Inlägg märkta ‘basal kemi’

Något om resistent stärkelse samt kanske en överraskning

Publicerat: 2015-08-16 i Fetter, Fibrer, Kemi, Ketoner
Etiketter:, ,
2

Kolhydrater av nämnvärd betydelse för vår ämnesomsättning kännetecknas naturligtvis av sina beståndsdelar, de enkla sockerarterna (monosackariderna) glukos, fruktos och galaktos, men även av molekylär sammansättning och kemiska bindningar.

De ”snabbaste” kolhydraterna är, förutom monosackariderna, de som våra enzymer lätt kan spjälka. Vi kan nämligen inte ta upp annat än enskilda monosackarider genom tarmslemhinnan.

De allra ”svåraste” kallas fibrer (lösliga resp. olösliga). Dessa spjälkas inte alls förrän de når tjocktarmens bakterieflora som till yttermera visso även bearbetar dem till kortkedjiga fettsyror, t.ex. butansyra (smörsyra) en mättad fettsyra med 4 kol som tillskrivs goda egenskaper för en välfungerande tjocktarm och även lär motverka cancer.

Resistent stärkelse, RS, intar en slags mellanställning och kan variera beroende på temperaturen hos maten. Kolhydraterna i varm potatis, t.ex. är mycket lätt att spjälka till glukos, men om den serveras kall byter bindningarna i kolhydraterna karaktär och resistenta mot nedbrytning.

Låt oss titta närmare på uppbyggnaden av butansyra/smörsyra:

smörsyraDet finns en annan välkänd molekyl som är väldigt lika, tyvärr brukar den presenteras på ett sätt som gör att den verkar helt främmande:

Beta-Hydroxybutyric_acidHär används ett kortfattat notationssätt som är självklart för kemister och utgår från att läsaren skall känna till att alla ändar, vinklar och förbindningar i streckteckningen representerar en kolatom. Dessutom förutsätter man kunskapen att kolatomer har 4 (fyra) bindningar till andra atomer samt att om dessa inte är särskilt identifierade så är det väteatomer (H). Låt oss se hur molekylen ser ut om vi skriver ut den som i första exemplet:

Betahydroxybutyrat

Nu syns likheten tydligare, en OH-grupp vid andra kolatomen från omega-änden/metyländen har ersatt väteatomen i smörsyran.

Vilken är nu denna molekyl som också kan beskrivas på ett ännu krångligare* sätt:

Beta-hydroxybutyratDet är beta-hydroxybutyrat, den viktigaste av ketonerna.

Vid närmare eftertanke vill jag förtydliga följande: En av de korta fettsyror (från RS) som ”alla” brukar hylla för sina goda egenskaper är mättad samt att den knappt skiljer sig från en av de ketoner som många är skiträdda för.

*)  Tips för att klura ut sista bilden: Karboxylgruppen (COOH) finns till höger i de två första bilderna.

Kemi 03: Fotoner och livets molekyler

Publicerat: 2015-06-16 i glukos, Kemi
Etiketter:
0

Liv som vi känner det består av material från sedan länge döda stjärnor och supernovor och underhålls av fotoner. Tillräckligt stora stjärnor är hyfsat våldsamma och duger för att fusionera väte till helium* och vidare till ett antal ”lätta” grundämnen, fram till och med järn. De ger oss väte (atomnummer** 1), kol (6), kväve (7), syre (8),  natrium (11), magnesium (12), fosfor (15), svavel (16), klor (17), kalium (19), kalcium (20), krom (24), mangan (25) och slutligen järn (26).

Supernovor har långt större potential, de ger alla tyngre grundämnen inklusive de vi behöver, kobolt (27), nickel (28), koppar (29), zink (30), selen (34), molybden (42) och jod (53)

De tre vanligaste grundämnena i våra kroppar utgör 93%, syre, kol och väte, 65,1 kg av en normalviktig person på 70 kg. Ytterligare 4,4 kg kommer från kväve, kalcium, fosfor, svavel, kalium, klor och natrium. Det supernovorna förser oss ryms lätt i sista slatten.

