2.5: Misombo isiyo ya kawaida muhimu kwa Utendaji wa Binadamu

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Kulinganisha na kulinganisha misombo isokaboni na kikab
• Kutambua mali ya maji kwamba kufanya hivyo ni muhimu kwa maisha
• Eleza jukumu la chumvi katika utendaji wa mwili
• Tofautisha kati ya asidi na besi, na kuelezea jukumu lao katika pH
• Jadili jukumu la buffers katika kusaidia mwili kudumisha pH homeostasis

Dhana uliyojifunza hadi sasa katika sura hii zinatawala aina zote za suala, na ingekuwa kazi kama msingi wa jiolojia pamoja na biolojia. Sehemu hii ya sura inapunguza lengo la kemia ya maisha ya binadamu; yaani misombo muhimu kwa muundo na kazi ya mwili. Kwa ujumla, misombo hii ni ama isokaboni au kikaboni.

• Kiwanja isokaboni ni dutu isiyo na kaboni na hidrojeni. Misombo mingi ya isokaboni huwa na atomi za hidrojeni, kama vile maji (H ₂ O) na asidi hidrokloriki (HCl) zinazozalishwa na tumbo lako. Kwa upande mwingine, wachache tu wa misombo ya isokaboni huwa na atomi za kaboni. Dioksidi kaboni (CO ₂) ni mojawapo ya mifano michache.
• Kiwanja cha kikaboni, basi, ni dutu ambayo ina kaboni na hidrojeni. Misombo ya kikaboni hutengenezwa kupitia vifungo vya covalent ndani ya viumbe hai, ikiwa ni pamoja na mwili wa mwanadamu. Kumbuka kwamba kaboni na hidrojeni ni mambo ya pili na ya tatu zaidi katika mwili wako. Hivi karibuni utagundua jinsi vipengele hivi viwili vinavyochanganya katika vyakula unavyokula, katika misombo ambayo hufanya muundo wa mwili wako, na katika kemikali zinazofanya kazi yako.

Sehemu ifuatayo inachunguza makundi matatu ya misombo isokaboni muhimu kwa maisha: maji, chumvi, asidi, na besi. Misombo ya kikaboni hufunikwa baadaye katika sura.

Maji

Kiasi cha asilimia 70 ya uzito wa mwili wa mtu mzima ni maji. Maji haya yanayomo ndani ya seli na kati ya seli zinazounda tishu na viungo. Majukumu yake kadhaa hufanya maji muhimu kwa utendaji wa binadamu.

Maji kama Lubricant na Mto

Maji ni sehemu kubwa ya maji mengi ya kulainisha mwili. Kama vile mafuta lubricates bawaba juu ya mlango, maji katika maji synovial lubricates matendo ya viungo mwili, na maji katika maji pleural husaidia mapafu kupanua na kupona na kupumua. Maji ya maji husaidia kuweka chakula kinachozunguka kupitia njia ya utumbo, na kuhakikisha kuwa harakati za viungo vya tumbo vya karibu ni msuguano usio na msuguano.

Maji pia hulinda seli na viungo kutokana na shida ya kimwili, kunyonya ubongo ndani ya fuvu, kwa mfano, na kulinda tishu za ujasiri za macho. Maji matakia kijusi zinazoendelea katika tumbo la mama pia.

Maji kama kuzama kwa joto

Kuzama kwa joto ni dutu au kitu kinachochukua na kusambaza joto lakini haipati ongezeko la joto linalofanana. Katika mwili, maji inachukua joto linalozalishwa na athari za kemikali bila kuongezeka kwa joto. Aidha, wakati joto la mazingira linapoongezeka, maji yaliyohifadhiwa katika mwili husaidia kuweka mwili kuwa baridi. Athari hii ya baridi hutokea kama damu ya joto kutoka kwa msingi wa mwili inapita kwenye mishipa ya damu chini ya ngozi na huhamishiwa kwenye mazingira. Wakati huo huo, tezi za jasho hutoa maji ya joto katika jasho. Kama maji yanavyoingia ndani ya hewa, hubeba joto, na kisha damu ya baridi kutoka pembeni huzunguka nyuma kwenye msingi wa mwili.

