ΤΕΙ ΙΟΝΙΩΝ ΝΗΣΩΝ Τμήμα Τεχνολόγων Περιβάλλοντος Βιολογία & Βιοδιάβρωση O άνθρακας και η μοριακή ποικιλότητα της ζωής Βιολογία & Βιοδιάβρωση O άνθρακας και η μοριακή ποικιλότητα της ζωής Εισηγητής: Γ. Καρρής (Καθηγητής Εφαρμογών) Εξάμηνο: Εαρινό (2015/16)

Βασικές έννοιες Η οργανική χημεία μελετά τις ενώσεις του άνθρακα (C) Tα άτομα του άνθρακα μπορούν να σχηματίσουν μεγάλη ποικιλία μορίων δημιουργώντας δεσμούς με τέσσερα άλλα άτομα Για τη λειτουργικότητα των βιολογικών μορίων απαιτείται μικρός αριθμός χημικών ομάδων Οι ζωντανοί οργανισμοί αποτελούνται κυρίως από χημικές ενώσεις του άνθρακα

Ο κύκλος του άνθρακα Ο άνθρακας είναι το χημικό στοιχείο με βάση το οποίο δομούνται οι οργανικές ενώσεις και συνεπώς τα βιολογικά μακρομόρια (πρωτεΐνες, πολυσακχαρίτες, νουκλεϊκά οξέα) όλων ανεξαιρέτως των οργανισμών. Η ροή του άνθρακα στα οικοσυστήματα ακολουθεί τη ροή ενέργειας σ’ αυτά μια και η χημικά ενέργεια που μεταφέρεται από το ένα τροφικό επίπεδο στο άλλο είναι δεσμευμένο στις οργανικές ενώσεις. Επιπλέον η ροή του άνθρακα (μαζί με αυτήν του οξυγόνου και του υδρογόνου) αποτελεί τον κύριο σύνδεσμο μεταξύ βιόσφαιρας και αβιοτικού περιβάλλοντος και συντελείται διαμέσου των συμπληρωματικών λειτουργιών της φωτοσύνθεσης και της αναπνοής: 6CO 2 + 6H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2 φωτοσύνθεση κυτταρική αναπνοή

Ο κύκλος του άνθρακα

Συνοπτική περιγραφή του κύκλου: Ο άνθρακας εισέρχεται στα οικοσυστήματα με τη μορφή του διοξειδίου του άνθρακα, το οποίο βρίσκεται στην ατμόσφαιρα. Το διοξείδιο του άνθρακα παραλαμβάνεται από τους παραγωγούς προκειμένου να μετατραπεί, με τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης, σε γλυκόζη. Ένα μέρος της γλυκόζης, αλλά και άλλων ενώσεων που συντίθενται από τους παραγωγούς, χρησιμοποιείται κατά την κυτταρική αναπνοή προκειμένου να απελευθερωθεί ενέργεια για την κάλυψη των αναγκών των παραγωγών. Kατά την κυτταρική αναπνοή παράγεται και CO 2, το oποίο επιστρέφει στην ατμόσφαιρα με αποτέλεσμα να ολοκληρώνεται ένας κύκλος πρόσληψης και επαναφοράς από και προς την ατμόσφαιρα. Από το υπόλοιπο μέρος της οργανικής ύλης που έχει παραχθεί από τους παραγωγούς ένα μέρος μεταβιβάζεται ως τροφή στους καταναλωτές, ενώ ένα άλλο μέρος καταλήγει ως νεκρή οργανική ύλη (φύλλα, καρποί κλπ) μαζί με τη νεκρή οργανική ύλη ζωικής προέλευσης (σώματα νεκρών οργανισμών, απεκκρίσεις, περιττώματα κλπ). Το νεκρό οργανικό υλικό ανοργανοποιείται από τους αποικοδομητές του εδάφους οι οποίοι απελευθερώνουν με την αναπνοή τους CO 2. Συνοπτικά λοιπόν θα μπορούσε να πει κανείς ότι με τη φωτοσύνθεση προσλαμβάνεται το διοξείδιο του άνθρακα προκειμένου να χρησιμοποιηθεί στην παραγωγή γλυκόζης, ενώ με την κυτταρική αναπνοή οξειδώνεται η γλυκόζη και επιστρέφει το διοξείδιο του άνθρακα στην ατμόσφαιρα.