Byggmaterialet kommer från sedan länge förintade stjärnor, men liv som vi känner det kräver ett kontinuerligt bidrag från en aktiv stjärna, Solen, en kontinuerlig ström av fotoner***. Det är den minsta energimängd som kan överföras av elektromagnetisk strålning vid en given frekvens, t.ex. synligt eller ultraviolett ljus och värmestrålning. Ju högre frekvens som förknippas med en foton desto högre blir dess energi. Som exempel kan vi ta kortvågigt UV-ljus som bränner oss albylbleka svenskar illröda när vi är obetänksamma och solar för intensivt.

De för livets underhåll viktigaste ”solfångarna” är växter som med klorofyll som sammanför koldioxid (CO2) med vatten och låter inkommande fotoner (ljusenergi) rumstera om i röran och ut kommer en kolkedja samt syre, processen kallas koldioxidfixerande fotosyntes:

6 H2O + 6 CO2 + energi → C6H12O6  + 6 O2

Fotoner har rörelseenergi och rörelsemängd, de har kraft att i samarbete med klorofyll arrangera om atomer och bindningar. Här skuffar de loss en syreatom från vardera kolet och flyttar dit två väteatomerna istället. De ”överblivna” syreatomerna gör gemensam sak och förenar sig parvis till syremolekyler. När detta sker i större skala får vi syre och atmosfärens koldioxid binds i växter, allt en förutsättning för livet.

Om vi ritar om förloppet något kan det se ut ungefär som detta:

Koldioxidfixerande fotosyntes

För tydlighets skull har jag blåmarkerat fem OH-grupper som gör glukosen hydrofil, löser sig i vatten. De är en förutsättning för majoriteten av metabolismens kemi även för andra ämnen än glukos. Notera att kolkedjan är mättad, den innehåller inga dubbelbindningar mellan kolatomerna!

I en vattenlösning som t.ex. blod ändrar glukosmolekyler form, 99% uppträder i form av ringar:

Glucopyranose

Observera att beskrivningen är ytterst förenklad för att illustrera principer snarare än att återge det verkliga förloppet som är betydligt mer komplicerat.

*) Helium finns på Jorden, men observerades första gången 1868 i spektrallinjer från Solen och fick sitt namn efter Helios, en grekisk mytologisk personifiering av Solen.

**) Atomnumret anger antalet protoner (positiva laddningar) i  grundämnets kärna, samtidigt även antalet elektroner den omges av.

***) När Solen står högt på en molnfri himmel når 1360.8 W (1.361 kilowatt!) fotoner per kvadratmeter, i rät vinkel mot solljuset, av atmosfärens översta lager. Växter lagrar i storleksordningen 1% av den infallande ljusenergi som når jordytan i kemiska föreningar.

Kemi 02: Vatten, en po(pu)lär molekyl

Publicerat: 2015-05-19 i Kemi, vatten
Etiketter:,
3

Vatten känns som ett odramatiskt ämne utan nämnvärd karaktär men tittar man lite närmare är det alldeles tvärtom. Våra kroppar är till mer än 2/3 vatten, H2O. Varje vattenmolekyl består av en syre– och två väteatomer.

  • Syre i gasform (O2) kan förenklat beskrivas som två kovalent* bundna syreatomer. Dessa har vardera 8 positivt laddade protoner och 8 elektriskt neutrala neutroner i atomkärnan. För att atomen skall bli elektriskt neutral omges den av 8 (negativa) elektroner i två ”moln”, ett inre med 2 och en yttre med resterande 6 elektroner.
  • Väte i gasform (H2) är två kovalent bundna väteatomer med vardera 1 proton och 1 elektron som normalt finns i sin lägsta ”bana”, den med lägst energi.

