Kemi - Vigtig baggrundsviden for biologer

KEMI
Vigtig baggrundsviden for biologer
af
Niels Roholt
Århus Akademi
1994
For at forstå, hvordan en levende organisme fungerer, må man vide
noget om sammensætningen af stofferne i protoplasma og de ændringer,
der kan ske med dem. Med andre ord, for at studere biologi,
må man kende lidt til kemi. Denne tekst er en oversigt over nogle få
elementære kemiske principper, som alle bør kende.
Atomer
Et vigtigt spørgsmål med hensyn til stofs natur er, om det er kontinuert
eller atomart. Hvis stof var kontinuert, kunne det deles igen og
igen i mindre og mindre stykker i en uendelighed uden at ændre sine
egenskaber. F.eks. hvis man skærer en jernstang i to stykker, kan man
stadig genkende begge stykker som jern. Men videnskabelige undersøgelser
har ført til den konklusion, at denne proces ikke kan fortsættes i
det uendelige. Man mener i dag at vide, at jern består af små partikler,
der kaldes atomer. Hvis et jernatom deles yderligere på en eller anden
måde, er enkeltdelene ikke længere jern. På lignende måde menes alle
stoffer at være opbygget af atomer. Forskellen mellem et stof og et
andet afhænger af de atomer, de består af, og den måde atomerne er
sat sammen på.
Selv om man på et tidspunkt anså atomerne for at være udelelige, ved
vi i dag, at et hvert atom er opbygget af endnu mindre elementarpartikler:
protoner med en positiv ladning, elektroner med en negativ
ladning og neutroner uden nogen elektrisk ladning. Protoner og neutroner
er koncentreret i atomkernen, en meget lille og tæt region i
centrum af atomet. Antallet af elektroner i et hvert atom er det samme
som antallet af protoner. Denne størrelse kaldes atomets atomnummer.
Grundstoffer
Selv om et stof synes at være ensartet på alle måder, kan det være
muligt at adskille det i to eller flere stoffer ved hjælp af varme, elektricitet
eller kemisk behandling. Næsten alle stoffer kan nedbrydes til andre.
Nogle kan imidlertid ikke, og disse kaldes for grundstoffer. Der
findes 103 kendte grundstoffer. Alle atomer af et givent grundstof er
essentielt ens, men de adskiller sig fra atomerne af et hvert andet
grundstof. F.eks. har alle atomerne af et givent grundstof det samme
atomnummer, dvs. det samme antal protoner i kernen og det samme
antal elektroner i rummet rundt om kernen. Atomnummeret for Hydrogen
(“brint”) er 1; dets atomer indeholder altid 1 proton og 1 elektron.
Atomnummeret for Carbon (“kulstof”) er 6; dets atomer indeholder
altid 6 protoner og 6 elektroner. Kernen i et atom indeholder også neutroner
(med undtagelse af det simpleste Hydrogenatom), men neutronerne
tælles ikke med i atomnummeret. Et grundstof kan defineres
1

FIG. 1. ISOTOPER AF HYDROGEN
Alle atomer af et grundstof har det samme antal protoner og elektroner - dvs. det samme atomnummer -
men antallet af neutroner varierer. Der kendes tre varianter af Hydrogen: “almindelig” Hydrogen, uden nogen
neutroner; Deuterium med 1 neutron; Tritium med 2 neutroner. Der er derfor Hydrogenatomer med
atomvægte på 1, 2 og 3. Varianter af et grundstof, med samme atomnummer og forskellige atomvægte, kaldes
isotoper.
som et stof, der udelukkende består af atomer med det samme atomnummer.
Atomvægt (massetal)
Vægten af en neutron er tilnærmet den samme som vægten af en proton;
vægten af en elektron er så lille, at den kan ignoreres. Hvis man
derfor tilskriver en vægt på 1 til hver proton og hver neutron, kan
vægten af et atom udtrykkes som summen af protoner og neutroner i
kernen. Et Carbonatom med 6 protoner og 6 neutroner har således en
atomvægt dvs. et massetal på 12. Et hydrogenatom med 1 proton og 0
neutroner har en atomvægt på 1.
Isotoper
Alle atomer i et grundstof har det samme antal protoner og elektroner,
men ikke nødvendigvis det samme antal neutroner. Carbonatomer med
6 protoner og 6 neutroner i kernen er den mest almindelige form, men
der findes Carbonatomer med 4, 5, 6, 7, 9 og 10 neutroner. Der findes
således Carbonatomer med atomvægte på 10, 11, 12, 13, 14, 15 og 16.
Disse varianter af Carbonatomet, med det samme atomnummer, men
forskellige
atomvægte, kaldes for isotoper af Carbon (Iso = samme; top = sted). I
faglige tekster adskilles en isotop af et grundstof fra en anden ved at
tilføje atomvægten til grundstoffets navn; f.eks. Carbon-12, Carbon-14
og Carbon-16; eller Uran-235 og Uran-238. Der findes tre kendte isotoper
af Hydrogen (se figur 1). “Almindelig” Hydrogen med 1 proton
og 0 neutroner har en atomvægt på 1. En anden variant, der kaldes
Deuterium, med 1 proton og 1 neutron, har en atomvægt på 2. Den
tredje variant kaldes Tritium, med 1 proton og 2 neutroner, og har en
atomvægt på 3.
Radioaktivitet
Atomerne i mange isotoper er ustabile. Hermed menes, at deres kerner
har en tendens til at udsende partikler, og ved at gøre dette ændres
2

