Таблица неорганические вещества клетки: Неорганические вещества в составе клетки (Таблица)

Итак, в микроскопической клетке содержится несколько тысяч веществ, которые участвуют в разнообразных химических реакциях. Химические процессы, протекающие в клетке, — одно из основных условий её жизни, развития, функционирования.

Вопросы для беседы.

1. Какие элементы и в каком количестве присутствуют в клетках растений и животных?

2. Какова биологическая роль микроэлементов?

3. Что представляют собой липиды и какова их роль в живой природе?

4. Почему в составе растительных клеток больше углеводов, чем в животных клетках?

Слайд 19

Самоконтроль по теме “Неорганические вещества клетки”.

V. Домашнее задание: изучить § 5 учебника, выполнить задания в конце параграфа и задание №3 в печатной тетради.

Творческое задание. Подготовить сообщение об открытии и изучении структуры нуклеиновых кислот Д. Уотсоном и Ф. Криком.

Приложение 1

Приложение 2

2.4 Неорганические соединения, необходимые для функционирования человека — анатомия и физиология

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Сравнить и сопоставить неорганические и органические соединения
• Определить свойства воды, которые делают ее жизненно важной
• Объясните роль солей в функционировании организма
• Различайте кислоты и основания и объясняйте их роль в pH
• Обсудить роль буферов в поддержании гомеостаза pH в организме

Концепции, которые вы изучили до сих пор в этой главе, управляют всеми формами материи и будут работать как основа как для геологии, так и для биологии.Этот раздел главы сужает фокус до химии человеческой жизни; то есть соединения, важные для структуры и функций организма. Как правило, эти соединения бывают либо неорганическими, либо органическими.

• Неорганическое соединение — это вещество, не содержащее ни углерода, ни водорода. Многие неорганические соединения действительно содержат атомы водорода, такие как вода (H ₂ O) и соляная кислота (HCl), вырабатываемая вашим желудком. Напротив, только несколько неорганических соединений содержат атомы углерода.Двуокись углерода (CO ₂ ) — один из немногих примеров.
• Органическое соединение — это вещество, содержащее как углерод, так и водород. Органические соединения синтезируются ковалентными связями в живых организмах, в том числе в организме человека. Вспомните, что углерод и водород являются вторым и третьим по распространенности элементами в вашем теле. Вскоре вы обнаружите, как эти два элемента сочетаются в пищевых продуктах, которые вы едите, в соединениях, составляющих структуру вашего тела, и в химических веществах, которые подпитывают ваше функционирование.

В следующем разделе рассматриваются четыре группы неорганических соединений, необходимых для жизни: вода, соли, кислоты и основания. Органические соединения рассматриваются далее в этой главе.

Вода

До 70 процентов веса взрослого человека составляет вода. Эта вода содержится как внутри клеток, так и между клетками, из которых состоят ткани и органы. Несколько функций делают воду незаменимой для жизнедеятельности человека.

Вода как смазка и амортизатор

Вода является основным компонентом многих смазочных жидкостей организма.Подобно тому, как масло смазывает петли двери, вода в синовиальной жидкости смазывает суставы тела, а вода в плевральной жидкости помогает легким расширяться и отскакивать при дыхании. Водянистая жидкость помогает пище течь по пищеварительному тракту и обеспечивает отсутствие трения при движении соседних органов брюшной полости.

Вода также защищает клетки и органы от физических травм, смягчая, например, мозг внутри черепа и защищая нежную нервную ткань глаз.Вода также смягчает развивающийся плод в утробе матери.

Вода как теплоотвод

Радиатор — это вещество или объект, которые поглощают и рассеивают тепло, но не испытывают соответствующего повышения температуры. В организме вода поглощает тепло, выделяемое в результате химических реакций, без значительного повышения температуры. Более того, когда температура окружающей среды стремительно растет, вода, хранящаяся в организме, помогает ему сохранять прохладу. Этот охлаждающий эффект возникает, когда теплая кровь из ядра тела течет к кровеносным сосудам под кожей и переносится в окружающую среду.В то же время потовые железы выделяют теплую воду вместе с потом. Когда вода испаряется в воздух, она уносит тепло, а затем более холодная кровь с периферии циркулирует обратно к сердцевине тела.

Вода как компонент жидких смесей

Смесь — это комбинация двух или более веществ, каждое из которых сохраняет свою химическую идентичность. Другими словами, составляющие вещества не связаны химически в новое, более крупное химическое соединение. Эту концепцию легко представить, если вы подумаете о порошкообразных веществах, таких как мука и сахар; когда вы перемешиваете их в миске, очевидно, что они не связываются с образованием нового соединения.Воздух в помещении, которым вы дышите, представляет собой газовую смесь, содержащую три отдельных элемента — азот, кислород и аргон — и одно соединение — диоксид углерода. Есть три типа жидких смесей, все из которых содержат воду в качестве ключевого компонента; это растворы, коллоиды и суспензии.

Чтобы клетки тела выжили, они должны оставаться влажными в жидкости на водной основе, называемой раствором. В химии жидкий раствор состоит из растворителя, который растворяет вещество, называемое растворенным веществом.Важной характеристикой растворов является их однородность; то есть молекулы растворенного вещества равномерно распределяются по всему раствору. Если бы вы размешали чайную ложку сахара в стакане воды, сахар растворился бы в молекулах сахара, разделенных молекулами воды. Соотношение сахара и воды в левой части стакана будет таким же, как соотношение сахара и воды в правой части стакана. Если бы вы добавили больше сахара, соотношение сахара к воде изменилось бы, но распределение — при условии, что вы хорошо перемешали — все равно было бы равномерным.

Вода считается «универсальным растворителем», и поэтому считается, что жизнь не может существовать без воды. Вода, безусловно, является самым распространенным растворителем в организме; практически все химические реакции организма происходят между соединениями, растворенными в воде. Поскольку молекулы воды полярны, с областями положительного и отрицательного электрического заряда, вода легко растворяет ионные соединения и полярные ковалентные соединения. Такие соединения называют гидрофильными или «водолюбивыми».Как было сказано выше, сахар хорошо растворяется в воде. Это связано с тем, что молекулы сахара содержат области полярных водородно-кислородных связей, что делает его гидрофильным. Неполярные молекулы, которые с трудом растворяются в воде, называются гидрофобными или «водобоязненными».

Концентрации растворенных веществ

В химии описаны различные смеси растворенных веществ и воды. Концентрация данного растворенного вещества — это количество частиц этого растворенного вещества в данном пространстве (кислород составляет около 21 процента атмосферного воздуха).В кровотоке человека концентрация глюкозы обычно измеряется в миллиграммах (мг) на децилитр (дл), а у здорового взрослого человека в среднем составляет около 100 мг / дл. Другой метод измерения концентрации растворенного вещества — его молярность, которая составляет моль (M) молекул на литр (L). Моль элемента — это его атомный вес, а моль соединения — это сумма атомных весов его компонентов, называемая молекулярной массой. Часто используемый пример — вычисление моля глюкозы по химической формуле C6h22O6.Согласно периодической таблице, атомный вес углерода (C) составляет 12,011 грамма (г), а в глюкозе шесть атомов углерода, что дает общий атомный вес 72,066 г. Проведя те же вычисления для водорода (H) и кислорода (O), молекулярная масса равна 180,156 г («грамм молекулярной массы» глюкозы). Когда вода добавляется для получения одного литра раствора, у вас есть один моль (1М) глюкозы. Это особенно полезно в химии из-за отношения родинок к «числу Авогадро». В моль любого раствора столько же частиц: 6.02 × 10 ²³ . Многие вещества в кровотоке и других тканях тела измеряются в тысячных долях моля или миллимолях (мМ).

Коллоид представляет собой смесь, которая чем-то похожа на тяжелый раствор. Частицы растворенного вещества состоят из крошечных сгустков молекул, достаточно больших, чтобы сделать жидкую смесь непрозрачной (поскольку частицы достаточно большие, чтобы рассеивать свет). Знакомые примеры коллоидов — молоко и сливки. В щитовидной железе гормон щитовидной железы хранится в виде густой белковой смеси, также называемой коллоидом.

Суспензия представляет собой жидкую смесь, в которой более тяжелое вещество временно суспендировано в жидкости, но со временем оседает. Такое отделение частиц от суспензии называется седиментацией. Пример седиментации происходит в анализе крови, который устанавливает скорость седиментации или скорость седиментации. Тест измеряет, как быстро красные кровяные тельца в пробирке выделяются из водянистой части крови (известной как плазма) в течение определенного периода времени. Быстрое осаждение клеток крови обычно не происходит в здоровом организме, но некоторые заболевания могут вызывать слипание клеток крови, и эти тяжелые скопления клеток крови оседают на дно пробирки быстрее, чем нормальные клетки крови.

Роль воды в химических реакциях

Два типа химических реакций включают образование или потребление воды: дегидратационный синтез и гидролиз.

• При дегидратационном синтезе один реагент отдает атом водорода, а другой реагент отдает гидроксильную группу (ОН) при синтезе нового продукта. При образовании их ковалентной связи в качестве побочного продукта выделяется молекула воды (рис. 2.4.1). Это также иногда называют реакцией конденсации.
• При гидролизе молекула воды разрушает соединение, разрывая его связи. Сама вода расщепляется на H и OH. Одна часть разорванного соединения затем связывается с атомом водорода, а другая часть связывается с гидроксильной группой.

Эти реакции обратимы и играют важную роль в химии органических соединений (о чем мы поговорим ниже).

Соли

Напомним, что соли образуются, когда ионы образуют ионные связи.В этих реакциях один атом отдает один или несколько электронов и, таким образом, становится положительно заряженным, тогда как другой атом принимает один или несколько электронов и становится отрицательно заряженным. Теперь вы можете определить соль как вещество, которое при растворении в воде диссоциирует на ионы, отличные от H ⁺ или OH ^—. Этот факт важен для отличия солей от кислот и оснований, обсуждаемых далее.

Типичная соль NaCl полностью диссоциирует в воде (рисунок 2.4.2). Положительные и отрицательные области на молекуле воды (концы водорода и кислорода соответственно) притягивают отрицательные ионы хлорида и положительные ионы натрия, отталкивая их друг от друга.Опять же, в то время как неполярные и полярные ковалентно связанные соединения распадаются на молекулы в растворе, соли диссоциируют на ионы. Эти ионы являются электролитами; они способны проводить электрический ток в растворе. Это свойство имеет решающее значение для функции ионов при передаче нервных импульсов и стимулировании сокращения мышц.

Многие другие соли важны для организма. Например, соли желчных кислот, вырабатываемые печенью, помогают расщеплять пищевые жиры, а соли фосфата кальция образуют минеральную часть зубов и костей.

Кислоты и основания

Кислоты и основания, как и соли, диссоциируют в воде с образованием электролитов. Кислоты и основания могут сильно изменить свойства растворов, в которых они растворены.

Кислоты

Кислота — это вещество, выделяющее ионы водорода (H ⁺ ) в растворе (Рисунок 2.4.3 a ). Поскольку у атома водорода есть только один протон и один электрон, положительно заряженный ион водорода — это просто протон. Этот одиночный протон с большой вероятностью участвует в химических реакциях. Сильные кислоты — это соединения, которые выделяют весь свой H + в растворе; то есть они полностью ионизируются. Соляная кислота (HCl), которая выделяется из клеток слизистой оболочки желудка, является сильной кислотой, поскольку она выделяет весь свой H ⁺ в водянистую среду желудка.Эта сильная кислота помогает пищеварению и убивает микробы, попавшие в организм. Слабые кислоты не ионизируются полностью; то есть некоторые из их ионов водорода остаются связанными внутри соединения в растворе. Пример слабой кислоты — уксус или уксусная кислота; он называется ацетатом после того, как отдает протон.

Основания

A base — это вещество, которое выделяет гидроксильные ионы (OH ^— ) в растворе, или вещество, которое принимает H +, уже присутствующий в растворе (см. Рисунок 2.4.3 b ). Ионы гидроксила (также известные как ионы гидроксида) или другие основные вещества объединяются с присутствующим H ⁺ с образованием молекулы воды, тем самым удаляя H + и снижая кислотность раствора.Сильные основания высвобождают большую часть или все свои гидроксильные ионы; слабые основания выделяют только некоторые гидроксильные ионы или поглощают только несколько H ⁺ . Пища, смешанная с соляной кислотой из желудка, сожгла бы тонкий кишечник (следующий участок пищеварительного тракта после желудка), если бы не высвобождение бикарбоната (HCO ₃ ^— ), слабого основания, которое привлекает Н ⁺ . Бикарбонат принимает часть протонов H +, тем самым снижая кислотность раствора.

