Органические и неорганические
вещества.
I.
Неорганические соединения.
- 1.Вода,
ее свойства и значение для биологических
процессов.
-
- Вода
- универсальный растворитель. Она имеет
высокую теплоемкость и одновременно
высокую для жидкостей теплопроводность.
Эти свойства делают воду идеальной
жидкостью для подержания 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,
важнейшим реагентом и продуктом
биохимических реакций.
- Для
воды характерна полная прозрачность в
видимом участке спектра, что имеет
значение для процесса фотосинтеза,
транспирации.
- Вода
практически не сжимается, что очень важно
для придания формы органам, создания
тургора и обеспечения определенного
положения органов и частей организма в
пространстве.
- Благодаря
воде возможно осуществление
осмотических реакций в живых клетках.
- Вода
- основное средство передвижения веществ
в организме ( кровообращение, восходящий
и нисходящий токи растворов по телу
растения и т.д.).
-
- 2.
Минеральные вещества.
-
- В
составе живых организмов современными
методами химического анализа обнаружено
80 элементов периодической системы. По
количественному составу их разделяют на
три основные группы.
- Макроэлементы
составляют основную массу органических и
неорганических соединений, концентрация
их колеблется от 60% до 0.001% массы тела (кислород,
водород, углерод, азот, сера, магний, калий,
натрий, железо и др.).
- Микроэлементы
- преимущественно ионы тяжелых металлов.
Содержатся в организмах в количестве 0.001%
- 0.000001% ( марганец, бор, медь, молибден, цинк,
йод, бром).
- Концентрация
ультрамикроэлементов не превышает 0.000001%.
Физиологическая роль их в организмах
полностью еще не выяснена. К этой группе
относятся уран, радий, золото, ртуть,
цезий, селен и много других редких
элементов.
- Основную
массу тканей живых организмов,
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 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
соединений. Фосфор входит в состав АМФ,
АДФ, АТФ, нуклеотидов,
фосфосфорилированных сахаридов,
некоторых ферментов. Многие организмы
содержат фосфор в минеральной форме (
растворимые фосфаты клеточного сока,
фосфаты костной ткани ).
- После
отмирания организмов фосфорные
соединения минерализуются. Благодаря
корневым выделениям, деятельности
почвенных бактерий осуществляется
растворение фосфатов, что делает
возможным усвоение фосфора
растительными, а потом и животными
организмами.
- Сера
участвует в построении серусодержащих
аминокислот (
цистина, цистеина ), входит в состав
витамина B1
и некоторых ферментов. Особенно большое
значение имеет сера и ее 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
определенные коллоидные свойства; калий
активирует ферменты белкового синтеза
обусловливает нормальный ритм сердечной
деятельности, участвует в генерации
биоэлектрических 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 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
кристаллов оксалата кальция.
- Магний
содержится в клетках в определенном
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 железа
- участие в процессах дыхания,
фотосинтеза путем перенесения
электронов в составе окислительных
ферментов - каталазы, ферредоксина.
Определенный запас железа в организме
животных и человека сохраняется в
желесодержащем белке ферритине,
содержащемся в печени, селезенке.
- Медь
встречается в организмах животных
и растений, где она играет важную роль.
Медь входит в состав некоторых ферментов(
оксидаз ). Установлено значение меди для
процессов кроветворения, синтеза
гемоглобина и цитохромов.
- Ежесуточно
в организм человека с пищей поступает 2 мг
меди. У растений медь входит в состав
многих ферментов, которые участвуют в
темновых реакциях фотосинтеза и других
биосинтезах. У больных недостатком меди
животных наблюдается анемия, потеря
аппетита, заболевания сердца.
- Марганец
- микроэлемент, при недостаточном
количестве которого 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 организмов. 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, азотное питание растений. Этот
микроэлемент повышает стойкость
растений против грибов-паразитов.
- В
последнее время микроэлементы
достаточно широко применяются в
растениеводстве ( предпосевная обработка
семян ), в животноводстве (
микроэлементные добавки к корму ).
- Другие
неорганические компоненты клетки чаще
всего находятся в виде солей,
диссоциированных в растворе на ионы, или
в нерастворенном состоянии ( соли фосфора
костной ткани, известковые или
кремниевые панцири губок, кораллов,
диатомовых водорослей и др. ).
-
-
-
- III.
Органические
соединения.
-
- Углеводы
( сахариды ). Молекулы этих веществ
построены всего из трех элементов -
углерода, кислорода и водорода. Углероды
являются основным источником энергии для
живых организмов. Кроме того, они
обеспечивают организмы соединениями,
которые используются в дальнейшем для
синтеза других соединений.
