH}_2$) من الحمض الأميني التالي، مما يؤدي إلى تكوين سلسلة ببتيدية متزايدة.
• 1.7.A.2 تتكون الأحماض الأمينية من ذرة كربون مركزية ترتبط بها ذرة هيدروجين، ومجموعة كربوكسيل، ومجموعة أمين، ومجموعة R متغيرة مرتبطة بها تساهميًا. يمكن تصنيف مجموعة R لأي حمض أميني وفقًا لثلاث خصائص كيميائية محتملة: كارهة للماء/غير قطبية، محبة للماء/قطبية، أو أيونية. تحدد تفاعلات مجموعات R هذه بنية ووظيفة تلك المنطقة من البروتين.
• 1.7.A.3 يحدد التسلسل المحدد للأحماض الأمينية في البروتينات البنية الأولية للبولي ببتيد بالإضافة إلى الشكل العام للبروتين.
  • عبارة استبعاد: بنية جزيئية للأحماض الأمينية تقع خارج نطاق امتحان AP.
• 1.7.A.4 تتشكل الهياكل الثانوية للبروتينات من خلال الطي المحلي الذي ينتج عن تفاعلات بين ذرات العمود الفقسي للبولي ببتيد لسلسلة الأحماض الأمينية. يشكل الارتباط الهيدروجيني أشكالًا مثل الحلزونات ألفا والأوراق المطوية بيتا.
• 1.7.A.5 ينتج الشكل ثلاثي الأبعاد للهياكل الثالثية للبروتين من تكوين الروابط الهيدروجينية، والتفاعلات الكارهة للماء، والتفاعلات الأيونية، أو الجسور ثنائية الكبريت.
• 1.7.A.6 تنشأ البنية الرباعية من التفاعلات بين عدة بولي ببتيدات. تحدد جميع المستويات الأربعة لبنية البروتين وظيفة البروتين.