|
|
|
 |
PODSTAWOWE PIERWIASTKI ŻYCIA:
Życie na Ziemi charakteryzuje się szczególnym uporządkowaniem procesów chemicznych, jakie zachodzą w organizmach żywych. Zbiór tych procesów ogólnie nazywa się procesami metabolicznymi lub szlakami metabolicznymi. Wszystkie szlaki metaboliczne, od najdrobniejszych form życia jak jednokomórkowe bakterie do największych i najbardziej złożonych jak ogromne ssaki, czy kopalne dinozaury, wykazują ogromne podobieństwo i to nie tylko w schemacie przemian chemicznych, ale także w strukturze środowiska reakcyjnego (niektóre białka enzymatyczne bakterii z powodzeniem można przenosić do komórek wszystkich eukariontów, gdzie prawidłowo spełniają swoją funkcję – podjednostki ATP-azy czy oksydazy cytochromu C).
Podstawą takiej uniwersalności szlaków metabolicznych jest ograniczony zestaw pierwiastków budujących prawie wszystkie związki chemiczne żywych organizmów. Spośród ponad 90 znanych pierwiastków raptem 6 z nich stanowi prawie 99% całej materii ożywionej, a 4 z nich około 96%. Spośród wszystkich pierwiastków, zebranych przez Mendelejewa w okresowym układzie pierwiastków, na stałe w organizmach żywych występuje 14 z nich. Cztery najważniejsze pierwiastki (tlen, węgiel, wodór i azot) to tak zwane pierwiastki biogenne. Wapń, fosfor, potas, siarka, sód, magnez to makroelementy. Reszta pierwiastków, która występuje w śladowych ilościach to tak zwane mikroelementy. Jednak chemiczną podstawą materii ożywionej jest węgiel, który tworzy chemiczne szkielety wszystkich organicznych związków chemicznych – stąd chemia organiczna nazywana jest również chemią węgla.
Tlen 65%
Węgiel 18%
Wodór 10%
Azot 3%
Wapń 1,5%
Fosfor 1%
Potas, siarka, sód, magnez, chlor Około 1%
Żelazo, jod, mangan, cynk, miedź, kobalt, fluor, molibden, selen Śladowe ilości
Pierwiastek według definicji jest to najprostsza forma substancji chemicznej, której nie da się rozłożyć na substancje prostsze na drodze zwykłych reakcji chemicznych. Każdy pierwiastek stanowią identyczne elementy zwane atomami. Przykładowo pierwiastek substancji X składa się wyłącznie z atomów X posiadających identyczną liczbę protonów w jądrze. Atom jest najmniejszą porcją pierwiastka. Każdy atom składa się z jądra atomowego oraz krążących wokół jądra elektronów. Jądro zbudowane jest z protonów (posiadają ładunek elektryczny dodatni) i neutronów (nie posiadają ładunku elektrycznego) (wyjątek stanowi wodór – jądro składa się tylko z protonu) – protony nadają mu ładunek dodatni.
Elektrony jako cząstki elementarnie naładowane ujemnie są silnie przyciągane przez jądro, jednak powiadają taką energię, że nie „przyklejają” się do jądra (jak szpilki do magnesu) lecz krążą wokół jądra jak planety wokół gwiazd w układach gwiezdnych. Podobnie jak planety krążące wokół centralnych gwiazd krążą w różnych odległościach, tak elektrony również zajmują różne orbity w różnych odległościach od jądra atomu. Elektrony jednak krążą tak szybko, i mają taką małą masę, iż bardzo trudno jest ocenić w danym momencie gdzie dokładnie one się znajdują w atomie. Zaważono jednak, że w każdym atomie poszczególne orbity elektronów i krążące na nich elektrony zachowują się podobnie – np. na orbicie najbliżej jądra mogą krążyć maksymalnie tylko dwa elektrony, im dalej tym więcej, elektrony na każdej robicie krążą w przeciwległych kierunkach itp. Na tej podstawie wyznaczono wokół jąder atomów pewne obszary, w których jest największe prawdopodobieństwo znalezienia tam elektronu – obszary te nazwano powłokami elektronowymi. Powłoki elektronowe mają różne kształty ze względu na tory jakimi poruszają się na ich obszarze elektrony (temat ten zostanie szerzej omówiony w dziale chemicznym).
Atomy składające się na dany pierwiastek różnią się miedzy sobą liczbą protonów (liczbą atomową) i neutronów w jądrze (liczbą masową – suma protonów i neutronów w jądrze) oraz liczbą elektronów krążących na powłokach wokół jądra. Te cechy stały się podstawą klasyfikacji pierwiastków w różnych typach układów okresowych. Każdy pierwiastek otrzymał nazwę oraz jedno lub dwuliterowy symbol pochodzący od łacińskiej nazwy pierwiastka (np. węgiel ma symbol C od łacińskiej nazwy Carboneum, Tlen O – Oxygenium, złoto Au – Aurum, ołów Pb – Plumbum itd. Istnieje jeden pierwiastek odkryty przez Marię Skłodowską-Curie nazwany na cześć Polski – Polon (Po)).