- Наиболее
известными и распространенными
углеводами являются растворенные в воде
моно- и дисахариды. Они кристаллизуются,
сладкие на вкус.
- Моносахариды
( монозы ) - соединения, которые не могут
гидролизоваться. 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 кристаллизоваться, легко
растворимы в воде, сладкие на вкус и имеют
постоянную 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 ( арабаны, ксиланы,
крахмал, гликоген). Основная функция этих
соединений - связывание, склеивание
клеток соединительной ткани, защита
клеток от неблагоприятных факторов.
- Липиды
- группа соединений, которые содержатся
во всех живых 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 основной группой липидов. Они
представляют собой сложные эфиры
трехатомного спирта глицерина и жирных
кислот или смесь свободных жирных кислот
и триглицеридов.
- Встречаются
в живых клетках и свободные жирные
кислоты : пальмитиновая, стеариновая,
рициновая.
- Липоиды
- жироподобные
вещества. Имеют большое значение, так как
благодаря своему строению образуют четко
ориентированные молекулярные слои, а
упорядоченное расположение гидрофильных
и гидрофобных концов молекул имеет
первоочередное значение для
формирования мембранных структур с
избирательной проницаемостью.
- Ферменты.
Это биологические катализаторы белковой
природы, способные ускорять
биохимические реакции. Ферменты не
разрушаются в процессе биохимических
превращений, поэтому сравнительно
небольшое их количества катализируют
реакции большого количества вещества.
Характерным отличием ферментов от
химических катализаторов является их
способность ускорять реакции при обычных
условиях.
- По
химической природе ферменты делятся на
две группы - однокомпонентные ( состоящие
только из белка, их активность
обусловлена активным центром -
специфической группы аминокислот в
белковой молекуле ( пепсин, трипсин )) и
двухкомпонентные ( состоящие из белка (
апофермента - носителя белка ) и белкового
компонента ( коферментом ), причем
химическая природа коферментов бывает
разной, так как они могут состоять из
органических ( многие витамины, 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 реакционной
способности молекуле.
- Современная
классификация ферментов основывается на
типах катализируемых ими химических
реакций. Ферменты гидролазы ускоряют
реакцию расщепления сложных соединений
на мономеры ( амилаза ( гидролизует
крахмал ), целлюлаза ( разлагает целлюлозу
до моносахаридов ), протеаза ( гидролизует
белки до аминокислот )).
- Ферменты
оксидоредуктазы катализируют
окислительно-восстановительные реакции.
- Трансферазы
переносят альдегидные, кетонные и
азотистые группы от одной молекулы к
другой.
- Лиазы
отщепляют отдельные радикалы с
образованием двойных связей или
катализируют присоединение групп к
двойным связям.
- Изомеразы
осуществляют изомеризацию.
- Лигазы
катализируют реакции соединения двух
молекул, используя энергию АТФ или
другого триофасфата.
- Пигменты
- высокомолекулярные природные
окрашенные соединения. Из нескольких
сотен соединений этого типа важнейшими
являются металлопорфириновые и
флавиновые пигменты.
- Металлопорфирин,
в состав которого входит атом магния,
образует основание молекулы зеленых
растительных пигментов - хлорофиллов.
Если на месте магния стоит атом железа, то
такой металлопорфирин называют гемом.
- В
состав гемоглобина эритроцитов крови
человека, всех других позвоночных и
некоторых беспозвоночных входит окисное
железо, которое и придает крови красный
цвет. Гемеритрин придает крови розовый
цвет ( некоторые многощетинковые черви ).
Хлорокруорин окрашивает кровь, тканевую
жидкость в зеленый цвет.
- Наиболее
распространенными дыхательными
пигментами крови являются гемоглобин и
гемоциан ( дыхательный пигмент высших
ракообразных, паукообразных, некоторых
моллюсков спрутов ).
- К
хромопротеидам относятся также
цитохромы, каталаза, пероксидаза,
миоглобин ( содержится в мышцах и создает
запас кислорода, что позволяет морским
млекопитающим длительное время
пребывать под водой ).
- Энергию
в клетках и организмах переносят два
флавиновых пигмента :
флавинмононуклеотид ( ФМН ) и
флавинадениндинуклотид ( ФАД ). По
химической природе они не относятся к
металлопорфиринам, однако по своим
функциям аналогичны им.
- Металлопорфирины
и флавины играют роль коферментов, или
простетических групп ферментов, которые
участвуют в транспорте электронов и
кислорода в живых организмах.
- В
хлоропластах содержится относительно
большое количество желтых пластидных
пигментов - каротиноидов. Чаще всего
встречаются каротин, ксантофилл, ликопин,
лютеин.
