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9 Chemie Begriffe aus Anatomie und Physiologie

9 Chemie Begriffe aus Anatomie und Physiologie - dummies

Biologie ist eine sehr spezielle Anwendung der Gesetze der Chemie und Physik. Die Biologie folgt und verletzt niemals die Gesetze der physikalischen Wissenschaften, aber diese Tatsache kann manchmal in der Komplexität und anderen besonderen Eigenschaften der biologischen Chemie und Physik verdeckt werden.

Es folgt ein Überblick über einige der Prinzipien der Chemie und Physik, die in Anatomie und Physiologie eine besondere Anwendung finden. Einige dieser Prinzipien überschneiden sich - zum Beispiel ist Wahrscheinlichkeit ein Faktor, der den Diffusionsprozess vorantreibt. Obwohl das, was folgt, vereinfachende Erklärungen von sehr tiefen und komplexen Angelegenheiten sind, können sie Ihnen helfen, Anatomie und Physiologie besser zu verstehen.

Energie kann weder erzeugt noch zerstört werden

Das erste Gesetz der Thermodynamik ist, dass Energie weder erzeugt noch zerstört werden kann - sie kann nur die Form verändern. In jedem Prozess bleibt die Gesamtenergie im System gleich. Dieses Gesetz ist eines der grundlegenden Konzepte in Physik, Chemie und Biologie.

Energie ist die Fähigkeit, Veränderungen herbeizuführen oder Arbeit zu leisten. Es existiert in vielen Formen, wie Wärme, Licht, chemische Energie und elektrische Energie. Lichtenergie kann in chemischen Bindungen eingefangen werden, wie zum Beispiel bei der Photosynthese. In physiologischen Prozessen wird die Energie in den Bindungen von ATP in Arbeit umgewandelt, wenn die chemischen Bindungen zerbrochen werden - um zum Beispiel Dinge zu bewegen und Wärme zu erzeugen. (Und woher kommt die Energie in ATP überhaupt? Schließlich die Sonne durch Fotosynthese.)

Die Gesamtenergie in einem System bleibt zwar immer gleich, die für biologische Prozesse verfügbare Energie jedoch nicht. Zellen können Energie nur in bestimmten spezifischen Formen nutzen. Ein physiologischer Prozess, der ATP verwendet, verwendet nicht die gesamte Energie, die in diesen chemischen Bindungen gespeichert ist, aber die übrig gebliebene Energie liegt nicht in einer Form vor, die in einem anderen physiologischen Prozess verwendet werden kann. Es ist für die Physiologie "verloren", meistens als Wärme, die in die Umgebung fließt.

Alles zerfällt

Energie wird benötigt, um "Ordnung" zu schaffen - zum Beispiel um die atomaren und molekularen Aggregationen - "Materie" oder "Zeug" - aufzubauen. "Ohne kontinuierliche Energiezufuhr (Wartung) zerfällt das Zeug. Hier gibt es keine Neuigkeiten für die Bewohner der realen Welt. Wie ein Physiker es ausdrücken könnte, neigen alle Systeme dazu, die Entropie (Störung) zu erhöhen. Das ist das zweite Gesetz der Thermodynamik.

Energie bewegt sich immer von einem Punkt höherer Konzentration zu einem Punkt niedriger Konzentration, niemals umgekehrt.Wenn beispielsweise zwei benachbarte Objekte verschiedene Temperaturen haben, fließt Wärme nur vom wärmeren Objekt (höhere Energie) zum kühleren Objekt (niedrigere Energie). Ein Ordnungszustand enthält mehr Energie als ein Zustand der Unordnung wegen der Energie, die in den Zustand der Ordnung gesteckt wurde. Energie fließt nach außen in das relative Chaos der Unordnung.

Weil lebende Systeme hoch geordnet sind, sind die Implikationen des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik tiefgreifend für die Physiologie. Das Gesetz bedeutet, dass die physiologische Homöostase (die Aufrechterhaltung der Ordnung) ein aktiver Prozess ist, der Energie benötigt. Die Energie, die angewendet werden muss, um irgendeinen physiologischen Prozess anzutreiben, kommt von der Freisetzung der chemischen Bindungen in ATP.

