Химический склад органічних веществ

Клітина є складною саморегулюючим системою, у якій це й в певній послідовності відбуваються сотні хімічних реакцій, вкладених у підтримку її життєдіяльності, зростання та розвитку. Безпосередній обмін речовин і енергією з довкіллям з метою збереження складної структурної упорядкованості є також найважливішим властивістю живою клітиною. З що у природі 105 хімічних елементів активну участь у процесах життєдіяльності приймає менше їхньої половини. Найбільше значення мають десять елементів: азот, водень, вуглець, кисень, фосфор, сірка, натрій, калій, кальцій, магній — з яких побудовано основні структурні і функціональні компоненти клетки.

I. Неорганічні соединения.

1.Вода, її властивості і значення для біологічних процессов.

Вода — універсальний розчинник. Вона має високий теплоёмкость і одночасно високу для рідин теплопровідність. Ці властивості роблять воду ідеальної рідиною на підтримку теплового рівноваги организма.

Завдяки полярності своїх молекул вода виступає у ролі стабілізатора структуры.

Вода — джерело кисню і водню, вона є основним середовищем де протікають біохімічні і хімічні реакції, найважливішим реагентом і продуктом біохімічних реакций.

Для води характерна повна прозорість в видимому ділянці спектра, що має значення для процесу фотосинтезу, транспирации.

Вода мало стискається, що дуже важливо задля надання форми органам, створення тургору і забезпечення певного становища органів прокуратури та частин організму в пространстве.

Завдяки воді можливо здійснення осмотических реакцій живими клетках.

Вода — основне засіб пересування речовин, у організмі (кровообіг, висхідний і спадний струми розчинів тілом рослин та т.д.).

2. Мінеральні вещества.

У складі живих організмів сучасними методами хімічного аналізу виявлено 80 елементів періодичної системи. По кількісному складу їх поділяють втричі основні группы.

Макроэлементы становлять основну масу органічних і неорганічних сполук, концентрація їх коштує від 60% до 0.001% маси тіла (кисень, водень, вуглець, азот, сірка, магній, калій, натрій, залізо і др.).

Мікроелементи — переважно іони важких металів. Є в організмах у кількості 0.001% - 0.1% (марганець, бір, мідь, молібден, цинк, йод, бром).

Концентрація ультрамикроэлементов вбирається у 0.1%. Фізіологічна роль в організмах повністю не вияснена. До цієї групи належать уран, радій, золото, ртуть, цезій, селен і багато інших рідкісних элементов.

Основний масив тканин живих організмів, які населяють Землю становлять органогенные елементи: кисень, вуглець, водень і азот, у тому числі переважно побудовано органічні сполуки — білки, жири, углеводы.

II. Роль й третя функція окремих элементов.

Азот у автотрофных рослин є вихідним продуктом азотного і білкового обміну. Атоми азоты входять до складу багатьох інших небілкових, проте найважливіших сполук: пігментів (хлорофіл, гемоглобін), нуклеїнових кислот, витаминов.

Фосфор входить до складу багатьох життєво найважливіших з'єднань. Фосфор входить до складу АМФ, АДФ, АТФ, нуклеотидів, фосфосфорилированных сахаридов, деяких ферментів. Багато організми містять фосфор в мінеральної формі (розчинні фосфати клітинного соку, фосфати кістковій тканині).

Після відмирання організмів фосфорні сполуки минерализуются. Завдяки кореневим виділенням, діяльності ґрунтових бактерій здійснюється розчинення фосфатів, що уможливлює засвоєння фосфору рослинними, і потім і тваринами организмами.

Сірка бере участь у побудові серусодержащих амінокислот (цистину, цистеина), входить до складу вітаміну B1 та деякі ферментів. Особливо велике значення має тут сірка і її сполуки для хемосинтезирующих бактерій. Сполуки сірки утворюються у печінки як продукти знезараження отруйних веществ.

Калій міститься у клітинах лише у вигляді іонів. Завдяки калію цитоплазма має певні колоїдні властивості; калій активує ферменти білкового синтезу обумовлює нормальний ритм серцевої діяльності, бере участь у генерації біоелектричні потенціалів, в процесах фотосинтеза.

Натрій (міститься у іонної формі) становить значну частину мінеральних речовин крові й таким чином відіграє в регуляції водного обміну організму. Іони натрію сприяють поляризації клітинної мембрани; нормальний ритм серцевої діяльності залежить від наявності у живильному середовищі у необхідному кількості солей натрію, калію, і навіть кальция.