de til atomer af et andet grundstof. Sådanne isotoper siges at være radioaktive.
Adskillige af de naturligt forekommende grundstoffer som
Uran og Radium er radioaktive. Utallige radioaktive isotoper af lettere
grundstoffer er også blevet lavet ved at bombardere deres atomer med
atompartikler med stor hastighed. Tilstedeværelsen af et radioaktivt
grundstof kan spores ved de partikler, eller den “stråling” som de udsender.
En Geigertæller, f.eks., er et instrument, der afgiver en elektrisk
impuls, hver gang en partikel fra en radioaktiv kilde passerer igennem
den. Radioaktive isotoper bruges til mange forskellige biologiske
eksperimenter. F.eks. er Carbon-14 en radioaktiv isotop, der er blevet
brugt til mange undersøgelser af biologiske processer som fotosyntesen
i de grønne planter.
Atomerne af et radioaktivt isotop ændrer sig til atomer af et andet
grundstof med en konstant hastighed, som er karakteristisk for denne
isotop. F.eks. tager det 1.622 år for halvdelen af atomerne af en radiumprøve
at nedbrydes. Dette tidsrum - 1.622 år - kaldes for Radiums
halveringstid. Halveringstiden for Carbon-14 er 5.770 år. Ved at måle
andelen af Carbon-14, der stadig er tilbage i gamle knogler eller et
stykke træ, er det muligt at bestemme dets alder. Alderen på en “sten
“ (bjergart) kan også bestemmes ved at analysere de radioaktive
grundstoffer, den indeholder.
FIG. 2. RADIOAKTIVITET
Radioaktive grundstoffer, som f.eks. Radium, udsender tre typer “stråling”: Alfa stråler, beta stråler og
gamma stråler. Alfa stråler består af alfa partikler, der hver er en gruppe af 2 protoner og 2 neutroner. Da
protoner er positivt ladede, vil alfa partiklerne, der har en positiv ladning, blive tiltrukket af en negativt ladet
plade. Beta stråler er strømme af elektroner med høj hastighed. Da elektroner er negativt ladede, vil beta
strålerne med deres negative ladning tiltrækkes af en positivt ladet metalplade. Gamma stråler er elektromagnetiske
stråler (“bølger”, ligesom lys, røntgenstråler og radiobølger, men med meget kortere bølgelængde, og
indeholder derfor meget mere energi. Gammastråler påvirkes ikke af elektrisk ladede plader.
Metaller og ikke-metaller
Grundstofferne inddeles generelt i to grupper, metallerne og ikkemetallerne.
Metallerne er sædvanligvis faste ved stuetemperatur
(21°C), og de har en bestemt kvalitet, der kaldes glans, de leder varme
og elektricitet meget godt og er bøjelige, de kan formes og er forholdsvis
stærke. Jern, kobber, sølv, guld og tin er eksempler på metaller.
Kviksølv er et usædvanligt metal: det er flydende ved stuetemperatur.
Ellers har det de samme egenskaber som andre metaller.
3

Ikke-metallerne er dårlige ledere af varme og elektricitet, de har ingen
glans og er sædvanligvis sprøde i fast tilstand. Adskillige af ikkemetallerne
som Nitrogen (“kvælstof”), Oxygen (“ilt”) og Chlor er gasser
ved stuetemperatur.
Elektronskaller
Elektronerne i et atom er arrangeret i “skaller” rundt om kernen. Den
første skal, som er nærmest kernen, kan ikke indeholde mere end 2
elektroner. Den anden skal kan indeholde 8 elektroner. Den tredje skal,
er, når den er den yderste skal, også fyldt op, når den indeholder 8
elektroner.
Figur 3. IONBINDINGEN MELLEM NATRIUM OG CHLOR
Et atom er mest stabil når dets yderste elektronskal er fyldt med elektroner. Natrium har en tendens til at opgive
1 elektron i sin yderste skal, så den fulde skal nedenunder bliver den yderste skal. Chloratomet, med 7
elektroner i sin yderste skal, har en tendens til at optage en elektron for at udfylde denne skal. Når Natrium
afgiver sin yderste elektron til et Chloratom, bliver Natriumatomet positivt ladet: Det har 11 protoner, men kun
10 elektroner. Chloratomet bliver negativt ladet: Det har 17 protoner og 18 elektroner. Atomer, som har fået
en ladning ved at få eller afgive elektroner, kaldes ioner; tiltrækningen mellem den positive Natrium ion og
den negative Chlor ion danner en ionbinding.
Kemiske forbindelser
Kombinationer af atomer
Den mest stabile tildstand for et atom indtræder, når det har fyldte ydre
elektronskaller. Som resultat heraf søger atomer med en næsten fyldte
ydre skaller at skaffe sig yderligere elektroner for at fylde dem op.
Atomer, der kun har 1 eller 2 elektroner i den yderste skal, har en tendens
til at opgive dem, så den fyldte skal neden under bliver den ydre
FIGUR 4. KOVALENT BINDING I VANDMOLEKYLE
Et Oxygenatom med 6 elektroner i sin yderste elektronskal søger mod at få 2 elektroner for at opnå stabilitet.
Hydrogenatomet med kun 1 elektron i sin eneste skal søger at få 1 elektron for at opnå stabilitet. I
4
vandmolekylet deler et Oxygenatom et par elektroner med hver af de to Hydrogenatomer. På denne måde
udviser alle tre atomer stabilitet uden at få eller at miste elektroner. Et par delte elektroner danner en

skal. Således vil et Natriumatom, med 1 elektron i sin yderste skal søge
at afgive denne elektron til et atom som f.eks. Chlor, der har 7 elektroner
i sin yderste skal og kun mangler een mere for at fylde den helt op.
Når det sker, bliver de to atomer bundet til hinanden, og der dannes
Natriumchlorid (Figur 3). Atomer kan også bindes til hinanden, ikke
ved at få eller afgive elektroner, men ved at dele dem på en sådan måde,
at den yderste skal hos dem begge i virkning er fyldte (Figur 4).
Molekyler
Natriumchlorid er en kemisk forbindelse. Når grundstoffer forbindes
og danner kemiske forbindelser, er deres atomer bundet til hinanden i
et bestemt forhold, og de dannede partikler kaldes molekyler. Et molekyle
er den mindste partikel af en forbindelse, der har forbindelsens
sammensætning og egenskaber.
FIGUR 5. MOLEKYL - OG STRUKTURFORMLER
En molekylformel specificerer antallet af atomer af hvert grundstof i et molekyle. En strukturformel viser
arrangementet af atomerne. Hver linje i en strukturformel repræsenterer en kovalent binding - dvs. et par
elektroner der deles af to atomer. Der er to kovalente bindinger i et vandmolekyle. Dobbeltlinjen i en strukturformel
som i formaldehyd indikerer en dobbeltbinding: Carbonatomet deler to elektronpar med Oxygenatomet.
De tre streger i hydrogencyanid-syrens (“blåsyren” i bitre mandler) strukturformel repræsenterer
en tripelbinding: Carbonatomet deler tre elektron par med Nitrogenatomet.
Kemiske formler
Et vandmolekyle er opbygget af 3 atomer: 2 Hydrogenatomer og 1
Oxygenatom. Formlen for vand, H 2 O, gengiver denne kendsgerning.
H står for ét Hydrogenatom, O’et symboliserer ét Oxygenatom; det
lille 2-tal med sænket skrift efter H’et betyder, at der er 2 atomer af
Hydrogen i molekylet. Molekylerne hos nogle forbindelser er kun
sammensat af få atomer. Som vi lige har set, er et molekyle vand opbygget
af 3 atomer. De fleste molekyler af stofferne i den levende
celle, er imidlertid meget sammensatte (= komplekse), og mange består
at tusinder af atomer. Arrangementet af atomerne i en forbindelse
er også vigtig. For at vise dette arrangement bruges der en strukturformel.
Det er et diagram, i hvilket symbolerne for grundstofferne
er forbundet med lige streger. Hver streg eller linje repræsenterer en
binding - et elektronpar -, der deles af to atomer. To atomer kan også
bindes sammen af en dobbeltbinding (vist med to streger) eller en tripelbinding
(tre streger). Når vi i undervisningen diskuterer kemiske reaktioner
i den levende organisme, benytter vi de almindelige formler, til
andre tider er strukturformlerne mere anvendelige. Vi skal vænne os til
at se formler udtrykt på begge måder (se figur 5).
Forbindelser
5

