Tudásbázis extra

Az emberi szervezettel kapcsolatos videók tudományos háttere:

    1. Mitől süvölt a lángcsóva?
    2. Van-e olyan ital, ami világít a sötétben?
    3. Hogyan lehet óriás habvulkánt készíteni egy pillanat alatt?
    4. Mi a különbség az igazi és a hamis tejföl között?

Mitől süvölt a lángcsóva?

A kísérleti videóban, láttuk, hogy egy éghető anyag (etil-alkohol) reakcióba lép az égést tápláló gázzal, így fény és hangjelenség kíséretében elég a palackban. Abban az esetben ha a palackot utána megérintjük, érezhetjük, hogy meglehetősen felmelegedik. A reakció, mint a videóban is elhangzik, az égés. Ennek során az alkohol kötései felszakadnak, átalakul a molekula, a következő reakcióegyenlet szerint:

C2H5OH + 3.5 O2 → 2 CO2 + 3 H2O

Láthatjuk, hogy az egyenlet értelmében a szén és hidrogén atomok már nem egymással, hanemaz oxigénnel alkotnak vegyületeket, azaz más-más kémiai kötéseket alakítottak ki, más atomokhoz kapcsolódtak. A különféle kötéseknek eltérő az “energiatartalmuk” így a kémiai reakció során a kötések átrendeződését energiaváltozás kíséri. Ebben az esetben ez nagy mennyiségű energiafelszabadulást jelent. A gyorsan végbemenő energiaváltozás, hőfelszabadulás miatt a felmelegedő levegő gyorsan tágul ki, gyorsan távozik a palackból, ezért hallhatjuk a jellegzetes süvöltő hangot.

A szervezetbe bevitt táplálékot részben hasonló módon hasznosítja a szervezet. A szájban elaprózódó élelmiszerek nyállal keverednek, elindul a molekulák aprózódása. Ez a folyamat a gyomorban folytatódik a sósavas-enzimatikus környezetben. Az aprózódási folyamat a bélrendszerben fejeződik be. Azonban a legtöbb esetben ez nem jár energiatermeléssel, hanem energia befektetést igényel.

Miután az élelmiszerek felaprózódtak, elbomlottak a megfelelő tápanyagokká, egy szállítási  lépést követően az emberi sejtek szintjén olyan folyamatok történnek, amelyek már jobban hasonlítanak az égéshez. Sejtszinten megkezdődik az élelmiszerből származó energiatermeléshez nélkülözhetetlen  molekulák, pl.: glükóz lebontása, átalakítása. Szintúgy enzimek segítségével végbemenő folyamatok (pl.: glikolízis, terminális oxidáció, stb.) során szabadul fel mindazon kémiai energia, mely a kötésekben rejlik. Ezen folyamatokat azonban nem szabad úgy elképzelni, mint egy lassú hőtermeléssel zajló reakciót. Ugyanis ebben az esetben kémiai energia nagy része más molekulákban raktározódik el, nincs nagy mértékű hőenergia fejlődés. A szervezet energiatároló molekulákként foszforvegyületeket alkalmaz. Egyik ilyen rendszer az úgynevezett ADP-ATP rendszer. Az ADP az ún.: adenozid-difoszfát, azaz 2 darab foszfortartalmú molekulát tartalmaz, az ATP pedig az ún.: adenozid-trifoszfát amely 3 darab foszfortartalmú molekulát.

A fentebb látható rendszerben a foszforsav részlet leadásával és felvételével nagy mennyiségű energia raktározható el. Egyes lebontó folyamatok során akár 1 mol (1 egységnyi) tápanyagból 36 mol (36 egységnyi) ATP is keletkezhet, amelyből a szervezet később energiát nyerhet a különféle életfolyamatokhoz. Összegezve tehát, az emésztés egészét tekintve egy olyan folyamat mely során a tápanyagot a szervezet először elaprózza, lebontja, később pedig nagyrészt “elégeti”, energiává alakítja (szigorúan véve az emésztés csupán az első részre korlátozódik).

