Kaikki elävissä eliöissä tapahtuvat reaktiot noudattavat samoja kemian ja fysiikan lakeja kuin elotonkin luonto, joten kemian ja fysiikan perusteiden hallinta on välttämätöntä elimistön toimintojen ymmärtämiseksi. Tässä luvussa esitellään myös keskeisimmät fysiologiset käsitteet ja konseptit. Anatomiaan perehdytään vain siltä osin, kuin se on välttämätöntä fysiologian ymmärtämiseksi. Fysiologiaan ja biokemiaan paneudutaan syvällisemmin kunkin luvun alussa.
Atomit, alkeishiukkaset ja kemialliset sidokset
Atomit muodostavat erilaisia alkeishiukkasia. Tärkeimmät näistä ovat 1) protoni, jolla on positiivinen varaus; 2) neutroni, joka on varaukseton; ja 3) elektroni, jolla on negatiivinen varaus (Kuva). Protonit ja neutronit muodostavat atomin ytimen, jota elektronit kiertävät valtavalla nopeudella. Negatiivisesti varautuneiden elektronien ja positiivisesti varautuneiden protonien välisten vetovoimien ansiosta elektronit eivät sinkoudu pois atomin ydintä kiertävältä radaltaan. Tähän vetovoimaan perustuu myös elektroneiden potentiaalienergia. Mitä kauempana elektroni on ytimestä, sitä enemmän sillä on potentiaalienergiaa. Tätä voidaan verrata siihen, kun kirja nostetaan lattialta ja asetetaan hyllylle. Mitä korkeampi hylly on, sitä enemmän kirjalla on potentiaalienergiaa.
Alkuaineen kaikkien atomiytimien protonimäärä on sama, mutta neutronimäärä voi sen sijaan vaihdella. Atomeja, joilla on sama protonimäärä, mutta erisuuruinen massaluku (protonien ja neutronien summa), kutsutaan kyseisen alkuaineen isotoopeiksi. Metabolisissa tutkimuksissa käytetään usein isotoopeilla leimattuja yhdisteitä merkkiaineina. Luonnossa esiintyvistä 92 alkuaineesta ainakin 25 on elämälle välttämätöntä. Neljän alkuaineen, hapen (O), hiilen (C), vedyn (H) ja typen (N) osuus kehon painosta on n. 96 %. Muita elimistössä esiintyvä alkuaineita ovat muun muassa kalsium (Ca), fosfori (P), kalium (P), rikki (S), natrium (Na), kloori (Cl) ja magnesium (Mg).
Kaikkein pienin atomiytimen vetovoima kohdistuu luonnollisesti niihin elektroneihin, jotka kiertävät kauimpana atomin ytimestä, uloimmalla elektronikuorella. Atomien kemialliset ominaisuudet johtuvat nimenomaan uloimman elektronikuoren elektroneista, sillä ne reagoivat herkimmin muiden atomien vaikutuksiin. Vahvat kemialliset sidokset syntyvät siten, että atomit luovuttavat, ottavat tai jakavat elektroneja keskenään. Pääsääntöisesti tämä tapahtuu siten, että kunkin atomin uloin elektronikuori saa kahdeksan elektronia. Poikkeuksena mainittakoon vety, jonka ainoalla elektronikuorella voi olla vain kaksi elektronia.
Kovalenttisidos syntyy niin, että uloimman kuoren elektronit jakautuvat kahden atomin välillä siten, että niistä tulee atomien yhteisiä. Kovalenttisidoksilla toisiinsa liittyneet atomit muodostavat molekyylejä. Kaikkien tuntema vesimolekyyli (H2O) muodostuu, kun happi (O) ja vety (H) reagoivat toistensa kanssa. Kuten molekyylikaavasta voidaan nähdä, vesimolekyylissä happiatomilla on yhteisiä elektronipareja kahden vetyatomin kanssa. Solujen keskeinen energian lähde, glukoosi (C6H12O6), on jo selvästi monimutkaisempi molekyyli. Atomin kykyä vetää puoleensa elektroneja toisista atomeista kutsutaan elektronegatiivisuudeksi. Jos atomien elektronegatiivisuus on yhtä voimakas, kyseessä on polaariton kovalenttisidos. Jos taas elektronegatiivisuus on erilainen, sidosta kutsutaan polaariseksi kovalenttisidokseksi. Näiden käsitteiden käytännön merkitys selviää myöhemmin.
Atomeja, jotka ovat sähköisesti varautuneita, kutsutaan ioneiksi. Ionin varaus merkitään atomin symbolin oikealle puolelle ylös, esimerkiksi Na+. Positiivisesti varautuneita ioneita kutsutaan kationeiksi ja negatiivisesti varautuneita anioneiksi. Ioneista muodostuvissa kemiallisissa sidoksissa vastakkaisten sähkövarausten väliset vetovoimat pitävät anionit ja kationit yhdestä. Tätä kutsutaan ionisidokseksi. Pöytäsuola eli natriumkloridi (NaCl) on esimerkki ioniyhdisteestä. NaCl liukenee elimistön nesteissä vapaaksi Na-ioniksi ja vapaaksi Cl-ioniksi.
Kaksi molekyyliä voi sitoutua toisiinsa yhden molekyylin heikosti positiivisten vetyatomien ja toisen heikosti negatiivisten happi- tai typpiatomien välisen sähköstaattisten vetovoimien avulla. Tällaista sidosta kutsutaan vetysidokseksi. Kyseessä on selvästi löyhempi sidos kuin ioni- tai kovalenttisidos. Vetysidoksella on kuitenkin erittäin tärkeä rooli monissa elimistön kemiallisissa reaktioissa. Esimerkiksi veden erityisominaisuudet johtuvat vesimolekyylien välille syntyvistä vetysidoksista.
Tämä kirjoitus on lyhyt näytepätkä Anssi Mannisen tulevan kirjan Urheiluravinteet (WSOYPro) johdanto-luvusta. Tekstin osittainenkin lainaaminen ilman tekijän lupaa on kielletty.
Ei kommentteja:
Lähetä kommentti