Biosfääri keemia (elu kui keemia)

1. Biosfääri keemia (elu kui keemia) Loengud 15-16 25. mai 2007 01. juuni 2007

2. Süsinik, biosfääri põhielement On teada üle 10 miljoni keemilise ühendi, enamus neist, üle 90% on orgaanilised ühendid süsiniku baasil Süsivesikute lühendvalem on (CH2O)n (NB! Süsivesinikud on ‘CH’ või RH) Fotosüntees: nCO2+ nH2O (CH2O)n + nO2 (valguse toimel) Vastupidine reaktsioon paremalt vasakule on hingamine

3. Elusorganismide olulised funktsionaalsed rühmad • Hüdroksüülrühm -OH alkohol R-OH • Aminorühm -NH2 amiin R-NH2 • Karboksüülrühm -COOH karboksüülhape R-COOH • Aldehüüdirühm -CHO aldehüüd R-CHO • Ketorühm -CO ketoon R1-C(O)-R2 • Metüülrühm -CH3 metüül… R-CH3 • Fosfaatrühm -PO4 ….fosfaat R-PO4 • Nitrorühm -NO2 nitro… RNO2 Veel N-sisaldavaid orgaanilisi ühendeidlooduses Nitroosamiin (R1R2)N-N=O Karbamiid(NH2)2CO, aniliinvärv NH2C6H5, tsüaanhape HCN ammooniumnitraat NH4NO3 Atsetonitriil CH3CN esineb atmosfääris, NH3, NO3- aerosooli osakestes

4. Orgaanilised ühendid Jagatakse 5 põhiklassi: 1) SÜSIVESINIKUD ‘CH’ 2) SÜSIVESIKUD (CH2O)n 3) RASVAD ehk lipiidid{C, H, O}, tahked - küllastatud ‘CH’-d vedelad - küllastamata ‘CH’ 4) VALGUDehk peptiidid ehk proteiinid {C, H, O, N}, -C-N- on peptiidne side Tuntumad on 20 erinevat aminohapet, mis on miljonite valkude aluseks (lihtsaim glütsiin Gly NH2CH2COOH) 5)NUKLEIINHAPPEDehk nukleotiidid {C, H, O, N, P, S},biopolümeerid DNA (deoxyrubonucleic acid) molekulmass miljonites amü-des, RNA (ribonucleic acid) molekulmass kümnetes tuhandetes amü-des

5. Radikaalide teke ja nimetused Metaan – metüül CH4 + hv •CH3 + •H Me Etaan – etüül C2H6 + hv •C2H5 + •H Et Propaan- propüül C3H8 + hv •C3H7 + •H Pr Butaan – butüül C4H10 + hv  •C4H9 + •H Bu Pentaan – pentüül(amüül) •C5H11 Am Benseen – fenüül C6H6 + hv  •C6H5 + •H Ph Heksaan, heptaan, oktaan, nonaan, dekaan, undekaan Radikaal on neutraalne väga ebastabiilne osake ühe paardumata elektroniga. (Vesinik H läks koos ühe elektoniga molekulist ära valguskvandi toimel. Keemiline side, mis alati sisaldab 2 elektroni ja märgitakse ühe kriipsuga (Lewis), katkes, pooldus. Ka vesiniku aatomil on üks paardumata elektron ja ta on VÄGA ebastabiilne)

6. Metaani CH4 reaktsioonid atmosfääris Looduslikud allikad keemilistele ühenditele õhus on vulkaanide pursked, metsa- ja stepitulekahjud, pinnase erosioon, kosmilise tolmu sadenemine,taimede, loomsete organismide elutegevus. Metaan satub õhku nii gaasina hüdrosfäärist kui ka taimede elutegevuse tulemusena (ka normaalsetes aeroobsetes tingimustes õhus). CH4 kontsentratsioon õhus on ~1,6 ppm (part per million) = 1,6.10–4% ~4.1013 cm –3 Fotokeemilised reaktsioonid: CH4 + hv  CH3• + H•<280 nm CH4 + OH• CH3• + H2O (metüül-radikaal) CH3• + O2 CH3O2• (metüülperoksi-radikaal) CH3O2• + NO  NO2 + CH3O• (metoksi-radikaal) CH3O• + O2 HCHO + HO2• (hüdroperoksi-radikaal) CH3O• + H• CH3OH CH3OH + O2  HCOOH

7. Ainete ringkäigud looduses • Hapniku ringkäik (aeroobsed ja anaeroobsed protsessid) • Vee ringkäik (hüdrolüüs, elektrolüütiline dissotsiatsioon, fotodissotsiatsioon) • Väävli ringkäik • Lämmastiku ringkäik (nitrifikatsioon ja denitrifikatsioon • Süsiniku ringkäik • Fosfori ringkäik

8. MÕISTED Autotroof - organism, mis sünteesib anorgaanilistest ühenditest orgaanilisi Päikese energiat kasutades (võikeemilises reaktsioonis eraldunud energiat – siis kemotroofid); siia kuuluvad vetikad, mõned bakterid… toiteahelas on nad produtsentideks. Produtsent – autotroofid või kemotroofid, mis toodavad orgaanilisi ühendeid anorgaanilistest. Heterotroof– organism, mis kasutab toiduks teiste liikide poolt toodetud orgaanilisi ühendeid Testosteroon- (testis ld =munand +steroid) tähtsaim isassuguhormoon valem C19H28O2!!! Anaeroobid – organismid, mis on suutelised elama ilma hapnikuta Aeroobid– organismid, mis on suutelised elama ainult hapniku juuresolekul Homeostaas – organismi või organismide süsteemi võime hoida stabiilset dünaamilist tasakaalu muutuvas keskkonnas.