Δομή νερού Το νερό έχει ασυνήθιστη μορφή Ένα μόριο νερού αποτελείται από ένα άτομο οξυγόνου και δύο άτομα υδρογόνου Το άτομο του οξυγόνου έχει ένα πυρήνα και δυο τροχιές. Η εσωτερική τροχιά έχει δύο ηλεκτρόνια και η εξωτερική έχει χώρο για οκτώ ηλεκτρόνια, αλλά στην πραγματικότητα υπάρχουν μόνο 6. Τα άτομα του Υδρογόνου αποτελούνται από έναν πυρήνα και μια τροχιά με μόνο ένα ηλεκτρόνιο, αλλά υπάρχει χώρος για δύο. Αποτέλεσμα : Ανάπτυξη ενός ισχυρού δεσμού ανάμεσα στα τρία άτομα που έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός μορίου νερού, το οποίο σε αντίθεση με τα περισσότερα άλλα μόρια είναι ασύμμετρο με ασταθές ηλεκτρικό φορτίο.

Ο άνθρακας είναι μοναδικός Ικανότητα να σχηματίζει μεγάλα και πολύπλοκα μόρια με απεριόριστη ποικιλία : Αποτέλεσμα  πλούσια ποικιλομορφία ζωής Όλα τα μεγάλα βιολογικά μόρια αλλά και άλλα μόρια που διακρίνουν την έμβια από την άβια ύλη αποτελούνται στο σύνολο τους από άτομα άνθρακα Τα άτομα άνθρακα στη σύνθεση μορίων μπορούν να συνδεθούν μεταξύ τους αλλά και με άλλα στοιχεία ( Η, Ο, Ν, Σ, Ρ ). Ωστόσο το στοιχείο στο οποίο οφείλεται κατά κύριο λόγο η μεγάλη ποικιλότητα των βιολογικών μορίων είναι ο άνθρακας Ο άνθρακα παίζει σημαντικό ρόλο στη ζώσα ύλη αν αναλογιστεί κανείς ότι οι ιδιότητες των ζωντανών οργανισμών πηγάζουν από τη δομή και την οργάνωση της έμβια ύλης Οργανική Χημεία : Ο κλάδος της χημείας που εξειδικεύεται στη μελέτη των ενώσεων του άνθρακα ( π. χ. CH4, πρωτεΐνες κλπ ). Οι περισσότερες οργανικές ενώσεις περιέχουν εκτός από άτομα άνθρακα και άτομα υδρογόνου.

Διερεύνηση σχηματισμού οργανικών μορίων στη Γη Δύο σχολές ως βάση για το πεδίο της οργανικής χημείας: Βιταλισμός: Ύπαρξη μιας άυλης ωογόνου δύναμης που δεν υπόκειται στους νόμους της φυσικής και της χημείας. Αιτιοκρατία: Οι νόμοι της Φυσικής και της Χημείας διέπουν όλα τα φυσικά φαινόμενα, μεταξύ των οποίων και τις έμβιες διεργασίες.

Τα άτομα του άνθρακα μπορούν να σχηματίσουν μεγάλη ποικιλία μορίων

Παραλλαγές ανθρακικού σκελετού : Κύρια πηγή της μεγάλης ποικιλότητας που χαρακτηρίζει την έμβια ύλη

Ισομερή : Ενώσεις που έχουν το ίδιο αριθμό ατόμων για κάθε στοιχείο που συμμετέχει στο μόριο τους αλλά διαφορετική δομή και συνεπώς διαφορετική λειτουργία