Химический состав органических веществ

Клет ка является сложной саморегулирующейся системой , в которой однов ременно и в опред елённой последовательности происходят сотни хими ческих реакций , направленных на поддержание е ё жизнедеятельности , рост и развитие . Непосред ственный обмен веществ и энергией с окруж ающей средой с целью сохранения сложной с труктурной упоряд о ченности также явля ется важнейшим свойством живой клетки . Из существующих в природе 105 химических элементов активное участие в процессах жизнедеятельности принимает менее их половины . Наибольшее зна чение имеют десять элементов : азот , водород , углерод , к и слород , фосфор , сера , натрий , калий , кальций , магний - из которых построены основные структурные и функциональны е компоненты клетки. I . Неорганические соединения. 1.Вода , её свойства и значение для биологических процессов. Вода - универсальный раств орит ель . Она имеет высокую теплоёмкость и одно временно высокую для жидкостей теплопроводность . Эти свойства делают воду идеальной жидко стью для подержания теплового равновесия орга низма. Благодаря полярности своих молекул вода выступает в роли стабилизатор а струк туры . Вода - источник кислорода и водорода , она яв ляется основной средой где протекают биохимич еские и химические реакции , важнейшим реагент ом и продуктом биохимических реакций. Для воды характерна полная прозрачность в видимом участке спектра , чт о им еет значение для процесса фотосинтеза , трансп ирации . Вода практически не сжимается , что оче нь важно для придания формы органам , созда ния тургора и обеспечения определённого полож ения органов и частей организма в простра нстве. Благодаря воде возможно о существление осмотических реакций в живых клетках. Вода - основное средство передвижения веществ в организме ( кровообращение , восходящий и нисходящий токи растворов по телу ра стения и т.д .). 2. Минеральные вещества. В соста ве живых организмов современн ыми методами химического анализа обнаружено 80 элементов пе риодической системы . По количественному составу их разделяют на три основные группы. Макроэлементы составляют основную массу орган ических и неорганических соединений , концентрация их колеблется от 60% до 0.001% массы тел а (кислород , водород , углерод , азот , сера , ма гний , калий , натрий , железо и др .). Микроэлементы - преимущественно тяжёлых ме таллов . Содержатся в организмах в количестве 0.001% - 0.000001% ( марганец , бор , медь , молибден , цинк , йо д , бром ). Концентрация ультрамикр оэлементов не превышает 0.000001%. Физиологическая роль их в организмах полно стью ещё не выяснена . К этой группе от носятся уран , радий , золото , ртуть , цезий , се лен и много других редких элементов. Основную массу тканей живы х орган измов , населяющих Землю составляют органогенные элементы : кислород , углерод , водород и азот , из которых преимущественно построены органические соединения - белки , жиры , углеводы. II. Роль и функция отдельных элементов. Азот у автотрофных расте ний является исходным продуктом азотного и белкового обмена . Ат омы азоты входят в состав многих других небелковых , однако важнейших соединений : пигмен тов ( хлорофилл , гемоглобин ), нуклеиновых кислот , витаминов. Фосфор входит в состав многих жизненно важн ых соединений. Фосфор входит в состав АМ Ф , АДФ , АТФ , нуклеотидов , фосфосфорилированных с ахаридов , некоторых ферментов . Многие организмы содержат фосфор в минеральной форме ( раство римые фосфаты клеточного сока , фосфаты костно й ткани ). После отмирания орга низмов фосфорные соединения минерализуются . Благодаря корневым выделениям , деятельности почвенных бактерий осу ществляется растворение фосфатов , что делает возможным усвоение фосфора растительными , а п отом и животными организмами. Сера участвует в построени и серусодержащих аминокислот ( цистина , цистеина ), входит в состав витамина B 1 и некоторых ферментов . Особен но большое значение имеет сера и её с оединения для хемосинтезирующих бактерий . Соедине ния серы образуются в печени как продукты обеззараживания ядовитых веществ. Калий содержится в клетках только в виде ионов . Благодаря калию цитоплазма имеет о пределённые коллоидные свойства ; калий активирует ферменты белкового синтеза обусловливает нор мальный ритм сердечной деятельности , участвует в генерации био электрических потенциалов , в процессах фотосинтеза. Натрий ( содержится в ионной форме ) составляет значительную часть минеральных веществ крови и благодаря этому играет важную роль в регуляции водного обмена организма . Ионы натрия способствуют поляризации клеточной мембраны ; нормальный ритм сердечной деятельн