Концепция pH

Относительную кислотность или щелочность раствора можно определить по его pH. pH раствора представляет собой отрицательный десятичный логарифм концентрации иона водорода (H ⁺ ) в растворе. Например, раствор с pH 4 имеет концентрацию H ⁺ , которая в десять раз больше, чем у раствора с pH 5. То есть раствор с pH 4 в десять раз более кислый, чем раствор с pH 5. Понятие pH станет более понятным, когда вы изучите шкалу pH, как показано на рисунке 2.4.4. Шкала состоит из серии приращений от 0 до 14.Раствор с pH 7 считается нейтральным — ни кислым, ни основным. Чистая вода имеет pH 7. Чем ниже число ниже 7, тем кислее раствор или тем выше концентрация H ⁺ . Концентрация ионов водорода при каждом значении pH в 10 раз отличается от следующего значения pH. Например, значение pH 4 соответствует концентрации протонов 10 ^–4 M или 0,0001M, а значение pH 5 соответствует концентрации протонов 10 ^–5 M или 0.00001M. Чем выше число выше 7, тем более щелочной (щелочной) раствор или тем ниже концентрация H ⁺ . Например, человеческая моча в десять раз более кислотная, чем чистая вода, а HCl в 10 000 000 раз кислотнее воды.

Буферы

pH крови человека обычно находится в диапазоне от 7,35 до 7,45, хотя обычно его определяют как pH 7,4. При таком слегка щелочном pH кровь может снизить кислотность, возникающую из-за того, что углекислый газ (CO ₂ ) постоянно попадает в кровоток триллионами клеток тела.Гомеостатические механизмы (наряду с выдыханием CO ₂ во время дыхания) обычно поддерживают pH крови в этом узком диапазоне. Это очень важно, потому что колебания — либо слишком кислые, либо слишком щелочные — могут привести к опасным для жизни расстройствам.

Все клетки организма зависят от гомеостатической регуляции кислотно-щелочного баланса при pH примерно 7,4. Таким образом, в организме есть несколько механизмов для этой регуляции, включая дыхание, выделение химических веществ с мочой и внутреннее высвобождение химических веществ, которые в совокупности называются буферами, в жидкости организма.Буфер представляет собой раствор слабой кислоты и ее конъюгированного основания. Буфер может нейтрализовать небольшое количество кислот или оснований в жидкостях организма. Например, если есть даже небольшое снижение pH жидкости организма ниже 7,35, буфер в жидкости — в данном случае действующий как слабое основание — будет связывать избыточные ионы водорода. Напротив, если pH поднимается выше 7,45, буфер будет действовать как слабая кислота и вносить ионы водорода.

Гомеостатический дисбаланс

Чрезмерная кислотность кислот и оснований, крови и других жидкостей организма известна как ацидоз.Распространенными причинами ацидоза являются ситуации и нарушения, которые снижают эффективность дыхания, особенно способность человека полностью выдохнуть, что вызывает накопление CO ₂ (и H ⁺ ) в кровотоке. Ацидоз также может быть вызван метаболическими проблемами, которые снижают уровень или функцию буферов, которые действуют как основания или способствуют выработке кислот. Например, при тяжелой диарее из организма может выводиться слишком много бикарбоната, в результате чего кислоты накапливаются в жидкостях организма.У людей с плохо управляемым диабетом (неэффективное регулирование уровня сахара в крови) кислоты, называемые кетонами, вырабатываются в качестве топлива для организма. Они могут накапливаться в крови, вызывая серьезное заболевание, называемое диабетическим кетоацидозом. Почечная недостаточность, печеночная недостаточность, сердечная недостаточность, рак и другие заболевания также могут вызывать метаболический ацидоз.

Напротив, алкалоз — это состояние, при котором кровь и другие жидкости организма слишком щелочные (щелочные). Как и в случае ацидоза, основной причиной являются респираторные расстройства; однако при респираторном алкалозе уровни углекислого газа падают слишком низко.Заболевания легких, передозировка аспирином, шок и обычное беспокойство могут вызвать респираторный алкалоз, который снижает нормальную концентрацию H ⁺ .

Метаболический алкалоз часто возникает в результате продолжительной сильной рвоты, которая вызывает потерю ионов водорода и хлорида (как компонентов HCl). Лекарства также могут вызвать алкалоз. К ним относятся диуретики, которые заставляют организм терять ионы калия, а также антациды при приеме в чрезмерных количествах, например, при стойкой изжоге или язве.

Неорганические соединения, необходимые для функционирования человека, включают воду, соли, кислоты и основания. Эти соединения неорганические; то есть они не содержат ни водорода, ни углерода. Вода — это смазка и подушка, теплоотвод, компонент жидких смесей, побочный продукт реакций синтеза дегидратации и реагент в реакциях гидролиза. Соли — это соединения, которые при растворении в воде диссоциируют на ионы, отличные от H ⁺ или OH ^—.Напротив, кислоты выделяют в растворе H ⁺ , делая его более кислым. Основания принимают H ⁺ , тем самым делая раствор более щелочным (едким).

pH любого раствора — это его относительная концентрация H ⁺ . Раствор с pH 7 нейтрален. Растворы с pH ниже 7 являются кислотами, а растворы с pH выше 7 — основаниями. Изменение одной цифры на шкале pH (например, от 7 до 8) представляет десятикратное увеличение или уменьшение концентрации H ⁺ .У здорового взрослого человека pH крови колеблется от 7,35 до 7,45. Механизмы гомеостатического контроля, которые важны для поддержания крови в здоровом диапазоне pH, включают химические вещества, называемые буферами, слабые кислоты и слабые основания, высвобождаемые, когда pH крови или других жидкостей организма колеблется в любом направлении за пределами этого нормального диапазона.

pH лимонного сока равен 2, а pH апельсинового сока равен 4.Какой из них более кислый и насколько? Что это значит?

Лимонный сок в сто раз более кислый, чем апельсиновый сок. Это означает, что в лимонном соке концентрация ионов водорода в сто раз выше.

Во время вечеринки Эли проигрывает пари и вынужден выпить бутылку лимонного сока. Вскоре после этого он начинает жаловаться на затрудненное дыхание, и его друзья отвозят его в местное отделение неотложной помощи. Там ему внутривенно вводят раствор бикарбоната.Почему?

Лимонный сок, как и любая кислота, выделяет ионы водорода в растворе. Поскольку избыток H + попадает в пищеварительный тракт и всасывается в кровь, pH крови Эли падает ниже 7,35. Напомним, что бикарбонат — это буфер, слабое основание, которое принимает ионы водорода. Вводя бикарбонат внутривенно, врач отделения неотложной помощи помогает поднять pH крови Эли до нейтрального.

Молекулярный состав клеток — Клетка

Клетки состоят из воды, неорганических ионов и углеродсодержащих (органических) молекул.Вода — самая распространенная молекула в клетках, составляющая 70% или более общей клеточной массы. Следовательно, взаимодействие между водой и другими составляющими клетки имеет центральное значение в биологической химии. Важнейшим свойством воды в этом отношении является то, что это полярная молекула, в которой атомы водорода имеют небольшой положительный заряд, а кислород — небольшой отрицательный заряд (). Из-за своей полярной природы молекулы воды могут образовывать водородные связи друг с другом или с другими полярными молекулами, а также взаимодействовать с положительно или отрицательно заряженными ионами.В результате этих взаимодействий ионы и полярные молекулы легко растворяются в воде (гидрофильные). Напротив, неполярные молекулы, которые не могут взаимодействовать с водой, плохо растворимы в водной среде (гидрофобны). Следовательно, неполярные молекулы стремятся минимизировать свой контакт с водой, вместо этого тесно связываясь друг с другом. Как обсуждается далее в этой главе, такие взаимодействия полярных и неполярных молекул с водой и друг с другом играют решающую роль в формировании биологических структур, таких как клеточные мембраны.

Рисунок 2.1

Характеристики воды. (A) Вода — полярная молекула с небольшим отрицательным зарядом (δ ^— ) на атоме кислорода и небольшим положительным зарядом (δ ⁺ ) на атомах водорода. Из-за этой полярности молекулы воды могут образовывать водородные связи (пунктирная (подробнее …)

Неорганические ионы клетки, включая натрий (Na ⁺ ), калий (K ⁺ ), магний (Mg ^{2). +} ), кальций (Ca ²⁺ ), фосфат (HPO ₄ ^2- ), хлорид (Cl ^— ) и бикарбонат (HCO ₃ ^— ) составляют 1% или менее клеточной массы.Эти ионы участвуют во многих аспектах клеточного метаболизма и, таким образом, играют решающую роль в функционировании клетки.

Однако органические молекулы являются уникальными составляющими клеток. Большинство этих органических соединений относятся к одному из четырех классов молекул: углеводов, липидов, белков и нуклеиновых кислот. Белки, нуклеиновые кислоты и большинство углеводов (полисахариды) представляют собой макромолекулы, образованные путем объединения (полимеризации) сотен или тысяч низкомолекулярных предшественников: аминокислот, нуклеотидов и простых сахаров соответственно.Такие макромолекулы составляют от 80 до 90% сухой массы большинства клеток. Липиды — еще одна важная составляющая клеток. Остальная часть клеточной массы состоит из множества небольших органических молекул, включая макромолекулярные предшественники. Таким образом, основную химию клеток можно понять с точки зрения структур и функций четырех основных классов органических молекул.

Углеводы

Углеводы включают простые сахара, а также полисахариды. Эти простые сахара, такие как глюкоза, являются основными питательными веществами клеток.Как обсуждается далее в этой главе, их распад обеспечивает как источник клеточной энергии, так и исходный материал для синтеза других компонентов клетки. Полисахариды являются формами хранения сахаров и образуют структурные компоненты клетки. Кроме того, полисахариды и более короткие полимеры сахаров действуют как маркеры для множества процессов распознавания клеток, включая адгезию клеток к своим соседям и транспорт белков в соответствующие внутриклеточные пункты назначения.

Структуры типичных простых сахаров (моносахаридов) проиллюстрированы на.Основная формула этих молекул: (CH ₂ O) _n , от которой происходит название углевод (C = «углевод» и H ₂ O = «гидрат»). Шестиуглеродная ( n = 6) сахарная глюкоза (C ₆ H ₁₂ O ₆ ) особенно важна для клеток, поскольку она обеспечивает основной источник клеточной энергии. Другие простые сахара содержат от трех до семи атомов углерода, из которых наиболее распространены трех- и пятиуглеродные сахара. Сахара, содержащие пять или более атомов углерода, могут циклизоваться с образованием кольцевых структур, которые являются преобладающими формами этих молекул в клетках.Как показано на рисунке, циклизованные сахара существуют в двух альтернативных формах (называемых α или β), в зависимости от конфигурации углерода 1.

Рисунок 2.2

Структура простых сахаров. Проиллюстрированы типичные сахара, содержащие три, пять и шесть атомов углерода (триоза, пентоза и гексоза, соответственно). Сахара с пятью или более атомами углерода могут циклизоваться с образованием колец, которые существуют в двух альтернативных формах (подробнее …)

Моносахариды могут быть соединены вместе реакциями дегидратации, в которых удаляется H ₂ O, а сахара связываются посредством гликозидная связь между двумя их атомами углерода ().Если соединить вместе только несколько сахаров, полученный полимер называется олигосахаридом. Если задействовано большое количество (сотни или тысячи) сахаров, полученные полимеры представляют собой макромолекулы, называемые полисахаридами.

