Kemijska osnova živoga svijeta

1. Kemijska osnova živoga svijeta

2. U živom svijetu vladaju iste zakonitosti kao i u neživom. • Životni procesi se zasnivaju na fizikalnim i kemijskim zakonitostima (a ne na nekim “životnim silama”). • Živi svijet je građen od istih kemijskih elemenata koji se nalaze u neživom svijetu. • Kemijski elementi koji izgrađuju živa bića nazivaju se biogeni elementi.

3. Biogeni elementi • Kemijski elementi koji izgrađuju živa bića nazivaju se - biogeni elementi: • Najviše zastupljeni: vodik, ugljik, dušik, kisik • Manje zastupljeni: fosfor, sumpor, kalcij, magnezij, kalij, natrij, željezo • Razlika u elementima između živog i neživog svijeta je samo u njihovoj količini.

4. Najviše

5. Među biogenim elementima ističe se ugljik – njegove molekule su toliko raznolike u strukturama, vezama, u kombinacijama s drugim strukturama, da su zbog toga i raznolikih kemijskih i fizikalnih svojstava, što omogućuje sustavu kojeg grade podatljivost i prilagodljivost okolini - a to je presudno za životne procese

6. Osim suhe tvari u kojoj je najveći maseni udio ugljika, vodika, kisika, dušika i fosfora, veliki dio mase organizma čini voda: 65-99%.

7. Voda • Život je nastao u vodi • Životni procesi se odvijaju u vodi

8. Svojstva vode 1. Voda je električni dipol. • Kisik jače privlači elektrone, pa je taj dio molekule nabijen negativno, a na strani vodika pozitivno. • Zbog nejednake raspodjele naboja, pozitivan kraj jedne molekule vode privlači negativni kraj druge – molekule se povezuju slabim vodikovim vezama.

9. Fizička svojstva vode 2. Kapilarnost je kretanje vode u uskom prostoru nasuprot djelovanju gravitacijske sile • Vodikove veze uzrokuju kohezijske sile koje drže vodu na okupu. • Vodikovim vezama voda se lako priljubljuje i na druge tvari- to je adhezija • A i K čine kapilarnost • Na granici sa zrakom kohezija ne djeluje jednoliko: na molekule na površini ne djeluju privlačne kohezijske sile molekula iznad njih (jer ih nema), pa voda poprima oblik kugle, voda se drži na okupu, a fenomen se naziva površinska napetost. Biljke

11. Svojstva vode Oceani apsorbiraju toplinsku energiju Sunca, Postupnim hlađenjem voda grije zrak 3. Voda u reguliranju topline • Voda ima visoku specifičnu toplinu (količina topline potrebna da masi od 1g povisi temperaturu za 10C): zahvaljujući tome ublažene su velike promjene temperature na Zemlji i omogućen život. • Voda isparuje: prekidaju se vodikove veze među molekulama, izlaze iz tekućine one molekule koje su se najbrže gibale, čime se smanjuje ukupna količina kinetičke energije tj. toplina preostale vode- u njoj dolazi do pada temperature. Isparivanje omogućuje hlađenje (lista, tijela).

12. 3. Voda u reguliranju topline Voda ima manju gustoću u krutom nego u tekućem stanju jer su molekule u ledu više razmaknute. Pri nižoj temperaturi voda prelazi u kruto stanje i pri tom se širi (anomalija vode)- za razliku od drugih tvari koje se hlađenjem smanjuju. Zato led pliva na vodi, pa organizmi koji žive ispod njega mogu preživjeti.

13. Svojstva vode 4. Voda otapalo (tekućina koja otapa druge molek.) • Voda otapa druge molekule i tako nastaju otopine: voda otapa i prenosi mineralne i hranidbene tvari u biljci; krv i tjelesne tekućine su otopine molekula i iona. • Voda se vodikovim vezama veže za druge električki nabijene makromolekule (velik dio vode u stanici je tako vezan). Tvari koje privlače vodu su hidrofilne, nepolarne molekule bez naboja su hidrofobne (grč.Hydor= voda).

14. Svojstva vode 5. Disocijacija vode • Molekule vode mogu se raspasti na ione H+ i OH-; to je disocijacija vode, događa se rijetko u čistoj vod: u njoj su koncentracije H+ i OH- iona jednake (a to je 10-7M). • Koncentracija iona H+ izražava se u obliku negat.logaritma – tj. kao pH vrijednost. • Otopljene tvari koje povisuju koncentraciju H+ su kiseline, baze je snizuju a povisuju koncentraciju OH- iona. • U živom organizmu pH vrijednosti kreću se od 6-8, i ne smiju se znatno mijenjati; u čovjekovoj krvi pH je 7,4, u citoplazmi 7, u želucu 1,5. • Također i promjena pH u atmosferi je štetna: ispušni plinovi se otapaju u atmosferskoj vodi, pa ako se pH spusti ispod 5,6, kiše postanu kisele i uzrokuju odumiranje šuma.