FIGUR 6. To atomer med uparrede
elektroner i den yderste
skal kan danne kovalente bindinger
To atomer med uparrede elektroner
i deres yderste skaller kan danne
kovalente bindinger med hinanden
ved at dele elektronpar. Atomer, der
deltager i en kovalent binding søger
at fylde deres yderste skaller.
FIGUR 7.
KOVALENTE BINDINGER
Kemiske forbindelser ligner ikke de grundstoffer, som de er opbygget
af, men har deres egne helt specielle egenskaber. F.eks. er jern et
grundstof og metal, der tiltrækkes af en magnet. Grundstoffet Svovl er
et gult ikke-metal. Når jern- og svovlpulver blandes og opvarmes
sammen, dannes der et nyt stof, nemlig jernsulfid. Denne forbindelse er
sammensat af jern og svovl i et ganske bestemt forhold, men ligner
hverken jern eller Svovl. Der kendes hundredetusinder kemiske forbindelser.
Uorganiske forbindelser
De grundstoffer og forbindelser, der eksisterede på Jorden før tilsynekomsten
af liv, kaldes uorganiske forbindelser. Vand, bjergarter og
gasserne i luften er eksempler på uorganiske forbindelser.
Organiske forbindelser
Sammensatte forbindelser, der opbygger levende organismer, og som
er produceret af levende organismer, kaldes for organiske forbindelser.
Alle organiske forbindelser indeholder Carbon (kulstof). Carbonatomer
har kapaciteten til at opbygge store molekyler, der indeholder
kæder og ringe af atomer, arrangeret i komplicerede strukturer (se
figur 8). Resultatet heraf er, at der findes næsten en ubegrænset variation
af organiske forbindelser, hver med sine helt egne specielle egenskaber.
De simple organiske molekyler som levende organismer er opbygget af
er unikke for det levende, og findes i dag ikke andre steder på jorden
end som resultat af biologisk aktivitet. De enkelte organiske forbindelser
kaldes for biomolekyler.
De fleste biomolekyler er carbon-forbindelser
De levende organismers kemi er organiseret omkring grundstoffet Carbon,
som udgør over halvdelen af deres tørvægt. Carbon kan lige som
Hydrogen, Oxygen og Nitrogen danne kovalente bindinger, dvs. kemiske
bindinger dannet ved at dele elektronpar (figur 6). Hydrogenatomet
behøver kun 1 elektron, Oxygen behøver 2, Nitrogen 3 og Carbonatomet
4 for at udfylde deres respektive skaller. Således kan Carbonatomet
dele 4 elektronpar med fire Hydrogenatomer, hvorved der dannes
forbindelsen metan, CH 4 , i hvilken hver af de delte elektronpar er en
enkeltbinding. Carbon kan også danne enkeltbindinger med Oxygen
og Nitrogen atomer. Men mest betydningsfuldt i biologi er Carbonatomers
evne til at dele alektronpar med hinanden og danne meget stabile
Carbon-Carbon enkeltbindinger. Hvert Carbonatom kan danne enkeltbindinger
med en, to tre eller fire andre Carbonatomer. Yderligere kan
to Carbonatomer også dele 2 elektronpar med hinanden, og således
danne Carbon-Carbon dobbeltbindinger (figur 7). På grund af disse
egenskaber kan kovalent bundne Carbonatomer sættes samme og danne
mange strukturer - lineære, kæder, grenede kæder, cykliske og kasselignende
strukturer og kombinationer af disse - og danne molekylskeletter
i mange forskellige organiske molekyler (figur 8). Til disse
Carbons alsidighed til at danne
kovalente enkelt- og dobbeltbindinger,
specielt mellem Carbonatomer.
Tripelbindinger forekommer
kun sjældent i organiske bio-
6