Maji kama Kipengele cha Mchanganyiko wa Kioevu

Mchanganyiko ni mchanganyiko wa vitu viwili au zaidi, ambayo kila mmoja ana utambulisho wake wa kemikali. Kwa maneno mengine, vitu vilivyomo haviunganishwa na kemikali katika kiwanja kipya, kikubwa cha kemikali. Dhana ni rahisi kufikiria kama unafikiri juu ya vitu vya poda kama vile unga na sukari; unapowachochea pamoja katika bakuli, kwa hakika hawaunganishi kuunda kiwanja kipya. Hewa ya chumba unayopumua ni mchanganyiko wa gesi, iliyo na vipengele vitatu vya kipekee - nitrojeni, oksijeni, na argon-na kiwanja kimoja, dioksidi kaboni. Kuna aina tatu za mchanganyiko wa kioevu, zote ambazo zina maji kama sehemu muhimu. Hizi ni ufumbuzi, colloids, na kusimamishwa.

Kwa seli katika mwili kuishi, lazima zihifadhiwe unyevu katika kioevu kinachojulikana kama suluhisho. Katika kemia, suluhisho la kioevu lina kutengenezea ambayo hupunguza dutu inayoitwa solute. Tabia muhimu ya ufumbuzi ni kwamba wao ni sawa; yaani, molekuli za solute zinashirikiwa sawasawa katika suluhisho. Kama ungekuwa na koroga kijiko cha sukari ndani ya glasi ya maji, sukari ingekuwa kufutwa katika molekuli sukari kutengwa na molekuli maji. Uwiano wa sukari kwa maji upande wa kushoto wa kioo utakuwa sawa na uwiano wa sukari kwa maji upande wa kulia wa kioo. Kama ungeongeza sukari zaidi, uwiano wa sukari kwa maji ungebadilika, lakini mgawanyo-ikiwa ungekuwa umechochea vizuri-ingekuwa bado hata.

Maji huhesabiwa kuwa “kutengenezea kwa ulimwengu wote” na inaaminika kuwa maisha hayawezi kuwepo bila maji kwa sababu ya hili. Maji ni hakika kutengenezea tele zaidi katika mwili; kimsingi athari zote za kemikali za mwili hutokea kati ya misombo iliyovunjwa katika maji. Kwa sababu molekuli ya maji ni polar, na mikoa ya malipo mazuri na hasi ya umeme, maji hupasuka kwa urahisi misombo ya ionic na misombo ya covalent ya polar. Misombo hiyo inajulikana kama hydrophilic, au “upendo wa maji.” Kama ilivyoelezwa hapo juu, sukari hupasuka vizuri katika maji. Hii ni kwa sababu molekuli za sukari zina mikoa ya vifungo vya hidrojeni-oksijeni polar, na kuifanya hydrophilic. Molekuli zisizo na polar, ambazo hazipatikani kwa urahisi katika maji, huitwa hydrophobic, au “hofu ya maji.”

Viwango vya Solutes

Mchanganyiko mbalimbali wa solutes na maji huelezwa katika kemia. Mkusanyiko wa solute iliyotolewa ni idadi ya chembe za solute hiyo katika nafasi fulani (oksijeni hufanya takriban asilimia 21 ya hewa ya anga). Katika damu ya binadamu, mkusanyiko wa glucose kawaida hupimwa katika milligram (mg) kwa deciliter (dL), na kwa wastani wa watu wazima wenye afya kuhusu 100 mg/DL. Njia nyingine ya kupima mkusanyiko wa solute ni kwa molarity yake—ambayo ni moles (M) ya molekuli kwa lita (L). Mole ya elementi ni uzito wake wa atomiki, wakati mole ya kiwanja ni jumla ya uzito wa atomiki wa vipengele vyake, inayoitwa uzito wa Masi. Mfano unaotumiwa mara nyingi ni kuhesabu mole ya glucose, na formula ya kemikali C ₆ H ₁₂ O ₆. Kutumia meza ya mara kwa mara, uzito wa atomiki wa kaboni (C) ni 12.011 gramu (g), na kuna kaboni sita katika glucose, kwa jumla ya uzito wa atomiki wa 72.066 g Kufanya hesabu sawa kwa hidrojeni (H) na oksijeni (O), uzito wa Masi ni sawa na 180.156g (“uzito wa Masi ya gramu” ya glucose). Wakati maji yanaongezwa ili kufanya lita moja ya suluhisho, una mole moja (1M) ya glucose. Hii ni muhimu hasa katika kemia kwa sababu ya uhusiano wa moles na “namba ya Avogadro.” Mole ya suluhisho lolote lina idadi sawa ya chembe ndani yake: 6.02 × 10 ²³. Dutu nyingi katika damu na tishu nyingine za mwili hupimwa kwa maelfu ya mole, au millimoles (mm).

