Skład chemiczny organizmów - Kompletne Notatki

Podział i znaczenie pierwiastków chemicznych

• Skład organizmów:

  • Organizmy zbudowane są z pierwiastków chemicznych, których atomy tworzą jony lub cząsteczki związków nieorganicznych (woda, sole mineralne) oraz organicznych (związki węgla powstające w organizmach).

  • W skład organizmów wchodzi ponad $20$ pierwiastków chemicznych.

• Klasyfikacja pierwiastków (ze względu na zawartość w suchej masie komórek):

  • Makroelementy: ich zawartość wynosi $0,01\%$ lub więcej suchej masy komórek. Zaliczamy do nich:

    • Pierwiastki biogenne: węgiel ($C$), wodór ($H$), tlen ($O$), azot ($N$), siarkę ($S$) i fosfor ($P$).

    • Pozostałe makroelementy: wapń ($Ca$), magnez ($Mg$), potas ($K$), sód ($Na$), chlor ($Cl$).

  • Mikroelementy: ich zawartość wynosi poniżej $0,01\%$ suchej masy komórek (np. żelazo, miedź, jod, fluor, kobalt).

• Definicja suchej masy:

  • Sucha masa: masa organizmów lub ich części po wysuszeniu (odparowaniu wody), wyrażona w jednostkach masy (np. w gramach $g$).

• Szczegółowa rola pierwiastków biogennych:

  • Są głównymi składnikami związków organicznych budujących wszystkie organizmy.

  • Węgiel ($C$): pierwiastek o kluczowym znaczeniu. Atomy węgla tworzą między sobą stabilne wiązania, tworząc szkielety węglowe (podstawowe elementy strukturalne związków organicznych). Tworzą też wiązania z $H$, $O$ i $N$.

  • Azot ($N$): występuje głównie w białkach i kwasach nukleinowych.

  • Siarka ($S$): składnik niektórych aminokwasów budujących białka.

  • Fosfor ($P$): wchodzi w skład nukleotydów, kwasów nukleinowych, fosfolipidów oraz fosfoprotein.

• Średnia procentowa zawartość pierwiastków w organizmach:

  • Tlen ($O$): $65\%$

  • Węgiel ($C$): $18\%$

  • Wodór ($H$): $10\%$

  • Azot ($N$): $3\%$

  • Wapń ($Ca$): $2\%$

  • Fosfor ($P$): $1\%$

  • Inne pierwiastki: $1\%$

Funkcje wybranych makro- i mikroelementów

• Makroelementy:

  • Wapń ($Ca^{2+}$, $CaCO_3$):

    • Niezbędny do funkcjonowania komórek nerwowych i mięśniowych.

    • Bierze udział w procesie krzepnięcia krwi.

    • Składnik ściany komórkowej u roślin.

    • Składnik szkieletów zwierząt.

  • Magnez ($Mg^{2+}$, związki organiczne):

    • Aktywator wielu enzymów.

    • Uczestniczy w składaniu podjednostek rybosomów.

    • Składnik chlorofilu.

  • Potas ($K^+$):

    • Przewodzenie impulsów nerwowych.

    • Składnik płynów ustrojowych.

    • U roślin: aktywator enzymów i wpływ na uwodnienie komórek.

  • Sód ($Na^+$):

    • Przewodzenie impulsów nerwowych.

    • Ważny składnik płynów ustrojowych.

    • Odpowiada za równowagę wodno-mineralną.

  • Chlor ($Cl^-$):

    • Równowaga wodno-mineralna.

    • Składnik kwasu solnego ($HCl$) w soku żołądkowym.

• Mikroelementy:

  • Żelazo ($Fe$, związki organiczne):

    • Składnik białek złożonych transportujących tlen (hemoglobina) lub magazynujących go (mioglobina).

    • Składnik enzymów biorących udział w fotosyntezie i oddychaniu tlenowym.

  • Jod ($I$, związki organiczne):

    • Składnik hormonów tarczycy.

  • Miedź ($Cu$, związki organiczne):

    • Składnik wielu enzymów.

    • Składnik hemocyjaniny (barwnik u bezkręgowców transportujący tlen).

  • Kobalt ($Co$, związki organiczne):

    • Składnik witaminy $B_{12}$ (produkcja krwi, biosynteza kwasów nukleinowych i węglowodanów).

  • Fluor ($F$, sole nieorganiczne):

    • Składnik szkliwa zębów.

Rodzaje oddziaływań chemicznych

• Podział oddziaływań:

  • Wiązania chemiczne (silne): łączą atomy w cząsteczki.

  • Oddziaływania międzycząsteczkowe (słabe): przyciąganie lub odpychanie wolnych atomów/cząsteczek.

  • Siła oddziaływania zależy od ilości energii potrzebnej do jego zlikwidowania.

• Wiązania chemiczne:

  • W ich tworzeniu uczestniczą elektrony walencyjne.

  • Rodzaj zależy od elektroujemności ($\Delta E$ - zdolność przyciągania elektronów).

  • Wiązanie kowalencyjne: powstaje przez utworzenie wspólnych par elektronowych.

    • Niespolaryzowane ($\Delta E = 0$): para należy w jednakowym stopniu do obu atomów (np. $H_2$).

    • Spolaryzowane (0 < \Delta E \le 1,7): para przesunięta w stronę jądra o większej elektroujemności; powstaje dipol elektryczny z ładunkami cząstkowymi $\delta^-$ i $\delta^+$ (np. $H_2O$).