“rygrads-strukturer” kan der bindes andre atomgrupper, da Carbon
også danner kovalente bindinger med Oxygen, Hydrogen, Nitrogen og
Svovl. Det er som nævnt disse molekyler med en kovalent sammenbundet
skeletstruktur af Carbon, der kaldes for organiske forbindelser,
som kan forekomme i næsten ubegrænsede variationer.
Da de fleste biomolekyler er organiske Carbonforbindelser, kan vi drage
den slutning, at Carbons bindingsevne har været en hovedfaktor i
udvælgelsen af Carbonforbindelser til det molekylære maskineri i cellen
under oprindelsen og evolutionen af levende organismer.
FIGUR 8. CARBON KAN DANNE FORSKELLIGE SKELETSTRUKTURER
Carbon-Carbon bindinger danner rygraden i mange typer af organiske molekyler.
FIGUR 9.
FUNKTIONELLE GRUPPER
Funktionelle grupper i de organiske biomolekyler bestemmer
deres kemiske egenskaber
Næsten alle biomolekyler kan betragtes som afledninger af hydrocarboner
(“kulbrinter”), der er forbindelser af Carbon og hydrogen, hvor
“rygraden” består af Carbonatomer forbundet via kovalente bindinger
og hbor de øvrige carbonbindinger deles med Hydrogen. “Rygraden” i
disse CH-forbindelser er meget stabile, fordi Carbon-Carbon enkeltbindinger
og dobbeltbindinger deler deres elektronpar lige meget.
Et eller flere Hydrogenatomer i hydrocarbonerne kan udskiftes med
forskellige slags funktionelle grupper og danne forskellige familier af
organiske forbindelser. Typisk familier er alkoholerne, der har en eller
flere hydroxylgrupper; aminer, der har aminogrupper; ketoner,
der har carbonylgrupper og syrer, der har carboxylgrupper. Adskillige
andre funktionelle grupper er også vigtige i biomolekylerne (se figur
9).
De funktionelle grupper i de organiske biomolekyler er langt mere reaktionsdygtige
end “rygraden” af mættede hydrocarbonforbindelser,
der ikke let angribes af de fleste kemiske reagenser. Funktionelle
gruppe kan ændre elektronfordelingen og geometrien i naboatomer, og
således påvirke det organiske biomolekyes reaktionsdygtighed som
helhed. Ud fra de funktionelle grupper, der findes i organiske biomolekyler
er det muligt at analysere og forudsige deres kemiske opførsel
og reaktioner. Som vi skal se fungerer enzymer ved at genkende specifikke
funktionelle grupper i et biomolekyle og katalysere karakteristiske
kemiske ændringer i dets struktur.
De fleste af de biomolekyler, vi skal undersøge, er polyfunktionelle; de
indeholder to eller flere forskellige slags funktionelle grupper. I sådanne
molekyler har hver type funktionel gruppe sine egne kemiske ka-
7

akteristika og reaktioner. Som eksempel på dette skal vi i undervisningen
benytte aminosyrerne, der er de primære “byggeklodser”, monomerer
i proteiner.
Hvordan kemiske forbindelser ændres
Energi
Ideen om energi er grundlæggende for al naturvidenskab, og ordet
dukker hyppigt op i biologitimerne og i lektien. Energibegrebet er tæt
forbundet med begrebet arbejde. Der udføres et arbejde, når en kraft
forårsager. at et objekt flytter sig. Energi er evnen til at udføre et arbejde,
dvs. evnen til at udøve en kraft og forårsage, at noget bevæger
sig. Energi kan forekomme i forskellige former: f.eks. som varme, bevægelse,
lys og elektricitet. Bevægelsen af en genstand er i sig selv en
energiform, bevægelsesenergi. Energi kan også oplagres uden noget
synligt tegn på, at den er tilstede; men alligevel klar til at blive frigjort til
at udføre et arbejde. Et udtrukket elastik er f.eks. klar til at udføre et
arbejde; der er oplagret energi i elastikken. En vigtig form for oplagret
energi i de levende organismer er energien i de kemiske forbindelsers
bindinger. Der er f.eks. kemisk energi oplagret i et sukkermolekyle.
Denne energi kan frigøres ved en kemisk ændring (som oxidation),
som bryder og omarrangerer sukkermolekylets bindinger. Den frigjorte
kemiske energi kan nu benyttes til forskellige formål. Bl.a. til at binde
Phosphat molekyler på Adenosinmonophosphat, så der dannes ATP.
Levende organismer anvender energi til at udføre mange funktioner,
hvor den mest iøjnefaldende er bevægelse. Stoftransport inde i en
celle (og undertiden passagen på tværs af en cellemembran), transmissionen
af nerveimpulser og produktionen af sammensatte biomolekyler,
som proteiner, polysakkarider og nucleinsyrer, er blandt de aktiviteter,
som er energikrævende. De forskellige metoder den levende celle benytter
for at danne og oplagre energi, vil der være mange eksempler på
i undervisningen.
FIGUR 10. ENERGI: EVNEN TIL AT UDFØRE ARBEJDE
Energi er evnen til at udføre arbejde - at producere bevægelse ved anvendelse af en kraft. Når et elastikbånd
i en slangebøsse trækkes tilbage og holdes, lagres der energi i det. Når elastikken slippes, påvirker en kraft
stenen, og får den til at bevæge sig. Den potentielle energi, der var i elastikbåndet, omdannes til kinetisk
energi, eller stenens bevægelsesenergi. Stenens kinetiske energi transformeres til arbejde, når stenen rammer
vinduet, og knuser det.
8

Kemisk ændring
En kemisk ændring er karakteriseret ved, at en eller flere forbindelser
(stoffer) forsvinder, og andre fremkommer. Den opstår som resultatet
af omgruppering af atomer. F.eks. når en blanding af Hydrogen og
Oxygen antændes, finder der en kemisk ændring sted, i hvilken atomerne
af disse to grundstoffer rearrangerer sig selv og forbindes til
vandmolekyler. Et resultat af denne kemiske ændring er, at de oprindelige
gasser (luftarter) forsvinder og dannelsen af en ny forbindelse:
vand. Et andet resultat af enhver kemisk ændring er optagelsen eller
frigørelsen af energi. Energien kan undertiden frigøres så hurtigt, at
der opstår en eksplosion. I de kemiske ændringer, der foregår i den levende
celle, foregår frigørelsen (eller optagelsen) af energi meget
langsomt og ved lave temperaturer.
Ioner
Vi har set, at når Natrium forbinder sig med Chlor, og der dannes Natriumchlorid
(“stensalt”), overføres der en elektron fra Natrium atomet
til Chlor atomet (se figur 3). Dette efterlader Natrium med en overskydende
positiv ladning, og giver Chloret en ekstra negativ ladning. Atomer
eller grupper af atomer (molekyler), som har fået en elektrisk ladning,
fordi de har fået eller mistet elektroner, kaldes ioner. Natriumchlorid
er et fast stof, fordi Natrium og Chlor er stærkt bundet til
hinanden ved tiltrækningen mellem de modsatte ladninger. Når Natriumchlorid
(NaCl) kommes i vand, bliver ionerne imidlertid skilt fra hinanden
ved reaktionen med vandmolekylerne, og det faste stof opløses.
En opløsning af Natriumchlorid består derfor af Natriumioner og chlorioner,
der bevæger sig frit rundt mellem vandmolekylerne.
FIGUR 11. NEUTRALISATION
(A) Et bægerglas er delt i to kamre ved hjælp af en glasplade. En opløsning af saltsyre (HCl) er hældt i det
ene kammer; en opløsning af Natriumhydroxid (NaOH), en base, er hældt i det andet kammer. Vandet på
syresiden indholder H + (Hydrogen) ioner og Cl ÷ (Chlor) ioner; vandet på den basiske side indeholder OH ÷
(Hydroxyl) ioner og Na + (Natrium) ioner. Skillevæggen mellem de to kamre hæves. (B) H + og OH ÷ ionerne
forbinder sig og danner vandmolekyler. Na + og Cl ÷ ionerne forbliver i opløsning. Syren og basen har reageret
med hinanden og dannet vand og salt (NaCl). Opløsningen er nu hverken sur eller basisk, men neutral. Reaktionen
mellem en syre og en base, så der dannes salt og vand, kaldes neutralisation.
Syrer og baser
En syre er en forbindelse (et stof), der afgiver Hydrogen-ioner, når
den opløses i vand. Et Hydrogenatom består af 1 proton og 1 elektron.
En Hydrogen-ion dannes når elektronen frigøres (afgives); tilbage bliver
den positivt ladede proton, der gengives som H + . Når en syre frigør
9

