Skład chemiczny organizmów, woda i węglowodany - Biologia na czasie 1 (ZP)

1.Pierwiastki chemiczne w organizmach

Podstawowe składniki chemiczne każdego organizmu. Łączą się w związki chemiczne albo występują w postaci jonów - taką postać mają m.in. pierwiastki tworzące sole rozpuszczalne w wodzie, np. chlorek sodu ($\ce{NaCl}$).

2.Hierarchiczna budowa organizmu

Atomy pierwiastków łączą się w związki chemiczne (np. białka), z których są zbudowane składniki komórek. Z komórek powstają tkanki, z tkanek - narządy, a współpracujące ze sobą układy narządów tworzą organizm.

3.Makroelementy i mikroelementy

Pierwiastki dzielimy według ich zawartości w suchej masie organizmu (masie po odparowaniu wody). Makroelementy stanowią 0,01% suchej masy lub więcej - u człowieka to 11 pierwiastków, w tym 6 biogennych. Mikroelementy stanowią mniej niż 0,01% suchej masy i regulują wiele procesów życiowych.

4.Pierwiastki biogenne

Główne składniki związków organicznych budujących wszystkie organizmy: węgiel (C), wodór (H), tlen (O), azot (N), fosfor (P) i siarka (S). Stanowią ok. 97,2% organizmu człowieka: tlen 65%, węgiel 18%, wodór 10%, azot 3%, fosfor 1%, siarka 0,2%.

5.Szkielet węglowy

Podstawowy element strukturalny związków organicznych, zbudowany z atomów węgla połączonych stabilnymi wiązaniami; ma postać łańcucha lub pierścienia. Węgiel tworzy też stabilne wiązania z innymi pierwiastkami biogennymi, przede wszystkim z wodorem, tlenem i azotem.

6.Pierwiastki biogenne w związkach organicznych

Węgiel, wodór i tlen budują węglowodany i lipidy. Z C, H, O i N są zbudowane aminokwasy i białka, a niektóre zawierają też siarkę. C, H, O, N i P budują nukleotydy, czyli DNA i RNA. Azot występuje głównie w białkach i kwasach nukleinowych.

7.Tlen i węgiel - funkcje w organizmie

Oba są składnikami wszystkich związków organicznych. Tlen jest niezbędny do oddychania tlenowego (jest jego substratem) i razem z wodorem buduje cząsteczkę wody. Związki węgla, np. glukoza, są źródłem energii niezbędnej komórkom.

8.Wodór i azot - funkcje w organizmie

Wodór jest składnikiem wszystkich związków organicznych i wody, a jako jony $\ce{H+}$ decyduje o pH płynów ustrojowych, czyli o równowadze kwasowo-zasadowej krwi i limfy. Azot wchodzi w skład białek, kwasów nukleinowych i mocznika wydalanego przez nerki.

9.Fosfor i siarka - funkcje w organizmie

Fosfor jest składnikiem kwasów nukleinowych i przenośnika energii ATP, a fosforan wapnia buduje kości i zęby. Siarka jest składnikiem białek (niektórych aminokwasów) i odpowiada za wytrzymałość skóry i jej wytworów, np. włosów i paznokci.

10.Wapń, magnez, sód, potas i chlor - funkcje

Wapń buduje kości i zęby, jest potrzebny do pracy układu nerwowego i mięśni, uczestniczy w krzepnięciu krwi. Magnez jest potrzebny do pracy serca i mięśni, reguluje działanie enzymów i uczestniczy w przewodzeniu impulsów nerwowych. Sód i potas przewodzą impulsy nerwowe oraz regulują ciśnienie krwi i ilość wody. Chlor utrzymuje ilość wody w organizmie i służy do produkcji $\ce{HCl}$ w żołądku.

11.Mikroelementy - funkcje

Żelazo jest składnikiem hemoglobiny przenoszącej tlen we krwi i aktywuje komórki odpornościowe podczas infekcji. Jod jest składnikiem hormonów tarczycy. Fluor działa przeciwpróchniczo i przeciwbakteryjnie, odpowiada za formowanie szkliwa zębów. Miedź wchodzi w skład wielu enzymów, m.in. biorących udział w wytwarzaniu melaniny. Kobalt jest składnikiem witaminy B12, potrzebnej do powstawania erytrocytów.

12.Związki nieorganiczne i organiczne w organizmach

Do związków nieorganicznych należą m.in. woda i sole mineralne. Do związków organicznych należą m.in. białka, lipidy, węglowodany i kwasy nukleinowe.