Рисунок 2.3

Образование гликозидной связи. Два простых сахара соединяются в результате реакции дегидратации (реакции, при которой удаляется вода). В показанном примере две молекулы глюкозы в α-конфигурации соединены связью между атомами углерода 1 и 4, которые (более…)

Два обычных полисахарида — гликоген и крахмал — являются формами хранения углеводов в клетках животных и растений, соответственно. И гликоген, и крахмал полностью состоят из молекул глюкозы в α-конфигурации (). Основная связь — между углеродом 1 одной глюкозы и углеродом 4 второй. Кроме того, как гликоген, так и одна из форм крахмала (амилопектин) содержат случайные α (1 → 6) связи, в которых углерод 1 одной глюкозы соединен с углеродом 6 второй. Как показано в, эти связи приводят к образованию разветвлений в результате соединения двух отдельных α (1 → 4) связанных цепей.Такие ответвления присутствуют в гликогене и амилопектине, хотя другая форма крахмала (амилоза) представляет собой неразветвленную молекулу.

Рисунок 2.4

Структура полисахаридов. Полисахариды — это макромолекулы, состоящие из сотен или тысяч простых сахаров. Гликоген, крахмал и целлюлоза полностью состоят из остатков глюкозы, которые соединены α (1 → 4) гликозидом (подробнее …)

Таким образом, структуры гликогена и крахмала в основном похожи, как и их функция: хранить глюкозу.Целлюлоза, напротив, выполняет совершенно определенную функцию в качестве основного структурного компонента стенки растительной клетки. Возможно, удивительно, что целлюлоза также полностью состоит из молекул глюкозы. Однако остатки глюкозы в целлюлозе имеют β, а не α конфигурацию, а целлюлоза является неразветвленным полисахаридом (см.). Связывание остатков глюкозы связями β (1 → 4), а не α (1 → 4) заставляет целлюлозу образовывать длинные вытянутые цепи, которые упаковываются бок о бок, образуя волокна с большой механической прочностью.

Помимо своей роли в хранении энергии и структуре клетки, олигосахариды и полисахариды играют важную роль в различных процессах передачи сигналов в клетке. Например, олигосахариды часто связаны с белками, где они служат маркерами белков-мишеней для транспорта на поверхность клетки или включения в различные субклеточные органеллы. Олигосахариды и полисахариды также служат маркерами на поверхности клеток, играя важную роль в распознавании клеток и взаимодействии между клетками в тканях многоклеточных организмов.

Липиды

Липиды играют в клетках три основных роли. Во-первых, они обеспечивают важную форму хранения энергии. Во-вторых, что очень важно для клеточной биологии, липиды являются основными компонентами клеточных мембран. В-третьих, липиды играют важную роль в передаче сигналов в клетке как стероидные гормоны (например, эстроген и тестостерон), так и как молекулы-посредники, передающие сигналы от рецепторов клеточной поверхности к мишеням внутри клетки.

Самыми простыми липидами являются жирные кислоты, которые состоят из длинных углеводородных цепей, чаще всего содержащих 16 или 18 атомов углерода, с карбоксильной группой (COO ^— ) на одном конце ().Ненасыщенные жирные кислоты содержат одну или несколько двойных связей между атомами углерода; в насыщенных жирных кислотах все атомы углерода связаны с максимальным числом атомов водорода. Длинные углеводородные цепи жирных кислот содержат только неполярные связи C — H, которые не могут взаимодействовать с водой. Гидрофобная природа этих цепей жирных кислот во многом определяет поведение сложных липидов, особенно при формировании биологических мембран.

Рисунок 2.5

Структура жирных кислот.Жирные кислоты состоят из длинных углеводородных цепей, оканчивающихся карбоксильной группой (COO ^— ). Пальмитат и стеарат представляют собой насыщенные жирные кислоты, состоящие из 16 и 18 атомов углерода соответственно. Олеат — ненасыщенная 18-углеродная жирная кислота (подробнее …)

Жирные кислоты хранятся в форме триацилглицеринов или жиров, которые состоят из трех жирных кислот, связанных с молекулой глицерина (). Триацилглицерины нерастворимы в воде и поэтому накапливаются в цитоплазме в виде капелек жира. При необходимости их можно разделить для использования в реакциях выделения энергии, которые обсуждаются далее в этой главе.Примечательно, что жиры являются более эффективной формой хранения энергии, чем углеводы, давая более чем в два раза больше энергии на вес расщепленного материала. Таким образом, жиры позволяют накапливать энергию, составляющую менее половины массы тела, которая потребовалась бы для хранения такого же количества энергии в углеводах — что особенно важно для животных из-за их подвижности.

Рисунок 2.6

Структура триацилглицеринов. Триацилглицерины (жиры) содержат три жирные кислоты, присоединенные к глицерину.В этом примере все три жирные кислоты представляют собой пальмитат, но триацилглицерины часто содержат смесь различных жирных кислот.

Фосфолипиды, основные компоненты клеточных мембран, состоят из двух жирных кислот, связанных с полярной головной группой (). В фосфолипидах глицерина две жирные кислоты связаны с атомами углерода в глицерине, как и в триацилглицеринах. Однако третий углерод глицерина связан с фосфатной группой, которая, в свою очередь, часто присоединяется к другой небольшой полярной молекуле, такой как холин, серин, инозитол или этаноламин.Сфингомиелин, единственный неглицериновый фосфолипид в клеточных мембранах, содержит две углеводородные цепи, связанные с полярной головной группой, образованной из серина, а не из глицерина. Все фосфолипиды имеют гидрофобные хвосты, состоящие из двух углеводородных цепей, и гидрофильные головные группы, состоящие из фосфатной группы и ее полярных присоединений. Следовательно, фосфолипиды представляют собой амфипатические молекулы, частично растворимые в воде и частично нерастворимые в воде. Это свойство фосфолипидов является основой для образования биологических мембран, как обсуждается далее в этой главе.

Рисунок 2.7

Структура фосфолипидов. Фосфолипиды глицерина содержат две жирные кислоты, присоединенные к глицерину. Жирные кислоты могут отличаться друг от друга и обозначаются R1 и R2. Третий углерод глицерина присоединен к фосфатной группе (образуя фосфатидную (подробнее …)

Помимо фосфолипидов, многие клеточные мембраны содержат гликолипиды и холестерин. Гликолипиды состоят из двух углеводородных цепей, связанных с полярными головными группами, которые содержат углеводы ( ).Таким образом, они похожи на фосфолипиды в своей общей организации как амфипатические молекулы. Холестерин, напротив, состоит из четырех углеводородных колец, а не из линейных углеводородных цепей (). Углеводородные кольца сильно гидрофобны, но гидроксильная (ОН) группа, присоединенная к одному концу холестерина, слабо гидрофильна, поэтому холестерин также является амфипатическим.

Рисунок 2.8

Структура гликолипидов. Две углеводородные цепи присоединены к полярной головной группе, образованной из серина и содержащей углеводы (например,г., глюкоза).

Рисунок 2.9

Холестерин и стероидные гормоны. Холестерин, важный компонент клеточных мембран, является амфипатической молекулой из-за его полярной гидроксильной группы. Холестерин также является предшественником стероидных гормонов, таких как тестостерон и эстрадиол (форма (подробнее …)

Помимо своей роли в качестве компонентов клеточных мембран, липиды действуют как сигнальные молекулы как внутри, так и между клетками. стероидные гормоны (например, эстрогены и тестостерон) являются производными холестерина (см.).Эти гормоны представляют собой разнообразную группу химических посредников, каждая из которых содержит четыре углеводородных кольца, к которым присоединены различные функциональные группы. Производные фосфолипидов также служат в качестве молекул-посредников внутри клеток, передавая сигналы от рецепторов клеточной поверхности к внутриклеточным мишеням (см. Главу 13).

Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты — ДНК и РНК — являются основными информационными молекулами клетки. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) играет уникальную роль в качестве генетического материала, который в эукариотических клетках располагается в ядре.Различные типы рибонуклеиновой кислоты (РНК) участвуют в ряде клеточных активностей. Информационная РНК (мРНК) передает информацию от ДНК к рибосомам, где она служит матрицей для синтеза белка. Два других типа РНК (рибосомная РНК и транспортная РНК) участвуют в синтезе белка. Еще другие виды РНК участвуют в процессинге и транспорте как РНК, так и белков. Помимо того, что РНК действует как информационная молекула, она также способна катализировать ряд химических реакций.В современных клетках они включают реакции, участвующие как в синтезе белка, так и в процессинге РНК.

ДНК и РНК представляют собой полимеры нуклеотидов, которые состоят из пуриновых и пиримидиновых оснований, связанных с фосфорилированными сахарами (). ДНК содержит два пурина (аденин и гуанин) и два пиримидина (цитозин и тимин). Аденин, гуанин и цитозин также присутствуют в РНК, но РНК содержит урацил вместо тимина. Основания связаны с сахарами ( 2 ‘-дезоксирибоза в ДНК или рибоза в РНК) с образованием нуклеозидов.Нуклеотиды дополнительно содержат одну или несколько фосфатных групп, связанных с 5′-атомом углерода нуклеозидных сахаров.

Рисунок 2.10

Компоненты нуклеиновых кислот. Нуклеиновые кислоты содержат пуриновые и пиримидиновые основания, связанные с фосфорилированными сахарами. Основание нуклеиновой кислоты, связанное только с сахаром, является нуклеозидом. Нуклеотиды дополнительно содержат одну или несколько фосфатных групп.

Полимеризация нуклеотидов с образованием нуклеиновых кислот включает образование фосфодиэфирных связей между 5′-фосфатом одного нуклеотида и 3′-гидроксилом другого ().Олигонуклеотиды — это небольшие полимеры, содержащие всего несколько нуклеотидов; большие полинуклеотиды, из которых состоят клеточные РНК и ДНК, могут содержать тысячи или миллионы нуклеотидов соответственно. Важно отметить, что полинуклеотидная цепь имеет определенное направление, причем один конец цепи оканчивается 5′-фосфатной группой, а другой — 3′-гидроксильной группой. Полинуклеотиды всегда синтезируются в направлении от 5 ‘к 3’, причем свободный нуклеотид добавляется к 3 ‘ОН-группе растущей цепи.По соглашению, последовательность оснований в ДНК или РНК также записывается в направлении от 5 ‘к 3’.

Рисунок 2.11

Полимеризация нуклеотидов. Фосфодиэфирная связь образуется между 3′-гидроксильной группой одного нуклеотида и 5′-фосфатной группой другого. У полинуклеотидной цепи есть чувство направления, один конец заканчивается 5 ‘(подробнее …)

Информация в ДНК и РНК передается в порядке оснований в полинуклеотидной цепи. ДНК — это двухцепочечная молекула, состоящая из двух полинуклеотидных цепей, идущих в противоположных направлениях (см. Главу 3).Основания находятся внутри молекулы, и две цепи соединены водородными связями между комплементарными парами оснований — соединение аденина с тимином и гуанина с цитозином (). Важным следствием такого комплементарного спаривания оснований является то, что одна цепь ДНК (или РНК) может действовать как матрица для управления синтезом комплементарной цепи. Таким образом, нуклеиновые кислоты обладают уникальной способностью управлять собственной саморепликацией, что позволяет им функционировать в качестве основных информационных молекул клетки.Информация, переносимая ДНК и РНК, направляет синтез определенных белков, которые контролируют большую часть клеточной активности.

Рисунок 2.12

Комплементарное спаривание между основаниями нуклеиновых кислот. Образование водородных связей между основаниями на противоположных цепях ДНК приводит к специфическому спариванию гуанина (G) с цитозином (C) и аденина (A) с тимином (T).

Нуклеотиды важны не только как строительные блоки нуклеиновых кислот; они также играют важную роль в других клеточных процессах.Возможно, наиболее ярким примером является аденозин-5′-трифосфат (АТФ), который является основной формой химической энергии в клетках. Другие нуклеотиды аналогичным образом действуют как переносчики энергии или реактивных химических групп в широком спектре метаболических реакций. Кроме того, некоторые нуклеотиды (например, циклический АМФ) являются важными сигнальными молекулами внутри клеток (см. Главу 13).

Белки

Хотя нуклеиновые кислоты несут генетическую информацию клетки, основная ответственность белков заключается в выполнении задач, управляемых этой информацией.Белки являются наиболее разнообразными из всех макромолекул, и каждая клетка содержит несколько тысяч различных белков, которые выполняют самые разные функции. Роли белков включают в себя выполнение функций структурных компонентов клеток и тканей, действие в транспорте и хранении малых молекул (например, перенос кислорода гемоглобином), передачу информации между клетками (например, белковых гормонов) и обеспечение защиты от инфекция (например, антитела). Однако наиболее фундаментальным свойством белков является их способность действовать как ферменты, которые, как обсуждается в следующем разделе, катализируют почти все химические реакции в биологических системах.Таким образом, белки направляют практически всю деятельность клетки. На центральное значение белков в биологической химии указывает их название, которое происходит от греческого слова proteios , что означает «первого ранга».

