Komposisi Kimia dalam Sel, nota ulang kaji

Gambaran keseluruhan

Sel dibina daripada lima blok binaan kimia utama: air, karbohidrat, protein, lipid dan asid nukleik, setiap satu hadir dalam kadar berbeza bergantung pada jenis sel dan fungsinya. Bab ini merangkumi kandungan setiap biomolekul pada peringkat molekul, peranannya dalam mengekalkan sel dan organisma hidup, dan ujian makanan yang digunakan pelajar dalam makmal untuk mengesan kehadirannya dalam sampel yang tidak diketahui.

Mengetahui monomer, bentuk umum setiap polimer, dan keputusan ujian dengan tepat penting untuk Kertas 3, tempat sampel kandungan tidak diketahui sering dianalisis langkah demi langkah. Markah sering hilang bukan kerana kekurangan pengetahuan tetapi kerana mengelirukan perubahan warna yang tergolong pada ujian yang mana, jadi ingatan tepat pasangan reagen-dan-keputusan sama pentingnya dengan memahami kimia di sebaliknya.

Setiap biomolekul dalam bab ini dibina atau dipecahkan oleh dua tindak balas yang sama. Kondensasi menggabungkan monomer menjadi polimer dan membebaskan satu molekul air pada setiap ikatan baru terbentuk, jadi unit glukosa bergabung menjadi kanji, asid amino bergabung menjadi rantai protein, dan gliserol bergabung dengan asid lemak menjadi lemak.

Hidrolisis membalikkan proses ini: air ditambah untuk memecahkan polimer kembali kepada monomernya, iaitu tepat apa yang dilakukan oleh penghadaman kepada makanan dalam usus sebelum badan dapat menyerap dan menggunakan unit yang lebih kecil itu. Mengenal pasti tindak balas mana antara kedua-duanya berlaku dalam gambar rajah atau persamaan perkataan, serta menyatakan dengan betul sama ada air dibebaskan atau ditambah, ialah kemahiran yang dikongsi bab ini dengan bab kemudian tentang penghadaman dan enzim.

Soalan Kertas 3 dalam bab ini biasanya memberi sampel makanan yang kandungannya tidak diketahui dan meminta nutrien yang hadir dikenal pasti, jadi keempat-empat ujian makanan mesti diketahui dengan tepat: reagen, prosedur sebenar, dan perubahan warna positif bagi gula penurun, kanji, protein dan lipid. Jadual yang membandingkan keempat-empat ujian ini bersebelahan, berserta biomolekul yang dikesan oleh setiap ujian dan unit struktur yang membina biomolekul itu, ialah salah satu cara paling pantas untuk mengulang kaji bab ini sebelum peperiksaan.

Pelajar yang hilang markah di sini biasanya sudah faham biologinya tetapi mengelirukan perkataan kecil, seperti menulis 'biru-hitam' untuk ujian yang salah atau terlupa hanya larutan Benedict memerlukan pemanasan.

Air (4.1)

Air membentuk sebahagian besar jisim sel hidup dan menjadi medium tempat hampir setiap tindak balas biokimia berlaku. Struktur molekulnya yang berkutub, dengan atom oksigen sedikit negatif dan dua atom hidrogen sedikit positif, membolehkannya membentuk ikatan hidrogen dengan molekul air lain dan melarutkan bahan berion dan berkutub dengan mudah, sebab itu ia sering dipanggil pelarut sejagat sel.

Kerana bahan terlarut dapat bergerak bebas melalui air, ia menjadi medium yang mengangkut nutrien, gas pernafasan, hormon dan bahan buangan di sekeliling badan organisma, sama ada di dalam sitoplasma satu sel atau melalui plasma darah dan sap silem organisma yang lebih besar. Air juga menjadi bahan tindak balas dalam tindak balas hidrolisis, tempat satu molekul air ditambah untuk memecahkan polimer seperti kanji atau protein kepada monomer komponennya semasa penghadaman.

Air membantu mengekalkan suhu organisma stabil kerana ia mempunyai muatan haba tentu yang tinggi, bermaksud ia dapat menyerap atau melepaskan tenaga haba yang banyak dengan hanya perubahan kecil pada suhunya sendiri, menjadi penampan sel daripada perubahan suhu mendadak; penyejatan air, seperti dalam peluh atau transpirasi, juga menyingkirkan haba dengan cekap kerana memutuskan ikatan hidrogen antara molekul air untuk menukar cecair kepada wap menyerap tenaga yang banyak.