Vattenmolekylen får speciella egenskaper genom att väteatomerna binds hårt till syret (kovalent!) men lite osymmetriskt, de sitter som öronen på Musse Piggs huvud. vattenmolekyl bollbild

Detta beror på att vardera väteatomen delar ett par elektroner med syret, sammanlagt 4, medan syret fortfarande har 4 för egen del i yttre elektronmolnet (de inre 2 berörs inte). Eftersom alla elektroner repellerar varandra men ändå skall ”få plats” blir lösningen (med lägst energi) att vätemolekylerna hamnar lite på sned.

vattenmolekyl

Då syret har en massivare atomkärna med större positiv laddning kommer de delade elektronerna att tillbringa något mer tid nära syret, den sidan kantrar mot att vara negativ i kontrast till väteatomerna som förefaller mer positiva. Även om molekylen som helhet är elektriskt neutral kommer den vid mycket närgånget betraktande att ha en något mer negativt laddad sida och två lätt positiva ”väteöron”. Den har därför olika elektriska poler och vattenmolekylen kallas därför polär vilket ger vatten många unika egenskaper.

När två vattenmolekyler finns tillräckligt tätt intill varandra kommer den enas väteatom att attraheras av den andres syreatom. Detta är enbart en svag elektrostatisk attraktion, de delar aldrig elektroner och deras inbördes avstånd är dubbelt så stort som den kovalent bindningen mellan syre och väte i vattenmolekylen. Kraften är liten (ungefär 1/20) jämfört med en kovalent bindning och vid rumstemperatur varar den mindre än 20 picosekunder**. Om en bindning löses upp bildas en ny inom 0,1 picosekund. Detta gör att vatten är en vätska som mycket snabbt anpassar sig till omgivningen och är ytterst rörligt.

Vätebindningar i vatten

Har vi många vattenmolekyler tillsammans i rumstemperatur kommer deras inbördes rörelser oupphörligt att skapa och upplösa de enskilda elektrostatiska bindningarna (vätebindningar). En vattenmolekyl kan delta i allt mellan 0 till maximalt 4 vätebindningar men i det kaos som råder i rinnande vatten gäller i genomsnitt 3,4 bindningar.

När vattnets temperatur sjunker minskar de enskilda vattenmolekylernas rörelser och de tar lite mindre plats. Vattnets densitet är som störst vid cirka 4 grader och gör att tillräckligt djupa sjöars bottentemperatur är nära konstant året om.

Temperatur i sjö

Sjunker vattentemperaturen under 4 grader börjar enskilda vattenmolekylerna att anpassa sig till en struktur som tar mer plats, har lägre densitet. När vi begränsar vattenmolekylernas egenrörelser kraftigt genom att sänka rörelseenergin börjar de ordna sig så att var och en binder till 4 andra, de kristalliserar till is. Kristallformen av vatten tar mer plats än i vätskeform därför flyter is.

Density of ice and water

När vi når vattnets frystemperatur men innan alla vattenmolekyler ”lugnat ner sig” och binder till fyra andra måste vi avlägsna avsevärda mängder energi/värme.*** Detta märks tydligt när vi använder is för att kyla en dryck. Upptiningen tar rätt lång tid, men när isen är borta stiger temperaturen i resten mycket snabbt. Om det finns något kvar i glaset, vill säga.

Elektrostatiska vätebindningar är veka i jämförelse med kovalenta bindningar inom vattenmolekylen, men is är trots det starkt! Även om en enskild vätebindning är rätt svag så kommer blotta mängden och det faktum att de är välordnade och långtidsstabila i kristallmönster att ge den nödvändiga styrkan. Jag tror att det räcker med 60 cm kärnis för att köra en stridsvagn, men kolla först innan du provar.

Vatten har ytspänning, du kan försiktigt lägga en nål eller ett rakblad på vatten i ett glas och det flyter. Vi har alla sett hur de små skräddarna oförfärat springer på vattnet. Hur kan det gå till? Svaret finns hos vätebindningarna.