Colloid ni mchanganyiko ambao ni kama suluhisho nzito. Chembe za solute zinajumuisha vidogo vidogo vya molekuli kubwa ya kutosha kufanya mchanganyiko wa kioevu opaque (kwa sababu chembe ni kubwa ya kutosha kueneza mwanga). Mifano inayojulikana ya colloids ni maziwa na cream. Katika tezi za tezi, homoni ya tezi huhifadhiwa kama mchanganyiko wa protini yenye nene pia huitwa colloid.

Kusimamishwa ni mchanganyiko wa kioevu ambapo dutu nzito imesimamishwa kwa muda katika kioevu, lakini baada ya muda, hutoka. Utengano huu wa chembe kutoka kusimamishwa huitwa sedimentation. Mfano wa mchanga hutokea katika mtihani wa damu unaoanzisha kiwango cha mchanga, au kiwango cha sed. Jaribio linapima jinsi haraka seli nyekundu za damu katika tube ya mtihani hukaa nje ya sehemu ya maji ya damu (inayojulikana kama plasma) kwa kipindi cha muda uliowekwa. Upungufu wa haraka wa seli za damu haufanyi kawaida katika mwili wenye afya, lakini vipengele vya magonjwa fulani vinaweza kusababisha seli za damu kuzunguka pamoja, na clumps hizi nzito za seli za damu hukaa chini ya tube ya mtihani kwa haraka zaidi kuliko seli za kawaida za damu.

Jukumu la Maji katika Athari za Kemikali

Aina mbili za athari za kemikali zinahusisha uumbaji au matumizi ya maji: awali ya upungufu wa maji mwilini na hidrolisisi.

• Katika awali ya upungufu wa maji mwilini, reactant moja hutoa atomi ya hidrojeni na reactant nyingine hutoa kundi la hidroxyl (OH) katika awali ya bidhaa mpya. Katika malezi ya dhamana yao ya covalent, molekuli ya maji hutolewa kama byproduct (Kielelezo 2.14). Hii pia wakati mwingine hujulikana kama mmenyuko wa condensation.
• Athari hizi zinarekebishwa, na zina jukumu muhimu katika kemia ya misombo ya kikaboni (ambayo itajadiliwa hivi karibuni).

  

  Kielelezo 2.14 Ukosefu wa maji mwilini awali na Hidrolisisi Monoma, vitengo vya msingi kwa ajili ya kujenga molekuli kubwa, fomu polima (mbili au zaidi kemikali bonded monoma). (a) Katika awali ya upungufu wa maji mwilini, monoma mbili zinaunganishwa kwa ushirikiano katika mmenyuko ambao mtu hutoa kikundi cha hidroxyl na nyingine atomi ya hidrojeni. Molekuli ya maji hutolewa kama byproduct wakati wa athari za kutokomeza maji mwilini. (b) Katika hidrolisisi, dhamana ya covalent kati ya monoma mbili imegawanyika kwa kuongeza atomi ya hidrojeni kwa moja na kundi la hidrojeni hadi nyingine, ambayo inahitaji mchango wa molekuli moja ya maji.

  Chumvi

  Kumbuka kwamba chumvi hutengenezwa wakati ions huunda vifungo vya ionic. Katika athari hizi, atomu moja huacha elektroni moja au zaidi, na hivyo inakuwa chaji chanya, ilhali nyingine inakubali elektroni moja au zaidi na inakuwa chaji vibaya. Sasa unaweza kufafanua chumvi kama dutu kwamba, wakati kufutwa katika maji, dissociates katika ions zaidi H ⁺ au OH ^—. Ukweli huu ni muhimu katika kutofautisha chumvi kutoka kwa asidi na besi, kujadiliwa ijayo.

  Chumvi ya kawaida, NaCl, hutenganisha kabisa katika maji (Mchoro 2.15). Mikoa nzuri na hasi kwenye molekuli ya maji (hidrojeni na oksijeni huisha kwa mtiririko huo) huvutia kloridi hasi na ions nzuri za sodiamu, huwavuta mbali. Tena, wakati misombo ya nonpolar na polar covalently bonded kuvunja mbali katika molekuli katika suluhisho, chumvi dissociate katika ions. Ions hizi ni electrolytes; wana uwezo wa kufanya sasa umeme katika suluhisho. Mali hii ni muhimu kwa kazi ya ions katika kupeleka msukumo wa neva na kusababisha contraction misuli.

  

  Kielelezo 2.15 Dissociation ya Sodium Chloride katika Maji Taarifa kwamba fuwele ya kloridi sodiamu dissociate si katika molekuli ya NaCl, lakini katika Na ⁺ cations na Cl ^— anions, kila kabisa kuzungukwa na molekuli maji.