Karbohidrat (4.2)

Karbohidrat ialah sebatian karbon, hidrogen dan oksigen, biasanya dalam nisbah (CH₂O)ₙ, dan bersaiz daripada satu unit gula tunggal kepada rantai bercabang panjang beribu-ribu unit. Monosakarida ialah karbohidrat paling ringkas, unit gula tunggal seperti glukosa, fruktosa dan galaktosa, dan bertindak sebagai sumber tenaga segera bagi respirasi.

Disakarida seperti maltosa, sukrosa dan laktosa terbentuk apabila dua monosakarida bergabung melalui kondensasi, membebaskan satu molekul air pada ikatan baru.

Polisakarida ialah polimer panjang berbilang unit monosakarida bergabung melalui kondensasi: kanji dan glikogen ialah polisakarida simpanan padat dan berpilin yang terdapat masing-masing dalam tumbuhan dan haiwan, membebaskan semula glukosa melalui hidrolisis apabila tenaga diperlukan, manakala selulosa membentuk rantai panjang, lurus dan bersambung silang yang memberi kekuatan tegangan kepada dinding sel tumbuhan dan bukannya berfungsi sebagai simpanan tenaga.

Protein (4.3)

Protein ialah polimer dibina daripada monomer asid amino disambung hujung ke hujung oleh ikatan peptida terbentuk melalui kondensasi, membebaskan satu molekul air pada setiap ikatan. Setiap asid amino mempunyai struktur asas sama, kumpulan amino, kumpulan karboksil dan rantai sisi berbeza terlekat pada satu atom karbon pusat, dan jujukan serta identiti rantai sisi sepanjang rantai itulah yang memberi setiap protein bentuk tiga dimensi uniknya.

Bentuk ini menentukan fungsi protein: enzim melipat supaya tapak aktif yang tepat dapat mengikat substrat tertentu dan memangkinkan tindak balas, antibodi melipat untuk mengenali dan mengikat antigen tertentu, dan protein struktur seperti kolagen dan keratin membentuk gentian panjang yang memberi kekuatan kepada tisu. Suhu tinggi dan pH melampau memutuskan ikatan hidrogen dan interaksi lain yang mengekalkan bentuk ini bersama, menyahaslikan protein supaya ia kekal kehilangan fungsinya walaupun ikatan peptida yang menyambung asid amino kekal utuh.

Lipid (4.4)

Molekul lipid terbentuk apabila satu molekul gliserol berkondensasi dengan tiga molekul asid lemak, membebaskan tiga molekul air dan membentuk tiga ikatan ester; sebab itulah lemak dan minyak kadangkala dipanggil trigliserida. Lipid menyimpan kira-kira dua kali ganda tenaga setiap gram berbanding karbohidrat kerana molekulnya mengandungi kadar ikatan karbon-hidrogen yang jauh lebih tinggi, menjadikannya simpanan tenaga jangka panjang paling cekap bagi badan, dan ia turut membentuk dwilapisan fosfolipid setiap membran sel serta menyediakan penebat haba dan perlindungan mekanikal sekeliling organ.

Asid lemak digambarkan sebagai tepu jika setiap ikatan antara atom karbonnya ialah ikatan tunggal, yang membolehkan molekul tersusun rapat menjadi pepejal pada suhu bilik, seperti kebanyakan lemak haiwan contohnya mentega dan lemak khinzir; asid lemak tak tepu mengandungi satu atau lebih ikatan karbon-ke-karbon berganda, yang membengkokkan rantai dan menghalang susunan rapat, jadi ia kekal sebagai minyak cecair pada suhu bilik, seperti minyak jagung, minyak zaitun dan lemak lain daripada tumbuhan.

Asid nukleik (4.5)

Asid nukleik ialah polimer monomer berulang dipanggil nukleotida, dan setiap nukleotida dibina daripada tiga bahagian: gula lima-karbon, kumpulan fosfat dan bes bernitrogen. DNA (asid deoksiribonukleik) terdiri daripada dua rantai nukleotida berpilin sesama sendiri menjadi heliks berganda, disatukan oleh ikatan hidrogen antara bes komplementari pada rantai bertentangan, dan menyimpan arahan genetik lengkap organisma sebagai jujukan bes tertentu sepanjang panjangnya.

