2.3 Efnahvörf

2.3 Efnahvörf

Efnaskipti eru eitt af einkennum lifandi lífveru. Þau eru heild allra efnahvarfa sem viðhalda heilbrigði hennar og lífi. Tengjamyndunarferlin sem þú hefur lært um hingað til eru uppbyggingarhvörf; í þeim myndast stærri sameindir úr smærri sameindum eða frumeindum. Mundu þó að efnaskipti geta einnig gengið í hina áttina: í niðurbrotshvörfum rofna tengi milli efnisþátta stærri sameinda og smærri sameindir eða frumeindir losna. Báðar hvarfagerðir fela í sér skipti á efni og orku.

Hlutverk orku í efnahvörfum

Efnahvörf krefjast nægrar orku til að eindir efnis rekist saman af slíkri nákvæmni og afli að gömul efnatengi geti rofnað og ný myndast. Almennt er hreyfiorka það orkuform sem knýr hvers kyns efni á hreyfingu. Ímyndaðu þér að þú sért að hlaða múrsteinsvegg. Orkan sem þarf til að lyfta einum múrsteini og leggja hann ofan á annan er hreyfiorka — sú orka sem efni hefur vegna hreyfingar sinnar. Þegar veggurinn er fullgerður geymir hann stöðuorku. Stöðuorka er orka stöðu, það er sú orka sem efni hefur vegna staðsetningar eða byggingar efnisþátta sinna. Ef múrsteinsveggurinn hrynur losnar geymda stöðuorkan sem hreyfiorka þegar steinarnir falla.

Í mannslíkamanum er stöðuorka geymd í tengjum milli frumeinda og sameinda. Efnaorka er sú gerð stöðuorku sem geymd er í efnatengjum. Þegar tengin myndast er efnaorka lögð í þau og þegar þau rofna losnar efnaorka. Taktu eftir að efnaorka, eins og öll orka, verður hvorki til né eyðist heldur umbreytist úr einu formi í annað. Þegar þú borðar orkustykki áður en þú leggur af stað í göngu brýtur líkaminn niður hunangið, hneturnar og aðra fæðu í stykkinu og endurraðar efnunum í sameindir sem vöðvafrumurnar breyta í hreyfiorku.

Efnahvörf sem losa meiri orku en þau taka upp kallast orkulosandi. Niðurbrot fæðunnar í orkustykkinu er dæmi um slíkt hvarf. Hluti efnaorkunnar sem geymd er í stykkinu flyst í sameindir sem líkaminn notar sem eldsneyti, en hluti hennar losnar, til dæmis sem varmi. Efnahvörf sem taka upp meiri orku en þau losa kallast hins vegar orkukrefjandi. Þau þurfa orkuinntak og sameindin sem myndast geymir bæði efnaorkuna í upphaflegu efnisþáttunum og orkuna sem knúði hvarfið. Þar sem orka verður hvorki til né eyðist, hvaðan kemur orkan sem orkukrefjandi hvörf þurfa? Í mörgum tilvikum kemur hún frá orkulosandi hvörfum.

Orkuform sem skipta máli fyrir starfsemi mannslíkamans

Þú hefur þegar lært að efnatengi taka upp, geyma og losa efnaorku. Auk efnaorku skipta vélræn orka, geislaorka og raforka máli fyrir starfsemi mannslíkamans.

• Vélræn orka, sem geymist í kerfum á borð við vélar, hreyfla eða mannslíkamann, knýr hreyfingu efnis beint. Þegar þú lyftir múrsteini á sinn stað í vegg veita vöðvarnir vélrænu orkuna sem hreyfir steininn.
• Geislaorka er orka sem er gefin frá sér og berst sem bylgjur en ekki sem efni. Bylgjulengdin spannar allt frá löngum útvarpsbylgjum og örbylgjum til stuttra gammabylgja sem frumeindakjarnar gefa frá sér við geislavirka hrörnun. Allt svið geislaorku kallast rafsegulrófið. Líkaminn notar útfjólubláa orku sólarljóss til að breyta efnasambandi í húðfrumum í D-vítamín, sem er nauðsynlegt fyrir starfsemi mannslíkamans. Mannsaugað hefur þróast til að greina þær bylgjulengdir sem mynda liti regnbogans, frá rauðu til fjólublás, og því er þetta svið rófsins kallað „sýnilegt ljós“.
• Raforka, sem rafvakar í frumum og líkamsvökvum veita, stuðlar að spennubreytingum sem hjálpa til við að flytja boð í tauga- og vöðvafrumum.

