Skład chemiczny organizmów i biologiczne znaczenie wody

1.Makroelementy

Pierwiastki stanowiące co najmniej $0{,}01\%$ suchej masy komórek. Sucha masa to masa organizmu lub jego części po usunięciu wody.

2.Mikroelementy

Pierwiastki stanowiące mniej niż $0{,}01\%$ suchej masy komórek.

3.Pierwiastki biogenne

Sześć makroelementów będących podstawowymi składnikami związków organicznych: węgiel, wodór, tlen, azot, siarka i fosfor.

4.Znaczenie węgla w związkach organicznych

Atomy węgla tworzą ze sobą stabilne wiązania i budują szkielety węglowe, czyli główne elementy strukturalne związków organicznych.

5.Rola wodoru, tlenu, azotu, siarki i fosforu w związkach organicznych

Wodór i tlen występują w większości związków organicznych. Azot buduje aminokwasy, białka, nukleotydy i kwasy nukleinowe. Siarka występuje w niektórych aminokwasach i wielu białkach, a fosfor w nukleotydach i kwasach nukleinowych.

6.Funkcje wapnia

Wapń jest niezbędny do działania komórek nerwowych i mięśniowych, uczestniczy w krzepnięciu krwi oraz buduje szkielety i zęby zwierząt.

7.Funkcje magnezu

Magnez aktywuje wiele enzymów, uczestniczy w składaniu podjednostek rybosomów i jest składnikiem chlorofilu.

8.Funkcje potasu, sodu i chloru

Potas i sód uczestniczą w przewodzeniu impulsów nerwowych i są ważnymi składnikami płynów ustrojowych. Potas u roślin dodatkowo aktywuje enzymy i wpływa na uwodnienie komórek. Chlor odpowiada za równowagę wodno-mineralną i wchodzi w skład kwasu chlorowodorowego w soku żołądkowym.

9.Funkcje żelaza

Żelazo jest składnikiem hemoglobiny transportującej tlen i mioglobiny magazynującej tlen. Wchodzi też w skład wielu enzymów oraz przenośników elektronów uczestniczących w fotosyntezie i oddychaniu komórkowym.

10.Funkcja jodu

Jod jest składnikiem hormonów tarczycy.

11.Funkcje miedzi

Miedź jest składnikiem wielu enzymów oraz hemocyjaniny, czyli białka transportującego tlen u wielu bezkręgowców.

12.Funkcje kobaltu i fluoru

Kobalt wchodzi w skład witaminy $B_{12}$, która uczestniczy m.in. w wytwarzaniu elementów morfotycznych krwi. Fluor jest składnikiem szkliwa zębów.

13.Formy występowania i funkcja budulcowa soli mineralnych

Sole mineralne występują jako rozpuszczone w wodzie jony lub nierozpuszczalne kryształy. Węglan wapnia buduje szkielety zewnętrzne niektórych bezkręgowców, a fosforany(V) wapnia budują zęby i szkielety wewnętrzne kręgowców.

14.Funkcje fizjologiczne soli mineralnych

Sole mineralne m.in. regulują uwodnienie komórek, aktywują enzymy, uczestniczą w syntezie przenośników energii, wpływają na wymianę substancji między komórką a otoczeniem oraz umożliwiają powstawanie i przewodzenie impulsów nerwowych.

15.Układy buforowe

Mieszaniny substancji, które przyjmują lub oddają jony wodorowe, przeciwdziałając zmianom pH środowiska. Pomagają utrzymać względnie stałe pH płynów ustrojowych.

16.Związki nieorganiczne i organiczne w organizmach

Związki nieorganiczne zwykle nie zawierają węgla; najważniejsze to woda i sole mineralne. Wyjątki zawierające węgiel to m.in. jego tlenki, kwas węglowy i jego sole. Podstawą związków organicznych jest węgiel; należą do nich sacharydy, lipidy, aminokwasy, białka, nukleotydy i kwasy nukleinowe.

17.Polarna budowa cząsteczki wody

Przy atomie tlenu występuje cząstkowy ładunek ujemny, a przy atomach wodoru cząstkowe ładunki dodatnie. Taki rozkład ładunków umożliwia tworzenie wiązań wodorowych między cząsteczkami wody.

18.Wiązania wodorowe między cząsteczkami wody

Powstają między atomem wodoru jednej cząsteczki a wolną parą elektronową atomu tlenu drugiej cząsteczki. Wpływają bezpośrednio na właściwości wody.

19.Stany skupienia wody a wiązania wodorowe

Poniżej $0^\circ\mathrm{C}$ woda jest lodem ze stabilnymi, regularnymi wiązaniami wodorowymi. W zakresie $0-100^\circ\mathrm{C}$ jest cieczą, w której wiązania stale powstają i pękają. Powyżej $100^\circ\mathrm{C}$ jest parą wodną, której cząsteczki nie są połączone wiązaniami wodorowymi.

20.Gęstość wody: maksimum i porównanie z powietrzem

Woda ma największą gęstość i najmniejszą objętość w temperaturze $4^\circ\mathrm{C}$. Jej gęstość jest większa niż gęstość powietrza, co pozwala utrzymywać się w niej dużym organizmom, także bez szkieletu lub tkanek wzmacniających.

21.Dlaczego lód unosi się na wodzie?

W lodzie wiązania wodorowe są dłuższe i bardziej regularne niż w wodzie ciekłej. Dlatego lód ma większą objętość i mniejszą gęstość, więc utrzymuje się na powierzchni wody.

22.Wysokie ciepło właściwe wody

Ogrzanie wody wymaga dostarczenia dużej ilości ciepła, a jej ochłodzenie - odebrania dużej ilości ciepła. Woda magazynuje ciepło, pomaga regulować temperaturę ciała i zapewnia stabilne warunki termiczne organizmom wodnym.