13.Zawartość związków chemicznych w organizmie człowieka

Woda 65%, białka 18%, lipidy 10%, sole mineralne 4%, kwasy nukleinowe i inne związki 2%, węglowodany 1%. Najwięcej jest więc wody, a spośród związków organicznych - białek.

14.Woda w organizmach

Występuje wewnątrz komórek, gdzie stanowi środowisko procesów metabolicznych, i jest składnikiem płynów ustrojowych, np. płynu międzykomórkowego i krwi. Dla wielu gatunków jest środowiskiem życia. Jej znaczenie wynika z jej właściwości.

15.Budowa polarna cząsteczki wody

Cząsteczka wody ($\ce{H2O}$) jest zbudowana z atomu tlenu i dwóch atomów wodoru i ma dwa bieguny: przy atomie tlenu występuje cząstkowy ładunek ujemny (biegun ujemny), a przy atomach wodoru - ładunki dodatnie (biegun dodatni).

16.Wiązania wodorowe między cząsteczkami wody

Wiązania między atomem wodoru jednej cząsteczki wody a atomem tlenu drugiej. Powstają dzięki polarnej budowie cząsteczek, które się przyciągają i łączą w większe zespoły.

17.Zawartość wody w organizmie człowieka

Zależy m.in. od środowiska życia, stanu zdrowia i etapu rozwoju; różne struktury ciała mają też różną ilość wody. Płód ma ok. 90% wody, niemowlę 75%, dorosły 60%, osoba starsza 50%. Najmniej wody zawiera szkliwo zębów (3%), najwięcej oko (99%).

18.Woda jako dobry rozpuszczalnik

Dzięki tej właściwości woda jest środowiskiem reakcji chemicznych w komórkach (enzymy działają wyłącznie w środowisku wodnym) i umożliwia transport różnych związków, np. substancji odżywczych.

19.Gęstość wody a temperatura

Woda ma największą gęstość w temperaturze 4°C, więc opada na dno, a przy powierzchni powstaje lód. Lód zatrzymuje ciepło w głębszych warstwach, dlatego zimą przy dnie zbiornika woda pozostaje ciekła i organizmy wodne przeżywają pod lodem.

20.Duże napięcie powierzchniowe wody

Na styku z powietrzem woda tworzy elastyczną błonę. Dzięki temu niewielkie owady, np. nartnik, mogą utrzymywać się i poruszać na jej powierzchni.

21.Wysokie ciepło parowania wody

Aby woda zmieniła stan skupienia z ciekłego na gazowy, trzeba dostarczyć jej dużo energii. Dzięki temu zachodzi termoregulacja: woda z kropel potu paruje i ochładza organizm.

22.Duże ciepło właściwe wody

Aby ogrzać wodę, trzeba dostarczyć jej dużo energii cieplnej, a aby ją ochłodzić - dużo energii zabrać. Chroni to organizmy przed nagłymi zmianami temperatury otoczenia i pomaga utrzymać względnie stałą temperaturę ciała.

23.Odwodnienie organizmu

Zaczyna się już przy utracie 1% wody w stosunku do masy ciała, gdy tracimy wodę (np. z potem) i nie uzupełniamy jej. Przy utracie ok. 20% wody organizm nie funkcjonuje; bez wody człowiek przeżyje ok. 4 dni. Minimalne dzienne spożycie: 2 l (kobieta), 2,5 l (mężczyzna).

24.Węglowodany (cukry, sacharydy)

Związki organiczne zbudowane z atomów węgla, wodoru i tlenu. Są głównym źródłem energii dla organizmu, a zależnie od budowy i właściwości pełnią też funkcję budulcową lub zapasową.

25.Podział węglowodanów

Monosacharydy (cukry proste): glukoza, fruktoza, galaktoza, ryboza, deoksyryboza. Disacharydy (dwucukry), złożone z dwóch cukrów prostych: maltoza, laktoza, sacharoza. Polisacharydy (wielocukry), złożone z wielu cukrów prostych: skrobia, glikogen, celuloza, chityna.

26.Cechy monosacharydów

Mają szkielet węglowy z 3-10 atomów węgla. Część z nich (np. glukoza) występuje w roztworach w postaci łańcuchowej i pierścieniowej, które wzajemnie w siebie przechodzą. Są słodkie, mają małe cząsteczki i dobrze rozpuszczają się w wodzie, więc łatwo docierają do komórek.

27.Glukoza - wzór i postacie cząsteczki

Monosacharyd o wzorze sumarycznym $\ce{C6H12O6}$, ze szkieletem z 6 atomów węgla. W roztworze występuje w postaci łańcuchowej (z grupą aldehydową na końcu łańcucha) i pierścieniowej (pierścień z atomem tlenu), które przechodzą jedna w drugą.