ости зависит от наличия в питательной сре де в необходимом количестве солей натрия , калия , а также кальция. Кальций в ионном состоянии является антагонист ом калия . Он входит в состав мембранных структур , в виде солей пектиновых вещ еств склеивает растительные клетки . В растите льных клетках часто содержится в виде про стых , игловидных или сросшихся кристаллов окс алата кальция. Магний содержится в клетках в определённом соотношении с кальцием . Он входит в со став молекулы хлорофилла , активирует энер гетический обмен и синтез ДНК. Железо является составной частью молекулы гем оглобина . Оно участвует в биосинтезе хлорофил ла , поэтому при недостатке железа в почве у растений развивается хлороз . Основная р оль железа - участие в процессах дыхания , фотосинтеза путём перенесения электронов в составе окислительных ферментов - каталазы , ферр едоксина . Определённый запас железа в организ ме животных и человека сохраняется в желе содержащем белке ферритине , содержащемся в пе ч ени , селезёнке. Медь встречается в организмах животных и растений , где она играет важную роль . Ме дь входит в состав некоторых ферментов ( ок сидаз ). Установлено значение меди для процессо в кроветворения , синтеза гемоглобина и цитохр омов. Ежесуточно в орган изм человека с пищей поступает 2 мг меди . У растений медь входит в состав многих ферментов , кот орые участвуют в темновых реакциях фотосинтез а и других биосинтезах . У больных недостат ком меди животных наблюдается анемия , потеря аппетита , заболевания сердца. Марганец - микроэлемент , при недостаточном количестве кото рого у растений возникает хлороз . Большая роль принадлежит марганцу и в процессах в осстановления нитратов в растениях. Цинк входит в состав некоторых ферментов , а ктивизирующих расщепление угольной кислоты. Бор влияет на ростовые процессы , особенно растительных организмов . При отсутствии в п очве этого микроэлемента у растений отмирают проводящие ткани , цветки и завязь. При отсутствии в почве молибдена к лубеньковые бактерии не поселяются на корнях бо бовых , замедляется биосинтез белка , азотное питание растений . Этот микроэлемент п овышает стойкость растений против грибов - паразитов. В последнее время микроэлементы достаточн о широко применяются в растениеводстве ( предп осевная обработка семян ), в животно водстве ( микроэлементные добавки к корму ). Другие неорганические ком поненты клетки чаще всег о находятся в виде солей , диссоциированных в растворе на ионы , или в нерастворённо м состоянии ( соли фосфора костной ткани , и звестковые или кремниевые панцири губ ок , кораллов , диатомовых водорослей и др . ). III. Органическ ие соединения. Углеводы ( сахариды ). Молекулы этих веществ построены всего из трёх элементов - углерода , кисл орода и водорода . Углероды являются основным источником энергии для живых орган из мов . Кроме того , они обеспечивают организмы соединениями , которые используются в дальнейшем для синтеза других соединений. Наиболее известными и распространёнными у глеводами являются растворённые в воде моно - и ди сахариды . Они кристаллизуются , сладкие на вкус. Моносахариды ( монозы ) - соединения , которые не могу т гидролизоваться . Сахариды могут полимеризоватьс я , образуя более высокомолекулярные соединения - ди - , три - , и полисаха риды. Олигосахариды . Молекулы этих соединений пост роены из 2 - 4 молекул м оносахаридов . Эти соедине ния также могут кристаллизоваться , легко раст воримы в воде , сладкие на вкус и имеют постоянную молекулярную массу . Примером олиг осахаридов могут быть дисахариды сахароза , ма льтоза , лактоза , тетрасахарид стахиоза и др. Полисахариды ( полиозы ) - нерастворимые в воде соеди нения ( образуют коллоидный раствор ), не имеющи е сладкого вкуса , Как и предыдущая группа углеводов способны гидролизоваться ( арабаны , ксиланы , крахмал , гликоген ). Основная функция эт их соединений - связывание , скле ивание кле ток соединительной ткани , защита клеток от неблагоприятных факторов. Липиды - группа соединений , которые содержатся во вс ех живых клетках , они нерастворимы в воде . Структурными единицами молекул липидов могу т быть либо простые углеводородные цепи , либо остатки сложных циклических молек ул. В зависимости от химической природы л ипиды разделяют на жиры и липоиды. Жиры ( триглицериды , нейтра льные жиры ) являются ос новной группой липидов . Они представляют собо й сложные эфиры трёхатомного спирта глицерин а и жирных кислот или смесь свобо дных жирных кислот и триглицеридов. Встречаются в живых клетках и свободн ые жирные кислоты : пальмитиновая , стеариновая , рициновая. Липоиды - жироподобные вещества . Имеют