- Витамины
имеют высокую физиологическую
активность, сложное и разнообразное
химическое строение. Они необходимы для
нормального роста и развития организма.
Витамины регулируют окисление углеводов,
органических кислот, аминокислот,
некоторые из которых входят в состав НАД,
НАДФ.
- Биосинтез
витаминов свойственен преимущественно
зеленым растениям. В животных организмах
самостоятельно синтезируются только
витамины D
и
E.
Витамины делятся на две группы : водо-растворимые
( C,
B1,
B2,
фолиевая кислота, B5,
B12,
B6,
PP)
и
жирорастворимые ( A,
D,
E,
K
).
- Гормоны
- специфические биологически активные
вещества белкового или стероидного типа,
которые образуются и выделяются железами
внутренней секреции животных и участвуют
в регуляции жизненных функций их
организмов. Известно до 30 гормонов и
много гормоноподобных веществ, в том
числе гормон щитовидной железы - тироксин,
гормоны надпочечников - адреналин,
норадреналин, гидрокортизон, гормоны
гипофиза - вазопрессин, окситоцин,
гормоны половых желез - фолликулин,
тестостерон.
- Недостаточное
или чрезмерное образование гормонов
вызывает тяжелые расстройства в
деятельности организма.
- Органические
кислоты - к этой
группе относятся органические
вешества, способные образовывать при
диссоциации в водных растворах катионы
водорода. Содержатся в значительном
количестве в клетках животных и
особенно растительных организмов.
Органические кислоты являются
продуктами превращения углсврдов; при
синтезе белков они обрязуют углеродную
основу аминокислот.
- Самую
многочисленную группу органических
кислот составляют карбоновые кислоты. В
составе их молекул обязательно
содержится хотя бы одня карбоксильная
группа - СООН. По количеству
карбоксильных групп различают
одноосновные (мураньиная, уксусная,
пропионовая, магляная, молочная,
гликолевая), двухосновные (щавелевая,
яблочная, янтарная, нинная) и
многоосновные (лимонная, аконитовая).
- По
своим свойствам кислоты делятся на
летучие и нелетучие. К летучим относятся
уксусная, пропионовая, масляная и
некоторые другие кислоты. Они легко
испаряются, имеют резкий запах.
-
- Все
другие органические кислоты - нелетучие.
Большую группу органических кислот
составляют карбоновые кетокислоты,
которые кроме группы - СООH содержат
карбонильную группу (кетогруппу).
- К
некарбоновым органическим кислотам
относятся 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 веществ в
корни растений, создают в клетках
буферные смеси с заданными значениями рН,
являются начальными, промежуточными или
конечными продуктами биохимических
превращений. В заметных количествах
накапливаются эти кислоты в свободном
состоянии или в виде солей в сочных
плодах (яблоках, лимонах, чернике), в
листьях и стеблях растений (щавеля,
ревеня). Содержатся они также в крови и
выделениях (мочевая кислота) животных
организмов.
- Получают
органические кислоты из природных
веществ в результлте брожения сахаристых
веществ (молочнокислое, маслянокислое,
уксуснокислое), а также при окислении
альдегидов, спиртов, некоторых углеводов.
Широко используются в кулинарии, пищевой
промышленности, технике, научных
исследованниях.
- Большое
значение в процессах жизнедеятельности
организмов имеют также соли органических
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
твердые. К этой группе относятся
углекислый газ, вода, этилен, эфирные
масла. К секретам относягся продукты
ассимиляции.
- Вещества,
способные реутилизироваться называются
рекретами.
- Инкреты
- биологически активные соединения
внутреннего назначения. Это фитогормоны
и гормоны эндокринных желез животных.
- Экзометаболиты
разделяются на метаболиты, которые
влияют на рецепторы и проявляют
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 чувствитсльность
млекопитающих к запаху самок:
- метаболиты
с трофической функцией, которые
включаются н пищевые цепи: метаболиты
лишайников;
- метаболиты,
которые прямым или косвенным образом
влияют на размножение, рост и развитие
организмов в биоценозах: специальные
выделения матки пчелиной семьи;
- метаболиты
токсического действия (биологическое
оружие живых организмов): токсические
выделения синезеленых водорослей,
простейших и других животных, летучие
соедииения зеленой массы высших растений.
- Фитогормоны.
Это регуляторы роста рястений
гормонального типа, соединения,
способные влиять на ростовые процессы
растительных клеток, органов и целых
рястений. Фигогормоны играют важиую роль
в регенерации утраченных органов.
Существует несколько групп фитогормонов.