Skład chemiczny organizmów i oddziaływania

Organizmy zbudowane są z tych samych pierwiastków, które występują w przyrodzie nieożywionej, ale w innych proporcjach i połączeniach. Związki nieorganiczne to przede wszystkim woda, która stanowi największą część masy większości komórek, oraz sole mineralne. Sole występują w organizmie w dwóch postaciach: rozpuszczone w płynach ustrojowych jako jony albo jako nierozpuszczalne złogi wzmacniające tkanki, np. w kościach i muszlach.

Związki organiczne mają szkielet z atomów węgla. Atom węgla tworzy cztery wiązania kowalencyjne, także z innymi atomami węgla, dlatego powstają z niego długie łańcuchy, rozgałęzienia i pierścienie - podstawa ogromnej różnorodności cząsteczek.

Duże cząsteczki organiczne zwykle składają się z wielu powtarzających się małych jednostek połączonych w łańcuch. Takie związki to polimery, a ich jednostki - monomery. Lipidy nie są polimerami: ich cząsteczki są znacznie mniejsze, choć zawierają długie łańcuchy węglowe.

Pierwiastki dzieli się według ilości, a nie znaczenia. Zawartość podaje się w suchej masie, bo ilość wody w organizmie jest zmienna - zależy od rodzaju tkanki, wieku i nawodnienia - a sucha masa pozwala rzetelnie porównywać różne tkanki i organizmy. Pierwiastki, których jest co najmniej $0{,}01\%$ suchej masy, to makroelementy, a te, których jest mniej - mikroelementy.

Wśród makroelementów wyróżnia się sześć pierwiastków biogennych, z których zbudowane są związki organiczne. Mikroelementów jest więcej, niż zwykle się wymienia - należą do nich także cynk i mangan, potrzebne do działania wielu enzymów.

Elektroujemność to zdolność atomu do przyciągania elektronów tworzących wiązanie. Wśród pierwiastków biogennych najbardziej elektroujemny jest tlen, potem azot, a najmniej - wodór i fosfor. Im większa różnica elektroujemności dwóch atomów, tym silniej wspólna para elektronowa przesuwa się w stronę jednego z nich.

W wiązaniu spolaryzowanym atom bardziej elektroujemny uzyskuje cząstkowy ładunek ujemny ($\delta^-$), a drugi - cząstkowy ładunek dodatni ($\delta^+$). Cząsteczka wody ma kształt kątowy, więc ładunki cząstkowe się nie znoszą i cała cząsteczka jest dipolem: biegun ujemny ma przy atomie tlenu, a dodatni przy atomach wodoru.

Wiązania $\ce{O-H}$ (różnica $3{,}5 - 2{,}1 = 1{,}4$) i $\ce{N-H}$ (różnica $0{,}9$) są wyraźnie spolaryzowane, natomiast wiązanie $\ce{C-H}$ (różnica $0{,}4$) jest spolaryzowane tak słabo, że łańcuchy węglowodorowe traktuje się jak niepolarne.

Wiązanie wodorowe jest skutkiem polaryzacji: atom wodoru związany z silnie elektroujemnym atomem (np. tlenu albo azotu) ma cząstkowy ładunek $\delta^+$ i przyciąga wolną parę elektronową silnie elektroujemnego atomu innej cząsteczki. Jest wielokrotnie słabsze od wiązania kowalencyjnego, więc łatwo pęka i odtwarza się, a trwałość struktur zapewnia dopiero duża liczba takich wiązań naraz - np. w celulozie wiązania wodorowe łączą sąsiednie łańcuchy w mocne włókna.

Jedna cząsteczka wody może utworzyć do czterech wiązań wodorowych z sąsiednimi cząsteczkami, dlatego w wodzie powstaje stale przebudowywana sieć. Ta sieć wyjaśnia właściwości wody ważne dla życia: ogrzanie wody wymaga dużo energii, bo jej część idzie na rozrywanie wiązań wodorowych, a w lodzie cząsteczki tworzą luźną, uporządkowaną sieć, dlatego lód jest lżejszy od wody ciekłej i pływa po jej powierzchni.

Wysokie ciepło właściwe wody łagodzi wahania temperatury organizmów i zbiorników wodnych, a spójność cząsteczek wody ułatwia transport wody w naczyniach roślin.

Polarność cząsteczek wody sprawia, że dobrze rozpuszczają się w niej substancje jonowe i polarne. Gdy kryształ soli trafia do wody, dipole wody ustawiają się wokół jonów: biegunem ujemnym (atomem tlenu) w stronę kationów, a biegunem dodatnim (atomami wodoru) w stronę anionów. To oddziaływania jon-dipol. Otoczone wodą jony odrywają się od kryształu i rozpraszają w roztworze - dlatego sole mineralne występują w płynach ustrojowych w postaci jonów, np. $\ce{Na+}$, $\ce{K+}$, $\ce{Cl-}$.

Cząsteczki polarne, np. cukry proste, wiążą się z wodą przez oddziaływania dipol-dipol i wiązania wodorowe. Substancje, które dobrze mieszają się z wodą, nazywa się hydrofilowymi, a te, które się z nią nie mieszają (np. tłuszcze, woski) - hydrofobowymi.

Dzięki temu woda jest środowiskiem reakcji w komórce i środkiem transportu: krew, limfa i roztwory w wiązkach przewodzących roślin przenoszą rozpuszczone jony i cząsteczki.

Oddziaływania hydrofobowe nie wynikają głównie z przyciągania się cząsteczek niepolarnych, tylko z zachowania otaczającej je wody. Cząsteczki wody łączą się wiązaniami wodorowymi przede wszystkim ze sobą i „wypychają” niepolarne fragmenty, które skupiają się razem, tak by jak najmniejsza ich powierzchnia stykała się z wodą.

Ten mechanizm porządkuje błony komórkowe. Cząsteczka fosfolipidu ma hydrofilową główkę i dwa hydrofobowe ogony z łańcuchów węglowodorowych. W wodzie fosfolipidy układają się w dwie warstwy: główki zwrócone są do wody po obu stronach błony, a ogony chowają się we wnętrzu, z dala od wody.

Siły van der Waalsa to bardzo słabe przyciąganie, które działa tylko na bardzo małe odległości. Pojedyncze oddziaływanie niewiele znaczy, ale gdy cząsteczki niepolarne ściśle do siebie przylegają, wiele takich oddziaływań sumuje się, np. między ogonami fosfolipidów we wnętrzu błony.