Белки представляют собой полимеры 20 различных аминокислот. Каждая аминокислота состоит из атома углерода (называемого α-углеродом), связанного с карбоксильной группой (COO ^— ), аминогруппы (NH ₃ ⁺ ), атома водорода и характерной боковой цепи () .Конкретные химические свойства различных боковых цепей аминокислот определяют роль каждой аминокислоты в структуре и функции белка.

Рисунок 2.13

Структура аминокислот. Каждая аминокислота состоит из центрального атома углерода (α-углерода), связанного с атомом водорода, карбоксильной группы, аминогруппы и определенной боковой цепи (обозначенной R). При физиологическом pH как карбоксил, так и амино (подробнее …)

Аминокислоты можно разделить на четыре широкие категории в соответствии со свойствами их боковых цепей ().Десять аминокислот имеют неполярные боковые цепи, которые не взаимодействуют с водой. Глицин — простейшая аминокислота, боковая цепь которой состоит только из атома водорода. Аланин, валин, лейцин и изолейцин имеют боковые углеводородные цепи, содержащие до четырех атомов углерода. Боковые цепи этих аминокислот гидрофобны и поэтому имеют тенденцию располагаться внутри белков, где они не контактируют с водой. У пролина также есть углеводородная боковая цепь, но он уникален тем, что его боковая цепь связана с азотом аминогруппы, а также с α-углеродом, образуя циклическую структуру.Боковые цепи двух аминокислот, цистеина и метионина, содержат атомы серы. Метионин довольно гидрофобен, но цистеин менее гидрофобен из-за его сульфгидрильной (SH) группы. Как обсуждается ниже, сульфгидрильная группа цистеина играет важную роль в структуре белка, поскольку дисульфидные связи могут образовываться между боковыми цепями различных остатков цистеина. Наконец, две неполярные аминокислоты, фенилаланин и триптофан, имеют боковые цепи, содержащие очень гидрофобные ароматические кольца.

Рисунок 2.14

Аминокислоты. Для каждой аминокислоты указаны трехбуквенные и однобуквенные сокращения. Аминокислоты сгруппированы в четыре категории в соответствии со свойствами их боковых цепей: неполярные, полярные, основные и кислотные.

Пять аминокислот имеют незаряженные, но полярные боковые цепи. К ним относятся серин, треонин и тирозин, которые имеют гидроксильные группы на их боковых цепях, а также аспарагин и глутамин, которые имеют полярные амидные (O = C-NH ₂ ) группы.Поскольку полярные боковые цепи этих аминокислот могут образовывать водородные связи с водой, эти аминокислоты являются гидрофильными и имеют тенденцию располагаться снаружи белков.

Аминокислоты лизин, аргинин и гистидин имеют боковые цепи с заряженными основными группами. Лизин и аргинин являются очень основными аминокислотами, и их боковые цепи имеют положительный заряд в клетке. Следовательно, они очень гидрофильны и находятся в контакте с водой на поверхности белков. Гистидин может быть незаряженным или положительно заряженным при физиологическом pH, поэтому он часто играет активную роль в ферментативных реакциях, включающих обмен ионами водорода, как показано на примере ферментативного катализа, обсуждаемом в следующем разделе.

Наконец, две аминокислоты, аспарагиновая кислота и глутаминовая кислота, имеют кислотные боковые цепи, оканчивающиеся карбоксильными группами. Эти аминокислоты имеют отрицательный заряд внутри клетки и поэтому часто называются аспартатом и глутаматом. Как и основные аминокислоты, эти кислые аминокислоты очень гидрофильны и обычно расположены на поверхности белков.

Аминокислоты соединены пептидными связями между α-аминогруппой одной аминокислоты и α-карбоксильной группой второй ().Полипептиды представляют собой линейные цепи аминокислот, обычно длиной в сотни или тысячи аминокислот. Каждая полипептидная цепь имеет два различных конца, один из которых заканчивается α-аминогруппой (амино- или N-конец), а другой — α-карбоксильной группой (карбокси или C-конец). Полипептиды синтезируются от амино до карбокси-конца, и последовательность аминокислот в полипептиде записывается (по соглашению) в том же порядке.

Рисунок 2.15

Образование пептидной связи.Карбоксильная группа одной аминокислоты связана с аминогруппой второй.

Определяющей характеристикой белков является то, что они представляют собой полипептиды с определенными аминокислотными последовательностями. В 1953 году Фредерик Сэнджер первым определил полную аминокислотную последовательность белка, гормона инсулина. Было обнаружено, что инсулин состоит из двух полипептидных цепей, соединенных дисульфидными связями между остатками цистеина (). Самое главное, эксперимент Сэнгера показал, что каждый белок состоит из определенной аминокислотной последовательности.В настоящее время белки секвенированы с использованием автоматизированных методов, и теперь известны полные аминокислотные последовательности более 100 000 белков. Каждый состоит из уникальной последовательности аминокислот, определяемой порядком нуклеотидов в гене (см. Главу 3).

Рисунок 2.16

Аминокислотная последовательность инсулина. Инсулин состоит из двух полипептидных цепей, одна из 21, а другая из 30 аминокислот (обозначенных здесь их однобуквенными кодами). Боковые цепи трех пар остатков цистеина соединены дисульфидными связями, две из которых (больше…)

Аминокислотная последовательность белка — это только первый элемент его структуры. Вместо того, чтобы быть протяженными цепочками аминокислот, белки принимают различные трехмерные конформации, которые имеют решающее значение для их функции. Эти трехмерные конформации белков являются результатом взаимодействий между составляющими их аминокислотами, поэтому формы белков определяются их аминокислотными последовательностями. Впервые это было продемонстрировано в экспериментах Кристиана Анфинсена, в которых он разрушил трехмерные структуры белков с помощью таких обработок, как нагрев, которые разрывают нековалентные связи — процесс, называемый денатурацией ().После инкубации в более мягких условиях такие денатурированные белки часто самопроизвольно возвращались к своим природным конформациям, что указывает на то, что эти конформации непосредственно определялись аминокислотной последовательностью.

Рисунок 2.17

Денатурация и рефолдинг белка. Рибонуклеаза (РНКаза) представляет собой белок из 124 аминокислот (обозначенных цифрами). Белок обычно свернут в свою нативную конформацию, которая содержит четыре дисульфидные связи (обозначены парными кружками, представляющими (больше…)

Трехмерная структура белков наиболее часто анализируется с помощью рентгеновской кристаллографии, метода высокого разрешения, который может определять расположение отдельных атомов в молекуле. Луч рентгеновских лучей направляется на кристаллы белка, подлежащего анализу, и картина рентгеновских лучей, которые проходят через кристалл белка, регистрируется на рентгеновской пленке. Когда рентгеновские лучи попадают на кристалл, они рассеиваются по характерным узорам, определяемым расположением атомов в молекуле.Таким образом, структура молекулы может быть выведена из картины рассеянных рентгеновских лучей (картины дифракции).

В 1958 году Джон Кендрю первым определил трехмерную структуру белка миоглобина — относительно простого белка из 153 аминокислот (). С тех пор были проанализированы трехмерные структуры нескольких тысяч белков. Большинство из них, как и миоглобин, представляют собой глобулярные белки с полипептидными цепями, сложенными в компактные структуры, хотя некоторые (например, структурные белки соединительной ткани) представляют собой длинные волокнистые молекулы.Анализ трехмерных структур этих белков выявил несколько основных принципов, которые управляют сворачиванием белка, хотя структура белка настолько сложна, что предсказать трехмерную структуру белка непосредственно по его аминокислотной последовательности невозможно.

Рисунок 2.18

Трехмерная структура миоглобина. Миоглобин — это белок из 153 аминокислот, который участвует в транспорте кислорода. Полипептидная цепь свернута вокруг гемовой группы, которая служит сайтом связывания кислорода.

Белковая структура обычно описывается как имеющая четыре уровня. Первичная структура белка — это последовательность аминокислот в его полипептидной цепи. Вторичная структура — это регулярное расположение аминокислот в локализованных областях полипептида. Особенно распространены два типа вторичной структуры, которые впервые были предложены Линусом Полингом и Робертом Кори в 1951 году: α-спираль и β-лист. Обе эти вторичные структуры удерживаются вместе водородными связями между группами CO и NH пептидных связей.Спираль α образуется, когда область полипептидной цепи наматывается вокруг себя, при этом группа CO одной пептидной связи образует водородную связь с группой NH пептидной связи, расположенной на четыре остатка ниже по ходу линейной полипептидной цепи (). Напротив, β-лист образуется, когда две части полипептидной цепи лежат бок о бок с водородными связями между ними. Такие β-слои могут быть образованы между несколькими полипептидными цепями, которые могут быть ориентированы либо параллельно, либо антипараллельно друг другу.

Рисунок 2.19

Вторичная структура белков. Наиболее распространенными типами вторичной структуры являются α-спираль и β-лист. В α-спирали водородные связи образуются между группами CO и NH пептидных связей, разделенными четырьмя аминокислотными остатками. (подробнее …)

Третичная структура — это сворачивание полипептидной цепи в результате взаимодействий между боковыми цепями аминокислот, лежащих в разных областях первичной последовательности (). В большинстве белков комбинации α-спиралей и β-листов, соединенных петлевыми участками полипептидной цепи, складываются в компактные глобулярные структуры, называемые доменами, которые являются основными единицами третичной структуры.Небольшие белки, такие как рибонуклеаза или миоглобин, содержат только один домен; более крупные белки могут содержать несколько разных доменов, которые часто связаны с разными функциями.

Рисунок 2.20

Третичная структура рибонуклеазы. Участки вторичных структур α-спирали и β-листка, соединенные участками петель, складываются в нативную конформацию белка. В этом схематическом представлении полипептидной цепи как (подробнее …)

Критическим детерминантом третичной структуры является локализация гидрофобных аминокислот внутри белка и гидрофильных аминокислот на поверхности, где они взаимодействуют с вода.Таким образом, внутренняя часть свернутых белков состоит в основном из гидрофобных аминокислот, расположенных в α-спиралях и β-листах; эти вторичные структуры обнаруживаются в гидрофобных сердцевинах белков, поскольку водородные связи нейтрализуют полярный характер групп CO и NH основной цепи полипептида. Участки петель, соединяющие элементы вторичной структуры, находятся на поверхности свернутых белков, где полярные компоненты пептидных связей образуют водородные связи с водой или с полярными боковыми цепями гидрофильных аминокислот.Взаимодействия между полярными боковыми цепями аминокислот (водородными связями и ионными связями) на поверхности белка также являются важными детерминантами третичной структуры. Кроме того, ковалентные дисульфидные связи между сульфгидрильными группами остатков цистеина стабилизируют складчатые структуры многих белков клеточной поверхности или секретируемых белков.

Четвертый уровень структуры белка, четвертичная структура, состоит из взаимодействий между различными полипептидными цепями в белках, состоящих из более чем одного полипептида.Гемоглобин, например, состоит из четырех полипептидных цепей, удерживаемых вместе одними и теми же типами взаимодействий, которые поддерживают третичную структуру ().

Рисунок 2.21

Четвертичная структура гемоглобина. Гемоглобин состоит из четырех полипептидных цепей, каждая из которых связана с гемовой группой. Две α-цепи и две β-цепи идентичны.

Таким образом, различные химические характеристики 20 различных аминокислот приводят к значительным вариациям в трехмерных конформациях свернутых белков.Следовательно, белки представляют собой чрезвычайно сложную и разнообразную группу макромолекул, подходящих для широкого круга задач, которые они выполняют в клеточной биологии.

Box

Ключевой эксперимент: сворачивание полипептидных цепей.

