Kemijski sastav stanice (voda, ugljikohidrati, lipidi)
Uvod
Živa i neživa priroda izgrađene su od istih kemijskih elemenata, zastupljenih u različitim omjerima i u različitim spojevima.
Biogeni elementi u organizmu
- uloge bitnih biogenih elemenata u živim bićima
Kemijski elementi koji izgrađuju živa bića nazivaju se biogeni elementi.
Najzastupljeniji biogeni elementi u živim bićima jesu kisik (O), ugljik (C), vodik (H) i dušik (N).
Kisik s vodikom najvećim dijelom čini vodu, a s ugljikom i dušikom te s fosforom (P) i sumporom (S) izgrađuju većinu bioloških makromolekula.
Za normalno funkcioniranje organizma bitni su i kemijski elementi koji se u tijelu nalaze u manjim količinama. To su elementi u tragovima i unatoč iznimno maloj zastupljenosti, imaju bitnu ulogu u pojedinim životnim procesima poput cinka (aktivnost mnogih enzima) i bakra (stanično disanje). Neki pak kemijski elementi, koji su u većim koncentracijama vrlo otrovni za živa bića, u manjim su količinama bitni za zdravlje poput selena (aktivnost štitnjače).
Atomi se mogu vezati u kemijske spojeve. U prirodi nalazimo anorganske i organske spojeve.
Voda je najbitnija i količinski najzastupljenija anorganska molekula u organizmima. Osim vode, u tijelu organizama, primjerice čovjeka, zastupljene su i druge anorganske tvari u obliku soli (minerala, elektrolita) i kiselina. Većinom su to tvari koje se otapanjem razlažu (disociraju) na katione i anione. Mnogi od njih ulaze u sastav bioloških molekula, primjerice ioni željeza u hemoglobinu, kobalta u vitaminu B12 i dr. Uz njihovu prisutnost odvijaju se mnogi biokemijski procesi u stanicama (primjerice stvaranje električnoga potencijala koji omogućuje prijenos živčanoga impulsa). U koštanim stanicama nalazi se dosta kalcijeva fosfata. Od anorganskih kiselina najpoznatija je klorovodična kiselina koja nastaje u žljezdanim stanicama želudca.
Organske su molekule kemijski spojevi koji uvijek sadržavaju atome ugljika i vodika. One određuju strukturu živih bića.
Organske molekule u živim bićima grade veće molekule koje se nazivaju makromolekule (polimere). Manje molekule od kojih su izgrađeni polimeri nazivaju se monomeri.
Anorganski spojevi u živim bićima
Voda
- građu molekule vode i njezina svojstva nužna za održavanje života
Voda je jedan od najčešćih kemijskih spojeva na Zemlji te je možemo naći u svim trima agregacijskim stanjima. To je tvar bez koje život, kakav poznajemo, ne bi bio moguć. Dvije trećine Zemljine površine prekriva voda, stoga je još nazivamo vodeni planet.
Pogledaj videozapis koji prikazuje važnost vode za svakodnevni život, a zatim ćeš se upoznati s njenom građom i ulogama.
Građa molekule vode
Molekula vode sadržava dva atoma vodika koji su kovalentnom vezom vezani za jedan atom kisika. Ona je molekula neutralnog naboja, ali raspored elektrona u njoj nije jednolik. Atom kisika u većoj je mjeri okružen elektronima nego su atomi vodika. Zato dio molekule s atomima vodika nosi pozitivniji naboj (pozitivan pol) od dijela s atomom kisika (negativan pol).
Molekule dipola imaju težnju da se elektrostatski međusobno vežu – negativan pol jedne molekule za pozitivan pol druge. U slučaju vode dva se elektronegativna kisikova atoma povezuju preko pozitivnije nabijenog atoma vodika. Takav tip veza nazivamo vodikovim vezama.
