Biology · AP Biology
Kimia hidupan
molekul yang menggerakkannya
Benda hidup dibina daripada beberapa jenis atom, disusun menjadi beberapa jenis molekul besar, dan semuanya direndam dalam air.
Rajah ini ialah air cecair. Setiap molekul terdiri daripada satu oksigen (merah) dan dua hidrogen (putih). Pautan biru ialah ikatan hidrogen: tarikan lemah antara hidrogen satu molekul dengan oksigen molekul yang seterusnya. Ikatan ini terbentuk dan terputus sentiasa apabila molekul berguling.
Ikatan itu menjelaskan mengapa air melekat pada dirinya sendiri dan pada permukaan, dan mengapa air menentang perubahan suhu.
Bab ini bermula dengan air, kemudian unsur kehidupan, kemudian tindak balas yang menggabungkan molekul kecil menjadi molekul besar. Bab ini berakhir dengan empat kelas makromolekul biologi: karbohidrat, lipid, asid nukleik dan protein. Dalam setiap satu, susunan dan bentuk bahagiannya menentukan fungsi molekul itu.
dan ikatan hidrogen mengikatnya bersama
Oksigen menarik elektron yang dikongsi dengan lebih kuat daripada hidrogen. Perkongsian yang tidak sama rata itu menjadikan air berkutub, dan kekutuban menghasilkan ikatan hidrogen.
Setiap ikatan O–H dalam air ialah ikatan kovalen: atom berkongsi sepasang elektron. Oksigen lebih keelektronegatifan (3.44 pada skala Pauling, berbanding 2.2 bagi hidrogen), jadi elektron yang dikongsi lebih lama berada berhampiran oksigen. Ikatan ini ialah ikatan kovalen berkutub.
Hasilnya ialah cas negatif separa (δ−) pada oksigen dan cas positif separa (δ+) pada setiap hidrogen. Molekul ini bengkok, pada 104.5°, jadi cas tidak saling membatalkan: air ialah molekul berkutub.
Ikatan hidrogen ialah tarikan antara hidrogen δ+ dengan atom δ− (oksigen atau nitrogen) bagi molekul lain, atau bahagian lain pada molekul besar yang sama. Ikatan ini jauh lebih lemah daripada ikatan kovalen. Setiap molekul air boleh membentuk ikatan hidrogen dengan sehingga empat jiran; dalam cecair, ikatan itu hanya bertahan sepecahan nanosaat, kemudian terbentuk semula.
| H2O | NH3 | H2S | CH4 |
|---|
| jisim molar (g/mol) | 18.02 | 17.03 | 34.08 | 16.04 |
|---|
| takat didih (°C) | 100.0 | −33.3 | −60.3 | −161.5 |
|---|
Molekul bersaiz serupa, takat didih sangat berbeza. Air mendidih 261.5 °C lebih tinggi daripada metana kerana pendidihan mesti memutuskan ikatan hidrogennya. Ikatan hidrogen juga mengikat dua untai DNA bersama dan membantu protein berlipat.
air menarik air, dan menarik permukaan
Ikatan hidrogen antara molekul air yang berjiran memberi air kohesi, adhesi dan tegangan permukaan.
Kohesi ialah air melekat pada air: ikatan hidrogen mengikat molekul bersama. Adhesi ialah air melekat pada permukaan berkutub atau bercas yang lain, seperti kaca atau dinding sel tumbuhan. Tegangan permukaan ialah kohesi pada permukaan: lapisan atas molekul ditarik ke dalam dan ke sisi, jadi permukaan bertindak seperti selaput yang diregangkan. Ia menampung pepanjang air.
Dalam rajah, tiga tiub kaca berdiri dalam air. Adhesi menarik air naik pada kaca, melengkungkan permukaan (meniskus); kohesi menarik seluruh turus air naik di belakangnya. Semakin sempit tiub, semakin banyak dinding bagi setiap gram air, dan semakin tinggi air naik:
| jejari tiub (mm) | 1 | 0.5 | 0.25 |
|---|
| ketinggian kenaikan (mm) | 14.9 | 29.7 | 59.5 |
|---|
Jika jejari dikurangkan separuh, ketinggian menjadi dua kali ganda. Kenaikan ini ialah tindakan rerambut.
