Skład chemiczny organizmów i sacharydy - Biologia na czasie 1 (ZR)

1.Makroelementy i mikroelementy

Pierwiastki budujące organizmy (jest ich ponad 20) dzieli się według udziału w suchej masie komórek: makroelementy stanowią ≥0,01% suchej masy, a mikroelementy <0,01%. Sucha masa to masa organizmu lub jego części po wysuszeniu, czyli po odparowaniu wody.

2.Pierwiastki biogenne

Sześć makroelementów - węgiel (C), wodór (H), tlen (O), azot (N), siarka (S) i fosfor (P) - które są podstawowymi składnikami związków organicznych.

3.Węgiel - znaczenie dla istnienia życia

Kluczowy pierwiastek biogenny. Jego atomy są czterowartościowe i tworzą między sobą stabilne wiązania, dzięki czemu powstają szkielety węglowe (proste lub rozgałęzione łańcuchy oraz pierścienie) - główne elementy strukturalne związków organicznych. Węgiel tworzy też stabilne wiązania z atomami pozostałych pierwiastków biogennych.

4.Wodór, tlen, azot, siarka i fosfor w związkach organicznych

Wodór i tlen występują w większości związków organicznych. Azot jest składnikiem aminokwasów, białek, nukleotydów i kwasów nukleinowych. Siarka występuje w niektórych aminokwasach i wielu białkach. Fosfor wchodzi w skład nukleotydów i kwasów nukleinowych.

5.Wapń (Ca)

Makroelement występujący w postaci jonów $\ce{Ca^2+}$ oraz węglanu wapnia $\ce{CaCO3}$. Jest niezbędny do funkcjonowania komórek nerwowych i mięśniowych, bierze udział w krzepnięciu krwi, jest składnikiem szkieletów i zębów zwierząt oraz ściany komórkowej roślin.

6.Magnez (Mg)

Makroelement występujący w postaci jonów $\ce{Mg^2+}$ i w związkach organicznych. Jest aktywatorem wielu enzymów, uczestniczy w składaniu podjednostek rybosomów i jest składnikiem chlorofilu.

7.Sód (Na), potas (K) i chlor (Cl)

Makroelementy występujące jako jony $\ce{Na+}$, $\ce{K+}$ i $\ce{Cl-}$. Sód i potas biorą udział w przewodzeniu impulsów nerwowych i są ważnymi składnikami płynów ustrojowych; potas u roślin aktywuje wiele enzymów i wpływa na uwodnienie komórek. Chlor odpowiada za równowagę wodno-mineralną i wchodzi w skład kwasu solnego w soku żołądkowym.

8.Żelazo (Fe)

Mikroelement występujący w związkach organicznych. Jest składnikiem białek transportujących tlen (hemoglobina) lub magazynujących go (mioglobina), a także wielu enzymów i przenośników elektronów biorących udział w fotosyntezie i oddychaniu komórkowym.

9.Jod (I) i fluor (F)

Mikroelementy. Jod występuje w związkach organicznych i jest składnikiem hormonów tarczycy. Fluor występuje w solach nieorganicznych i wchodzi w skład szkliwa zębów.

10.Miedź (Cu) i kobalt (Co)

Mikroelementy występujące w związkach organicznych. Miedź jest składnikiem wielu enzymów i hemocyjaniny - białka transportującego tlen u wielu bezkręgowców. Kobalt jest składnikiem witaminy B12, która uczestniczy m.in. w wytwarzaniu elementów morfotycznych krwi.

11.Związki nieorganiczne i związki organiczne

Związki nieorganiczne najczęściej nie zawierają węgla (wyjątki to m.in. tlenek węgla(II) $\ce{CO}$, tlenek węgla(IV) $\ce{CO2}$ oraz kwas węglowy $\ce{H2CO3}$ i jego sole); w organizmach najważniejsze są woda i sole mineralne. Związki organiczne to związki węgla o zwykle dużych cząsteczkach i złożonej budowie: sacharydy, lipidy, aminokwasy, białka, nukleotydy i kwasy nukleinowe.

12.Polarna budowa cząsteczki wody i wiązania wodorowe

W cząsteczce wody przy atomie tlenu występuje cząstkowy ładunek ujemny (biegun ujemny), a przy atomach wodoru - ładunki dodatnie (biegun dodatni). Dzięki temu między cząsteczkami powstają wiązania wodorowe: między atomem wodoru jednej cząsteczki a wolną parą elektronową tlenu drugiej. Wiązania te decydują o właściwościach wody.