Skräddare

Just i vattenytan finns lika många potentiella vätebindningar som i resten av vattnet men inga vänds uppåt/utåt, där finns inget att binda till. Därför kommer fler att binda till vattenmolekylen intill vilket skapar en något högre kraft i sidled än inåt vattenmassan/droppen. Detta kallas ytspänning.

Vattnets temperatur är ett mått på vattenmolekylernas genomsnittliga vibration. I molekylskalan kan det skilja avsevärt mellan enskilda vattenmolekyler, allt mellan närmast orörlig och upp till mer än tillräckligt för att lösgöra sig från grannarnas vätebindningar. Att det är så märker vi om vi ställer fram ett öppet kärl med vatten. Efter några dagar har vattennivån minskat fullt märkbart även vid rumstemperatur. När vi var borta 5 veckor i sträck var till och med iskuberna i frysens -20 grader betydligt mindre än formen! Enskilda vattenmolekylers energi i kristallisk is kan alltså, slumpmässigt, bli så hög att de kan skaka sig loss och direkt övergå till vattenånga även i -20 grader, förmodligen lägre. Detta visar att effekter i atom- och molekylskala inte nödvändigtvis är desamma som vi upplever med våra sinnen. Och långt mer avvikande blir det i subatomära (kvant-) sammanhang.

Vattnets frystemperatur är tämligen konstant men koktemperaturen varierar kraftigt beroende på lufttrycket. Atomer och molekyler i luften motverkar vattenmolekylernas flyktförsök och riktar om dem så att många hamnar i vattnet igen. Först när man når den temperatur/rörelseenergi som gör att merparten vattenmolekyler klarar att lämna vattenytan för gott säger man att det kokar. Då vatten är polärt och domineras av vätebindningar hamnar kokpunkten högt och det går åt rejält med energi för att koka ”isär” en liter vatten.****

  • Att vatten är polärt ger det förmågan att lösa polära ämnen och interagera med andra molekyler i kroppen.
  • Att vatten är polärt gör det till ett fantastiskt effektivt kylmedel.

Vatten är tveklöst avgörande för liv som vi känner det och min plan är att framöver visa ytterligare några egenskaper som används i metabolismen.

*) Mer om kovalenta bindningar i Kemi 01: Kovalenta bindningar

**) En picosekund är 10-12 sekunder eller 0,000 000 000 001 sekund

***) Man måste avlägsna 80 kalorier (eller 334 Joule) för att omvandla 1 gram nollgradigt vatten till nollgradig is.

****) Man måste tillföra 540 kalorier (eller 2260 Joule) för att förånga 1 gram vatten.

Kemi 01: Kovalenta bindningar

Publicerat: 2015-05-18 i Kemi
Etiketter:,
1

Atomkärnor består av positivt laddade protoner och oladdade neutroner. De omges av en eller flera negativt laddade elektroner så att den sammanlagda elektriska laddningen för atomen i sitt grundstadium är noll. En elektrons massa är ungefär 1/1 800 av protonens och dess bana i storleksordningen 10 000 gånger större kärnans diameter. Den populära uppfattningen är att elektroner kretsar runt atomkärnan ungefär som jorden runt solen. Elektroners banor är inte så entydigt väldefinierade utan beskriver snarare  sannolikheten för var elektroner går att påträffa och brukar ibland liknas vid diffusa moln, luddiga i kanterna.

  • Trots att mycket av det som omger oss kan förefalla mycket påtagligt och solitt är det mesta tomrum.