Неорганические соединения, необходимые для функционирования человека — анатомия и физиология

OpenStaxCollege

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Сравнить и сопоставить неорганические и органические соединения
• Определить свойства воды, которые делают ее жизненно важной
• Объясните роль солей в функционировании организма
• Различайте кислоты и основания и объясняйте их роль в pH
• Обсудить роль буферов в поддержании гомеостаза pH в организме

Концепции, которые вы изучили до сих пор в этой главе, управляют всеми формами материи и будут работать как основа как для геологии, так и для биологии.Этот раздел главы сужает фокус до химии человеческой жизни; то есть соединения, важные для структуры и функций организма. Как правило, эти соединения бывают либо неорганическими, либо органическими.

• Неорганическое соединение — это вещество, не содержащее ни углерода, ни водорода. Многие неорганические соединения действительно содержат атомы водорода, такие как вода (H ₂ O) и соляная кислота (HCl), вырабатываемая вашим желудком. Напротив, только несколько неорганических соединений содержат атомы углерода.Двуокись углерода (CO ₂ ) — один из немногих примеров.
• Таким образом, органическое соединение — это вещество, содержащее как углерод, так и водород. Органические соединения синтезируются ковалентными связями в живых организмах, в том числе в организме человека. Вспомните, что углерод и водород являются вторым и третьим по распространенности элементами в вашем теле. Вскоре вы обнаружите, как эти два элемента сочетаются в пищевых продуктах, которые вы едите, в соединениях, составляющих структуру вашего тела, и в химических веществах, которые подпитывают ваше функционирование.

В следующем разделе рассматриваются три группы неорганических соединений, необходимых для жизни: вода, соли, кислоты и основания. Органические соединения рассматриваются далее в этой главе.

До 70 процентов веса взрослого человека составляет вода. Эта вода содержится как внутри клеток, так и между клетками, из которых состоят ткани и органы. Несколько функций делают воду незаменимой для жизнедеятельности человека.

Вода как смазка и подушка

Вода является основным компонентом многих смазочных жидкостей организма.Подобно тому, как масло смазывает петли двери, вода в синовиальной жидкости смазывает суставы тела, а вода в плевральной жидкости помогает легким расширяться и отскакивать при дыхании. Водянистая жидкость помогает пище течь по пищеварительному тракту и обеспечивает отсутствие трения при движении соседних органов брюшной полости.

Вода также защищает клетки и органы от физических травм, смягчая, например, мозг внутри черепа и защищая нежную нервную ткань глаз.Вода также смягчает развивающийся плод в утробе матери.

Вода как теплоотвод

Радиатор — это вещество или объект, которые поглощают и рассеивают тепло, но не испытывают соответствующего повышения температуры. В организме вода поглощает тепло, выделяемое в результате химических реакций, без значительного повышения температуры. Более того, когда температура окружающей среды стремительно растет, вода, хранящаяся в организме, помогает ему сохранять прохладу. Этот охлаждающий эффект возникает, когда теплая кровь из ядра тела течет к кровеносным сосудам под кожей и переносится в окружающую среду.В то же время потовые железы выделяют теплую воду вместе с потом. Когда вода испаряется в воздух, она уносит тепло, а затем более холодная кровь с периферии циркулирует обратно к сердцевине тела.

Вода как компонент жидких смесей

Смесь — это комбинация двух или более веществ, каждое из которых сохраняет свою химическую идентичность. Другими словами, составляющие вещества не связаны химически в новое, более крупное химическое соединение. Эту концепцию легко представить, если вы подумаете о порошкообразных веществах, таких как мука и сахар; когда вы перемешиваете их в миске, очевидно, что они не связываются с образованием нового соединения.Воздух в помещении, которым вы дышите, представляет собой газовую смесь, содержащую три отдельных элемента — азот, кислород и аргон — и одно соединение — диоксид углерода. Есть три типа жидких смесей, все из которых содержат воду в качестве ключевого компонента. Это растворы, коллоиды и суспензии.

Чтобы клетки тела выжили, они должны оставаться влажными в жидкости на водной основе, называемой раствором. В химии жидкий раствор состоит из растворителя, который растворяет вещество, называемое растворенным веществом. Важной характеристикой растворов является их однородность; то есть молекулы растворенного вещества равномерно распределяются по всему раствору.Если бы вы размешали чайную ложку сахара в стакане воды, сахар растворился бы в молекулах сахара, разделенных молекулами воды. Соотношение сахара и воды в левой части стакана будет таким же, как соотношение сахара и воды в правой части стакана. Если бы вы добавили больше сахара, соотношение сахара к воде изменилось бы, но распределение — при условии, что вы хорошо перемешали — все равно было бы равномерным.

Вода считается «универсальным растворителем», и поэтому считается, что жизнь не может существовать без воды.Вода, безусловно, является самым распространенным растворителем в организме; практически все химические реакции организма происходят между соединениями, растворенными в воде. Поскольку молекулы воды полярны, с областями положительного и отрицательного электрического заряда, вода легко растворяет ионные соединения и полярные ковалентные соединения. Такие соединения называют гидрофильными или «водолюбивыми». Как уже говорилось выше, сахар хорошо растворяется в воде. Это связано с тем, что молекулы сахара содержат области полярных водородно-кислородных связей, что делает его гидрофильным.Неполярные молекулы, которые с трудом растворяются в воде, называются гидрофобными или «водобоязненными».

Концентрации растворенных веществ

В химии описаны различные смеси растворенных веществ и воды. Концентрация данного растворенного вещества — это количество частиц этого растворенного вещества в данном пространстве (кислород составляет около 21 процента атмосферного воздуха). В кровотоке человека концентрация глюкозы обычно измеряется в миллиграммах (мг) на децилитр (дл), а у здорового взрослого человека в среднем составляет около 100 мг / дл.Другой метод измерения концентрации растворенного вещества — его молярность, которая составляет моль (M) молекул на литр (L). Моль элемента — это его атомный вес, а моль соединения — это сумма атомных весов его компонентов, называемая молекулярной массой. Часто используемый пример — вычисление моля глюкозы по химической формуле C ₆ H ₁₂ O ₆ . Согласно периодической таблице, атомный вес углерода (C) составляет 12,011 грамма (г), а в глюкозе шесть атомов углерода, что дает общий атомный вес 72.066 г. Проведя те же вычисления для водорода (H) и кислорода (O), молекулярная масса равна 180,156 г («грамм молекулярной массы» глюкозы). Когда вода добавляется для получения одного литра раствора, у вас есть один моль (1М) глюкозы. Это особенно полезно в химии из-за отношения родинок к «числу Авогадро». В моль любого раствора такое же количество частиц: 6,02 × 10 ²³ . Многие вещества в кровотоке и других тканях тела измеряются в тысячных долях моля или миллимолях (мМ).

Коллоид — это смесь, которая чем-то похожа на тяжелый раствор. Частицы растворенного вещества состоят из крошечных сгустков молекул, достаточно больших, чтобы сделать жидкую смесь непрозрачной (поскольку частицы достаточно большие, чтобы рассеивать свет). Знакомые примеры коллоидов — молоко и сливки. В щитовидной железе гормон щитовидной железы хранится в виде густой белковой смеси, также называемой коллоидом.

Суспензия — это жидкая смесь, в которой более тяжелое вещество временно суспендировано в жидкости, но со временем оседает.Такое отделение частиц от суспензии называется седиментацией. Пример седиментации происходит в анализе крови, который устанавливает скорость седиментации или скорость седиментации. Тест измеряет, как быстро красные кровяные тельца в пробирке выделяются из водянистой части крови (известной как плазма) в течение определенного периода времени. Быстрое осаждение клеток крови обычно не происходит в здоровом организме, но некоторые заболевания могут вызывать слипание клеток крови, и эти тяжелые скопления клеток крови оседают на дно пробирки быстрее, чем нормальные клетки крови.

Роль воды в химических реакциях

Два типа химических реакций включают образование или потребление воды: дегидратационный синтез и гидролиз.

• При дегидратационном синтезе один реагент отдает атом водорода, а другой реагент отдает гидроксильную группу (ОН) при синтезе нового продукта. При образовании их ковалентной связи в качестве побочного продукта выделяется молекула воды ([ссылка]). Это также иногда называют реакцией конденсации.
• При гидролизе молекула воды разрушает соединение, разрывая его связи. Сама вода расщепляется на H и OH. Одна часть разорванного соединения затем связывается с атомом водорода, а другая часть связывается с гидроксильной группой.

Эти реакции обратимы и играют важную роль в химии органических соединений (о чем мы поговорим ниже).

Дегидратация, синтез и гидролиз

Мономеры, основные единицы для построения более крупных молекул, образуют полимеры (два или более химически связанных мономера).(а) При дегидратационном синтезе два мономера ковалентно связаны в реакции, в которой один отдает гидроксильную группу, а другой — атом водорода. Молекула воды выделяется как побочный продукт во время реакций дегидратации. (b) При гидролизе ковалентная связь между двумя мономерами расщепляется путем присоединения атома водорода к одному и гидроксильной группы к другому, что требует участия одной молекулы воды.

Напомним, что соли образуются, когда ионы образуют ионные связи.В этих реакциях один атом отдает один или несколько электронов и, таким образом, становится положительно заряженным, тогда как другой атом принимает один или несколько электронов и становится отрицательно заряженным. Теперь вы можете определить соль как вещество, которое при растворении в воде диссоциирует на ионы, отличные от H ⁺ или OH ^—. Этот факт важен для отличия солей от кислот и оснований, обсуждаемых далее.

Типичная соль NaCl полностью диссоциирует в воде ([ссылка]). Положительные и отрицательные области на молекуле воды (концы водорода и кислорода соответственно) притягивают отрицательные ионы хлорида и положительные ионы натрия, отталкивая их друг от друга.Опять же, в то время как неполярные и полярные ковалентно связанные соединения распадаются на молекулы в растворе, соли диссоциируют на ионы. Эти ионы являются электролитами; они способны проводить электрический ток в растворе. Это свойство имеет решающее значение для функции ионов при передаче нервных импульсов и стимулировании сокращения мышц.

Диссоциация хлорида натрия в воде

Обратите внимание, что кристаллы хлорида натрия диссоциируют не на молекулы NaCl, а на катионы Na ⁺ и анионы Cl ^— , каждый из которых полностью окружен молекулами воды.

Многие другие соли важны для организма. Например, соли желчных кислот, вырабатываемые печенью, помогают расщеплять пищевые жиры, а соли фосфата кальция образуют минеральную часть зубов и костей.

Кислоты и основания, как и соли, диссоциируют в воде с образованием электролитов. Кислоты и основания могут сильно изменить свойства растворов, в которых они растворены.

Кислоты

Кислота — это вещество, которое выделяет ионы водорода (H ⁺ ) в растворе ([ссылка] a ).Поскольку у атома водорода есть только один протон и один электрон, положительно заряженный ион водорода — это просто протон. Этот одиночный протон с большой вероятностью участвует в химических реакциях. Сильные кислоты — это соединения, которые выделяют весь свой H ⁺ в растворе; то есть они полностью ионизируются. Соляная кислота (HCl), которая выделяется из клеток слизистой оболочки желудка, является сильной кислотой, поскольку она выделяет весь свой H ⁺ в водянистую среду желудка. Эта сильная кислота помогает пищеварению и убивает микробы, попавшие в организм.Слабые кислоты не ионизируются полностью; то есть некоторые из их ионов водорода ^{остаются связанными внутри соединения в растворе. Пример слабой кислоты — уксус или уксусная кислота; он называется ацетатом после того, как отдает протон.}

Кислоты и основания

(a) В водном растворе кислота диссоциирует на ионы водорода (H ⁺ ) и анионы. Почти каждая молекула сильной кислоты диссоциирует, образуя высокую концентрацию H ⁺ . (b) В водном растворе основание диссоциирует на гидроксильные ионы (OH ^— ) и катионы.Почти каждая молекула сильного основания диссоциирует, образуя высокую концентрацию OH ^— .

Базы

Основание — это вещество, которое выделяет гидроксильные ионы (OH ^— ) в растворе, или вещество, которое принимает H ⁺ , уже присутствующий в растворе (см. [Ссылка] b ). Ионы гидроксила (также известные как ионы гидроксида) или другие основные вещества объединяются с присутствующим H ⁺ с образованием молекулы воды, тем самым удаляя H ⁺ и снижая кислотность раствора.Сильные основания высвобождают большую часть или все свои гидроксильные ионы; слабые основания выделяют только некоторые гидроксильные ионы или поглощают только несколько H ⁺ . Пища, смешанная с соляной кислотой из желудка, сожгла бы тонкий кишечник, следующую часть пищеварительного тракта после желудка, если бы не высвобождение бикарбоната (HCO ₃ ^— ), слабого основания, которое привлекает H ⁺ . Бикарбонат принимает часть протонов H ⁺ , тем самым снижая кислотность раствора.

