2.4 Ólífræn efnasambönd sem eru nauðsynleg fyrir starfsemi mannslíkamans
2.4 Ólífræn efnasambönd sem eru nauðsynleg fyrir starfsemi mannslíkamans
Námsmarkmið
Að loknum þessum hluta áttu að geta:
- borið saman ólífræn og lífræn efnasambönd og greint á milli þeirra
- borið kennsl á þá eiginleika vatns sem gera það nauðsynlegt fyrir líf
- útskýrt hlutverk salta í líkamsstarfseminni
- greint á milli sýra og basa og útskýrt hvernig þau hafa áhrif á pH-gildi
- fjallað um hlutverk stuðpúða við að hjálpa líkamanum að viðhalda stöðugu pH-gildi
Hugtökin sem þú hefur lært hingað til í þessum kafla gilda um allar gerðir efnis og gætu verið undirstaða jarðfræði jafnt sem líffræði. Í þessum hluta kaflans þrengist umfjöllunin að efnafræði mannslíkamans, það er þeim efnasamböndum sem eru mikilvæg fyrir byggingu og starfsemi hans. Almennt eru þessi efnasambönd annaðhvort ólífræn eða lífræn.
Í framhaldinu verða skoðaðir þeir þrír flokkar ólífrænna efnasambanda sem eru nauðsynlegir fyrir líf: vatn, sölt, sýrur og basar. Fjallað verður um lífræn efnasambönd síðar í kaflanum.
Vatn
Allt að 70 prósent af líkamsþyngd fullorðins einstaklings eru vatn. Vatnið er bæði inni í frumunum og á milli frumanna sem mynda vefi og líffæri. Fjölþætt hlutverk vatns gera það ómissandi fyrir starfsemi mannslíkamans.
Vatn sem smurefni og höggdeyfir
Vatn er stór hluti margra smurvökva líkamans. Rétt eins og olía smyr hurðarlöm smyr vatnið í liðvökva hreyfingar liðamóta og vatnið í fleiðruvökva auðveldar lungunum að þenjast út og dragast saman við öndun. Vatnskenndir vökvar auðvelda fæðu að berast um meltingarveginn og tryggja að samliggjandi líffæri í kviðarholi hreyfist án núnings.
Vatn verndar einnig frumur og líffæri gegn líkamlegum áverkum. Það dempar til dæmis högg á heilann innan höfuðkúpunnar og verndar viðkvæman taugavef augnanna. Vatn myndar einnig verndandi umhverfi um fóstur sem þroskast í móðurkviði.
Vatn sem varmasvelgur
Varmasvelgur er efni eða hlutur sem tekur upp og dreifir varma án þess að hitastig hans hækki að sama skapi. Í líkamanum tekur vatn upp varma sem myndast við efnahvörf án þess að hitastig þess hækki mikið. Þegar hitastig umhverfisins hækkar verulega hjálpar vatnið sem geymt er í líkamanum auk þess til við að halda honum svölum. Þessi kæling verður þegar heitt blóð úr kjarna líkamans streymir um æðar rétt undir húðinni og varmi flyst út í umhverfið. Á sama tíma losa svitakirtlar heitt vatn með svita. Þegar vatnið gufar upp út í loftið flytur það varma með sér og svalara blóð frá jaðri líkamans berst síðan aftur inn að líkamskjarnanum.
Vatn sem efnisþáttur vökvablandna
Blanda er samsetning tveggja eða fleiri efna sem hvert um sig heldur efnafræðilegum einkennum sínum. Með öðrum orðum tengjast efnisþættirnir ekki efnafræðilega og mynda nýtt, stærra efnasamband. Auðvelt er að sjá þetta fyrir sér með duftkennd efni á borð við hveiti og sykur. Þegar þeim er hrært saman í skál tengjast þau augljóslega ekki og mynda nýtt efnasamband. Loftið sem þú andar að þér innandyra er loftkennd blanda. Það inniheldur þrjú aðskilin frumefni — köfnunarefni, súrefni og argon — og eitt efnasamband, koltvíoxíð. Vökvablöndur eru af þremur gerðum og í þeim öllum er vatn mikilvægur efnisþáttur. Þetta eru lausnir, kvoður og sviflausnir.
