Химический уровень организации человека – какие связи и реакции протекают внутри нас?

Друзья, приветствуем! В эту пятницу наш ждет очередная заметка из цикла “Подтяни матчасть”, ее тема - химический уровень организации человека. По прочтении вы узнаете все о связях и протекающих внутри организма химических реакциях. Такой материал вы вряд ли где найдете, поэтому слушайте внимательно.

Итак, если все в сборе, начнем.

Химический уровень организации человека: всё, что надо знать

Для начала пара слов о том, какие мы молодцы :). А все потому, что наш цикл пополнился уже седьмой по счету заметкой. Вот некоторые из тем, которые мы уже разобрали: [Что представляют собой уровни организации организма], [Какие есть потребности у человека], [Как наводится равновесие в организме], [Из чего состоит человек. Главные строительные блоки]. В каждой из них есть информация, позволяющая глубже понять физиологию тренинга и те процессы, которые скрыты от нас. Все это подтянет ваши теоретические знания и позволит прогрессировать как в улучшении своей формы, так и в знаниях. А сегодня на повестке дня крайне необычная тема - химический уровень организации человека. Давайте выясним, что за ней скрыто. химический уровень организации человека

Примечание:
Для лучшего усвоения материала все дальнейшее повествование будет разбито на подглавы

Химические связи: ликбез

В прошлой статье мы говорили про атомарно-молекулярный уровень организации организма человека. Так вот, все атомы связаны друг с другом посредством химической связи. Связь - это слабое или сильное электрическое притяжение, которое удерживает атомы в одной и той же “окрестности”.  Относительно стабильная группировка двух и более атомов, удерживаемых вместе химическими связями, называется молекулой. Когда молекула состоит из двух или более атомов разных элементов, это называется химическим соединением, например, вода H2O.

Существует три типа химических связей:

1. ионные;
2. ковалентные;
3. водородные.

Они важны в физиологии человека, потому что объединяют вещества, которые используются организмом для критических аспектов гомеостаза, передачи сигналов и производства энергии. Давайте подробно разберем каждую из них.

№1. Ионы и ионные связи

Когда атом участвует в химической реакции, которая приводит к пожертвованию или принятию одного или нескольких электронов, атом становится положительно или отрицательно заряженным. Этот механизм позволяет получить атому полную валентную оболочку. Происходит это путем получения электронов для заполнения оболочки, которая более чем наполовину заполнена, либо путем передачи электронов для опустошения оболочки, которая заполнена менее чем наполовину. Атом, который имеет электрический заряд, называется ионом:

Калий является важным элементом для всех клеток организма. Его атомный номер равен 19. Он имеет только один электрон в своей валентной оболочке. Эта характеристика делает калий очень активным для участия в химических реакциях, в которых он жертвует один электрон. Для калия легче пожертвовать один электрон, чем получить семь. Потеря положительного заряда делает ион калия положительным. Ион калия обозначается как K +, что указывает на то, что он потерял один электрон. Положительно заряженный ион называется катион.

Фтор - компонент костей и зубов. Его атомный номер равен 9, он имеет семь электронов в своей валентной оболочке. Весьма вероятно, что он соединится с другими атомами таким образом, чтобы принять один электрон (легче получить один электрон, чем пожертвовать семью). Когда это произойдет, его электроны превзойдут число своих протонов на один, он будет иметь общий отрицательный заряд. Ионизированная форма фтора называется фторидом, F–. Отрицательно заряженный ион называется анион.

Катионы и анионы проявляют умеренно сильное взаимное притяжение, которое удерживает атомы в непосредственной близости, образуя ионную связь. Ионная связь - постоянная тесная связь между ионами противоположного заряда. Поваренная соль, которую мы добавляем в пищу, обязана своим существованием ионным связям.