Концепция pH

Относительную кислотность или щелочность раствора можно определить по его pH. PH раствора — это отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода (H ⁺ ) в растворе. Например, раствор с pH 4 имеет концентрацию H ⁺ , которая в десять раз больше, чем у раствора с pH 5. То есть раствор с pH 4 в десять раз более кислый, чем раствор с pH 5. Понятие pH станет более понятным, когда вы изучите шкалу pH, как показано в [ссылка].Шкала состоит из серии приращений от 0 до 14. Раствор с pH 7 считается нейтральным — ни кислым, ни основным. Чистая вода имеет pH 7. Чем ниже число ниже 7, тем кислее раствор или тем выше концентрация H ⁺ . Концентрация ионов водорода при каждом значении pH в 10 раз отличается от следующего значения pH. Например, значение pH 4 соответствует концентрации протонов 10 ^–4 M или 0,0001M, а значение pH 5 соответствует концентрации протонов 10 ^–5 M или 0.00001M. Чем выше число выше 7, тем более щелочной (щелочной) раствор или тем ниже концентрация H ⁺ . Например, человеческая моча в десять раз более кислотная, чем чистая вода, а HCl в 10 000 000 раз кислотнее воды.

Шкала pH

Буферы

pH крови человека обычно находится в диапазоне от 7,35 до 7,45, хотя обычно его определяют как pH 7,4. При таком слегка щелочном pH кровь может снизить кислотность, возникающую из-за того, что углекислый газ (CO ₂ ) постоянно попадает в кровоток триллионами клеток тела.Гомеостатические механизмы (наряду с выдыханием CO ₂ во время дыхания) обычно поддерживают pH крови в этом узком диапазоне. Это очень важно, потому что колебания — либо слишком кислые, либо слишком щелочные — могут привести к опасным для жизни расстройствам.

Все клетки организма зависят от гомеостатической регуляции кислотно-щелочного баланса при pH примерно 7,4. Таким образом, в организме есть несколько механизмов для этой регуляции, включая дыхание, выделение химических веществ с мочой и внутреннее высвобождение химических веществ, которые в совокупности называются буферами, в жидкости организма.Буфер представляет собой раствор слабой кислоты и сопряженного с ней основания. Буфер может нейтрализовать небольшое количество кислот или оснований в жидкостях организма. Например, если есть даже небольшое снижение pH жидкости организма ниже 7,35, буфер в жидкости — в данном случае действующий как слабое основание — будет связывать избыточные ионы водорода. Напротив, если pH поднимается выше 7,45, буфер будет действовать как слабая кислота и вносить ионы водорода.

Гомеостатический дисбаланс

Кислоты и основания
Чрезмерная кислотность крови и других жидкостей организма известна как ацидоз.Распространенными причинами ацидоза являются ситуации и нарушения, которые снижают эффективность дыхания, особенно способность человека полностью выдохнуть, что вызывает накопление CO ₂ (и H ⁺ ) в кровотоке. Ацидоз также может быть вызван метаболическими проблемами, которые снижают уровень или функцию буферов, которые действуют как основания или способствуют выработке кислот. Например, при тяжелой диарее из организма может выводиться слишком много бикарбоната, в результате чего кислоты накапливаются в жидкостях организма.У людей с плохо управляемым диабетом (неэффективное регулирование уровня сахара в крови) кислоты, называемые кетонами, вырабатываются в качестве топлива для организма. Они могут накапливаться в крови, вызывая серьезное заболевание, называемое диабетическим кетоацидозом. Почечная недостаточность, печеночная недостаточность, сердечная недостаточность, рак и другие заболевания также могут вызывать метаболический ацидоз.

Напротив, алкалоз — это состояние, при котором кровь и другие жидкости организма слишком щелочные (щелочные). Как и в случае ацидоза, основной причиной являются респираторные расстройства; однако при респираторном алкалозе уровни углекислого газа падают слишком низко.Заболевания легких, передозировка аспирином, шок и обычное беспокойство могут вызвать респираторный алкалоз, который снижает нормальную концентрацию H ⁺ .

Метаболический алкалоз часто возникает в результате продолжительной сильной рвоты, которая вызывает потерю ионов водорода и хлорида (как компонентов HCl). Лекарства также могут вызвать алкалоз. К ним относятся диуретики, которые заставляют организм терять ионы калия, а также антациды при приеме в чрезмерных количествах, например, при стойкой изжоге или язве.

Неорганические соединения, необходимые для функционирования человека, включают воду, соли, кислоты и основания. Эти соединения неорганические; то есть они не содержат ни водорода, ни углерода. Вода — это смазка и подушка, теплоотвод, компонент жидких смесей, побочный продукт реакций синтеза дегидратации и реагент в реакциях гидролиза. Соли — это соединения, которые при растворении в воде диссоциируют на ионы, отличные от H ⁺ или OH ^—. Напротив, кислоты выделяют в растворе H ⁺ , делая его более кислым.Основания принимают H ⁺ , тем самым делая раствор более щелочным (едким).

pH любого раствора — это его относительная концентрация H ⁺ . Раствор с pH 7 нейтрален. Растворы с pH ниже 7 являются кислотами, а растворы с pH выше 7 — основаниями. Изменение одной цифры на шкале pH (например, от 7 до 8) представляет десятикратное увеличение или уменьшение концентрации H ⁺ . У здорового взрослого человека pH крови колеблется от 7,35 до 7,45. Механизмы гомеостатического контроля, важные для поддержания крови в здоровом диапазоне pH, включают химические вещества, называемые буферами, слабые кислоты и слабые основания, высвобождаемые, когда pH крови или других жидкостей организма колеблется в любом направлении за пределами этого нормального диапазона.

CH ₄ — метан. Это соединение ________.

1. неорганическое
2. органический
3. реактивная
4. кристалл

Что из следующего, вероятнее всего, будет равномерно распределено в воде в гомогенном растворе?

1. ионы натрия и ионы хлорида
2. молекул NaCl
3. кристаллов соли
4. эритроцитов

Дженни смешивает тесто для блинов, затем добавляет шоколадную стружку.Ожидая, когда приготовятся первые несколько блинов, она замечает, как шоколадная стружка опускается на дно прозрачной стеклянной миски. Тесто с шоколадной крошкой является примером ________.

1. растворитель
2. растворенное вещество
3. раствор
4. подвеска

Вещество распадается на K ⁺ и Cl ^— в растворе. Вещество a (n) ________.

1. кислота
2. база
3. соль
4. буфер

Тай три года, и в результате «желудочного недуга» его рвало около 24 часов.Его pH крови 7,48. Что это значит?

1. Кровь Тая слегка кислая.
2. Кровь Тая слабощелочная.
3. Кровь Тая очень кислая.
4. Кровь Тая в пределах нормы

pH лимонного сока составляет 2, а pH апельсинового сока — 4. Какой из них более кислый и насколько? Что это значит?

Лимонный сок в сто раз более кислый, чем апельсиновый сок. Это означает, что в лимонном соке концентрация ионов водорода в сто раз выше.

Во время вечеринки Эли проигрывает пари и вынужден выпить бутылку лимонного сока. Вскоре после этого он начинает жаловаться на затрудненное дыхание, и его друзья отвозят его в местное отделение неотложной помощи. Там ему внутривенно вводят раствор бикарбоната. Почему?

Лимонный сок, как и любая кислота, выделяет ионы водорода в растворе. Когда избыток H ⁺ попадает в пищеварительный тракт и всасывается в кровь, pH крови Эли падает ниже 7,35. Напомним, что бикарбонат — это буфер, слабое основание, которое принимает ионы водорода.Вводя бикарбонат внутривенно, врач отделения неотложной помощи помогает поднять pH крови Эли до нейтрального.

Глоссарий

кислота

соединение, выделяющее ионы водорода (H ⁺ ) в растворе

основание

соединение, которое принимает ионы водорода (H ⁺ ) в растворе

буфер

Раствор, содержащий слабую кислоту или слабое основание, противодействующий широким колебаниям pH жидкостей организма

коллоид

жидкая смесь, в которой частицы растворенного вещества состоят из сгустков молекул, достаточно больших, чтобы рассеивать свет

неорганическое соединение

вещество, не содержащее ни углерода, ни водорода

органическое соединение

Вещество, содержащее как углерод, так и водород

pH

отрицательный логарифм концентрации иона водорода (H ⁺ ) в растворе

раствор

гомогенная жидкая смесь, в которой растворенное вещество растворено в молекулах в растворителе

подвеска

жидкая смесь, в которой распределенные в жидкости частицы оседают с течением времени

Неорганический материал — обзор

25.2.1 Неорганические материалы

Неорганические материалы были использованы в первом транзисторе в 1947 году в Bell Labs. Лучший способ получить представление о различных классах неорганических полупроводниковых материалов — это изучить периодическую таблицу элементов. Таблица 25.1 показывает часть таблицы Менделеева, которая связана со многими элементарными и составными полупроводниками.

Таблица 25.1. Часть периодической таблицы, которая связана со многими элементарными и сложными полупроводниками

Большинство неорганических полупроводников относятся к группе IV, углерод (C) в форме алмаза, кремний (Si), германий (Ge) , и олово (Sn).Кристаллическая структура всех этих полупроводников показана в виде алмаза. Разница между ними заключается в проводящих свойствах металлов и изоляторов. Алмаз гораздо больше похож на изолятор; Между тем олово очень похоже на металл. Между ними кремний и германий действуют как два типичных полупроводника. В настоящее время они являются доминирующими материалами в микроэлектронике и наиболее важными материалами во всех современных коммуникационных технологиях. Помимо чистых элементарных полупроводников Si и Ge, сплавы обоих материалов также обладают полупроводниковыми свойствами, такими как SiGe или Si _{1- x} Ge _x , где x представляет собой мольную долю компонентов сплава.

Общей чертой элементов основной группы IV периодической таблицы является то, что на внешней оболочке их электронных облаков, так называемой валентной оболочке, находится четыре электрона. Они могут быть легированы примесями разных типов и концентраций для изменения их проводимости. Это изменение проводимости можно рассматривать как одно из важнейших свойств полупроводника.

На рис. 25.1 показаны три основных представления связей в полупроводнике. На рис. 25.1 (а) показан собственный кремний, который очень чистый и содержит пренебрежимо малое количество примесей.Каждый атом кремния разделяет свои четыре внешних электрона со своими четырьмя соседними атомами, образуя четыре ковалентные связи. На рис. 25.1 (b) показан кремний n-типа, где замещающий атом фосфора с пятью крайними электронами заменил атом кремния. В результате отрицательно заряженный электрон передается решетке в зоне проводимости. Рис. 25.1 (c) показывает, что когда атом бора с тремя крайними электронами заменяет атом кремния, в валентной зоне создается положительно заряженная дырка, и дополнительный электрон будет принят для образования четырех ковалентных связей вокруг бора.Это кремний p-типа.

Рисунок 25.1. Три основных изображения связи полупроводника. (а) Собственный Si без примесей; (б) Si n-типа с донором (фосфором). (в) Si p-типа с акцептором (бором).

Помимо группы IV, соединения атомов в группах III-V также являются полупроводниками, такими как BN, BP, Bas, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, и InSb. За исключением нитридов, все эти соединения кристаллизуются в структуру цинковой обманки. Нитриды стабильны в структуре вюрцита.Между тем, кристаллы смеси, состоящие из бинарных соединений III-V, также обладают полупроводниковыми свойствами, такими как (Ga, Al) As, Ga (As, P), (In, Ga) As и (In, Ga) (As, P ).

Соединения атомов в группах II-VI, такие как ZnS, ZnSe, ZnTe, CdTe, HgSe, HgTe, CdS, CdSe и MgTe, также обладают полупроводниковыми свойствами. Как и в случае соединений III-V, большое количество полупроводниковых сплавов также может быть получено из соединений II-IV, таких как (Hg, Cd) Te, Zn (S, Se), Cd (S, Se) и т. Д.

