7.2: חומר

Last updated
Save as PDF

Page ID: 209236

Melissa Ha and Rachel Schleiger
Yuba College & Butte College via ASCCC Open Educational Resources Initiative

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

חומר הוא ה"חומר "שנמצא במערכות אקולוגיות. מבחינה טכנית, החומר מוגדר כל דבר שתופס מקום או שיש לו מסה. המסה היא התנגדות לתאוצה. במילים פשוטות יותר, המסה דומה למשקל, אך המשקל מהווה תאוצה בגלל כוח המשיכה. החומר נע בין רכיבי מערכת אקולוגית ביוטית ואביוטית באמצעות מחזורים ביו-גיאוכימיים. הבנה מלאה של מחזורים אלה דורשת רקע בחלקיקים המרכיבים חומר, אטומים.

אטומים ומולקולות

יסודות הם חומרים שלא ניתן לפרק או להפוך כימית לחומרים אחרים (איור\(\PageIndex{a}\)). בסך הכל הוגדרו 118 יסודות; עם זאת, רק 92 מתרחשים באופן טבעי ופחות מ -30 נמצאים באורגניזמים. 26 האלמנטים הנותרים אינם יציבים ולכן אינם קיימים זמן רב מאוד או שהם תיאורטיים וטרם התגלו. כל יסוד מסומן על ידי הסמל הכימי שלו (כגון H, N, O, C ו- Na), ובעל תכונות ייחודיות. מאפיינים ייחודיים אלה מאפשרים לאלמנטים לשלב ולהיקשר זה עם זה בדרכים ספציפיות.

איור\(\PageIndex{a}\): הטבלה המחזורית של היסודות מארגנת יסודות כימיים על סמך תכונותיהם. כל אלמנט מיוצג על ידי סמל של אות אחת או שתיים. בנוסף, המספר האטומי, השם והמסה האטומית מפורטים עבור כל יסוד. לחץ כאן לטבלה מחזורית נגישה של אלמנטים. תמונה על ידי אופנסטקס (CC-BY)

אטום הוא המרכיב הקטן ביותר של יסוד השומר על כל התכונות הכימיות של אותו יסוד. לדוגמה, לאטום מימן אחד יש את כל התכונות של היסוד מימן, כמו שהוא קיים כגז בטמפרטורת החדר והוא נקשר לחמצן ליצירת מולקולת מים. לא ניתן לפרק אטומי מימן למשהו קטן יותר תוך שמירה על תכונות המימן. אם אטום מימן היה מתפרק לחלקיקים קטנים יותר, כבר לא היו לו תכונות של מימן. ברמה הבסיסית ביותר, כל האורגניזמים עשויים משילוב של אלמנטים. הם מכילים אטומים המתחברים יחד ליצירת מולקולות. מולקולות יכולות לקיים אינטראקציה ליצירת תאים, היחידות המבניות והתפקודיות של החיים. באורגניזמים רב-תאיים, כמו בעלי חיים, תאים אלה משתלבים ויוצרים רקמות המרכיבות איברים. שילובים אלה נמשכים עד שנוצרים אורגניזמים רב-תאיים שלמים.

אטומים מתחברים ליצירת מולקולות. מולקולות הן כימיקלים העשויים משני אטומים או יותר המחוברים זה לזה. חלק מהמולקולות פשוטות מאוד, כמו O ₂, המורכב משני אטומי חמצן בלבד. חלק מהמולקולות המשמשות אורגניזמים, כגון DNA, עשויות ממיליונים רבים של אטומים. כל האטומים מכילים פרוטונים, אלקטרונים ונויטרונים (איור\(\PageIndex{b}\)). היוצא מן הכלל היחיד הוא מימן (H), העשוי בדרך כלל רק מפרוטון אחד ואלקטרון אחד. פרוטון הוא חלקיק טעון חיובי השוכן בגרעין (ליבת האטום) של אטום ובעל מסה של 1 ומטען של +1. אלקטרון הוא חלקיק טעון שלילי הנע בחלל סביב הגרעין. במילים אחרות, הוא שוכן מחוץ לגרעין. יש לו מסה זניחה ויש לו מטען של -1. נויטרונים, כמו פרוטונים, שוכנים בגרעין האטום. יש להם מסה של 1 וללא תשלום. המטענים החיוביים (פרוטונים) ושליליים (אלקטרונים) מאזנים זה את זה באטום ניטרלי, שיש לו מטען אפס נטו.