Einkenni efnahvarfa

Öll efnahvörf hefjast með hvarfefni, almenna heitinu á einu eða fleiri efnum sem ganga inn í hvarfið. Natríum- og klóríðjónir eru til dæmis hvarfefnin við myndun matarsalts. Eitt eða fleiri efni sem myndast við efnahvarf kallast myndefni.

Í efnahvörfum eru allir efnisþættir hvarfefnanna — frumefnin sem taka þátt og fjöldi frumeinda af hverju þeirra — einnig í myndefninu eða myndefnunum. Að sama skapi er ekkert í myndefnunum sem var ekki í hvarfefnunum. Ástæðan er sú að efnahvörf lúta lögmálinu um varðveislu massa, sem segir að efni verði hvorki til né eyðist í efnahvarfi.

Þættir sem hafa áhrif á hraða efnahvarfa

Ef þú hellir ediki út í matarsóda verður hvarfið samstundis og blandan freyðir og kraumar. Mörg efnahvörf taka þó tíma. Ýmsir þættir hafa áhrif á hraða efnahvarfa, en hér verður aðeins fjallað um þá sem skipta mestu máli fyrir starfsemi mannslíkamans.

Eiginleikar hvarfefnanna

Til að efnahvörf geti gengið hratt þurfa frumeindir hvarfefnanna að komast auðveldlega hver að annarri. Því stærra yfirborðsflatarmál sem hvarfefnin hafa, þeim mun auðveldar víxlverka þau. Þegar þú setur osttening upp í þig tyggurðu hann áður en þú kyngir. Tygging eykur meðal annars yfirborðsflatarmál fæðunnar svo meltingarefni komist auðveldar að henni. Almennt hvarfast lofttegundir hraðar en vökvar eða föst efni, meðal annars vegna þess að það þarf orku til að skilja að eindir efnis en milli einda lofttegunda er samkvæmt skilgreiningu þegar bil. Að sama skapi hefur stærri sameind fleiri tengi í heild og því má búast við að hvörf smærri sameinda, sem hafa færri tengi, gangi hraðar.

Mundu einnig að sum frumefni eru hvarfgjarnari en önnur. Hvörf sem fela í sér mjög hvarfgjörn frumefni á borð við vetni ganga hraðar en hvörf með síður hvarfgjörnum frumefnum. Ólíklegt er að stöðug frumefni á borð við helín hvarfist yfirleitt.

Hitastig

Nær öll efnahvörf ganga hraðar við hærra hitastig. Mundu að hreyfiorka er orka efnis á hreyfingu. Hreyfiorka öreinda eykst þegar varmaorka eykst. Því hærra sem hitastigið er, þeim mun hraðar hreyfast eindirnar og þeim mun líklegra er að þær komist í snertingu og hvarfist.

Styrkur og þrýstingur

Ef aðeins fáir dansa á skemmtistað er ólíklegt að þeir stígi hver á tærnar á öðrum. Þegar sífellt fleiri fara að dansa — einkum ef tónlistin er hröð — verða árekstrar hins vegar líklegir. Sama gildir um efnahvörf: því fleiri eindir sem eru í tilteknu rými, þeim mun líklegra er að þær rekist hver á aðra. Efnafræðingar geta því hraðað efnahvörfum bæði með því að auka styrk eindanna — fjölda þeirra í rýminu — og með því að minnka rúmmál rýmisins, sem eykur þrýstinginn. Ef 100 manns væru að dansa á skemmtistaðnum og rekstrarstjórinn færði samkvæmið skyndilega í helmingi minna rými myndi styrkur dansaranna tvöfaldast og líkurnar á árekstrum aukast að sama skapi.

Ensím og aðrir hvatar

Til að tvö efni í náttúrunni geti hvarfast þurfa þau fyrst að komast í snertingu, en það gerist við tilviljanakennda árekstra. Varmi eykur hreyfiorku frumeinda, jóna og sameinda og stuðlar þannig að árekstrum þeirra. Mjög mikill hiti í líkamanum — til dæmis mjög hár sótthiti — getur hins vegar skaðað frumur og verið lífshættulegur. Eðlilegur líkamshiti er aftur á móti ekki nægilega hár til að knýja efnahvörfin sem viðhalda lífi. Þar koma hvatar til sögunnar.

Í efnafræði er hvati efni sem eykur hraða efnahvarfs án þess að breytast sjálft. Líta má á hvata sem efni sem greiðir fyrir efnabreytingum. Hvatar auka tíðni og kraft árekstra frumeinda, jóna og sameinda og auka þannig líkurnar á að rafeindir í gildishvelum þeirra víxlverki.

Ensím eru nauðsynleg fyrir heilbrigða starfsemi líkamans. Þau stuðla til dæmis að niðurbroti fæðu og umbreytingu hennar í orku. Ensím greiða raunar fyrir flestum efnahvörfum líkamans.