Вода – природный растворитель, она способна разорвать ионные связи в солях, чтобы освободить ионы. В биологических жидкостях большинство отдельных атомов существуют в виде ионов. Эти растворенные ионы производят электрические заряды в организме. Их поведение позволяет отслеживать функции сердца и мозга, наблюдаемые на электрокардиограмме (ЭКГ). Именно поэтому электрическая активность, возникающая в результате взаимодействия заряженных ионов, также называется электролитическая.

№2. Ковалентные связи

В отличие от ионных связей, образованных притяжением между катионом и анионом, молекулы, образованные ковалентной связью, делят электроны во взаимно стабилизирующих отношениях. Атомы не теряют и не получают электроны постоянно. Вместо этого электроны движутся вперед и назад между элементами. Из-за близкого совместного использования пар электронов (по одному электрону от каждого из двух атомов) ковалентные связи прочнее ионных.

Примечание:

Ковалентные связи бывают полярные и неполярные

№3. Водородные связи

Для человеческой физиологии одна из самых важных связей, образованных водой, является водородная связь. Она образуется, когда слабо положительный атом водорода, уже связанный с одним электроотрицательным атомом (например, кислород в молекуле воды), притягивается к другому электроотрицательному атому из другой молекулы. Другими словами, водородные связи всегда включают водород, который уже является частью полярной молекулы.

Наиболее распространенный пример водородных связей в естественном мире происходит между молекулами воды: две капли дождя сливаются в более крупную. Водородная связь возникает потому, что слабо отрицательный атом кислорода в одной молекуле воды притягивается к слабо положительным атомам водорода двух других молекул воды. Водородные связи в обязательном порядке присутствуют в белках и между пептидными цепями:

Итак, со связями разобрались, теперь поговорим про…

Химические реакции внутри человека: роль энергии

Одной из характеристик живого организма является метаболизм. Он представляет собой сумму всех химических реакций, протекающих для поддержания здоровья и жизни этого организма. Процессы связей и связывания являются анаболическими химическими реакциями. Они образуют более крупные молекулы из более мелких молекул или атомов. Но следует помнить, что метаболизм может протекать и в другом направлении. В катаболических химических реакциях связи между компонентами более крупных молекул разрываются, высвобождая более мелкие молекулы или атомы. Оба типа реакций включают обмены не только веществом, но и энергией.

Химические реакции требуют достаточного количества энергии, чтобы вызвать столкновение вещества с достаточной точностью и силой, чтобы старые химические связи могли быть разорваны и образованы новые. В общем, кинетическая энергия является формой энергии, приводящей в движение любой тип вещества. Потенциальная энергия - это энергия положения, которой обладает вещество из-за расположения или структуры его компонентов.

В организме человека потенциальная энергия сохраняется в связях между атомами и молекулами. Химическая энергия - форма потенциальной энергии, в которой она сохраняется в химических связях. Когда эти связи образуются, химическая энергия “вкладывается”, а когда они разрушаются, химическая энергия высвобождается. А теперь давайте то же самое, только на примере.

Когда вы едите энергетический батончик, овес, патока, орехи и другие его компоненты разрушаются и преобразуются вашим телом в молекулы, которые мышечные клетки переводят в кинетическую энергию. Химические реакции, которые выделяют больше энергии, чем поглощают, называются экзергоническими. Катаболизм продуктов является примером таких реакций. А вот химические реакции, которые поглощают больше энергии, чем выделяют, называются эндергоническими. Они требуют ввода энергии, а получающаяся молекула хранит не только химическую энергию в исходных компонентах, но и энергию, которая питала реакцию.

Есть реакции: синтеза A + B → AB, разложения AB → A + B и обмена A + BC → AB + C. Теоретически, любая химическая реакция может протекать (при правильных условиях) в любом направлении. В организме человека многие химические реакции протекают в предсказуемом направлении - пути наименьшего сопротивления, которое требует меньше энергии. Нашему организму невыгодно тратить энергию, а тем более в больших количествах, он предпочитает накапливать, а не расходовать. Поэтому набрать вес так легко и быстро, а избавиться от лишних килограммов - тяжело и долго. А еще сложнее набрать мышечную массу и поддерживать ее на одном уровне на протяжении нескольких лет.