  Chumvi nyingine nyingi ni muhimu katika mwili. Kwa mfano, chumvi za bile zinazozalishwa na ini husaidia kuvunja mafuta ya chakula, na chumvi za kalsiamu phosphate huunda sehemu ya madini ya meno na mifupa.

  Acids na Msingi

  Acids na besi, kama chumvi, hutenganisha maji ndani ya electrolytes. Acids na besi zinaweza kubadilisha sana mali ya ufumbuzi ambao hupasuka.

  Acids

  Asidi ni dutu ambayo hutoa ions hidrojeni (H ⁺) katika suluhisho (Mchoro 2.16 a). Kwa sababu atomu ya hidrojeni ina protoni moja tu na elektroni moja, ioni ya hidrojeni yenye chaji chanya ni protoni tu. Proton hii ya faragha ina uwezekano mkubwa wa kushiriki katika athari za kemikali. Asidi kali ni misombo ambayo hutoa H yao yote ⁺ katika suluhisho; yaani, wao ionize kabisa. Asidi hidrokloriki (HCl), ambayo hutolewa kwenye seli kwenye bitana ya tumbo, ni asidi kali kwa sababu hutoa H yake yote ⁺ katika mazingira ya maji ya tumbo. Asidi hii yenye nguvu husaidia katika digestion na huua microbes zilizoingizwa. Asidi dhaifu hazipatikani kabisa; yaani, baadhi ya ioni zao za hidrojeni hubakia kuunganishwa ndani ya kiwanja katika suluhisho. Mfano wa asidi dhaifu ni siki, au asidi ya asetiki; inaitwa acetate baada ya kutoa protoni.

  

  Kielelezo 2.16 Acids na Msingi (a) Katika suluhisho la maji, asidi hutenganisha katika ions hidrojeni (H ⁺) na anions. Karibu kila molekuli ya asidi kali hutenganisha, huzalisha mkusanyiko mkubwa wa H ⁺. (b) Katika suluhisho la maji, msingi hutenganisha katika ioni za hidroxyl (OH ^—) na cations. Karibu kila molekuli ya msingi imara dissociates, kuzalisha mkusanyiko juu ya OH ^-.

  Msingi

  Msingi ni dutu ambayo hutoa ions hidroxyl (OH ^—) katika suluhisho, au moja ambayo anapokea H ⁺ tayari iko katika suluhisho (angalia Mchoro 2.16 b). Ions hidroksili (pia inajulikana kama ioni hidroksidi) au vitu vingine vya msingi huchanganya na H ⁺ sasa ili kuunda molekuli ya maji, na hivyo kuondoa H ⁺ na kupunguza asidi ya suluhisho. Msingi wenye nguvu hutoa zaidi au yote ya ions zao za hidroxyl; besi dhaifu hutoa tu ions baadhi ya hidroxyl au kunyonya tu H ⁺. Chakula vikichanganywa na asidi hidrokloriki kutoka tumbo bila kuchoma utumbo mdogo, sehemu ya pili ya njia ya utumbo baada ya tumbo, kama si kwa ajili ya kutolewa kwa bicarbonate (HCO ₃ ^—), msingi dhaifu ambayo huvutia H ⁺. Bicarbonate inakubali baadhi ya protoni za H ⁺, na hivyo kupunguza asidi ya suluhisho.

  Dhana ya pH

  Asidi ya jamaa au alkalinity ya suluhisho inaweza kuonyeshwa na pH yake. PH ya suluhisho ni hasi, msingi-10 logarithm ya ion hidrojeni (H ⁺) mkusanyiko wa suluhisho. Kwa mfano, suluhisho la pH 4 lina mkusanyiko wa H ⁺ ambao ni mara kumi zaidi kuliko ule wa suluhisho la pH 5. Hiyo ni suluhisho na pH ya 4 ni mara kumi zaidi ya tindikali kuliko suluhisho na pH ya 5. Dhana ya pH itaanza kufanya maana zaidi wakati unasoma kiwango cha pH, kama ile iliyoonyeshwa kwenye Mchoro 2.17. Kiwango kina mfululizo wa nyongeza kuanzia 0 hadi 14. Suluhisho na pH ya 7 inachukuliwa kuwa neutral-wala tindikali wala msingi. Maji safi yana pH ya 7. Nambari ya chini chini ya 7, suluhisho la tindikali zaidi, au mkusanyiko mkubwa wa H ⁺. Mkusanyiko wa ions hidrojeni katika kila thamani ya pH ni mara 10 tofauti na pH ijayo. Kwa mfano, thamani ya pH ya 4 inalingana na mkusanyiko wa protoni wa 10 ^—4 M, au 0.0001M, ilhali thamani ya pH ya 5 inalingana na mkusanyiko wa protoni wa 10 ^—5 M, au 0.00001M. Nambari ya juu ya 7, zaidi ya msingi (alkali) suluhisho, au chini ya mkusanyiko wa H ⁺. Mkojo wa binadamu, kwa mfano, ni mara kumi zaidi ya tindikali kuliko maji safi, na HCl ni mara 10,000,000 zaidi ya tindikali kuliko maji.