23.Wysokie ciepło parowania wody

Przejście wody ze stanu ciekłego w gazowy wymaga dużej ilości energii. Parująca woda pobiera ciepło z organizmu i umożliwia jego chłodzenie.

24.Kohezja i adhezja wody

Kohezja to spójność wody, czyli odporność jej słupa na rozerwanie pod wpływem sił rozciągających. Adhezja to przyleganie wody do powierzchni naładowanych elektrycznie. Obie właściwości wynikają z oddziaływań związanych z wiązaniami wodorowymi.

25.Napięcie powierzchniowe wody

Silne przyciąganie cząsteczek na granicy wody i powietrza tworzy sprężystą, napiętą błonkę, którą trudno rozerwać. Dzięki temu drobne organizmy mogą utrzymywać się na powierzchni wody.

26.Mała ściśliwość wody i jej znaczenie

Pod wpływem ciśnienia objętość wody zmienia się tylko nieznacznie. Dzięki temu woda utrzymuje jędrność komórek roślinnych i uczestniczy w utrzymaniu kształtu komórek zwierzęcych.

27.Substancje hydrofilowe i hydrofobowe

Substancje hydrofilowe mają budowę polarną lub jonową i dobrze rozpuszczają się w wodzie dzięki oddziaływaniom z jej cząsteczkami. Substancje hydrofobowe mają budowę niepolarną i rozpuszczają się w wodzie bardzo słabo albo wcale.

28.Biologiczne znaczenie przezroczystości wody

Przez wodę przenika światło niezbędne do fotosyntezy. Umożliwia to działanie organizmów fotosyntetyzujących, które dostarczają tlenu i pokarmu kolejnym poziomom troficznym zbiorników wodnych.

29.Chłodzenie organizmów dzięki parowaniu wody

Podczas parowania woda pobiera z organizmu dużą ilość ciepła, obniżając jego temperaturę. Mechanizm ten działa podczas pocenia się, ziania i transpiracji.

30.Znaczenie kohezji i adhezji u roślin i zwierząt

U roślin umożliwiają przepływ ciągłego słupa wody w elementach przewodzących drewna, także wbrew grawitacji. U zwierząt spajają blaszki opłucnej, dzięki czemu rozszerzanie klatki piersiowej podczas wdechu rozciąga płuca.

31.Jesienne mieszanie się wody w jeziorze

Woda powierzchniowa ochładza się do $4^\circ\mathrm{C}$, osiąga największą gęstość i opada. Cieplejsza woda przemieszcza się ku powierzchni i również się ochładza. Woda miesza się, a temperatura całego zbiornika wyrównuje się do $4^\circ\mathrm{C}$.

32.Właściwości wody umożliwiające przetrwanie zimy w jeziorze

Woda ma największą gęstość w temperaturze $4^\circ\mathrm{C}$, a lód ma mniejszą gęstość niż woda ciekła. Dlatego lód pozostaje na powierzchni, a pod nim utrzymuje się ciekła woda, w której organizmy mogą przetrwać zimę.

33.Szkielet węglowy i grupa funkcyjna

Szkielet węglowy to połączone atomy czterowartościowego węgla tworzące prosty lub rozgałęziony łańcuch albo pierścień. Grupa funkcyjna jest atomem lub grupą atomów o charakterystycznych właściwościach chemicznych, która odpowiada za reaktywność związku.

34.Grupy hydroksylowa i karbonylowa

Grupa hydroksylowa ma wzór $\ce{-OH}$ i występuje w alkoholach oraz sacharydach. Grupa karbonylowa obejmuje grupę aldehydową $\ce{-CHO}$, występującą w aldehydach i aldozach, oraz ketonową $\ce{>C=O}$, występującą w ketonach i ketozach.

35.Grupy karboksylowa i aminowa

Grupa karboksylowa występuje jako $\ce{-COOH}$ lub w postaci zjonizowanej $\ce{-COO^-}$; jest obecna w kwasach karboksylowych i aminokwasach. Grupa aminowa występuje jako $\ce{-NH2}$ lub $\ce{-NH3+}$; jest obecna w aminokwasach i zasadach azotowych.

36.Polimeryzacja i kondensacja w organizmach

Polimeryzacja polega na łączeniu prostszych cząsteczek, czyli monomerów, w długie łańcuchy - polimery. Podczas kondensacji zachodzącej w organizmach oprócz złożonego związku organicznego powstają cząsteczki wody.

37.Związki wielkocząsteczkowe

Związki zbudowane z około tysiąca atomów lub większej ich liczby, nazywane też makrocząsteczkami. Należą do nich polisacharydy, białka oraz kwasy nukleinowe: DNA i RNA; większość ma złożoną strukturę przestrzenną.

38.Wzór sumaryczny i jego ograniczenie

Podaje rodzaj i liczbę atomów pierwiastków w cząsteczce, ale nie pokazuje ich połączeń. Dlatego ten sam wzór sumaryczny może odpowiadać różnym związkom organicznym.

39.Wzory strukturalny i półstrukturalny

Wzór strukturalny pokazuje wszystkie atomy i wiązania w cząsteczce. Wzór półstrukturalny grupuje atomy wodoru przyłączone do danego atomu węgla i podaje ich liczbę w indeksie dolnym; jego uproszczona postać ujmuje powtarzające się fragmenty w nawiasy.

40.Zasady odczytywania wzoru szkieletowego

Końce i załamania linii oznaczają atomy węgla. Nie zapisuje się ich symboli ani związanych z nimi atomów wodoru, których liczbę ustala się z czterowartościowości węgla. Kreski oznaczają wiązania pojedyncze, podwójne lub potrójne. Zapisuje się inne pierwiastki oraz połączone z nimi atomy wodoru.