9. Testosteroon C19H28O2

10. MÕISTED Ksenobiootikumid– ained, mis on saadud kunstlikult sünteesil ja mis ei kuulu looduslike ainete hulka. Mutatsioon – järsk organismi pärilikkuse muutus, mis seisneb morfoloogia või käitumis-füsioloogia muutustes. On seotud kromosoomide hulga ja struktuuri muutusega, üksiku geeni või geenide rühma muutusega. Plankton – vees passiivselt ujuvate organismide kooslus (vetikad, molluskid jne). Eristatakse fütoplanktonit ja zooplanktonit. Ökoloogia– integraalne teadus, mis uurib eluslooduse vastasmõju ümbritseva keskkonnaga.

11. Toidulisandite kasutamine Probleemseid lisaaineid tarbitakse väga väikestes kogustes aga nende tervist kahjustav toime ei avaldu kohe. Kõiki ohufaktoreid ei suudeta vaatamata kontrollile prognoosida. Varjatud toime - kui inimene haige - raskendab haiguse kulgu. Inimesed reageerivad väga individuaalselt. Toidulisandid tekitavad paljudel (eriti lastel) allergiat. 1) Toiduvärvid E100 - E199 (tartrasiin, kinoliinkollane, asorubiin, päikeseloojangukollane, võlupunane jne) NB !!! Sünteetilised värvained on potentsiaalselt kõige ohtlikumad. 2) Toidukonservandid E200 - E299 3) Antioksüdandid E300 - E399

12. Toksiinid Organismi enda poolt toodetavaid toksilisi keemilisi ühendeid nimetatakse toksiinideks. Inimeste, loomade lõhn on sageli ebameeldiv. Inimese higi on praktiliselt lõhnatu. Higi koosneb põhiliselt veest ja sisaldab ~1% NaCl. Bakterid rikastavad higi ammooniumi, väävelvesiniku, amiinidega. Lisaks higile eraldub naha kaudu ka rasva. Rasva koostis on väga individuaalne nagu inimese välimuski. Rasva lõhn muutub kiiresti, sest bakterid lagundavad rasva Ebameeldivad on väävlisisaldusega ühendid, merkaptaanid ehk tioolid. Näiteks, C5H12SC5H11SH pentüültiool Karbamiid CH4ON2 H2N-C-NH2 on uriinilõhnaga

13. Putrestsiin C4H12N2 H2N(CH2)4NH2 (1,4 amiinobutaan on mäda lõhnaga) Kadaveriin C5H14N2 H2N(CH2)5NH2 (1,5 amiinopentaan on laiba lõhnaga) Trimetüülamiin (TMA) (CH3)3N = C3H9N on riknenud kala lõhnaga Feromoon (ld. k. fera=metsloom + moon) on tugevatoimeline väliskeskkonda erituv hormoon teiste sama liigi isendite mõjutamiseks. (Hormoon = liikumapanev, ergutab v. pärsib elundite tegevust = adrenaliin, insuliin).

14. Lõhnad meie ümber Haruldane raipehaisuline peenislill puhkes õide 2005.a. Hollandis Leideni ülikooli botaanikaaias. Maailma suurim ja hausvaim lill õitses esimest korda 13 aasta jooksul. Mädaneva kala ja lagunevate laipade lõhnaline laibalill on maailma haruldasemaid liike. Sumatra saarelt pärineb. Tal on 2 meetri kõrgune fallose-sarnane kõder. Amiinid on haisu tekitajad: (CH3)3N trimetüülamiin(TMA) NH2(CH2)4NH21,4-amiinobutaan ehk putrestsiin mädalõhnaline. 1,5-amiinopentaan on laibalõhnalinediamiin.

15. Kokkuvõtteks Inimene viibib ~ 80 % oma elust siseruumides - magades, töötades, puhkehetkel… Siseõhu keemilised komponendid mõjuvad meie tervisele. Olmes kasutusel olevad vahendid --- ehitusmaterjalid, põrandakatted, siseruumide kujundamise materjalid on reeglina orgaanilise (sünteetilise) päritoluga. Sünteetilised ained lagunevad aja jooksul; nende tootmiseks kasutatud ühendid võivad jääda teatud kontsentratsioonis lõppprodukti ja sealt pikaajaliselt välja auruda. Meid ümbritsevas maailmas-keskkonnas on kõik omavahel seotud, kogu biosüsteem. Toimub pidev keemiliste elementide ringkäik. Kusjuures aine hulk jääb samaks. Sünteesitakse uusi keemilisi ühendeid, mida looduses ei esine, mida loodus ise ei tooda - need on ksenobiootikumid. Paljud neist on elusorganismidele ohtlikud, sest organism ei vaja neid - vajab aga meie eesmärk elada siinilmas kergemalt, suuremate võimalustega, süüa paremat, eksootilisemat toitu, kanda mõnusaid riideid ja jalatseid, millede omadused on ligilähedased looduslike materjalidele, kuid mis on suurema püsivusega…