Atomkärna med elektron

Bildkälla

Den allra enklaste atomen, väte (H, hydrogen), består av en proton samt en enda elektron som kan runda kärnan i flera olika banor på olika avstånd, där den enda långtidsstabila är den allra lägsta, de övriga har högre energi och kallas exciterade. Nästa grundämne är helium, He, där kärnan har två protoner, en eller fler neutroner och två elektroner. Varje nytt grundämne har fler och fler protoner i kärnan och samma antal elektroner i banor utanför. De två lagren utanför det första rymmer från 1 till maximalt 8 elektroner, sedan måste en ny nivå skapas där maximalt 18 elektroner ryms. Inget av de grundämnen som är essentiella (livsnödvändiga) för oss har elektronmoln som kan rymma mer än 18 elektroner. Jod (I) har störst antal protoner, 53, med elektronmoln där det yttersta är nästan fullt, det fattas en.

Ibland kan energin skilja något bland de elektroner som är kandidater för ett yttre moln och då hamnar de med större energi i ett ännu ”högre” moln. Dessa yttersta elektroner, normalt högst 8, bestämmer till stor del ämnets kemiska egenskaper och kallas valenselektroner.

Tumregel: De kemiskt mest reaktiva grundämnena har bara en elektron i yttersta skalet och kallas, förutom väte, alkalimetaller. De stabilaste har yttersta elektronmolnet helt besatt och kallas ädelgaser.

  • Den tyngsta alkalimetallen är Francium, radioaktivt med 22 minuters halveringstid och så kemiskt aktiv att man beräknar att det bara finns cirka 15 gram i hela jordskorpan.

I en kovalent bindning samsas två atomer om ett, två eller tre par elektroner.  När två lämpliga atomer hamnar nog nära varandra kan elektroner från vardera atomen ändra bana och göra svängar runt båda kärnorna istället, exempel på kovalent bundna molekyler är vätgas H2 och syre, O2.

  • Experiment: Blanda två delar vätgas med en del syre i ett provrör till knallgas. Tänd med öppen låga eller en gnista och det blir det en explosion som bildar vatten. Bildskärmsbundna kan googla själva eller titta på Wikipedia och Frågelådan

Det som händer på atom/molekylnivå är ungefär följande: I knallgasblandningen rör sig de olika gasatomerna huller om buller i hastigheter som är helt beroende av temperaturen. Vid rumstemperatur är deras hastigheter såpass måttliga att de aldrig riktigt ”krockar”, de negativt laddade elektronmolnen repellerar varandra och inget särskilt inträffar.

Om vi höjer temperaturen kraftigt någonstans i gasblandningen (till minst 570 grader Celsius) ökar de gasatomernas hastighet mycket kraftigt, elektronerna får högre energi, hamnar i en högre bana, exciteras, och kan ”tappa taget” om sin atomkärna. Den kan då börja cirkla runt mer än en atom, det nya sammanslagna systemets energi sjunker och avger överskottet i form av värme som driver reaktionen vidare. En sådan reaktion kallas exoterm, den avger energi även om man måste tillföra lite till att börja med för att få den att gå igång.

  • Hur lite/mycket energi krävs för att starta reaktionen? En tändsticka kanske, men gör du det med en gnista krävs cirka 20 mikrojoule. Energin i ett ordinärt 1,5V AA-batteri på 2000 mAh kan då, rent teoretiskt, starta över en halv miljard knallgasexplosioner.

Om reaktionen sker i ett provrör ser du hur den utrymmeskrävande gasblandningen sjunker ihop till några vattendroppar, kovalenta bindningar drar samman de nyss utspridda atomerna till kompakta vattendroppar, H2O.

  • Kovalenta bindningar är kraftiga och kräver en hel del tillförd energi för att sära igen.
  • Vattenmolekylen är inte ”rent” kovalent bundet.

Min målsättning: Jag vill försöka lära mig något om den grundläggande kemi som är viktig för mat och metabolism, ämnesomsättning. Ett sätt är att försöka förklara för mig själv så att jag tror att jag förstår. För att öka insatsen avsevärt väljer jag att utmana genom skriva mina tankar här. Om det blir fel eller överförenklat bortom räddning så hoppas jag att eventuella läsare påpekar och rättar så snart som möjligt i kommentarer eller via mail, adressen finns uppe till vänster.

Senare inlägg