Химический состав органических веществ

Клетка является сложной саморегулирующейся системой, в которой одновременно и в определённой последовательности про-исходят сотни химических реакций, направленных на поддержание её жизнедеятельности, рост и развитие. Непосредственный обмен веществ и энергией с окружающей средой с целью сохранения сложной структурной упорядоченности также является важнейшим свойством живой клетки. Из существующих в природе 105 химиче-ских элементов активное участие в процессах жизнедеятельности принимает менее их половины. Наибольшее значение имеют десять элементов : азот, водород, углерод, кислород, фосфор, сера, натрий, калий, кальций, магний - из которых построены основные струк-турные и функциональные компоненты клетки.

I. Неорганические соединения.

1.Вода, её свойства и значение для биологических процес-сов.

Вода - универсальный растворитель. Она имеет высокую теп-лоёмкость и одновременно высокую для жидкостей теплопровод-ность. Эти свойства делают воду идеальной жидкостью для подер-жания теплового равновесия организма.

Благодаря полярности своих молекул вода выступает в роли стабилизатора структуры.

Вода - источник кислорода и водорода , она является основной средой где протекают биохимические и химические реакции, важ-нейшим реагентом и продуктом биохимических реакций.

Для воды характерна полная прозрачность в видимом участке спектра, что имеет значение для процесса фотосинтеза, транспира-ции.

Вода практически не сжимается, что очень важно для прида-ния формы органам, создания тургора и обеспечения определённо-го положения органов и частей организма в пространстве.

Благодаря воде возможно осуществление осмотических реак-ций в живых клетках.

Вода - основное средство передвижения веществ в организме ( кровообращение, восходящий и нисходящий токи растворов по те-лу растения и т.д.).

2. Минеральные вещества.

В составе живых организмов современными методами хими-ческого анализа обнаружено 80 элементов периодической системы. По количественному составу их разделяют на три основные груп-пы.

Макроэлементы составляют основную массу органических и неорганических соединений, концентрация их колеблется от 60% до 0.001% массы тела (кислород, водород, углерод, азот, сера, маг-ний, калий, натрий, железо и др.).

Микроэлементы - преимущественно ионы тяжёлых металлов. Содержатся в организмах в количестве 0.001% - 0.000001% ( марга-нец, бор, медь, молибден, цинк, йод, бром).

Концентрация ультрамикроэлементов не превышает 0.000001%. Физиологическая роль их в организмах полностью ещё не выяснена. К этой группе относятся уран, радий, золото, ртуть, цезий, селен и много других редких элементов.

Основную массу тканей живых организмов, населяющих Зем-лю составляют органогенные элементы : кислород, углерод, водо-род и азот, из которых преимущественно построены органические соединения - белки, жиры, углеводы.

II. Роль и функция отдельных элементов.

Азот у автотрофных растений является исходным продуктом азотного и белкового обмена. Атомы азоты входят в состав многих других небелковых, однако важнейших соединений : пигментов ( хлорофилл, гемоглобин ), нуклеиновых кислот, витаминов.

Фосфор входит в состав многих жизненно важных соедине-ний. Фосфор входит в состав АМФ, АДФ, АТФ, нуклеотидов, фос-фосфорилированных сахаридов, некоторых ферментов. Многие ор-ганизмы содержат фосфор в минеральной форме ( растворимые фосфаты клеточного сока, фосфаты костной ткани ).

После отмирания организмов фосфорные соединения минера-лизуются. Благодаря корневым выделениям, деятельности почвен-ных бактерий осуществляется растворение фосфатов, что делает возможным усвоение фосфора растительными, а потом и животны-ми организмами.

Сера участвует в построении серусодержащих аминокислот ( цистина, цистеина ), входит в состав витамина B1 и некоторых ферментов. Особенно большое значение имеет сера и её соединения для хемосинтезирующих бактерий. Соединения серы образуются в печени как продукты обеззараживания ядовитых веществ.

Калий содержится в клетках только в виде ионов. Благодаря калию цитоплазма имеет определённые коллоидные свойства; ка-лий 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 значитель-ную часть минеральных веществ крови и благодаря этому играет важную роль в регуляции водного обмена организма. Ионы натрия способствуют поляризации клеточной мембраны; нормальный ритм сердечной деятельности зависит от наличия в питательной среде в необходимом количестве солей натрия, калия, а также кальция.

Кальций в ионном состоянии является антагонистом калия. Он входит в состав мембранных структур, в виде солей пектиновых веществ склеивает растительные клетки. В растительных клетках часто содержится в виде простых, игловидных или сросшихся кри-сталлов оксалата кальция.