Mnoga fizička svojstva vode (kohezija, adhezija, kapilarnost, površinska napetost, visoko talište i vrelište, visoki specifični toplinski kapacitet) nužna za održavanje života na Zemlji proizlaze upravo iz ostvarivanja brojnih i stabilnih vodikovih veza. Osim fizičkih, za život na Zemlji bitna su i neka kemijska svojstva vode (otapalo polarnih iona, pH-vrijednost).
1. Kohezija i adhezija
2. Kapilarnost
Kapilarnost je svojstvo vode da se u uskim cjevčicama uzdiže unatoč sili gravitacije. Molekule vode povezuju se sa stijenkom cijevi zbog adhezije, a molekule u sredini povezuju se s rubnim molekulama vode zbog kohezije. Budući da se rubne molekule drže za staklo koje je čvrsto, one će biti stabilnije od molekula koje se u sredini cjevčice drže samo jedne za druge. Tako će u sredini površina vode biti nešto niža nego na rubovima kao što će i sredina visećeg mosta biti niža od rubnog mjesta. Takvo udubljenje na površini vode nazivamo meniskus.
Visina uzdizanja vode ovisi o sili adhezije s jedne strane te gravitacijskoj sili s druge. Upravo zato će se voda uzdizati više što je cjevčica uža. U uskim je cjevčicama masa vode manja, stoga je slabija sila vuče prema dolje dok istovremeno sila adhezije ostaje gotovo ista.
Kapilarnost je neizmjerno bitna u prijenosu vode iz korijena biljke prema njezinim listovima te tako omogućuje procese fotosinteze.
3. Površinska napetost
Površinska napetost jest svojstvo površine vode da se odupire vanjskim silama. Ona omogućuje nekim predmetima da plutaju na površini vode iako imaju veću gustoću od nje. Zbog sila kohezije molekule vode na površini će imati težnju stiskati se prema unutrašnjosti čime stvaraju sferične oblike (poput već spomenutih kapi). Molekule vode na površini se zato međusobno zbijaju i daju veći otpor silama izvana. Što je veća površina predmeta, to će otpor površine vode biti veći.
4. Visoko talište i vrelište
Budući da su molekule vode međusobno vezane četirima vodikovim vezama, potrebno je dovesti više energije da se te veze raskidaju.
Molekule vode razdvajaju se pri mnogo višim temperaturama nego ostale molekule sličnih molekulskih masa. Na Zemlji je zato većina vode u tekućem agregacijskom stanju.
Klikni na karticu i saznaj više o tome što je anomalija vode.
Gustoća je vode najviša pri temperaturi od + 4 °C. Takvu pojavu nazivamo anomalija vode. To je vrlo bitno svojstvo vode za preživljavanje vodenih organizama zimi kad se samo površina vodenih ekosustava zaledi. U dubljim slojevima nalazi se voda u tekućem agregacijskom stanju na + 4 °C gdje oni mogu preživjeti.
5. Visoki specifični toplinski kapacitet
Voda ima veoma visok specifični toplinski kapacitet. To znači da je potrebno mnogo više topline dovesti vodi da se zagrije za 1 °C nego istoj masi neke druge tvari, primjerice željezu.
Voda se stoga vrlo sporo hladi i zagrijava. To je bitno svojstvo za život u vodenim ekosustavima te za postanak života u vodi. Prevelike i prebrze razlike u temperaturi lako bi uništile pokušaje razvoja primitivnih oblika života u davnoj prošlosti Zemlje ili mnoge osjetljive organizme koji danas žive u velikim oceanima, morima i vodama na kopnu.
6. Polarno otapalo
Svojstva vode kao otapala bitna su za metaboličke reakcije živih bića. Sve molekule koje sudjeluju u takvim reakcijama moraju doći u kontakt jedna s drugom, što u krutom stanju i na zraku neće uspjeti. Zato sva živa bića imaju velik udio vode u organizmu. Količina vode u tijelu čovjeka ovisi o dobi. Odrasla osoba ima oko 60 % vode, djeca pak imaju nešto više vode, a u starijih se ljudi količina vode u organizmu smanjuje.