Хотя неорганические материалы обеспечивают изготовленное устройство с лучшими характеристиками в области применения полупроводников, их кристаллическая структура не позволяет использовать их в тканевых изделиях, пригодных для носки.Эти материалы не могут быть нанесены на гибкую основу, такую ​​как лист, пленку или пряжу, с удовлетворительными адгезионными свойствами, поскольку они хрупкие и хрупкие и чувствительны к примесям в производственных условиях. Требование высокой температуры для их нанесения также является препятствием для их нанесения на текстильные основы. Наиболее распространенные текстильные материалы не могут выдерживать температуры выше 300 ° C, что препятствует традиционным технологиям нанесения покрытия, применяемым на текстильных подложках, таким как нанесение напыления (Carlston et al., 1965). Однако это неудобство преодолевается за счет использования аморфного кремния (a-Si) (Madan, 2006).

Работа над a-Si с использованием плазменного химического осаждения из паровой фазы (PECVD) в газообразном силане (SiH ₄ ) была впервые проведена Стерлингом и его коллегами из Standard Telecommunication Laboratories, начиная с 1965 года (Sterling and Swann, 1965). В настоящее время он стал основой многомиллиардного рынка разнообразных приложений, таких как полевые устройства (Le Comber et al., 1979), жидкокристаллические дисплеи с активной матрицей (Rose, 2012), электрофотография (Schein, 1988). , датчики изображения, солнечные элементы (Rech, Wagner, 1999) и т. д.Его неупорядоченная атомная структура — главная особенность, которая отличает аморфные материалы от кристаллических. Хотя для a-Si существует слово аморфный , он не является полностью аморфным, поскольку a-Si сохраняет ковалентные связи между атомами кремния таким же образом в кристаллическом кремнии, с тем же числом соседей и той же средней связью. длины и валентные углы. Беспорядок представлен функцией распределения пар атомов. Аморфный кремний имеет тот же ближний порядок, что и кристалл, но не имеет дальнего порядка.Однако все еще остаются некоторые дефекты, так называемые оборванные связи, из-за неупорядоченной природы материала.

В отличие от традиционного транзистора на основе кремния, для которого обычно требуется высокотемпературный процесс выше 800 ° C, большое преимущество аморфного кремния заключается в том, что он может быть нанесен в виде тонкой пленки при низкой температуре на различные подложки. Это дает огромное количество возможностей для использования в текстильных приложениях. Однако подвижность носителей аморфного кремния ограничена величиной порядка 1 см ² V ⁻¹ с ⁻¹ , что на два или три порядка меньше, чем у монокристаллического Si (∼200 см ² В ⁻¹ с ⁻¹ для концентрации носителей ∼10 ¹⁹ см ³ ) (Nomura et al., 2004). Фактически, из-за шероховатости поверхности текстиля и загрязнений фактическая линейная подвижность будет ниже идеального значения.

5 Химические аспекты жизни

Все, на что мы можем натолкнуться, потрогать или сжать, включая живые существа, состоит из атомов. Химические элементы — это чистые вещества одного типа атомов. Атомы объединяются, образуя молекулы. Молекулы, состоящие из более чем одного элемента, называются соединениями.

Обычно люди различают органические и неорганические соединения.Однако не существует четкого или общепризнанного различия между органическими и неорганическими соединениями. Химики-органики традиционно и обычно относятся к любой молекуле, содержащей углерод, как к органическому соединению, и по умолчанию это означает, что неорганическая химия имеет дело с молекулами, не имеющими углерода. Поскольку многие минералы имеют биологическое происхождение, биологи могут отличать органические от неорганических соединений другим способом, который не зависит от наличия атома углерода. Например, пулы органических веществ, которые были метаболически включены в живые ткани, сохраняются в разлагающихся тканях, но когда молекулы окисляются в открытой среде, такой как атмосферный CO ₂ , это создает отдельный пул неорганических соединений.Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC), агентство, широко известное за определение химических терминов, не предлагает определений неорганических или органических соединений. Следовательно, определение неорганического и органического соединения в мультидисциплинарном контексте охватывает разделение на органическую жизнь, живую (или одушевленную), и неорганическую неживую (или неодушевленную) материю. В более широком смысле этот термин обычно относится к соединениям, синтезируемым чисто геологическими системами, в отличие от тех, которые имеют биологический компонент в своем происхождении.

Клетки состоят в основном из воды (70% -90%). Основная масса их сухого веса состоит из соединений, содержащих элементы углерода (C), водород (H), кислород (O), азот (N) и фосфор (P). Четыре основных типа органических биомолекул — это углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты. Более сложные члены этих категорий (биомакромолекулы) состоят из цепочек более мелких молекул (мономеров), связанных друг с другом, более или менее подобно бусинам в ожерелье. Эти сложные молекулы называются полимерами.В живых организмах полимеры образуются путем дегидратационного синтеза, потери молекулы воды между каждой парой мономеров. И наоборот, полимеры можно переваривать (разбивать на мономеры) путем добавления молекулы воды между каждой парой мономеров. Этот процесс известен как гидролиз.

Углеводы — это биомолекулы, состоящие из атомов углерода (C), водорода (H) и кислорода (O), обычно с соотношением атомов водорода и кислорода 2: 1 (как в воде) с формулой C _n (H ₂ О) _н. .

Липиды — это вещества биологического происхождения, не растворимые в воде. Липиды включают группу встречающихся в природе молекул, которые включают жиры, воски, стерины, жирорастворимые витамины (такие как витамины A, D, E и K), моноглицериды, диглицериды, триглицериды и фосфолипиды. Основные биологические функции липидов включают хранение энергии, передачу сигналов и действие в качестве структурных компонентов клеточных мембран.

Белки — это большие биомолекулы, состоящие из одной или нескольких длинных цепочек аминокислот, связанных пептидными связями.Белки выполняют широкий спектр функций внутри организмов, в том числе катализируют метаболические реакции, репликацию ДНК, реагируют на стимулы и транспортируют молекулы из одного места в другое. Белки отличаются друг от друга в первую очередь своей аминокислотной последовательностью, которая определяется нуклеотидной последовательностью их генов и обычно приводит к сворачиванию белка в определенную трехмерную структуру, определяющую его активность.

Тест на восстановление сахара

Восстанавливающий сахар — это сахар, который восстанавливает другое соединение и сам окисляется; то есть карбонильный углерод сахара окисляется до карбоксильной группы.Восстановительный сахар имеет свободную альдегидную группу или свободную кетонную группу. Все моносахариды представляют собой восстанавливающие сахара, а также некоторые дисахариды, олигосахариды и полисахариды. Моносахариды, содержащие альдегидную группу, известны как альдозы, а те, которые имеют кетоновую группу, известны как кетозы. Альдегид может быть окислен посредством окислительно-восстановительной реакции, в которой восстанавливается другое соединение. Таким образом, редуцирующий сахар — это сахар, уменьшающий количество определенных химикатов. Сахара с кетонными группами в форме их открытой цепи способны изомеризоваться посредством серии таутомерных сдвигов с образованием альдегидной группы в растворе.Следовательно, кетоносодержащие сахара, такие как фруктоза, считаются восстанавливающими сахарами, но восстанавливающими являются изомер, содержащий альдегидную группу, поскольку кетоны не могут быть окислены без разложения сахара. Этот тип изомеризации катализируется основанием, присутствующим в растворах, которые проверяют наличие альдегидов. Альдозы или альдегидсодержащие сахара восстанавливаются также потому, что во время окисления альдоз восстанавливаются определенные окислители. Обычные диетические моносахариды галактоза, глюкоза и фруктоза являются редуцирующими сахарами.Многие дисахариды, такие как лактоза и мальтоза, также имеют восстанавливающую форму, поскольку одно из двух звеньев может иметь форму с открытой цепью с альдегидной группой. Однако сахароза является невосстанавливающим дисахаридом, поскольку ни одно из колец не способно раскрыться. Реагент Бенедикта (Cu ²⁺ в водном растворе цитрата натрия) используется в качестве качественного теста для обнаружения присутствия редуцирующих сахаров. Восстановительный сахар восстанавливает ионы меди (II) до меди (I), которая затем образует осадок оксида меди (I) кирпично-красного цвета.

Методика эксперимента

1. Включите нагревательный блок 65 ° C (Рисунок 5.1), переведя маленький черный переключатель в нижнем правом углу в положение «высоко». Поверните белую кнопку «Регулировка высокой температуры» на цифру от 2 до 3.

Рисунок 5.1: Нагревательный блок («сухая ванна»).

2. Включите нагревательный блок на 37 ° C, переместив маленький черный переключатель в правом нижнем углу на «низкий». Поверните белую кнопку «Регулировка низкой температуры» в положение с 3 по 4.
3. Возьмите бутылку с деионизированной водой (рис. 5.2).

Рисунок 5.2: Бутылка с деионизированной водой для использования в экспериментах.

4. Возьмите 7 пластиковых пробирок (рис. 5.3) и штатив для пробирок (рис. 5.4).

Рисунок 5.3: Дополнительные экспериментальные материалы для этой лаборатории.

Рисунок 5.4: Экспериментальные материалы для этой лаборатории, предоставленные на вашем лабораторном столе.

5. С помощью воскового карандаша пометьте каждую пробирку номером (от 1 до 7).
6. Поместите пробирки слева (пробирка №1) направо (пробирка №7) в первый ряд стойки для пробирок.
7. Добавьте исследуемый материал в каждую пробирку, как указано в таблице 5.1.
8. Добавьте 2 мл реагента Бенедикта в каждую пробирку с помощью пластиковой пипетки для переноса.

Рисунок 5.5: Пластиковая пипетка для переноса (емкость 2 мл).

9. Хорошо перемешайте.
10. Убедитесь, что температура теплового блока составляет ~ 65 ° C, а затем поместите трубки в тепловой блок. Установите таймер и инкубируйте пробирки в течение 15 минут.Начните установку эксперимента 2 (ниже), пока пробирки инкубируются.
11. Через 15 минут извлеките пробирки с помощью держателя для пробирок (будьте осторожны, они горячие!), Поместите их в штатив для пробирок и запишите цвет (своими словами) в Таблицу 5.1.

Рисунок 5.6: Результаты эксперимента 1. Сравните со своими результатами!

Тест на крахмал

Крахмал — это полимерный углевод, состоящий из большого количества единиц глюкозы, соединенных гликозидными связями. Этот полисахарид вырабатывается большинством зеленых растений в качестве накопителя энергии. Это наиболее распространенный углевод в рационе человека и в больших количествах содержится в основных продуктах питания, таких как картофель, пшеница, кукуруза (кукуруза), рис и маниока. Чистый крахмал — это белый порошок без вкуса и запаха, не растворимый в холодной воде или спирте.Он состоит из двух типов молекул: линейной и спиральной амилозы и разветвленного амилопектина.

Амилаза — это фермент, катализирующий гидролиз крахмала до мальтозы и глюкозы. Амилаза присутствует в слюне человека, где начинается химический процесс пищеварения. Он также вырабатывается поджелудочной железой.

Методика эксперимента

1. Возьмите 9 пластиковых пробирок и штатив для пробирок.
2. С помощью воскового карандаша промаркируйте каждую пробирку номером (от 1 до 9).
3. Поместите пробирки слева (пробирка №1) направо (пробирка №9) в первый ряд стойки для пробирок.
4. Добавьте тестируемый материал в пробирки с 1 по 8, как указано в таблице ниже. Оставьте пробирку 9 пустой.
5. Убедитесь, что температура теплового блока составляет ~ 37 ° C, а затем поместите трубку № 8 в тепловой блок. Установите таймер и инкубируйте пробирки в течение 15 минут.
6. Добавьте 5 капель раствора йода в пробирки №1 — №7. Хорошо смешать.
7. Запишите цвет (своими словами) в Таблицу 5.2.
8. Через 15 минут извлеките пробирку 8 из нагревательного блока и перенесите 2 мл (половина содержимого пробирки 8) в пробирку 9.
9. Добавьте 5 капель йода в пробирку 8 и запишите свое наблюдение в Таблицу 5.2.
10. Добавьте 2 мл раствора Бенедикта в пробирку №9.
11. Поместите трубку 9 в термоблок ~ 65 ° C. Установите таймер и инкубируйте пробирку в течение 15 минут.
12. Через 15 минут извлеките пробирку 9 с помощью держателя для пробирок (осторожно, она горячая!), Поместите ее в штатив для пробирок и запишите цвет (своими словами) в таблицу.