большое значение , так как благодаря своему строению образуют чётко ориентированные молекулярные слои , а упорядочённое расположение гидрофильных и гидрофобных концов молекул имеет первоочеред ное значение для формирования мембранных стру ктур с избирательной проницаемостью. Ферменты . Это биологические катализ ат оры белковой природы , способные ускорять биох имические реакции . Ферменты не разрушаются в процессе биохимических превращений , поэтому сравнительно небольшое их количества катализирую т реакции большого количества вещества . Харак терным отличием ферментов о т химиче ских катализаторов является их способность ус корять реакции при обычных условиях. По химической природе ферменты делятся на две группы - однокомпонентные ( состоящие тольк о из белка , их активность обусловлена акти вным центром - специфической группы аминок ислот в белковой молекуле ( пепсин , трипсин )) и двухкомпонентные ( состоящие из белка ( ап офермента - носителя белка ) и белкового компонента ( коферментом ), причём химическая природа кофе рментов бывает разной , так как они могут состоять из органи ческих ( многие вит амины , НАД , НАДФ ) или неорганических ( атомы металлов : железа , магния , цинка )). Функция ферментов заключается в снижении энергии активации , т.е . в снижении уровня энергии , необходимой для придания реакционно й способности молекуле . Со временная классификация ферментов о сновывается на типах катализируемых ими химич еских реакций . Ферменты гидролазы ускоряют реакцию расщепления сложных соединений на мономеры ( амилаза ( гидролизует крахмал ), целлюлаза ( разлаг ает целлюлозу до моносахаридо в ), протеаза ( гидролизует белки до аминокислот )). Ферменты оксидоредуктаз ы катализируют окислительно - восстанови тельные реакции. Трансферазы переносят альдегидные , кетонные и азотистые группы от одной молекулы к другой. Лиазы отщепляют отдельные радикалы с об разованием двойных связей или катализируют пр исоединение групп к двойным связям. Изомеразы осуществляют изомеризацию. Лигазы катализируют реакции соединения двух м олекул , используя энергию АТФ или другого триофасфата. Пигменты - высокомолекулярные при родные окрашенные со единения . Из нескольких сотен соединений этог о типа важнейшими являются металлопорфириновые и флавиновые пигменты. Металлопорфирин , в состав которого входит атом магния , образует основание молекулы зелёных растительных пигментов - хлоро филлов . Если на месте магния стоит атом железа , то такой металлопорфирин называют гемом. В состав гемоглобина эритроцитов крови человека , всех других позвоночных и некотор ых беспозвоночных входит окисное железо , кото рое и придаёт крови красный цвет . Гемери трин придаёт крови розовый цвет ( некоторые многощетинковые черви ). Хлорокруорин окрашивает кровь , тканевую жидкость в зелёный цвет. Наиболее распространенными дыхательными пигм ентами крови являются гемоглобин и гемоциан ( дыхательный пигмент высших ракоо бразных , паукообразных , некоторых моллюсков спрутов ). К хромопротеидам относятся также цитохромы , каталаза , пероксидаза , миоглобин ( содержится в мышцах и создаёт запас кислорода , что позв оляет морским млекопитающим длительное время пребывать под водой ). Энергию в клетках и организмах перено сят два флавиновых пигмента : флавинмононуклеотид ( ФМН ) и флавинадениндинуклотид ( ФАД ). По химической п рироде они не относятся к металлопорфиринам , однако по своим функциям аналогичны им. Металлопорфирины и флавины играют р оль коферментов , или простетических групп фер ментов , которые участвуют в транспорте электр онов и кислорода в живых организмах. В хлоропластах содержится относительно бо льшое количество жёлтых пластидных пигментов - каротиноидов . Чаще всего встреча ются каротин , ксантофилл , ликопин , лют еин . Витамины имеют высокую физиологическую активность , сложное и разнообразное химическое строение . Они необходимы для нормального роста и развития организма . Витамины регулируют окислен ие углеводов , органических кисл от , аминоки слот , некоторые из которых входят в состав НАД , НАДФ. Биосинтез витаминов свойственен преимуществе нно зелёным растениям . В животных организмах самостоятельно синтезируются только витамины D и E . Витамины делятся на две группы : водо - растворимые ( C , B 1, B 2, фолиевая кисл ота , B 5, B 12, B 6, PP ) и жирорастворимые ( A , D , E , K ). Гормоны - специфические биологически активные вещества б елкового или стероидного типа , которые образу ются и выделяются железами внутренней секреци и животных и участвуют в р егуляции жизненных функций их организмов . Известно д о 30 гормонов и много гормоноподобных веществ , в том числе гормон