Химические вещества в живых организмах
Для веществ, входящих в состав живых организмов характерен высокий уровень структурной организации. В состав живых организмов входят не только органические, но и неорганические низкомолекулярные вещества. Это вода, углекислый газ, молекулярный кислород и азот, неорганические ионы, некоторые химические элементы. Это самый низкий уровень организации.
2-ой уровень структурной организации занимают промежуточные химические соединения: аммиак, органические кислоты и их производные, моносахариды и др.
Соединение 1-го и 2-го уровней организации – это биологические мономеры, из которых строятся биополимеры - вещества 3-го уровня структурной организации, из которых в свою очередь строятся надмолекулярные структуры: гликопротеины, нуклеопротеины, липопротеины – своеобразные композиционные материалы.
4-ый уровень организации – клеточные органеллы (ядра, митохондрии и т.д.)
5-ый уровень - собственно сама клетка, то есть система этих органелл.
Неорганические вещества клетки
Из неорганических веществ, входящих в состав живых организмов, главными являются водаисоли.
Вода
В среднем в клетках содержится около 80% воды. Чем больше в клетке воды, тем интенсивнее в ней происходит обмен веществ. Содержание воды зависит от возраста организма. 95%-в клетке эмбриона, 60%-у пожилых людей.
При потере организмом порядка 20% воды может наступить смерть. Без воды человек может прожить порядка 14 дней.
Функции воды
1) Вода определяет объем клетки и ее упругость ее оболочки (тургор ткани).
2) Вода - это среда, где происходят биохимические процессы. Практически все биохимические реакции – это реакции жидкофазные.
3) Вода - участник многих биохимических процессов, таких как гидролиз белков, жиров, полисахаридов и т.д.
4) Вода участвует в терморегуляции, т.к. имеет высокую теплоемкость и теплопроводность за счет наличия между молекулами воды водородных связей.
5) Вода - хороший растворитель и поскольку молекулы ее полярны, то она хорошо растворяет полярные (гидрофильные) вещества. Гидрофобные же (неполярные) вещества взаимодействуют между собой быстрее, нежели с водой и поэтому нерастворимы в ней. Они входят в состав биомембран.
Молекулы некоторых веществ содержат как полярные, так и неполярные группы-амфифильные (двоякие) ~~~~~С=О
|
Н
6) в суставах вода выполняет роль смазки;
7) твердая вода защищает водоемы от замерзания и таким образом защищает живые организмы.
Неорганические соли
В живых организмах неорганические соли находятся в виде ионов и образуются катионами К⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ и анионами HPO₄²⁻, H₂PO₄⁻, Cl⁻, HCO₃⁻, HSO₄ˉ
Основным является Na+ - вне клетки , К+ - внутри клетки. Из анионов вне клетки Сl⁻, внутри клетки ион HPO₄²⁻, PO₃²⁻.
Суммы положительных и отрицательных зарядов катионов и анионов должны быть равны. Однако в живом организме неорганических катионов (+) больше, чем анионов (-).
Их недостаток восполняют анионы органических кислот и белков.
Роль солей в организме.
Внутри клетки много ионов К+, мало Na+. За счет разности концентраций этих ионов по разные стороны поддерживается трансмембранный потенциал (ТМ)~100мВ. Это разность электрических потенциалов между внутренней и внешней стенками мембранных клеток.
ТМ необходим для процессов возбуждения клетки. Если разность потенциалов нарушается, то клетка может погибнуть.
Остатки фосфорной и серной кислот могут присоединяться к различным молекулам в реакции фосфорилирования и сульфатирования, делая их более гидрофильными, а потому более активными.
От наличия анионов HPO₄²⁻, HCO₃⁻, H₂PO₄⁻ зависят буферные свойства биологических сред (способность поддерживать рН на одном уровне при разбавлении растворов или при добавлении к ним небольших количеств кислоты или щелочи).
Соляная кислота НСL создает кислую реакцию среды в желудке для активирования ферментов, которые расщепляют белки пищи и уничтожают вредные организмы.
От наличия солей зависят и осмотические свойства клетки. Осмос - одностороннее проникновение через мембрану клетки молекул воды. Вода при этом выполняет роль полупроводника, выравнивающего концентрацию. Если концентрация солей в клетке меньше, чем в окружающем пространстве, то вода будет выходить из клетки. В результате
изменяется объем клетки вследствие изменения в ней концентрации ионов или других гидрофильных веществ, не проникающих через мембрану.
Осмотическое давление в клетке равно осмотическому давлению физиологического раствора (0,9% Na). Клетки в нем не набухают и не сморщиваются, обеспечивается тургор клеток.
Росм = СRТ.
Нерастворимые соли (карбонаты и фосфаты), входят в состав костей, зубов, раковин.
Zn, Mn, CО - входят в состав активных центров ферментов, I-гормон щитовидной железы, Со – в состав витамина В₁₂.