28.Disacharydy (dwucukry)

Cukry zbudowane z dwóch jednakowych lub różnych cząsteczek monosacharydów, często z glukozą: maltoza to glukoza + glukoza, laktoza - glukoza + galaktoza, sacharoza - glukoza + fruktoza. Są słodkie i dobrze rozpuszczają się w wodzie.

29.Polisacharydy (wielocukry)

Polimery, czyli duże cząsteczki z powtarzających się mniejszych elementów - monomerów; w większości z nich monomerem jest glukoza. Tworzą łańcuchy proste (np. celuloza) lub rozgałęzione (np. glikogen). Nie są słodkie i nie rozpuszczają się lub słabo rozpuszczają w wodzie, dlatego mogą być materiałem zapasowym albo budulcowym.

30.Wiązanie O-glikozydowe

Wiązanie za pośrednictwem atomu tlenu między atomami węgla należącymi do dwóch cząsteczek monosacharydów. Łączy cukry proste w disacharydy i polisacharydy; przy jego powstawaniu odłącza się cząsteczka wody, np. glukoza + glukoza → maltoza + $\ce{H2O}$.

31.Glukoza i fruktoza - znaczenie

Glukoza jest podstawowym źródłem energii dla komórek (energia jest z niej uwalniana w mitochondriach) i wchodzi w skład większości dwu- i wielocukrów. Fruktoza, obecna w owocach i miodzie, jest dodatkowym źródłem energii, bo łatwo przekształca się w glukozę; buduje niektóre dwu- i wielocukry.

32.Galaktoza, ryboza i deoksyryboza - znaczenie

Galaktoza jest składnikiem laktozy i niektórych wielocukrów oraz źródłem energii dla komórek. Deoksyryboza jest składnikiem DNA - nośnika informacji genetycznej, a ryboza - składnikiem RNA, który uczestniczy w powstawaniu białek.

33.Maltoza i laktoza - znaczenie

Maltoza (cukier słodowy) powstaje z rozkładu skrobi, np. z ziaren zbóż, i jest źródłem energii; człowiek używa jej do słodzenia i produkcji piwa. Laktoza (cukier mlekowy) jest składnikiem mleka ssaków i źródłem energii dla komórek.

34.Sacharoza (cukier buraczany, trzcinowy)

Dwucukier, który jest główną formą transportową cukrów u roślin i pełni funkcję zapasową oraz energetyczną. W przemyśle spożywczym jest wykorzystywany jako substancja słodząca.

35.Skrobia

Polisacharyd, który jest materiałem zapasowym roślin; występuje m.in. w bulwach ziemniaka i ziarnach zbóż. Jest trawiona w układzie pokarmowym człowieka, dlatego stanowi dla organizmu źródło cukrów prostych.

36.Glikogen

Materiał zapasowy zwierząt i grzybów. U człowieka gromadzi się w komórkach wątroby i mięśni: glikogen mięśni jest zużywany np. podczas wysiłku, a regulowane hormonalnie synteza i rozkład glikogenu w wątrobie utrzymują odpowiedni poziom glukozy we krwi.

37.Celuloza

Polisacharyd budujący ścianę komórkową roślin. Człowiek jej nie trawi, bo nie wytwarza enzymów rozkładających wiązania w jej cząsteczce, ale jako składnik błonnika pokarmowego korzystnie wpływa na pracę układu pokarmowego.

38.Chityna

Polisacharyd budujący ściany komórkowe grzybów i szkielet zewnętrzny stawonogów, np. owadów; tworzy twarde struktury odporne na uszkodzenia mechaniczne. Powstaje z cukru prostego podobnego do glukozy, ale zawierającego azot.

39.Wykrywanie glukozy - próba Fehlinga

Do badanej próbki dodaje się odczynniki Fehlinga I i II i podgrzewa nad palnikiem; ceglastoczerwony osad oznacza obecność glukozy. Próby kontrolne: roztwór glukozy (osad) i woda (barwa się nie zmienia). Wynik pozytywny dają też m.in. fruktoza i maltoza, więc wniosek trzeba potwierdzić, np. glukometrem.

40.Wykrywanie skrobi

Na badany produkt nanosi się kilka kropel jodyny lub płynu Lugola - skrobia barwi się na granatowo. Próbą kontrolną jest kleik skrobiowy. Granatowe zabarwienie pojawia się np. na bulwie ziemniaka i nasieniu fasoli, a na jabłku nie.