H + ioner i en opløsning, vil den naturligvis på samme tid danne en negativ
ion, men det er H + ionen, der giver opløsningen dens sure egenskaber.
Hydrogenchlorid (saltsyre) HCl er en typisk syre. Når den
opløses i vand, spaltes den i hydrogenioner, H + og Chlor ioner, Cl - .
Svovlsyre, H 2 SO 4 , producerer to H + ioner og en sulfation SO 4 -- , fra
hver af dens molekyler. Bemærk sulfationens dobbelte negative ladning,
der er resultatet af elektronerne, der er kommet fra hver af de to
Hydrogenatomer.
Baser er stoffer, der fraspalter hydroxyl ioner, OH - , i en opløsning.
Kemiske forbindelser, der består af et metal og OH gruppen, kaldes
hydroxider, og hvis de er opløselige i vand, er de baser. Natriumhydroxid,
NaOH, er et eksempel. Når det opløses i vand, frigør det Natrium
ioner Na + og hydroxyl ioner OH - .
Neutralisation
En syreopløsning har flere hydrogen ioner end hydroxyl ioner; en basisk
opløsning har flere hydroxyl ioner end Hydrogen ioner. Hvis en
syre blandes med en basisk opløsning, vil Hydrogen ionerne fra syren
forbinde sig med hydroxyl ionerne fra basen, og danne neutrale vandmolekyler.
Hvis de mængder, der blandes, har præcist den rigtige størrelse,
vil den resulterende blanding hverken have overskud af hydrogen
eller hydroxyl ioner. Sådan en opløsning kaldes en neutral opløsning -
hverken sur eller basisk. Processen, at blande en syre og en base så
disse tilstande fremkaldes, kaldes en neutralisation (se figur 11).
Salte
Bemærk at opløsningen, der bliver tilbage efter neutralisationen, stadig
indeholder ioner fra den oprindelige syre og den oprindelige base. Når
Natriumhydroxyd, NaOH, neutraliserer saltsyre, HCl, er det kun Na +
og Cl - ioner, der er tilbage i opløsningen. Resultatet er præcist det
samme, som hvis Natriumchlorid var blevet opløst i vandet. Hvis man
fordamper vandet, er det da også en kendsgerning, at resultatet vil blive
dannelsen af saltkrystaller fra opløsningen. En forbindelse som Natriumchlorid,
som er dannet fra de positive ioner fra en base og de negative
ioner fra en syre, kaldes et salt. Natriumchlorid er som nævnt
det kendte stensalt (“bordsalt”), men der findes mange andre.
FIGUR 12. pH VÆRDIER FOR ALMINDELIGE VÆ SKER
pH
10

I en neutral opløsning er der lige mange hydrogen og hydroxylioner. I
protoplasma, der er en opløsning af mange stoffer i vand, kan der være
et overskud af enten hydrogen eller hydroxyl ioner. Et overskud af hydrogen
ioner bevirker, at opløsningen bliver sur; et overskud af hydroxyl
ioner, at den bliver basisk. Det relative forhold mellem disse to
ioner udtrykkes som opløsningens pH-væ rdi. En neutral opløsning
som rent vand har en pH på 7. Efterhånden som opløsningen bliver
mere sur, falder pH; bliver den mere basisk stiger pH. Det praktisk pH
område spænder fra pH = 1 for den højeste surhedsgrad til pH = 14,
som er mest basisk. Mange enzymer kræver en meget specifik pHværdi
for at fungere ordentlig.
Nogle fysiske processer der er meget vigtige for livets
opretholdelse
Blandinger
Når to eller flere stoffer blandes, uden kemisk reaktion, kaldes resultatet
en blanding. I en blanding bibeholder de adskilte dele deres identitet
og egenskaber og kan sædvanligvis fjernes fra blandingen med
simple midler. Blandingsforholdet i en blanding kan ændres, som man
ønsker det, hvorimod proportionerne i en kemisk forbindelse er konstant.
Disse egenskaber ved blandinger kan illustreres ved at blande
jernfilspåner med svovlpulver (i et hvert forhold) i en skål. De to
grundstoffer er let genkendelige i blandingen og kan let adskilles. En
magnet vil f.eks. fjerne jernet fra blandingen uden at tiltrække svovlet.
Tilstandsformer
Forbindelser kan optræde i tre fysiske tilstande:
1. Gasser. En gas (som atmosfærisk luft) har ikke nogen endelig form
eller rumfang; den udfylder altid sin beholder eller spredes uendeligt og
ubestemt.
2. Væ sker. En væske (som vand) har et endeligt rumfang, men vil flyde
ud og antage formen af den beholder den er i. En væske i hvile i en
beholder vil sædvanligvis have en horisontal overflade. I små mængder
vil en væske have en tendens til at danne kugleformede dråber, specielt
når den er suspenderet (se suspensioner) i en anden væske, som den
ikke kan blande sig med.
3. Faste stoffer. Et fast stof (som jern) har en endelig form og rumfang;
det kræver store kræfter at ændre et fast stofs form eller rumfang.
Opløsninger
Når en mindre mængde sukker kommes i vand, forsvinder sukkeret.
Det er dog ikke blevet kemisk ændret; sukkeret kan smages i vandet,
og det kan genindvindes ved inddampning. Sukkeret er opløst i vandet -
det er blevet adskilt i sine individuelle molekyler, som nu er spredt rundt
blandt vandmolekylerne. Den ensartede eller homogene blanding af
sukker og vand kaldes en opløsning.
Suspensioner
Kommes sand i vand, opløses sandet ikke. Man kan røre i blandingen
og på den måde sprede sandkornene i vandet, men efter en tid vil san-
11