Органические вещества клетки.
Из органических веществ в состав клетки входят биополимеры (белки, углеводы, нуклеиновые кислоты и композиционные материалы (гликопротеины, липопротеины)).
Углеводы.
Состоят из углерода и воды.
Сn(Н₂О)m
С₅Н₁₀О₅- рибоза
С₅Н₁₀О₄- дезоксирибоза
Классификация углеводов.
Углеводы- обширный класс природных соединений, входящих в состав живых организмов и играющих важную роль в жизни животных, растений, человека.
Углеводы– это самый распространенный класс органических соединений.
Целлюлоза – самая распространенная в мире.
Углеводы образуются в процессе фотосинтеза.
6СО₂ + 6Н₂О → С₆Н₁₂О₆+6О₂
nСО₂ + nН₂О → Сn (Н₂О)n + nО₂
При полном окислении углеводов в процессе дыхания выделяется энергия, необходимая для функционирования организма. Некоторое количество превращается в тепло, но большая часть запасается в АТФ и других трифосфатах и затем расходуется в процессе жизнедеятельности.
Углеводы:
∕ \
Простые Сложные
(моносахариды)
∕ \
Олигосахариды полисахариды
(« олигос» -немного), ди, три, тетра….до 10 («поли» -много)
Моносахариды – гетерофункциональные соединения (полигидроксиальдегиды или полигидроксикетоны).
В природе существуют моносахариды, состоящие из 3-х, 4-х, 5-ти, 6-ти атомов углерода (триозы, тетрозы, пентозы, гексозы)
Те моносахариды, которые содержат альдегидную группу называются – альдозы, кеторгуппу - кетозы.
Альдозы и кетозы с одним и тем же числом атомов «С» являются изомерами. В природе наибольшее значение имеют гексозы и пентозы.
Для изображения формулы моносахаридов используют несколько способов:
Проекционные формулы Фишера. В них цепь расположена в одну линию, нумерация цепи начинается с атома С альдегидной группы или с того конца, к которому ближе кето-группа.
‖ Атом водорода и гидроксогруппы у
Н- С ассиметричного атома С располагаются
| слева и справа от углеродной цепи.
Н- С*- ОН
| С*- ассиметричный атом.
НО-С* –Н
|
Н- С* -ОН
|
Н- С* -ОН
|
СН₂ОН
D-глюкоза
‖
Н- С
|
НO- С- Н
|
Н- С -ОН
|
НО- С -Н
|
НО-С -Н
|
СН₂ОН
L-глюкоза
Принадлежность к D и L ряду определяется по положению гидроксильных групп и водорода в сравнении с простейшим моносахаридом - триозой (глицериновым альдегидом).
 |  |
| D(+)-глицериновый альдегид | L(-)-глицериновый альдегид |
Рассмотренные формулы Фишера характерны для изображения моносахаридов в ациклических формах, однако моносахариды могут существовать в циклических формах, которые образуются при взаимодействии кислорода карбонильных групп и одной из гидроксогрупп у опорного атома С. Опорным называется ассиметричный атом углерода, наиболее удаленный от карбонильной группы (С=О).
Как известно альдегиды и кетоны могут взаимодействовать со спиртами с образованием полуацеталей или полукеталей.
Образуется новая гидроксильная группа в той же молекуле.
Приведенная циклическая формула – формула Тойленса.
Образовавшийся 6-ти членный цикл гетероцикл (т.к. в цепи есть атом О) похож на пиран:
(пиранозный цикл)
(фуранозный цикл)
В циклической форме глюкозы образуется новый гидроксил, которого не было в открытой форме: при замыкании цикла в молекуле альдоз - у 1-го атома углерода Он называется полуацетальным или гликозидным гидроксилом.
Циклические формы моносахаридов можно изображать с помощью проекционных перспективных формул Хеуорса. Они изображаются в виде плоского многогранника, который расположен перпендикулярно плоскости изображения.
 |
Из двух формул β является более устойчивой. В ней гидроксогруппы у первого и второго атомов углерода находятся дистанцированно друг от друга, и взаимное отталкивание атомов О этих групп меньше.
Между ациклическими и циклическими формами существует равновесие, и переход одной формы в другую может происходить только при раскрытии цикла.
α - D- глюкоза ↔ ациклическая ↔ β - D - глюкоза
36% 1% 63%
В формулах Хеуорса циклы изображаются в виде плоских. Однако на самом деле необходимо иметь ввиду, что эти циклы не плоские.
кресло
ванна
Для D-глюкозы наиболее вероятна структура кресла:
В живых организмах моносахариды в основном находятся 
в циклической форме. В твердом виде сахара также имеют циклическое строение.
В химическом отношении для них характерны химические свойства, обусловленные:
1) наличием карбонильных групп.
2) наличием открытых спиртовых групп.
3) наличием полуацетальной гидроксогруппы.