כל יסוד מכיל מספר שונה של פרוטונים ונויטרונים, מה שמקנה לו מספר אטומי ומספר מסה משלו. המספר האטומי של יסוד שווה למספר הפרוטונים שהיסוד מכיל. מספר המסה הוא מספר הפרוטונים בתוספת מספר הנויטרונים של אותו יסוד. לכן, ניתן לקבוע את מספר הנייטרונים על ידי הפחתת המספר האטומי ממספר המסה.

איגרות חוב כימיות

האופן שבו אלמנטים מתקשרים זה עם זה תלוי במספר האלקטרונים ובאופן סידורם. כאשר אטום אינו מכיל מספר שווה של פרוטונים ואלקטרונים הוא נקרא יון. מכיוון שמספר האלקטרונים אינו שווה למספר הפרוטונים, לכל יון יש מטען נטו. לדוגמה, אם נתרן מאבד אלקטרון, יש לו כעת 11 פרוטונים ורק 10 אלקטרונים, מה שמשאיר אותו עם מטען כולל של +1. יונים חיוביים נוצרים על ידי איבוד אלקטרונים ונקראים קטיונים. יונים שליליים נוצרים על ידי השגת אלקטרונים ונקראים אניונים. שמות אניוניים יסודיים משתנים כדי להסתיים ב- -ide. כדוגמה, כאשר כלור הופך ליון הוא מכונה כלוריד.

קשרים יוניים וקוולנטיים הם קשרים חזקים הנוצרים בין שני אטומים. קשרים אלה מחזיקים אטומים יחד במצב יציב יחסית. קשרים יוניים נוצרים בין שני יונים טעונים מנוגדים (אניון וקטיון). מכיוון שמטענים חיוביים ושליליים מושכים, יונים אלה מוחזקים יחד כמו ששני מגנטים טעונים מנוגדים היו נדבקים זה לזה. קשרים קוולנטיים נוצרים כאשר אלקטרונים משותפים בין שני אטומים. כל אטום חולק את אחד האלקטרונים שלהם, שמקיף את הגרעינים של שני האטומים, ומחזיק את שני האטומים יחד. קשרים קוולנטיים הם הצורה החזקה והנפוצה ביותר של קשר כימי באורגניזמים. בניגוד לרוב הקשרים היוניים, קשרים קוולנטיים אינם מתנתקים במים. קשרי מימן נוצרים כאשר למולקולות יש חלוקה לא אחידה של אלקטרונים ולכן יש להם קצוות חיוביים חלקית ושליליים חלקית. כך הם נמשכים זה לזה (דמות\(\PageIndex{c}\)). מבחינה טכנית, קשרי מימן מתרחשים רק בין מימן לחמצן (O), חנקן (N) או פלואור (F). לפעמים קשרי מימן מחברים בין חלקים שונים או מולקולות גדולות, כפי שקורה ב- DNA וחלבונים. קשרי מימן חלשים יותר מקשרים יוניים וקוולנטיים ויכולים להישבר בקלות. (שים לב שקשרי מימן הם מהכוחות הבין-מולקולריים החזקים ביותר, עם זאת, אלה המתרחשים בין מולקולות.)

תרשים המציג קשרי מימן שנוצרו בין מולקולות מים סמוכות. — איור\(\PageIndex{c}\): קשרי מימן נוצרים בין מטענים חיוביים מעט לשליליים מעט של מולקולות מסוימות, כגון מים. כל מולקולת מים מורכבת מאטום חמצן (O) המחובר לשני אטומי מימן (H) על ידי קשרים קוולנטיים (קווים מוצקים). קווים מקווקווים מייצגים קשרי מימן בין מולקולות מים.

מקרומולקולות ביולוגיות

אורגניזמים מכילים מולקולות אורגניות גדולות הנקראות מקרומולקולות ביולוגיות. מולקולות אורגניות הן אלו המכילות פחמן הקשור באופן קוולנטי למימן. (לעומת זאת, מולקולות אנאורגניות חסרות פחמן הקשור למימן ולעתים קרובות הן פשוטות יותר ממולקולות אורגניות.) בנוסף, הם עשויים להכיל חמצן, חנקן, זרחן, גופרית ואלמנטים נוספים. ישנם ארבעה סוגים עיקריים של מקרומולקולות ביולוגיות: פחמימות, שומנים, חלבונים וחומצות גרעין. כל אחד מהם הוא מרכיב חשוב בתא ומבצע מגוון רחב של פונקציות.