15. Biomolekule

16. Organske molekule Manje od 30 C atoma, Rel.molek.masa 100-1000 • Organski spojevi su molekule koje sadrže ugljik. • Male organske molekule ugrađuju se u veće, otopljene su u staničnoj tekućini ili su međuproizvod kemijskih reakcija. • Organske molekule koje izgrađuju živi svijet nazivaju se biomolekule: 4 osnovna tipa: ugljikohidrati, lipidi, bjelančevine, nukleinske kiseline.

17. U stanicama važnu ulogu imaju makromolekule. • Male organske molekule udružuju se u makromolekule: monomeri u polimere. • Podjedinice su vezane jačim kovalentnim i slabijim nekovalentnim vezama, veze su odgovorne za trodimenzionalnu građu.

18. 1. Ugljikohidrati • Monosaharidi (jednostavni šećeri) • Oligosaharidi (di-, tri-, tetra-) • Polisaharidi (višestruki šećeri) • To su najzastupljeniji organski spojevi na Zemlji jer grade biljke i gljive, a nalaze se i u životinjskom svijetu. • Naziv dobivaju zato što su građeni od ugljika, vodika i kisika u omjeru 1:2:1 - CH2O (kao da je ugljiku pripojena voda). Uloge: • Sadrže zalihe energije • Važni su u prometu i komunikaciji među stanicama, važni su u regulaciji staničnih procesa. • Oni su i građevne molekule.

19. 1.1. Monosaharidi • Jednostavni šećeri koji sadrže najmanje 3 C atoma. • Biološki su važni: šećeri s 5 C atoma- pentoze, šećeri s 6 atoma- heksoze. • Riboza i dezoksiriboza su pentoze koje grade nukleinske kiseline. • Glukoza je osnovna hranidbena molekula stanice, Ona je stanično gorivo. Slijedom oksidacijskih reakcija razgrađuje se sve do H2O i CO2, a pri tom se oslobađa energija potrebna za životne procese. Nastaje u zelenoj biljci fotosintezom. • Fruktoza je voćni šećer. • Galaktoza je šećer u majčinom mlijeku. • Formula ista, različit raspored atoma. C6H12O6

20. 1.2. Oligosaharidi • Disaharidi nastaju spajanjem 2 molekula jednostavnog šećera. • Saharoza=glukoza + fruktoza (šećer, med- š. trska i repa) • Laktoza=galaktoza + glukoza (mliječni šećer) • Maltoza=glukoza + glukoza (slad)

21. 1.3. Polisaharidi • Dugački UH lanci od mnoštva jednostavnih šećera. • Najpoznatiji: škrob, celuloza, glikogen, hitin- izgrađeni od glukoze.

22. Škrob služi kao zaliha hrane u biljaka jer veze kojima su molekule glukoze vezane u škrobu omogućuju da se lančana molekula savije i zapakira u obliku zrnaca. Škrob se nalazi u sjemenkama- izvor hrane za čovjeka. Sjemenke pšenice, kukuruza, riže

23. Celuloza je također polimer glukoze- molekule su tako povezane da čine čvrste dugačke niti, a one se organiziraju u paralelne snopove. Celuloza gradi pamučna vlakna, drvo, papir. • Čovjek ne može probaviti celulozu, nema enzime za kidanje veza među monomerima glukoze. Potiče peristaltiku crijeva

24. Glikogen je također izgrađen od monomera glukoze. Pohranjen je u mišićima i jetri kao zaliha energije za neposrednu uporabu.

25. Hitin izgrađuje tjelesni pokrov- hitinska kutikula- u kukaca i rakova, nalazi se u staničnoj stijenci gljiva.

26. 2. Lipidi • Skupina sadrži molekule različite kemijske građe: masti, ulja, fosfolipidi, steroidi. Zajedničko im je- netopljivost u vodi, topljivost u organskim otapalima. • Uloga: uskladištenje energije, izgradnja bioloških membrana, prijenos signala među stanicama.