Рисунок 5.7: Результаты эксперимента 2. Сравните со своими результатами!

Тест на белки

Белки — это большие биомолекулы или макромолекулы, состоящие из одной или нескольких длинных цепочек аминокислотных остатков. Белки выполняют широкий спектр функций внутри организмов, в том числе катализируют метаболические реакции, репликацию ДНК, реагируют на стимулы и транспортируют молекулы из одного места в другое. Белки отличаются друг от друга в первую очередь своей аминокислотной последовательностью, которая определяется нуклеотидной последовательностью их генов и обычно приводит к сворачиванию белка в определенную трехмерную структуру, определяющую его активность.Линейная цепочка аминокислотных остатков называется полипептидом. Белок содержит по крайней мере один длинный полипептид. Короткие полипептиды, содержащие менее 20-30 остатков, редко считаются белками и обычно называются пептидами или иногда олигопептидами. Отдельные аминокислотные остатки связаны пептидными связями и соседними аминокислотными остатками. Последовательность аминокислотных остатков в белке определяется последовательностью гена, который закодирован в генетическом коде. В общем, генетический код определяет 20 стандартных аминокислот; однако у некоторых организмов генетический код может включать селеноцистеин и, в некоторых архей, пирролизин.

Биуретовый тест — это химический тест, используемый для определения наличия пептидных связей. В присутствии пептидов ион меди (II) образует в щелочном растворе координационные комплексы фиолетового цвета. Биуретовую реакцию можно использовать для оценки концентрации белков, поскольку пептидные связи возникают с одинаковой частотой на аминокислоту в пептиде. Интенсивность цвета прямо пропорциональна концентрации белка. Несмотря на свое название, реагент фактически не содержит биурета ((H ₂ N-CO-) ₂ NH).Тест назван так потому, что он также дает положительную реакцию на пептидоподобные связи в молекуле биурета. В этом анализе медь (II) связывается с азотом, присутствующим в пептидах белков. Во вторичной реакции медь (II) восстанавливается до меди (I). Из-за своей нечувствительности и небольшого влияния свободных аминокислот этот анализ наиболее полезен для образцов цельной ткани и других источников с высокой концентрацией белка.

Методика эксперимента

1. Возьмите 7 пластиковых пробирок и штатив для пробирок.
2. С помощью воскового карандаша промаркируйте каждую пробирку номером (от 1 до 7).
3. Поместите пробирки слева (пробирка №1) направо (пробирка №7) в первый ряд стойки для пробирок.
4. Добавьте материалы в эти пробирки, как указано в таблице 5.3, и хорошо перемешайте. Для реакции нагревания не требуется.
5. Подождите 2 минуты и затем запишите свои наблюдения в таблицу ниже. Делайте вывод только на основании наличия или отсутствия фиолетового цвета.

Рисунок 5.8: Результаты эксперимента 3. Сравните со своими результатами!

Уборка

1. Вылейте содержимое всех пластиковых пробирок в помеченный контейнер для отходов (коричневая бутылка) в вытяжном шкафу для химикатов (рис. 5.9).
2. Выбросьте пустые пробирки в обычную корзину для отходов.

Рисунок 5.9: Контейнеры для отходов, острых предметов, жидкостей и битого стекла в вытяжном шкафу.

Тест на липиды

В биологии липид — это вещество биологического происхождения, растворимое в неполярных растворителях.Он включает группу встречающихся в природе молекул, которые включают жиры, воски, стерины, жирорастворимые витамины (такие как витамины A, D, E и K), моноглицериды, диглицериды, триглицериды и фосфолипиды. Основные биологические функции липидов включают хранение энергии, передачу сигналов и действие в качестве структурных компонентов клеточных мембран. Липиды находят применение в косметической и пищевой промышленности, а также в нанотехнологиях. Ученые иногда широко определяют липиды как гидрофобные или амфифильные небольшие молекулы; амфифильная природа некоторых липидов позволяет им образовывать структуры, такие как везикулы, липосомы или мембраны в водной среде.Хотя термин «липид» иногда используется как синоним жиров, жиры представляют собой подгруппу липидов, называемых триглицеридами. Липиды также включают молекулы, такие как жирные кислоты и их производные (включая три-, ди-, моноглицериды и фосфолипиды), а также другие стеринсодержащие метаболиты, такие как холестерин. Хотя люди и другие млекопитающие используют различные биосинтетические пути как для расщепления, так и для синтеза липидов, некоторые важные липиды не могут быть получены таким образом и должны быть получены с пищей.

Методика эксперимента

1. Возьмите небольшую стеклянную трубку.
2. Добавьте 2 мл воды в стеклянную пробирку.
3. Добавьте сверху 6 капель растительного масла.
4. Тщательно встряхните и только временно наблюдайте за диспергированием масла. Это эмульсия, представляющая собой смесь двух жидкостей, каждая из которых не растворяется в другой.
5. Теперь добавьте 3 капли липид-специфического красного красителя Судана и снова перемешайте.
6. Добавьте в пробирку 2 мл жидкого моющего средства и снова встряхните.
7. Дайте трубке постоять и обратите внимание на то, что две фазы (масло и вода) больше не разделены четко. Моющее средство часто называют эмульгатором. Его молекулы водорастворимы с одной стороны и жирорастворимы с другой. Они окружают мелкие капельки масла водорастворимыми концом наружу и позволяют каплям оставаться взвешенными в воде.

Уборка

Вылейте содержимое стеклянной трубки в помеченный контейнер для отходов (коричневая бутылка) в вытяжном шкафу.Выбросьте стеклянную трубку в пластиковый контейнер с надписью «битое стекло» в вытяжном шкафу (рис. 5.9).

Тест на органические и неорганические соединения (демонстрационный)

Методика эксперимента

1. Инструктор будет использовать горелку Бунзена для нагрева ряда веществ. Органические вещества сгорят, неорганические останутся неизменными.
2. Запишите свое наблюдение в Таблицу 5.4.

Уборка

1. Вылейте содержимое пластиковой трубки в помеченный контейнер для отходов (коричневая бутылка) в вытяжном шкафу.
2. Выбросьте пустые пробирки и другие отходы в обычную корзину для отходов.
3. Промойте стеклянный стержень и стеклянную посуду водой с моющим средством.
4. Верните стеклянный стержень и стеклянную посуду на подносы на вашей скамейке, где вы их изначально нашли.

Обзорные вопросы

1. Что такое органические соединения?
2. Какие пять элементов встречаются в живых организмах чаще всего?
3. Каковы четыре основные группы биомакромолекул?
4. Какие строительные блоки (мономеры) ДНК?
5. Что такое липиды?
6. Что такое белки?
7. Что такое пептидная связь?
8. Что такое химическое восстановление?
9. Что такое химическое окисление?
10. Что такое моющие средства?
11. Почему мы используем детергент в эксперименте по выделению ДНК?

Химический состав человеческого тела

Многие элементы, встречающиеся в природе, также находятся в теле.Это химический состав среднего взрослого человека с точки зрения элементов и соединений.

Основные классы соединений в организме человека

Большинство элементов содержится в соединениях. Вода и минералы — это неорганические соединения. Органические соединения включают жир, белок, углеводы и нуклеиновые кислоты.

• Вода: Вода является самым распространенным химическим соединением в живых клетках человека, составляя от 65 до 90 процентов каждой клетки.Он также присутствует между ячейками. Например, кровь и спинномозговая жидкость в основном состоят из воды.
• Жир: Процент жира варьируется от человека к человеку, но даже у тучного человека воды больше, чем жира.
• Белок: У худощавого мужчины процентное содержание белка и воды сопоставимо. Это около 16 процентов по массе. Мышцы, в том числе сердце, содержат много мышц. Волосы и ногти — это белок. Кожа также содержит большое количество белка.
• Минералы: Минералы составляют около 6 процентов тела. В их состав входят соли и металлы. Общие минералы включают натрий, хлор, кальций, калий и железо.
• Углеводы: Хотя люди используют сахар глюкозу в качестве источника энергии, ее не так уж много в кровотоке в любой момент времени. Сахар и другие углеводы составляют всего около 1% массы тела.

Элементы человеческого тела

Шесть элементов составляют 99% массы человеческого тела.Аббревиатура CHNOPS может использоваться, чтобы помочь запомнить шесть ключевых химических элементов, которые используются в биологических молекулах. C — углерод, H — водород, N — азот, O — кислород, P — фосфор и S — сера. Хотя аббревиатура — хороший способ запомнить идентичность элементов, она не отражает их изобилие.

• Кислород — самый распространенный элемент в организме человека, на долю которого приходится примерно 65% массы человека. Каждая молекула воды состоит из двух атомов водорода, связанных с одним атомом кислорода, но масса каждого атома кислорода намного превышает общую массу водорода.Кислород не только входит в состав воды, но и необходим для клеточного дыхания.
• Углерод содержится во всех органических соединениях, поэтому углерод является вторым по распространенности элементом в организме, составляя около 18% от массы тела. Углерод содержится в белках, углеводах, липидах и нуклеиновых кислотах. Он также содержится в двуокиси углерода.
• Водород атома — самый многочисленный тип атомов в организме человека, но из-за того, что они такие легкие, они составляют всего около 10% от массы.Водород находится в воде, плюс это важный переносчик электронов.
• Азот составляет около 3,3% массы тела. Он содержится в белках и нуклеиновых кислотах.
• Кальций составляет 1,5% массы тела. Он используется для наращивания костей и зубов, а также важен для сокращения мышц.
• Фосфор составляет около 1% массы тела. Этот элемент содержится в нуклеиновых кислотах. Разрыв связей, соединяющих молекулы фосфата, является основным компонентом передачи энергии.
• Калий составляет около 0,2-0,4% от массы человека. Он используется в нервной проводимости. Калий — это ключевой катион или положительно заряженный ион в организме.
• Сера содержится в некоторых аминокислотах и ​​белках. Это примерно 0,2-0,3% массы тела.
• Натрий , как и калий, является положительно заряженным ионом. Это примерно 0,1-0,2% массы тела. Натрий помогает регулировать баланс электролитов в организме и поддерживать гомеостаз по отношению к объему воды в крови и клетках.
• Хотя алюминий и кремний широко распространены в земной коре, они обнаруживаются в следовых количествах в организме человека.
• Другие микроэлементы включают металлы, которые часто являются кофакторами ферментов (например, кобальт для витамина B ₁₂ ). Микроэлементы включают железо, кобальт, цинк, йод, селен и фтор.

Содержит ли тело все элементы?

В среднем человеческое тело содержит крошечные количества элементов, которые не выполняют никаких известных биологических функций.К ним относятся германий, сурьма, серебро, ниобий, лантан, теллур, висмут, таллий, золото и даже радиоактивные элементы, такие как торий, уран и радий. Однако не все элементы периодической таблицы находятся в организме. В первую очередь это синтетические элементы, которые производятся в лабораториях. Даже если бы они действительно возникли в теле, большинство сверхтяжелых ядер имеют такой короткий период полураспада, что они почти мгновенно распадутся на один из наиболее распространенных элементов.

Источники

• Анке М.(1986). «Мышьяк». В: Mertz W. ed., Микроэлементы в питании человека и животных, , 5-е изд. Орландо, Флорида: Academic Press. С. 347-372.
• Чанг, Раймонд (2007). Химия , Девятое издание. Макгроу-Хилл. С. 52.
• Эмсли, Джон (2011). Строительные блоки природы: руководство по элементам от А до Я . ОУП Оксфорд. п. 83. ISBN 978-0-19-960563-7.
• Подкомитет по десятому изданию Рекомендованных диетических пособий, Совета по продовольствию и питанию; Комиссия по наукам о жизни, Национальный исследовательский совет (февраль 1989 г.). Рекомендуемые нормы диеты : 10-е издание. Национальная академия прессы. ISBN 978-0-309-04633-6.
• Зумдал, Стивен С. и Сьюзан А. (2000). Химия , пятое издание. Компания Houghton Mifflin. п. 894. ISBN 0-395-98581-1.

Смотри: 10 удивительных загадок о человеческом теле

Органические соединения