  

  Kielelezo 2.17 Kiwango cha pH

  Vikwazo

  PH ya damu ya binadamu kwa kawaida huanzia 7.35 hadi 7.45, ingawa kwa kawaida hutambuliwa kama pH 7.4. Katika pH hii kidogo ya msingi, damu inaweza kupunguza asidi inayotokana na dioksidi kaboni (CO ₂) daima kutolewa katika mfumo wa damu na trilioni ya seli mwilini. Utaratibu wa homeostatic (pamoja na exhaling CO ₂ wakati kupumua) kawaida kuweka pH ya damu ndani ya aina hii nyembamba. Hii ni muhimu, kwa sababu kushuka kwa thamani - ama pia tindikali au alkali sana-inaweza kusababisha matatizo ya kutishia maisha.

  Seli zote za mwili hutegemea udhibiti wa homeostatic wa usawa wa asidi-msingi kwenye pH ya takriban 7.4. Kwa hiyo mwili una taratibu kadhaa za kanuni hii, inayohusisha kupumua, excretion ya kemikali katika mkojo, na kutolewa ndani ya kemikali kwa pamoja kuitwa buffers katika maji ya mwili. Buffer ni suluhisho la asidi dhaifu na msingi wake wa conjugate. Buffer inaweza neutralize kiasi kidogo cha asidi au besi katika maji ya mwili. Kwa mfano, ikiwa kuna hata kupungua kidogo chini ya 7.35 katika pH ya maji ya mwili, buffer katika majii-katika kesi hii, kutenda kama msingi dhaifu-itamfunga ioni za hidrojeni nyingi. Kwa upande mwingine, ikiwa pH inaongezeka juu ya 7.45, buffer itafanya kazi kama asidi dhaifu na kuchangia ions hidrojeni.

  Homeostatic kukosekana usawa

  Acids na Msingi

  Asidi nyingi za damu na maji mengine ya mwili hujulikana kama acidosis. Sababu za kawaida za asidi ni hali na matatizo ambayo hupunguza ufanisi wa kupumua, hasa uwezo wa mtu wa kutolea nje kikamilifu, ambayo husababisha kuongezeka kwa CO ₂ (na H ⁺) katika damu. Acidosis pia inaweza kusababishwa na matatizo ya kimetaboliki ambayo hupunguza kiwango au kazi ya buffers ambayo hufanya kama besi, au kwamba kukuza uzalishaji wa asidi. Kwa mfano, kwa kuhara kali, bicarbonate nyingi zinaweza kupotea kutoka kwa mwili, kuruhusu asidi kujenga katika maji ya mwili. Kwa watu wenye ugonjwa wa kisukari usioweza kusimamiwa (udhibiti usiofaa wa sukari ya damu), asidi inayoitwa ketoni huzalishwa kama aina ya mafuta ya mwili. Hizi zinaweza kujenga katika damu, na kusababisha hali mbaya inayoitwa ketoacidosis ya kisukari. Kushindwa kwa figo, kushindwa kwa ini, kushindwa kwa moyo, kansa, na matatizo mengine pia kunaweza kusababisha asidi ya metabolic.

  Kwa upande mwingine, alkalosis ni hali ambayo damu na maji mengine ya mwili ni pia alkali (msingi). Kama ilivyo kwa asidi, matatizo ya kupumua ni sababu kubwa; hata hivyo, katika alkalosis ya kupumua, viwango vya dioksidi kaboni huanguka chini sana. Ugonjwa wa mapafu, overdose ya aspirini, mshtuko, na wasiwasi wa kawaida unaweza kusababisha alkalosis ya kupumua, ambayo inapunguza mkusanyiko wa kawaida wa H ⁺.

  Alkalosis ya metabolic mara nyingi hutokana na kutapika kwa muda mrefu, kali, ambayo husababisha kupoteza kwa ioni za hidrojeni na kloridi (kama vipengele vya HCl). Dawa pia zinaweza kusababisha alkalosis. Hizi ni pamoja na diuretics zinazosababisha mwili kupoteza ions za potasiamu, pamoja na antacids wakati unachukuliwa kwa kiasi kikubwa, kwa mfano na mtu aliye na kiungulia kinachoendelea au kidonda.