לעתים קרובות אומרים שהחיים הם "מבוססי פחמן". המשמעות היא שאטומי פחמן, הקשורים לאטומי פחמן אחרים או ליסודות אחרים, מהווים את המרכיבים הבסיסיים של רבות מהמולקולות המצויות באופן ייחודי ביצורים חיים. אלמנטים אחרים ממלאים תפקידים חשובים במולקולות ביולוגיות, אך פחמן בהחלט כשיר כיסוד "הבסיס" למולקולות ביצורים חיים. תכונות הקשר של אטומי הפחמן הן שאחראיות לתפקידו החשוב. פחמן יכול ליצור ארבעה קשרים קוולנטיים עם אטומים או מולקולות אחרות. מולקולת הפחמן האורגנית הפשוטה ביותר היא מתאן (CH ₄), שבו ארבעה אטומי מימן נקשרים לאטום פחמן (איור\(\PageIndex{d}\)).

פחמימות כוללות את מה שמכונה בדרך כלל סוכרים פשוטים, כמו גלוקוז, ופחמימות מורכבות כמו עמילן. בעוד שסוגים רבים של פחמימות משמשים לאנרגיה, חלקם משמשים למבנה על ידי רוב האורגניזמים, כולל צמחים ובעלי חיים. לדוגמה, תאית היא פחמימה מורכבת המוסיפה קשיחות וחוזק לשכבה החיצונית של תאי הצמח (דפנות התא).

תרשים של מולקולת מתאן, שהיא קשר אטום פחמן אחד לארבעה אטומי מימן. — איור\(\PageIndex{d}\): פחמן יכול ליצור ארבעה קשרים קוולנטיים ליצירת מולקולה אורגנית. מולקולת הפחמן הפשוטה ביותר היא מתאן (CH ₄), המתואר כאן.

ליפידים כוללים קבוצה מגוונת של תרכובות המאוחדות על ידי תכונה משותפת: שומנים אינם מסיסים במים. ליפידים מבצעים פונקציות רבות ושונות בתא. תאים אוגרים אנרגיה לשימוש ארוך טווח בצורה של שומנים הנקראים שומנים. ליפידים מספקים גם בידוד מהסביבה לצמחים ובעלי חיים. לדוגמה, הם עוזרים לשמור על יובש של ציפורים ויונקים ימיים בגלל אופיים הדוחה מים. ליפידים הם גם אבני הבניין של הורמונים רבים ומהווים מרכיב חשוב בממברנות המקיפות תאים ויוצרים רבים מהמבנים הפנימיים שלהם.

חלבונים הם אחת המולקולות האורגניות הנפוצות ביותר במערכות חיות ויש להם את מגוון הפונקציות המגוון ביותר של כל המקרומולקולות. כולם פולימרים של חומצות אמינו. תפקידי החלבונים מגוונים מאוד מכיוון שישנן 20 חומצות אמינו שונות מבחינה כימית היוצרות שרשראות ארוכות, וחומצות האמינו יכולות להיות בכל סדר. חלבונים יכולים לתפקד בתגובות כימיות מקלות באורגניזמים, כגון פוטוסינתזה, העברת מסרים כהורמונים, גרימת התכווצות שרירים ועוד ועוד.

חומצות גרעין הן מולקולות גדולות מאוד החשובות להמשכיות החיים. הם נושאים את התוכנית הגנטית של תא ובכך את ההוראות לפונקציונליות שלו. שני הסוגים העיקריים של חומצות גרעין הם חומצה דאוקסיריבונוקלאית (DNA) וחומצה ריבונוקלאית (RNA). DNA הוא החומר הגנטי המצוי בכל האורגניזמים, החל מחיידקים חד תאיים ועד יונקים רב תאיים. הסוג השני של חומצת גרעין, RNA, מעורב בעיקר בסינתזת חלבונים. DNA ו- RNA מורכבים מאבני בניין קטנות המכונות נוקלאוטידים. ל-DNA יש מבנה דו-סלילי יפהפה (איור\(\PageIndex{e}\)).

ייחוס

שונה על ידי מליסה הא מחומר מביולוגיה סביבתית מאת מתיו ר 'פישר (מורשה תחת CC-BY)