Alles ist in Bewegung

Partikel in einer Lösung fliegen ständig umher und kollidieren ständig miteinander. Diese Art der Bewegung wird Brownsche Bewegung genannt. Je höher die Temperatur, desto häufiger und härter die Kollisionen. Das ist der Grund, warum eine Reaktion, bei der 999 passieren kann , passieren wird, weil (die meisten) der für die Reaktion benötigten Partikel früher oder später kollidieren. Dies ist besonders wichtig, wenn man alle Moleküle (wie Glukose und Ionen) betrachtet, die sich durch einfache oder erleichterte Diffusion durch Membranen bewegen. Die Brownsche Bewegung ist auch ein Mechanismus der Entropie. Jede der molekularen Kollisionen wandelt Energie in den Molekülen in Wärme um, wobei die Energie in die Umgebung übertragen wird.

Wahrscheinlichkeitsregeln

Alles, was passieren kann, wird manchmal passieren -

. Andere Male wird es nicht. Der Anteil der Zeiten, in denen es tut , hängt von vielen Faktoren ab. Wenn eine Lösung große Mengen von jeweils zwei Molekülen enthält, die für eine Reaktion benötigt werden, kollidieren die verschiedenen Typen häufig. Die Konzentration beeinflusst also die Wahrscheinlichkeit, dass eine Reaktion tatsächlich stattfindet. Je höher die Temperatur der Lösung ist, desto häufiger kollidieren Moleküle und erleichtern die Reaktion. Aber fast nie wird jede mögliche Reaktion tatsächlich passieren. Nur zufällig treffen einige dieser Moleküle nicht auf ihr Gegenstückmolekül. So ist das Leben. Die Wahrscheinlichkeit oder Zufälligkeit kann als Wahrscheinlichkeit quantifiziert werden. Wie bei dieser hypothetischen Reaktion, also bei allem, was mit Biologie und Physiologie zu tun hat: Wahrscheinlichkeit, nicht Gewissheit, Regeln. Übrigens ist die Existenz des Lebens höchst unwahrscheinlich. Und die Wahrscheinlichkeit der Existenz der Einzigartigkeit, die du bist, ist noch unwahrscheinlicher.

Polarität lädt Leben

Ein Molekül wird als

polar bezeichnet, wenn die positiven und negativen elektrischen Ladungen zwischen einer Seite des Moleküls und dem anderen aufgrund ungleicher Elektronenverteilung getrennt sind. Zum Beispiel ist ein Wassermolekül polar, weil der Sauerstoff die Elektronen konzentriert, die die negative Ladung auf das Sauerstoffatom konzentrieren. Das Wassermolekül hat also an einem Ende eine positive Ladung und am anderen eine negative Ladung, ähnlich einem Magneten. Es zieht andere polare Moleküle an und hält sie fest.Methan ist unpolar , weil der Kohlenstoff die Elektronen mit den vier Wasserstoffatomen gleichmäßig teilt. Die Polarität unterliegt einer Reihe von physikalischen Eigenschaften einer Substanz, einschließlich Oberflächenspannung, Löslichkeit sowie Schmelz- und Siedepunkten. In der Physiologie bestimmt die Polarität stark, welche Moleküle Bindungen bilden und welche nicht - wie sich Öl und Wasser nicht vermischen. Speziell für das Studium der Physiologie vermischen sich Lipide und Wasser nicht. Lebende Zellen verwenden dieses Prinzip, um den Fluss von Substanzen in die Zelle hinein und aus dieser heraus zu steuern.

Lipide

sind eine große und vielfältige Gruppe von organischen Verbindungen, einschließlich Fetten und Ölen. Alle Lipide haben hydrophobe Anteile, dh sie vermischen sich nicht mit Wasser. Warum nicht? Weil ein Lipid unpolar ist, kann es keine Bindungen mit Wasser eingehen. Wassermoleküle schieben unpolare Moleküle beiseite, um näher an andere polare Moleküle heranzukommen. Wasser ist speziell

Wasser ist wohl das wichtigste Molekül in der Physiologie. Es macht rund 60 Prozent des Körpergewichts eines Erwachsenen aus. Die starke Polarität des Wassers verleiht ihm Eigenschaften, die es einzigartig machen, um seine zahlreichen Funktionen zur Verfügung zu stellen.

Wasser hat eine hohe spezifische Wärme. Die spezifische Wärme einer Substanz

ist die Wärmemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur von 1 Gramm der Substanz um 1 Grad Celsius zu erhöhen. Da Wasser eine hohe spezifische Wärme hat, kann es Wärme aus unserem aktiven physiologischen Prozess aufnehmen, ohne die Körpertemperatur zu erhöhen. Die Polarität von Wasser trennt auch Moleküle voneinander; sie auflösen. Dies macht es nützlich als eine Transportmethode (wie im Blut). Dies macht es auch zu einer idealen Umgebung für chemische Reaktionen. So finden fast alle Stoffwechselreaktionen in Wasser statt. Fluide und Feststoffe

Physiologische Prozesse finden im Allgemeinen in Fluiden statt, und die Eigenschaften von Flüssigkeiten sind bei diesen Prozessen sehr wichtig.