Liczba elektronów krążących po popłochach i protonów w jądrze danego atomu jest zawsze w stanie normalnym taka sama, czyli sumaryczna liczba ładunków dodatnich i ujemnych jest jednakowa, co powoduje, że atomy w stanie normalnym są neutralne. Jednak czasem zdarza się że niektóre elektrony z ostatnich powłok zostają oderwane od atomu lub jeżeli powłoka może pomieścić więcej elektronów niż w stanie normalnym się na niej znajduje atom może przyjąć kilka elektronów. Wtedy normalnie neutralny atom nabiera ładunek elektryczny odpowiadający przewadze danych cząstek (jeżeli odda 2 elektrony jest przewaga w atomie dwóch protonów naładowanych dodatnio i atom przybiera ładunek +2, po przyjęciu 5 elektronów atom będzie miał ładunek -5). Takie naładowane atomy nazywa się jonami – naładowane dodatnio to kationy, ujemnie – aniony.
Atomy tych samych pierwiastków mogą również różnić się liczbą neutronów w jądrze. Takie atomy nazywa się izotopami. Atomy mogą tracić neutrony wraz z upływem czasu. Utrata neutronu powoduje wydzielenie pewnej dawki energii w postaci promieniowania – zjawisko to nazywa się promieniotwórczością pierwiastka. Atomy niektórych pierwiastków mogą rozpadać się (tracić neutrony) bardzo szybko (np. wzbogacony uran, pluton, polon) a niektóre przez tysiące lat (np. węgiel). Taki długi czas rozpadu jest podstawą do oznaczania wieku wielu skamielin.
Każdy atom składa się z różnej proporcji tych samych cząstek elementarnych i to stanowi o ich różnych właściwościach chemicznych (najprawdopodobniej istnieje ponad 120 różnych atomów, jednak wiele z nich jest jeszcze nie poznanych). Atomy różnych pierwiastków mogą łączyć się ze sobą również w różnych proporcjach tworząc związki chemiczne (np. woda, dwutlenek węgla, aminokwasy), a te z kolei mogą łączyć się w większe kompleksy - daje to praktycznie nieograniczoną kombinację różnych połączeń i mimo tego, iż życie opiera się tylko o kilka podstawowych pierwiastków jego różnorodność form stale zadziwia. Jednak różnorodność form całej istniejącej materii chyba nigdy nie zostanie poznana.
Przykładowe pytania maturalne (egzamin ustny) dotyczące powyższego artykułu.
-Co to są mikroelementy, makroelementy i pierwiastki biogenne?
-Dlaczego chemia organiczna nazywana jest „chemią węgla” i jakie ma to znaczenie dla organizmów żywych?
-Jakie jest chemiczne podłoże różnorodnych form uniwersalność szlaków metabolicznych organizmów żywych?
PODSTAWOWE ZWIĄZKI MINERALNE ŻYCIA:
Wszystkie substancje chemiczne dzieli się generalnie na dwie grupy: związki organiczne i nieorganiczne. Związki organiczne przede wszystkim są ogólnie pojętymi budulcami organizmów żywych i ognich pochodzą (co prawda pełnią nie tylko funkcje stricte budulcową, też i enzymatyczną, regulatorową, energetyczną, jednak ogólnie rzecz biorąc składają się na całokształt budowy organizmów żywych). Jednak do życia nie wystarczają jedynie substancje organiczne. W obiegu metabolicznym spotyka się bardziej lub mniej licznie różne związki mineralne (związki mineralne są to wszystkie substancje chemiczne, których nie zalicza się do związków organicznych, czyli te, które mogą mieć pochodzenie nieorganiczne i ich podstawowym składnikiem nie musi być węgiel). Najczęściej i niezaprzeczalnie najważniejszym związkiem mineralnym życia jest woda. Składa się z dwóch atomów wodoru połączonych jednym atomem tlenu (H2O).
Woda poza bezpośrednim udziałem w reakcjach chemicznych tworzy główne środowisko wszystkich przemian biochemicznych warunkujących życie. Można powiedzieć, że woda jest środowiskiem życia – a ta dwubiegunowość jest kluczową właściwością fizyczną cząsteczek wody w tworzeniu środowiska przemian metabolicznych. Ze względu na dwubiegunowość cząsteczki wody przyciągają się wzajemnie (przyciągają również inne cząsteczki będące dipolami), a z racji tego, że są małe i bardzo ruchliwe niewielka porcja energii jest w stanie oderwać od siebie dwie cząsteczki wody. Ta równowaga między przyciąganiem, a ruchliwością cząsteczek wody w temperaturze powyżej 0°C powoduje że woda ma konsystencję ciągłą, ale nie jest ciałem stałym. Poniżej 0°C energia cząsteczek wody spada do tego stopnia, że tworzą się kryształy ciała stałego – lodu. Jeżeli natomiast energia cząsteczki wzrośnie powyżej pewnego stanu krytycznego odrywa się ona od innych cząsteczek i przechodzi w stan gazowy (parowanie). Dlatego wyższa temperatura sprzyja wysychaniu.