Dalam tumbuhan. Air tersejat dari daun, dan turus air dalam xilem ditarik naik di belakangnya. Turus itu kekal bersatu melalui kohesi dan melekat pada dinding xilem melalui adhesi, jadi pokok boleh mengangkat air puluhan meter tanpa pam.
haba tentu tinggi, haba pengewapan tinggi
Haba mesti memutuskan ikatan hidrogen sebelum dapat mempercepatkan molekul air. Jadi air panas perlahan-lahan dan hanya tersejat dengan membawa pergi banyak haba.
Muatan haba tentu ialah tenaga yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 g suatu bahan sebanyak 1 °C. Muatan haba tentu air ialah 4.18 J/(g·°C), tinggi bagi cecair. Dalam rajah, pemanas 50 W yang sama dihidupkan selama 120 s di bawah 100 g air dan 100 g etanol, masing-masing bermula pada 20 °C:
| muatan haba tentu (J/(g·°C)) | selepas 120 s (°C) |
|---|
| air | 4.18 | 34.4 |
| etanol | 2.44 | 44.6 |
Contoh penyelesaian. Setiap cecair menerima 50 W × 120 s = 6000 J. Bagi air, ΔT = q/(mc) = 6000/(100 × 4.18) = 14.4 °C. Haba yang sama menaikkan suhu etanol sebanyak 24.6 °C.
Muatan haba tentu yang tinggi membolehkan organisma, tasik atau pantai mengekalkan suhu yang stabil walaupun udara di sekelilingnya berubah-ubah: sebahagian daripada mengekalkan homeostasis.
Haba pengewapan ialah tenaga yang diperlukan untuk mengewapkan 1 g cecair. Haba pengewapan air ialah 2.41 kJ/g pada suhu badan (etanol, 0.84 kJ/g). Molekul yang terlepas membawa haba itu bersama: penyejukan penyejatan. Jika seseorang yang berjisim 70 kg menyejatkan 100 g peluh, peluh itu membawa pergi 100 × 2.41 = 241 kJ, cukup untuk menyejukkan badan kira-kira 1.0 °C.
atom daripada persekitaran, dibina menjadi molekul baharu
Organisma membina molekulnya daripada atom yang diambil masuk. Karbon, hidrogen dan oksigen membentuk kebanyakan setiap molekul biologi; nitrogen, fosforus dan sulfur terdapat dalam sesetengah kelas dan tidak dalam yang lain.
| karbohidrat | lipid | protein | asid nukleik |
|---|
| C | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ |
| H | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ |
| O | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ |
| N | | | ✓ | ✓ |
| P | | ✓* | | ✓ |
| S | | | ✓ | |
* Fosforus terdapat dalam fosfolipid, lipid membran (yang kepalanya selalunya membawa nitrogen juga); lemak dan steroid hanya terdiri daripada C, H dan O.
- Nitrogen terdapat dalam protein (setiap asid amino mempunyai kumpulan amina) dan dalam asid nukleik (setiap bes).
- Fosforus terdapat dalam asid nukleik (fosfat pada setiap nukleotida) dan fosfolipid. Protein dan karbohidrat tidak mempunyainya.
- Sulfur terdapat dalam protein (dalam kumpulan R bagi dua asid amino) tetapi tidak dalam asid nukleik.
Perbezaan itu ialah satu alat. Perunut sulfur radioaktif melabelkan protein sel dan bukan DNAnya; fosforus radioaktif melabelkan DNA dan RNAnya dan bukan proteinnya.
Atom datang daripada persekitaran: tumbuhan mengambil karbon daripada CO2, hidrogen dan oksigen daripada air, serta nitrogen, fosforus dan sulfur daripada ion dalam tanah. Haiwan mengambilnya sebagai makanan. Mengikut jisim, manusia terdiri daripada 65% O, 18.5% C, 9.5% H, 3.3% N.
sintesis dehidrasi dan hidrolisis
Molekul biologi besar ialah polimer: rantai subunit kecil, iaitu monomer, yang disambungkan oleh ikatan kovalen. Setiap ikatan dibentuk dengan menyingkirkan satu molekul air dan diputuskan dengan menambahkan satu semula.