13.Stany skupienia wody a jej gęstość

W zakresie 0-100°C woda jest cieczą - wiązania wodorowe stale się tworzą i rozrywają; w 4°C są najkrótsze, więc woda ma wtedy najmniejszą objętość i największą gęstość. W lodzie (poniżej 0°C) wiązania są stabilne, regularne i dłuższe, dlatego lód ma mniejszą gęstość i unosi się na wodzie. W parze wodnej (powyżej 100°C) wiązań wodorowych nie ma.

14.Większa gęstość wody niż powietrza - znaczenie

Maksymalna gęstość wody wynosi $1~\mathrm{g/cm^3}$, a średnia gęstość powietrza ok. $0{,}0012~\mathrm{g/cm^3}$. Dlatego w wodzie mogą się utrzymywać bardzo duże organizmy, także pozbawione szkieletu (np. ogromne meduzy) lub tkanki wzmacniającej (np. wielkomorszcz).

15.Wysokie ciepło właściwe wody - znaczenie

Podniesienie temperatury wody wymaga dostarczenia, a obniżenie - odebrania dużej ilości ciepła. Dlatego zbiorniki wodne wolno się nagrzewają i wolno ochładzają, co zapewnia organizmom wodnym (także zmiennocieplnym) stabilne warunki termiczne. Organizmy regulują temperaturę ciała, magazynując ciepło lub oddając je; u kręgowców głównym magazynem ciepła jest krew.

16.Wysokie ciepło parowania wody - znaczenie

Zmiana stanu skupienia wody z ciekłego na gazowy wymaga dostarczenia dużej ilości energii. Parująca woda pobiera ciepło z powierzchni ciała, co pozwala pozbyć się jego nadmiaru: podczas pocenia się (człowiek), ziania (pies) i transpiracji (rośliny - zapobiega przegrzaniu liści).

17.Spójność (kohezja) i przyleganie (adhezja) wody

Kohezja to odporność słupa wody na rozerwanie pod wpływem sił rozciągających, wynikająca z wiązań wodorowych; adhezja to przyleganie wody do powierzchni naładowanych elektrycznie. Dzięki nim woda płynie ciągłym strumieniem w kapilarach, np. w elementach przewodzących drewna (wbrew grawitacji), i spaja blaszki opłucnej, które przy wdechu rozciągają płuca.

18.Napięcie powierzchniowe wody

Na granicy z powietrzem cząsteczki wody przyciągają się znacznie silniej niż w głębi cieczy, dlatego na powierzchni powstaje sprężysta, napięta błonka, którą trudno rozerwać. Mogą się na niej utrzymywać drobne organizmy, np. owady (nartniki) i pajęczaki.

19.Mała ściśliwość oraz przezroczystość wody - znaczenie

Woda pod wpływem ciśnienia zmienia objętość w niewielkim stopniu, dlatego utrzymuje jędrność komórek roślinnych i uczestniczy w utrzymywaniu kształtu komórek zwierzęcych. Jest bezbarwna i przezroczysta, więc przenika przez nią na znaczne głębokości światło niezbędne do fotosyntezy.

20.Woda jako rozpuszczalnik

Woda dobrze rozpuszcza substancje hydrofilowe - o budowie polarnej lub jonowej, które tworzą z jej cząsteczkami oddziaływania międzycząsteczkowe. Substancje hydrofobowe (niepolarne) rozpuszczają się w niej bardzo słabo albo wcale. Dlatego woda jest środowiskiem reakcji chemicznych w komórkach i główną substancją transportującą organizmów.

21.Woda w jeziorach jesienią i zimą

Jesienią woda przy powierzchni ochładza się do 4°C i jako najgęstsza opada na dno, a cieplejsza wypływa w górę i też się ochładza, aż w całym zbiorniku jest 4°C. Zimna woda jest dobrze natleniona, bo rozpuszczalność tlenu rośnie ze spadkiem temperatury. Zimą pod lodem zostaje woda o temperaturze 4°C, w której organizmy przeżywają chłód; przez cienki lód przenika światło do fotosyntezy.

22.Sole mineralne - formy występowania

Sole mineralne występują w organizmach jako rozpuszczalne w wodzie jony lub nierozpuszczalne w wodzie kryształy. W stanie stałym, głównie jako węglan wapnia i fosforany(V) wapnia, budują szkielety: węglan wapnia - szkielety zewnętrzne niektórych bezkręgowców (np. mięczaków), a fosforany wapnia - zęby i szkielety wewnętrzne kręgowców.