Кальцій в іонному стані є антагоністом калію. Він входить у склад мембранних структури вигляді солей пектиновых речовин склеює рослинні клітини. У рослинних клітинах часто міститься у вигляді простих, игловидных чи зрощених кристалів оксалата кальция.

Магній міститься у клітинах в певному співвідношенні з кальцієм. Він входить до складу молекули хлорофілу, активує енергетичний міна й синтез ДНК.

Залізо є складовою молекули гемоглобіну. Воно бере участь в біосинтезі хлорофілу, тому за браку заліза у грунті рослин розвивається хлороз. Основна роль заліза — що у процесах дихання, фотосинтезу шляхом перенесення електронів у складі окисних ферментів — каталази, ферредоксина. Певний запас заліза в організмі тварин і звинувачують людини зберігається у желесодержащем білці ферритине, що міститься в печінки, селезёнке.

Мідь є у організмах тварин і звинувачують рослин, де значної ролі. Мідь входить до складу деяких ферментів (оксидаз). Встановлено значення міді для процесів кровотворення, синтезу гемоглобіну і цитохромов.

Щодоби у організм людини з їжею надходить 2 мг міді. У рослин мідь входить до складу багатьох ферментів, які беруть участь у темновых реакціях фотосинтезу та інших биосинтезах. У хворих недоліком міді тварин спостерігається анемія, втрата апетиту, захворювання сердца.

Марганець — мікроелемент, при недостатній кількості якої в рослин виникає хлороз. Велика роль належить марганцеві й у процесах відновлення нітратів в растениях.

Цинк входить до складу деяких ферментів, активизирующих розщеплення вугільної кислоты.

Бор впливає ростові процеси, особливо рослинних організмів. При відсутність грунті цього мікроелемента рослин відмирають проводять тканини, квіти і завязь.

За відсутності у грунті молібдену клубеньковые бактерії не поселяються на коренях бобових, сповільнюється біосинтез білка, азотне харчування рослин. Цей мікроелемент підвищує стійкість рослин проти грибов-паразитов.

Останнім часом мікроелементи досить застосовують у рослинництві (предпосевная обробка насіння), у тваринництві (микроэлементные добавки до корму).

Інші неорганічні компоненти клітини найчастіше перебувають у вигляді солей, диссоциированных в розчині на іони, чи нерастворённом стані (солі фосфору кістковій тканині, вапняні чи кремнієві панцири губок, коралів, диатомовых водоростей та інших.).

III. Органічні соединения.

Вуглеводи (сахариды). Молекули цих речовин побудовано лише з трьох елементів — вуглецю, кисню і водню. Вуглеці є основним джерелом енергії для живих організмів. З іншого боку, вони забезпечують організми сполуками, які використовуються у подальшому для синтезу інших соединений.

Найвідомішими і распространёнными вуглеводами є растворённые у питній воді моноі дисахариды. Вони кристалізуються, солодкі на вкус.

Моносахариды (монозы) — сполуки, які можуть гидролизоваться. Сахариды можуть полимеризоваться, створюючи більш високомолекулярні сполуки — ді-, три-, і полисахариды.

Олігосахариди. Молекули цих сполук побудовано з 2 — 4 молекул моносахаридов. Ці сполуки також можуть кристалізуватися, легко розчиняються у воді, солодкі на смак і мають постійну молекулярну масу. Прикладом олигосахаридов може бути дисахариды сахароза, мальтоза, лактоза, тетрасахарид стахиоза і др.

Полісахариди (полиозы) — нерозчинні у питній воді сполуки (утворюють колоїдний розчин), які мають солодкого смаку, САМІ Як і попередня група вуглеводів здатні гидролизоваться (арабаны, ксиланы, крохмаль, глікоген). Основна функція цих сполук — зв’язування, склеювання клітин сполучної тканини, захист клітин від несприятливих факторов.

Ліпіди — група сполук, які є переважають у всіх живих клітинах, вони нерозчинні у питній воді. Структурними одиницями молекул ліпідів може бути або прості углеводородные ланцюга, або залишки складних циклічних молекул.

Залежно від хімічної природи ліпіди поділяють на жири й липоиды.

Жири (триглицериды, нейтральні жири) є основний групою ліпідів. Вони уявляють собою складні ефіри трёхатомного спирту гліцерину і жирних кислот чи суміш вільних жирних кислот і триглицеридов.

Зустрічаються живими клітках і вільні жирні кислоти: пальмитиновая, стеаринова, рициновая.

