Kimia Hidup (MOLEKUL BIOLOGI KECIL)

Topik 1 Chemistry of Life

MOLEKUL BIOLOGI KECIL

Molekul terbentuk apabila dua atau lebih atom bersama-sama secara kimia. Sebatian A adalah molekul yang mengandungi sekurang-kurangnya dua elemen yang berbeza. Semua sebatian adalah molekul tetapi tidak semua molekul sebatian. Jadi adalah hidrogen (H2), oksigen (O2), nitrogen (N2), air (H2O), karbon dioksida (CO2) dan metana (CH4) molekul atau sebatian? 

Karbon Dioksida

Karbon dioksida ( CO2) adalah salah satu daripada molekul yang paling mudah dan biasa dalam alam semesta. Ia hanya mempunyai tiga atom? satu karbon dan dua atom oksigen ( lihat Rajah 1.2).

Rajah 1.2: Atom karbon dioksida

Ia adalah mudah bagi atom karbon untuk bergabung dengan atom oksigen kerana kulit luar ( valens shell) daripada atom karbon mempunyai empat elektron di dalamnya , meninggalkan ruang untuk empat lagi sebelum ia diisi. Dengan cara yang sama, kulit luar atom oksigen mempunyai hanya enam elektron di dalamnya , meninggalkan ruang untuk dua lagi untuk membuat lapan. Apabila dua atom oksigen berkongsi elektron dengan satu atom karbon , ketiga-tiga atom boleh mengisi kulit mereka ? atom karbon mempunyai empat elektron sendiri , ditambah empat lagi bahawa ia berkongsi dengan atom oksigen, dan setiap atom oksigen mempunyai enam elektron yang tersendiri , ditambah dua lagi bahawa ia berkongsi dengan atom karbon. Kami menyeru ini satu ikatan kovalen.

Tumbuhan membuat sel-sel mereka kebanyakannya daripada karbon. Cara tumbuh-tumbuhan mendapatkan karbon adalah dengan bernafas dalam karbon dioksida dan berbuka di luar oksigen , yang mereka kemudian menghembus nafas lagi. Jadi karbon karbon dioksida adalah apa yang semua tumbuh-tumbuhan yang diperbuat daripada, dan oksigen menjadi oksigen yang kita sedut. Apabila tumbuhan mati, pereputan atau terbakar, karbon dalam ia kembali ke udara , di mana ia bercampur dengan oksigen untuk menjadi karbon
dioksida lagi.

Dalam seratus tahun yang lalu , pelepasan karbon dioksida telah menjadi satu masalah besar untuk semua orang di bumi. Kami telah membakar hidrokarbon petrol untuk kereta , pemanasan minyak untuk rumah-rumah dan arang batu untuk kilang-kilang yang banyak karbon telah dilepaskan ke udara , di mana ia membuatkan lebih banyak karbon dioksida daripada biasa. Karbon dioksida adalah baik untuk tanaman tetapi ia bertindak seperti selimut yang hangat mengelilingi Bumi , memerangkap haba di Bumi bukannya melepaskan haba ke ruang angkasa . Ini adalah punca utama pemanasan global.

(a)   Di mana ia ditemui?

(i)       Karbon dioksida terdapat dalam atmosfera. Kira-kira 0.03 % daripada udara karbon dioksida; dan

(ii)    Ia terdapat dalam tasik, kolam, sungai dan lautan.

(b)   Di manakah ia datang?

(i)      Ia dihasilkan oleh hampir semua organisma hidup, kedua-dua tumbuhan dan haiwan. Tumbuhan melepaskan karbon dioksida kebanyakannya pada waktu malam;

(ii)    Ia dikeluarkan ke udara setiap kali kita menghembus nafas;

(iii)  Walaupun organisma tanpa paru-paru atau insang, seperti serangga , tumbuh-tumbuhan dan bakteria , pembebasan karbon dioksida ke alam sekitar; dan

(iv)  Semua organisma akuatik melepaskan karbon dioksida ke dalam air. Gas ini sama ada buih ke permukaan atau larut di dalam air. Kebanyakan karbon dioksida yang terdapat dalam air dihasilkan oleh penguraian organisma mati , kebanyakannya bakteria.

(c)    Karbon dioksida dan tumbuhan? hubungan sarang

(i)                 Kebanyakan bahan tumbuhan dalam persekitaran akuatik terdiri daripada alga ;

(ii)               Pada siang hari, semua tumbuh-tumbuhan menggunakan karbon dioksida dan melepaskan oksigen. Proses ini , yang memerlukan cahaya , dipanggil fotosintesis

(iii)             Pada waktu malam, sebaliknya yang berlaku. Tumbuhan menggunakan oksigen dan mengeluarkan karbon dioksida. Proses ini dipanggil pernafasan ; dan

(iv)              Semua tumbuhan mati menggunakan banyak oksigen dan mengeluarkan banyak karbon dioksida kerana mereka reput dan kerosakan.