Fontos azonban azt megjegyezni, hogy a szervezet energia háztartásáért felelős folyamatok úgynevezett kapcsolt folyamatok. Csak párhuzamosan, egyszerre mehetnek végbe. Ezt úgy képzeljétek el, ahogy pl.: a bográcsban való főzést. Az égő fa melegíti a levegőt, a meleg levegő melegíti a bográcsot, a bogrács pedig a benne lévő vizet/ételt.

Van-e olyan ital, ami világít a sötétben?

A kísérletben az úgynevezett foszforeszcenciát tapasztalhattuk meg. Ennek során a molekula kölcsönhat az UV fénnyel, majd fényt sugároz ki. A molekulában az atomok és az elektronok szintjén a fénnyel való kölcsönhatás növeli a molekula energiáját, azaz gerjesztést okoz. Pontosabban az atomok és molekulák elektronburkában a sugárzás hatására egyes elektronok magasabb energiára tehetnek szert. Ezt azonban ne úgy képzeljétek el, hogy gyorsabban mozognak, hanem egyszerűen nagyobb energiájú állapotba kerülnek (akár az ember alvó – ébren levő állapotához is hasonlíthatjuk a folyamatot). A nagyobb energiájú állapotból, az elektronok (azaz végső soron maga a molekula), visszajutnak egy kisebb energiájú állapotba, így a rendszer leadja a felszabaduló energiát, ezért láthatjuk a megjelenő kékes fényt.

Fontos azonban azt észben tartani, hogy az atomok, molekulák szintjén már fontos szerepe van annak, hogy az illető rendszert milyen sugárzás éri. Ezt láthattuk, hiszen a videó elején a palack nem világított, de amint a sötétben UV lámpa alá tettük, úgy azonnal világítani kezdett. Ezt általánosabban úgy fogalmazhatjuk meg, hogy a különféle sugárzások a molekulát más-más módon gerjesztik, és az adott válasz sem lesz minden esetben látható. Azaz pl.: ha rádióhullámmal sugárzunk be egy molekulát akkor az gyorsabban fog forogni. Ezt már nem láthatjuk, de más érzékeny műszerekkel ezt is megfigyelhetjük. Számos ipari, orvosi felhasználása van a sugárzás - anyag kölcsönhatásnak. pl.: MRI az orvoslásban.

A fény azonban bizonyos esetekben az emberi testben is okozhat változásokat. Egyik káros hatás, pl.: az UV fény hatására bekövetkező bőrrák. Azonban a szemünk ilyen kölcsönhatás nélkül képtelen lenne a látásra. A szemben egy fehérje található, amelyhez kötődik egy olyan molekula (ún.: cisz-11-retinal) amely fény hatására alakváltozást szenved. Ez a változás okozza azt az ingert, amelyből később az agy úgy érzi, hogy fénytengerben úszik a szobánk egy kellemes reggelen.

Hogyan lehet óriás habvulkánt készíteni egy pillanat alatt?

A kísérlet során a katalízisre láttunk egy szép példát. A reakcióban a hidrogén-peroxid bomlását segítjük elő egy az élesztőben található enzimmel (kataláz). Az enzim a következő reakciót katalizálja:

2 H2O2 → 2 H2O + O2

De mit is jelent az, hogy katalízis? A kérdés megválaszolásához tekintsünk egy hipotetikus 2A -> B reakciót. Egy reakció lezajlásához több feltétel teljesülése is szükséges.

Első alapvető feltétel, hogy a reakció partnerek egyáltalán képesek legyenek reagálni egymással, azaz legyen kémiai affinitásuk. Például a kiemelkedően stabil és kis tömegű hélium atomot szinte lehetetlen reakcióba vinni. Második feltétel a molekulák megfelelő ütközése (ez a feltétel nyilvánvalóan nem fontos, ha egy molekula spontán magától elbomlik). A harmadik feltétel pedig, hogy a reagáló molekuláknak el kell érniük az aktiválási energiát. Hiszen egy kémiai kötés már magában is egy energiaminimumot jelent, be kell fektetni azt az energiát, amely ahhoz szükséges, hogy a kiindulási állapot kötései fel tudjanak szakadni. Ez az energia lehet termikus, de el lehet érni ezt az energiaszintet fény segítségével is (azaz általánosan megfogalmazva sugárzás által). Az aktiválási energiagátat a következő ábra szemlélteti a hipotetikus reakciónkon.