23.Funkcje soli mineralnych

M.in.: regulują stan uwodnienia komórek (jony $\ce{Ca^2+}$ i $\ce{Mg^2+}$ zmniejszają płynność cytozolu, a $\ce{Na+}$ i $\ce{K+}$ ją zwiększają), aktywują enzymy, wpływają na wymianę wody i innych substancji między komórką a otoczeniem, warunkują przewodzenie impulsów nerwowych, a nieorganiczny fosforan $\ce{HPO4^2-}$ jest substratem do syntezy przenośników energii.

24.Układy buforowe

Mieszaniny substancji, które przyjmują lub oddają jony wodorowe, przez co przeciwdziałają zmianom pH środowiska. Sole mineralne wchodzą w ich skład (np. bufor węglanowy) i utrzymują pH płynów ustrojowych na względnie stałym poziomie.

25.Jony w płynach ustrojowych

Płyny ustrojowe zawierają jednakową liczbę kationów i anionów. Szczególnie liczne są kationy wapnia $\ce{Ca^2+}$, magnezu $\ce{Mg^2+}$, sodu $\ce{Na+}$ i potasu $\ce{K+}$, a ważne aniony to jony chlorkowe $\ce{Cl-}$, wodorowęglanowe $\ce{HCO3-}$ i diwodoroortofosforanowe(V) $\ce{H2PO4-}$.

26.Grupa funkcyjna

Atom lub grupa atomów w cząsteczce o charakterystycznych właściwościach chemicznych; odpowiada za reaktywność związku organicznego. Przykłady: hydroksylowa $\ce{-OH}$ (alkohole, sacharydy), aldehydowa $\ce{-CHO}$ (aldozy), ketonowa $>\ce{C=O}$ (ketozy), karboksylowa $\ce{-COOH}$ (kwasy karboksylowe, aminokwasy) i aminowa $\ce{-NH2}$ (aminokwasy, zasady azotowe).

27.Polimeryzacja i kondensacja

Polimeryzacja to łączenie się związków prostszych (monomerów) w długie łańcuchy (polimery). W organizmach zachodzi jako kondensacja - oprócz polimeru powstają cząsteczki wody. Tak tworzą się polisacharydy, białka i kwasy nukleinowe. Związki o tak dużych cząsteczkach to związki wielkocząsteczkowe, czyli makrocząsteczki (makromolekuły).

28.Rodzaje wzorów związków organicznych

Wzór sumaryczny podaje tylko rodzaj i liczbę atomów, więc może odpowiadać kilku związkom (np. $\ce{C6H12O6}$ to m.in. glukoza, fruktoza i galaktoza). Dlatego stosuje się wzór strukturalny (wszystkie atomy i wiązania - najdokładniejszy), półstrukturalny (atomy wodoru przy węglu zsumowane w indeksie dolnym; w wersji uproszczonej powtarzające się fragmenty w nawiasie) i szkieletowy (kreskowy).

29.Wzór szkieletowy (kreskowy) - zasady

Przedstawia tylko szkielet cząsteczki: nie zaznacza się atomów węgla ani połączonych z nimi atomów wodoru. Atomy węgla leżą w punktach łączenia odcinków linii łamanej i na jej końcach, a każdy ma tyle atomów wodoru, by był czterowartościowy. Kreska pojedyncza, podwójna i potrójna to odpowiednie wiązania. Zaznacza się atomy innych pierwiastków i połączone z nimi atomy wodoru.

30.Sacharydy (cukry, węglowodany) - skład i występowanie

Związki zbudowane zwykle wyłącznie z węgla, wodoru i tlenu, przy czym stosunek wodoru do tlenu wynosi zwykle 2:1; niektóre zawierają też np. azot. Powstają głównie w fotosyntezie, dlatego stanowią ok. 80% suchej masy roślin zielnych i tylko ok. 1% suchej masy zwierząt.

31.Podział sacharydów ze względu na budowę cząsteczek

Monosacharydy (cukry proste) zawierają zwykle od 3 do 10 atomów węgla. Oligosacharydy składają się z 2-10 reszt cukrów prostych. Polisacharydy zawierają więcej niż 10 reszt cukrów prostych.