27. 2.1. Masti i ulja • Masti i ulja su trigliceridi, esteri alkohola glicerola i tri molekule viših masnih kiselina (masne kiseline su dugačke molekule koje na jednom kraju imaju kiselinsku skupinu, a na drugom metilnu). • Masti imaju zasićene, a ulja nezasićene masne kiseline. • Masne kiseline su hranidbene molekule. Njihovom razgradnjom oslobađa se korisna energija. Odrasli čovjek pohranjuje masti kao zalihu energije.

28. 2.2. Fosfolipidi • To su građevne jedinice biomembrana, tj. tankih opni koje obavijaju stanice ili organele. • Sastoje se od glicerola na koji su vezane 2 molekule masnih kiselina, a za treću OH skupinu veže se fosfatna kiselina. • Uz fosfat se vežu druge hidrofilne skupine, taj dio molekule privlači vodu. • Dio molekule gdje su masne kiseline nema naboja, odbija vodu. • Takve molekule s jednim hidrofilnim krajem i drugik hidrofobnim nazivaju se amfipatske.

29. 2.3. Steroidi • Među steroidima je najvažniji spoj kolesterol – nalazi se u membranama životinjskih stanica, u živčanom tkivu, u krvnoj plazmi. On je ishodišna formula u sintezi hormona, signalnih i regularnih molekula, u sintezi spolnih hormona, testosterona i estrogena, kortikosteroidnih hormona, vitamina A,D,E. • Hrana bogata zasićenim mastima može izazvati povišen kolesterol.

30. 3. Bjelančevine ili proteini • Građene su od aminokiselina u kojima su karboksilna i amino skupina vezane za isti atom ugljika. AK se povezuju međusobno peptidnim vezama. • Postoji tek oko 20 AK koje se međusobno kombiniraju i čine raznolike bjelančevine. • Osim po kombinaciji AK, proteini se razliku i po strukturi koje te AK zauzimaju u bjelančevini.

31. Uloge proteina: izgrađuju stanice i izvanstaničnu tvar, usklađuju i ubrzavaju kemijske reakcije (enzimi), upravljaju djelovanjem gena, prenose informacije- djeluju kao signalne molekule, omogućuju obranu organizma protiv zaraze.

32. U čovjekovom organizmu, primjeri: • Protein koji izgrađuje: kolagen- gradi vezivo i hrskavicu; proteini koji grade mišićna vlakna. • Enzimi: djeluju u stanicama, djeluju izvan stanica- npr. u probavnom traktu razgrađuju škrob, proteine, laktozu. • Proteini reguliraju aktivnost gena jer određuju kad će koji gen biti aktivan. • Proteini su ključni za imunosni odgovor čovjeka na viruse ili bakterije.

33. U skupini proteina ističu se enzimi- proteini koji ubrzavaju kemijske reakcije u stanici, pa se zato nazivaju još i – biokatalizatori. • Enzim ima aktivno mjesto kojim se veže na supstrat i djeluje na njega.

34. 4. Nukleinske kiseline • Grade nasljednu tvar, tj. grade gene. 4.1. Deoksi ribo nukleinska kiselina (DNA, DNK) Sastoji se od 2 dugačka lanca koja se zavojito obavijaju jedan oko drugoga poput dvostruke zavojnice. Svaki lanac sastoji se od mnogo nukleotida, nukleotid se sastoji od šećera deoksiriboze, fosfata, i od dušične baze. Baze su prstenaste molekule s dušikom: pirimidinske citozin i timin, purinske gvanin i adenin.

35. Dva polinukleotidna lanca međusobno su vezana vodikovim vezama između odgovarajućih baza. • Komplementarne baze su: adenin s timinom, citozin s gvaninom. • To specifično sparivanje baza vrlo je bitno svojstvo DNA koje omogućuje nasljeđivanje.

36. 4.2. Ribo nukleinska kiselina (RNA, RNK) Također se sastoji od polinukleotida, ali to je jednolančana molekula. Svaki lanac sastoji se od mnogo nukleotida, nukleotid se sastoji od šećera riboze, fosfata, i od dušične baze. Baze su prstenaste molekule s dušikom: pirimidinske citozin i uracil, purinske gvanin i adenin.

37. RNA je jednolančana. Baze 1 lanca međusobno se povezuju- vodikovim vezama. • 3 tipa RNA: Glasnička, messenger- mRNA Prijenosna, transfer- t RNA Ribosomska- rRNA

38. 4.3. Osim u građi nukleinskih kiselina nukleotidi sudjeluju u izgradnji još jednog vrlo važnog spoja: • Adenozin trifosfat (ATP)- to je nukleotid koji sadrži veze vrlo bogate energijom, kidanjem tih veza oslobađa se energija koja pokreće druge kemijske reakcije.