  • Wiązanie jonowe (\Delta E > 1,7): polega na oderwaniu elektronów przez bardziej elektroujemny atom. Powstają jony: anion (ujemny) i kation (dodatni), które przyciągają się (np. $NaCl$).

• Oddziaływania międzycząsteczkowe:

  • Utrzymują strukturę przestrzenną dużych cząsteczek organicznych (białek, kwasów nukleinowych).

  • Dipol-dipol i jon-dipol: przyciąganie różnoimiennych biegunów miedzy polaranymi cząsteczkami lub jonami a dipolami (np. $Na^+$ i woda).

  • Wiązania wodorowe: między wodorem ($\delta^+$) a silnie elektroujemnym atomem (tlen $O$, azot $N$). Słabe, ale liczne decydują o właściwościach substancji.

  • Siły van der Waalsa: między cząsteczkami niepolarnymi; elektrostatyczne przyciąganie chwilowych dipoli (np. umożliwiają gekonom chodzenie po szybach).

  • Oddziaływania hydrofobowe: powstają w środowisku wodnym, gdy cząsteczki niebędące dipolami (np. tłuszcze) układają się tak, by mieć minimalny kontakt z wodą. Kluczowe dla tworzenia błon biologicznych.

Właściwości i znaczenie wody

• Budowa cząsteczki wody:

  • Atom tlenu połączony z dwoma atomami wodoru wiązaniami kowalencyjnymi spolaryzowanymi.

  • Kąt między wiązaniami wynosi $104,5^\circ$.

  • Woda jest dipolem elektrycznym.

• Kluczowe właściwości fizykochemiczne wody:

  • Przezroczystość: umożliwia przenikanie światła do głębokości ok. $400\,m$ (fotosynteza w zbiornikach wodnych).

  • Doskonały rozpuszczalnik: dla związków polarnych; tworzy środowisko reakcji chemicznych.

  • Mniejsza gęstość w stanie stałym niż w ciekłym: największa gęstość wody występuje w temperaturze $4^\circ C$. Lód jest lżejszy i utrzymuje się na powierzchni, chroniąc wodę przed zamarzaniem do dna (przetrwanie organizmów zimą).

  • Gęstość większa niż powietrza: umożliwia utrzymywanie się dużych organizmów (np. waleni).

  • Wysokie ciepło właściwe: chroni przed nagłymi zmianami temperatury otoczenia.

  • Wysokie ciepło parowania: funkcja termoregulacyjna (parowanie potu chłodzi ciało).

  • Spójność (kohezja) i przyleganie (adhezja): kohezja (odporność na rozerwanie słupa wody) i adhezja (przyleganie do powierzchni naładowanych) umożliwiają transport wody w górę kapilar (np. w naczyniach roślin).

  • Wysokie napięcie powierzchniowe: tworzy elastyczną błonkę na powierzchni (utrzymywanie się małych owadów).

• Substancje hydrofilowe i hydrofobowe:

  • Hydrofilowe: mają duże powinowactwo do wody, polarne lub jonowe (np. $NaCl$, cukry proste, alkohole).

  • Hydrofobowe: małe powinowactwo do wody, niepolarne (np. tłuszcze, węglowodory).

Sole mineralne i ich funkcje

• Występują jako jony rozpuszczalne lub nierozpuszczalne kryształy.

• Funkcje:

  • Regulacja stężenia wody i uwodnienia komórek (np. $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$ zmniejszają płynność cytozolu; $Na^+$, $K^+$ ją zwiększają).

  • Aktywacja enzymów.

  • Wymiana substancji między komórką a otoczeniem.

  • Przewodzenie impulsów nerwowych.

  • Układy buforowe: (np. bufor węglanowy) utrzymują stałe pH płynów ustrojowych poprzez przyjmowanie lub oddawanie jonów wodorowych.

• Ważne jony w płynach ustrojowych:

  • Kationy: $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$, $Na^+$, $K^+$.

  • Aniony: $Cl^-$, $HCO_3^-$ (wodorowęglanowy), $H_2PO_4^-$ (diwodorofosforanowy(V)).

• Funkcja budulcowa: węglany i fosforany wapnia budują szkielety (np. muszle ślimaków, szkielety koralowców).

Budowa i rodzaje związków organicznych

• Charakterystyka:

  • Węgiel jest czterowartościowy i tworzy proste, rozgałęzione łańcuchy lub pierścienie.

  • Za reaktywność odpowiadają grupy funkcyjne.

• Główne grupy związków organicznych:

  • Sacharydy (cukry),

  • Lipidy (tłuszczowce),

  • Białka,

  • Kwasy nukleinowe.

• Polimeryzacja:

  • Łączenie monomerów w polimery drogą reakcji kondensacji (powstaje cząsteczka wody).

  • Makrocząsteczki (ponad $1000$ atomów): polisacharydy, białka, DNA.

• Wybrane grupy funkcyjne:

  • Hydroksylowa ($-OH$): alkohole (np. etanol), sacharydy (np. glukoza).

  • Karbonylowa:

    • Aldehydowa ($-CHO$): aldehydy, aldozy (np. glukoza).

    • Ketonowa (>C=O): ketony (np. aceton), ketozy (np. fruktoza).

  • Karboksylowa ($-COOH$ / $-COO^-$): kwasy karboksylowe (np. kwas palmitynowy), aminokwasy.

  • Aminowa ($-NH_2$ / $-NH_3^+$): aminokwasy, zasady azotowe (np. guanina).

|