щитовидной железы - т ироксин , гормоны надпочечников - адреналин , норадре налин , гидрокортизон , гормоны гипофиза - вазопресси н , окситоцин , г ормоны половых желёз - фолликулин , тестостерон. Недостаточное или чрезмерное обра зование гормонов вызывает тяжёлые расстройства в деятельности организма. Органические кислоты - к этой группе относятся орг анические вешества , способные образовывать при дис социации в водных растворах катионы водорода . Содержатся в значительном количест ве в клетках животных и особенно растител ьных организмов . Органические кислоты являются продуктами превращения углсврдов ; при синтезе белков они обрязуют углеродную основу ам и н окислот. Самую много численную группу органических кислот составляют карбоновые кислоты . В составе их моле кул обязательно содержится хотя бы одня к арбоксильная группа – СООН . По количеству карбоксильных групп различают одноосновные (мур аньиная , уксусная , пр опионовая , магляная , мо лочная , гликолевая ), двухосновные (щавелевая , яблочн ая , янтарная , нинная ) и многоосновные (лимонная , аконитовая ). По своим свойствам кислоты делятся на летучие и нелетучие . К летучим относятся уксусная , пропи оновая , масляная и некото рые другие ки слоты . Они легко испаряются , имеют резкий запах. Все другие органические кислоты – нелетучие . Бол ьшую группу органических кислот составляют ка рбоновые кетокислоты , которые кроме группы – СОО H содержат карбонильную группу (кетогруппу ). К некар боновым органическим кислотам от носятся также гетероциклические соединения с кислыми свойствами . Органические кислоты играют исключительно большую роль в обмене веществ живых организмов . Они обусловливают необходимое соотношение катионов и анионов (ионное равновесие ) при поступлении питательных в еществ в корни растений , создают в клетках буферные смеси с заданными значениями рН , являются начальными , промежуточными или коне чными продуктами биохимических превращений . В заметных количествах накапливаются эти к ислоты в свободном состоянии или в виде солей в сочных плодах (яблоках , лим онах , чернике ), в листьях и стеблях растени й (щавеля , ревеня ). Содержатся они также в крови и выделениях (мочевая кислота ) ж ивотных организмов. Получают органические кислоты из прир одных веществ в результлте брожения с ахаристых веществ (молочнокислое , маслянокислое , ук суснокислое ), а также при окислении альдегидов , спиртов , некоторых углеводов . Широко использу ются в кулинарии , пищевой промышленности , техн ике , научных исследованниях. Большое значение в процессах жизнедеятель ности организмов имеют также соли органически х кислот , в частности соли калия , натрия , кальция. Продукты выделения делятся на экскреты , секреты , рекреты и инкреты. Экскреты – продукты диссимиляции , неиспользованные, ненужные или вредные вещества . Бывают газообразные , жидкие и твёрдые . К этой г руппе относятся углекислый газ , вода , этилен , эфирные масла . К секр етам относягся продукты ассимиляции . Вещества , способные реутилизироваться называю тся рекретами. Инкреты – би ологически активные соединения внутреннего назна чения . Это фитогормоны и гормоны эндокринных желёз животных. Летучие , ароматические , пахучие вещества . Значительные количества таких веществ биогенного происхожде ния выделяются в окружающую среду как жив отным и , так и растениями . Большинство этих естественных метаболитов , выделяемых наружу (экзометаболиты ), проявляют высокую биологическую активность , поэтому они представляют интерес для научных исследований и для практики. Экзометаболиты разделяются на метаболи ты , которые влияют на рецепторы и проявляю т информационную , запаховую , сенсорную функции . С их помощью морские млекопитающие делают «пахучие метки» в толще воды , рыбы и млекопитающие объединяются в стада , хищники отыскивают добычу . Очень высокая чу вствитсл ьность млекопитающих к запаху сам ок : метабо литы с трофической функцией , которые включают ся н пищевые цепи : метаболиты лишайников ; метаболиты , которые прямым или косвенным образом влияют на размножение , рост и р азвитие организмов в биоценозах : специальные в ыделения матки пчелиной семьи ; метаболиты токсического действия (биологическ ое оружие живых организмов ): токсические выдел ения синезелёных водорослей , простейших и дру гих животных , летучие соедииения зелёной масс ы высших растений. Фитогормоны . Это регулят оры роста ряс тений гормонального типа , соединения , способные влиять на ростовые процессы растительных к леток , органов и целых рястений . Фигогормоны играют важиую роль в регенерации утраченны х органов . Существует несколько групп фитогор монов.