RNA (asid ribonukleik) biasanya berjalur tunggal dan membawa salinan berfungsi sebahagian kod genetik daripada DNA dalam nukleus ke tapak sintesis protein, tempat jujukan bes dibaca untuk menentukan jujukan asid amino yang disambung bagi membina protein tertentu. Susunan bes sepanjang jalur DNA atau RNA oleh itu menjadi kaitan asas antara maklumat genetik organisma dengan protein yang menjalankan fungsi selnya.

Ujian makanan bagi biomolekul

Soalan Kertas 3 dalam bab ini biasanya memberi sampel makanan berkandungan tidak diketahui dan meminta nutrien yang hadir dikenal pasti, jadi setiap empat ujian makanan standard mesti diketahui dengan reagen, prosedur dan keputusan positif yang tepat. Ujian Benedict bagi gula penurun memerlukan sampel dipanaskan dengan larutan Benedict dalam rendaman air, dan keputusan positif ditunjukkan oleh perubahan warna daripada biru melalui hijau dan kuning kepada mendakan merah bata.

Ujian iodin bagi kanji tidak memerlukan pemanasan: setitik larutan iodin ditambah ke dalam sampel bertukar daripada perang oren kepada biru-hitam jika kanji hadir.

Ujian Biuret bagi protein dijalankan pada suhu bilik dengan menambah larutan Biuret (atau natrium hidroksida diikuti kuprum sulfat cair) ke dalam sampel, yang bertukar ungu jika protein hadir dan kekal biru jika tiada. Ujian emulsi bagi lipid melibatkan menggoncang sampel dengan etanol, kemudian menuang campuran itu ke dalam air; lapisan emulsi putih susu berkabus terbentuk di atas air menunjukkan lipid hadir, manakala ujian Sudan III sebaliknya menambah pewarna merah yang mewarnakan lapisan lemak atau minyak merah pada permukaan campuran.

Kondensasi dan hidrolisis merentasi biomolekul

Dua tindak balas bertentangan yang sama membina dan memecahkan karbohidrat, protein dan lipid. Kondensasi menggabungkan dua molekul monomer lebih kecil menjadi satu molekul polimer lebih besar dan membebaskan satu molekul air pada setiap ikatan baru terbentuk, contohnya, dua molekul glukosa berkondensasi membentuk maltosa, dua asid amino berkondensasi membentuk dipeptida, dan gliserol berkondensasi dengan asid lemak membentuk ikatan ester dalam lipid.

Hidrolisis ialah proses songsang: satu molekul air ditambah merentasi ikatan untuk memecahkan polimer kembali kepada monomernya, iaitu tepat apa yang dilakukan enzim penghadaman kepada molekul makanan besar dalam usus, memecahkan kanji kepada glukosa, protein kepada asid amino, dan lemak kepada gliserol serta asid lemak supaya unit lebih kecil dapat diserap ke dalam darah. Mengenal pasti sama ada gambar rajah atau persamaan perkataan menunjukkan molekul air dibebaskan (kondensasi) atau ditambah (hidrolisis) ialah kemahiran yang dikongsi bab ini secara langsung dengan bab kemudian tentang penghadaman dan enzim.