Til þess að frumur líkamans lifi af þurfa þær að vera rakar í vatnskenndum vökva sem kallast lausn. Í efnafræði samanstendur vökvalausn af leysi sem leysir upp efni sem kallast leyst efni. Mikilvægur eiginleiki lausna er að þær eru einsleitar, það er sameindir hins leysta efnis dreifast jafnt um lausnina. Ef þú hrærðir teskeið af sykri út í vatnsglas myndi sykurinn leysast upp í sykursameindir sem vatnssameindir skilja að. Hlutfall sykurs og vatns vinstra megin í glasinu væri hið sama og hægra megin. Ef þú bættir við meiri sykri myndi hlutfall sykurs og vatns breytast, en dreifingin yrði áfram jöfn, að því gefnu að þú hefðir hrært vel.
Vatn er talið „alhliða leysir“ og talið er að líf geti ekki verið án vatns vegna þessa eiginleika. Vatn er vissulega algengasti leysirinn í líkamanum; í reynd eiga nær öll efnahvörf líkamans sér stað milli efnasambanda sem eru uppleyst í vatni. Þar sem vatnssameindir eru skautaðar, með svæði sem bera jákvæða og neikvæða rafhleðslu, leysir vatn auðveldlega upp jónaefni og skautuð samgild efnasambönd. Slík efnasambönd kallast vatnssækin. Eins og áður kom fram leysist sykur vel upp í vatni. Ástæðan er sú að sykursameindir innihalda svæði með skautuðum vetnis-súrefnistengjum og eru því vatnssæknar. Óskautaðar sameindir sem leysast ekki auðveldlega upp í vatni kallast vatnsfælnar.
Styrkur leystra efna
Í efnafræði er fjallað um ýmsar blöndur leystra efna og vatns. Styrkur tiltekins leysts efnis er fjöldi agna þess í tilteknu rúmi; súrefni er til dæmis um 21 prósent af andrúmsloftinu. Í blóðrás manna er styrkur glúkósa yfirleitt mældur í milligrömmum (mg) á desílítra (dL) og hjá heilbrigðum fullorðnum einstaklingi er hann að meðaltali um 100 mg/dL. Önnur leið til að mæla styrk leysts efnis er mólstyrkur, það er fjöldi móla (M) af sameindunum í hverjum lítra (L). Mól frumefnis hefur massa sem samsvarar atómmassa þess en mól efnasambands massa sem samsvarar summu atómmassa efnisþátta þess; sú summa kallast sameindamassi. Algengt dæmi er að reikna út massa eins móls glúkósa, sem hefur efnaformúluna C6H12O6. Samkvæmt lotukerfinu er atómmassi kolefnis (C) 12.011 grömm (g) og í glúkósa eru sex kolefnisfrumeindir; samanlagður atómmassi þeirra er því 72.066 g. Þegar sams konar útreikningar eru gerðir fyrir vetni (H) og súrefni (O) fæst sameindamassinn 180.156 g, svonefndur „grammasameindamassi“ glúkósa. Þegar vatni er bætt við þar til lausnin er einn lítri fæst mólalausn (1 mol/L) af glúkósa, það er lausn með mólstyrkinn 1 (1 M). Þetta er sérstaklega gagnlegt í efnafræði vegna tengsla móla við „tölu Avogadros“. Eitt mól af hvaða lausn sem er inniheldur sama fjölda agna: 6.02 1023. Mörg efni í blóðrásinni og öðrum vefjum líkamans eru mæld í þúsundustu hlutum úr móli, það er millimólum (mM).
Svonefnd kvoða er blanda sem líkist að nokkru leyti þykkri lausn. Agnir hins leysta efnis eru örsmáir sameindaklasar sem eru nægilega stórir til að gera vökvablönduna ógegnsæja, því agnirnar eru nógu stórar til að dreifa ljósi. Mjólk og rjómi eru kunnugleg dæmi um kvoður. Í skjaldkirtlinum er skjaldkirtilshormón geymt í þykkri prótínblöndu sem einnig kallast kvoða.