Sintesis dehidrasi. Satu kumpulan hidroksil (–OH) disingkirkan daripada satu monomer dan satu hidrogen daripada monomer yang lain. Kedua-dua monomer terikat secara kovalen, dan OH serta H pergi bersama sebagai satu H2O. Menyambung banyak monomer dengan cara ini ialah pempolimeran.
Hidrolisis (“pemecahan air”) ialah tindak balas songsang. Air ditambah merentasi ikatan antara dua monomer: H pergi ke satu monomer, OH ke yang lain, dan ikatan kovalen terputus. Penghadaman ialah hidrolisis.
Rajah menjalankan filem yang sama ke hadapan (air keluar) dan ke belakang (air masuk). Rantai n monomer mempunyai n − 1 ikatan, jadi ia membebaskan n − 1 molekul air semasa terbentuk, dan menyerap n − 1 untuk terurai.
Contoh penyelesaian. Glukosa mempunyai jisim molar 180.16 g/mol; air, 18.02. Dua glukosa bercantum: 2 × 180.16 − 18.02 = 342.30 g/mol. Rantai 6 dalam rajah: 6 × 180.16 − 5 × 18.02 = 990.86 g/mol.
Sel menggunakan enzim untuk mempercepatkan kedua-dua tindak balas. Membina polimer memerlukan tenaga; hidrolisis membebaskannya.
gula, dan rantai gula
Monosakarida, gula ringkas seperti glukosa dan fruktosa, ialah monomer karbohidrat. Ikatan kovalen menyambungkannya menjadi polisakarida, karbohidrat kompleks yang boleh berbentuk linear atau bercabang.
Dua monosakarida membentuk satu disakarida (sukrosa, laktosa, maltosa); ratusan hingga ribuan membentuk polisakarida. Karbohidrat hanya terdiri daripada C, H dan O.
Bentuk mengikut fungsi:
| polisakarida | bentuk | fungsi |
|---|
| selulosa | linear | dinding sel tumbuhan: rantai terletak bersebelahan, diikat oleh ikatan hidrogen menjadi gentian yang kuat |
| kanji | linear dan bercabang | simpanan tenaga dalam tumbuhan |
| glikogen | sangat bercabang | simpanan tenaga dalam haiwan (hati, otot) |
| kitin | linear | dinding sel kulat, rangka luar serangga |
Dalam rajah, kedua-dua rantai menambah satu gula pada setiap hujung yang memanjang bagi setiap langkah. Rantai linear mempunyai satu hujung. Rantai bercabang mempunyai hujung pada setiap cabang, jadi dalam masa yang sama ia memperoleh lebih banyak gula, dan enzim boleh menanggalkannya secepat itu. Itulah sebabnya glikogen, yang sangat bercabang, ialah simpanan yang digunakan haiwan dengan segera.
Malah perubahan kecil dalam cara monomer disambungkan mengubah molekul itu: manusia mencerna kanji, tetapi tiada enzim manusia yang menghidrolisis selulosa.
bagaimana kekusutan pada ekor mencairkan lemak
Lipid kebanyakannya molekul tak berkutub dan hidrofobik: ia tidak bercampur dengan air. Fungsi lipid bergantung pada cara bahagiannya disusun.
Banyak lipid dibina daripada asid lemak: rantai hidrokarbon panjang dengan kumpulan karboksil pada satu hujung. Lemak (trigliserida) ialah tiga asid lemak yang bercantum dengan gliserol melalui sintesis dehidrasi.
Asid lemak tepu hanya mempunyai ikatan tunggal antara karbonnya: ia memegang hidrogen sebanyak mungkin, dan rantainya lurus. Asid lemak tak tepu mempunyai sekurang-kurangnya satu ikatan ganda dua karbon–karbon, yang menyebabkan rantai berkekusut. Semakin banyak ikatan ganda dua, semakin tak tepu asid itu.
