Elementi narave
Kemijski elementi v naravi
V naravi najdemo 98 različnih kemijskih elementov, a le nekaj v večji količini. Najpogostejši element v Zemljini skorji je kisik (O), sledijo mu silicij (Si), aluminij (Al), železo (Fe) in kalcij (Ca). Lestvica najpogostejših elementov v organskih molekulah pa je čisto drugačna, v njih namreč prevladuje ogljik (C), sledijo mu dušik (N), kisik (O), vodik (H) in kalcij (Ca).
V naravi najdemo 98 različnih kemijskih elementov. Najpogostejši element v organskih molekulah je ogljik (C), sledijo mu dušik (N), kisik (O), vodik (H) in kalcij (Ca).
Elemente urejamo v razpredelnico, ki ji pravimo periodni sistem elementov. Trenutno je znanih 118 elementov. Nekateri so sintetizirani v laboratoriju.
Da ogljik tako zelo prevladuje v živi naravi, ni naključje. Razlog je v njegovi lastnosti, da lahko tvori do štiri stabilne kovalentne vezi z drugimi atomi ogljika ali z atomi drugih elementov. Tako lahko nastanejo številne kombinacije različnih kemijskih molekul, tako acikličnih kot cikličnih.
Ogljik ima osrednjo vlogo v živi naravi, ker se lahko povezuje z drugimi atomi ogljika ali z atomi drugih elementov. Tako lahko nastanejo številne kombinacije kemijskih molekul.
Od več kot 13 milijonov znanih kemijskih spojin je skoraj 90 % takšnih, ki vsebujejo vsaj en atom ogljika.
Tudi elementi bor (B), dušik (N), silicij (Si) in fosfor (P) sicer lahko tvorijo tri ali več kovalentnih vezi, a njihove vezi nimajo primerne stabilnosti – povezave med atomi v molekuli so bodisi premočne bodisi prešibke, zato ti elementi niso primerni za izgradnjo verig organskih molekul.
Živa bitja so zelo kompleksna. Celo zelo majhne celice, kot so bakterijske, imajo od 3000 do 6000 različnih snovi: od vode prek velikih molekul, kot so beljakovine in deoksiribonukleinska kislina (DNA), do kopice majhnih organskih spojin (glukoza) in vse do majhnih ionov (proton – H+). Število različnih snovi v celicah kompleksnejših organizmov je seveda bistveno višje kot v bakterijah. Tako za celice človeka ocenjujemo, da imajo lahko vse tja do 100 000 različnih snovi. Najpogostejša kemijska spojina med njimi je voda (okoli 70 %).
Živa bitja so zelo kompleksna. Njihove celice vsebujejo veliko različno velikih delcev in snovi (ioni, voda, majhne organske spojine, beljakovine, DNA in mnoge druge). Najpogostejša kemijska spojina v celici je voda.
Za življenje, kot ga poznamo, je voda ključnega pomena. Brez vode ne more preživeti nobeno živo bitje. Voda sestavlja telesa vseh organizmov, omogoča prenos snovi po organizmu in sodeluje pri pomembnih biokemijskih reakcijah. Je življenjski prostor za mnoga živa bitja.
Voda v naravi kroži.
Voda je ključna za preživetje vseh organizmov.
Voda v naravi kroži.
Kljub veliki pestrosti v kemijski sestavi različnih celic pa obstaja le omejeno število gradnikov, ki jih celice uporabijo za tvorbo vseh za življenje pomembnih kemijskih spojin. V beljakovinah tako lahko najdemo samo 20 različnih aminokislin, v DNA samo 4 različne nukleotide in v sestavljenih ogljikovih hidratih okoli 8 različnih sladkorjev. Ne glede na majhen izbor osnovnih gradnikov pa celice s kombiniranjem le-teh izgradijo vse potrebne kompleksne kemijske spojine, ki omogočajo življenje.
Celice v svojih procesih povezujejo ustrezne osnovne gradnike in tvorijo obilico različnih organskih molekul. Tako nastane velika pestrost v kemijskih spojinah, ki je značilna za vse celice.
Celice uporabljajo omejeno število osnovnih gradnikov za tvorbo vseh pomembnih kemijskih spojin. Beljakovine gradi 20 različnih aminokislin, DNA gradijo 4 različni nukleotidi, sestavljene ogljikove hidrate pa gradi okoli 8 različnih sladkorjev. Celice povezujejo osnovne gradnike v različne kombinacije. Tako nastanejo vse potrebne kemijske spojine, ki omogočajo življenje.
Delovanje živega sistema
Delovanje živega sistema temelji na kemijskih spojinah z določenimi fizikalnimi in kemijskimi značilnostmi. Tako na primer ni naključje, da je voda tako pogosta kemijska spojina v vseh živih sistemih, saj je zaradi svojih kemijskih in fizikalnih lastnosti zelo dobro topilo. Zgradba beljakovin, DNA, lipidov in sestavljenih ogljikovih hidratov tako temelji na njihovi soodvisnosti z molekulami vode, ki jih obdajajo.
Delovanje živega sistema temelji na kemijskih spojinah z določenimi fizikalnimi in kemijskimi značilnostmi. Voda je najpogostejša kemijska spojina v živih sistemih. Zaradi svojih kemijskih in fizikalnih lastnosti je zelo dobro topilo.
Da lahko življenje sploh obstaja, v celicah potekajo različne med seboj povezane in nadzorovane biokemijske reakcije, ki jih imenujemo življenjski procesi. V vsaki celici hkrati poteka veliko število različnih kemijskih reakcij. Delimo jih v dve skupini – v procese izgradnje, v katerih nastajajo nove biomolekule (biosinteza), in v procese razgradnje, v katerih se biomolekule razgrajujejo. Biosinteza celici lahko omogoča, da raste in se deli. Pri razgradnji pa celica lahko pridobi energijo ali odstrani nepotrebne molekule.
V kemijskih reakcijah v celicah sodelujejo posebne beljakovine, ki jih imenujemo encimi. Encimi omogočajo, da kemijske reakcije v celicah sploh potekajo oz. da potekajo dovolj hitro, da lahko celica normalno deluje.
V celicah neprestano potekajo nadzorovane biokemijske reakcije, ki jih imenujemo življenjski procesi. Biokemijske reakcije delimo v dve skupini – procese izgradnje in procese razgradnje. Procesi izgradnje celici omogočajo, da raste in se deli. Pri procesih razgradnje pa celica pridobi energijo ali odstrani nepotrebne molekule.
Encimi so posebne celične beljakovine, ki omogočijo normalen potek kemijskih reakcij.
Encim je beljakovina ali beljakovinski kompleks, ki katalizira biokemične reakcije v živih ali neživih celicah in s tem uravnava hitrost in smer teh reakcij. Vsak encim deluje le na nekatere snovi ali pospešuje samo eno reakcijo.
V okviru biokemije pogosto uporabljamo izraz živi sistem. S tem želimo ponazoriti, da je za obstoj življenja potrebna množica različnih elementov, spojin, reakcij, procesov, ki so med seboj prepleteni in soodvisni. Vsak živi sistem potrebuje hranila in energijo, da si lahko izgrajuje potrebne kemijske spojine in opravlja svoje naloge.
Organizacijske ravni živih sistemov
Žive sisteme lahko proučujemo na različnih organizacijskih ravneh – od celic pa vse do biosfere. In za vsako od organizacijskih ravni velja, da deluje po enakih kemijskih in fizikalnih načelih.