det bundfældes. En blanding af et stof i et andet, hvor partiklerne gradvis
udfældes, kaldes en almindelig suspension.
Kolloider
Mudret eller leret vand er et eksempel på en kolloid suspension. Den
består af meget fine lerpartikler, der er fordelt i vandet. Partiklerne i en
kolloidal suspension er for store til at være i ægte opløsning, men for
små (eller for lette) til at bundfældes som i en normal suspension. I en
kolloid suspension bevirker det konstante bombardement af molekyler i
bevægelse (Brownske bevægelser) i det omgivende medium, at partiklerne
forbliver ensartet spredt. Mælk er et eks. på en kolloid suspension
af væsker og faste stoffer i vand. Røg er en kolloidal suspension
af Carbonpartikler i luft.
Hvis gelatine (“husblas”) kommes i varmt vand, bliver resultatet en
kolloidal suspension af gelatine. Når blandingen er varm opfører den
sig som en væske; når den afkøles, får den en elastisk halvfast konsistens.
Hvis den opvarmes igen, ændrer den sig tilbage til væskelignende
form. Et frit flydende kolloid kaldes en sol; et kolloid i den halvfaste
tilstand kaldes en gel. Mange kolloider skifter frem og tilbage mellem
sol tilstanden og gel tilstanden, når de ydre forhold ændres. Cyclosis,
plasmastrømningerne, i f.eks. en Amøbe kan være resultatet af ændringer
i den kolloidale tilstand i forskellige områder af cytoplasmaet.
Diffusion
Hvis en flaske med ammoniak, parfume eller et andet stærkt luftende
stof åbnes i den ene ende af et lokale, vil lugten eller duften snart blive
bemærket af enhver tilstedeværende. Det sker, fordi molekylerne i
duftstoffet og molekylerne i luften er i konstant bevægelse, hvorved
molekylerne, der forlader flasken, snart spredes ud i hele lokalet (luftstrømninger
bidrager også til spredningen og blandingen). Hvis flasken
nu lukkes, vil molekylerne, der har forladt flasken, spredes jævnt ud i
luften, og styrken af lugten bliver efterhånden den samme i alle dele af
lokalet.
12

Denne proces, hvor molekylerne fra et stof spredes ud blandt molekylerne
i et omgivende medium, og bliver ensartet fordelt, kaldes diffusion.
Eksemplet, der blev benyttet, er gasdiffusion - en gas spredes
gennem en anden. Nogle væsker, som f.eks. alkohol og vand, vil diffundere
ind i hinanden. Faste stoffer, der opløses i en væske, vil også
brede sig ensartet gennem væsken ved diffusion.
FIGUR 13. OSMOSE
I denne demonstration af osmose er en tulipanformet tragt dækket med en semipermeabel membran
og fyldt med sukkervand (koncentreret sukkeropløsning). Tragten er placeret omvendt i et bægerglas
med vand, med vandoverfladerne stående lige højt i bægerglasset og i tragtens rør. Kun vand kan diffundere
gennem den semipermeable membran, men eftersom koncentrationen af vand er mindre inde i tragten,
diffunderer vandet hurtigere ind i tragten end det diffunderer ud. Nettobevægelsen af vand er således
ind i tragten. Resultatet bliver at væskeoverfladen gradvis stiger inde i tragten. Den vil blive ved med at
stige, indtil vandtrykket er så stort, at der fysisk presses lige så meget vand ud, som der diffunderer ind.
Dette vandtryk kaldes det osmotiske tryk. Bemærk, at trykket får den semipermeable membran til at
bule lidt ud.
Osmose
Ved almindelig diffusion er der ikke nogen barriere, der forhindrer, at
molekylerne blandes. Hvis molekylerne møder en membran (et tyndt
lag af et fast materiale), kan nogle måske være i stand til diffundere
igennem, medens andre vil blive holdt tilbage. En membran, hvor igennem
kun visse molekyler kan passere, kaldes semipermeabel (eller
selektiv permeabel). Diffusionen af stoffer gennem en semipermeabel
membran har fået sit specielle navn: osmose. Udvekslingen af
materiale mellem en celle og dens omgivelser sker bl.a. ved osmose.
Osmose processen er illustreret i figur 13.
NB! Mange biologer (bl.a. Rh) bruger kun udtrykket osmose om
vand, der passerer gennem en semipermeabel membran.
Nogle uorganiske grundstoffer og forbindelser, der
er vigtige for livet
Oxygen
Oxygen (“ilt”) er et grundstof, der er en gas ved almindelig temperatur.
Det udgør omkring 21% af atmosfæren. Hvert Oxygenmolekyle
indeholder to Oxygenatomer bundet sammen. Oxygen kan forbinde sig
med mange andre grundstoffer, og der dannes forbindelser, der kaldes
oxider. Der frigives sædvanligvis energi, når oxiderne dannes, og processen
kaldes en oxidation. Afbrænding er en form for oxidation, hvor
13