Липоиды — жироподобные речовини. Мають велике значення, оскільки завдяки своєму будовою утворюють чітко орієнтовані молекулярні верстви, а упорядочённое розташування гидрофильных і гидрофобных кінців молекул має значення на формування мембранних структур з виборчої проницаемостью.

Ферменти. Це біологічні каталізатори білкової природи, здатні прискорювати біохімічні реакції. Ферменти не руйнуються у процесі біохімічних перетворень, тому порівняно невеличке їхньої кількості катализируют реакції великої кількості речовини. Характерним відзнакою ферментів від хімічних каталізаторів був частиною їхнього здатність прискорювати реакції при звичайних условиях.

По хімічної природі ферменти діляться на дві групи — однокомпонентные (котрі перебувають тільки з білка, їх активність обумовлена активним центром — специфічної групи амінокислот в білкової молекулі (пепсин, трипсин)) і двухкомпонентные (які з білка (апофермента — носія білка) і білкового компонента (коферментом), причому хімічна природа коферментів буває різною, оскільки можуть складатися з органічних (багато вітаміни, НАД, НАДФ) чи неорганічних (атоми металів: заліза, магнію, цинку)).

Функція ферментів залежить від зниженні енергії активації, тобто. в зниженні рівня енергії, яка потрібна на надання реакційної здібності молекуле.

Сучасна класифікація ферментів полягає в типах катализируемых ними хімічних реакцій. Ферменти гидролазы прискорюють реакцію розщеплення складних сполук на мономери (амилаза (гидролизует крохмаль), целлюлаза (розкладає целюлозу до моносахаридов), протеаза (гидролизует білки до амінокислот)).

Ферменти оксидоредуктазы катализируют окислювально-відновні реакции.

Трансферазы переносять альдегидные, кетонные і азотисті групи від однієї молекули до другой.

Лиазы отщепляют окремі радикали із заснуванням подвійних зв’язків чи катализируют приєднання груп до подвійним связям.

Изомеразы здійснюють изомеризацию.

Лигазы катализируют реакції поєднання двох молекул, використовуючи енергію АТФ чи іншого триофасфата.

Пігменти — високомолекулярні природні забарвлені сполуки. З кілька сотень сполук цього найважливішою є металлопорфириновые і флавиновые пигменты.

Металлопорфирин, до складу якої входить атом магнію, утворює підставу молекули зелених рослинних пігментів — хлорофілів. Коли місці магнію стоїть атом заліза, такий металлопорфирин називають гемом.

До складу гемоглобіну еритроцитів крові людини, від інших хребетних та деяких менших безхребетних входить окисное залізо, що й саме й надає крові червоний колір. Гемеритрин саме й надає крові рожевий колір (деякі многощетинковые хробаки). Хлорокруорин забарвлює кров, тканинну рідина в зелений цвет.

Найпоширенішими дихальними пигментами крові є гемоглобін і гемоциан (дихальний пігмент вищих ракоподібних, паукообразных, деяких молюсків спрутів).

До хромопротеидам ставляться також цитохроми, каталаза, пероксидаза, миоглобин (міститься у м’язах і створює запас кисню, що дозволяє морським ссавцям тривалий час перебувати під водою).

Енергію у клітинах і організмах переносять два флавиновых пігменту: флавинмононуклеотид (ФМН) і флавинадениндинуклотид (ФАД). По хімічної природі де вони ставляться до металлопорфиринам, проте за своїм функцій аналогічні им.

Металлопорфирины і флавины грають роль коферментів, чи простетических груп ферментів, які беруть участь у транспорті електронів і кисню в живих организмах.

У хлоропластах міститься щодо дуже багато жовтих пластидных пігментів — каротиноїдів. Найчастіше зустрічаються каротин, ксантофилл, ликопин, лютеин.

Вітаміни мають високу фізіологічну активність, складне й різноманітне хімічне будова. Вони потрібні на шляху зростання і розвитку організму. Вітаміни регулюють окислювання вуглеводів, органічних кислот, амінокислот, деякі з них входять до складу НАД, НАДФ.

Біосинтез вітамінів властивий переважно зеленим рослинам. У тварин організмах самостійно синтезуються лише вітаміни D і E. Вітаміни діляться на дві групи: водо-растворимые (З, B1, B2, фолієва кислота, B5, B12, B6, PP) і жиророзчинні (A, D, E, K).