Svonefnd sviflausn er vökvablanda þar sem þyngra efni svífur tímabundið í vökvanum en fellur með tímanum til botns. Þessi aðskilnaður agna úr sviflausn kallast botnfall. Dæmi um slíkt botnfall er blóðpróf sem mælir blóðsökk, einnig nefnt sökk. Prófið mælir hversu hratt rauð blóðkorn í tilraunaglasi sökkva úr vatnskenndum hluta blóðsins, sem nefnist blóðvökvi, á tilteknum tíma. Blóðkorn falla að jafnaði ekki hratt til botns í heilbrigðum líkama, en ákveðnir sjúkdómar geta valdið því að þau kekkjast saman. Þessir þungu blóðkornaklasar sökkva hraðar til botns í tilraunaglasinu en eðlileg blóðkorn.
Hlutverk vatns í efnahvörfum
Tvær gerðir efnahvarfa fela í sér myndun eða notkun vatns: afvötnunarmyndun og vatnsrof.
Þessi hvörf eru afturkræf og gegna mikilvægu hlutverki í efnafræði lífrænna efnasambanda, sem fjallað verður um innan skamms.
Sölt
Mundu að sölt myndast þegar jónir mynda jónatengi. Í þessum hvörfum lætur önnur frumeindin frá sér eina eða fleiri rafeindir og verður því jákvætt hlaðin, en hin tekur við einni eða fleiri rafeindum og verður neikvætt hlaðin. Nú má skilgreina salt sem efni sem klofnar í aðrar jónir en H+ eða OH– þegar það leysist upp í vatni. Þetta atriði skiptir máli þegar greina á sölt frá sýrum og bösum, sem fjallað verður um næst.
Dæmigert salt, NaCl, klofnar að fullu í vatni (Mynd 2.15). Jákvæð og neikvæð svæði vatnssameindarinnar, það er vetnis- og súrefnisendarnir, dragast að neikvæðu klóríðjónunum og jákvæðu natríumjónunum og skilja þær að. Óskautuð og skautuð samgild efnasambönd sundrast sem fyrr í sameindir í lausn en sölt klofna í jónir. Þessar jónir eru rafvakar og geta leitt rafstraum í lausn. Þessi eiginleiki er nauðsynlegur fyrir hlutverk jóna við flutning taugaboða og örvun vöðvasamdráttar.
Mörg önnur sölt eru mikilvæg í líkamanum. Gallsölt sem lifrin myndar hjálpa til dæmis við að sundra fitu úr fæðu og kalsíumfosfatsölt mynda steinefnahluta tanna og beina.
Sýrur og basar
Sýrur og basar klofna í rafvaka í vatni, rétt eins og sölt. Sýrur og basar geta breytt mjög eiginleikum lausnanna sem þau eru uppleyst í.
Sýrur
Svonefnd sýra er efni sem losar vetnisjónir (H+) í lausn (Mynd 2.16 a). Þar sem vetnisfrumeind hefur aðeins eina róteind og eina rafeind er jákvætt hlaðin vetnisjón einfaldlega róteind. Þessi staka róteind tekur mjög auðveldlega þátt í efnahvörfum. Sterkar sýrur eru efnasambönd sem losa H+ að fullu út í lausn; það er, þær jónast að fullu. Saltsýra (HCl), sem frumur í slímhúð magans losa, er sterk sýra því hún losar H+ að fullu út í vatnskennt umhverfi magans. Þessi sterka sýra hjálpar við meltingu og drepur örverur sem berast inn með fæðu. Veikar sýrur jónast ekki að fullu; það er, sumar vetnisjónir þeirra haldast bundnar í efnasambandi í lausninni. Edik, eða ediksýra, er dæmi um veika sýru. Þegar ediksýran hefur gefið frá sér róteind nefnist hún asetat.