kombinationen af et stof med oxygen foregår hurtigt og derved frigør
energi i form af lys og varme.
Nitrogen
Nitrogen (“kvælstof”) er et grundstof, der er en gas ved almindelig
temperatur. Det er en essentiel del af alle proteiner og puriner og pyrimidiner
i DNA og RNA. Selv om Nitrogen udgør omkring 79% af
vores atmosfære, er den atmosfæriske Nitrogen ikke tilgængelig for de
fleste organismer, da den er forholdsvis ureaktionsdygtig. Nitrogen
omdannes til anvendelige forbindelser af visse bakterier, ved lyn og
menneskeskabte processer. Disse processer kaldes under et for nitrogen
fiksering.
Carbon
Carbon (“kulstof”) er et grundstof, der er fast ved almindelig temperatur.
Grafitten i en “blyant” er næsten ren Carbon, og det samme er
diamant. Stenkul er også næsten ren Carbon. Carbon kan brænde i luft
ved at forbinde sig med Oxygen, hvorved der dannes Carbondioxid,
CO 2 ,(kuldioxid, kultveilte).
Carbondioxid
Hvert molekyle af Carbondioxid består af et Carbonatom bundet til to
Oxygenatomer. Den kemiske ændring, der foregår, når Carbon og
Oxygen forbindes med hinanden, kan gengives ved følgende kemiske
formel:
C + O 2 → CO 2
Ligningen “fortæller” at et enkelt Carbonatom (C) forbindes med et
molekyle (to atomer) Oxygen (O 2 ), hvorved der dannes et molekyle
Carbondioxid (CO 2 ).
Hydrogen
Hydrogen (“brint”) er ligeledes et grundstof, der findes som en gas
ved almindelig temperatur. Der er kun meget små mængder af det i
atmosfæren. Det findes normalt forbundet med andre grundstoffer.
Vand
Vand er en kemisk forbindelse opbygget af Hydrogen og Oxygen efter
formlen H 2 O. Vand kan skilles ad i sine grundstoffer ved at lede en
strøm gennem vandet. Denne spaltning af vand kan gengives ved ligningen:
2 H 2 O → 2 H 2 + O 2
Lysenergi i samarbejde med enzymer, der findes i planternes grønkorn,
kan ligeledes spalte vand efter denne ligning. Processen, der kaldes
lysprocessen, er en vigtig delproces i fotosyntesen.
At forstå kemiske ligninger
14

En kemisk ligning er en kortfattet måde at udtrykke på, hvad der sker
med molekyler og atomer under en kemisk ændring. Da atomer ikke
kan skabes eller ødelægges under en kemisk ændring, må antallet af
atomer af hver slags være det samme efter reaktionen som før, og ligningen
skal gengive denne kendsgerning. Ligningen for nedbrydningen
af vand viser f.eks. at når 2 molekyler vand (2 H 2 O) nedbrydes, får vi
2 molekyler Hydrogen, hver med 2 atomer (2 H 2 ), og 1 molekyle Oxygen,
også med 2 atomer (O 2 ). Tæller vi atomer på begge sider af pilen,
finder vi 4 Hydrogenatomer og 2 Oxygenatomer på venstre side; det
samme finder vi på højre side. Man siger derfor, at ligningen balancerer.
Nogle organiske forbindelser
Kulhydrater
Et kulhydrat (“kulvand”) er en organisk forbindelse opbygget af Carbon,
Hydrogen og Oxygen, hvor forholdet mellem Hydrogenatomerne
og Oxygenatomerne er 2:1, dvs. det samme som i vand. Den generelle
formel for kulhydraterne er (CH 2 O) n , hvor n kan variere fra 3-10.
FIGUR 14. STRUKTURFORMLER AF GLUCOSE OG GLYCEROL
Strukturformler som disse giver ikke et fuldstændigt billede af atomernes arrangement i molekylet, fordi de
aktuelle strukturer eksisterer i det tredimensionale rum.
Glucose (“druesukker”) er et simpelt kulhydrat med formlen C 6 H 12 O 6 .
Det betyder, at hver molekyle glucose indeholder 6 atomer Carbon, 12
Hydrogen og 6 Oxygenatomer. Glucosens strukturformel er vist i figur
14. Glucose laves af de grønne planter under fotosyntesen; i denne
proces omdannes solens lysenergi til kemisk energi og er oplagret i
glucosemolekylets bindinger. Når glucose oxideres, frigøres den kemiske
energi.
Der er adskillige sukkerarter, der har formlen C 6 H 12 O 6 , men er forskellige
med hensyn til, hvordan atomerne er placeret fysisk. Sukkermolekyler
(af samme eller forskellige slags) kan bindes sammen og
danne store sammensatte molekyler. Stivelse (Amylose) og cellulose
er kulhydrater dannet ved kombination af mange sukkermolekyler
(polysakkarider) i store kæder og ringe.
15

FIGUR 15. STRUKTUREN AF EN AMINOSYRE OG EN FEDT SYRE
Proteiner er dannet ud fra 20 forskellige aminosyrer, der hver består af et centralt Carbonatom bundet til et
Hydrogenatom, en aminogruppe (NH 2 ) og en carboxylsyregruppe (COOH). Der er en fjerde gruppe (markeret
med et R i formlerne) bundet til det centrale Carbonatom; forskellene i denne R-gruppe adskiller den ene
aminosyre fra den anden. En variabel gruppe i et organisk molekyle kaldes generelt for et radikal og forkortes
som vist med R.
Fedtstoffer, triglycerider, er en kombination af 3 fede syrer, hvoraf en er vist ovenfor, og glycerol. Fedt syren
består af en carboxylsyregruppe, der er vandopløselig og en kortere eller længere kæde af kulbrinter -
HCH-), der er vandskyende (hydrofob) eller som man også siger: lipofil. Se også figur 18.
Lipider
Lipiderne er en anden klasse af organiske forbindelser, der er opbygget
af Carbon, Hydrogen og Oxygen. I lipiderne er der imidlertid relativt
mindre Oxygen end i kulhydraterne. Fedtstoffer (en forbindelse af fede
syre og glycerol, se figur 14 og 15) er almindelige eksempler på lipider.
Fedtstoffer og andre lipider indeholder mere kemisk energi end kulhydrater
(per vægt), og oplagres ofte af cellerne som oplagsnæring.
Aminosyrer
Lige som stivelse og cellulose består af kæder af sukkermolekyler, består
proteiner af kæder af molekyler, der kaldes aminosyrer (figur 15).
Der findes 20 aminosyrer, men de kan forbindes med hinanden på næsten
utallige måder, ligesom bogstaverne i alfabetet kan sættes sammen
til et uendeligt antal forskellige ord. Hvert protein er et specifikt
“ord” i livets sprog, med sin helt specielle “mening” eller egenskaber,
afhængig af udvalget og arrangementet af dets aminosyrer.
Proteiner
Proteinerne hører til blandt de mest sammensatte organiske stoffer.
Disse forbindelser indeholder store mængder Nitrogen sammen med
Carbon, Hydrogen og Oxygen. Molekyler af proteiner indeholder også
nogle få atomer af andre grundstoffer, blandt hvilke svovl er det mest
almindelige.
Nucleinsyrer
Lige som proteiner er nucleinsyrerne forbindelser opbygget af lange
kæder af gentagne enheder. Hver af disse enheder kaldes nucleotider,
og de består af en 5-Carbon sukker, en phosphat-gruppe og en Nitrogen-holdig
base. En type nucleinsyre findes i cellernes kromosomer. I
16