Гормони — специфічні біологічні активні речовини білкового чи стероидного типу, котрі утворюються й виділяються залозами внутрішньої секреції тварин і звинувачують беруть участь у регуляції життєвих функцій їх організмів. Відомо до 30 гормонів і багато гормоноподібних речовин, зокрема гормон щитовидної залози — тироксин, гормони надниркових залоз — адреналін, норадреналін, гидрокортизон, гормони гіпофізу — вазопрессин, окситоцин, гормони статевих желёз — фолликулин, тестостерон.

Недостатня чи надмірне освіту гормонів викликає важкі розлади у діяльності организма.

Органічні кислоти — до цій групі ставляться органічні вешества, здатні утворювати при дисоціації у водних розчинах катиони водню. Є у кількості у клітинах тварин і звинувачують особливо рослинних організмів. Органічні кислоти є продуктами перетворення углсврдов; при синтезі білків вони обрязуют вуглецеву основу аминокислот.

Саму численну групу органічних кислот становлять карбонові кислоти. У складі їх молекул обов’язково міститься хоча б одня карбоксильная група — СООН. За кількістю карбоксильных груп розрізняють одноосновные (мураньиная, оцтова, пропионовая, магляная, молочна, гликолевая), двохосновні (щавлева, яблучна, бурштинова, нинная) і многоосновные (цитринова, аконитовая).

За властивостями кислоти діляться на леткі і нелетючі. До летючим ставляться оцтова, пропионовая, олійна та інших кислоти. Вони легко випаровуються, мають різкий запах.

Всі інші органічні кислоти — нелетючі. Велику групу органічних кислот становлять карбонові кетокислоты, що окрім групи — СООH містять карбонильную групу (кетогруппу).

До некарбоновым органічним кислотам ставляться також гетероциклические з'єднання з кислими властивостями. Органічні кислоти грають виключно великій ролі в обміні речовин живих організмів. Вони зумовлюють необхідне співвідношення катионів і аніонів (іонне рівновагу) при вступі поживних речовин, у коріння рослин, створюють на клітинах буферні суміші із наперед заданими значеннями рН, є початковими, проміжними чи кінцевими продуктами біохімічних перетворень. У помітних кількостях накопичуються ці кислоти у вільному змозі або в вигляді солей в соковитих плодах (яблуках, лимонах, чорниці), в листі і стеблах рослин (щавлю, ревеню). Є вони й у крові й виділеннях (сечова кислота) тварин организмов.

Отримують органічні кислоти з природних речовин, у результлте бродіння цукристих речовин (молочнокисле, маслянокислое, уксуснокислое), і навіть при окислюванні альдегідів, спиртів, деяких вуглеводів. Широко використовують у кулінарії, харчової промисловості, техніці, наукових исследованниях.

Важливе значення у процесах життєдіяльності організмів мають також солі органічних кислот, зокрема солі калію, натрію, кальция.

Продукти виділення діляться на экскреты, секрети, рекреты і инкреты.

Экскреты — продукти диссимиляции, невикористані, непотрібні чи шкідливі речовини. Бувають газоподібні, рідкі й твёрдые. До цій групі ставляться вуглекислий газ, вода, етилен, ефірні олії. До секретів относягся продукти ассимиляции.

Речовини, здатні реутилизироваться називаються рекретами.

Инкреты — біологічні активні сполуки внутрішнього призначення. Це фитогормоны і гормони ендокринних желёз животных.

Летючі, ароматні, пахучі речовини. Значні кількості таких речовин биогенного походження виділяються в довкілля як тваринами, і рослинами. Більшість цих природних метаболітів, виділених назовні (экзометаболиты), виявляють високу біологічну активність, тому вони вельми цікавлять наукових і для практики.

Экзометаболиты поділяються на метаболіти, які впливають на рецептори і виявляють інформаційну, запаховую, сенсорну функції. З їхньою допомогою морські ссавці роблять «пахучі мітки» в товщі води, риби і ссавці об'єднують у стада, хижаки відшукують видобуток. Дуже висока чувствитсльность ссавців до запаху самок: метаболіти з трофічної функцією, які включаються зв харчові ланцюга: метаболіти лишайників; метаболіти, які прямим чи опосередкованим чином впливають на розмноження, зростання та розвитку організмів у біоценозах: спеціальні виділення матки бджолиній сім'ї; метаболіти токсичної дії (біологічну зброю живих організмів): токсичні виділення синезелёных водоростей, найпростіші та інших тварин, леткі соедииения зеленої маси вищих растений.

Фитогормоны. Це регулятори зростання рястений гормонального типу, сполуки, здатні проводити ростові процеси рослинних клітин, органів прокуратури та цілих рястений. Фигогормоны грають важиую роль регенерації втрачених органів. Є кілька груп фитогормонов.