Basar
Svonefndur basi er efni sem losar hýdroxíðjónir (OH–) í lausn eða tekur við H+ sem þegar er til staðar í lausninni (sjá Mynd 2.16 b). Hýdroxíðjónir og önnur basísk efni sameinast H+ í lausninni og mynda vatnssameind. Þannig fjarlægja þau H+ og draga úr sýrustigi lausnarinnar. Sterkir basar losa flestar eða allar hýdroxíðjónir sínar en veikir basar losa aðeins hluta þeirra eða taka aðeins við fáeinum vetnisjónum, H+. Fæða sem blandast saltsýru í maganum myndi brenna smáþarmana, næsta hluta meltingarvegarins á eftir maganum, ef ekki væri fyrir losun vetniskarbónats (bíkarbónats; HCO3–). Það er veikur basi sem dregur að sér H+. Vetniskarbónat tekur við hluta þessara H+ og dregur þannig úr sýrustigi lausnarinnar.
Hugtakið pH
Hvort lausn er tiltölulega súr eða basísk má gefa til kynna með pH-gildi hennar. Svonefnt pH-gildi lausnar er neikvæður tuglogri styrks vetnisjóna (H+) í lausninni. Til dæmis hefur lausn með pH-gildið 4 tífalt meiri styrk H+ en lausn með pH-gildið 5. Lausn með pH-gildið 4 er með öðrum orðum tífalt súrari en lausn með pH-gildið 5. Hugtakið pH verður skiljanlegra þegar þú skoðar pH-kvarðann, eins og þann á Mynd 2.17. Kvarðinn skiptist í þrep frá 0 til 14. Lausn með pH-gildið 7 telst hlutlaus, hvorki súr né basísk. Hreint vatn hefur pH-gildið 7. Því lægri sem talan er undir 7, þeim mun súrari er lausnin og þeim mun meiri er styrkur H+. Styrkur vetnisjóna breytist tífalt milli samliggjandi pH-gilda. pH-gildið 4 samsvarar til dæmis róteindastyrknum 10–4 M, eða 0.0001 M, en pH-gildið 5 samsvarar róteindastyrknum 10–5 M, eða 0.00001 M. Því hærri sem talan er yfir 7, þeim mun basískari er lausnin og þeim mun minni er styrkur H+. Þvag manna er til dæmis tífalt súrara en hreint vatn og HCl er 10,000,000 sinnum súrara en vatn.
Stuðpúðar
pH-gildi blóðs hjá mönnum er venjulega á bilinu 7.35 til 7.45, þótt það sé oftast gefið upp sem pH 7.4. Við þetta örlítið basíska pH-gildi getur blóðið dregið úr sýrustigi sem stafar af koltvíoxíði (CO2) sem billjónir frumna líkamans losa stöðugt út í blóðrásina. Samvægiskerfi líkamans, ásamt útöndun CO2 við öndun, halda pH-gildi blóðsins venjulega innan þessa þrönga bils. Það er lífsnauðsynlegt því sveiflur í hvora áttina sem er, hvort sem blóðið verður of súrt eða of basískt, geta valdið lífshættulegum kvillum.
Allar frumur líkamans eru háðar samvægisstjórnun sýru-basajafnvægis við pH-gildi um það bil 7.4. Líkaminn býr því yfir nokkrum stjórnunarkerfum sem byggjast á öndun, útskilnaði efna með þvagi og losun efna út í líkamsvökva sem saman nefnast stuðpúðar. Svonefndur stuðpúði er lausn úr veikri sýru og samstæðum basa hennar. Stuðpúði getur hlutleyst lítið magn sýra eða basa í líkamsvökvum. Ef pH-gildi líkamsvökva lækkar jafnvel örlítið niður fyrir 7.35 bindur stuðpúðinn í vökvanum vetnisjónirnar sem eru umfram og verkar þá sem veikur basi. Ef pH-gildið hækkar hins vegar yfir 7.45 verkar stuðpúðinn sem veik sýra og gefur frá sér vetnisjónir.