Klikni na kartice i saznaj više o tome koje se tvari otapaju u vodi, a koje ne.
U vodi se otapaju mnogi ionski spojevi, primjerice soli i polarne tvari poput alkohola i šećera. Takve tvari nazivamo hidrofilnima (grč. hidor – voda, fileo – volim).
Nepolarne tvari poput masti i ulja ne otapaju se u vodi i takve tvari nazivamo hidrofobnima (grč. hidor – voda, fobos – bijeg, strah). Nepolarne tvari ne mogu se otopiti u vodi jer ne mogu s vodom stvarati vodikove veze.
7. pH- vrijednost
Voda spontano disocira na hidroksidni (OH-) i vodikov (H+) ion koji zatim s drugom molekulom vode čini hidronijev ili oksonijev ion (H3O+). U čistoj je vodi jednaka količina spomenutih iona, ali dodatkom kiselina ili lužina taj se omjer mijenja.
b) Anorganske tvari
Osim vode i organskih spojeva, organizme grade i različite anorganske tvari.
Organski spojevi u živim bićima
Ugljik je kemijski element koji se uz vodik nalazi u svim organskim spojevima.
Osim atoma ugljika i vodika u organskim spojevima mogu se javiti i brojni drugi atomi.
Klikni na kartice koje prikazuju niz atoma čijim spajanjem nastaju za život važne molekule.
C i O
Spajanjem C i O nastaju ugljikov(II) oksid (CO) i ugljikov (IV) oksid (CO2). CO2 je bitan za procese fotosinteze i disanja.
C, H i O
Spajanjem atoma C, H i O nastaje veliki broj alkohola, ugljikohidrata i lipida.
C, H, O i N
Spajanjem atoma C, H, O i N nastaje većina aminokiselina koje izgrađuju bjelančevine.
C, H, O, N i P
Spajanjem atoma C, H, O, N i P nastaju nukleinske kiseline DNA i RNA.
- podjelu, građu i uloge ugljikohidrata i lipida
Ugljikohidrati
Ugljikohidrati su organske molekule građene samo od atoma ugljika, vodika i kisika. Ime su dobile jer se navedeni atomi u molekulama nalaze većinom u omjeru CnH2nOn. Većinu naziva ugljikohidrata prepoznat ćeš po nastavku -oza (glukoza, saharoza, celuloza).
Klikni na karticu i saznaj najvažnije uloge ugljikohidrata u živim bićima.
Uloge ugljikohidrata u živim organizmima vrlo su raznolike i nužne.
1. Izvor energije. Najpoznatija uloga ugljikohidrata jest pohrana energije u njihovim kemijskim vezama. Zato su ugljikohidrati bitni u svakodnevnoj prehrani ljudi i ostalih živih bića.
2. Izgradnja organizama. Možda nije toliko očita uloga, ali ugljikohidrati su sastavni dijelovi nekih molekula poput molekule DNA, daju čvrstoću staničnoj stijenci biljaka i gljiva te izgrađuju oklop kukaca, rakova i pauka.
3. Komunikacija među stanicama. Svaka stanica na vanjskoj površini svoje membrane sadržava brojne manje ugljikohidrate po kojima se stanice međusobno prepoznaju. Tako se uloge različitih tkiva mnogostaničnih organizama usklađuju.
Sve ugljikohidrate možemo podijeliti na tri skupine: monosaharide, disaharide i polisaharide.
Monosaharidi
Monosaharidi su najjednostavniji ugljikohidrati prstenastih struktura. U ljudskom organizmu najčešće nalazimo monosaharide građene od pet i šest atoma ugljika. Monosaharidi građeni od pet atoma ugljika (5 C) zovu se pentoze, a oni građeni od šest atoma ugljika (6 C) zovu se heksoze.