denne type er sukkerstoffet Deoxyribose, og nucleinsyren kaldes under
et for Deoxyribonucleinsyre, eller DNA. En anden type, der især
findes i kernelegemerne, nucleolus, og i cytoplasma, indeholder sukkerstoffet
Ribose. Denne nucleinsyre kaldes derfor Ribonucleinsyre
eller RNA. Det er bevist, at det er rækkefølgen af baser i cellernes
DNA, der bestemmer celles arv og kontrollere fremstillingen af RNA.
Ved hjælp af RNA foregår proteinsyntesen på ribosomerne ude i cytoplasmaet.
FIGUR 16. TEORIEN FOR HVORDAN ENZYMER FUNGERER
Skematisk gengivelse af reaktionen mellem et enzym og to substratmolekyler S1 og S2 ved enzymets
aktive centrum. Enzymer sørger for, at de to substratmolekyler kommer i kontakt med hinanden på den rigtige
måde. I midten er der dannet et substrat-enzym kompleks. Kort tid efter er det nye molekyle, produktet
(P), dannet, og det forlader enzymet, hvor der nu er plads til to nye substratmolekyler. Coenzymet er
kun en mindre, men vigtig del af enzymets aktive centrum.
Enzymer
Et enzym er et stof, der øger hastigheden i en kemisk reaktion. Nogle
enzymer er rene proteiner. Andre er proteiner, som fungerer ved hjælp
af en ikke-protein del, der kaldes CO-enzymer, hvoraf mange er vitaminer.
Hvert enzym gør det muligt for cellen at udføre en specifik
kemisk ændring. F.eks. er der et bestemt enzym, der hjælper med nedbrydningen
af stivelse til sukker, medens et andet enzym hjælper med
at opbygge proteiner ud fra aminosyrer. Enzymerne bruges ikke eller
ændrer sig ikke ved den kemiske reaktion, som de fremmer. Temperatur
og pH er blandt de faktorer, der påvirker enzymernes effektivitet.
Figur 16 viser, hvordan et enzym assisterer en kemisk reaktion:
S 1 + S 2 → P.
Dehydratisering
I cellen dannes de store molekyler ved at små molekyler sættes sammen.
På den måde dannes f.eks. stivelse fra glucosemolekyler og
proteiner sammensættes af aminosyrer. De små molekyler sættes
sædvanligvis sammen (syntetiseres) ved, at der fjernes vand fra det
sted, hvor den nye binding dannes. Denne proces kaldes dehydratiseringssyntese,
dehydratisering betyder “fjernelse af vand” og syntese
betyder “sætte sammen”. Dehydratiseringssyntese er en vigtig opbygningsproces
i cellen. Dehydratisering må ikke forveksles med dehydrering
Hydrolyse
Den modsatte proces af dehydratisering er hydrolyse. Ved hydrolyse
tilføjes et vandmolekyle til et stort molekyle og forårsager, at
det nedbrydes til to mindre molekyler på det sted, hvor vandet indføjes
(se figur 19). Celler benytter hydrolyse til nedbrydning af sammensatte
molekyler, som f.eks. under fordøjelsen.
17

FIGUR 17. DEHYDRATIDERINGS SYNTESE AF ET KULHYDRAT
Af hensyn til overblikket, er der udeladt detaljer i glucosemolekylerne i diagrammet. Kun OH grupperne i
de to ender af molekylerne er gengivet. Via katalyse af enzymer, bringes to af disse OH grupper fra to
molekyler sammen, og et vandmolekyle dannes og frigøres som vist. Det tilbageblevne O-atom kan fungere
som en bro, der binder de to molekyler sammen. Det store molekyle, der bliver resultatet, kaldes et
disakkarid. Processen kaldes dehydratiseringssyntese, eller blot dehydratisering, fordi de to molekyler
føjes sammen under afgivelse af vand. Yderligere molekyler kan føjes til ved den samme proces i begge
ender og opbygge lange kæder af glucosemolekyler, der kaldes polysakkarider (betyder “ mange sukker”).
Stivelse (amylose) og cellulose er eks. på polysakkarider.
FIGUR 18. DANNELSE AF FEDTSTOFFER VED DEHYDRATISERING
Dehydratisering benyttes bl.a. til at omdanne fedtsyrer fra fordøjelsen til fedtstoffer, som kan oplagres
eller oxideres. I denne syntese kombineres tre fede syrer, som kan være ens eller forskellige, med et
glycerolmolekyle, så der dannes tre molekyler vand og et fedtmolekyle (triglycerid). Den modsatte
proces finder sted under fordøjelsen, hvor et enzym, lipase, tilføjer vand til fedtmolekylet og nedbryder det
til tre fedtsyrer og et glycerolmolekyle. Næsten alle fedtsyrer har et lige antal Carbonatomer. Når to
Carbonatomer, der støder op til hinanden, ikke har tilknyttet Hydrogenatomer, forbindes de af en dobbeltbinding.
Denne struktur danner et umættet fedtstof. De fleste umættede fedtstoffer er flydende ved stuetemperatur.
18

FIGUR 19. HYDROLYSE AF ET PROTEIN (DIPEPTID)
Når aminosyrer sættes sammen til peptider ( “små” proteiner), sker det ved en dehydratisering.
OH-gruppen i den ene aminosyres carboxylsyregruppe (COOH) reagerer med et Hydrogenatom i den
anden aminosyres aminogruppe (NH 2 ); herved frigøres der et molekyle vand, og der dannes en binding
mellem C-atomet i den ene aminosyre og N-atomet i den anden. Denne binding kaldes en peptidbinding.
Ved at genoptage vandmolekyler, kan peptidet (proteinet) nedbrydes til adskilte aminosyrer, som vist ovenfor.
Denne proces, hvor en binding spaltes under optagelse af vand kaldes en hydrolyse. Fordøjelsen af proteiner,
fedtstoffer og polysakkarider i vores fordøjelseskanal sker ved hydrolyse.
19