32.Monosacharydy (cukry proste, jednocukry)

Związki o słodkim smaku, dobrze rozpuszczalne w wodzie, zawierające zwykle 3-10 atomów węgla (triozy C3, tetrozy C4, pentozy C5, heksozy C6 itd.). Mają kilka grup hydroksylowych $\ce{-OH}$ i jedną grupę karbonylową: aldehydową $\ce{-CHO}$ (aldozy) lub ketonową $>\ce{C=O}$ (ketozy).

33.Jaki monosacharyd przedstawia ta projekcja Fischera i do której grupy cukrów prostych należy?

To D-fruktoza - heksoza (6 atomów węgla) z grupą ketonową $>\ce{C=O}$ przy drugim atomie węgla, czyli ketoza. Ma kilka grup hydroksylowych $\ce{-OH}$ i wzór sumaryczny $\ce{C6H12O6}$, taki sam jak glukoza.

34.Funkcje wybranych monosacharydów

Aldehyd 3-fosfoglicerynowy (trioza) - produkt pośredni oddychania komórkowego i produkt ostateczny fotosyntezy. Ryboza - składnik RNA i wolnych rybonukleotydów (np. ATP); deoksyryboza - składnik DNA. Glukoza - podstawowy substrat energetyczny i monomer wielu oligo- i polisacharydów. Fruktoza - substrat energetyczny. Galaktoza - składnik laktozy, niektórych polisacharydów, glikolipidów i glikoprotein.

35.Izomery monosacharydów

Izomery to związki o takim samym składzie chemicznym (wzorze sumarycznym), ale odmiennej budowie cząsteczek. Przykład: glukoza i fruktoza ($\ce{C6H12O6}$) różnią się układem atomów, a więc rodzajem grupy funkcyjnej (aldehydowa i ketonowa). Dzięki takiemu samemu składowi łatwo przekształcają się jedna w drugą.

36.Oligosacharydy i wiązanie O-glikozydowe

Oligosacharydy to związki z 2-10 cząsteczek monosacharydów połączonych wiązaniem O-glikozydowym (przez atom tlenu). Najczęściej łączy ono C1 jednej cząsteczki z C4 następnej - to wiązanie 1,4-glikozydowe. Zależnie od formy monosacharydów wyróżnia się wiązania α- i β-glikozydowe. Dłuższe oligosacharydy łączą się z białkami lub lipidami w składniki błon komórkowych.

37.Disacharydy: sacharoza, laktoza i maltoza

Powstają w kondensacji dwóch monosacharydów. Sacharoza (cukier buraczany, trzcinowy): glukoza + fruktoza, wiązanie 1-α,2-β-glikozydowe; forma transportowa cukrów u roślin. Laktoza (cukier mlekowy): galaktoza + glukoza, wiązanie 1,4-β-glikozydowe; w mleku ssaków. Maltoza (cukier słodowy): dwie glukozy, wiązanie 1,4-α-glikozydowe; źródło glukozy, w nektarze wabi zapylaczy.

38.Polisacharydy budulcowe: celuloza i chityna

Reszty cukrów prostych połączone wiązaniami 1,4-β-glikozydowymi w długie nierozgałęzione łańcuchy, które wiązaniami wodorowymi łączą się we włókna (mikrofibryle). Większość organizmów nie wytwarza enzymów do ich rozkładu. Celuloza (z glukozy) buduje ściany komórkowe roślin i niektórych protistów. Chityna (z N-acetyloglukozaminy) buduje ściany komórkowe grzybów i szkielety zewnętrzne stawonogów.

39.Skrobia

Materiał zapasowy roślin i niektórych protistów (np. w nasionach i bulwach). Reszty glukozy łączą wiązania 1,4-α-glikozydowe, a rozgałęzienia - 1,6-α-glikozydowe. Frakcja nierozgałęziona (ok. 20%) jest skręcona w helisę, co ułatwia dostęp amylazy; rozgałęziona (ok. 80%) rozgałęzia się co ok. 25 reszt i może być rozkładana w wielu miejscach naraz. Z jodem (płyn Lugola) barwi się na granatowo.

40.Glikogen

Materiał zapasowy zwierząt i grzybów; u człowieka gromadzi się głównie w wątrobie i mięśniach. Zawiera kilkadziesiąt tysięcy reszt glukozy (wiązania 1,4-α- i 1,6-α-glikozydowe) i jest silnie rozgałęziony (co ok. 6-12 reszt), więc rozkład, m.in. przez fosforylazę glikogenową, zachodzi jednocześnie w wielu miejscach cząsteczki.