Магний содержится в клетках в определённом соотношении с кальцием. Он входит в состав молекулы хлорофилла, активирует энергетический обмен и синтез ДНК.

Железо является составной частью молекулы гемоглобина. Оно участвует в биосинтезе хлорофилла, поэтому при недостатке железа в почве у растений развивается хлороз. Основная роль желе-за - участие в процессах дыхания, фотосинтеза путём перенесения электронов в составе окислительных ферментов - каталазы, ферре-доксина. Определённый запас железа в организме животных и че-ловека сохраняется в желесодержащем белке ферритине, содержа-щемся в печени, селезёнке.

Медь встречается в организмах животных и растений, где она играет важную роль. Медь входит в состав некоторых ферментов( оксидаз ). Установлено значение меди для процессов кроветворе-ния, синтеза гемоглобина и цитохромов.

Ежесуточно в организм человека с пищей поступает 2 мг ме-ди. У растений медь входит в состав многих ферментов, которые участвуют в темновых реакциях фотосинтеза и других биосинтезах. У больных недостатком меди животных наблюдается анемия, поте-ря аппетита, заболевания сердца.

Марганец - микроэлемент, при недостаточном количестве ко-торого у растений возникает хлороз. Большая роль принадлежит марганцу и в процессах восстановления нитратов в растениях.

Цинк входит в состав некоторых ферментов, активизирующих расщепление угольной кислоты.

Бор влияет на ростовые процессы, особенно растительных ор-ганизмов. При отсутствии в почве этого микроэлемента у растений отмирают проводящие ткани, цветки и завязь.

При отсутствии в почве молибдена клубеньковые бактерии не поселяются на корнях бобовых, замедляется биосинтез белка, азот-ное питание растений. Этот микроэлемент повышает стойкость рас-тений против грибов-паразитов.

В последнее время микроэлементы достаточно широко при-меняются в растениеводстве ( предпосевная обработка семян ), в животноводстве ( микроэлементные добавки к корму ).

Другие неорганические компоненты клетки чаще всего нахо-дятся в виде солей, диссоциированных в растворе на ионы, или в нерастворённом состоянии ( соли фосфора костной ткани, извест-ковые или кремниевые панцири губок, кораллов, диатомовых водо-рослей и др. ).

III. Органические соединения.

Углеводы ( сахариды ). Молекулы этих веществ построены всего из трёх элементов - углерода, кислорода и водорода. Углеро-ды являются основным источником энергии для живых организмов. Кроме того, они обеспечивают организмы соединениями, которые используются в дальнейшем для синтеза других соединений.

Наиболее известными и распространёнными углеводами яв-ляются растворённые в воде моно- и дисахариды. Они кристалли-зуются, сладкие на вкус.

Моносахариды ( монозы ) - соединения, которые не могут гид-ролизоваться. Сахариды могут полимеризоваться, образуя более высокомолекулярные соединения - ди-, три- , и полисахариды.

Олигосахариды. Молекулы этих соединений построены из 2 - 4 молекул моносахаридов. Эти соединения также могут кристалли-зоваться, легко растворимы в воде, сладкие на вкус и имеют посто-янную молекулярную массу. Примером олигосахаридов могут быть дисахариды сахароза, мальтоза, лактоза, тетрасахарид стахиоза и др.

Полисахариды ( полиозы ) - нерастворимые в воде соединения ( образуют коллоидный раствор ), не имеющие сладкого вкуса, Как и предыдущая группа углеводов способны гидролизоваться ( ара-баны, ксиланы, крахмал, гликоген). Основная функция этих соеди-нений - связывание, склеивание клеток соединительной ткани, за-щита клеток от неблагоприятных факторов.

Липиды - группа соединений, которые содержатся во всех жи-вых клетках, они нерастворимы в воде. Структурными единицами молекул липидов могут быть либо простые углеводородные цепи, либо остатки сложных циклических молекул.

В зависимости от химической природы липиды разделяют на жиры и липоиды.

Жиры ( триглицериды, нейтральные жиры ) являются основ-ной группой липидов. Они представляют собой сложные эфиры трёхатомного спирта глицерина и жирных кислот или смесь сво-бодных жирных кислот и триглицеридов.

Встречаются в живых клетках и свободные жирные кислоты : пальмитиновая, стеариновая, рициновая.

Липоиды - жироподобные вещества. Имеют большое значе-ние, так как благодаря своему строению образуют чётко ориенти-рованные молекулярные слои, а упорядочённое расположение гид-рофильных и гидрофобных концов молекул имеет первоочередное значение для формирования мембранных структур с избирательной проницаемостью.

Ферменты.