Rantai lurus tersusun padat dan saling menarik di sepanjang rantai, jadi lemak tepu pepejal pada suhu bilik (mentega, lemak babi). Rantai berkekusut tidak dapat tersusun padat, jadi lemak tak tepu berbentuk cecair (minyak zaitun). Empat asid lemak 18 karbon:
| asid lemak | ikatan C=C | takat lebur (°C) |
|---|
| asid stearik | 0 | 69.3 |
| asid oleik | 1 | 13.4 |
| asid linoleik | 2 | −5.0 |
| asid α-linolenik | 3 | −11.0 |
Semakin tak tepu sesuatu lipid, semakin cecair ia pada suhu tertentu. Membran yang kaya dengan ekor tak tepu kekal cecair dalam sejuk.
menyimpan tenaga, memberi isyarat dan membina membran
Lemak, steroid dan fosfolipid semuanya lipid, dan setiap satu mempunyai fungsi yang berbeza.
Lemak menyimpan tenaga dan menyokong fungsi sel; di bawah kulit mamalia, lemak juga menebat haba. Satu gram lemak menghasilkan kira-kira 37 kJ, lebih daripada dua kali ganda 17 kJ bagi satu gram karbohidrat. Untuk menyimpan 1000 kJ, diperlukan 27 g lemak tetapi 59 g karbohidrat.
Steroid ialah lipid yang dibina daripada empat gelang karbon yang bercantum. Banyak antaranya hormon (testosteron, estrogen, kortisol) yang mengawal pertumbuhan dan perkembangan, metabolisme tenaga dan homeostasis.
Kolesterol ialah steroid yang terletak di celah ekor membran sel haiwan (biru dalam rajah) dan memberikannya kestabilan struktur.
Fosfolipid mempunyai dua ekor asid lemak dan satu kepala yang membawa kumpulan fosfat. Kepala itu berkutub, hidrofilik; ekornya tak berkutub, hidrofobik. Molekul yang mempunyai kedua-dua jenis hujung ialah amfipatik.
Dalam air, fosfolipid berkumpul menjadi dwilapisan lipid: dua lembaran, kepala menghadap air pada kedua-dua belah, ekor tersembunyi di tengah. Membran plasma setiap sel, dan membran organelnya, ialah dwilapisan seperti ini. Molekul tak berkutub yang kecil boleh menyelinap melalui bahagian dalamnya; ion dan molekul berkutub yang besar tidak boleh.
satu untai nukleotida, dengan dua hujung yang berbeza
DNA dan RNA menyimpan maklumat biologi sebagai jujukan monomer yang dipanggil nukleotida.
Setiap nukleotida mempunyai tiga bahagian:
- gula lima karbon: deoksiribosa dalam DNA, ribosa dalam RNA;
- kumpulan fosfat;
- bes bernitrogen: adenina (A), guanina (G), sitosina (C) dan timina (T) dalam DNA atau urasil (U) dalam RNA.
Ikatan kovalen menghubungkan fosfat satu nukleotida dengan gula nukleotida seterusnya, lalu membentuk tulang belakang gula–fosfat dengan bes yang menonjol keluar. Susunan bes sepanjang tulang belakang itulah maklumatnya.
Untai mempunyai arah. Karbon pada gulanya dinomborkan, dan kedua-dua hujungnya berbeza: hujung 5′ (“lima perdana”) mempunyai fosfat bebas pada karbon 5′ gula; hujung 3′ mempunyai hidroksil bebas pada karbon 3′ gula.
Apabila asid nukleik dibina, setiap nukleotida baharu disambungkan pada hujung 3′ untai yang memanjang, seperti dalam rajah. Jadi untai sentiasa memanjang 5′ → 3′, dan jujukan ditulis dalam arah itu: 5′-ATGCCGTA-3′.
untai antiselari, bes berpasangan
DNA ialah dua untai yang berpilin menjadi heliks berganda, berjalan dalam arah bertentangan dan dipegang bersama oleh ikatan hidrogen antara bes-besnya.
Untai-untai ini antiselari: satu berjalan 5′ → 3′ ke atas heliks, satu lagi 5′ → 3′ ke bawah. Tulang belakang gula–fosfat berada di luar; bes berpasangan di tengah.
Pemasangan bersifat khusus. Adenina berpasangan dengan timina (A–T), melalui dua ikatan hidrogen; guanina berpasangan dengan sitosina (G–C), melalui tiga. Maka setiap untai menentukan jujukan untai yang lain: keduanya saling melengkapi. Dalam RNA, adenina berpasangan dengan urasil (A–U).