Egy katalizátor pontosan ebbe a pontba szólhat bele. Katalízis során a katalizátor csökkenti ezt a gátat, és bár részt vesz a folyamatban, annak során nem fogy el; a folyamat végén az eredeti formájában kapjuk vissza. Fontos megjegyezni, hogy létezik az ellentétes folyamat is, ám azt inhibíciónak hívjuk. Mind a katalízis, mind az inhibíció fontos ipari felhasználásoknak örvend, és biológiai szempontból is nagyon fontosak.

A kísérletünkben a kataláz segítségével, a relatíve stabil hidrogén-peroxidot elbonthatjuk oxigénre, emellett a mosószeres víz segítségével láthatjuk, hogy a képződő oxigéngáz felfújja a habot, mely vulkánszerűen ömlik ki a lombikból. A kataláz egy jó példa a természetes katalizátorokra, azaz enzimekre. Az enzimek számos folyamatot katalizálhatnak, pl.: a korábbiakban már szóba kerülő tápanyag feldolgozást. De szerepük van a szervezet felépítő folyamataiban is, valamint más lebontó folyamatok gyorsításáért is felelnek. Egyik életfontosságú példa az oxigénből származó nagy reaktivitású ún. szuperoxid ion lebontása, mely nélkül a szervezet „elégetné” önmagát; egy másik igen közismert példa pedig az alkohol lebontása a szervezetben, mely a megfelelő enzimekkel (úgynevezett: alkohol - dehidrogenáz, acetaldehid dehidrogenáz és acetil-KoA-szintetáz) két lépcsőben valósul meg (alkohol – acetaldehid - esetsav).

Mi a különbség az igazi és a hamis tejföl között?

A videóban látható kísérlet során jód-tartalmú anyagot kevertünk össze tejföl mintákkal. Abban az esetben mikor a tejföl keményítőt tartalmazott, a minta színe a jódtól kékké változott. Ez a folyamat számos analitikai eljárásban fontos jelzőszer (indikátor), egy teljes klasszikus analitikai irányvonal alapul ezen a reakción.

A folyamat során a jódoldatban található ún.: trijodid ionok (melyek a I2 + I- <=> I3- egyensúlyi folyamat során keletkeznek) behatolnak a keményítő csavarmenetet formáló (lsd.: ábra) láncaiba. A trijodid ionok azonban beszorulnak ebbe a spirálba, így a molekula elektronfelhője alakváltozást szenved. Ezek után már teljesen máshogyan hat kölcsön a fénnyel, színe megváltozik, ezért látjuk a tejföl kék színű elszíneződését. Régebben ezzel a reakcióval mutatták meg, ha a gyengébb minőségű (folyós) tejfölt keményítővel tették jobb minőségűvé.

A keményítő egy igen fontos energiaforrása a természetnek. Felépítésében cukrok (azaz szénhidrátok) vesznek részt. A molekula két nagyobb részletet tartalmaz. Az egyik részlet az ún.: amilóz - mely egy hélix alakú, cukrokból (pontosabban glükózból) felépülő molekula.

A másik részlet pedig az amilopektin, amely ugyanúgy glükózból épül fel, de kb. 20-25 darab cukronként elágazásokat tartalmaz. Ennek köszönhetően egy térhálós szerkezet jön létre.

Számos étel tartalmaz keményítőt pl.: krumpli, rozs. Kémiai tulajdonságait tekintve, az egyik legfontosabb, hogy vízben glükózra (szőlőcukorra) bomlik, így vércukorszint emelő hatása van.