Im täglichen Gespräch bedeutet "flüssig" "Flüssigkeit", etwas, das normalerweise auf Wasser basiert, wie Saft, Brühe oder Tee. In der Physik und Chemie ist eine wässrige Lösung jedoch eine Art von Flüssigkeit, egal ob man sie trinken möchte oder nicht. Luft ist eine andere Art von Flüssigkeit. Fette sind Flüssigkeiten, auch wenn sie fest sind: Butter ist genau die gleiche Substanz, ob kalt oder warm, und so ist jede andere Form von Fett. Aus technischer Sicht sind Glas und reine Metalle Flüssigkeiten!

Salz dagegen ist ein Feststoff. Salzkristalle (NaCl) strömen in jeder Küche und im Esszimmer aus ihren Behältern, aber das macht das Salz nicht flüssig. Es hat mit der molekularen Struktur zu tun. In Festkörpern sind Atome dicht gepackt in einer geometrisch präzisen Formation, die als

Kristallgitter bezeichnet wird.

Natriumchlorid ist das Modell dafür: Gleiche Zahlen von Natrium- und Chlorionen, die jeweils mit sechs anderen Ionen verknüpft sind, ziehen sich alle so fest zusammen, wie es die Polaritätskräfte (elektrische Ladung) erfordern und erlauben. Feststoffe sind auf molekularer Ebene starr; einmal in einem Kristallgitter zusammengebunden, bleibt jedes Atom im Molekül relativ zu seinen umgebenden Molekülen an Ort und Stelle. In Flüssigkeiten bewegen sich die Dinge mehr. Komponenten kommen auf verschiedene Weise zusammen - Kohlendioxid und molekularer Sauerstoff (O 2

) lösen sich aus der Luft in Wasser und zurück in die Luft (in der Lunge). Flüssigkeiten nehmen die Form ihres Behälters an. Luft strömt in deine Alveolen und füllt sie. Eine wässrige Masse im Magen verändert sich mit jeder aufgewühlten Kontraktion. Gasförmige Flüssigkeiten können leicht komprimiert werden, da die Moleküle bereits so weit voneinander entfernt sind. Die Komprimierbarkeit von Flüssigkeiten ist jedoch sehr begrenzt, da die Wassermoleküle bereits etwa so fest zusammengehalten werden, wie sie gemacht werden können. Unter Druck Das Boyle'sche Gesetz beschreibt die umgekehrte Beziehung zwischen Volumen und Druck eines Gases. Wenn sich nichts anderes ändert, wie z. B. die Temperatur, führt eine Volumenzunahme zu einem Druckabfall. Wenn der Druck in einem festen Raum abfällt, entsteht ein Vakuum.

Die Mechanismen der Atmung nutzen Boyles Gesetz. Wenn sich das Diaphragma zusammenzieht, vergrößert es das Volumen der Lungen, was den Druck verringert. Das Vakuum zieht Luft durch die oberen Atemwege. Es ist auch eine treibende Kraft für den Herzzyklus - Öffnen und Schließen von Ventilen, um Blut durch die Kammern des Herzens zu bewegen.

Redoxreaktionen übertragen Elektronen

Das Konzept der

Reduktions-Oxidation

(oder Redox ) Reaktionen ist im Wesentlichen: Ein Elektron wird von einer chemischen Einheit (Atom oder Molekül) übertragen zum anderen. Die Entität, die das Elektron empfängt, soll REDUced sein. Die Entität, die das Elektron freisetzt, soll OXidisiert sein. Bei einer Redoxreaktion wird die Reduktion einer Einheit immer durch die Oxidation einer anderen Einheit ausgeglichen. Die Entitäten werden als Redoxpaar bezeichnet. Die Redoxreaktion ändert die -Oxidationsstufe beider Entitäten. In einigen Fällen erfährt die oxidierte Einheit eine andere Reaktion, um ein anderes Elektron zu erhalten. Man beachte, dass dies keine einfache Umkehrung einer Redoxreaktion ist, sondern eine neue Reaktion, die einen anderen Elektronen- "Donor" involviert und häufig einen Enzymkatalysator erfordert. Hier ist eine clevere Mnemonik, um die Terminologie zu unterstützen: OIL RIG - Oxidation verliert, Reduktion gewinnt (Elektronen).