Disaharidi
Disaharidi su ugljikohidrati građeni od dviju molekula monosaharida. Prema tome pripadaju i oligosahridima koji su inače građeni od dviju molekula monosaharida. Ugljikohidrati se međusobno povezuju glikozidnom vezom. Najčešći su disaharidi saharoza, laktoza i maltoza. Stvaranjem kemijske veze između dvaju monosaharida, osim molekule disaharida, nastaje i jedna molekula vode.
3. Polisaharidi
Polisaharidi su ugljikohidrati složeni od mnogo molekula monosaharida, najčešće dugih lanaca glukoze. Takvi lanci mogu sadržavati nekoliko stotina pa i tisuća monomera glukoze. Najčešći su polisahridi škrob, celuloza, glikogen i hitin.
U različitim organizmima nailazimo na dva načina skladištenja energije:
- u obliku ugljikohidrata i
- u obliku lipida.
Ugljikohidrati su predstavljeni glikogenom kao brzo dostupnim izvorom energije u mišićima i jetri. Zbog svoje kemijske strukture glikogen se vrlo lako i brzo razgrađuje na monosaharide glukoze, stoga je iznimno bitan pri naglim fizičkim naporima, ali se i jako brzo troši. Lipidne strukture u masnim naslagama teže se i mnogo sporije razgrađuju, no u istoj jedinici mase sadrže veću količinu energije. Služe kao dugotrajno skladište energije koje postupno oslobađa potrebnu energiju za vrijeme nepovoljnih uvjeta. Pri velikim fizičkim naporima čovjek troši mnogo više energije nego mu je dostupno u krvotoku. Kad se to dogodi, prvo se oslobađa energija iz glikogena u jetri, a tek nakon što se on potroši, troše se masne naslage.
Lipidi
Lipidi su raznolika skupina organskih spojeva kojima je zajedničko obilježje da nisu topivi u vodi, ali se dobro otapaju u organskim otapalima kao što je alkohol etanol. U lipide ubrajamo masti, ulja, fosfolipide, steroide i voskove.
Masti i ulja
Masti i ulja građeni su od trovalentnog alkohola glicerola i triju molekula masnih kiselina.
Masti i ulja razlikuju se prema masnim kiselinama koje sadržavaju. Naime, masne kiseline mogu biti zasićene i nezasićene.
Masti i ulja imaju bitnu ulogu kao spremište energije. Sjemenke mnogih biljaka (poput suncokreta, oraha, kikirikija i sezama) sadržavaju značajne količine ulja kojima se koriste kao izvorom energije prilikom klijanja. Ulja sjemenaka tih biljaka, ali i maslinovo ulje koje se dobiva od ploda masline, imaju ulogu u prehrani ljudi. Životinje koje žive u polarnim krajevima imaju debeo sloj potkožnoga masnog tkiva koje im služi kao toplinski izolator i spremnik energije.
Fosfolipidi
Fosfolipidi su građeni od trovalentnog alkohola glicerola, masnih kiselina i fosfatne skupine. Na dvije hidroksilne skupine glicerola vezane su masne kiseline, a na treću fosfatna skupina.
Steroidi
Steroidi nisu pravi polimeri. Građeni su od četiriju međusobno spojenih prstena sastavljenih od ugljikovih atoma. Razlikuju se prema funkcionalnim skupinama koje se vežu na taj zajednički kostur od ugljikovih atoma.
Voskovi
Za razliku od masti i ulja, u sastavu voska nije alkohol glicerol. Vosak nastaje reakcijom dugolančanog alkohola i masnih kiselina. Najpoznatiji je pčelinji vosak koji služi pčelama za izgradnju saća. Biljke poput biljaka slanuša na površini svojih listova izlučuju vosak kako bi se zaštitile od dehidracije (prevelikog gubitka vode).