Konsep utama untuk dikuasai

• Air, Air membentuk sebahagian besar jisim sel hidup dan menjadi medium tempat hampir semua tindak balas berlaku. Ia melarutkan bahan berion dan berkutub supaya nutrien dan bahan buangan dapat diangkut, bertindak sebagai bahan tindak balas dalam tindak balas hidrolisis, dan membantu mengekalkan suhu sel stabil kerana ia menyerap haba tanpa suhunya sendiri naik dengan banyak.
• Karbohidrat, Karbohidrat terdiri daripada unit gula tunggal (monosakarida seperti glukosa dan fruktosa), dua unit bergabung (disakarida seperti maltosa dan sukrosa), sehingga rantai panjang beratus hingga beribu unit (polisakarida seperti kanji, glikogen dan selulosa). Peranan utamanya ialah membekal dan menyimpan tenaga, walaupun selulosa pula memberi kekuatan struktur kepada dinding sel tumbuhan.
• Protein, Protein ialah polimer asid amino yang disambung oleh ikatan peptida dan dilipat menjadi bentuk tiga dimensi khusus yang menentukan fungsinya. Ia membentuk enzim yang memangkinkan tindak balas, antibodi yang melawan jangkitan, dan bahan struktur seperti keratin dan kolagen. Haba dan pH melampau memutuskan ikatan yang mengekalkan bentuk itu, menyahaslikan protein dan memusnahkan fungsinya.
• Lipid, Lipid ialah lemak dan minyak terbentuk apabila satu molekul gliserol bergabung dengan tiga molekul asid lemak melalui kondensasi. Ia menyimpan kira-kira dua kali ganda tenaga setiap gram berbanding karbohidrat, membentuk lapisan dwilapisan fosfolipid membran sel, serta menyediakan penebat dan perlindungan sekeliling organ; asid lemak tepu hanya mempunyai ikatan tunggal manakala asid lemak tak tepu mengandungi satu atau lebih ikatan berganda.
• Asid nukleik, Asid nukleik ialah polimer nukleotida, setiap nukleotida terdiri daripada gula, kumpulan fosfat dan bes bernitrogen. DNA menyimpan arahan genetik sesuatu organisma sebagai jujukan bes tersusun sepanjang heliks berganda, manakala RNA membawa salinan sebahagian kod ini untuk membina protein dalam sel.
• Ujian makanan, Empat ujian makanan mengenal pasti biomolekul utama dalam sampel: larutan Benedict bertukar merah bata apabila dipanaskan dengan gula penurun, larutan iodin bertukar biru-hitam dengan kanji, larutan Biuret bertukar ungu tanpa pemanasan jika protein hadir, dan ujian emulsi atau Sudan III menunjukkan lapisan putih susu atau pewarnaan merah bagi lipid.
• Kondensasi dan hidrolisis, Monomer bergabung membentuk polimer melalui kondensasi, satu tindak balas yang membebaskan satu molekul air pada setiap ikatan baru terbentuk; penghadaman membalikkan proses ini melalui hidrolisis, iaitu satu molekul air ditambah untuk memutuskan ikatan dan memecahkan polimer kembali kepada monomernya. Kedua-dua tindak balas yang sama ini membina dan memecahkan karbohidrat, protein dan lipid.
• Struktur DNA, DNA ialah heliks berganda terdiri daripada dua rantai nukleotida berpilin di sekeliling satu sama lain, disatukan oleh pasangan bes antara kedua-dua rantai. Jujukan bes sepanjang satu rantai ialah kod genetik, dan ia menentukan jujukan asid amino yang disambung apabila sel membina sesuatu protein.
• Lemak tepu dan tak tepu, Asid lemak tepu hanya mengandungi ikatan tunggal antara atom karbonnya, tersusun rapat dan biasanya pepejal pada suhu bilik, seperti kebanyakan lemak haiwan. Asid lemak tak tepu mengandungi satu atau lebih ikatan karbon-ke-karbon berganda, tidak tersusun serapat itu, dan biasanya minyak cecair daripada sumber tumbuhan seperti jagung atau minyak zaitun. Ciri struktur ini juga membantu menjelaskan mengapa DNA amat stabil berbanding kebanyakan protein.
• Biomolekul berperanan struktur, Selain menyimpan tenaga, tiga kumpulan biomolekul membina struktur fizikal: selulosa menguatkan dinding sel tumbuhan, protein struktur seperti kolagen dan keratin membentuk tisu penghubung, rambut dan kuku, manakala fosfolipid tersusun menjadi dwilapisan setiap membran sel. Membandingkan peranan struktur ini dengan peranan penyimpanan tenaga kanji, glikogen dan lemak ialah cara lazim soalan peperiksaan menguji kefahaman merentas keseluruhan bab. Perbandingan sebegini sering muncul dalam soalan struktur berbentuk jadual.

Senarai semak ingatan pantas

1. Boleh anda takrif dan terangkan Air?
2. Boleh anda takrif dan terangkan Karbohidrat?
3. Boleh anda takrif dan terangkan Protein?
4. Boleh anda takrif dan terangkan Lipid?
5. Boleh anda takrif dan terangkan Asid nukleik?
6. Boleh anda takrif dan terangkan Ujian makanan?
7. Boleh anda takrif dan terangkan Kondensasi dan hidrolisis?
8. Boleh anda takrif dan terangkan Struktur DNA?
9. Boleh anda takrif dan terangkan Lemak tepu dan tak tepu?
10. Boleh anda takrif dan terangkan Biomolekul berperanan struktur?

Soalan lazim

Lagi untuk Komposisi Kimia dalam Sel

Sumber:SRC-DSKP-EN