Формы энергии, важные для человека

Мы уже выяснили, что химическая энергия поглощается, хранится и высвобождается химическими связями. Помимо нее в функционировании человека важны механическая, лучистая и электрическая энергия:

1. Механическая энергия. Накапливается в физических системах, таких как машины, двигатели или человеческое тело, напрямую приводит в движение материю. Когда вы поднимаете гантель, ваши мышцы обеспечивают механическую энергию, которая её перемещает;
2. Энергия излучения. Излучаемая и передаваемая в виде волн, а не материи. Организм использует ультрафиолетовую энергию солнечного света, чтобы преобразовать соединение в клетках кожи в витамин D, который необходим для нормальной жизнедеятельности организма человека;
3. Электрическая энергия. Поставляется электролитами в клетках и жидкостях организма. Способствует изменениям напряжения, которые помогают передавать импульсы в нервные и мышечные клетки.

Факторы, влияющие на скорость химических реакций

На скорость химических реакций влияют различные факторы. К основным факторам относятся:

№1. Температура

Почти все химические реакции происходят с большей скоростью при более высоких температурах. Кинетическая энергия субатомных частиц увеличивается в ответ на увеличение тепловой энергии. Чем выше температура, тем быстрее частицы движутся, тем больше вероятность того, что они вступят в контакт и среагируют.

Примером повышения температуры является тренировка в зале. Вы тягаете железо или усиленно бежите на дорожке, а внутри вас частицы начинают активнее двигаться. Это сравнимо с разогревом пищи в микроволновке: как только СВЧ включается, молекулы воды в продукте начинают активно  двигаться и взаимодействовать друг с другом. Реакция идет быстрее.

№2. Концентрация и давление

Чем больше частиц присутствует в конкретном пространстве, тем больше вероятность того, что они столкнутся друг с другом. Это означает, что можно ускорить химические реакции не только за счет увеличения количества частиц в пространстве, но и за счет уменьшения объема пространства, что увеличит давление.

№3. Ферменты и другие катализаторы

Для того, чтобы два химических вещества в природе среагировали друг с другом, они должны вступить в контакт путем случайных столкновений. Поскольку тепло помогает увеличить кинетическую энергию атомов, ионов и молекул, оно способствует и их столкновению. Но в организме человека чрезвычайно высокая температура, которая может повредить клетки тела. С другой стороны, нормальная температура тела недостаточно высока, чтобы стимулировать химические реакции, которые поддерживают жизнь. Вот тогда и приходят на помощь катализаторы - вещества, которые увеличивают скорость химической реакции без каких-либо изменений.

Наиболее важными катализаторами в организме человека являются ферменты. Как и все катализаторы, они работают за счет снижения уровня энергии, которая должна быть вложена в химическую реакцию. Без фермента потребуется гораздо больше “инвестиций” для запуска химической реакции. Ферменты имеют решающее значение для здорового функционирования организма. Например, они помогают с расщеплением пищи и ее преобразованием в энергию. На самом деле, большинство химических реакций в организме облегчаются ферментами.

Яркий пример их использования – набор мышечной массы массивными культуристами. Это для нас наесть 2000-2500 ккал за сутки часто считается нереальной задачей. А калорийность рациона профессиональных культуристов может доходить до 5000 ккал. Они едят большое количество белка, у них по 7-8 приемов пищи в сутки. Чтобы справиться с таким количеством еды, они используют пищеварительные энзимы и ферменты. Собственно, по теории "химический уровень организации человека" это все. Перечитайте статью еще раз, если не ухватили с первого раза.

Послесловие

“Чем дальше в лес, тем больше дров”. Чем бОльшим становится порядковый номер статьи, тем сложнее материал. Но хотим вас уведомить, что тема "Химический уровень организации человека" самая сложная. БЫЛА. Осталась еще одна, после чего цикл будет закрыт. Её разберем в следующую пятницу. До связи!

PS. Как материал, не сильно "загнуто"? :)