(d)   Karbon dioksida dan haiwan? satu lagi hubungan yang menarik!

(i)                 Semua haiwan menggunakan oksigen dan mengeluarkan karbon dioksida; dan

(ii)               haiwan Mati terus menggunakan oksigen dan mengeluarkan karbon dioksida kerana mereka reput dan kerosakan.

Rajah 1.3: Kitaran Carbon

Air

Adakah anda tahu bahawa 90% daripada kandungan sel diperbuat daripada air? Oleh itu, tanpa air, tidak akan ada kehidupan! Air, bersama-sama dengan karbohidrat dan lemak, adalah sumber penting untuk kehidupan (lihat Rajah 1.4).

Rajah 1.4: Sumber-sumber penting untuk hidup - air, karbohidrat dan lemak 

Air merupakan satu medium yang stabil bagi kebanyakan tindak balas biokimia dalam benda-benda hidup. Di samping itu, ia bertindak sebagai antara sel dan intracell pengangkut nutrien paling dibubarkan. Haba juga diangkut melalui air. Dari sudut pandangan evolusi, kehidupan bermula dari air. Malah, kebanyakan organisma hidup dalam sistem akuatik.

Air mempunyai beberapa ciri-ciri fizikal dan kimia yang unik (lihat Rajah 1.5). Molekul adalah ikatan hidrogen kecil, polarisasi dan bentuk dengan molekul yang lain. Anda akan kagum dengan ciri-ciri istimewa air dan memahami mengapa ia begitu penting untuk benda-benda hidup.

Rajah 1.5: Ciri-ciri Air

(a)   Air adalah dwikutub

Satu molekul air terdiri daripada dua atom hidrogen dan satu atom oksigen (lihat Rajah 1.6a). Struktur air membentuk sudut 104.5^o (lihat Rajah 1.6b). Hasilnya, atom hidrogen lemah bercas positif dan atom oksigen bercas negatif yang lemah yang terdapat di dalam molekul air. Hasilnya ialah molekul biopolarised.

Rajah 1.6: Bentuk molekul air

(b)   Molekul Water dijaringkan melalui ikatan hidrogen

Ikatan molekul air terjadi apabila hidrogen memenuhi oksigen. Molekul datang bersama-sama melalui satu ikatan hidrogen lemah. Molekul air muncul secara kolektif. Ini adalah sebab mengapa air adalah satu perkara yang stabil.

(c)    Air adalah dalam keadaan cecair pada suhu bilik

Air mempunyai takat didih yang lebih tinggi dan takat lebur berbanding dengan perkara-perkara lain yang mempunyai jisim molekul relatif yang sama. Ini bermakna lebih banyak tenaga diperlukan untuk memecahkan ikatan hidrogen di dalam air. Oleh itu, air boleh muncul dalam keadaan cecair pada suhu bilik.

(d)   Air adalah pelarut universal

Sistem dwikutub dalam air membuatkan air pelarut yang baik dengan bahan larut paling dikenakan. Apabila air memenuhi bahan larut dikenakan (misalnya, Na + Cl?), Tindak balas elektrostatik antara molekul akan berlaku. Bahan larut tidak dikenakan seperti minyak tidak akan membentuk apa-apa tindak balas dengan air.

(e)   Air mempunyai kelikatan rendah

Air boleh mengalir dengan mudah. Ciri bermanfaat membolehkan air untuk memasuki dan meninggalkan sel-sel cekap.

(f)     Air mempunyai tegangan permukaan yang tinggi (lekatan yang tinggi)

Oleh kerana sebab ini, molekul air sentiasa bersama. Ia menerangkan mengapa anda boleh memerhatikan air hujan dalam bentuk titisan. Untuk tumbuhan, lekatan yang tinggi membantu melalui tindakan kapilari. Oleh itu, air diserap boleh rata di dalam tumbuh-tumbuhan melalui proses transpirasi.

(g)   Air mempunyai muatan haba tentu yang tinggi

Muatan haba tentu yang tinggi bermakna lebih banyak tenaga diperlukan untuk meningkatkan suhu (1^oC) daripada 1kg air. Akibatnya, suhu bendalir adalah sangat stabil dalam semua sel-sel dalam badan kita.

(h)   Ketumpatan Air adalah maksimum pada 4^oC

Pernahkah anda tertanya-tanya mengapa ketulan ais terapung dalam segelas air? Mengapa ia tidak tenggelam? Jawapannya adalah sangat mudah? Ais mempunyai ketumpatan yang lebih rendah berbanding dengan air. Untuk memahaminya, anda perlu untuk menarik balik struktur molekul air. Fungsi ini membantu organisma akuatik untuk terus hidup semasa musim sejuk kerana hanya lapisan atas tasik adalah beku (0^oC) manakala suhu di dalam tasik itu akan menjadi lebih panas sedikit pada 4^oC.