Woda paruje w każdej temperaturze nawet jako lód (sublimacja) ale tylko powierzchnią styczną do powietrza, natomiast wrze w temperaturze 100°C a to oznacza, że powyżej tej temperatury cząsteczki wody posiadają tak dużą energię, że ciesz zaczyna parować całą swoją objętością).
Dwutlenek węgla oraz tlen są gazami (w temperaturze powyżej 0°C). Tlen cząsteczkowy składa się z dwóch atomów tlenu (O2 O=O), natomiast dwutlenek węgla z jednego centralnego atomu węgla, do którego z dwóch stron symetrycznie przyłączone są atomy tlenu (CO2 O=C=O). Obie te substancje są ściśle związane z oddychaniem i fotosyntezą. Tlen jest silnym utleniaczem i służy do spalania glukozy („oddychanie komórkowe”) celem uzyskania energii natomiast dwutlenek węgla i woda są ubocznymi produktami tej reakcji. W przypadku fotosyntezy jest nieco odwrotnie – CO2 i H2 O są substratami służącymi do syntezy glukozy i dalej innych związków organicznych, natomiast ubocznym produktem reakcji redukcji jest tlen cząsteczkowy. Niektóre organizmy beztlenowe (np. bakterie beztlenowe) jako utleniacza używają innych substancji np. siarki produkując siarkowodór (H2 S) lub kwas siarkowy (H2 SO4). Dwutlenek węgla i wodą są więc substancjami mineralnymi stanowiącymi pierwszą część pomostu pomiędzy nieorganiczną a organiczną chemią życia.
Bardzo ważną rolę w procesach metabolicznych pełni kwas ortofosforowy (H3 PO4), którego reszta kwasowa (fosforan PO4 3-) stanowi bardzo ważny element wielu związków organicznych, od których zależy ciągłość życia:
-łączy poszczególne nukleotydy w kwasach nukleinowych – stanowi coś w rodzaju spoiwa każdego jednego elementu kwasów nukleinowych (DNA i RNA)
wiązania pomiędzy resztami fosforanowymi takich nukleotydów jak ATP i GTP są wysoko energetyczne i one stanowią o funkcji tych nukleotydów jako magazynów energii komórkowej
-wszystkie błony biologiczne zbudowane są z cząsteczek tłuszczu pozbawionych jednego z trzech kwasów tłuszczowych (cząsteczka tłuszczu to glicerol, który wiąże 3 cząsteczki kwasu tłuszczowego), a na jego miejscu przyłączana jest reszta fosforanowa – warunkuje to biegunowość hydrofobową cząsteczki, co jest podstawą i kluczową właściwością fizyczną błon biologicznych
Należałoby tu jeszcze wymienić wiele jonów stanowiących podstawę funkcjonowania wielu mechanizmów metabolicznych (głównie jony metali, Na, K – pompy protonowe, Ca – krzepliwość krwi, skurcz mięśni, budowa kości, immunologia, Mg, Fe – centralne jony chlorofilu i hemoglobiny, Zn, Cu – udział w centrach aktywnych enzymów i genetycznych mechanizmach regulacji), jednak właściwości tych jonów omawiane będą na bieżąco przy każdym mechanizmie.
W tym rozdziale należy jednak zaznaczyć rolę jonów wodoru w generowaniu różnic potencjałów elektrycznych (jest to motorem napędowym produkcji ATP – patrz „łańcuch oddechowy”) oraz determinowaniu kwasowości środowiska. Kwasowość środowiska mierzona jest w stopniach pH (0-14 – to jest umowna skala, teoretycznie jest możliwe jej przekroczenie, natomiast w praktyce spotyka się to niezmiernie rzadko i w sztucznych warunkach), które przelicza się za pomocą logarytmu normalnego ze stężenia procentowego jonów wodorowych w roztworze. Jeżeli jonów jest dużo (np. 0,01 = 1%) wtedy ujemny logarytm naturalny ze stężenia jest mały ( -ln [1 * 10-2] = 2), ale określa wysoką kwasowość (pH = 2). Jeżeli natomiast stężenie jonów wodorowych jest bardzo małe (0,0000000001 = 1*10-10) wtedy ujemny logarytm naturalny ze stężenia ma wartość wysoką, ale określa niską kwasowość (-ln [1 * 10-10] = 10; pH =10). Czysta woda również zawiera w sobie jony wodoru powstałe w wyniku częściowego rozpadu cząsteczki wody
H2O ← → H+ + OH-
Stężenie jonów wodorowych w czystej wodzie wynosi 1*10-5%, czyli 1*10-7, więc pH czystej wody, a zarazem pH neutralne wynosi 7, pH=7. pH środowiska określa kierunek i szybkość wielu reakcji chemicznych oraz warunkuje ich przebieg.
|
| Dzisiaj stronę odwiedziło już 3 odwiedzający (4 wejścia) tutaj! |
|
 |
|
|