Oleh sebab A sentiasa berpasangan dengan T dan G dengan C, DNA untai berganda mempunyai A sebanyak T dan G sebanyak C. Chargaff mengukur DNA manusia:
| bes | A | T | G | C |
|---|
| mol % | 30.9 | 29.4 | 19.9 | 19.8 |
|---|
Contoh penyelesaian. Jika sampel DNA mengandungi 30% A, ia juga mengandungi 30% T; baki 40% ialah G dan C dalam bahagian yang sama, iaitu 20% setiap satu.
12 pasangan dalam rajah, ATGCGCATTAGC, ialah 50.0% G–C, dipegang oleh 30 ikatan hidrogen. Lebih banyak pasangan G–C bermakna lebih banyak ikatan hidrogen, dan suhu yang lebih tinggi diperlukan untuk memisahkan untai.
| DNA | RNA |
|---|
| gula | deoksiribosa | ribosa |
| bes | A, T, G, C | A, U, G, C |
| untai | biasanya dua | biasanya satu |
ikatan peptida dan kumpulan R
Protein ialah satu atau lebih rantai linear asid amino, yang disambung oleh ikatan peptida kovalen. Satu rantai ialah polipeptida.
Setiap asid amino mempunyai karbon pusat yang terikat kepada empat perkara: hidrogen, kumpulan amina (–NH2), kumpulan karboksil (–COOH) dan kumpulan R (rantai sisi) yang berubah-ubah. Dua puluh asid amino itu berbeza hanya pada kumpulan R.
Ikatan peptida terbentuk melalui sintesis dehidrasi antara karboksil satu asid amino dengan amina asid amino seterusnya, sambil membebaskan satu H2O. Rantai ini mempunyai hujung-N (amina bebas) dan hujung-C (karboksil bebas), dan memanjang pada hujung-C, seperti dalam rajah.
Kumpulan R terbahagi kepada tiga jenis mengikut sifat kimia:
| Kumpulan R | kelakuan dalam air |
|---|
| tak berkutub (kelabu) | hidrofobik: berkelompok menjauhi air |
| berkutub (biru) | hidrofilik: membentuk ikatan hidrogen dengan air |
| bercas, ion (merah) | hidrofilik: menarik cas bertentangan |
Cara kumpulan R berinteraksi menentukan bentuk, dan seterusnya fungsi, setiap kawasan protein.
Contoh penyelesaian. Polipeptida yang mempunyai 300 asid amino mempunyai 299 ikatan peptida; dengan baki kira-kira 110 dalton secara purata, jisimnya kira-kira 300 × 110 = 33 kDa.
primer, sekunder, tertier, kuaternari
Jujukan asid amino menentukan bagaimana rantai berlipat, dan bentuk terlipat itu menentukan fungsi protein.
Struktur primer ialah jujukan asid amino, dipegang oleh ikatan peptida. Ia menentukan semua aras di atasnya.
Struktur sekunder ialah lipatan setempat, dipegang oleh ikatan hidrogen antara atom tulang belakang (bukan kumpulan R): gelungan yang dipanggil heliks α dan helaian berlipat β.
Struktur tertier ialah bentuk tiga dimensi seluruh rantai, dipegang oleh interaksi antara kumpulan R: ikatan hidrogen, interaksi hidrofobik (kumpulan R tak berkutub berkelompok di dalam, menjauhi air), ikatan ion antara kumpulan R bercas, dan titian disulfida kovalen antara dua sisteina (merah dalam rajah).
Struktur kuaternari ialah susunan dua atau lebih polipeptida dalam satu protein. Hemoglobin mempunyai empat: dua rantai α yang masing-masing 141 asid amino dan dua rantai β yang masing-masing 146.
Keempat-empat aras bersama-sama memberi protein fungsinya. Haba, pH melampau atau sesetengah bahan kimia memutuskan ikatan lemah pada aras yang lebih tinggi, dan protein terbuka lipatan serta berhenti berfungsi: ia ternyahasli. Ikatan peptida struktur primer kekal.
Ubah satu asid amino dan lipatan boleh berubah. Dalam hemoglobin sel sabit, satu kumpulan R bercas digantikan dengan yang tak berkutub, dan protein melekat pada jirannya.
Struktur dan fungsi sel →